Наше квантовое будущее
Как можно сломать мировую финансовую систему? Когда вычисления станут быстрее в триллионы раз? Можно ли избавиться от хакеров навсегда? Ученые рассказали об этом каналу «Наука».
«Квантовое превосходство», «квантово-информационная атомная бомба», «квантовый телефон» — научпоп-ресурсы все чаще используют подобные словосочетания. Появляются пугающие прогнозы: «Квантовый компьютер может уничтожить всю современную банковскую систему!» То есть, с одной стороны, вроде бы «превосходство, новый мощный компьютер», а с другой — «бомба и угроза». Давайте разберемся, что это за явление.
Квантовый компьютер взломает все?
Каждый из нас, кто хоть раз держал в руках смартфон и снимал деньги в банкомате, использовал технологии современной криптографии. Криптография — это наука о шифровании данных, или, в более широком смысле, об обеспечении конфиденциальности.
Мы привыкли, что наши секретные действия в глобальном электронном мире защищены паролями. Но пароли нельзя пересылать в открытом виде, иначе они станут достоянием злоумышленников. Поэтому они, конечно, тоже шифруются. Как можно обменяться по открытому каналу закрытыми данными? Для этого компьютеры отправителя и адресата несколько раз обмениваются служебными сообщениями и создают некий ключ, который виден в Сети всем, но корректно воспользоваться им могут лишь участники переписки. В большинстве случаев для этого используют такие математические действия, над которыми в одном направлении надо думать очень долго, а в другом они решаются почти моментально.
Например, разложение на множители и умножение. Попробуйте разложить на множители число 91. Не так-то это просто, верно? А вот если вы умножаете 7 на 13, то это быстро и просто.
Обычный электронный компьютер так же, как человеческий мозг, легко перемножит два числа, а вот чтобы разложить на множители составное число — по-научному это называется «факторизация», — ему придется работать очень долго. Именно эта идея положена в основу защиты секретной переписки в интернете, электронного общения с банками и других тайных дел, которые вы доверяете Всемирной сети.
«Если мы сделаем 300-значное число, то какой-нибудь мощный компьютер будет факторизовать его за время, сравнимое со времени жизни Вселенной. Вот и отлично! Можно на этом деле основывать систему шифрования», — объясняет Вадим Родимин, ведущий научный сотрудник группы квантовых коммуникаций Российского квантового центра.
Но трудно — не значит невозможно! В квантовом компьютере есть ряд интересных методов, как решать эти задачи быстрее. В недалеком будущем его создатели рассчитывают ускорить математические операции, и тогда разложить на множители 300-значное число станет возможно за минуты. В таком случае злоумышленникам не составит труда лишить вас сбережений за несколько минут через взлом сетевого банкинга.
«Вы не понимаете квантовую теорию»
Это не значит, что квантовый компьютер гораздо мощнее обычного. Он просто другой. Квантовый мир полон неоднозначностей, для которых наш опыт не дает аналогов. Недаром создатель квантовой электродинамики, нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил: «Если вам кажется, что вы понимаете квантовую теорию, то вы не понимаете квантовую теорию».
Основу квантового компьютера составляют частицы, у которых тоже не все однозначно. Логический элемент обычного компьютера — это бит, и он может иметь только два значения: ноль и один. Логическим элементом квантового компьютера тоже является бит, но в нем есть неоднозначность. Он может одновременно иметь значение как нуля, так и единицы. И показать на выходе одно или другое с некоторой вероятностью. Поэтому его называют кубит — квантовый бит. Способность случайным образом проявить одно состояние из нескольких называется в квантовой физике суперпозицией.
Вернемся к вашей банковской безопасности. Обычному компьютеру, чтобы разложить на множители ваш ключ — очень большое число — и таким образом подделать ваше общение с банком, надо раз за разом пробовать новые варианты. Но если возможных делителей гугол (1 и сто нулей), он будет этим заниматься, пока жива Вселенная. В квантовый компьютер можно загрузить в виде суперпозиции сразу все возможности разложить на множители ваш ключ. Результат будет получен всего в несколько операций, и этого как раз жаждут взломщики.
«Количество этих операций очень небольшое — в пределах тысячи команд. Этого достаточно. Квантовый мир богат, и, выполняя вот это небольшое количество команд, можно получать результаты, которые представляют определенный интерес», — объясняет Алексей Рубцов, руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ, профессор РАН.
Квантовый компьютер пригодится для решения любых задач, где привычная электроника пасует перед оценкой огромного количества вариантов, которые нужно перебирать один за другим. И криптографический анализ — далеко не главное.
«Задачи логистики, задачи оптимизации тех или иных технологических процессов, задачи поиска новых материалов для аккумуляторов, задачи поиска новых катализаторов для химической промышленности — вот это то, где даже небольшой прогресс, достигнутый с помощью квантовых вычислителей, немедленно приведет к заметным и значимым экономическим выгодам, — рассказывает Алексей Рубцов. — Квантовая система — это суперпозиция, одновременно присутствие многих классических систем. То, что на уровне законов природы может параллельно выполнять одни и те же действия, например, для разных входных данных. Именно это нужно для оптимизации».
Неоднозначность квантового мира
Квантовый компьютер, скорее всего, ничего не будет считать в привычном для нас смысле этого слова. Возьмем классический пример с коммивояжером, которому нужно составить оптимальный маршрут посещения какого-то количества городов. Координаты всех точек назначения записываются в кубиты — в качестве самых вероятных значений. Нарисованная квантовая карта в суперпозиции уже содержит все маршруты, по которым можно эти города объехать. Система сама выберет наиболее выгодный маршрут.
Программисту классического компьютера можно задать вопрос о разных частях его алгоритма: «Почему ты здесь так считал?» У квантового программиста достаточно спросить: «Правильно ли ты смоделировал проблему?» Если правильно — ответ получается не по каким-то расчетам, а просто в силу действия законов природы. В этом смысле большинство квантовых процессоров похожи не на компьютеры, а на старинную логарифмическую линейку, которая ничего не считала, а просто сразу давала ответ, когда на ней перемещали бегунок.
Внимательный читатель может воскликнуть: «Позвольте! Логарифмическая линейка, как и любое аналоговое устройство, в большинстве случаев дает приблизительный ответ — она просто оценивает результат! Как же вы хотите приблизительно раскладывать огромные числа на простые множители, если здесь важна каждая единичка?» И это, действительно, огромная проблема квантовых вычислений.
Надежный ответ квантовая модель дает не за один запуск системы, а лишь когда мы прогоняем через нее одну и ту же задачу тысячи раз. «Мы должны повторить квантовые вычисления много миллионов раз, набрать какую-то статистику и с этой статистикой уже работать, — рассказывает Рубцов. — Природа запрещает полностью охарактеризовать квантовое состояние один раз, если у вас есть только классические измерители».
То есть и оптимальный маршрут коммивояжера, и правильное разложение на множители получатся только после того, как мы запустим квантовый компьютер очень много раз, а полученные данные обработаем средствами математической статистики на классическом компьютере. Интересно, что такими же методами получают значимые результаты на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН! И в этом нет ничего удивительного: и там, и здесь люди имеют дело с неоднозначным квантовым миром.
В последнее время стали появляться сообщения о достижении «квантового превосходства». Это значит, что какого-то результата квантовый компьютер действительно достиг существенно быстрее, чем обычный. В компании Google в октябре 2019 заявили, что их 53-кубитный процессор выполнил за 200 секунд задачу, которую самые современные суперкомпьютеры решали бы 10 000 лет. Потом, правда, выяснилось, что это была искусственно придуманная задача, состоящая в быстром переборе последовательностей случайных чисел. А мы уже поняли, что все случайное ближе всего к квантовому миру с его неоднозначностями.
От технологий создания кубита до суперкомьпютера
Существует много разных подходов для создания кубитов. Наиболее распространены сверхпроводящие кубиты, но также активно изучают кубиты на холодных атомах. Или на ионах, также на фотонах. В Российском квантовом центре стартовал проект по исследованию физических принципов создания магнонных кубитов. В отличие от своих ионных и сверхпроводящих собратьев, работающих при температуре около абсолютного нуля, эти кубиты смогут работать при комнатной температуре. В этом состоит замысел ученых, но до воплощения пока далеко. Квантовые компьютеры — это все еще экспериментальные устройства.
Промышленные квантовые компьютеры должны массово появиться примерно к 2025 году. Они будут щелкать традиционные шифры как орехи
«Вычислительной мощности пока недостаточно, чтобы выполнять какие-то универсальные наборы алгоритмов. Поэтому для того, чтобы он стал полным универсальным аналогом, мощность компьютера должна быть намного больше, я думаю, что это вопрос пяти-десяти лет, когда появится полноценная машина», — говорит Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра.
В июне 2020 года американская компания Honeywell объявила о создании мощнейшего квантового компьютера. У него всего лишь 6 кубитов, но они могут в разных сочетаниях объединяться для совместной работы. Эта важная характеристика называется «квантовый объем». У Honeywell 2020 года он равен 64-м. Но, конечно, чтобы решать серьезные задачи, такие как взлом современных ключей шифрования, кубитов должно стать в сотни и тысячи раз больше.
Чтобы квантовые компьютеры стали частью наших повседневных технологий, предстоит решить множество технологических проблем: найти физические кубиты, которые долго сохраняют свои квантовые свойства при высокой температуре, научиться экранировать шумы и излучения, придумать надежные способы снятия информации с квантового процессора.
По прогнозам экспертов, промышленные квантовые компьютеры должны массово появиться примерно к 2025 году. Они будут щелкать традиционные шифры как орехи. Но означает ли все это, что уже через пять лет ни одна ваша сетевая переписка и ни одна банковская транзакция не будут безопасной? Нет, конечно, успокаивают нас специалисты по квантовым технологиям. Шифрование тоже можно сделать квантовым, и взломать такой шифр будет принципиально невозможно.
В основе конфиденциальности квантовых коммуникаций лежит хрупкость элементарных частиц, в частности фотонов. Согласно теореме о запрете клонирования, во Вселенной не может быть одновременно двух фотонов с одинаковыми состояниями. Другими словами, невозможно воспроизвести тот же самый фотон с той же самой информацией. Условный злоумышленник будет не в силах разгадать квантовый шифр.
Подробнее об этом — в фильме канала «Наука».