Криптоанализ с использованием Квантового компьютера

Привет, Вы узнаете о том , что такое квантовый компьютер, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое квантовый компьютер, кубитный квантовый процессор, суперпозиция, когерентность, несепарабельность, квантовый параллелизм, средства криптографической защиты информации, квантовый алгоритма шора , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Криптоанализ, Виды уязвимости и защита Информации .

квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция , квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов.

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьезным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На конец 2010-х годов практически были реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированные алгоритмы небольшой сложности.

Первым практическим высокоуровневым языком программирования для такого вида компьютеров считается язык Quipper^[en], основанный на Haskell).

В мае 2017 года в рамках проекта IBM-Q компания IBM открыла доступ к новому 16-кубитному квантовому процессору.
IBM-Q – это коммерческий проект, позволяющий
сторонним разработчикам работать с квантовым
компьютером в «облаке» при помощи специального программного интерфейса.
В том же году на Международной конференции
по квантовым технологиям в Москве (ICQT-2017)
было объявлено о создании 51-кубитного квантового компьютера группой из Гарвардского (США)
университета.
В марте 2018 года корпорация Google анонсировала создание 72-кубитного квантового чипа
Bristlecone.
Ученые из Китайского научно-технологического
университета (г. Шанхай) разработали новый прототип квантовой вычислительной машины. Кроме того,
они пообещали в 2019 году создать и 30-кубитную
квантовую систему, которая будет в состоянии соревноваться с самыми мощными «обычными» компьютерами. Китай работает над созданием квантового компьютера, превосходящего по скорости
вычислений современные аналоги. Новость 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.
Квантовый компьютер – что это? Каковы физические ресурсы, на которых основана высокая вычислительная эффективность квантового компьютера? В каком виде она проявляется?
При ответе на поставленные вопросы обратимся к
соответствующим сведениям, представленным в современных научно-технических изданиях, посвященных проблематике разработки и построения квантовых вычислительных устройств.
В широком смысле квантовый компьютер – это
физическая система, состояния которой описываются законами раздела физики, называемого квантовой механикой.
Квантовый компьютер – это устройство, реализующее квантовые вычисления, под которыми понимают процедуры параллельных множественных
операций, использующих специфические свойства
состояний квантовых объектов, таких как:

• – суперпозиция;
• – когерентность ;
• – несепарабельность .

Эти свойства и определяют одноименные физические ресурсы, на которых основана высокая вычислительная эффективность квантового компьютера.
Высокая вычислительная эффективность квантового компьютера проявляется в виде способности неограниченного параллельного выполнения
операций (свойство квантового параллелизма) над
всеми допустимыми значениями параметров решаемой задачи. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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.

• Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения за время .
• Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за полиномиальное от log n время.
• Алгоритм Залки — Визнера позволяет моделировать унитарную эволюцию квантовой системы частиц за почти линейное время с использованием кубитов.
• Алгоритм Дойча — Йожи позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция двоичной переменной f(n) постоянной (f₁(n) = 0, f₂(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной» (f₃(0) = 0, f₃(1) = 1; f₄(0) = 1, f₄(1) = 0).
• Алгоритм Саймона^[en] решает проблему черного ящика экспоненциально быстрее, чем любой классический алгоритм, включая вероятностные алгоритмы.

Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение». Более того, возможность получения квантового ускорения для произвольного классического алгоритма является большой редкостью.

В наличии свойства квантового параллелизма и заключается одно из главных преимуществ квантовых компьютеров по сравнению с классическими
компьютерами. Сказанное представляется «сильно наукообразным». В связи с этим возникает естественный вопрос: можно ли в принципе получить представление о квантовом компьютере, не приводя трудно воспринимаемые формулировки определений технических и абстрактных понятий и утверждений?
Так, свойство квантового параллелизма и, следовательно, квантовый компьютер можно себе представить путем обращения к известному в
квантовой механике эксперименту с двумя щелями, увеличивая в рассуждениях количество щелей от двух до необходимого в случае с вышеприведенным примером вычисления значения функции до количества всех допустимых значений аргумента).
В некотором допустимом в настоящей ситуации приближении указанный эксперимент можно описать следующим образом. Пусть имеется источник одиночных фотонов («фотонная пушка»), экран (фотопленка) и между ними преграда (фольга – отражатель фотонов).
Вначале преграда без щелей. «Стреляем одним фотоном». На экране нет следов. Во втором случае в преграде делаем одну щель, на экране нет следов и «стреляем одним фотоном». В результате на экране – «один след». Так говорят ученые. В третий раз в преграде делаем две щели, на экране нет следов и «стреляем одним фотоном» так, чтобы щели оказались перед фронтом волны фотона (вспомним об известном принципе корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому фотон проявляет и свойства частицы, и свойства волны). Можно сказать, согласно мнению ученых, что на экране «два следа».
В четвертый раз в преграде три щели, на экране нет следов и «стреляем одним фотоном» так, чтобы щели оказались перед фронтом волны фотона.
Можно сказать, согласно мнению ученых, что на экране «три следа». И так далее. В тысяча первый раз в преграде тысяча щелей, на экране нет следов и «стреляем одним фотоном» так, чтобы щели оказались перед фронтом волны фотона. И в результате можно говорить, согласно мнению ученых, что на экране «тысяча следов».
Из указанного выше следует, как говорят ученые, что «фотон проходит через все щели одновременно».
Следует отметить, что мы не случайно «киваем» на ученых, говоря «про следы на экране» и «густо» используем знаки кавычек. На самом деле выводы о «следах» и их количестве не являются результатом их непосредственного наблюдения и подсчета, а являются результатом анализа интерференционной картины на экране, получаемой при «статистически значимом» количестве «бомбардировок» экрана одиночными фотонами. Это с одной стороны. А с другой стороны, эксперимент, описываемый в научных источниках по квантовой механике, касается только двух щелей.

Тем не менее модель «фотона, проходящего все щели одновременно», представляется подходящей для объяснения свойства квантового параллелизма.
В чем суть потенциальной угрозы стойкости средств криптографической защиты информации (СКЗИ) от появления квантового компьютера?
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 Шора 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. Указанная сложность решения с помощью наилучшего классического алгоритма (так называемого теоретикочислового решета) на современных компьютерах (называемых классическими компьютерами) оценивается как

операций .
Квантовый алгоритм Шора позволяет решать задачу факторизации числа n с полиномиальной сложностью
.
Поэтому с помощью квантового алгоритма Шора с использованием квантового компьютера потенциально возможен «взлом» тех криптографических
систем (в том числе и RSA), чья стойкость основана на сложности задачи факторизации натуральных чисел.

Но вместе с тем надо учитывать, что до недавнего времени количество различных прикладных задач общего характера, которые можно решать на квантовом компьютере, было где-то немногим более полусотни. Казалось бы, данное обстоятельство (то есть малый объем и медленный рост сферы применения квантовых компьютеров) может послужить фактором, нейтрализующим до определенной степени (по крайней мере, в среднесрочной перспективе) возможные угрозы от появления квантового компьютера. И такое предположение представлялось бы в определенной степени оправданным, если бы не наблюдалась
следующая настораживающая тенденция. А именно: в последнее время с каждым днем увеличивается количество прикладных задач, которые можно
решать на квантовом компьютере. Ученые прогнозируют в ближайшем будущем настоящий прорыв в этом направлении, подобно тому, как вода, вначале, перетекая через переполненную плотину, незначительно размывает лишь ее верхнюю кромку, а затем, по прохождении определенного времени,
все увеличиваясь, взламывает, раскалывает ограждение плотины, разметая далее все на своем пути. И это та потенциальная угроза, обусловленная появлением квантового компьютера, всем без исключения средствам криптографической защиты информации с ограниченной длиной ключа, но не являющимся теоретически стойкими.
Практическая стойкость СКЗИ с ограниченной длиной ключа, но не являющихся теоретически стойкими, основана на практической невозможности их «взлома» (несанкционированного доступа к защищенным с помощью данных СКЗИ информационным материалам) с использованием современной вычислительной техники, называемой в отличие от квантовых компьютеров классическими компьютерами. 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. И здесь та же аналогия с фотоном, «проходящим все щели одновременно». 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 (и неявлющихся теоретически стойкими) противника. Более того, по мнению американских аналитиков, другие страны уже сейчас активно воруют зашифрованные данные у США. Они пока просто хранят их, ничего с ними не делая, так как ожидают, что лет через 5-10 квантовый компьютер будет создан – и вот тогда-то они получат доступ к секретной
американской информации.
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. Упрощенно говоря, 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.

Критика и сложности

Проблема декогеренции физических кубитов на этом фоне выглядит детской забавой, а усилия, направленные на ее решение, были затрачены во многом понапрасну.

Есть также теоретические трудности, связанные с эмуляцией запутанных состояний виртуального регистра. Для определения запутанности по состояниям фермионных цепочек прибегают к ухищрениям, которые не дают полного решения проблемы. Следствием этого стал например тот факт, что фермионному состоянию |10⟩−|01⟩ отказали в праве быть запутанным на том основании, что это состояние якобы нефизическое!

Выводы

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. Рей Джонсон, бывший технический директор Lockheed Martin,
как-то заявил, что «квантовый компьютер позволит
прогнозировать, как поведет себя программное
обеспечение спутников при вспышке на солнце или
после ядерного взрыва».
Выгоды от возможной реализации квантовых
вычислений для военных очевидны. Поэтому Россия, США, Китай, Канада, Япония, Израиль и страны Европы стремятся все активнее завоевать пальму первенства в данных разработках.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• квантовый компьютер , квантовые алгоритмы , квантовое превосходство ,
• Квантовое программирование
• криптоанализ
• Квантовая телепортация
• квантовая механика
• Суперкомпьютер
• Химический компьютер
• Системы D-Wave
• ДНК-вычисления
• Электронная квантовая голография
• Деятельность в области перспективных исследовательских проектов разведки
• Квантовый компьютер Кейна
• Магическая государственная дистилляция
• Естественные вычисления
• Нормальный режим
• Фотонные вычисления
• Постквантовая криптография
• Квантовый отжиг
• Квантовая искусственная жизнь
• Квантовый автобус
• Квантовое познание
• Квантовая криптография
• Квантовый логический вентиль
• Квантовое машинное обучение
• Квантовая пороговая теорема
• Квантовый объем
• Rigetti Computing
• Солитон
• Суперпозиция
• Теоретическая информатика
• Хронология квантовых вычислений
• Топологический квантовый компьютер
• Valleytronics

Данная статья про квантовый компьютер подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое квантовый компьютер, кубитный квантовый процессор, суперпозиция, когерентность, несепарабельность, квантовый параллелизм, средства криптографической защиты информации, квантовый алгоритма шора и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Криптоанализ, Виды уязвимости и защита Информации

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.