Нова «квантова реальність». Про цифрову безпеку можна забути?

Транснаціональна корпорація Google влаштувала переполох, оголосивши у грудні про створення нового квантового чіпа Willow (з англ. – «верба»). Він за п'ять хвилин може виконати обчислення, на які у звичайного сучасного комп'ютера пішло б 10 септільйонів років.

Септильйон, якщо що – це одиниця з 24 нулями, число щонайменше вдесятеро більше, ніж кількість видимих зірок у нашому всесвіті. Навіщо все це потрібно – купа нулів та квантові комп'ютери, куди котиться весь комп'ютерний світ, і коли він може захопити світ людський – розповідає «Главком».

Сучасні суперкомп'ютери: шлях в нікуди

Відразу після появи в 50-х роках минулого століття перших комп'ютерів постало питання: як збільшувати їхню продуктивність при зменшенні розмірів? Лампові комп'ютери, що займали цілі кімнати, змінили просунутіші системи, побудовані на транзисторах – напівпровідникових приладах. Але спочатку комп'ютери на транзисторах все одно були дуже великими.

З часом швидкодія комп'ютерів збільшувалася, а їхні розміри зменшувалися завдяки новим технологіям, які дозволяють в одному процесорі розміщувати дедалі більше транзисторів. Були процесори – стали мікропроцесори. Однак це все одно тупикова гілка комп'ютерної еволюції. Зрештою, все впирається в той простий факт, що на одному квадратному міліметрі найменшого мікропроцесора можна розмістити обмежену кількість транзисторів.

Так, можна створювати нагромадження цих мікропроцесорів (що, власне, в сучасних суперкомп'ютерах і відбувається), але в будь-якому випадку це шлях в нікуди. Вчені розуміли, що потрібний принципово новий підхід.

Кубіти та два підходи до їхнього управління

Новий підхід було знайдено за допомогою програмних засобів. Традиційно у програмуванні використовується бінарний (двійковий) код. Це спосіб представлення даних у вигляді коду, в якому кожен розряд набуває одного з двох можливих значень, що позначаються цифрами 0 та 1. Це – один біт інформації.

У 80-х роках минулого століття у галузі програмування з'явилося досить революційне рішення.

«Для кодування інформації запропоновано не два біти, а три. Тобто 0, 1 та число, яке щоразу може набувати будь-якого значення від 0 до 1. Це вже з квантової фізики. Такий елементарний осередок інформації назвали кубітом, квантовим бітом (англійською – quantum bit). Якщо 10 бітів – це 10 станів, то 10 кубітів – це вже 1024 стани. Швидкість обчислень неймовірна, швидше, ніж у звичайних комп'ютерів у мільйони разів. І вона зростає за експонентою, залежно від кількості кубітів», – розповідає «Главкому» директор з розробки програмного забезпечення американської компанії Tranzact Денис Іванов

На основі кубітів 15 років тому почали створювати квантові комп'ютери. При цьому паралельно вирішувалися питання керування транзисторами квантових комп'ютерів (які назвали також кубітами). Перший шлях – це використання надпровідників, матеріалів, електричний опір яких при зниженні температури до певної величини стає нульовим. І, відповідно, на кілька порядків зростає швидкість перемикання квантових транзисторів.

Але для цього необхідні певні умови: наприклад, розміщення пристроїв у морозильних камерах з дуже низькою температурою, або використання для охолодження кубітів рідкого азоту (точка кипіння – мінус 196 градусів).

Другий підхід взагалі революційний: передбачається, що транзисторами керуватимуть фотони – елементарні частинки світла, швидкість яких становить майже 300 км/сек.

«Надпровідність досліджують IBM та Google, китайці та японці копають у бік фотонів. Але поки що в будь-якому разі головна проблема – самі по собі кубіти, хоч й дуже швидкі, але зараз не зовсім точні. Через квантову складову виникає висока похибка. Якщо звичайні комп'ютери дають при розрахунках тверді відповіді «так» чи «ні», то квантові, умовно кажучи – «швидше за все, можливо, з такою ймовірністю». І коли проблему з точністю буде вирішено, з'являться серійні квантові комп'ютери. Поки що існують лише експериментальні зразки», – каже «Главкому» IT-фахівець американської компанії Namecheap Дмитро Сімочкін, який закінчив Харківський національний університет радіоелектроніки за спеціальністю «Комп'ютерні інтелектуальні технології та системи».

Квантовий прорив

Але й експериментальні зразки, хоч і з певною похибкою, показують чудові результати. Ось, наприклад, відомі результати п'ятирічної давнини.

2019 рік. 54-кубітний квантовий процесор Sycamore від компанії Google виконав за 200 секунд обчислення, на яке класичному суперкомп'ютеру знадобилося б 10 тисяч років.

2020 рік. Фотонний квантовий комп'ютер «Цзючжан», розроблений у Науково-технічному університеті Китаю, виконав за 200 секунд розрахунок, який би зайняв у класичного суперкомп'ютера 1,5 млрд років.

І ось тепер повідомлення Google про створення нового квантового комп'ютерного чіпа Willow. У ньому міститься 105 кубітів, і він має ось такий вигляд:

Для порівняння – ось такий вигляд мав лише один кубіт від експериментального комп'ютера Sycamore від компанії Google шість років тому:

«Швидше за все, розробники знайшли вирішення проблеми надпровідності. У кубіті шестирічної давнини – система охолодження з рідким азотом. Судячи з фотографії комп'ютерного чіпа Willow, зі 105 кубітами, тепер винайдено якийсь сплав, який має надпровідність за нормальної температури», – каже Дмитро Сімочкін.

Ба більше, у компанії Google стверджують, що вирішили проблему похибок кубітів.

«Так це чи ні, не берусь сказати. Але те, що за останні три місяці акції компаній, які займаються розробкою квантових комп'ютерів, злетіли вп'ятеро – це факт. До речі, IBM та Google – це лише верхівка айсберга. Компаній багато. Серед них, до речі, Amazon», – каже Денис Іванов.

Слід зазначити, що простим споживачам квантові комп'ютери не потрібні. Ці системи корисні для практично блискавичного зламування найскладніших шифрів та стрімкого прискорення у сфері створення штучного інтелекту. До речі – за допомогою 124 тис. чіпів Willow теоретично можливо розшифрувати алгоритм криптовалюти за добу.

Раніше дослідники неодноразово заявляли про відкриття нових способів злому шифрування RSA (криптографічного алгоритму з відкритим ключем) за допомогою набагато менших квантових комп'ютерів, що мають кілька сотень або тисяч кубітів. А дослідники з групи комп'ютерної безпеки та промислової криптографії KU Leuven Воутер Кастрик та Томас Декру змогли зламати алгоритм постквантового шифрування SIKE за допомогою звичайного комп'ютера лише за одну годину.

Утім в самому Google поспішають заспокоїти і наголошують, що система включає лише 105 фізичних кубітів, а для зламу кодів їх знадобляться мільйони. «За оцінками, нам знадобиться не менше 10 років, щоб зламати RSA, і для цього потрібно близько чотирьох мільйонів фізичних кубітів», – говорить головний операційний директор підрозділу квантових обчислень Google Чаріна Чоу.

Цікаво, що перший комп'ютер на транзисторах IBM 7030 створювався для військових цілей, його розробка фінансувалася з федерального бюджету, а замовниками виступали Агентство національної безпеки та Комісія з атомної енергії США.

А квантовий чіп Willow створений не зовсім Google, а лабораторією квантового штучного інтелекту (Quantum Artificial Intelligence Lab). Це спільна ініціатива NASA, Асоціації космічних досліджень університетів США та Google (зокрема Google Research). Коментарі, як кажуть, зайві.

Андрій Кузьмін, «Главком»