|
（全文約3000字,，預計閱讀用時8分鐘）
20世紀80年代，物理學家們首次提出量子計算機的構思時,，聽起來十分樂觀,，但只能通過文字的方式來呈現(xiàn)。后來在1995年,，也就是25年前的上個月,，應用數(shù)學家Peter Shor發(fā)表了一篇論文，改變了當時的一切,。
Shor的論文展示了量子計算機是如何克服一個關鍵問題的,。這些機器將以量子比特的形式處理信息，量子比特是普通比特的量子版本,，可以同時處理0和1,。但眾所周知，量子態(tài)易受到噪音的影響,，從而導致信息丟失,。他的糾錯技術（用于檢測噪聲引起的錯誤）展示了如何使量子信息更加可靠。
圖2｜Peter Shor在1995年發(fā)表的論文（來源：美國物理學會）Shor目前在劍橋的麻省理工學院工作,，同時，他也是一位出版過詩集的詩人,。早在1994年,，他就發(fā)現(xiàn)了如何使用量子計算機的模型進行計算，這讓物理學界和計算機科學界感到震驚,。他提出了一個算法——質(zhì)因數(shù)分解算法,，可以讓量子計算機以閃電般的速度將整數(shù)分解成質(zhì)因數(shù)。今天的大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)流量是基于大質(zhì)數(shù)的加密技術保護的,。破解這些代碼十分困難,，因為經(jīng)典計算機在分解大型整數(shù)時很慢。
圖3｜Peter Shor在1994年發(fā)表的論文（來源：電氣電子工程師學會）量子計算機現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實,，盡管它們還不足以計算兩位數(shù)以上的數(shù)字,。但量子計算機威脅互聯(lián)網(wǎng)加密只是時間問題。《自然》雜志采訪了Shor,，詢問了關于他的工作所帶來的影響——以及互聯(lián)網(wǎng)安全的發(fā)展趨勢,。1. 在你的質(zhì)因數(shù)分解算法出現(xiàn)之前，量子計算機純粹就是為了滿足理論層面的好奇心嗎？我的論文的確使人們明白,，這些機器可以做一些有用的事情,。計算機科學家Daniel Simon，在我得出我的結論之前,，他就解決了一個他提出的問題,，該問題表明量子計算機（比普通計算機）快得多。但是即使采用Simon的算法,，也無法得知這些機器是否可以發(fā)揮它們的用處,。2. 在宣布了你的質(zhì)因數(shù)分解算法后，人們的反應如何,？起初,，我只得到了一個不完整的結果。后來,，在1994年4月,，我在貝爾實驗室做了一個關于這個選題的報告。消息傳得非?？?，那個周末，計算機科學家Umesh Vazirani就給我打了電話說,，“我聽說你可以在量子計算機上進行質(zhì)因數(shù)分解,，告訴我你是怎么做到的?！?/span>
圖4｜Umesh Vazirani（來源：伯克利工程學院）
那時,，我其實還沒有真正解決質(zhì)因數(shù)分解的問題。但很神奇的是,，報告結束的五天內(nèi),，我的結果在人們的奔走相告中，變成了質(zhì)因數(shù)分解成功,。而在這五天里,，我也確實解決了分解的問題，于是我就可以告訴Umesh我是怎么做到的了,。當時人們都在向我索要我還未完成的論文,，所以我只能把粗稿拿給他們看了。3. 但是仍有許多專家認為,，量子計算機會在完成計算之前就丟失信息是嗎,？其中一個反對意見是，在量子力學中,，如果你測量一個系統(tǒng),，你會不可避免地干擾到它,。我演示了如何在不測量計算的情況下測量誤差——然后你就可以修正誤差，而不破壞計算,。在我1995年發(fā)表了關于糾錯的論文之后,，一些懷疑論者也確信量子計算是可行的。4. 糾錯依賴于“物理”和“邏輯”量子比特,，這兩者間的區(qū)別是,？當你寫下一個量子計算機的算法時，你會假設量子比特是無噪聲的,。這些無噪聲的量子比特就是邏輯量子比特,，而我們的量子計算機中不存在沒有噪聲的量子比特。事實上,，如果我們試圖在沒有噪聲干預的環(huán)境下,，運行我們的算法。那錯誤的發(fā)生,，是不可避免的,。物理量子比特是量子計算機中的含噪聲的量子比特之一。為了在運行我們的算法時,，不出現(xiàn)任何錯誤,，我們需要使用物理量子比特對邏輯量子比特進行編碼，這其中會用到量子糾錯代碼,。
而我們所知道的最好的方法,，是有相當大的開銷的，此方法為每個邏輯量子比特都提供了諸多物理量子比特,。要計算出這項技術還需要多少量子比特是相當復雜的,。如果你想用表面碼（目前最佳選項）來建造一臺量子計算機，那么每一個邏輯量子比特,，大約需要100個物理量子比特來支持,，甚至更多。5. 在2019年,，谷歌展示了其“量子優(yōu)勢”——即54個量子比特的量子計算機,，它可以解決一個在經(jīng)典計算機上耗時冗長的問題,，你的反應是什么,？這絕對是一個里程碑。它表明,，量子計算機可以比經(jīng)典計算機做得更好——至少在以人為主導因素的問題上,。即便谷歌做了一些宣傳活動，但毋庸置疑的是,，這臺量子計算機的確讓人印象深刻,。6. 當量子計算機可以分解大質(zhì)數(shù)時,，它們就可以破解無處不在的互聯(lián)網(wǎng)加密系統(tǒng)“ RSA”,，這點你如何看待？是的,，但是第一個破解RSA的人,，要么是NSA（美國國家安全局），要么是一些其他大型機構,。一開始,，這些計算機運行會非常緩慢。如果你有一臺每小時只能破解一個RSA密鑰的計算機,，那你肯定將其用于破解國家級別安全風險的信息,。比起用量子計算機閱讀普通大眾的電子郵件，美國國家安全局有更重要的事情可以做——他們將閱讀中國大使的電子郵件,，哈哈,。7. 有沒有一種加密系統(tǒng)可以取代RSA，而且在量子計算機時代也是安全的——即“后量子加密”,？我認為我們會有可以代替RSA的后量子密碼系統(tǒng),。但RSA不是當下最重要的問題，當務之急是,，還有其他方法可以破壞互聯(lián)網(wǎng)的安全,，比如編程不良的軟件、病毒,，會將信息發(fā)送給一些惡意玩家,。我認為用安全的后量子密碼體制，來取代RSA的最大障礙,，是我們的不懈努力及編程時間,。我認為這是我們知道如何去做的事情，只是我們是否能及時做到還是未知數(shù),。
8. 會不會出現(xiàn)讓我們措手不及的風險呢,？會的。為了修復2000年出現(xiàn)的錯誤（千年蟲）,，人們付出了巨大的努力,。而人們需要付出更大的努力，才能切換到后量子時代,。但如果我們等得太久,，那就太遲了,。[1]https://www./articles/d41586-020-03068-9[2]https://journals./pra/abstract/10.1103/PhysRevA.52.R2493[3]https://ieeexplore./document/365700[4]https://link./article/10.1007/s00283-020-10022-0[5]https://www./articles/d41586-019-02936-3[6]https://www./articles/d41586-019-03213-z聲明：此文出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵權,，請作者持權屬證明與我們聯(lián)系,，我們將及時更正、刪除
|
