Применение квантовых компьютеров

Пока что, единственная задача квантовых компьютеров - быстро и эффективно решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уходит огромное количество времени. В пример можно привести криптографию. Давайте представим, что у нас есть ключ, зашифрованный по стандарту AES-128, и каждый человек на Земле имеет десять компьютеров

На Земле семь миллиардов человек

Каждый из этих компьютеров может проверять один миллиард комбинаций в секунду

Ключ считается взломанным, если проверено 50% всех возможных комбинаций.

При всех этих условиях все население планеты смогло бы взломать один ключ за 77,000,000,000,000,000,000,000,000 (77*10 в 24 степени) лет. Смысл в том, что нужно перебрать огромное количество вариантов, а на это у квантового компьютера (в теории) уйдёт столько же времени, сколько уходит у обычного компьютера на шифрование.

Такое применение квантовых компьютеров крайне опасно для всего цифрового пространства планеты. Но спасение лежит в самой сути опасности. Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы, выраженную впринципе неопределённости Гейзенберга — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр частицы, не исказив другой.

Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Схема шифрования ВВ84 работает следующим образом. Вначале отправитель (Алиса) производит генерацию фотонов со случайной поляризацией, выбранной из 0, 45, 90 и 135°. Получатель (Боб) принимает эти фотоны, затем для каждого выбирает случайным образом способ измерения поляризации, диагональный или перпендикулярный. Затем по открытому каналу сообщает о том, какой способ он выбрал для каждого фотона, не раскрывая при этом самих результатов измерения. После этого Алиса по тому же открытому каналу сообщает, правильный ли был выбран вид измерений для каждого фотона. Далее Алиса и Боб отбрасывают те случаи, когда измерения Боба были неверны. Если не было перехвата квантового канала, то секретной информацией или ключом и будут оставшиеся виды поляризации. На выходе будет последовательность битов: фотоны с горизонтальной или 45°-й поляризацией принимаются за двоичный «0», а с вертикальной или 135°-й поляризацией — за двоичную «1». Этот этап работы квантово-криптографической системы называется первичной квантовой передачей.

Следующим этапом очень важно оценить попытки перехватить информацию в квантово-криптографическом канале связи. Это производится по открытому каналу Алисой и Бобом путём сравнения и отбрасывания подмножеств полученных данных случайно ими выбранных. Если после такого сравнения будет выявлен перехват, то Алиса и Боб должны будут отбросить все свои данные и начать повторное выполнение первичной квантовой передачи. В противном случае они оставляют прежнюю поляризацию. Согласно принципу неопределённости, криптоаналитик (Ева) не может измерить как диагональную, так и прямоугольную поляризацию одного и того же фотона. Даже если им будет произведено измерение для какого-либо фотона и затем этот же фотон будет переслан Бобу, то в итоге количество ошибок намного увеличится, и это станет заметно Алисе. Это приведет к тому, что Алиса и Боб будут полностью уверены в состоявшемся перехвате фотонов. Если расхождений нет, то биты, использованные для сравнения, отбрасываются, ключ принимается. С вероятностью 1 ? 2^(-k) (где k — число сравненных битов) канал не прослушивался.

С криптографией непосредственно связано понятие квантового превосходства (Quantum Supremacy). "Квантовые компьютеры за разумное время решают ту задачу, которая за разумное время на классическом компьютере решена быть не может". Есть более строгое и научное определение термина, но в чаще квантовое превосходство зачастую понимается именно так. Квантового превосходства достигла группа под руководством физика Джона Мартиниса, руководитель группы квантовых вычислений в Google AI.

Случилось это около месяца назад. Квантовый компьютер Sycamore на 53 рабочих сверхпроводящих кубитах (вообще должно было быть 54, но один сломался) примерно за 200 секунд справился с задачей, на которую суперкомпьютеру Summit потребуется 10 тысяч лет.

Демонстрация квантового превосходства нужна для того, чтобы наконец показать: квантовые компьютеры — это реальная машина, которая действительно мощнее классических в определенных задачах.

Для этого квантовому компьютеру необходимо решить задачу по генерации случайной квантовой схемы определенного размера и ее "прочтения". У Summit подобные расчеты заняли два с лишним часа, а квантовый вычислитель, предсказывали ученые, должен справиться за 100 секунд. Ученые усложнили себе задачу до невыполнимых для традиционных вычислителей масштабов и справились с ней за 200 секунд — они перевели случайную квантовую схему в строчки бинарного кода миллион раз.

У такой процедуры, конечно, есть некоторые практические следствия. Например, генерация истинно случайных чисел. А это уже уходит обратно в сторону криптографии.

Криптографическое применение сегодня было разобрано очень подробно, а в следующей статье мы поговорим про другие сферы применения квантовых компьютеров.

Источник: m.vk.com

Комментарии: