Значительная часть нашей онлайн-безопасности держится на системе «цифровых замков» — шифровании RSA. Оно защищает нашу приватность, когда мы занимаемся думскроллингом в соцсетях, скачиваем обновления программ или проводим банковские операции, чтобы оплатить ещё больше думскроллинга.
Стандарт шифрования RSA-2048 легко создать, но невероятно трудно взломать: два больших простых числа перемножаются, и получается модуль длиной до 617 десятичных цифр — виртуальный замок, который каждый может увидеть и ощупать.
Чтобы его вскрыть, нужен закрытый ключ — те самые два исходных простых числа, которые находят с помощью факторизации.
Однако наша общая приватность может оказаться более хрупкой, чем мы думаем: как показывают новые исследования, развитие квантовых вычислений может поставить это шифрование под угрозу раньше, чем ожидается.
В препринте (он ещё не прошёл рецензирование), опубликованном в архиве Cryptology ePrint Archive, группа исследователей под руководством специалистов парижской компании Alice & Bob, занимающейся квантовыми вычислениями, провела оценку ресурсов для так называемого алгоритма Шора, начав с самых основ и используя сверхпроводящие «кошачьи» кубиты.
Проще говоря, алгоритм Шора — это квантовый алгоритм, который математик Питер Шор разработал в 1994 году, чтобы экспоненциально ускорить факторизацию, необходимую для взлома шифрования.
Кошачьи кубиты — принципиально интересная альтернатива «трансмонным» кубитам, на которых работают многие квантовые компьютеры.
Кошачий кубит, названный в честь мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера, состоит из фотонов, запертых в крошечной металлической коробке, или осцилляторе.
Благодаря более волновой природе такой кубит экспоненциально подавляет один из двух основных видов квантовых ошибок — ошибки переворота бита, а количество ошибок другого типа, ошибок переворота фазы, растёт лишь линейно.
Ошибку переворота бита можно представить как переключение выключателя из положения «включено» (1) в положение «выключено» (0) — например, из-за внешних электрических помех, нарушающих работу квантовой системы.
Ошибка переворота фазы похожа на ситуацию, когда вся установка выключателя перевёрнута вверх ногами, а сам выключатель при этом не меняет положения между «включено» и «выключено».
В целом оценки ресурсов для алгоритма Шора неуклонно снижались: с 20 миллионов кубитов в 2019 году до менее миллиона в 2025-м, по данным Крейга Гидни из Google Quantum AI и его коллег, о чём исследователи упоминают в своём блоге.
Оценки Alice & Bob для кошачьих кубитов тоже падают с 2023 года: с 350 000 до чуть менее 23 000 в последней оценке.
Это примерно в 40 раз меньше миллиона кубитов, ранее оценённого Гидни, хотя в последней оценке Alice & Bob учитываются собственные особенности, в том числе частота ошибок и возможности их коррекции.
Итак, чтобы разложить на множители ключ шифрования RSA-2048 и разбить цифровой замок, защищающий тысячу фотографий миссис Уискерс (и банковские счета), системе из 22 593 кошачьих кубитов потребуется всего 3,14 суток.
«Насколько нам известно, ни одна из опубликованных архитектур не меньше при таком времени работы, что выводит нас на передний край по размеру и скорости одновременно», — говорят исследователи в своём блоге.
Такой сбалансированный подход позволяет найти оптимальное соотношение между требованиями к объёму и ко времени.
Число кубитов определяет размер квантового вычислительного устройства и его аппаратной части, включая криогенику, необходимую для охлаждения квантовых чипов до долей градуса выше абсолютного нуля — значительно ниже температуры космоса.
Другой важнейший фактор — время работы, то есть сколько потребуется времени, чтобы получить полезный результат вычислений.
«Можно жертвовать одним ради другого, но если зайти слишком далеко в любую сторону, получится машина, которую слишком большая, чтобы построить, или слишком медленная, чтобы иметь значение», — поясняется в блоге.
Для ускорения можно объединить 10 квантовых вычислительных машин, получив 610 530 кошачьих кубитов, — они смогли бы взломать RSA-2048 всего за 1,25 часа.
Исследователи также оценили ресурсы, необходимые, по сути, для обхода цифровых замков на эллиптических кривых, защищающих право владения биткоинами. Система из 29 588 кошачьих кубитов могла бы сделать это за 61,8 минуты.
Однако, отмечают исследователи, транзакции в сети Bitcoin происходят в пределах времени формирования блока в 10 минут, и именно в этот срок пришлось бы уложиться, чтобы украсть криптовалюту при передаче.
Так что хакерам, желающим повторить знаменитый День биткоин-пиццы, пока не повезло.
Важно, что 23-тысячекубитного квантового компьютера пока ни у кого нет, и до него ещё очень далеко. Крупнейший массив, созданный инженерами Калифорнийского технологического института (Caltech), включает 6100 кубитов, удерживаемых лазерами, но это именно массив, а не работающий «вычислительный» компьютер.
Предстоит преодолеть множество нынешних квантовых проблем, включая контроль температуры, масштабируемость и стабильность, например при объединении множества чипов и всё более удалённых друг от друга кубитов. И всё же некоторые предполагают, что стандарт RSA-2048 может стать устаревшим на заре следующего десятилетия.
Кроме того, в оценках исследователей предполагается, что кошачьи кубиты могут избегать ошибок переворота бита в течение 100 лет, тогда как многие проверенные кубиты остаются стабильными лишь миллисекунды.
Но кошачьи кубиты становятся экспоненциально стабильнее при добавлении в осциллятор дополнительных фотонов — достаточно посадить в коробку ещё несколько котов (целый выводок Шрёдингера).
Так, физики Alice & Bob недавно достигли рубежа в 44 минуты среднего времени до переворота бита, поместив 11 фотонов в свою кошачью коробку (кошачий кубит), что повысило стандартную стабильность в миллионы раз.
Исследование показывает, что если снизить требование ко времени до переворота бита примерно до одного часа, число кубитов придётся удвоить — примерно до 45 000.
Как отмечают исследователи в пресс-релизе, в начале 2030-х годов может произойти сближение улучшенного оборудования и сниженных требований к ресурсам.
Следовательно, первые такие машины могут быть построены уже через несколько лет, хотя сроки реальной угрозы остаются неопределёнными.
Исследование доступно в виде препринта в архиве Cryptology ePrint Archive.