Что такое квантовая теория и при чем здесь защита данных?

Кот Шрёдингера, суперпозиция, квантовая запутанность. Что стоит за этими понятиями? Как они применяются в прикладном плане уже сейчас? При чем здесь защита данных?

Мы попросили основателя стартапа S-Quantum (спин-оффа Центра Квантовых Технологий МГУ) и специалиста компании ИнфоТеКС по квантовому криптоанализу Алексея Моисеевского провести для нас ликбез.

НОВАЯ ФИЗИКА

Технологии всегда шли рука об руку с наукой. Радиоволны, описанные уравнениями Максвелла еще в XIX веке, сегодня лежат в основе мобильной связи и Wi-Fi. На рубеже XIX–XX веков физики осознали, что не могут объяснить некоторые явления природы.

Это привело к рождению новой концепции — квантовой теории, и сегодня ее принципы являются фундаментом для множества перспективных исследований.

В ЧЕМ СУТЬ?

Суть — в странном поведении частиц. Со времен Ньютона считалось, что свет ведет себя как волна. Существование разных цветов, которые мы видим, отлично описывается волновой теорией.

Но одновременно ученые рассматривали и другую идею — что свет состоит из элементарных частиц, фотонов.

Когда ученые начали изучать структуру атома, противоречие стало очевидным. Элементарные частицы (например, электроны), из которых состоит все вокруг, тоже демонстрировали загадочное сочетание свойств: иногда они вели себя как волны, а иногда — как частицы.

КАК ПРОВЕРИТЬ?

Для физики главный аргумент — эксперимент. Ученые поставили опыт: электронная пушка «обстреливала» перегородку с двумя щелями, за которой был экран.

Если электрон — частица, он пролетит через одну щель, и на экране появятся две четкие полосы. Если электрон — волна (как круги на воде), он пройдет через обе щели одновременно, и на экране возникнет сложная картина из чередующихся полос.

ЧТО ВЫЯСНИЛИ?

Сначала электрон вел себя именно как волна. Но ученые решили усложнить эксперимент: они подсветили щели (это необходимо, чтобы четко отследить, через какую из них проходит частица). Теперь, пролетая через щель, электрон рассеивал свет, и можно было увидеть слабую вспышку.

Однако как только за электроном начали следить, волновая картина исчезла, и он снова вел себя как частица. Дело не в том, что электрон «понимал», что за ним наблюдают. Просто свет своим воздействием сбивал его с «волнового» пути.

НОВЫЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

Ученые попробовали уменьшить воздействие, используя свет с большей длиной волны — сначала красный, потом инфракрасный. Но у такого света есть побочный эффект: он дает размытую картинку. Щели становились нечеткими, «мыльными».

И вот что удивительно: как только из-за этой «размытости» уже нельзя было определить, через какую именно щель пролетел электрон, волновая картина снова появлялась! Похоже, в природе существует закон: мы не можем одновременно точно знать, где находится электрон, и наблюдать его волновые свойства.

ОТРИЦАНИЕ, ГНЕВ И КОТ ШРЁДИНГЕРА

Чтобы описать это странное поведение, ученые ввели понятие «квантовый объект». Но были и скептики. Самая известная попытка оспорить логику квантовой физики — мысленный эксперимент «Кот Шрёдингера».

Представьте: в коробку помещают кота и устройство, которое может его убить, если электрон пройдет через левую щель. Если электрон, будучи волной, проходит через обе щели одновременно, то выходит, что кот и жив, и мертв одновременно. Что, конечно, кажется абсурдом.

ПРИНЯТИЕ

На самом деле парадокса здесь нет. Да, если мы свяжем (или «запутаем») кота с квантовым объектом, то кот приобретет квантовые свойства. Но ключ в том, что мы не можем наблюдать это состояние, пока коробка закрыта.

Когда мы открываем коробку и видим живого кота, это похоже на то, как если бы мы увидели вспышку от электрона у правой щели. Открытие коробки всегда дает нам один конкретный результат, хотя до этого мы и говорили, что кот находится в «суперпозиции» (то есть как бы в двух состояниях сразу). Этими свойствами информации можно пользоваться.

КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Мы построили компьютеры, используя поток электронов в проводах для обработки информации. Так почему бы не создать компьютер, который использовал бы сами квантовые объекты — электроны или фотоны — для работы с той самой «квантовой» информацией внутри закрытой «коробки»?

У обычных компьютеров нет доступа к таким состояниям, а значит, квантовый компьютер сможет решать задачи, которые обычным не под силу?

Так и есть. Мы можем дать коту в коробке инструкцию: «Если ты жив, рассчитай маршрут №1, а если нет — маршрут №2». Пока коробка закрыта, оба расчета будут выполняться одновременно. И хотя, открыв коробку, мы увидим результат только одного из них, на этом принципе можно построить алгоритмы, которые будут принципиально быстрее любых классических.

КВАНТОВАЯ СВЯЗЬ И ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Одна из важных способностей квантовых компьютеров — умение взламывать современные шифры. Когда создавались основные алгоритмы шифрования, считалось, что обычный компьютер не сможет их взломать. О квантовых компьютерах тогда не думали. А они, как выяснилось, справляются с этой задачей гораздо легче.

В будущем это может стать серьезной угрозой. Но что интересно: защищают от этой угрозы снова же квантовые технологии. Если передавать данные в виде «квантовой коробки», то любая попытка подслушать сообщение будет замечена. Закрыть «открытую коробку» обратно невозможно, и факт взлома сразу станет очевиден.

КВАНТОВЫЙ КРИПТОАНАЛИЗ НА СТРАЖЕ

Конечно, важно понимать, насколько реальна эта угроза сегодня. Пока квантовые компьютеры довольно слабы и не способны взломать реальные системы шифрования. Но их мощность растет, а алгоритмы атак развиваются и становятся менее требовательны.

Чтобы контролировать ситуацию, в России работают специалисты, которые постоянно проверяют устойчивость шифров самыми разными способами, в том числе с помощью квантовых алгоритмов. Только так, оставаясь на передовой технологий, можно обеспечить безопасность данных в будущем.