Как квантовые компьютеры могут взломать системы безопасности и переписать реальность

Та же физика, что угрожает современной криптографии (науке о методах обеспечения конфиденциальности, целостности данных, аутентификации), может подарить нам лекарства и решения климатических проблем.

В последнее десятилетие искусственный интеллект (ИИ) доминирует в заголовках технологических новостей, однако область, способная затмить даже разрушительную мощь ИИ, незаметно перемещается из лабораторий в заводские цеха.

Квантовые вычисления — машины, построенные на контринтуитивных законах субатомной физики, — обещают такую огромную вычислительную мощь, что смогут взламывать сегодняшнее «не взламываемое» шифрование за считаные секунды.

Однако то же самое оборудование может также ускорить разработку новых лекарств, сократить промышленные выбросы и изменить мировые финансы. Чтобы понять, как одна технология способна одновременно угрожать банковским счетам и лечить рак, надо начать с фундаментального перехода от битов к кубитам.Квантовая угроза безопасности – Готов ли мир к взлому шифрования

От битов к кубитам: другой вид информации

Обычные чипы хранят данные в виде битов — микроскопических транзисторов, представляющих 0 или 1.

Инженеры довели эту двоичную парадигму до поразительных высот — сегодняшние флагманские процессоры выполняют миллиарды операций в секунду — но принцип остаётся линейным: удвоение числа транзисторов примерно удваивает производительность.

Квантовые процессоры используют кубиты (квантовые биты, способные одновременно представлять 0, 1 или оба состояния одновременно благодаря квантовой суперпозиции).

Когда два или более кубита становятся запутанными (квантовое явление, при котором состояния двух или более объектов оказываются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними), система может исследовать множество числовых комбинаций параллельно.

Добавьте третий кубит, и вы перейдёте от исследования 4 состояний к восьми, четвёртый кубит — к 16 и так далее, что представляет собой резкое увеличение вычислительной мощности, оставляющее далеко позади самые быстрые современные суперкомпьютеры.

Криста Свор, возглавляющая команду Microsoft по квантовому программному обеспечению, объясняет это просто: кубит — это квантовый аналог транзистора, но «он позволяет хранить и обрабатывать гораздо больше информации одновременно».

Однако эта свобода сопряжена с хрупкостью. Сам акт считывания кубита разрушает его суперпозицию, поэтому каждая полезная квантовая операция должна завершиться до того, как состояние распадётся.

Главная инженерная задача — поддерживать когерентность (сохранение квантовых свойств, как суперпозиция и запутанность) кубитов достаточно долго для выполнения реальной работы.

Четыре пути к кубиту

Различные исследовательские группы решают эту задачу, используя разные физические среды:

1. Сверхпроводящие контуры — это крошечные схемы из алюминия или ниобия, охлаждённые почти до абсолютного нуля внутри рефрижераторов растворения (криогенные устройства, использующие смесь изотопов гелия для достижения сверхнизких температур). Экстремальный холод устраняет электрическое сопротивление, превращая контур в управляемый квантовый «атом». Чипы Sycamore от Google и Eagle от IBM следуют этой модели и уже содержат сотни кубитов, но необходимые рефрижераторы громоздкие, энергоёмкие и трудно масштабируемы свыше нескольких тысяч кубитов.
2. Чипы на захваченных ионах заменяют криогенику вакуумом. Отдельные заряженные атомы — кальций, иттербий или тербий — левитируют в электромагнитных ловушках и управляются лазерными импульсами. Поскольку они плавают в идеальной изоляции, захваченные ионы могут оставаться когерентными в течение минут, что намного дольше миллисекундных окон, обычных для сверхпроводящих устройств. Однако заставить миллионы ионов взаимодействовать внутри одной вакуумной камеры, остаётся сложнейшей задачей.
3. Массивы нейтральных атомов – используют оптические «пинцеты» (сфокусированные лазерные лучи для удержания атомов) для фиксации нейтральных атомов на месте с помощью усовершенствованных линз. Этот подход сочетает длительное время когерентности с впечатляющей масштабируемостью; та же система линз теоретически может удерживать тысячи атомов, но скорости вентилей (логических операций) ниже, чем в сверхпроводящих схемах, а управление состоянием каждого атома требует значительных вычислительных затрат.
4. Фотонные кубиты – выражают квантовую информацию в отдельных частицах света, используя такие их свойства, как поляризация, длина волны или фазы временных интервалов. Фотоны почти не взаимодействуют с окружающей средой, что делает их идеальными для квантовых сетей на большие расстояния и безошибочной памяти. Однако их также трудно заставить вступать в сильные взаимодействия, необходимые для быстрых логических вентилей, хотя недавние прорывы в интегрированных фотонных чипах сокращают этот разрыв.

Декогеренция и появление логических кубитов

Все четыре платформы борются с одним и тем же врагом: декогеренцией (потерей квантовых свойств из-за взаимодействия с окружающей средой).

Тепло, вибрация, паразитные магнитные поля — даже единичный удар космического луча — могут вывести кубит из суперпозиции, приведя к искажённым результатам. Квантовая коррекция ошибок (ККО) решает эту проблему, объединяя множество физических кубитов в один логический кубит.

Этот ансамбль постоянно проверяет себя на ошибки переворота бита и фазы, не измеряя непосредственно защищаемые данные.

Классические компьютеры выполняют коррекцию ошибок с умеренными издержками; квантовая коррекция ошибок гораздо дороже. Ранние архитектуры поверхностного кода (один из подходов к ККО, использующий двумерную решётку кубитов) предполагают, что каждый надёжный логический кубит может потребовать сотен или тысяч физических кубитов, работающих согласованно.

Тем не менее прирост точности огромен: после коррекции ошибок кубиты могут выдерживать операции на порядки дольше, открывая путь к отказоустойчивым квантовым компьютерам, способным выполнять алгоритмы длительностью в дни, вместо микросекундных демонстраций.

Алгоритмы, переписывающие правила

Аппаратное обеспечение — это только половина дела. Квантовое преимущество возникает, когда умные алгоритмы используют суперпозицию и запутанность:

Алгоритм Шора факторизует (раскладывает на множители) большие целые числа экспоненциально быстрее классических методов, что означает, что современное шифрование RSA (криптографический алгоритм, используемый для защиты данных) падёт за минуты, как только появится машина с миллионом кубитов и коррекцией ошибок.

Алгоритм Гровера ускоряет поиск по неструктурированным данным, сокращая задачу, которая обычно требует N шагов, примерно до √N.

Алгоритм Дойча–Йожи определяет, является ли выход функции сбалансированным или постоянным, за один запрос — поучительная демонстрация квантового параллелизма.

Постоянно появляются десятки других гибридных и вариационных алгоритмов, многие из которых предназначены для работы на сегодняшних «шумных» (подверженных ошибкам из-за декогеренции) устройствах, но путь к экономически преобразующим результатам, вероятно, лежит через создание надёжного, отказоустойчивого оборудования.

Польза в реальном мире: медицина, климат и рынки

Зачем вся эта сложность? Квантовые компьютеры превосходно справляются с моделированием квантовых явлений, которые как раз и управляют химией, материаловедением и физикой высоких энергий.

Точное моделирование молекулярных орбиталей (областей пространства, где вероятно нахождение электронов в молекуле) пенициллина потребовало бы больше классических битов, чем атомов во Вселенной.

Квантовый процессор химического масштаба мог бы сделать это «нативно» (естественным для себя образом). Фармацевтические гиганты и стартапы надеются, что квантовые системы для разработки лекарств однажды сократят сроки разработки на годы и откроют методы лечения рака, болезни Альцгеймера и устойчивости к антибиотикам.

Исследователи климата видят похожие перспективы. Катализаторы, фиксирующие азот при обычных условиях, могли бы обезуглеродить производство удобрений, которое сегодня выбрасывает примерно 2% мирового CO2.

Квантовые симуляции также могут помочь найти доступные материалы для мембран улавливания углерода или указать на более стабильные плазмы для ядерного синтеза, ускоряя многие проекты, например, лазерных термоядерных реакций.

Финансовая отрасль также быстро развивается. Прототипы алгоритмов, запущенные на 50-кубитных симуляторах, уже оценивали сложные производные финансовые инструменты и оптимизировали портфели кредитных рисков с обнадёживающей точностью.

Обеспечение безопасности в квантовую эпоху

Тёмной стороной квантовых возможностей является взломанный шифротекст (зашифрованный текст).

К счастью, квантовая механика предлагает своё противоядие: квантовое распределение ключей (КРК – метод защиты передаваемой информации, основанный на принципах квантовой физики). Кодируя ключи шифрования в поляризации одиночных фотонов, КРК гарантирует, что любой перехватчик разрушит квантовое состояние, мгновенно оповещая отправителя и получателя.

Тем временем эксперты по классической кибербезопасности внедряют постквантовые алгоритмы, разработанные для противостояния как традиционным, так и квантовым атакам, стремясь завершить глобальное обновление до появления крупномасштабного квантового оборудования.

Квантовое будущее ближе, чем кажется

Чип Willow от Google, прототип Microsoft на основе майорановских частиц (тип элементарных частиц, которые являются собственными античастицами, перспективны для создания стабильных кубитов), 127-кубитный Eagle от IBM и растущее число стартапов, работающих с фотонными, ионными и нейтрально-атомными технологиями, демонстрируют динамику развития этой области.

Никто ещё не преодолел легендарный порог в миллион кубитов, однако прогресс сейчас напоминает ранние годы классических вычислений: компьютеры размером с комнату в 1960-х годах за 4-десятилетия уменьшились до настольных ПК.

Дорожная карта квантовых вычислений может сжать эту дугу, особенно по мере того, как модульные архитектуры и квантовые сетевые связи будут объединять малые процессоры в более крупные виртуальные машины.

То, что появляется, — это не столько одна универсальная «серебряная пуля», сколько универсальная платформа, готовая переопределить то, что общество может вычислить.

При строгой коррекции ошибок и дисциплинированной кибербезопасности квантовые вычисления могли бы осветить механизмы действия лекарств, укротить неконтролируемые выбросы, усовершенствовать логистику и при этом сохранить наши данные в безопасности. Если же ими пренебречь, они угрожают разрушить криптографическую основу всей цифровой жизни.

В любом случае квантовая эра больше не гипотетична. Её наступление — это проверка, насколько быстро правительства, предприятия и исследователи смогут превратить лабораторные прорывы в ответственные инструменты. За одно поколение вычисления прошли путь от вакуумных ламп до кремния; скачок от кремния к кубитам может произойти быстрее.

Самый умный шаг сейчас — понять, на что ставить и подготовиться, потому что в следующем десятилетии самые важные вычисления могут происходить там, где 0 и 1 — это одно и то же, пока вы не посмотрите.