Когда все семь частиц находятся в суперпозиции, они фактически представляют все возможные сочетания спинов с вращением с запада на восток и с востока на запад. Эти семь частиц одновременно представляют собой 128 различных состояний, или 128 различных чисел. Оператор вводит семь частиц, когда они находятся в суперпозиции состояний, в квантовый компьютер, который после этого выполняет вычисления таким образом, как если бы он проверял все 128 чисел одновременно. Через 1 секунду компьютер выдаст число, 69, которое отвечает требуемому критерию. Оператор получает 128 вычислений «по цене одного».
Концепция квантового компьютера противоречит здравому смыслу. Если на минутку отвлечься от деталей, то квантовый компьютер можно представить себе двумя различными способами, в зависимости от того, какую квантовую трактовку вы предпочитаете. Некоторые физики считают квантовый компьютер единичным объектом, который выполняет вычисления одновременно со 128 числами. Другие рассматривают его как 128 объектов, каждый в своем отдельном мире, выполняющих только одно вычисление. Квантовые вычисления являются технологией в области неопределенности.
Когда обычные компьютеры оперируют с 1 и 0, эти 1 и 0 называются двоичными цифрами, или, для краткости, битами. Поскольку квантовый компьютер имеет дело с 1 и 0, представляющими собой квантовую суперпозицию, они называются квантовыми битами, или кубитами. Достоинства кубитов станут еще более заметными, если мы будем рассматривать большее количество частиц. С помощью 250 вращающихся частиц, или 250 кубитов, можно образовать примерно 1075 комбинаций, что больше всего количества атомов во Вселенной. Если бы можно было достичь соответствующей суперпозиции с 250 частицами, то квантовый компьютер смог бы одновременно выполнять 1075 вычислений и все их закончить в течение всего лишь одной секунды.
Использование квантовых эффектов смогло бы дать квантовым компьютерам невообразимую мощь. К сожалению, когда Дойч создавал свою концепцию квантового компьютера в середине 80-х, никто не мог в полной мере представить себе, каким образом создать на практике работоспособную машину. К примеру, ученые не могли ничего построить, что могло бы выполнять вычисления со спиновыми частицами, находящимися в суперпозиционном состоянии. Одна из самых значительных трудностей заключалась в сохранении суперпозиции состояний во время вычислений. Суперпозиция существует, только когда она ненаблюдаема, но в самом общем смысле наблюдение состоит в любом взаимодействии с чем-то, что находится вне суперпозиции. Какой-нибудь одиночный случайный атом, провзаимодействовав с одной из вращающихся частиц, вызовет нарушение суперпозиции, которая выродится в базисное состояние, и в результате квантовые вычисления выполнить не удастся.
Еще одна проблема была вызвана тем, что ученые не знали, как запрограммировать квантовый компьютер, и поэтому не были уверены, какого рода вычисления он способен производить. Однако в 1994 году Питеру Шору из AT&T Bell Laboratories штата Нью-Джерси удалось составить пригодный для квантового компьютера алгоритм. Замечательной новостью для криптоаналитиков было то, что алгоритм Шора описывал ряд шагов, которые могли бы быть использованы квантовым компьютером для разложения на множители гигантского числа, то есть как раз то, что требовалось для взлома шифра RSA. Когда Мартин Гарднер опубликовал задачу по RSA в «Сайентифик Америкен», потребовалась работа шести сотен компьютеров в течение нескольких месяцев, чтобы разложить на множители число, состоящее из 129 цифр. Для сравнения, с помощью алгоритма Шора можно было разложить на множители число, в миллион раз большее, за время, в миллион раз меньшее. К сожалению, он не мог продемонстрировать свой алгоритм для разложения на множители, поскольку по-прежнему не было такого инструмента, как квантовый компьютер.
В 1996 году Лов Гровер, также из Bell Laboratories, разработал еще один мощный алгоритм. Алгоритм Гровера — это способ осуществления поиска в списке[35] с невероятно высокой скоростью, что может казаться не особенно интересным, пока вы не поймете, что это именно то, что требуется для взлома шифра DES. Чтобы взломать шифр DES, необходимо выполнить поиск списка всех возможных ключей, чтобы найти правильный. Если обычный компьютер может проверять миллион ключей в секунду, то для раскрытия шифра DES ему потребуется свыше тысячи лет, в то время как квантовый компьютер с помощью алгоритма Гровера смог бы найти ключ менее, чем за четыре минуты.
Чисто случайно оба этих первых разработанных алгоритма для квантовых компьютеров оказались именно теми, которые криптоаналитики ставили на первое место в своих списках пожеланий. Хотя алгоритмы Шора и Гровера породили колоссальный оптимизм среди дешифровальщиков, но возникло также и чувство огромного разочарования, так как все еще не существовало такой вещи, как действующий квантовый компьютер, на. котором можно было бы реализовать эти алгоритмы. Не удивительно, что возможности самого грозного оружия в дешифровании разожгли аппетит таких организаций, как американское Управление перспективных оборонных исследований (DARPA) и Лос-Аламосская национальная лаборатория, которые отчаянно пытались создать устройства, которые смогли бы обращаться с кубитами точно так же, как кремниевые чипы оперируют с битами.
Справедливости ради следует отметить, что, хотя ряд новейших достижений укрепил дух исследователей, технология остается в высшей степени примитивной. В 1998 году Серж Харош из университета «Paris VI»[36] показал подоплеку шумихи вокруг этих достижений, развеяв заверения, что до реально существующего квантового компьютера всего лишь несколько лет. Он заявил, что это напоминает бахвальство после кропотливой сборки первого слоя карточного домика, что следующие 15 000 слоев будут простой формальностью.
Только время покажет, будет ли и если будет, то когда, разрешена проблема создания квантового компьютера. А тем временем мы можем только строить предположения относительно того, какое влияние он окажет на мир криптографии. После 70-х годов благодаря таким шифрам, как DES и RSA, шифровальщики явно лидируют в состязании с дешифровальщиками. Эти виды шифров — ресурс огромной ценности, поскольку мы полагаемся на них, чтобы зашифровать свои электронные письма и защитить свое право на частную жизнь. Аналогичным образом, поскольку мы вступили в двадцать первое столетие, коммерческая деятельность будет все больше и больше проводиться через Интернет, а электронный рынок будет рассчитывать на стойкие шифры для защиты и контроля финансовых сделок. А поскольку информация становится самым ценным товаром в мире, участь государств в сфере экономики, политики и вооруженных сил будет зависеть от стойкости шифров.
Поэтому создание полностью работоспособного квантового компьютера создаст угрозу неприкосновенности нашей личной жизни, разрушит электронную коммерцию и уничтожит понятие национальной безопасности. Квантовый компьютер поставит под удар стабильность мира. Какая бы страна ни стала первой, она получит возможность отслеживать средства связи своих граждан, читать о намерениях своих конкурентов в коммерции, прослушивать планы своих противников. И несмотря на то, что квантовые вычисления находятся еще в. процессе зарождения, они представляют потенциальную опасность для личности, международного бизнеса и глобальной безопасности.
Квантовая криптография
В то время как криптоаналитики ожидают появления квантовых компьютеров, криптографы вовсю трудятся над своим собственным технологическим чудом — системой шифрования, которая вновь позволит обрести конфиденциальность, даже в противостоянии с мощью квантового компьютера.
Этот новый вид шифрования в корне отличен от тех, с которыми мы прежде сталкивались, то есть дает надежду на совершенную стойкость. Другими словами, у этой системы не будет изъянов и слабых мест, и она сможет навечно гарантировать абсолютную секретность. Более того, она основывается на квантовой теории — той самой теории, которая положена в основу квантовых компьютеров. Так что квантовая теория, с одной стороны, используется в компьютере, который сможет раскрыть все нынешние шифры, с другой же — это основа нового нераскрываемого шифра, названного квантовая криптография.
