Η κβαντική υπολογιστική είναι μία από αυτές τις τεχνολογίες που είναι τόσο θορυβώδεις ώστε οι χαρακτήρες των τηλεοπτικών χαρακτήρων να πέφτουν όταν θέλουν να ακούγονται έξυπνοι.
Η κβαντική πληροφορική ως ιδέα υπήρξε για λίγο - η θεωρητική πιθανότητα αρχικά εισήχθη από τον Γιούρι Μανίν και τον Ρίτσαρντ Φέιμαν το 1982. Τα τελευταία χρόνια, όμως, ο τομέας έχει τραβήξει ανησυχητικά πιο κοντά στην πρακτικότητα.
Εταιρείες όπως η Google και η Microsoft, καθώς και κυβερνητικές οργανώσεις όπως η NSA έχουν ασχοληθεί πυρετωδώς με κβαντικούς υπολογιστές εδώ και χρόνια. Μια εταιρεία που ονομάζεται D-Wave έχει κατασκευάσει και πωλεί συσκευές οι οποίες (ενώ δεν είναι κατάλληλοι υπολογιστές και μπορούν να επιτελέσουν μερικούς αλγόριθμους) εκμεταλλεύονται τις κβαντικές ιδιότητες και αποτελούν ένα ακόμη βήμα προς την κατεύθυνση ενός πλήρους Turing-complete. Η δοκιμασία του Turing και θα χτυπηθεί ποτέ; Ποια είναι η δοκιμασία Turing και θα ξυλοκοπείται ποτέ; Η δοκιμή Turing έχει σκοπό να καθορίσει αν τα μηχανήματα σκέφτονται. Μήπως το πρόγραμμα Eugene Goostman πέτυχε πραγματικά τη δοκιμή του Turing, ή οι δημιουργοί απλά εξαπατούν; Διαβάστε περισσότερα κβαντικό μηχάνημα.
Δεν φαίνεται παράλογο να ειπωθεί ότι θα μπορούσαν να συμβούν ανακαλύψεις που θα επιτρέψουν την κατασκευή του πρώτου κβαντικού υπολογιστή μεγάλης κλίμακας μέσα σε μια δεκαετία.
Γιατί λοιπόν το ενδιαφέρον; Γιατί να σας ενδιαφέρει; Οι υπολογιστές γίνονται όλο και πιο γρήγορα Τι είναι ο νόμος του Moore και τι έχει να κάνει με εσάς; [MakeUseOf Εξηγεί] Τι είναι ο νόμος του Moore, και τι έχει να κάνει με σας; [Η επεξήγηση του MakeUseOf] Η κακή τύχη δεν έχει καμία σχέση με το νόμο του Moore. Εάν αυτή είναι η σχέση που είχατε, το συγχέετε με το νόμο του Murphy. Ωστόσο, δεν ήσουν μακριά από το νόμο του Moore και το νόμο του Murphy ... Διαβάστε περισσότερα - τι είναι τόσο ξεχωριστό για τους κβαντικούς υπολογιστές;
Για να εξηγήσουμε γιατί αυτά τα μηχανήματα είναι τόσο σημαντικά, θα πρέπει να κάνουμε ένα βήμα πίσω και να διερευνήσουμε ακριβώς ποιοι κβαντικοί υπολογιστές είναι και γιατί λειτουργούν. Για να ξεκινήσετε, ας μιλήσουμε για μια έννοια που ονομάζεται "πολυπλοκότητα χρόνου εκτέλεσης".
Τι είναι η πολυπλοκότητα εκτέλεσης;
Μια από τις μεγάλες εκπλήξεις στις πρώτες μέρες της επιστήμης των υπολογιστών ήταν η ανακάλυψη ότι εάν έχετε έναν υπολογιστή που επιλύει ένα πρόβλημα ορισμένου μεγέθους σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, ο διπλασιασμός της ταχύτητας του υπολογιστή δεν αφήνει απαραίτητα να αντιμετωπίσει προβλήματα δύο φορές μεγαλύτερη.
Μερικοί αλγόριθμοι αυξάνουν τον συνολικό χρόνο εκτέλεσης πολύ, πολύ γρήγορα καθώς αυξάνεται το μέγεθος του προβλήματος - μερικοί αλγόριθμοι μπορούν να ολοκληρωθούν γρήγορα με δεδομένο 100 σημεία δεδομένων, αλλά η συμπλήρωση του αλγορίθμου που δόθηκε σε 1000 σημεία δεδομένων θα απαιτούσε έναν υπολογιστή με το μέγεθος της γης να τρέχει για δισεκατομμύρια χρόνια. Η πολυπλοκότητα του χρόνου εκτέλεσης είναι μια τυποποίηση αυτής της ιδέας: εξετάζει την καμπύλη πόσο γρήγορα μεγαλώνει η πολυπλοκότητα ενός προβλήματος και χρησιμοποιεί το σχήμα αυτής της καμπύλης για να ταξινομήσει τον αλγόριθμο.
Γενικά, αυτές οι κατηγορίες δυσκολίας εκφράζονται ως λειτουργίες. Ένας αλγόριθμος που γίνεται αναλογικά δυσκολότερος όταν αυξάνεται η τιμή των δεδομένων (όπως μια απλή συνάρτηση μέτρησης) λέγεται ότι είναι μια συνάρτηση με πολυπλοκότητα χρόνου εκτέλεσης του " n" (όπως σε, παίρνει n μονάδες χρόνου για επεξεργασία n σημείων δεδομένων ).
Εναλλακτικά, μπορεί να ονομαστεί "γραμμική", επειδή όταν το γράφετε, έχετε μια ευθεία γραμμή. Άλλες λειτουργίες μπορεί να είναι n ^ 2 ή 2 ^ n ή n! (n παράγοντα). Αυτά είναι πολυώνυμα και εκθετικά. Στις τελευταίες δύο περιπτώσεις, οι εκθετικές αναπτύσσονται τόσο γρήγορα ώστε σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις δεν μπορούν να λυθούν για τίποτα εκτός από τα πολύ ασήμαντα παραδείγματα.
Σύνθεση και κρυπτογραφία χρόνου εκτέλεσης
Αν ακούτε αυτά τα πράγματα για πρώτη φορά και ακούγεται χωρίς νόημα και αστεία, ας προσπαθήσουμε να εδραιώσουμε αυτή τη συζήτηση. Η πολυπλοκότητα του χρόνου εκτέλεσης είναι κρίσιμη για την κρυπτογραφία, η οποία βασίζεται στην πολύ πιο εύκολη αποκρυπτογράφηση για τους ανθρώπους που γνωρίζουν ένα μυστικό κλειδί από ό, τι για εκείνους που δεν το κάνουν. Σε ένα ιδανικό κρυπτογραφικό σχήμα, η αποκρυπτογράφηση πρέπει να είναι γραμμική εάν έχετε το κλειδί και 2 ^ k (όπου k είναι ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων στο πλήκτρο) αν δεν το κάνετε.
Με άλλα λόγια, ο καλύτερος αλγόριθμος για την αποκρυπτογράφηση του μηνύματος χωρίς το κλειδί θα έπρεπε απλώς να μαντέψει πιθανά κλειδιά, τα οποία είναι δύσκολα για κλειδιά μόνο μερικών εκατοντάδων δυαδικών ψηφίων.
Για την κρυπτογράφηση συμμετρικού κλειδιού (στην οποία τα δύο μέρη έχουν την ευκαιρία να ανταλλάξουν ένα μυστικό με ασφάλεια πριν ξεκινήσουν την επικοινωνία) αυτό είναι πολύ εύκολο. Για ασύμμετρη κρυπτογραφία, είναι πιο δύσκολο.
Η ασύμμετρη κρυπτογράφηση, στην οποία τα κλειδιά κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης είναι διαφορετικά και δεν μπορούν εύκολα να υπολογιστούν μεταξύ τους, είναι μια πολύ πιο δύσκολη μαθηματική δομή για υλοποίηση παρά η συμμετρική κρυπτογραφία, αλλά είναι επίσης πολύ ισχυρότερη: η ασύμμετρη κρυπτογράφηση σας επιτρέπει να έχετε ιδιωτικές συνομιλίες, ακόμη και πάνω από τις γραμμές που έχουν τραβηχτεί! Σας επιτρέπει επίσης να δημιουργήσετε "ψηφιακές υπογραφές" για να μπορέσετε να επαληθεύσετε από ποιον προέρχεται ένα μήνυμα και ότι δεν έχει παραβιαστεί.
Αυτά είναι ισχυρά εργαλεία και αποτελούν το θεμέλιο της σύγχρονης ιδιωτικότητας: χωρίς ασύμμετρη κρυπτογράφηση, οι χρήστες ηλεκτρονικών συσκευών δεν θα έχουν αξιόπιστη προστασία από τα αδιάκριτα μάτια.
Επειδή η ασύμμετρη κρυπτογραφία είναι πιο δύσκολη από ό, τι είναι συμμετρική, τα τυπικά συστήματα κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται σήμερα δεν είναι τόσο ισχυρά όσο θα μπορούσαν να είναι: το πιο κοινό πρότυπο κρυπτογράφησης, το RSA, μπορεί να σπάσει αν μπορείτε να βρείτε αποτελεσματικά τους πρωταρχικούς παράγοντες μιας πολύ μεγάλος αριθμός. Τα καλά νέα είναι ότι αυτό είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα.
Ο πιο γνωστός αλγόριθμος για τον παράγοντα μεγάλων αριθμών στις πρώτες συνιστώσες του στοιχείου ονομάζεται γενικός κόσμος πεδίου και έχει μια πολυπλοκότητα εκτέλεσης που αναπτύσσεται λίγο πιο αργά από 2 ^ n . Ως εκ τούτου, τα πλήκτρα πρέπει να είναι περίπου δέκα φορές περισσότερο για να παρέχουν παρόμοια ασφάλεια, κάτι που οι άνθρωποι συνήθως ανέχονται ως κόστος επιχειρηματικής δραστηριότητας. Τα κακά νέα είναι ότι ολόκληρο το πεδίο παιχνιδιού αλλάζει όταν οι κβαντικοί υπολογιστές μπαίνουν στο μίγμα.
Κβαντικοί υπολογιστές: Αλλαγή του παιχνιδιού κρυπτογράφησης
Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν επειδή μπορούν να έχουν πολλαπλές εσωτερικές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέσω ενός κβαντικού φαινομένου που ονομάζεται «υπέρθεση». Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να επιτεθούν ταυτόχρονα σε διάφορα τμήματα ενός προβλήματος, χωρισμένα σε πιθανές εκδόσεις του σύμπαντος. Μπορούν επίσης να διαμορφωθούν έτσι ώστε τα κλαδιά που λύνουν το πρόβλημα να τελειώνουν με το μεγαλύτερο πλάτος, έτσι ώστε όταν ανοίγετε το κουτί στη γάτα του Schrodinger, η έκδοση της εσωτερικής κατάστασης με την οποία είναι πιο πιθανό να παρουσιαστεί είναι απολαυστική - βλέποντας γάτα κρατώντας ένα αποκρυπτογραφημένο μήνυμα.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές, δείτε το πρόσφατο άρθρο μας σχετικά με το θέμα Πώς λειτουργούν οι Οπτικοί και Κβαντικοί Υπολογιστές; Πώς λειτουργούν οι Οπτικοί και οι Κβαντικοί Υπολογιστές; Η εποχή της Εξακρισίας έρχεται. Ξέρετε πώς λειτουργούν οι οπτικοί και κβαντικοί υπολογιστές και θα γίνουν οι νέες αυτές τεχνολογίες το μέλλον μας; Διαβάστε περισσότερα !
Το αποτέλεσμα αυτού είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι μόνο γραμμικώς ταχύτεροι, όπως είναι οι κανονικοί υπολογιστές: η λήψη δύο ή δέκα ή εκατό φορές ταχύτερα δεν βοηθά πολύ όταν πρόκειται για συμβατική κρυπτογραφία ότι είστε εκατοντάδες δισεκατομμύρια φορές πολύ αργή για επεξεργασία. Οι κβαντικοί υπολογιστές υποστηρίζουν αλγόριθμους που έχουν μικρότερες αναπτυγμένες χρονικές πολυπλοκότητες απ 'ό, τι είναι δυνατό αλλιώς. Αυτό είναι που κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές να διαφέρουν θεμελιωδώς από άλλες μελλοντικές υπολογιστικές τεχνολογίες, όπως ο υπολογισμός του graphene και του συντάκτη. Η Τελευταία Τεχνολογία Υπολογιστών πρέπει να πιστέψετε στην Τελευταία Τεχνολογία Υπολογιστών που πρέπει να δείτε για να πιστέψετε Δείτε μερικές από τις τελευταίες τεχνολογίες υπολογιστών που έχουν τεθεί να μεταμορφώσει τον κόσμο των ηλεκτρονικών και των προσωπικών υπολογιστών τα επόμενα χρόνια. Διαβάστε περισσότερα .
Για ένα συγκεκριμένο παράδειγμα, ο αλγόριθμος Shor, ο οποίος μπορεί να εκτελεστεί μόνο σε έναν κβαντικό υπολογιστή, μπορεί να παράγει μεγάλους αριθμούς σε χρόνο log (n) ^ 3, ο οποίος είναι δραστικά καλύτερος από την καλύτερη κλασική επίθεση. Η χρήση του γενικού κόσκινου πεδίου για τον παράγοντα ενός αριθμού με 2048 μπιτ διαρκεί περίπου τις 41 ^ 41 μονάδες χρόνου, οι οποίες υπερβαίνουν τα τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια. Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Shor, το ίδιο πρόβλημα διαρκεί περίπου 1000 μονάδες χρόνου.
Το αποτέλεσμα γίνεται πιο έντονο όσο τα κλειδιά είναι μεγαλύτερα. Αυτή είναι η δύναμη των κβαντικών υπολογιστών.
Μην με πάρτε λάθος - οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν πολλές πιθανές μη κακές χρήσεις. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά το πρόβλημα των μετακινούμενων πωλητών, επιτρέποντας στους ερευνητές να δημιουργήσουν πιο αποτελεσματικά δίκτυα ναυτιλίας και να σχεδιάσουν καλύτερα κυκλώματα. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν ήδη ισχυρές χρήσεις στην τεχνητή νοημοσύνη.
Τούτου λεχθέντος, ο ρόλος τους στην κρυπτογραφία θα είναι καταστροφικός. Οι τεχνολογίες κρυπτογράφησης που επιτρέπουν στον κόσμο μας να συνεχίσει να λειτουργεί, εξαρτώνται από το δύσκολο να λυθεί το πρόβλημα παραγοντοποίησης ακέραιων αριθμών. Το RSA και τα σχετικά προγράμματα κρυπτογράφησης είναι αυτά που σας επιτρέπουν να εμπιστεύεστε ότι βρίσκεστε στη σωστή τοποθεσία, ότι τα αρχεία που λαμβάνετε δεν είναι γεμάτα με κακόβουλο λογισμικό και ότι οι χρήστες δεν κατασκοπεύουν την περιήγησή σας στο Internet (αν χρησιμοποιείτε Tor).
Η κρυπτογραφία διατηρεί τον τραπεζικό σας λογαριασμό ασφαλή και εξασφαλίζει την παγκόσμια πυρηνική υποδομή. Όταν οι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν πρακτικοί, όλη αυτή η τεχνολογία σταματά να λειτουργεί. Η πρώτη οργάνωση για την ανάπτυξη ενός κβαντικού υπολογιστή, αν ο κόσμος εξακολουθεί να εργάζεται για τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε σήμερα, θα είναι σε μια τρομακτικά ισχυρή θέση.
Έτσι, η κβαντική αποκάλυψη είναι αναπόφευκτη; Υπάρχει κάτι που μπορούμε να κάνουμε γι 'αυτό; Όπως αποδεικνύεται ... ναι.
Μετά-κβαντική κρυπτογραφία
Υπάρχουν αρκετές κατηγορίες αλγορίθμων κρυπτογράφησης οι οποίες, από όσο γνωρίζουμε, δεν είναι σημαντικά πιο γρήγορες για την επίλυση σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Αυτά είναι γνωστά συλλογικά ως μετα-κβαντική κρυπτογραφία και παρέχουν κάποια ελπίδα ότι ο κόσμος μπορεί να μεταβεί σε κρυπτοσυστήματα που θα παραμείνουν ασφαλή σε έναν κόσμο κβαντικής κρυπτογράφησης.
Οι υποψήφιοι υποψήφιοι περιλαμβάνουν την κρυπτογράφηση βασισμένη σε πλέγματα, όπως η δακτυλογράφηση με σφάλμα, η οποία αποκτά την ασφάλειά της από ένα αποδεδειγμένα πολύπλοκο πρόβλημα μάθησης μηχανής και την πολυπαραγοντική κρυπτογραφία, η οποία αποκομίζει την ασφάλειά της από τη δυσκολία επίλυσης πολύ μεγάλων συστημάτων απλών εξισώσεων. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό το θέμα στο άρθρο της Wikipedia. Προσοχή: Πολλά από αυτά τα πράγματα είναι πολύπλοκα και μπορεί να διαπιστώσετε ότι το υπόβαθρο των μαθηματικών πρέπει να βελτιωθεί σημαντικά, ώστε να μπορέσετε πραγματικά να ανακαλύψετε τις λεπτομέρειες.
Η διαδρομή από πολλά από αυτά είναι ότι τα κβαντικά κρυπτοσμήματα είναι πολύ δροσερά, αλλά και πολύ μικρά. Χρειάζονται περισσότερη δουλειά για να είναι αποτελεσματικές και πρακτικές, αλλά και να αποδείξουν ότι είναι ασφαλείς. Ο λόγος για τον οποίο είμαστε σε θέση να εμπιστευτούμε τα κρυπτοσυστήματα είναι επειδή έχουμε ρίξει αρκετές κλινικά παρανοϊκές μεγαλοφυίες σε αυτά για αρκετό καιρό ώστε να έχουν ανακαλυφθεί οποιεσδήποτε προφανείς ατέλειες μέχρι σήμερα και οι ερευνητές έχουν αποδείξει διάφορα χαρακτηριστικά που τα καθιστούν ισχυρά.
Η σύγχρονη κρυπτογραφία εξαρτάται από το φως ως απολυμαντικό και τα περισσότερα από τα κβαντογραφικά σχήματα είναι απλά καινούργια για να εμπιστευθεί την παγκόσμια ασφάλεια. Παίρνουν εκεί, όμως, και με λίγη τύχη και κάποια προετοιμασία, οι ειδικοί ασφαλείας μπορούν να ολοκληρώσουν το διακόπτη πριν από την πρώτη σύνδεση του κβαντικού υπολογιστή.
Αν αποτύχουν, ωστόσο, οι συνέπειες μπορεί να είναι κακές. Η σκέψη του καθενός που έχει τέτοια δύναμη είναι ανησυχητική, ακόμα κι αν είστε αισιόδοξος για τις προθέσεις του. Το ερώτημα του ποιος αναπτύσσει πρώτα ένα λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή είναι αυτός που όλοι πρέπει να προσέξουν πολύ προσεκτικά καθώς θα προχωρήσουμε στην επόμενη δεκαετία.
Ανησυχείτε για την ανασφάλεια της κρυπτογραφίας σε κβαντικούς υπολογιστές; Τι σου παίρνεις; Μοιραστείτε τις σκέψεις σας στα παρακάτω σχόλια!
Εικόνες Credits: Δυαδική σφαίρα Μέσω του Shutterstock