Квантовый алгоритм взлома шифров на фотонном чипе

Квантовые вычисления, способные взломать зашифрованную одним из самых распространенных алгоритмов шифрования информацию, впервые были произведены на кремниевом чипе. Работа учёных продемонстрировала, что комплексные квантовые схемы могут быть относительно просто созданы с применением кремния и кварца, и является значительным шагом на пути к полнофункциональным квантовым компьютерам.

Пятнадцать лет назад специалист в области компьютерных наук Питер Шор (Peter Shor) из Массачусетского технологического института (MIT) предсказал, что квантовые компьютеры будут способны обойти даже самые мощные суперкомпьютеры и взломать широко используемый алгоритм RSA. Эта криптографическая система основана на математической асимметрии: легко посчитать результат умножения двух простых больших чисел, но совершить обратный процесс – найти первоначальные множители из произведения – чрезвычайно сложно. В RSA используется произведение двух простых больших чисел для получения открытого ключа. Расшифровать сообщение можно только зная секретный ключ. Тем не менее, есть путь взломать ключ подбором значений, но у обычного компьютера этот процесс займет невообразимо большое количество времени. Поиск простых множителей может выглядеть математической абстракцией, однако алгоритмы с открытыми ключами лежат в основе современных систем криптографии, включая используемые в сетевых коммуникациях.

Шор сделал предположение, что квантовый компьютер справится с задачей намного быстрее, и написал специальный алгоритм для будущих квантовых систем. Квантовые компьютеры основаны на квантовых битах, или кубитах, которые могут находиться в состоянии 0, 1 и "суперпозиции" обоих одновременно. Это позволяет решать многие задачи, такие как факторизация (разложение числа на множители), гораздо быстрее. Перед исследователями в области квантовых вычислительных систем стоит цель найти идеальную архитектуру с такими кандидатами на роль кубитов, как ионы, электроны, суперпроводниковые цепи и фотоны. Именно последний вариант – частицы света – взяла за основу команда физиков и инженеров из Университета Бристоля (University of Bristol), создавшая квантовую систему в масштабе одного чипа. Как говорит профессор из MIT Сет Ллойд (Seth Lloyd), занимающийся проблемами в рассматриваемых областях с ранних 1990 годов, "оптические методы проделали долгий путь". Впервые алгоритм Шора был продемонстрирован в компьютерной системе, основанной на ядерном магнитном резонансе – манипулировании молекулами в растворе с помощью магнитных полей. Позже его задействовали в квантовых оптических методах, но с применением громоздких компонентов вроде зеркал.

В прошлом году исследователи из Бристоля показали миниатюрную оптическую структуру с квантовой фотонной цепью на кремниевом чипе. Зеркала и делители лучей были заменены волноводами, посредством которых свет может проходить через кристалл. Оставалось лишь пустить в эти каналы фотоны. Теперь им удалось заставить устройство функционировать: используя четыре фотона, проходящих через формирующие логические вентили волноводы, учёные смогли получить простые множители числа 15. Но чип, имеющий 26 мм в длину, не просто выдает результат в виде 3 и 5. Он решает сложнейшую часть алгоритма Шора за приемлемое время. Вычислительная операция завершается с помощью обычного ПК. По словам профессора физики и электронной инженерии из Университета Бристоля Джереми О'Брайена (Jeremy O’Brien), в данном случае "обычный школьник скажет ответ за считанные секунды". Поэтому необходим квантовый компьютер с миллионами кубитов для решения задач, иных способов для которых нет. Такая квантовая машина появится не через одно десятилетие, но в настоящий момент оптические архитектуры имеют потенциал в сфере распределения квантовых ключей, используемых в оптоволоконных коммуникациях.

Несмотря на достигнутые результаты, технологии еще далеко до масштабирования. Реальным вызовом, по мнению Ллойда, станет разработка замкнутой системы, управляющей фотонами, считывающей результат и получающей множители больших чисел без потребности в классическом компьютере. "Это сложнейшая технологическая проблема, которую никто не знает как решить. Хотя законы физики этого не запрещают", - говорит Ллойд. О'Брайен не соглашается и считает, что лишь сложная часть вычислений нуждается в квантовом компьютере: "Вы не будете тратить время такой машины для обычных расчётов. Если они просты, зачем обращаться к квантовому компьютеру?" В дальнейших планах бристольских физиков – создание более сложных оптических схем, которые, возможно, однажды будут взламывать шифры миллионами кубитов.