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量子计算速度超快对信息安全构成威胁

发布时间:2020-01-14 11:40:19 阅读: 来源:电焊钳厂家

“鬼魅般的超距作用。”爱因斯坦曾这样描述量子力学的一个关键原则:纠缠。

当两个粒子呈现纠缠状态时,即使这两个粒子中间横亘着整个银河系,它们之间的相关属性也是彼此关联的。想一想《星际迷航》中的虫洞,能将原子传送到非常遥远的地方。量子力学还会产生其他“鬼魅”般的事物:量子隧道效应使得粒子可以穿过致密的墙体;另外还具有一个神秘的属性:叠加态,该属性使得它们可以同时处于两种状态,我们可以为这两种状态分别赋值0和1。

这些看起来都很疯狂,但目前这些情况都仅仅发生在原子尺度上;在这个尺度上,物理定律是不一样的。爱因斯坦就非常怀疑量子纠缠现象的存在,1935年他还就此问题写了一篇论文《物理现实的量子力学描述能否认为是完备的》,他认为量子纠缠不可能存在。

在这个问题上,爱因斯坦错了。研究人员现在已经能在15英里(约24.1千米)的长度上获得纠缠态的量子信息。他们正在利用量子力学的力量获得实质性的进展。

当然,有一点爱因斯坦却是正确的,这的确很“鬼魅”。

现在,量子学已经被用来建造新一代的计算机,人们相信这种计算机能够解决许多复杂的科学问题—并且解码世界上所有的密钥。它们几秒钟的计算所产生的结果需要传统计算机上百万年的时间才能完成。它们能提供更好的天气预测、金融分析、后勤策划、寻找类地行星和寻找合适的药物。当然,它们也能破解世界上每一个银行账户、私人通信和世界上每一台电脑上的密码—因为现代的加密技术建立在大量字符的大型组合编码数据上,量子计算机只需要借助自己的超高运算速度进行穷举破译即可。

现在,制作量子计算机的大赛已经拉开。进军这一领域包含了IBM、Google和微软等科技巨头,另外还有国防合同承包上和大学研究机构。一家加拿大的初创公司声称已经成功开发出第一款量子计算机。荷兰代尔夫特理工大学的物理学家Ronald Hanson也曾告诉《科学美国人》说他将在5年内制造出量子计算机的构造模块,并且在10年内制造出全功能的演示机。

量子计算机的出现将会改变商业和网络战的平衡。这些问题都和国家安全密切相关,就像是核武器一样。

使一个通用量子计算机在短短五年的构建模块和一个全功能的演示机在一个小十数年。

这将改变权力在商业和网络战的平衡。他们有深厚的国家安全问题,因为他们的技术当量核武器。

首先让我们解释一下量子计算机是什么,我们现在又走到哪一步了。

在传统的计算机中,信息由比特位、二进制数字表示,每个位的值要么是0、要么是1.因为位只有这两个取值,长序列的0和1可以组成数字和进行计算。而量子计算机使用的是量子位,量子位能够同时取值0和1—以“0+1”表示叠加态。量子计算机的计算性能随量子位的增加指数级增长。量子计算机工作时并不是传统计算机那样按照顺序进行计算,而是通过列出所有的可能并测量结果来解决问题。

想象一下能够在同一时间使用各种可能的顺序组合来对密码进行验证。尽管这个比喻并不完美,因为量子计算中的结果测量是比较复杂的,但这也能大概描述相关的思路。

制造量子计算机有很多复杂的问题需要解决。首先需要找到能够产生纠缠光子对的合适材料;然后还有还要设计出合适的逻辑门并将其制造在计算机芯片上;量子位的生成和控制;存储机制的设计以及错误识别。但是几乎每个月我们都能看到新的突破出现。比如说IBM就刚宣布发现了一种探测和测量量子计算中的错误的新方法,并且设计了一种新的量子电路;如果这种电路的数量足够,就能构建出量子计算机芯片所需要的大芯片。

大部分研究者都认为量子计算机的出现只是时间问题—量子计算机终将进入实用阶段。但具体的时间人们的分歧较大,有人认为5年,有人认为还需要20年。今年4月份,IBM说我们已经进入了一个量子计算研究的黄金时代并且自信地宣称他们自己会首先制造出可用的量子计算机。

D-Wave的量子计算机

加拿大初创公司D-Wave则宣称他们已经成功研制出量子计算机,该公司CEO Vern Brownell在邮件中说道,D-Wave系统已经制造出第一台可扩展的量子计算机,其中应用了可验证的纠缠机制,现在已经可以在日渐复杂的问题上得到最佳结果。为了让人们相信他们的研究结果,他们强调了他们的方法,这种方法称为“绝热计算”,现在这种方法还不能解决所有的问题,但在计算的优化、采样、机器学习和一些商业、国防和科研领域上可能会有广泛的应用。他说D-Wave和数字计算机是互补的;是一种为特定类型的问题设计的专用目的的计算机资源。

D-Wave 2计算机拥有512个量子位,理论上可以同时执行2^512项操作。这比宇宙中的原子数还多几个数量级。Brownell说该公司很快就将发布超过1000个量子位的处理器。他说他的计算机并不会运行Shor算法(一种用于加密的必要算法),但其有在图像检测、物流、蛋白质映射和折叠等方面的潜在应用价值,以及在蒙特卡洛模拟与金融建模、石油勘探和寻求外星球上也有使用意义。

所以量子计算机事实上已经存在了,至少是某种形式的量子计算机;但全功能的量子计算机还并没出现。当量子计算机变得主流、成为我们个人计算机、大型机和智能手机上的主要计算方式时,人类的命运将迎来巨大的变革。

但是和所有的先进技术一样,量子计算机也能带来噩梦。其中最值得担忧的就是加密。开发新的保护数据的方法并不容易。目前常用的RSA公钥加密算法就使用了5年时间才成功开发出来。公开密钥加密算法的先驱Ralph Merkle指出公共密钥系统的技术的更新至少需要十年时间。另外还有一个实施的过程,这样才能保护全球的计算机和信息。如果没有什么紧急推广或快捷的方式,要取代现有的安全加密手段至少需要20年时间。

我们已经为即将到来的“鬼魅”般的计算机技术做好准备。

(责任编辑:HT002)

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