Kartą ryte jums nepavyks pasitikrinti elektroninio pašto. Kaip tyčia, vienu metu suges visos žinučių programos, neatsidarys feisbukas ir didžioji dalis interneto puslapių. Pakibs ir banko programėlė. Išeisite į gatvę ir išvysite, kad bankai užrakinti, bankomatai išjungti, o keliose tebeveikiančiose parduotuvėse galima atsiskaityti tik grynaisiais. Prieš akis pamažu iškils totalios katastrofos vaizdas: šalies finansų sistema visiškai paralyžiuota, valstybinėse įstaigose siaučia chaosas. Reikia nedelsiant bėgti – tačiau nusipirkti bilietų į lėktuvą irgi neįmanoma… Teroristai? Karas?! Ne, jokio karo, teroristai su tuo irgi nieko bendro neturi. Tiesiog kažkas pagaliau sukūrė kvantinį kompiuterį.

Visuomenė iš šios pusės jokios klastos nesitiki. Ką šiais laikais benustebinsi kompiuteriu? Čia jums ne Didysis hadronų kolaideris, kurį daug kas visai rimtai įtarė galimybe sunaikinti Visatą. Ką gali pakeisti dar vieno kompiuterio, kad ir paties nuostabiausio, šiuolaikiškiausio, galingiausio ir kvantiško kaip dievai žino kas, atsiradimas?!

Šifro problema

Kriptografinės technologijos mus lydi nuolatos. Su šifravimu susiduriate kaskart, imdami pinigus iš bankomato, naudodamiesi banko programėle išmaniajame telefone, rašydami žinutes ar siųsdami elektroninius laiškus. Be kriptografinių technologijų neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinės bankų sistemos, stambių kompanijų dokumentacijos mainų, valstybės tarnybų, ryšių sistemų veikimo, nekalbant jau apie kariškius ir specialiąsias tarnybas.

Didžioji dalis šių instrumentų remiasi daugybos ir atvirkštinės operacijos – skaidymo dauginamaisiais – asimetrija. Tarkime, reikia sudauginti du dviženklius skaičius – pavyzdžiui, 19 ir 41. Jei neturite fenomenalių gebėjimų, su šia užduotimi, daugindami skaičius stulpeliu, veikiausiai susidorosite per dešimt sekundžių. Jei skaičiai bus triženkliai, užtruksite kiek ilgiau. Sudauginkite penkiaženklius skaičius – tikriausiai užtruksite kelias minutes, tačiau bendrai, ilgėjant skaičiams, skaičiavimo trukmė ilgės praktiškai tiesiškai. Skaičius padidėjo 10 kartų, o skaičiavimo laikas – tik vov vos.

O dabar malonėkite pasakyti, kokius du skaičius sudauginę, gausime skaičių 391. Pasikamavę su šia užduotėle, galų gale tikriausiai pateiksite atsakymą: 23×17. Dabar pabandykime kitą skaičių: 4717. Nuojauta kužda, kad be lentelių šios užduoties negalėsite atlikti (atsakymas: 53×89). Skaičius padidėjo tiek pat, 10 kartų, tačiau užduoties sudėtingumas, t.y. sprendimo laikas, auga daug sparčiau (eksponentiškai, jei suprantate, ką turime omeny).

Patikėkite, kompiuteriams tokias užduotis spręsti irgi nelengva. 250 skaitmenų skaičius jis gali sudauginti kone akimirksniu, o štai 250 skaitmenų skaičiaus dauginamųjų paieška pačiu sparčiausiu šiuolaikiniu kompiuteriu truktų 800 tūkstančių metų.

O kai tai turi bendro su šifravimu? Ogi štai ką – norint keistis šifruotais pranešimais, abu susirašinėjimo dalyviai turi žinoti bendrą šifrą: vienas juo pranešimą šifruoja, kitas dešifruoja. Tačiau tai reiškia, kad jie turi apsikeisti šifru, kurį kažkas tuo metu gali perimti (sako, būtent toks nemalonumas ir nuvedė prie ešafoto Mariją Stiuart, Škotijos karalienę). Štai čia ir pasitarnauja nesąžininga daugybos ir skaidymo į dauginamuosius asimetrija. Ja remiasi šifravimo atviru raktu technologija.

Dešifravimo raktas – du pakankamai dideli sveikieji skaičiai (tai „privatus raktas“). Tačiau, norint užšifruoti pranešimą, pakanka žinoti jų sandaugą („viešą raktą“). Norėdamas perduoti šifruotą žinutę, tiesiog perduosiu sandaugą, o pačius skaičius išlaikysiu slaptus. O jei susirašinėjimas pateks piktavaliui, jis gali užsiimti „atviro rakto“ skaidymu dauginamaisiais – jeigu bus nusiteikęs laukti 800 tūkstančių metų – kompiuteris su šia užduotimi niekaip nesusitvarkys greičiau.

Jeigu, žinoma, jo kompiuteris nėra kvantinis.

Kvantinė gudrybė

Kvantinio kompiuterio idėjai kiek daugiau, nei 35 metų – 1980 metais ją probėgšmais išsakė sovietų matematikas Jurijus Maninas:

Po metų, Nobelio premijos laureatas Richardas Feynmanas pirmą kartą pasiūlė kvantinių sistemų elgsenos modeliavimui panaudoti… kitas kvantines sistemas – „kvantinius simuliatorius“. Universalus kvantinis simuliatorius – iš esmės ir yra kvantinis kompiuteris. Kadangi eiliniam skaitytojui ši frazė veikiausiai visiškai nieko nesako, truputėlį pasiaiškinsime, su kuo tai valgoma.

Klasikiniame kompiuteryje procesorius nuliais ir vienetais – informacijos „bitais“. Apibendrinant, kompiuteris susideda iš gardelių, galinčių turėti būseną 0 arba 1, kiekvienos gardelės būsena, vadovaujantis tam tikromis taisyklėmis, keičiasi pagal kitų gardelių būseną, kuri, savo ruožtu, bet kuriuo laiko momentu irgi gali būti 0 arba 1.

Kvantiniuose kompiuteriuose viskas tas pats, tik be žodelio „arba“. Kvantinė gardelė – „kubitas“ – yra dviejų būsenų superpozicijoje, panašiai, kaip visiems įsiėdęs, tuo pat metu ir gyvas ir miręs Schrödingerio katinas.

Iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti, kad aprašėme visai niekam tikusį kompiuterį. Kodėl kvantinis kompiuteris – skaičiavimo technologijų proveržis, turbūt geriausiai paaiškino Davidas Deutschas, vienas iš geriausių pasaulyje kvantinių skaičiavimų specialistų. Tam jis panaudojo vadinamąją kvantų mechaniko „Everetto“ interpretaciją.

Pagal jo aiškinimą, kvantinė superpozicija – pavyzdžiui, garsusis pusgyvis katinas ar kubitas kvantiniame kompiuteryje – tai ne vienas katinas ar kubitas, o daugybė (gal net begalė) katinų ar kubitų, gyvenančių paraleliose visatose. Kiekvienas katinas arba gyvas arba miręs, ir gyvo katino aptikimo mūsų visatoje tikimybė, apskaičiuojama kvantų mechanikos fomulėmis, – tiesiog dalis visatų, kuriose murklys gyvas. Arba, atitinkamai, dalis visatų, kuriose kubitas įgavo reikšmę 1.

Norėdami atlikti daug tokių pačių skaičiavimų (tarkime, kalkuliatoriumi), jums teks suvesti pradinius skaičius, paspausti mygtuką „=“, gauti rezultatą, paskui procedūrą pakartoti tiek kartų, kiek reikia. O dabar įsivaizduokite, kad daugybė jūsų kopijų paralelinėse visatose tuo pačiu metu atlieka po vieną skaičiavimą. Darbas bus daug spartesnis!

Būtent taip, iš esmės, veikia kvantinis kompiuteris.

Beje, tas vaizdingas paveikslas, kad ir koks aiškus, kvantinio kompiuterio išrasti niekaip nepadės. Kvantinių skaičiavimų problemą nagrinėjantys mokslininkai paralelinėmis visatomis galvos sau nekvaršina, ir naudoja kur kas nuobodesnį variantą su visomis neįkandamomis formulėmis ir be menkiausios akivaizdumo užuominos. O, bet tačiau, rezultatas toks pats: vienu ypu atliekamų operacijų skaičius veržliai išauga.

O būtent, 1994 metais matematikas Peteris Shoras pademonstravo, kad kvantinis kompiuteris su skaičiaus išskaidymu dauginamaisiais užduotimi susitvarkys lygiai taip pat sėkmingai, kaip ir su paprasta daugyba: skaičiams didėjant, abiejų operacijų atlikimo laikas ilgės lygiai taip pat tolygiai ir lėtai. Išvertus tai į paralelių visatų kalbą, 250-ies skaitmenų ilgio skaičiaus išskaidymui dauginamaisiais prisireiks 10⁵⁰⁰ visatų… o štai laiko užteks kelių minučių. Taip dauguma egzistuojančių kriptografinių sistemų bus nulaužtos. Shoro algoritmas labai paprastas, ir tokios užduoties sprendimui užteks kvantinio kompiuterio su vos keliais šimtais kubitų.

Belieka smulkmena – tą kompiuterį pagaminti.

Ar viskas taip baisu?

Vargu ar kvantinį kompiuterį pavyktų pagaminti nepastebimai, kaip kad būtų sudėtinga nepastebimai pagaminti atominę bombą. Tačiau, jeigu tai bus padaryta, gali iškilti grėsmė visai šiuolaikinės civilizacijos infrastruktūrai.

„Tai būtų galima pavadinti informacine atomine bomba. Kieno nors rankose staiga atsidūręs kvantinių skaičiavimų įrenginys galėtų mūsų civilizacijai sukelti tikrą katastrofą – galėtų, pavyzdžiui, pavogti visus pinigus iš bankų, iššniukštinėti visas karines paslaptis“, – sako Kalgario universiteto profesorius Aleksandras Lvovskis, RQC kvantinės kriptografijos projekto mokslinis vadovas.

Atsiradus universaliam kvantiniam kompiuteriui, gali būti paralyžiuota praktiškai visa šiuolaikinės visuomenės informacinė infrastruktūra, nes įprastų šifravimo algoritmų nebūtų galima naudoti. Jau dabar JAV Nacionalinio saugumo agentūra (NSA) rekomenduoja pereiti prie kvantiniams įsilaužimams atsparių kriptografinių algoritmų.

Danielis J. Bernsteinas iš Ilinojaus universiteto Čikagoje neatmeta galimybės, kad teks grįžti prie brangių ir nepatogių „fizinių“ duomenų apsaugos metodų – pavyzdžiui, perduoti informaciją prie patikimo kurjerio riešo prirakintame lagamine gulinčiais atmintukais.

Tuo pat metu vyksta kvantiniams skaičiavimams atsparios postkvantinės kriptografijos paieškos.

„Kvantų technologijos suteikia ir „kvantinių hakerių“ priešnuodžius – kriptografinius algoritmus, kurių saugumas remiasi fundamentaliais fizikos dėsniais ir kurių neperkanda net ir kvantiniai kompiuteriai“, – dėsto Lvovskis. Belieka klausimas, kas rasis pirmiau: šarvai ar sviedinys.

Pats Lvovskis yra RQC kvantinės kriptografijos projekto mokslinis vadovas. Ši technologija remiasi ne superpatikimais šifravimo metodais, o pasiklausymo rizikos sumažinimu. Informacija koduojama kvantinėmis fotonų būsenomis, ir jeigu kas nors jas išmatuoja, ši būsena neišvengiamai pasikeičia. Beje, jau dabar kvantinėje kriptografijoje randami pažeidžiamumai, kylantys dėl neidealaus kvantinių įrenginių veikimo.

Laiko klausimas

Kada laukti katastrofos? Tikriausiai tada, kai pavyks sugalvoti patį kubitą. Iš principo, kubitą galima sukurti iš įvairiausių kvantinių objektų – jonų, elektronų, fotonų. Tik bėda, kad visi šie objektai realiomis sąlygomis labai greitai nustoja būti „kvantiški“, tai yra,praranda superpozicijos būseną (šį nemalonų reiškinį fizikai vadina „dekoherencija“).

Dabar perspektyviausiais laikomi superlaidūs kubitai mikroskopinių kilpų iš superlaidininkų, kurie tam tikrame taške atskirti plonu dielektriko, oksido plėvelės, sluoksniu – Džozefsono kontaktų – pagrindu. Tokios kilpos elgiasi kaip dirbtiniai kvantiniai objektai ir jų gamybos technologija jau gerai suderinta. Jas galima montuoti į įprastas elektronines schemas. Deja, veikia jos tik temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui.

Karlsrūjės technologijų universiteto profesoriaus A. Ustinovo, dalyvavusio pirmojo RF superlaidaus kubito kūrime, nuomone, kvantinis kompiuteris gali būti sukurtas per artimiausius 10 metų. Pasak jo, tai dabar tai – grynai inžinerinė užduotis. Tačiau „inžinerinė“ nereiškia „paprasta“. Kol kas mokslininkams koherentišką kubitų būseną pavyksta išlaikyti tik sekundės dalis. O juk šią būseną reikia išlaikyti ne vienam, o bent jau dešimtims kubitų, ir pakankamai ilgai, kad būtų spėta atlikti skaičiavimus, tai yra, kad kubitai spėtų vienas kitą paveikti.

Šios užduoties sprendimui skiriami milijonai dolerių. Savo kvantinių kompiuterių projektus vykdo Google, IBM, Microsoft, daug valstybių.

Žinomiausias šios srities projektas – Kanados kompanijos D-Wave kvantinių skaičiavimų įrenginys, kuriame naudojami tūkstančiai kubitai. Tačiau tai nėra „tikras“ kvantinis kompiuteris, o kvantinis simuliatorius – įrenginys, galintis spręsti vieną užduotį – kvantinio atkaitinimo, labai sudėtingų funkcijų minimumo paiešką. Neseniai kūrėjai pranešė, kad sprendžiant šią užduotį, jiems pavyko pavyko aptikti kvantinį „pagreitėjimą“.

Numatomas kvantinio kompiuterio sukūrimo laikas mokslininkų prognozėse varijuoja nuo dešimčių iki šimtų metų. Tačiau niekas negali atmesti galimybės, kad kokia nors slapta grupė, suradusi sėkmingą technologinį sprendimą, sugebės sukurti „informacinę atominę bombą“ kad ir rytoj.

Tenorime įspėti skaitytoją, kokios galimos to pasekmės. Kad vieną rytą pabudęs neveikiančio interneto ir bankomatų pasaulyje šis ne pultų panikuoti, o pasidžiaugtų, kad žmonija įveikė dar vieną pažinimo ribą.

I.Feropontov

Komentarai (1)