Запропоновано новий квантовий генетичний алгоритм (QGA) із можливістю його практичної реалізації на квантовому комп’ютері. Заборона квантового клонування не дозволяє реалізувати традиційний еволюційний процес, тому використовується гібридна класично-квантова архітектура для QGA. Всі генетичні оператори реалізуються засобами квантового комп’ютера, а допоміжні обчислення, такі як розрахунок функції пристосованості та пошуку найкращої особини популяції, реалізовано на класичному комп’ютері. Для генерації наступних поколінь популяції застосовується томографія квантових станів – відновлення амплітуд квантового стану кубіта за результатами вимірювання його квантового ансамблю.
Запропоновано новий квантовий генетичний алгоритм (QGA) із можливістю його практичної реалізації на квантовому комп’ютері. Заборона квантового клонування не дозволяє реалізувати традиційний еволюційний процес, тому використовується гібридна класично-квантова архітектура для QGA. Всі генетичні оператори реалізуються засобами квантового комп’ютера, а допоміжні обчислення, такі як розрахунок функції пристосованості та пошуку найкращої особини популяції, реалізовано на класичному комп’ютері. Для генерації наступних поколінь популяції застосовується томографія квантових станів – відновлення амплітуд квантового стану кубіта за результатами вимірювання його квантового ансамблю.
Квантовий комп'ютер — засіб обчислювальної техніки, де в основі роботи центрального процесора лежать закони квантової механіки. Такий комп’ютер принципово відрізняється від традиційних ПК, які працюють на основі кремнієвих чіпів. Цей пристрій застосовується для обчислення не класичних алгоритмів, а процесів квантової природи – квантові алгоритми, які використовують ефекти квантової механіки. Квантові обчислення полягають у зміні стану квантового реєстру за допомогою квантових вентилів. Серед квантових алгоритмів можна виділити алгоритм Гровера, який призначений для пошуку значення деякого параметра у заданому невпорядкованому просторі. Такі задачі відносяться до класу складності NP.
У статті проведено аналіз можливостей мови програмування Q# шляхом реалізації програми для генерації випадкового числа. Звертається увага на основні інструменти квантового програмування, проводиться аналіз напрямків інвестицій у квантові технології. Проводиться аналіз публікацій у сфері квантового програмування та наголошується увага на основних особливостей квантових бітів. Основна увага приділяється використанню гібридної парадигми програмування, яка поєднує класичні та квантові обчислення. Описано структуру та особливості квантової програми на Q#, зокрема операції GenerateRandomBit та GenerateRandomNumberInRange, які забезпечують генерацію випадкових бітів та чисел завдяки квантовій суперпозиції та вимірюванню. Висвітлено переваги Q# у поєднанні з класичними мовами програмування для ефективного використання квантових алгоритмів у криптографії та статистичному моделюванні. У висновках наголошено на перспективності мови програмування Q# як інструмента для розробки квантових програм у гібридному середовищі, що дозволяє використовувати потенціал квантових обчислень разом із класичними підходами.
Навчальний посібник призначено для вивчення фізичних явищ , методик та технологій, які можуть бути використані при конструюванні квантового комп’ютера. Розглянуто елементи квантової теорії, як теоретичної основи квантового комп’ютера, його будову та принцип роботи. У навчальному посібнику викладено основи квантової інформатики, наведені приклади квантових алгоритмів. Значну увагу приділено питанням технічної реалізації головних елементів квантового комп’ютера: квантовому процесору, квантовій пам’яті та квантовій шині. Для студентів напрямів підготовки 6.040301 «Прикладна матема-тика», 6.050101 «Комп’ютерні науки», 6.050102 «Комп’ютерна ін-женерія», 6.050701 «Електротехніка та електротехнології»
На даному етапі розвитку інформаційного суспільства все гостріше постає питання захищеності інформаційних ресурсів. Інформаційна безпека є однією із ключових складових національної безпеки. Із розвитком інформаційних технологій невпинно розвиваються і методи захисту інформації, однак, ще стрімкіше розвиваються методи несанкціонованого доступу до інформації. Це одвічне протистояння продовжується вже багато сотень років і з подальшим розвитком науки й техніки ставатиме все гострішим. Не є секретом і те, що стійкість математичних алгоритмів шифрування інформації (таких як DES, AES, RSA) – це всього лише питання часу і, з винайденням квантового комп’ютера, дані алгоритми шифрування будуть неактуальними і неефективними [1]. Отже, можна зробити припущення, що майбутнє криптографічної науки за квантовою криптографією. На даний момент відомо два основні напрямки квантової криптографії: квантовий прямий безпечний зв’язок (КПБЗ) та квантовий розподіл ключів (КРК) [2]. У протоколах КПБЗ легітимні користувачі (Аліса і Боб) взагалі не використовують шифрування, а передають інформацію шляхом кодування повідомлення за допомогою квантових станів фотонів. Протоколи КРК призначені для розподілу ключів шифрування між легітимними користувачами по квантовому каналу зв’язку.
В роботі був написаний та проаналізований алгоритм для квантового комп’ютера, що виконує задачу комівояжера, тобто шукає найбільш оптимальний маршрут обходу графу із поверненням в початкову точку. Були проведені тести програми із різними варіантами вирішення задачі і порівняний час виконання алгоритму квантовим комп’ютером і класичним. Із результатів тестів видно, що навіть із усіма недоліками теперішніх квантових комп’ютерів, вони вже можуть значно краще виконувати такого роду задачі. Так, для пошуку шляху в графі з 50 вершин, квантовому комп’ютеру знадобилося всього 7.5 секунд, в той час як класичному – 829 секунд. Крім того, навіть із стандартними параметрами методу оптимізації, складність алгоритму для квантового комп’ютера складає 𝑂(𝑛 log (𝑛)), а в класичного з використанням генетичного алгоритму - 𝑂(𝑛^2). Завдяки тому, що алгоритм реалізовано з використанням мови програмування Python, його можна легко змінювати для виключення маршрутів, зміни початкової і кінцевої точки маршруту. Крім того, можливо передавати результат виконання алгоритму зовнішнім програмам, для їх подальшого використання, наприклад, для візуалізації маршруту на карті.
З появою квантових обчислювальних технологій, що мають потенціал обчислювати з набагато більшою швидкістю, ніж класичні комп’ютери класична стеганографія стикається з новими загрозами, які ускладнюють приховування інформації. Водночас це стимулює розвиток нових підходів, таких як постквантова стеганографія, яка враховує потенціал квантових обчислень. Але, виявляється, що квантові обчислення мають потенціал радикально змінити багато аспектів криптографії, а стеганографія, яка використовується для приховування інформації, також може зазнати впливу. Мета роботи. Аналіз особливостей впливу найвідомішої реалізації квантової криптографії, як квантовий розподіл ключів (Quantum Key Distribution для розробки рекомендацій щодо підвищення ефективності стеганографічних методів. Методологія дослідження. Для дослідження впливу квантових обчислень на стеганографію розглянуто застосування різноманітних методів, залежно від конкретних цілей дослідження та доступних ресурсів, а саме: математичне моделювання стеганографічних алгоритмів, аналіз вразливостей перед квантовими алгоритмами, розробка квантових атак на стеганографічні методи та інші. Наукова новизна. Авторами у цієї проблематиці були визначені основні криптографічні системи, що забезпечують захист інформації в умовах квантових загроз, у тому числі особливості квантової криптографії. Також наведені основні особливості квантових обчислень, такі як суперпозиція, заплутаність та зв’язаність. Як результати дослідження можуть бути такі. Нарешті, необхідно зазначити, що загрози, які виникають у результаті розвитку квантових технологій, вимагають термінової адаптації та впровадження нових стандартів у сфері інформаційної безпеки. Інтеграція QKD і стеганографії є багатообіцяючим напрямком, що може знайти застосування в захищених комунікаціях, зокрема в дипломатії, оборонній сфері та приватних зв’язках. Висновки. Квантова механіка пропонує високий рівень випадковості, який може бути використаний для підвищення надійності приховування інформації за рахунок переваг квантового випадкового шуму. Це дозволяє створювати більш стійкі до виявлення стеганографічні системи. Потенційні напрямами подальших досліджень можуть бути: вивчення інтеграції квантових методів з класичною стеганографією; аналіз безпеки стеганографічних методів у постквантовий період; розробка квантових протоколів стеганографії; оцінка впливу квантового шуму на приховування та виявлення інформації для захисту систем електронної комерції.