Gadgetshowto
Obliczenia kwantowe znajdowały się u progu rewolucji technologicznej przez większą część ostatniej dekady. Jednak obiecany przełom nadal nie wydaje się bliższy niż kilka lat temu. Tymczasem, nawet gdy inwestycje napływają, eksperci stawiają niewygodne pytania, czy oznacza to koniec prywatności online, jaką znamy. Czym więc są obliczenia kwantowe, czym różnią się od tradycyjnych komputerów i dlaczego naukowcy dzwonią na alarm? Postaramy się dziś odpowiedzieć na wszystkie te pytania.
Co to jest obliczenia kwantowe i jak zagraża cyberbezpieczeństwu
Chociaż dzisiejsze komputery kwantowe dały nam wgląd w możliwości tej technologii, wciąż nie osiągnęła ona swojego potencjału szczytowego. Jednak to obietnica nieokiełznanej władzy budzi zainteresowanie specjalistów od cyberbezpieczeństwa. Dziś dowiemy się więcej o tych obawach i krokach podejmowanych przez naukowców w celu ich rozwiązania. Więc bez zbędnych ceregieli sprawdźmy, czym są komputery kwantowe, jak działają i co robią badacze, aby upewnić się, że nie będą to koszmary związane z bezpieczeństwem. Spis treści + -
Co to są obliczenia kwantowe?
Komputery kwantowe to maszyny wykorzystujące właściwości mechaniki kwantowej, jak superpozycja i splątanie, aby rozwiązać złożone problemy. Zazwyczaj zapewniają ogromne ilości mocy obliczeniowej, która jest o rząd wielkości większa niż nawet największe i najpotężniejsze współczesne superkomputery. To pozwala im rozwiązywać pewne problemy obliczeniowe, takie jak faktoryzacja liczb całkowitych, znacznie szybciej niż zwykłe komputery.
Przedstawiony w 2019 roku 53-kubitowy procesor Sycamore firmy Google, podobno osiągnął supremację kwantową, przesuwając granice możliwości tej technologii. Potrafi podobno w trzy minuty zrobić to, czego wykonanie klasycznego komputera zajęłoby około 10 000 lat. Chociaż obiecuje to wielkie postępy dla naukowców z wielu dziedzin, wywołało również niewygodne pytania dotyczące prywatności, z którymi naukowcy starają się teraz odpowiedzieć..
Różnica między komputerami kwantowymi a tradycyjnymi komputerami
Pierwsza i największa różnica między komputerami kwantowymi a komputerami tradycyjnymi polega na sposobie kodowania informacji. Podczas gdy ten ostatni koduje informacje w binarnych „bitach”, które mogą być zerami lub jedynkami, w komputerach kwantowych podstawową jednostką pamięci jest bit kwantowy lub „kubit”, którego wartość może wynosić „1”, „0” lub „1 AND 0” jednocześnie. Odbywa się to poprzez `` superpozycję '' - podstawową zasadę mechaniki kwantowej, która opisuje, w jaki sposób cząstki kwantowe mogą podróżować w czasie, istnieć w wielu miejscach jednocześnie, a nawet teleportować się.
Superpozycja pozwala dwóm kubitom reprezentować cztery scenariusze w tym samym czasie, zamiast analizować sekwencyjnie „1” lub „0”. Możliwość jednoczesnego przyjmowania wielu wartości jest głównym powodem, dla którego kubity znacznie skracają czas potrzebny na przetworzenie zestawu danych lub wykonanie złożonych obliczeń.
Inną istotną różnicą między komputerami kwantowymi a komputerami konwencjonalnymi jest brak jakiegokolwiek języka obliczeń kwantowych jako takiego. W komputerach klasycznych programowanie zależy od języka komputerowego (AND, OR, NOT), ale w przypadku komputerów kwantowych nie ma takiego luksusu. To dlatego, że w przeciwieństwie do zwykłych komputerów, nie mają procesora ani pamięci, jaką znamy. Zamiast tego istnieje tylko grupa kubitów do zapisywania informacji bez skomplikowanej architektury sprzętowej, w przeciwieństwie do konwencjonalnych komputerów.
Zasadniczo są to stosunkowo proste maszyny w porównaniu z tradycyjnymi komputerami, ale nadal mogą oferować mnóstwo mocy, którą można wykorzystać do rozwiązania bardzo specyficznych problemów. W przypadku komputerów kwantowych badacze zazwyczaj używają algorytmów (modeli matematycznych, które działają również na klasycznych komputerach), które mogą zapewnić rozwiązania problemów liniowych. Jednak te maszyny nie są tak wszechstronne jak konwencjonalne komputery i nie nadają się do codziennych zadań.
Potencjalne zastosowania obliczeń kwantowych
Obliczenia kwantowe nadal nie są dojrzałym produktem, jak sądzili niektórzy, pod koniec ostatniej dekady. Jednak nadal oferuje kilka fascynujących przypadków użycia, szczególnie w przypadku programów, które dopuszczają wielomianowe przyspieszenie kwantowe. Najlepszym tego przykładem jest wyszukiwanie nieustrukturyzowane, które polega na znalezieniu określonego elementu w bazie danych.
Wielu uważa również, że jednym z największych zastosowań obliczeń kwantowych będzie symulacja kwantowa, która jest trudna do zbadania w laboratorium i niemożliwa do modelowania za pomocą superkomputera. Powinno to teoretycznie pomóc w postępach zarówno w chemii, jak i nanotechnologii, chociaż sama technologia nie jest jeszcze w pełni gotowa.
Kolejnym obszarem, który może skorzystać na postępach w obliczeniach kwantowych, jest uczenie maszynowe. Chociaż badania w tej dziedzinie wciąż trwają, zwolennicy obliczeń kwantowych uważają, że liniowa algebraiczna natura obliczeń kwantowych umożliwi naukowcom opracowanie algorytmów kwantowych, które mogą przyspieszyć zadania uczenia maszynowego.
To prowadzi nas do jednego z najbardziej znaczących przypadków użycia komputerów kwantowych - kryptografii. Błyskawiczną prędkość, z jaką komputery kwantowe mogą rozwiązywać problemy liniowe, najlepiej ilustruje sposób, w jaki potrafią odszyfrować kryptografię klucza publicznego. Dzieje się tak, ponieważ komputer kwantowy mógłby skutecznie rozwiązać problem faktoryzacji liczb całkowitych, problem z logarytmem dyskretnym i problem z logarytmem dyskretnym krzywej eliptycznej, które razem stanowią podstawę bezpieczeństwa prawie wszystkich systemów kryptograficznych z kluczem publicznym.
Czy obliczenia kwantowe to koniec cyfrowej prywatności?
Uważa się, że wszystkie trzy wspomniane powyżej algorytmy kryptograficzne są niewykonalne obliczeniowo w przypadku tradycyjnych superkomputerów i są zwykle używane do szyfrowania bezpiecznych stron internetowych, zaszyfrowanych wiadomości e-mail i innych typów danych. Jednak zmienia się to w przypadku komputerów kwantowych, które teoretycznie mogą rozwiązać wszystkie te złożone problemy za pomocą algorytmu Shora, zasadniczo sprawiając, że nowoczesne szyfrowanie jest niewystarczające w obliczu możliwych ataków..
Fakt, że komputery kwantowe mogą złamać wszystkie tradycyjne szyfrowanie cyfrowe, może mieć znaczące konsekwencje dla prywatności elektronicznej i bezpieczeństwa obywateli, rządów i przedsiębiorstw. Komputer kwantowy mógłby skutecznie złamać 3072-bitowy klucz RSA, 128-bitowy klucz AES lub 256-bitowy klucz krzywej eliptycznej, ponieważ może łatwo znaleźć ich czynniki, zasadniczo redukując je do zaledwie 26-bitów.
Podczas gdy klucz 128-bitowy jest praktycznie niemożliwy do złamania w realnych ramach czasowych, nawet przez najpotężniejsze superkomputery, klucz 26-bitowy można łatwo złamać za pomocą zwykłego domowego komputera. Oznacza to, że całe szyfrowanie używane przez banki, szpitale i agencje rządowe zostanie zredukowane do zera, jeśli złośliwi aktorzy, w tym nieuczciwe państwa narodowe, będą w stanie zbudować komputery kwantowe, które są wystarczająco duże i stabilne, aby wesprzeć ich nikczemne plany..
Jednak to nie wszystko zagłada i mrok dla globalnego bezpieczeństwa cyfrowego. Istniejące komputery kwantowe nie mają mocy obliczeniowej, aby złamać prawdziwy algorytm kryptograficzny, więc Twoje dane bankowe są na razie bezpieczne przed atakami siłowymi. Co więcej, ta sama zdolność, która może potencjalnie zdziesiątkować całą nowoczesną kryptografię klucza publicznego, jest również wykorzystywana przez naukowców do tworzenia nowej, odpornej na włamania `` kryptografii post-kwantowej '', która może potencjalnie zmienić krajobraz bezpieczeństwa danych w nadchodzących latach..
Na razie uważa się już, że wiele dobrze znanych algorytmów szyfrowania klucza publicznego jest zabezpieczonych przed atakami komputerów kwantowych. Obejmuje to IEEE Std 1363.1 i OASIS KMIP, które już opisują algorytmy kwantowo-bezpieczne. Organizacje mogą również uniknąć potencjalnych ataków z komputerów kwantowych, przechodząc na AES-256, który zapewnia odpowiedni poziom bezpieczeństwa przed komputerami kwantowymi.
Wyzwania zapobiegające rewolucji kwantowej
Pomimo ogromnego potencjału, komputery kwantowe pozostają technologią „nowej generacji” przez dziesięciolecia bez przejścia na realne rozwiązanie do ogólnego użytku. Istnieje wiele powodów, a zajęcie się większością z nich okazało się jak dotąd wykraczać poza nowoczesną technologię.
Po pierwsze, większość komputery kwantowe mogą działać tylko w temperaturze -273 ° C (-459 ° F), ułamek stopnia powyżej zera bezwzględnego (0 stopni Kelvina). Jakby tego było mało, wymaga prawie zerowego ciśnienia atmosferycznego i musi być odizolowane od pola magnetycznego Ziemi.
Osiągnięcie tych nieziemskich temperatur samo w sobie jest ogromnym wyzwaniem, ale stanowi również inny problem. Komponenty elektroniczne wymagane do sterowania kubitami nie działają w tak chłodnych warunkach i muszą być przechowywane w cieplejszym miejscu. Połączenie ich za pomocą okablowania odpornego na temperaturę działa w przypadku podstawowych chipów kwantowych używanych obecnie, ale wraz z rozwojem technologii oczekuje się, że złożoność okablowania stanie się ogromnym wyzwaniem.
Biorąc wszystko pod uwagę, naukowcy będą musieli znaleźć sposób, aby komputery kwantowe działały w bardziej rozsądnych temperaturach, aby skalować technologię do użytku komercyjnego. Na szczęście fizycy już nad tym pracują, aw zeszłym roku dwie grupy naukowców z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii i QuTech w Delft w Holandii opublikowały artykuły, w których twierdziły, że stworzyli oparte na krzemie komputery kwantowe, które działają w pełni stopień powyżej zera bezwzględnego.
Dla reszty z nas nie brzmi to zbyt dobrze, ale jest okrzyknięte wielkim przełomem przez fizyków kwantowych, którzy wierzą, że może to potencjalnie zwiastować nową erę w technologii. Dzieje się tak, ponieważ (nieco) wyższa temperatura umożliwiłaby łączenie kubitów i elektroniki jak tradycyjne układy scalone, potencjalnie zwiększając ich moc..
Potężne komputery kwantowe, o których powinieneś wiedzieć
Oprócz wspomnianego wcześniej 53-kubitowego procesora Sycamore, Google zaprezentował również procesor kwantowy oparty na bramce o nazwie „Bristlecone” na dorocznym spotkaniu American Physical Society w Los Angeles w 2018 roku. Firma uważa, że chip jest w stanie w końcu przynieść moc komputerów kwantowych do głównego nurtu, rozwiązując „rzeczywiste problemy”. 
IBM zaprezentował również swój pierwszy komputer kwantowy Q w 2019 roku, z obietnicą udostępnienia `` uniwersalnych komputerów kwantowych '', które po raz pierwszy będą mogły działać poza laboratorium badawczym. Opisywany jako pierwszy na świecie zintegrowany kwantowy system obliczeniowy do użytku komercyjnego, jest przeznaczony do rozwiązywania problemów poza zasięgiem klasycznych komputerów w takich obszarach, jak usługi finansowe, farmacja i sztuczna inteligencja.. 
Firma Honeywell International ogłosiła również, że ma własny komputer kwantowy. Firma ogłosiła w czerwcu ubiegłego roku, że stworzyła „najpotężniejszy komputer kwantowy na świecie”. Przy objętości kwantowej 64, komputer kwantowy Honeywell ma być dwukrotnie mocniejszy niż jego najbliższy konkurent, co może wydobyć technologię z laboratoriów i rozwiązać rzeczywiste problemy obliczeniowe, których nie da się rozwiązać za pomocą tradycyjnych komputerów..
Obliczenia kwantowe: Świt nowej ery lub zagrożenie dla prywatności cyfrowej?
Różnica między komputerami kwantowymi a komputerami tradycyjnymi jest tak ogromna, że ten pierwszy może w najbliższym czasie nie zastąpić drugiego. Jednak przy odpowiedniej korekcji błędów i lepszej efektywności energetycznej, możemy mieć nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli zobaczyć bardziej wszechobecne wykorzystanie komputerów kwantowych. A kiedy to się stanie, będzie interesujące zobaczyć, czy oznacza to koniec cyfrowego bezpieczeństwa, jakie znamy, czy też zapoczątkuje nowy świt w kryptografii cyfrowej.
Czy więc spodziewasz się, że komputery kwantowe w najbliższym czasie staną się (względnie) bardziej wszechobecne? A może ma pozostać eksperymentalne w dającej się przewidzieć przyszłości? Daj nam znać w komentarzach poniżej. Ponadto, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o szyfrowaniu i kryptografii, zapoznaj się z naszymi połączonymi artykułami poniżej:
- TKIP vs AES: Poradnik protokołów bezpieczeństwa Wi-Fi
- Czym dokładnie jest szyfrowanie na poziomie wojskowym
- Szyfruj dyski USB, aby zabezpieczyć przenoszone dane
- 8 najlepszych programów szyfrujących dla systemu Windows
