【科技知识】量子计算机可以破译全世界的密码？

朱雀 2022-12-26 15:24 215阅读 0赞

# 简讯 #

2020年12月4号官方消息发布：中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。200秒的“量子算力”，相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力！  
随机量子计算的兴起和迅速发展，有媒体说量子计算机可以破解全世界的密码这是为什么？  
2019年谷歌的CEO就预测，加密技术的终结可能在5年内到来。这又是为什么？

# 1 量子计算是什么？ #

## 1.1 基本概念 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

量子信息包括量子通信和量子计算。九章实现的就是量子计算。  
**注意！！** 量子计算不是传统意义上的超级计算机如神威太湖之光、天河二号通过大规模并行计算就能达到超高速计算的，这是另一个概念。量子计算不是干什么都特别快，而是针对某些问题特别快，因为这需要针对性的量子算法的支撑。量子力学三大奥义：叠加、测量和纠缠。

## 1.2 基本原理 ##

经典计算机的基本操作单元是比特，而量子计算机的基本操作单元是量子比特。比特好比家里灯的开关，只有0-1两个状态，但是量子比特好比一个旋钮开关，有无穷种状态。所以能做更多的事情。

**经典计算**中，如果有n个经典比特，每一个有两个状态，他们的组合总共有 2 n 2^n 2n个状态。如果想知道一个操作对n个比特产生的效果，就需要把这个操作作用到这 2 n 2^n 2n个状态上。众所周知的，指数增长的非常快的,举个例子，在数学上n趋于无穷大时候， 2 n 2^n 2n是大于 n 10000 n^\{10000\} n10000的。在经典计算这样的数据量会导致计算量的爆炸。

**量子计算**中，对于量子比特就不一样了，一个量子比特一般有两个基本状态，一个一般状态等于这两个基本状态的叠加。对于n个量子比特的体系，基本状态有 2 n 2^n 2n个，一个一般状态等于这 2 n 2^n 2n个状态的叠加。对这样一个一般状态的做一次操作，相当于对n个比特的经典计算机进行了 2 n 2^n 2n次操作。一个顶 2 n 2^n 2n个。如果使用得当，这就可以带来指数级的加速，原来需要上亿年的计算，现在需要一秒就能解决。为什么说使用得当，才可以实现，在下面第3节量子计算的困难性进行讲解。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

# 2 为什么能破译密码 #

## 2.1 因数分解 ##

先来了解一下因数分解  
比如21 = 3\* 7，一个数能被分解成两个质数的乘积。这就是一个简单的因数分解过程，最基础的算法是用n这个数一次除以1… n \\sqrt\{n\} n,如果都不能被分解，这说明是一个质数。换成二进制，那计算量也是有 2 n / 2 2^\{n/2\} 2n/2,目前最高效的算法是数域筛。然而这种算法的计算量还是指数增长，比如说一台计算机每秒做一万亿次运算，数域筛算法分解一个300位的数字需要15万年，分解一个5000位的数字需要50亿年，地球年龄也不过46亿年。因数可以说以目前的技术分解不开，那就被科学家们应用到了保密。

## 2.1 保密体系RSA ##

当今世界最常用的密码体系之一是叫做RSA，分别是由发明人Ron Rivest、Adi Shamir 和Leonard Adleman的姓氏的缩写

大致而言，RSA的操作方式，发送方叫Alice，接收方节Bob，首先Alice取两个非常大的质数，求得他们乘积N=p\*q，这一步很容易的，然后把N向全世界公布，不把p和q公布，N就是公钥、p和q就是私钥，Alice用公开信道发给Bob,Bob用自己的私钥就可以解密了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

## 2.3 RSA可被量子计算破解 ##

然而RSA在未来是不可靠的，早在1994年美国科学家Peter Shor提出了一种量子因数分解算法，分解一个n位数的计算量大约是 n 2 n^2 n2，这是一个指数级的计算量的节约，分解一个300位的数字需要一秒，分解一个5000位的数字需要2分钟。

**所以媒体说的量子计算是可以破解全世界的所有密码基本是可以成立的，但是除了量子密码之外**。所谓只有魔法才能打败魔法也是这个道理。

目前中国的研究量子分解的最大数是 291 311 =523 \* 557，换成二进制是19位，而常用的RSA公钥长度是1024位，离1024位还远着呢。**所以目前来说破解全世界所有密码还有一段距离**。不过谷歌的CEO预测，加密技术的终结可能在5年内到来。《Science》期刊News发布IBM将于2023实现1000量子比特的计算（九章是76量子比特），谷歌未来十年将实现100万的量子比特的计算。所以谷歌CEO的预测是对于自己公司实力的进展的认知做出的预测。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

# 3 量子计算的困难性 #

量子计算机的发展将有三个阶段：  
　　第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。  
　　第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。  
　　第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。  
目前，“九章”还处在第一阶段，能计算76个量子比特。  
潘建伟团队这次突破历经了20年努力，从2001年开始组建实验室，他们曾多次刷新量子纠缠数量的世界纪录。“九章”的突破，主要攻克了三大技术难关：高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。  
　　其中的高品质量子光源，是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源。“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一个水分子非常困难。”中科大教授陆朝阳说，高品质光源要保证每次只“放出”1个光子，且每个光子要一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要控制在 1 0 − 9 10^\{-9\} 10−9以内，相当于传输一百公里距离，偏差不能超过一根头发丝的直径。  
　　此外，为了核验“九章”算得“准不准”，他们用超算同步验证。“10个、20个光子的时候，结果都能对得上，到40个光子的时候超算就比较吃力了，而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳说，另一方面，超算的耗电量太大，计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。

# 4 量子计算的应用 #

上面提到过量子计算只有针对特定的问题，并且需要特定的算法才能体现出优势，通过特定算法可应用到以下领域

*  密码破译
 *  大数据优化
 *  天气预报
 *  材料设计
 *  药物分析
 *  无结构数据库的搜索等领域

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/0bdb9a47796f4049b2cd3576cb5fe17a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/51cdfa17106d45c382a6461406a4d95e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201206104357730.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201206104513353.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center