Як квантові комп'ютери зламають банківські карти
Квантова фізика розвивається стрімкими темпами: вражаючі досягнення спостерігаються не тільки у сфері квантової телепортації, але і в створенні квантових комп'ютерів, які використовують для передачі і обробки даних явища квантової суперпозиції і квантової заплутаності. Такі машини можуть вирішити проблеми, занадто складні для звичайних комп'ютерів, що обробляють інформацію тільки в 1 і 0. У квантовій сфері ці одиниці і нулі існують в двох станах (кубітах) одночасно, дозволяючи виконувати паралельні обчислення.
Специфіка квантових комп'ютерів в тому, що вони вимагають для роботи спеціальних алгоритмів, таких, як, наприклад, алгоритм Шора. Такий алгоритм дозволяє розв'язати задачу розкладання числа 15 на множники (3 і 5). Вибір числа 15 обумовлений тим, що воно є найменшим непарних складеним числом, не уявленим у вигляді простого: це пов'язано з обмеженнями алгоритму. Використання алгоритму Шора важливо для задач квантової криптографії. Розкладання натуральних чисел на множники використовується при зчитуванні інформації з банківських пластикових карток та інших конфіденційних операціях. Розробка способу дешифрування зламає всі існуючі системи захисту. За прогнозами фахівців Агентства національної безпеки США, як тільки з'являться квантові комп'ютери, поточна криптографія негайно застаріє. І, схоже, вчені вже до цього підійшли.
Так, в останньому номері журналу Science вийшла стаття, в якій фізики з Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Інсбрукського університету розповідають про створення квантового комп'ютера на основі алгоритму Шора з п'яти атомів, здатного розкладати числа на прості множники. Причому масштаби такого пристрою можна легко і довільно розширювати або зменшувати, що дозволить зламати більшість систем шифрування.
Новий квантовий комп'ютер MIT складається з п'яти атомів і іонної пастки. Для виконання алгоритму Шора обчислювальна машина використовує лазерні імпульси, спрямовані на кожен атом. За словами провідного автора роботи з MIT Айзека Чуанга, систему можна масштабувати, добавляючи до неї більшу кількість атомів і лазерів. Це дозволяє створити більш швидкий квантовий комп'ютер, який розкладає за допомогою алгоритму Шора на множники більше натуральне число. Як показали експерименти, ймовірність помилки при обчисленні становить менше одного відсотка. Принципово важливо, що у такої системи немає ніяких фізичних або інших обмежень щодо збільшення кількості кубітів, що підвищує максимальне число, яке можна розкласти на прості множники. Якщо масштаби подібних систем збільшити, це, зокрема, поставить під загрозу існуючі системи захисту на базі алгоритму шифрування RSA - криптосистеми з відкритим ключем. Він використовується при передачі інформації через інтернет, зчитуванні даних з банківських карток та інших конфіденційних операціях.
Насправді, світові фізики вже представляли кілька версій комп'ютерів на основі алгоритму Шора, але всі вони були розраховані на розкладання конкретних чисел або навіть одного числа на множники і їх не можна було масштабувати - збільшувати або зменшувати число кубітів, осередків квантової пам'яті, в якій проводилися обчислення. Вчені з MIT і Інсбрукського університету зуміли удосконалити технологію, використовуючи особливу версію алгоритму Шора, яка вимагає не 12, а всього п'ять кубітів для розкладання числа 15 на прості множники. Такий підхід, а також особлива іонна пастка, що утримує атоми-кубіти на місці, дозволяють, за словами Чуанга, створювати квантові дешифратори практично необмежених розмірів.
Основною проблемою квантової фізики залишається створення повноцінного чинного квантового комп'ютера. Важливий крок у цьому напрямку зробили канадські вчені. Днями про прорывном винаході оголосили фахівці інституту INRS (Institut National de Recherche Scientifique). Колектив під керівництвом професора Роберто Морандотти створив оптичний чіп, який вирішить принципові проблеми, що стоять на шляху створення квантових комп'ютерів. Новий чіп компактний, масштабований, він дешевий у виробництві і сумісний з електронними схемами для стандартних частот комунікацій. Найскладнішим завданням стало генерування багатьох стабільних і контрольованих переплутаних станів кубітів. Для цього вчені використовували вбудовані оптичні частотні гребінки. Такі пристрої являють собою послідовність загасаючих реплік світлових імпульсів, ослабляющихся після кожного циклу в резонаторі. Вони дозволяють отримати широкий спектр від одного монохроматичного джерела, відмовившись від масиву з десятків лазерів, налаштованих кожен на свою довжину хвилі. За відкриття цих надточних джерел світла була присуджена в 2005 році Нобелівська премія з фізики 2005 р.
Завдяки інтегрованим гребінок, чіп INRS генерує многофотонные переплутані стану кубітів для кількох сотень частот. До того на чіпі вдавалося отримувати лише двухфотонные переплутані стану. На думку Роберто Морандотти, інновація здатна вивести розвиток оптичні квантові технології на більш високий рівень.
А насправді квантовий комп'ютер вже є. В кінці минулого року компанія Google зробила справжній фурор, представивши перший функціональний квантовий комп'ютер D-Wave 2X, створений у Квантовій лабораторії штучного інтелекту Google і NASA. Насправді, D-Wave 2X пошуковий гігант придбав ще в 2013 році у канадської компанії D-Wave Systems. Самі канадські фахівці, хоча і створили машину нового покоління, не зуміли довести її працездатність на основі явищ квантової суперпозиції і квантової заплутаності. А глава Google з інжинірингу Хартмут Невен стверджує, що він і його колеги перевірили здатності комп'ютера, вирішивши з його допомогою задачу зі швидкістю, в 100 млн разів перевищує здібності звичайного комп'ютера з одним процесором. Однак D-Wave 2X поки не пройшов аналіз з боку наукового співтовариства.
Між тим, використовуючи потужності нового квантового комп'ютера, фахівці Google продовжують працювати над вирішенням завдань в області проблем оптимізації, квантових пошукових алгоритмів і технологій машинного самонавчання, які були розпочаті на комп'ютері попереднього покоління. Можливості квантового комп'ютера D-Wave застосовуються також для розробки технологій розпізнавання мови і зображень, розрахунків параметрів космічних місій, управління повітряним рухом та інших завдань, вирішити які традиційними методами можна тільки шляхом величезних витрат енергії, часу та обчислювальних потужностей.
