Čo je kvantová výpočtová technika

Kvantová výpočtová technika zostala na vrchole technologickej revolúcie väčšiu časť posledného desaťročia. Sľubovaný prielom sa však stále nezdá byť bližšie ako pred niekoľkými rokmi. Medzitým, aj keď investície stále prúdia, odborníci vyvolávajú nepríjemné otázky, či to predstavuje koniec online súkromie ako to poznáme. Čo je teda kvantová výpočtová technika, ako sa líši od tradičných počítačov a prečo o tom výskumníci bijú na poplach? Na všetky tieto otázky sa dnes pokúsime odpovedať.

Čo je kvantová výpočtová technika a ako ohrozuje kybernetickú bezpečnosť

Aj keď nám dnešné kvantové počítače umožnili nahliadnuť do toho, čoho je technológia schopná, stále nedosiahla svoj vrcholný potenciál. Napriek tomu je to prísľub bezuzdnej sily, ktorý zvyšuje problémy profesionálov v oblasti kybernetickej bezpečnosti. Dnes sa dozvieme viac o týchto obavách a krokoch, ktoré výskumníci podnikajú na ich riešenie. Takže bez ďalších okolkov sa pozrime, čo sú kvantové počítače, ako fungujú a čo výskumníci robia, aby sa uistili, že z nich nebudú nočné mory týkajúce sa bezpečnosti.

Čo je kvantová výpočtová technika?

Kvantové počítače sú stroje, ktoré využívajú vlastnosti kvantovej mechaniky, ako superpozícia a zapletenie na riešenie zložitých problémov. Zvyčajne poskytujú obrovské množstvo výpočtového výkonu, ktorý je rádovo vyšší ako aj tie najväčšie a najvýkonnejšie moderné superpočítače. To im umožňuje riešiť určité výpočtové problémy, ako je celočíselná faktorizácia, podstatne rýchlejšie ako bežné počítače.

O 53 qubitovom procesore Sycamore od Google, ktorý bol predstavený v roku 2019, sa hovorí, že dosiahol kvantovú prevahu a posunul hranice toho, čo táto technológia dokáže. Údajne dokáže za tri minúty urobiť to, čo by klasickému počítaču trvalo približne 10 000 rokov. Hoci to sľubuje veľké pokroky pre výskumníkov v mnohých oblastiach, vyvolalo to aj nepríjemné otázky o súkromí, ktoré sa vedci teraz snažia riešiť.

Rozdiel medzi kvantovými počítačmi a tradičnými počítačmi

Prvý a najväčší rozdiel medzi kvantovými počítačmi a tradičnými počítačmi je v spôsobe, akým kódujú informácie. Zatiaľ čo tieto kódujú informácie v binárnych „bitoch“, ktoré môžu byť 0 alebo 1, v kvantových počítačoch je základnou jednotkou pamäte kvantový bit alebo „qubit“, ktorého hodnota môže byť buď „1“ alebo „0“, alebo „1 A 0“ súčasne. Robí sa to „superpozíciou“ – základným princípom kvantovej mechaniky, ktorý opisuje, ako môžu kvantové častice cestovať v čase, existovať na viacerých miestach naraz a dokonca sa aj teleportovať.

Superpozícia umožňuje dvom qubitom reprezentovať štyri scenáre súčasne namiesto toho, aby sa postupne analyzovali „1“ alebo „0“. Schopnosť naberať viacero hodnôt súčasne je hlavným dôvodom, prečo qubity výrazne skracujú čas potrebný na stlačenie súboru údajov alebo vykonávanie zložitých výpočtov.

Ďalším veľkým rozdielom medzi kvantovými počítačmi a konvenčnými počítačmi je absencia akéhokoľvek kvantového výpočtového jazyka ako takého. V klasickej výpočtovej technike závisí programovanie od počítačového jazyka (AND, OR, NOT), ale s kvantovými počítačmi takýto luxus neexistuje. Je to preto, že na rozdiel od bežných počítačov nemajú procesor ani pamäť, ako ich poznáme. Namiesto toho existuje iba skupina qubitov na zapisovanie informácií bez komplikovanej hardvérovej architektúry na rozdiel od bežných počítačov.

V zásade sú to relatívne jednoduché stroje v porovnaní s tradičnými počítačmi, ale stále môžu ponúknuť veľa energie, ktorú možno využiť na riešenie veľmi špecifických problémov. S kvantovými počítačmi výskumníci zvyčajne používajú algoritmy (matematické modely, ktoré fungujú aj na klasických počítačoch), ktoré môžu poskytnúť riešenia lineárnych problémov. Tieto stroje však nie sú také univerzálne ako bežné počítače a nie sú vhodné na každodenné úlohy.

Potenciálne aplikácie kvantovej výpočtovej techniky

Kvantová výpočtová technika stále nie je vyspelým produktom, o ktorom si niektorí mysleli, že ním bude do konca minulého desaťročia. Stále však ponúka niekoľko fascinujúcich prípadov použitia, najmä pre programy, ktoré pripúšťajú polynomické kvantové zrýchlenie. Najlepším príkladom je neštruktúrované vyhľadávanie, ktoré zahŕňa nájdenie konkrétnej položky v databáze.

Mnohí sa tiež domnievajú, že jedným z najväčších prípadov použitia kvantových výpočtov bude kvantová simulácia, ktorú je ťažké študovať v laboratóriu a nie je možné ju modelovať pomocou superpočítača. To by teoreticky malo pomôcť pokroku v chémii aj nanotechnológii, hoci samotná technológia ešte nie je celkom pripravená.

Ďalšou oblasťou, ktorá môže ťažiť z pokroku v oblasti kvantových počítačov, je strojové učenie. Zatiaľ čo výskum v tejto oblasti stále prebieha, zástancovia kvantových počítačov veria, že lineárna algebraická povaha kvantových výpočtov umožní výskumníkom vyvinúť kvantové algoritmy, ktoré môžu urýchliť strojové učenie úlohy.

To nás privádza k jedinému najvýznamnejšiemu prípadu použitia pre kvantové počítače – kryptografii. Ohromujúca rýchlosť, s akou kvantové počítače dokážu riešiť lineárne problémy, najlepšie ilustruje spôsob, akým dokážu dešifrovať kryptografiu s verejným kľúčom. Je to preto, že kvantový počítač by mohol efektívne vyriešiť problém faktorizácie celého čísla, problém diskrétneho logaritmu a problém diskrétneho logaritmu s eliptickou krivkou, ktorý spolu podporuje bezpečnosť takmer všetkých kryptografických verejných kľúčov systémov.

Je kvantové počítanie koniec digitálneho súkromia?

Všetky tri kryptografické algoritmy uvedené vyššie sa považujú za výpočtovo neuskutočniteľné s tradičnými superpočítačmi a zvyčajne sa používajú na šifrovanie zabezpečených webových stránok, šifrovaný e-maila ďalšie typy údajov. To sa však mení s kvantovými počítačmi, ktoré môžu teoreticky vyriešiť všetky tieto zložité problémy pomocou Shorov algoritmus, čo v podstate robí moderné šifrovanie nedostatočné vzhľadom na možné útoky.

Skutočnosť, že kvantové počítače dokážu prelomiť všetky tradičné digitálne šifrovanie, by mohla mať významné dôsledky na elektronické súkromie a bezpečnosť občanov, vlád a firiem. Kvantový počítač by mohol efektívne prelomiť 3 072-bitový kľúč RSA, 128-bitový kľúč AES alebo 256-bitový kľúč eliptickej krivky, pretože dokáže ľahko nájsť ich faktory tak, že ich v podstate zredukuje iba na 26-bitov.

Zatiaľ čo 128-bitový kľúč je prakticky nemožné prelomiť v prijateľnom časovom rámci aj tými najvýkonnejšími superpočítačmi, 26-bitový kľúč je možné ľahko prelomiť pomocou bežného domáceho počítača. To znamená, že všetko šifrovanie používané bankami, nemocnicami a vládnymi agentúrami bude zredukované na nič, ak je škodlivé aktéri, vrátane nečestných národných štátov, dokážu postaviť kvantové počítače, ktoré sú dostatočne veľké a stabilné na to, aby podporovali ich hanebné plány.

Nie je to však všetko pre globálnu digitálnu bezpečnosť. Existujúcim kvantovým počítačom chýba výpočtový výkon na prelomenie akéhokoľvek skutočného kryptografického algoritmu, takže vaše bankové údaje sú zatiaľ v bezpečí pred útokmi hrubou silou. A čo viac, rovnakú schopnosť, ktorá môže potenciálne zdecimovať všetku modernú kryptografiu s verejným kľúčom, využívajú aj vedci vytvoriť novú „postkvantovú kryptografiu“, ktorá by mohla potenciálne zmeniť oblasť bezpečnosti údajov v nadchádzajúcom období. rokov.

V súčasnosti sa už verí, že mnohé známe šifrovacie algoritmy s verejným kľúčom sú zabezpečené proti útokom kvantových počítačov. Patria sem IEEE Std 1363.1 a OASIS KMIP, ktoré už popisujú kvantovo bezpečné algoritmy. Organizácie sa môžu tiež vyhnúť potenciálnym útokom z kvantových počítačov prechodom na AES-256, ktorý ponúka primeranú úroveň zabezpečenia proti kvantovým počítačom.

Výzvy, ako zabrániť kvantovej revolúcii

Napriek svojmu obrovskému potenciálu zostali kvantové počítače už desaťročia technológiou „next-gen“ bez toho, aby sa zmenili na životaschopné riešenie pre všeobecné použitie. Existuje na to viacero dôvodov a riešenie väčšiny z nich sa doteraz ukázalo ako nad rámec moderných technológií.

Po prvé, väčšina kvantové počítače môžu pracovať iba pri teplote -273 °C (-459 °F), o zlomok stupňa vyššie absolútna nula (0 stupňov Kelvina). Akoby to nestačilo, vyžaduje takmer nulový atmosférický tlak a musí byť izolovaný od magnetického poľa Zeme.

Aj keď samotné dosiahnutie týchto nadpozemských teplôt je obrovskou výzvou, predstavuje aj ďalší problém. Elektronické komponenty potrebné na ovládanie qubitov nefungujú v takých mrazivých podmienkach a musia byť uchovávané na teplejšom mieste. Ich prepojenie s tepelne odolným vedením funguje pre základné kvantové čipy, ktoré sa dnes používajú, ale s vývojom technológie sa očakáva, že zložitosť zapojenia sa stane obrovskou výzvou.

Po zvážení všetkých vecí budú musieť vedci nájsť spôsob, ako prinútiť kvantové počítače pracovať pri rozumnejších teplotách, aby sa táto technológia mohla použiť na komerčné účely. Našťastie už na tom fyzici pracujú a minulý rok sa dve skupiny výskumníkov z University of New South Wales v Austrálii a QuTech v Delfte v Holandsku publikované práce tvrdiac, že ​​vytvorili kvantové počítače na báze kremíka, ktoré pracujú v plnom rozsahu nad absolútnou nulou.

Pre nás ostatných to neznie veľa, ale kvantoví fyzici to vítajú ako veľký prielom, ktorí veria, že by to mohlo potenciálne ohlasovať novú éru v technológii. Je to preto, že (mierne) vyššia teplota by umožnila spojenie qubitov a elektroniky ako tradičné integrované obvody, čo by ich potenciálne urobilo výkonnejšími.

Výkonné kvantové počítače, o ktorých by ste mali vedieť

Popri 53-qubitovom procesore Sycamore spomenutom vyššie spoločnosť Google predstavila aj bránu kvantový procesor s názvom „Bristlecone“ na výročnom stretnutí Americkej fyzickej spoločnosti v Los Angeles v roku 2018. Spoločnosť verí, že čip je schopný konečne priniesť silu kvantových počítačov do hlavného prúdu riešením „problémov skutočného sveta“.

IBM tiež predstavila svoj prvý kvantový počítač, Qv roku 2019 s prísľubom umožniť „univerzálne kvantové počítače“, ktoré by mohli po prvýkrát fungovať mimo výskumného laboratória. Je opísaný ako prvý integrovaný kvantový výpočtový systém na svete pre komerčné využitie a je určený na riešenie problémov mimo dosahu klasických počítačov v oblastiach ako finančné služby, farmácia a umelé inteligenciu.

Spoločnosť Honeywell International tiež oznámila, že má vlastný kvantový počítač. Spoločnosť oznámil v júni, že vytvorila „najvýkonnejší kvantový počítač na svete“. S kvantovým objemom 64 je vraj kvantový počítač Honeywell dvakrát výkonnejší ako jeho najbližší konkurent, ktorý by mohol priniesť technológiu z laboratórií na riešenie výpočtových problémov v reálnom svete, ktoré je nepraktické riešiť tradičným spôsobom počítačov.

Quantum Computing: Úsvit novej éry alebo hrozba pre digitálne súkromie?

Rozdiel medzi kvantovými počítačmi a tradičnými počítačmi je taký obrovský, že prvé počítače nemusia v dohľadnej dobe nahradiť tie druhé. So správnou korekciou chýb a lepšou energetickou účinnosťou by sme však dúfali, že by sme mohli v budúcnosti vidieť všadeprítomné používanie kvantových počítačov. A keď sa tak stane, bude zaujímavé sledovať, či to bude znamenať koniec digitálnej bezpečnosti, ako ju poznáme, alebo nový úsvit v digitálnej kryptografii.

Očakávate teda, že kvantové počítače budú čoskoro (relatívne) všadeprítomnejšie? Alebo je predurčený zostať v dohľadnej budúcnosti experimentálnym? Dajte nám vedieť v komentároch nižšie. Ak sa chcete dozvedieť viac o šifrovaní a kryptografii, pozrite si naše prepojené články nižšie:

• TKIP vs AES: Vysvetlenie bezpečnostných protokolov Wi-Fi
• Čo presne je šifrovanie na vojenskej úrovni
• Šifrujte USB disky, aby ste zabezpečili dáta, ktoré prenášate
• 8 najlepších šifrovacích softvérov pre Windows