Australian signaaliosasto julkaisi ohjeensa klassisesta kryptografiasta ja postkvanttiin päivittämisestä. Yhdysvaltain NIST, Australian ASD, Ison-Britannian NCSC ja muut ovat lähentymässä vuoden 2030 tienoilla, jolloin algoritmit ovat kvantin jälkeisiä. Oletko kvanttivalmis?

Lähtölaskenta Q-Dayhin - Osa 1 mennessä @apruden08 Kvanttilaskenta hyödyntää kvanttimekaniikkaa, tarkinta fysikaalista teoriaa, jonka tiede on koskaan luonut. Siitä lähtien, kun fyysikko Richard Feynman ehdotti konseptia ensimmäisen kerran vuonna 1981, kvanttitietokoneet ovat siirtyneet teoriasta todellisuuteen, ja nykyään saatavilla on useita toimivia prototyyppejä. Niiden toteutuminen pienimmissä mittakaavoissa oli teoreettinen voitto. Nämä ensimmäisen sukupolven koneet ovat kuitenkin alkeellisia verrattuna jopa kuluttajatason klassisiin laitteisiin. Jotta kvanttitietokoneet olisivat koskaan merkityksellisiä, niiden on skaalauduttava. Vaikka kutsumme niitä "tietokoneiksi", kvanttitietokoneet eroavat perustavanlaatuisesti klassisesta koneesta, jota käytät tämän lukemiseen. Kvanttimekaniikan ydinperiaatteiden ymmärtäminen ja erityisesti se, miten se eroaa klassisista laskennan käsityksistämme, on ratkaisevan tärkeää kvanttimekaniikan potentiaalisen tehon ja sen rakentamisen haasteiden ymmärtämiseksi. Tämä viesti on ensimmäinen viisiosaisessa sarjassa, joka tarjoaa perustavanlaatuisen ymmärryksen kvanttilaskennasta ja menetelmän kryptografisesti merkityksellisen kvanttitietokoneen aikajanan arvioimiseksi. Tämä perusta tarjoaa meille viime kädessä puitteet, joiden avulla voimme realistisesti arvioida Q-Dayn aikataulua, jotta ymmärrämme, kuinka kauan meidän on valmistauduttava. Perustavanlaatuiset erot klassisen ja kvanttilaskennan välillä Siinä missä klassiset tietokoneet toimivat suhteellisen yksinkertaisilla loogisilla käsitteillä, kvanttitietokoneet perustuvat kvanttimekaniikan periaatteisiin, jotka haastavat jokapäiväisen intuitiomme tiedosta. Käsitteet, kuten superpositio, lomittuminen, interferenssi ja kloonaamaton lause, antavat kvanttitietokoneille radikaalisti erilaisia ominaisuuksia verrattuna klassisiin tietokoneisiin ja siten erilaisia ominaisuuksia ja rajoituksia. Tässä on joitain kvanttimekaniikan keskeisiä puolia, jotka luonnostaan määrittelevät kvanttitietokoneen: Superpositio - Kvanttimekaniikassa hiukkaset eivät ole määrätyissä tiloissa kuten klassiset bitit. Sen sijaan ne ovat superpositiossa tai mahdollisten tilojen lineaarisessa yhdistelmässä, jota kuvaa aaltofunktio. Tämä aaltofunktio koodaa kuvaamansa järjestelmän kaikki mahdolliset tilat. Konkreettisesti, kun klassinen bitti edustaa lopullisesti joko 0:aa tai 1:tä, kubitti voi olla molempien superpositiossa samanaikaisesti. Mittauksen tulos riippuu aaltofunktiosta johdetusta todennäköisyysjakaumasta. Toisin sanoen superpositio sallii kubitin koodata paljon rikkaamman tila-avaruuden kuin klassinen bitti, mikä antaa kvanttilaskennalle sen eksponentiaalisen potentiaalin. Tämä kohta on ratkaisevan tärkeä kvanttitietokoneen rakentamisen yhden suurimmista haasteista ymmärtämiseksi. Klassisessa tietojenkäsittelyssä mittaaminen on passiivista, koska lukumuisti ei muuta sitä. Mutta kvanttimekaniikassa järjestelmän mittaaminen romahtaa superposition tiettyyn tilaan. Jotta kvanttitietokoneesta saataisiin merkityksellistä hyötyä, tämä superpositio on säilytettävä huolellisesti oikeaan hetkeen asti. Lomittuminen - Kvanttimekaniikassa hiukkaset voivat lomittua, mikä tarkoittaa, että niiden tilat kytkeytyvät toisiinsa siten, että niitä on kuvattava yhdeksi järjestelmäksi. Vaikka yhden hiukkasen mittaustulos olisi erotettu toisistaan suurilla etäisyyksillä, se korreloi toisen hiukkasen tilan kanssa (tai jopa määräytyy sen mukaan). Toisin sanoen lomittuminen on erityinen superpositio, joka kattaa useita hiukkasia. Se on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista, jonka avulla kvanttitietokoneet voivat skaalautua eksponentiaalisesti, mutta se on myös yksi hauraimmista ylläpitää ajan ja/tai etäisyyden myötä. Interferenssi – Yksi tärkeimmistä eroista kvanttitodennäköisyyksien ja klassisten todennäköisyyksien välillä on interferenssin käsitteessä. Klassisissa järjestelmissä todennäköisyydet yksinkertaisesti lasketaan yhteen (esimerkiksi kahden kolikon heittäminen antaa 25 %:n todennäköisyyden jokaiselle tulokselle). Mutta kvanttimekaniikassa amplitudit (aaltofunktion komponentit) voivat häiritä toisiaan ennen mittausta. Nämä amplitudit voivat vahvistaa (rakentava häiriö) tai kumota (tuhoava häiriö) riippuen niiden suhteellisista vaiheista. Kvanttitietokoneet voivat hyödyntää tätä ilmiötä "ohjatakseen" laskentaa kohti oikeita vastauksia. Sen sijaan, että kaikkia polkuja tutkittaisiin rinnakkain, kvanttialgoritmi on suunniteltu siten, että väärät vastaukset häiritsevät tuhoisasti ja kumoavat, kun taas oikeisiin vastauksiin johtavat toivotut polut häiritsevät rakentavasti ja hallitsevat lopputulosta.  Ilman tätä kykyä vahvistaa oikeita tuloksia ja tukahduttaa vääriä, kvanttilaskenta ei tarjoaisi mitään etua klassisesti satunnaistettuihin lähestymistapoihin verrattuna. Ei-kloonauslause - Koska lukemisella on suora vaikutus järjestelmään, koska se romahtaa superpositiot määrättyihin tiloihin, on mahdotonta "kopioida" kvanttitiloja. Tämä on kloonaamaton lause. Kloonaamattomuus tekee klassisessa tietojenkäsittelyssä itsestäänselvyytenä pitämiemme matalan tason primitiivien (kuten muistirekisterien) toteuttamisesta käytännössä paljon monimutkaisempaa. Sen sijaan kvanttiteleportaation ja lomittumisen vaihdon kaltaisia toimintoja on käytettävä kvanttitiedon turvalliseen lähettämiseen tai jakamiseen tietyn piirin tai ohjelman arvioinnin aikana. Vertaansa vailla oleva laskentateho vs. valtava tekninen monimutkaisuus Kvanttimekaniikan perusominaisuudet mahdollistavat paljon tehokkaamman laskennallisen paradigman. Siinä missä monimutkaisen järjestelmän esittämiseen tarvittavat resurssit (kuten yksittäiset molekyylit nesteessä) saattavat ylikuormittaa jopa tehokkaimman klassisen laitteiston, kvanttitietokoneet voivat valjastaa superposition ja lomittumisen ratkaisemaan nämä muuten vaikeasti ratkaistavat ongelmat. Yksi tunnetuimmista esimerkeistä on Shorin algoritmi, joka pystyy tehokkaasti faktoroimaan suuria kokonaislukuja ja rikkomaan laajalti käytettyjä salausjärjestelmiä, kuten RSA ja ECDSA. Se tekee tämän yhdistämällä superposition monien mahdollisten tekijöiden tutkimiseen kerralla, lomittumisen kubittien välisten korrelaatioiden ylläpitämiseksi ja interferenssin oikean ratkaisun vahvistamiseksi ja väärien kumoamiseksi. Se, minkä laskeminen veisi klassisia tietokoneita miljardeja vuosia, riittävän suuri kvanttitietokone voisi ratkaista tunneissa. Aaltofunktion luonteesta johtuen tämä paradigma on kuitenkin luonnostaan todennäköisyys. Lisäksi mikä tahansa mittaus tai jopa satunnainen subatominen vuorovaikutus voi välittömästi tuhota tämän hauraan järjestelmän. Näin ollen kvanttitietokoneen teoreettinen potentiaali vastaa lähes pelottavia teknisiä haasteita, jotka liittyvät sen käytännön rakentamiseen. Seuraavassa postauksessa tarkastelemme kvanttilaskennan paradigman tuomia erityisiä haasteita ja rakennamme kehyksen erilaisten reaalimaailman lähestymistapojen arvioimiseksi niiden ratkaisemiseksi. Seuraa @qdayclock pysyäksesi ajan tasalla.