Питер Шор является профессором прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Его квантовый алгоритм мог бы взломать шифры, которые защищают наши онлайн-данные, – но выполнять его должен достаточно мощный квантовый компьютер. В этом интервью Шор объясняет, почему он разработал алгоритм для квантового компьютера, который мог бы разгадать шифрование наших онлайн-данных.
– Безопасность в Интернете основывается на том, что наши компьютеры не могут взломать его криптографические системы. Но квантовый алгоритм, который Вы разработали, как раз обладает этой возможностью. Почему Вы его создали?
– Моей мотивацией было увидеть, на что способен квантовый компьютер. Более ранний квантовый алгоритм работал, используя периодичность, – тенденцию некоторых числовых последовательностей регулярно повторяться. Это имеет отношение к разложению на множители или поиску среди них чисел поменьше, так что я считал, что квантовые компьютеры способны разлагать большие числа на множители. Поскольку криптосистемы в Интернете опираются на отсутствие у имеющихся компьютеров этой возможности, я представил себе достаточно мощный квантовый компьютер, способный взломать эти системы.
– Беспокоились ли Вы о последствиях, когда закончили «алгоритм Шора» в 1994 году?
– Я чувствовал себя превосходно, обнаружив нечто такое, о чем не знал никто другой. Если не я, то рано или поздно это совершил бы кто-то другой. В те времена квантовые компьютеры были лишь гипотезой, и я не задумывался о том, что они могут быть собраны. Мы будем в довольно безопасном положении еще пять или десять лет, а возможно, даже большее время.
– Квантовую криптографию невозможно взломать разложением на множители. Может ли она однажды заменить стандартные криптографические системы?
– Для коротких расстояний не слишком сложно построить квантовую сеть, распространяющую ключи шифрования данных. Для больших же понадобятся квантовые повторители примерно на каждые 50 километров оптоволоконной сети, поскольку на больших расстояниях сложно поддерживать квантовое состояние. Даже если они когда-нибудь станут дешевле, вложения все равно будут довольно большие.
– Насколько сложнее написать алгоритм для квантового компьютера?
– Намного сложнее. Квантовые компьютеры основываются на форме интерференции – по сути том же самом явлении, что и интерференция световых волн, но в более математическом исполнении. Вычислительным путям к правильному ответу необходимо интерферировать конструктивно, тогда как ведущие к неверному должны интерферировать деструктивно.
– Почему нужно писать именно квантовые алгоритмы, если у нас все еще нет соответствующего оборудования для их запуска?
– Чем больше применений вы сможете придумать для квантового компьютера, тем важнее будет его собрать. Например, вы можете создать более эффективный метод разработки лекарств с применением квантовых эффектов, предсказывающих химические реакции молекул. В настоящий момент фармацевтические компании используют обычные программы для симуляции этих эффектов, но у вас, возможно, получится лучше за счет способностей квантового компьютера.
Шум – ключ к квантовым технологиям?
Оказалось, что собрать квантовые устройства крайне сложно, потому что они должны работать в условиях, исключающих шумы. Однако достижение контроля запутанности – в целом задача не из приятных. Столкновения с молекулами воздуха, случайные электромагнитные сигналы, тепло и множество других факторов создают вибрации, или шумы, которые быстро разрушают эту квантовую особенность. Квантовый алгоритм, снижающий шумы, может достаточно долго сохранять запутанность для вычисления точных результатов, но до сих пор не было найдено универсальное решение, использующее больше нескольких кубитов. Маловероятно, что крупномасштабный компьютер, работающий на чистой запутанности, будет построен в следующее десятилетие.
А что если бы мы могли создать квантовые устройства, которые допускают шумы – или даже используют их? Это может стать реальным благодаря непонятному свойству квантового мира, называемому квантовым дискордом – актуальный, но неоднозначный инструмент. Дискорд был впервые обнаружен в начале 2000-х годов тремя независимыми группами, работающими в Великобритании, США и Польше. В его основе лежит понимание того, что «квантовое» не означает выбор между «да» и «нет». Система может быть полностью квантовой и потому пересеченной связями запутанности. Но она также может быть и лишь частично квантовой, не имея связей запутанности, но обладая при этом другими квантовыми особенностями. По сути дискорд измеряет эту квантовость, охватывая как запутанность, так и то, что однажды назвали нежелательным шумом. В квантовых системах он встречается повсюду.
В течение семи лет дискорд оставался узкоспециализированной темой и его практическая важность была неочевидна. Однако интерес к нему возрос пять лет назад, когда начали появляться свидетельства того, что он может добавить «квантовой мощи» системе, даже когда запутанность отсутствует. Изначально предполагалось, что запутанность является обязательным условием.
Переломный момент произошел в 2008 году, когда исследователи из Университета Нью-Мексико по-новому взглянули на возможности упрощенной модели квантового компьютера, названной DQC1 (от англ. deterministic quantum computation with one quantum bit – детерминистское квантовое вычисление с одним квантовым битом). Они обнаружили, что по мере увеличения числа кубитов компьютер продолжает работать эффективно, даже если количество данных растет экспоненциально, – что было неосуществимо для цифровых компьютеров. Интересно, что это заметное улучшение было достигнуто без существенного увеличения запутанности. Это наблюдение привело ученых к выводу, что за обеспечение такого эффекта ответственен дискорд. Примечательно, что DQC1 работает только с одним защищенным от шума кубитом, тогда как все остальные полностью зашумлены. Она показывает нам, что большое количество шумов не обязательно является помехой, и использует их как ресурс, когда они комбинируются с частичкой чистого сигнала. Другие недавние исследования показывают, что квантовый компьютер, не производящий никакого дискорда, в большинстве случаев демонстрирует мощность, не превышающую показатели классического компьютера.
Оказывается, дискорд также играет не последнюю роль в работе квантовых датчиков – это один из возможных способов увеличения точности датчиков при меньших затратах энергии. Он может быть использован, например, для анализа хрупких биологических образцов, разрушающихся под воздействием света. Исследование показывает, что в некоторых типах шумных квантовых датчиков, где запутанность не защищена от шума, увеличение квантовой эффективности возможно за счет использования дискорда.
Другим увлекательным открытием стало наличие корреляции между дискордом и точностью квантовых датчиков. Используя компьютер DQC1, квантовые датчики продемонстрировали, что дискорд обеспечивает увеличение квантовыми механизмами точности измерений.
