Квантовые вычисления, способные взломать зашифрованную одним из самых распространенных алгоритмов шифрования информацию, впервые были произведены на кремниевом чипе. Работа учёных продемонстрировала, что комплексные квантовые схемы могут быть относительно просто созданы с применением кремния и кварца, и является значительным шагом на пути к полнофункциональным квантовым компьютерам.

Пятнадцать лет назад специалист в области компьютерных наук Питер Шор (Peter Shor) из Массачусетского технологического института (MIT) предсказал, что квантовые компьютеры будут способны обойти даже самые мощные суперкомпьютеры и взломать широко используемый алгоритм RSA. Эта криптографическая система основана на математической асимметрии: легко посчитать результат умножения двух простых больших чисел, но совершить обратный процесс – найти первоначальные множители из произведения – чрезвычайно сложно. В RSA используется произведение двух простых больших чисел для получения открытого ключа. Расшифровать сообщение можно только зная секретный ключ. Тем не менее, есть путь взломать ключ подбором значений, но у обычного компьютера этот процесс займет невообразимо большое количество времени. Поиск простых множителей может выглядеть математической абстракцией, однако алгоритмы с открытыми ключами лежат в основе современных систем криптографии, включая используемые в сетевых коммуникациях.

Шор сделал предположение, что квантовый компьютер справится с задачей намного быстрее, и написал специальный алгоритм для будущих квантовых систем. Квантовые компьютеры основаны на квантовых битах, или кубитах, которые могут находиться в состоянии 0, 1 и "суперпозиции" обоих одновременно. Это позволяет решать многие задачи, такие как факторизация (разложение числа на множители), гораздо быстрее. Перед исследователями в области квантовых вычислительных систем стоит цель найти идеальную архитектуру с такими кандидатами на роль кубитов, как ионы, электроны, суперпроводниковые цепи и фотоны. Именно последний вариант – частицы света – взяла за основу команда физиков и инженеров из Университета Бристоля (University of Bristol), создавшая квантовую систему в масштабе одного чипа. Как говорит профессор из MIT Сет Ллойд (Seth Lloyd), занимающийся проблемами в рассматриваемых областях с ранних 1990 годов, "оптические методы проделали долгий путь". Впервые алгоритм Шора был продемонстрирован в компьютерной системе, основанной на ядерном магнитном резонансе – манипулировании молекулами в растворе с помощью магнитных полей. Позже его задействовали в квантовых оптических методах, но с применением громоздких компонентов вроде зеркал.

В прошлом году исследователи из Бристоля показали миниатюрную оптическую структуру с квантовой фотонной цепью на кремниевом чипе. Зеркала и делители лучей были заменены волноводами, посредством которых свет может проходить через кристалл. Оставалось лишь пустить в эти каналы фотоны. Теперь им удалось заставить устройство функционировать: используя четыре фотона, проходящих через формирующие логические вентили волноводы, учёные смогли получить простые множители числа 15. Но чип, имеющий 26 мм в длину, не просто выдает результат в виде 3 и 5. Он решает сложнейшую часть алгоритма Шора за приемлемое время. Вычислительная операция завершается с помощью обычного ПК. По словам профессора физики и электронной инженерии из Университета Бристоля Джереми О'Брайена (Jeremy O’Brien), в данном случае "обычный школьник скажет ответ за считанные секунды". Поэтому необходим квантовый компьютер с миллионами кубитов для решения задач, иных способов для которых нет. Такая квантовая машина появится не через одно десятилетие, но в настоящий момент оптические архитектуры имеют потенциал в сфере распределения квантовых ключей, используемых в оптоволоконных коммуникациях.

Несмотря на достигнутые результаты, технологии еще далеко до масштабирования. Реальным вызовом, по мнению Ллойда, станет разработка замкнутой системы, управляющей фотонами, считывающей результат и получающей множители больших чисел без потребности в классическом компьютере. "Это сложнейшая технологическая проблема, которую никто не знает как решить. Хотя законы физики этого не запрещают", - говорит Ллойд. О'Брайен не соглашается и считает, что лишь сложная часть вычислений нуждается в квантовом компьютере: "Вы не будете тратить время такой машины для обычных расчётов. Если они просты, зачем обращаться к квантовому компьютеру?" В дальнейших планах бристольских физиков – создание более сложных оптических схем, которые, возможно, однажды будут взламывать шифры миллионами кубитов.