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Google的量子霸权可以破解密码吗?别担心还差10亿个量子位

9月20日,谷歌一个小组宣称「量子霸权」已经实现,在其提交的一份论文中宣布实现了一个53量子比特的系统,代号为Sycamore。他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性:在超级计算机Summit需要计算1万年的实验中,谷歌的量子计算机只用了3 分 20 秒!

相信很多人都已经了解,量子计算机是利用态叠加的原理进行强大的并行计算,它可以破解一些公钥密码算法,如破解RAS的shor算法。那么Google的这次的「量子霸权」对现行的网络安全体系会不会造成冲击呢?回答这个问题之前,让我们先了解一下Google这次「量子霸权」到底干了啥!

量子霸权这个概念是由美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔2012年提出的,他认为当量子计算机发展到 50 量子比特的时候,就能实现「量子霸权」,即在解决某一特定的问题上,超过世界上任何传统计算机。

约翰·普瑞斯基尔

近年随着世界各国对量子计算机研发投入的不断加大,越来越多量子位的量子计算机被制造出来。一开始大家研究的主要动力来自于Shor算法,2012年,物理学家就成功使用4个量子位分解了143,并且在2014年分解了56153。按说按照这个速度,随着量子位的不断增加,可以分解更大的数,很容易超过传统计算机从而实现震慑人心的「量子霸权」。

Google Bristlecone 量子芯片

然而量子运算的实践阶段远比理论要困难的多,原因之一就是多量子系统的“噪声”,目前解决方法就是使用大量的额外资源进行错误更正,2015年研究人员估计,需要有10亿个量子位才有机会破解RSA 2048 位的加密。你没看错,就是10亿个,而目前我们最先进的就是Google去年推出的72量子位的计算机(该机器由于不稳定,最终GOOGLE 选择了53位机器进行了这次计算)。

没错,72和10亿还有一个明显的距离。而通常科学家认为这个距离可能还要有好几十年。

然而今年,谷歌的Craig Gidney和瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的Martin Ekera的研究工作显示,这个10亿需要被修正。他们找到了大量的优化算法减少了运行所需要的资源,成功的将计算所需要的10亿个比特位缩小到了2000万!

而2000万,也还是一个遥远的梦。

既然shor算法量子霸权短期内不可能,那么要想着急实现「量子霸权」的这些公司该咋整,只能选择另外的比较好实现的算法来进行。而这时候还真的有好实现的算法,那就是德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家斯科特·阿伦森研究的一种随机数生成协议。

理解这个阿伦森生成随机性的协议需要了解一些量子计算的原理,我们在这里只进行一个简单介绍,现在我们考虑这么一个问题,由计算机随机输出一个5位的二进制数,然后给出一个指定每个可能的5位输出字符串的概率的分布。对于经典计算机来说,它的方法就是一个一个的尝试,这样随着字符串中比特数的增加,任务的难度呈指数级增长,但对于量子计算机来说,这项任务预计仍将相对简单,无论涉及5位还是50位。它可以利用一些量子力学叠加的作用直接反映出这个概率分布,而从这个概率分布可以反映出一些随机数算法是不是真的随机。

于是Google 实现了这个算法。

好了,说到这里大家也都能明白了,Google的「量子霸权」的算法只能证明随机数生成器是真正随机的,几乎没有实际应用。但这个确实是实现了超越经典计算机的计算,是有划时代意义的。

但是我们也看到了现在离真正的量子计算机时代还是比较遥远的,想进入量子计算时代,科学家仍需克服大量的障碍,可能还需要几十年的时间,所以我们目前的密码体系暂时还是安全的。但是对于一些重要的数据,特别是几十年后还有重要价值的数据,现在确实就要认真考虑防御量子计算机的事了。

文章来源:跑70公里庆生祖国

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