Об авторе 13
Благодарности 14
Предисловие 16
I. Учебник по квантовым вычислениям 22
1. Введение в квантовую механику 23
Что такое квантовая механика? 23
Квант противоречит интуиции 24
Квантовая механика реальна 25
Основные свойства квантовой механики 28
Фотоны и квантовая механика 29
Фотоэлектрический эффект 29
Двойственность волна–частица 30
Принцип вероятности 35
Принцип неопределенности 39
Спиновые состояния и заряды 41
Квантовое туннелирование 42
Суперпозиция 43
Эффект наблюдателя 45
Теорема об отсутствии клонирования 46
Жуткая запутанность 47
Декогеренция 48
Квантовые примеры в современном мире 50
Для дополнительной информации 51
Резюме 52
2. Введение в квантовые компьютеры 53
В чем отличие квантовых компьютеров? 53
Традиционные компьютеры используют биты 53
Квантовые компьютеры используют кубиты 56
Квантовые компьютеры еще не готовы к прайм-тайму 60
Квант скоро будет царствовать 61
Квантовые компьютеры улучшают кубиты, используя исправление ошибок 62
Типы квантовых компьютеров 68
Сверхпроводящие квантовые компьютеры 69
Квантовые компьютеры на основе алгоритма отжига 70
Универсальные квантовые компьютеры 72
Топологические квантовые компьютеры 74
Компьютеры Majorana Fermion компании Microsoft 75
Квантовые компьютеры с ионными ловушками 76
Квантовые компьютеры в облаке 78
Квантовые компьютеры, произведенные не в США 79
Компоненты квантового компьютера 80
Квантовое программное обеспечение 81
Квантовый стек 82
Национальное руководство 82
Руководство национальной политикой 82
Денежные гранты и инвестиции 83
Другая квантовая научная информация 83
Дополнительные ресурсы 84
Резюме 84
3. Как квантовые вычисления могут взломать существующие криптокоды 86
Основы криптографии 86
Шифрование 87
Хеширование 101
Применение криптографии 102
Как квантовые компьютеры могут взломать криптокоды 103
Сокращение времени 103
Квантовые алгоритмы 105
Что квант может и что не может сломать 109
Все еще теория 113
Резюме 114
4. Когда случится криптопрорыв? 115
Это вечное «лет через 10» 115
Факторы квантового криптопрорыва 116
Квантовая механика реальна? 116
Квантовые компьютеры реальны? 117
Суперпозиция реальна? 118
Реален ли алгоритм Питера Шора? 118
Достаточно ли у нас стабильных кубитов? 118
Квантовые ресурсы и конкуренция 119
У нас есть постоянное улучшение? 120
Мнения экспертов 121
Когда случится квантовый киберпрорыв 121
Временные сценарии 121
Когда следует быть готовыми? 124
Сценарии криптопрорыва 126
Новая технология надолго останется в распоряжении национальных государств 127
Применение крупнейшими компаниями 128
Массовое распространение 129
Наиболее вероятный сценарий прорыва 129
Резюме 130
5. Каким будет постквантовый мир? 131
Взломанные приложения 131
Ослабленные хеши и симметричные шифры 132
Взломанные асимметричные шифры 135
Ослабленные и взломанные генераторы случайных чисел 136
Слабые, или взломанные, зависимые приложения 137
Квантовые вычисления 148
Квантовые компьютеры 148
Квантовые процессоры 150
Квантовые облачные вычисления 151
Будет использоваться квантовая криптография 151
Квантовая идеальная конфиденциальность 151
Появляется квантовая сеть 152
Квантовые приложения 153
Улучшение химикатов и лекарств 153
Лучшие аккумуляторы электроэнергии 154
Настоящий искусственный интеллект 155
Управление цепочками поставок 156
Квантовые финансы 156
Улучшенное управление рисками 157
Квантовый маркетинг 157
Более точный прогноз погоды 157
Квантовые деньги 157
Квантовое моделирование 158
Более совершенное вооружение и точное оружие 158
Квантовая телепортация 158
Резюме 163
II. Подготовка к квантовому взрыву 164
6. Квантовоустойчивая криптография 165
Постквантовый конкурс NIST 165
Классификация уровня безопасности 168
PKE против КЕМ 170
Формальные гарантии неразличимости 170
Размеры ключа и шифрованного текста 172
Типы постквантовых алгоритмов 173
Криптография на основе кода 173
Криптография на основе хеша 174
Решетчатая криптография 176
Многомерная криптография 178
Криптография изогенной сверхсингулярной эллиптической кривой 178
Доказательство нулевого знания 179
Квантовая устойчивость симметричного ключа 181
Квантовоустойчивые асимметричные шифры 182
BIKE 183
Classic McEliece 184
CRYSTALS-Kyber 185
FrodoKEM 185
HQC 186
LAC 187
LEDAcrypt 188
NewHope 188
NTRU 189
NTRU Prime 189
NTS-КЕМ 190
ROLLO 190
Round5 191
RQC 191
SABER 192
SIKE 192
ThreeBears 193
Общие замечания по размерам ключей PKE, KEM и шифротекста 194
Квантовоустойчивые схемы цифровой подписи 196
CRYSTALS-Dilithium 197
FALCON 198
GeMSS 199
LUOV 200
MQDSS 200
Picnic 201
qTESLA 201
Rainbow 202
SPHINCS+ 202
Общие замечания о ключе и размерах подписи 205
Рекомендуемые предостережения 205
Недостаток стандартов 206
Проблемы производительности 207
Отсутствие проверенной защиты 207
Для дополнительной информации 208
Резюме 208
7. Квантовая криптография 209
Квантовые RNG 210
Случайное не всегда случайное 210
Почему истинная случайность так важна? 212
Квантовые RNG 214
Квантовые хеши и подписи 220
Квантовые хеши 220
Квантовые цифровые подписи 222
Квантовые шифры 224
Распределение квантовых ключей 225
Резюме 232
8. Квантовые сети 234
Компоненты квантовой сети 234
Среда передачи 234
Расстояние против скорости 236
Точка–точка 237
Доверенные повторители 238
Квантовые повторители 240
Квантовые сетевые протоколы 242
Квантовые сетевые приложения 245
Более безопасные сети 246
Облако квантовых вычислений 246
Лучшая временнáя синхронизация 246
Предотвращение помех 248
Квантовый интернет 249
Другие квантовые сети 249
Где получить больше информации 251
Резюме 251
9. Готовимся сейчас 252
Четыре основных этапа смягчения последствий постквантового прорыва 252
Этап 1. Укрепление существующих решений 252
Этап 2. Переход к квантовоустойчивым решениям 256
Этап 3. Применение квантово-гибридных решений 259
Этап 4. Применение полностью квантовых решений 260
Шесть основных шагов проекта смягчения последствий постквантового прорыва 261
Шаг 1. Обучение 262
Шаг 2. Создание плана 266
Шаг 3. Сбор данных 271
Шаг 4. Анализ 273
Шаг 5. Принять меры/исправить 275
Шаг 6. Обзор и улучшение 277
Резюме 277
Приложение. Дополнительные источники по квантам 279
Именной указатель 286
Предметный указатель 287
