КЛЮЧЕВЫЕ ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАТИКИ

В настоящее время квантовая обработка информации в рамках научного направления «Квантовая информатика» отличается значительным потенциалом повышения производительности компьютерно-программных вычислений. Она базируется не на применении традиционной булевой алгебры, а на логических представлениях квантовой механики, которая обеспечивает квантовым компьютерам вычислительную мощность, превышающую на несколько порядков возможности современных классических электронно-вычислительных машин, гарантируя при этом безопасность и надежность использования и хранения взаимосвязанных цифровых элементов. Архитектура современных квантовых компьютеров строится не на принципах фон Неймана, а на квантовом параллелизме и квантовой запутанности, что открывает сегодня новые возможности развития ИКТ [3, с. 49]. Такое положение дел обуславливает актуальность рассмотрения ключевых задач и основных направлений современной квантовой информатики в рамках проблемы применения квантовых вычислений в науке и технике, попытка чего предпринимается в данной работе.

Анализ специальной литературы показывает, что в настоящее время в области квантовой информатики имеется два основных типа задач, которые могут быть эффективно решены с помощью квантовых компьютеров: создание сложных криптографических структур и эмуляция квантовых систем.

Задачи криптографии сегодня базируются на специальных системах шифрования, функционирование которых реализуется путем перемножения больших данных с целью получения шифра, характеризующегося высокими показателями безопасности и взломостойкости. Здесь наиболее интересной сферой деятельности исследователями принято считать область дешифрования информации, в частности возможность дешифровки. Сегодня безопасность шифров обеспечивается необходимостью длительной и трудоемкой расшифровкой данных. В виду развития особых соответствующих технологий многие современные шифры могут дешифровываться на протяжении тысячелетий. Квантовые же компьютеры, в отличие от традиционных, обладают мощностью, способной раскрывать необходимую информацию в сотни раз быстрее. В ряде случаев на дешифровку шифров квантовые компьютеры затрачивают то же время, за которое был реализован процесс шифрования. В этом контексте огромное множество технологических компаний и банковских организаций в нынешнюю эпоху цифровизации особо заинтересованы в создании, развитии и внедрении квантовых вычислений.

Что касается эмуляции квантовых систем, то исследователи отмечают, что данная область квантовой информатики в настоящее время способна изменить человеческое представление о биологических, химических и физических системах. В рамках квантовой биологии, квантовой химии и физики моделирование наблюдаемых в окружающей среде явлений и процессов – обязательный инструмент для разработки инновационных технологий, базирующихся на понимании и техническом приложении объектов и систем естественного мира, а также человеческой культуры. Поскольку устройство последних характеризуется высокой сложностью и огромными объемами информации, обозначенные технологии требуют применения современных технико-технологических решений, в том числе квантовых компьютеров с соответствующими квантовыми вычислениями. Как правило, квантовые компьютеры здесь полезны именно по причине наличия в них двух характерных особенностей: высокая скорость обработки данных и большой объем памяти (как дисковой, так оперативной) [4, с. 14].

В рамках настоящей работы важным также является краткое рассмотрение современных направлений исследований в сфере квантовой информатики, которые представлены ниже.

1. Квантовая кибербезопасность: умные пространства, безопасное хранение и использование данных

На сегодняшний день учеными в сфере квантовых вычислений комплексно исследована возможность их использования в целях поиска и определения уязвимостей в так называемых умных пространствах. Кибербезопасность в умных пространствах в 2022 году развивается стремительными темпами. Данное технологическое решение более пяти лет входит в десятку наиболее важных цифровых трендов в области надежного хранения и использования информации. Кибербезопасность различных интеллектуальных систем, «умных домов» и «умных городов» открывает возможности упрощения многих привычных для людей действий и функций путем реализации необходимой устойчивости работы цифровой сетевой инфраструктуры. Эксперты прогнозируют, что к 2025 году вопросами кибербезопасности данных в умных пространствах будут обеспокоены более семидесяти пяти процентов крупных и средних компаний по всему миру, поэтому развитие квантовых алгоритмов для выявления уязвимостей и киберзащиты является в настоящее время актуальной проблемой [2, с. 37].

2. Квантовая криптография

Область современной квантовой криптографии сегодня развивается по пути важности решения практических проблем построения защищенных квантовых сетей, обладающих функциями масштабируемости. Одной из ключевых задач квантово-криптографической науки является удаленное распространение секретных ключей с помощью внедрения независимых измерительных устройств. Современные технологии с использованием измерений так называемых ненадежных реле позволяют устанавливать секретные ключи между двумя соответствующими сторонами. Усовершенствование последних видится в применении квантовых систем связи, реализованных с помощью сетевых протоколов с когерентным состоянием, которые в количественном аспекте на 2-3 порядка превышают существующие традиционные решения. Квантовые системы связи возможно использовать для создания высокоскоростных криптографических сетей, в которых инновационные устройства могут надежно и безопасно подключаться к ближайшим точкам доступа или прокси-серверам [5, с. 60].

3. Ключи и алгоритмизация в квантовых системах

Квантовые алгоритмы поиска ключей, их распределение на оптоволокне и анализ квантовых ресурсов, применяющихся в целях осуществления кибератак – важнейшие направления в обозначенном проблемном поле. В настоящее время исследователями активно изучаются вопросы алгоритмических операций, кубитов и эффективности извлечения ключей в квантовых системах. Особое место здесь занимает квантовый алгоритм Гровера, базирующийся на отказоустойчивом логическом наборе квантовых вентилей. Использование последнего в области квантовой кибератаки показывает сегодня высокую эффективность. Если при базовой атаке ключа с блочным шифрованием, киберпреступник получает доступ к шифрам под ключами, отличающимися от целевого бит-флипсами, то при квантовой атаке противником запрашивается суперпозиция связанных ключей, после чего они довольно быстро извлекаются. В качестве основной меры противодействия сложным квантовым атакам видится реализация независимого от измеряющего устройства квантового распределения ключей [1, с. 20].

Таким образом, квантовая информатика является новым научно-техническим направлением, в котором исследуются проблемы использования квантовых объектов для обработки, передачи и хранения цифровой информации. Существует два основных типа задач, которые эффективно решаются с помощью квантовых компьютеров: создание сложных криптографических структур и эмуляция квантовых систем. Современными перспективными направлениями в области квантовых вычислений являются: 1) квантовая кибербезопасность: умные пространства, безопасное хранение и использование данных; 2) квантовая криптография: 3) ключи и алгоритмизация в квантовых системах.