Квантовый компьютер: cупермозг, бомба XXI века или игрушка?

В фильме «Крепкий орешек 4.0» антигерой-хакер, вооружённый командой помощников и трейлером, напичканным электроникой, совершает кибер-атаку на информационную сеть США.

Он приобретает контроль над практически всей инфраструктурой общества: от телевидения до энергосистемы, от пенсионных фондов до систем управления уличным движением. Лишь могучий интеллект и боевое искусство героя Брюса Уиллиса спасают Америку от катастрофы.

Александр Львовский

Александр Львовский – 36-летний профессор физики в университете города Калгари в Канаде, специалист в области квантовой оптики, руководитель лаборатории квантовых информационных технологий, автор более 70 публикаций в крупнейших физических журналах. Выпускник МФТИ.

В голливудском кино, конечно, всё немного преувеличено. Тем не менее, зависимость современного общества от компьютерных сетей сегодня очевидна каждому. Информационные сети проникли почти во все части общественного организма, став его нервной системой, его мозгом. Любое мало-мальски значительное нарушение их работы приведёт к параличу всего организма.

Одной из лакомых целей кибер-атак является зашифрованная информация, передаваемая по открытым каналам связи. Когда вы покупаете, допустим, книжку в интернет-магазине, вы вводите номер вашей кредитной карточки. Этот номер передаётся на сервер в зашифрованном виде, чтобы никто не смог, подключившись к каналу связи, «подслушать» и незаконно воспользоваться вашей карточкой. В наши дни подобное кодирование используется в разговорах по «скайпу» и мобильным телефонам, во многих интернет-протоколах, банковских операциях, коммуникациях между военными объектами и многих других современных средствах связи.

Брюс Уиллис спасает Америку от катастрофы

Код доступа

Как устроен такой шифр— отдельная тема. Часто у «собеседников» нет возможности приватно пообщаться и договориться о секретном шифре. Поэтому используют специальный шифровальный алгоритм, надёжность которого основана на некоей математической задаче, которую нужно решить для того, чтобы расшифровать сообщение. Как в книжке «Гарри Поттер и философский камень». Адресат сообщения с этой задачей легко справится, ибо он сам её и придумал. А хакеру, для которого сообщение не предназначено, придётся попотеть.

В качестве задачи используется разложение чисел на простые множители— то самое упражнение, которое школьники выполняют на уроках математики. Оно не сложно, только если исходное число небольшое. В всех иных случаях оно оказывается непосильным даже для самого быстрого электронного компьютера. Но. Если кто-то изобретёт способ решать эту задачу быстро, он сможет устроить заварушку покрепче той, которую мы видели в кино. Говоря простым языком, такое изобретение поможет злоумышленникам получить сразу все деньги во всех банках или выведать любые военные секреты— или и то, или другое.

И идея такого изобретения уже существует. Это так называемый квантовый компьютер— процессор, основанный на физических законах, действующих в мире микроскопической материи.

Один из законов микромира гласит, что один и тот же объект— например, атом— может находиться одновременно в нескольких состояниях, или, как говорят физики, в состоянии суперпозиции. Для большинства из нас— существ, состоящих из миллиардов миллиардов миллиардов атомов — это невообразимо: никто никогда не видел футбольный мяч, одновременно находящийся в двух воротах. Однако в микромире такие явления типичны, и мы можем не только экспериментально наблюдать их последствия, но и использовать их на практике— в частности, для создания принципиально нового компьютера.

Кот Шредингера

Самый известный пример состояния суперпозиции приведён одним из отцов-основателей квантовой физики, Эрвином Шрёдингером: кот, который находится в суперпозиции мёртвого и живого состояний. Мы таких котов не видим, потому что квантовые законы в столь прямолинейной форме проявляются только с микроскопическими объектами, такими как атомы или элементарные частицы. Это всего лишь мысленный эксперимент. Однако говорят, что когда-то одно из обществ защиты животных подало в суд на Шрёдингера за жестокое обращение со своим котом!

Кот в суперпозиции (рисунок Беки Торн)

Источник: Qgd

Как работает такой компьютер? Представим себе, что мяч— это наш компьютер, а двое ворот— это две задачи, которые он должен решить. Обычный процессор должен решать эти задачи последовательно— сначала одну, потом другую. Квантовый же процессор, находясь в состоянии суперпозиции, решает их одновременно. И учитывая, что «ворот» может быть не двое, а миллиарды, мы получаем миллиарды процессоров, выполняющих вычисления одновременно, платя только за один.

Когда идея квантового компьютера только появилась (а озвучил её ни кто иной, как великий физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман), многие увидели в ней панацею от медлительности электронных вычислительных машин. Скоро никому не придётся стучать кулаком по монитору и проклинать Билла Гейтса! Оказалось, всё не так просто.

Звездный путь

Существует анекдот: технического консультанта съёмочной группы сериала «Звёздный путь» Майкла Окуду на одной пресс-конференции спросили, как работает телепорт. Тот не растерялся и ответил: “Very well, thank you!” ("Очень хорошо, спасибо!"). На аналогичный вопрос про квантовый компьютер учёные пока не могут дать намного более содержательного ответа.

Нобелевский лауреат Ричард Фейнман

Источник: Tom Harvey

Бесполезные атомы

Возвращаясь к нашей аналогии: квантовый мяч обладает своими необычными свойствами, только когда на стадионе нет зрителей. Как только зрители попытаются увидеть мяч сразу в нескольких воротах, тот сразу же выйдет из состояния суперпозиции и окажется случайным образом в лишь одних из ворот.

Что это значит для нашего квантового компьютера? После того, как он закончит вычисления, ответы к задачам, которые он решал, будут тоже в состоянии суперпозиции. Как только мы попытаемся выяснить, каковы эти ответы, процессор выдаст «на гора» только один, случайно выбранный ответ. В результате квантовый параллелизм оказывается бесполезен. За исключением узкого класса задач, в которых квантовый компьютер действительно имеет преимущество перед обычным. Одна из них— та самая задача о разложении чисел на простые множители, которую стремятся научиться решать хакеры.

Таким образом, квантовый компьютер— орудие не созидания, но уничтожения— бомба двадцать первого века. Это следует осознавать и правительствам, которые решают вопрос о финансировании исследований в области квантовой информации, и обществу, которое это правительство контролирует. Имея за плечами опыт Хиросимы и холодной войны, естественен порыв попросту запретить такие исследования во всём мире, чтобы пресечь новую опасность. Однако реален ли такой запрет?

Запрет научно-технического прогресса был бы подобен «сухому закону». Прогресса он не остановит, но передаст его в руки тем, кто захочет им воспользоваться в неблаговидных интересах. Сейчас почти никакие исследования в области квантовой информатики не засекречены. Научные результаты публикуются в открытой печати, учёные всего мира посещают лаборатории друг друга, свободно общаются на конференциях и пьют вместе пиво.

Россия отличается

Практически все развитые страны активно поддерживают исследования в области квантовой информации. Никто не считает себя вправе отстать в разработке средств информационной войны. Например, один только крошечный Сингапур инвестировал в квантовую информацию за последние годы более $100 миллионов. В России, к сожалению, ситуация разительно отличается. Исследования ведутся кучкой энтузиастов и практически без финансирования.

Гордон Мур, один из основателей Intel

Источник: AP

В таких обстоятельствах невозможно представить себе, что кто-то тайно, в одиночестве разработает квантовый компьютер и начнёт с его помощью терроризировать население. Однако такая ситуация вполне возможна, если международное общение прервётся и исследования уйдут в подполье. И если в этом подполье какая-нибудь страна или крупная фирма построит квантовый компьютер, у неё в руках окажется такой мощный инструмент для политического давления и конкурентной борьбы, который чреват социальной, экономической, а возможно и военной катастрофой для всего человечества.

Кроме того, наступление эры квантовой технологии до некоторой степени неизбежно. Как известно, наши компьютеры становятся всё быстрее и всё сложнее. Происходит это, в частности, вследствие уменьшения элементарных ячеек микросхем, из которых они состоят. Если это развитие будет происходить такими же темпами ещё несколько десятков лет, ячейки станут размером с атом.

Закон Мура

Ещё в 60-х годах прошлого века Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, обнаружил, что размеры ячеек сокращаются вдвое примерно каждые четыре года. Последние пятьдесят лет этот «закон Мура» выполнялся с удивительным постоянством – ячейки становятся головокружительно малы. Например, в новейшем Intel Core i7 используются структуры в 32 миллионных миллиметра – в тысячи раз меньше диаметра волоса!

Японцы планируют создать силиконовый нанокомпьютер к 2030 году

Источник: YouTube

Это значит, что технологии в любом случае суждено пересечь границу, отделяющую привычный нам мир больших предметов от мира микроскопического, состоящего из отдельных атомов, молекул и элементарных частиц. И технология будет вынуждена приспосабливаться к законам квантовой физики, управляющими этим миром. Любой компьютер станет до некоторой степени квантовым.

Наконец, квантовая наука поставляет нам не только угрозу, но и средство защиты от неё— технологию квантовой криптографии. «Квантовая криптография» — не совсем точное понятие. Передаваемая информация никуда не прячется и никак не шифруется. Но передается по оптоволоконным кабелям посредством элементарных частиц света— фотонов.

Информация, передаваемая таким образом, защищена тем, что, как нам объясняли на физтехе много лет назад, «мы большие, а фотоны маленькие». Даже самый чувствительный прибор ведёт себя в квантовом мире подобно слону в посудной лавке: пытаясь узнать состояние квантовой частицы, он неизбежно ее изменит. Поэтому, если кто-то попытается «подслушать», что передаётся по квантовому каналу, он неизбежно «испортит» передаваемое сообщение— и таким образом будет замечен. Защита информации в квантовой криптографии основана не на трудности решения некоей математической задачи, а на фундаментальных свойствах материи. А такая защита не по зубам и квантовому компьютеру.

Какая страна создаст квантовый компьютер первой?

Источник: Mondolithic

В отличие от квантовых компьютеров, квантовая криптография— технология сегодняшнего дня. Уже сейчас существуют фирмы, производящие устройства для передачи и приёма информации таким способом. К сожалению, расстояние, на котором осуществима квантовая коммуникация, пока невелико: несколько десятков километров. Но увеличение этого параметра до тысяч километров, с тем, чтобы было возможно широкое практическое использование квантовой технологии для телекоммуникаций— только вопрос времени.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции GZT.RU

Опубліковано на сайті: 2010-07-18