КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

В статье

• рассмотрены основные принципы квантовой информатики и особенности функционирования квантовых компьютеров;
• приведена оценка угроз применения квантовых компьютеров средствам криптографической защиты информации;
• обсуждены перспективы применения квантовых технологий и квантовых компьютеров для решения военно-прикладных задач в войсках национальной гвардии России.

За последние два–три десятилетия сформировалась новая научная дисциплина - квантовая информатика, представляющая собой новую область знания о природе и объединившую  в себе квантовую механику, теорию информации и программирование. Основными разделами квантовой информатики являются: квантовые вычисления, квантовая связь и квантовая теория информации. Первый раздел посвящен разработке квантовых алгоритмов решения вычислительных задач и физических принципов функционирования квантовых компьютеров, второй  раздел посвящен главным образом разработке безопасных протоколов передачи информации (квантовая криптография) и третий раздел посвящен  изучению различных аспектов квантовой информации.

Квантовый компьютер в широком смысле - это физическая система, состояния которой описываются законами  квантовой механики. Квантовый компьютер реализует квантовые вычисления, под которыми понимают процедуры параллельных множественных операций.

Высокая вычислительная эффективность квантового компьютера проявляется в виде способно­сти неограниченного параллельного выполнения операций  (свойство квантового параллелизма) над всеми допустимыми значениями параметров решаемой задачи.

В классическом компьютере носителями информации являются биты, которые могут принимать два различных состояния, обозначаемых, обычно, через 0 и 1. В отличие от них квантовые биты, или сокращенно кубиты, могут принимать бесконечно много различных состояний, что и позволяет реализовать выполнение неограниченных параллельных операций.  Например, если задача заключа­ется в вычислении значений некоторой функции по всем заданным значениям аргумента, то решение этой задачи для всех значений аргумента осущест­вляется квантовым компьютером в одно действие в том смысле, что одна последовательность вычис­лительных операций в одно и то же время применя­ется ко всем значениям аргумента независимо от их количества. И в качестве результата получаются все возможные значения функции. Это и является проявлением свойства квантового параллелизма в работе квантовых вычислительных устройств, при­водящего к существенному ускорению вычисли­тельного процесса.

Поясним сказанное на следующем примере. Предположим, что нам необходимо вычислить значения функции   для значений аргумента  в пределах  с шагом.

Для решения этой задачи классическому компьютеру понадобится выполнить 21 операцию, квантовому компьютеру для решения этой задачи достаточно выполнить одну операцию и получить сразу все 21 значения функции .

В наличии свойства квантового параллелизма и заключается одно из главных преимуществ кванто­вых компьютеров по сравнению с классическими компьютерами.

Работу квантового компьютера можно пояснить также  на простом примере. Пусть мы имеем в закрытом ящике 10 кубиков различной величины. Нам нужно найти кубик наибольшей величины. Действуя аналогично классическому компьютеру, понадобиться выбрать из коробки кубики по одному. Сравнивая размеры двух последовательно вынутых кубиков, оставляем больший. Таким образом, для решения задачи повторяем операцию 10 раз. Моделируя работу квантового компьютера, открываем коробку, видим одновременно все кубики и извлекаем сразу кубик наибольшего размера, т.е. для решения задачи выполняем лишь одну операцию.

Свойство квантового параллелизма и, сле­довательно, квантовый компьютер можно себе представить, обратившись к физическим свойствам фотона, который обладает с одной стороны свойствами частицы, с другой стороны волновыми свойствами. Обратимся к известному в квантовой механике эксперименту с несколькими щеля­ми и фотоном [2]. Пусть имеется источник одиночных фотонов, светочувствительный экран  и между ними светонепроницаемая преграда. Сделаем в преграде некоторое количество щелей, например 10, расположенных перед фронтом волны фотона. Стреляем одним фотоном. В силу своих волновых свойств фотон оставляет на экране одновременно 10 следов, т.е. фотон проходит через все щели одно­временно.

В настоящее время компания IBM разработала и открыла доступ к квантовому процессору, позволяющему посторонним пользователям работать с квантовым компьютером в «облаке» при помощи специально­го программного интерфейса.

Разработкой квантовых компьютеров занимаются также корпорация Google, ученые  Гарвардского университета, ученые  китайского научно-технологического университета (г. Шанхай). В России вопросами квантовой информатики и созданием квантовых компьютеров занимаются в Московском университете, Новосибирском университете, Новосибирском техническом университете.

Создание квантовых компьютеров имеет большое значение для военной сферы, где возмож­ное применение квантовых компьютеров обсуж­дается все чаще. И все ведущие страны стремятся быть первыми в создании подобных машин. В военной области квантовый компьютер, прежде всего, представляет собой  потенциальную угрозу стойкости средств криптографической защиты информации (СКЗИ). По аналогии с фотоном, «проходящим все щели одновременно», квантовый компьютер вычисля­ет значения функции для всех допустимых значе­ний аргумента одновременно, то есть, выражаясь упрощенно, «за один проход». Возможность прак­тической реализации такого события ярко пред­ставлена, например, в квантовом алгоритме факторизации натуральных чисел. Поясним данное утверждение.

Для этого заметим, что один из первых вари­антов задачи факторизации, используемый при построении асимметричных криптографических систем, заключается в следующем: известно на­туральное число n, равное произведению двух не­известных простых чисел р и q; необходимо найти делители р и q. На сложности решения данной за­дачи основана, например, стойкость асимметрич­ной криптографической системы RSA. Указанную сложность решения с помощью наилучшего клас­сического алгоритма на современных компьютерах проиллюстрируем на следующем примере [1].

 Пусть требуется разбить на два простых множителя число N, состоящее из 60 десятичных цифр . Тогда число операций классического компьютера будет . Пусть быстродействие классического процессора таково, что за 1 с. осуществляется  элементарных операций. Тогда время вычисления будетC. Согласно современным данным возраст нашей вселенной  составляет C.

Квантовый компьютер такую задачу может решить за считанные секунды.

С помощью квантового компьютера потен­циально возможен «взлом» тех криптографических систем, чья стойкость основана на сложности задачи факторизации натуральных чисел.

И это та потенциальная угроза, обусловленная по­явлением квантового компьютера, всем без ис­ключения средствам криптографической защиты информации (СКЗИ) с ограниченной длиной ключа.

Практическая стойкость СКЗИ с ограниченной длиной ключа, основана на практической невозможно­сти их «взлома» с использованием совре­менной вычислительной техники. Для примера рассмотрим один из самых известных и универсальных методов атаки на криптографические системы - метод тотально­го перебора ключей (на Западе этот метод называ­ется «силовым методом»). Данный метод прост в аппаратной или программной реализации, но вы­числительно сложен в своем исполнении в класси­ческом варианте на классических вычислительных устройствах при достаточно большой мощности ключевого пространства, атакуемого СКЗИ.

Однако указанный подход к обеспечению стой­кости бесполезен в случае использования кванто­вого компьютера для атаки на СКЗИ с ограничен­ной длиной ключа, но не являющиеся теоретически стойкими. Причиной этого прежде всего является эффективная возможность реализации на кванто­вом компьютере рассмотренного выше метода то­тального перебора ключей. Такая возможность обу­словлена тем, что квантовый компьютер позволяет (в принципе) опробовать одновременно все ключи, все элементы ключевого пространства СКЗИ. В этом и заключается по­тенциальная угроза стойкости СКЗИ от появления квантового компьютера.

В соответствии со сказанным выше первые и самые очевидные последствия создания одной из стран действительно работающего квантового компьютера - это почти мгновенный взлом военных и инфраструктурных систем шифрования с ограни­ченной длиной ключа  противника.

Скорость вычисления и обработки данных также позволит значительно усовершенствовать работу беспилотных и роботизированных военных авто­номных машин, на которые и будет возложена мис­сия непосредственного ведения боевых действий в обозримом будущем. Воен­ные роботы страны, первой создавшей квантовый компьютер, будут принимать решения быстрее, действовать точнее, «работать» по большему числу целей, лучше «видеть» все поле боя и просчитывать «ходы» дальше, чем роботы противника. А значит — будут побеждать.

Еще одной важной в прикладном плане задачей, которую квантовый компьютер может решить намного эффективнее классического компьютера является задача поиска заданного объекта в большой базе данных, что также актуально при решении военно-прикладных задач в войсках национальной гвардии России.

Квантовые компьютеры также могут быть ис­пользованы в проектировании новых видов ору­жия, новых материалов, новых конструкций, соз­дании искусственного интеллекта, моделировании космических объектов и даже в разработке новых стратегий ведения войны.

Прогнозирование, безусловно, входит в область применения квантовых компьютеров, т.к. позволяет мгновенно просчитать множество возможных вариантов развития тех или иных событий и процессов (как в стратегическом плане, так и при решении тактических задач).

Список литературы:

1. Ильичёв Е.В. Квантовая информатика./ Ильичёв Е.В., Гринберг Я.С.// - Новосибирск: изд. НГТУ,  2013, 170 с.
2. Киселенко В.А. Квантовый компьютер как потенциальная угроза стойкости систем криптографической защиты информации. Академический вестник войск национальной гвардии Российской Федерации №2 2019 г., с. 60-62