Erinevalt tavaarvutitest, mis salvestavad infot nullide ja ühtedena, kasutavad kvantarvutid andmete töötlemiseks kvantbitte. Kvantmehaanika seaduste toel suudavad need infoühikud eksisteerida mitmes olekus korraga. See omadus lubab seadmetel töödelda üheaegselt suures koguses andmeid ja lahendada teatud keerulisi matemaatilisi probleeme klassikalistest arvutitest tunduvalt kiiremini.

Suurest potentsiaalist hoolimata suudavad tänapäevased kvantarvutid teha korraga tehteid vaid sadade kvantbittidega. Valdkonna eksperdid eeldasid seni valdavalt, et tõeliselt kasulike ülesannete lahendamiseks läheb tarvis miljoneid kvantbitte. Põhjus peitub kvantseadmete suures veamääras: vigaste arvutuskäikude korvamiseks läheb tarvis rohkelt lisabitte.

Füüsiliste seadmete piiratud arvutusvõimsus on hoidnud seetõttu inimeste argist digielu seni võrdlemisi turvalisena. Laialt kasutatavad turvaprotokollid, nagu RSA-2048 ja krüptovaluutasid kaitsev ECC-256, toetuvad ülesannete matemaatilisele keerukusele. Klassikalistel arvutitel kulub taoliste lukkude lahtimurdmiseks tuhandeid aastaid.

Mõlemad algoritmid põhinevad avaliku võtme krüptograafial, kus infosüsteemid kasutavad andmete salastamiseks ja avamiseks erinevaid võtmeid. Näiteks RSA-2048 turvalisus tugineb väga suurte algarvude korrutamisele, mida on tavaarvutil algteguriteks tagasi lahutada pea võimatu. ECC-256 pakub seevastu samaväärset kaitset elliptiliste kõverate geomeetria abil, nõudes infovahetuseks lühemaid võtmeid ja vähem arvutusvõimsust.

Matemaatiliste kaitsemeetodite areng on olnud pidev võidujooks riistvara võimekusega. Praeguseks on lühemad, näiteks 128-bitised avaliku võtme algoritmid tavaarvutite ajastul juba ammu vananenud. Moodsad superarvutid suudavad sellise pikkusega avalike võtmete puhul kõikvõimalikud variandid kiiresti läbi proovida, mistõttu ei paku need andmetele enam turvalist kaitset. Nõrgenenud kaitse sundis krüptograafe kasutusele võtma aina pikemaid koodijadasid.

Caltechi ja kvanttehnoloogia-ettevõtte Oratomic teadlased eesotsas Dolev Bluvsteiniga hoiatasid oma hiljuti ilmunud töös, et lähima kümne aasta vaates ei pruugi ka sellest piisata. Töörühm kirjeldas uut kvantarvutite ehitamise meetodit, millega vähendada efektiivsemate veaparanduskoodide toel tarvilike kvantbittide arvu sadu kordi.

Teadlaste arvutused viitavad, et krüptograafiliste ülesannete lahendamiseks piisab 10 000 – 26 000 kvantbitist. Edu võtmeks osutus uuenduslik arhitektuur. Teadlased kasutasid andmete salvestamiseks neutraalseid aatomeid, mida liigutasid laserite abil. Ruumiline paindlikkus lubas kõigil kvantbittidel omavahel suhelda, mistõttu suutis süsteem arvutusvigu tõhusamalt tuvastada.

Lisaks riistvarale mängis olulist rolli uudne matemaatiline lähenemine. Füüsikud rakendasid madala tihedusega paarsuskontrolli koodidel (qLDPC) põhinevaid veaparandusmeetodeid. Varem nõudis vigu taluv süsteem, et iga loogiline kvantbitt koosneks sadadest füüsilistest kvantbittidest. Uued koodid pakkisid andmed ja kontrollmehhanismid kokku aga palju tihedamalt.

Paindlikuma riistvara ja tihedama veaparanduse kombineerimise järel hindas töörühm krüptoalgoritmide murdmiseks tarvilikku ressursikulu. Mudel näitas, et laialdaselt kasutatava ECC-256 algoritmi lahendamiseks võib piisab vähem kui 10 000 kvantbitist. Sellise süsteemiga kuluks matemaatilise ülesande lahendamiseks umbes 1000 päeva.

Selleks, et koodimurdmise aega lühendada, tuli suurendada süsteemi paralleelset arvutusvõimsust. Uurijad leidsid, et kasvatades kvantbittide arvu 26 000, teeb arvuti sama töö ära vaid ühe päevaga.

Keerukama RSA-2048 algoritmi puhul võtab info lahtimuukimine 100 000 kvantbitiga aega umbes kümme päeva. Autorite hinnangul näitavad need arvutused kvanttehnoloogia kiiret arengut, mis muudab varem kaugeks peetud ohud käegakatsutavamaks ning toob need halvemal juhul viie kuni kümne aasta kaugusele.

Krüpteeringu murdmisohu kõrval toetab väiksem riistvaranõue arenguid teistes valdkondades. Eksperdid ennustavad, et kvantarvuteid kasutatakse peagi ka näiteks tehisintellekti treenimisel ning keemia ja materjaliteaduse edendamiseks. Uute seadmete ehitamine nõuab vähem ressurssi, mistõttu jõuaksid kasulikud rakendused igapäevasesse kasutusse oluliselt varem.

Kuigi Bluvstein nentis kolleegidega, et laborites saavutatud tulemusi on raske suuremal skaalal veakindlalt rakendada, peaksid turvasüsteemide arendajad hakkama nende hinnangul uusi kaitselahendusi looma juba praegu.

Bluvstein kirjeldas kolleegidega lahendust täpsemalt võrguvaramus arXiv ilmunud töös.