Как квантовые компьютеры взломают банковские карты

Квантовая физика развивается стремительными темпами: впечатляющие достижения наблюдаются не только в сфере квантовой телепортации, но и в создании квантовых компьютеров, использующих для передачи и обработки данных явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Такие машины  могут решить проблемы, слишком сложные для обычных компьютеров, обрабатывающих информацию только в 1 и 0. В квантовой сфере эти единицы и нули существуют в двух состояниях (кубитах) одновременно, позволяя выполнять параллельные вычисления.

Специфика квантовых компьютеров в том, что они требуют для работы специальных алгоритмов, таких, как, например, алгоритм Шора. Такой алгоритм позволяет решить задачу разложения числа 15 на множители (3 и 5). Выбор числа 15 обусловлен тем, что оно является наименьшим нечетным составным числом, не представимым в виде простого: это связано с ограничениями алгоритма. Использование алгоритма Шора важно для задач квантовой криптографии. Разложение натуральных чисел на множители используется при считывании информации с банковских пластиковых карточек и других конфиденциальных операциях. Разработка способа дешифровки сломает все существующие системы защиты. По прогнозам специалистов Агентства национальной безопасности США, как только появятся квантовые компьютеры, текущая криптография немедленно устареет. И, похоже, ученые уже к этому приблизились.

Так, в последнем номере журнала Science вышла статья, в которой физики из Массачусетского технологического института (MIT) и Инсбрукского университета рассказывают о создании квантового компьютера на основе алгоритма Шора из пяти атомов, способного разлагать числа на простые множители. Причем  масштабы такого устройства можно легко и произвольно расширять или уменьшать, что позволит взломать большинство систем шифрования.

Новый квантовый компьютер MIT состоит из пяти атомов и ионной ловушки. Для выполнения алгоритма Шора вычислительная машина использует лазерные импульсы, направленные на каждый атом. По словам ведущего автора работы из MIT Айзека Чуанга, систему можно масштабировать, добавляя в нее большее количество атомов и лазеров. Это позволяет создать более быстрый квантовый компьютер, раскладывающий при помощи алгоритма Шора на множители большее натуральное число. Как показали эксперименты, вероятность ошибки при вычислении составляет менее одного процента. Принципиально важно, что у такой системы нет никаких физических или иных ограничений по увеличению количества кубитов, что повышает максимальное число, которое можно разложить на простые множители. Если масштабы подобных систем увеличить, это, в частности, поставит под угрозу существующие системы защиты на базе алгоритма шифрования RSA - криптосистемы с открытым ключом. Он используется при передаче информации через интернет, считывании данных с банковских карточек и других конфиденциальных операциях.

На самом деле, мировые физики уже представляли несколько версий компьютеров на основе алгоритма Шора, но все они были рассчитаны на разложение конкретных чисел или даже одного числа на множители и их нельзя было масштабировать - увеличивать или уменьшать число кубитов, ячеек квантовой памяти, в которой производились вычисления. Ученые из MIT и Инсбрукского университета сумели усовершенствовать технологию, используя особую версию алгоритма Шора, которая требует не 12, а всего пять кубитов для разложения числа 15 на простые множители. Такой подход,  а также особая ионная ловушка, удерживающая атомы-кубиты на месте, позволяют, по словам Чуанга, создавать квантовые дешифраторы практически неограниченных размеров.

Основной проблемой квантовой физики остается создание полноценного действующего квантового компьютера. Важный шаг в этом направлении сделали канадские ученые. На днях о прорывном изобретении объявили специалисты института INRS (Institut National de Recherche Scientifique). Коллектив под руководством  профессора Роберто Морандотти создал оптический чип, который решит принципиальные проблемы, стоящие на пути создания квантовых компьютеров. Новый чип компактный, масштабируемый, он дешев в производстве и совместим с электронными схемами для стандартных частот коммуникаций. Самой сложной задачей стало генерирование многих стабильных и контролируемых перепутанных состояний кубитов. Для этого ученые использовали встроенные оптические частотные гребенки. Такие устройства представляют собой последовательность затухающих реплик световых импульсов, ослабляющихся после каждого цикла в резонаторе. Они позволяют получить широкий спектр от одного монохроматического источника, отказавшись от массива из десятков лазеров, настроенных каждый на свою длину волны. За открытие этих сверхточных источников света была присуждена в 2005 году Нобелевская премия по физике 2005 г.

Благодаря интегрированным гребенкам, чип INRS генерирует многофотонные перепутанные состояния кубитов для нескольких сотен частот. До того на чипе удавалось получать лишь двухфотонные перепутанные состояния. По мнению Роберто Морандотти, инновация  способна вывести развитие оптические квантовые технологии на более высокий уровень.

А на самом деле квантовый компьютер уже есть. В конце прошлого года компания Google произвела настоящий фурор, представив первый функциональный квантовый компьютер D-Wave 2X, созданный в Квантовой лаборатории искусственного интеллекта Google и NASA.  На самом деле, D-Wave 2X поисковый гигант приобрел еще в 2013 году у канадской компании D-Wave Systems. Сами канадские специалисты, хотя и создали машину нового поколения, не сумели доказать ее работоспособность на основе явлений квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. А глава Google по инжинирингу Хартмут Невен утверждает, что он и его коллеги проверили способности компьютера, решив с его помощью задачу со скоростью, в 100 млн раз превышающей способности обычного компьютера с одним процессором. Однако D-Wave 2X пока не прошел анализ о стороны научного сообщества.

Между тем, используя мощности нового квантового компьютера, специалисты Google продолжают работать над решением задач в области проблем оптимизации, квантовых поисковых алгоритмов и технологий машинного самообучения, которые были начаты на компьютере предыдущего поколения. Возможности квантового компьютера D-Wave применяются также для разработки технологий распознавания речи и изображений, расчетов параметров космических миссий, управления воздушным движением и других задач, решить которые традиционными методами можно только путем огромных затрат энергии, времени и вычислительных мощностей.