量子計(jì)算速度超快，對信息安全構(gòu)成威脅

　　“鬼魅般的超距作用。”愛因斯坦曾這樣描述量子力學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵原則：糾纏。

　　當(dāng)兩個(gè)粒子呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)時(shí)，即使這兩個(gè)粒子中間橫亙著整個(gè)銀河系，它們之間的相關(guān)屬性也是彼此關(guān)聯(lián)的。想一想《星際迷航》中的蟲洞，能將原子傳送到非常遙遠(yuǎn)的地方。量子力學(xué)還會(huì)產(chǎn)生其他“鬼魅”般的事物：量子隧道效應(yīng)使得粒子可以穿過致密的墻體；另外還具有一個(gè)神秘的屬性：疊加態(tài)，該屬性使得它們可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)，我們可以為這兩種狀態(tài)分別賦值0和1。

　　這些看起來都很瘋狂，但目前這些情況都僅僅發(fā)生在原子尺度上；在這個(gè)尺度上，物理定律是不一樣的。愛因斯坦就非常懷疑量子糾纏現(xiàn)象的存在，1935年他還就此問題寫了一篇論文《物理現(xiàn)實(shí)的量子力學(xué)描述能否認(rèn)為是完備的》，他認(rèn)為量子糾纏不可能存在。

　　在這個(gè)問題上，愛因斯坦錯(cuò)了。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)能在15英里（約24.1千米）的長度上獲得糾纏態(tài)的量子信息。他們正在利用量子力學(xué)的力量獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

　　當(dāng)然，有一點(diǎn)愛因斯坦卻是正確的，這的確很“鬼魅”。

　　現(xiàn)在，量子學(xué)已經(jīng)被用來建造新一代的計(jì)算機(jī)，人們相信這種計(jì)算機(jī)能夠解決許多復(fù)雜的科學(xué)問題——并且解碼世界上所有的密鑰。它們幾秒鐘的計(jì)算所產(chǎn)生的結(jié)果需要傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上百萬年的時(shí)間才能完成。它們能提供更好的天氣預(yù)測、金融分析、后勤策劃、尋找類地行星和尋找合適的藥物。當(dāng)然，它們也能破解世界上每一個(gè)銀行賬戶、私人通信和世界上每一臺(tái)電腦上的密碼——因?yàn)楝F(xiàn)代的加密技術(shù)建立在大量字符的大型組合編碼數(shù)據(jù)上，量子計(jì)算機(jī)只需要借助自己的超高運(yùn)算速度進(jìn)行窮舉破譯即可。

　　現(xiàn)在，制作量子計(jì)算機(jī)的大賽已經(jīng)拉開。進(jìn)軍這一領(lǐng)域包含了IBM、Google和微軟等科技巨頭，另外還有國防合同承包上和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)。一家加拿大的初創(chuàng)公司聲稱已經(jīng)成功開發(fā)出第一款量子計(jì)算機(jī)。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家Ronald Hanson也曾告訴《科學(xué)美國人》說他將在5年內(nèi)制造出量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)造模塊，并且在10年內(nèi)制造出全功能的演示機(jī)。

　　量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將會(huì)改變商業(yè)和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的平衡。這些問題都和國家安全密切相關(guān)，就像是核武器一樣。

　　使一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)在短短五年的構(gòu)建模塊和一個(gè)全功能的演示機(jī)在一個(gè)小十?dāng)?shù)年。

　　這將改變權(quán)力在商業(yè)和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的平衡。他們有深厚的國家安全問題，因?yàn)樗麄兊募夹g(shù)當(dāng)量核武器。

　　首先讓我們解釋一下量子計(jì)算機(jī)是什么，我們現(xiàn)在又走到哪一步了。

　　在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中，信息由比特位、二進(jìn)制數(shù)字表示，每個(gè)位的值要么是0、要么是1.因?yàn)槲恢挥羞@兩個(gè)取值，長序列的0和1可以組成數(shù)字和進(jìn)行計(jì)算。而量子計(jì)算機(jī)使用的是量子位，量子位能夠同時(shí)取值0和1——以“0+1”表示疊加態(tài)。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能隨量子位的增加指數(shù)級增長。量子計(jì)算機(jī)工作時(shí)并不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣按照順序進(jìn)行計(jì)算，而是通過列出所有的可能并測量結(jié)果來解決問題。

　　想象一下能夠在同一時(shí)間使用各種可能的順序組合來對密碼進(jìn)行驗(yàn)證。盡管這個(gè)比喻并不完美，因?yàn)榱孔佑?jì)算中的結(jié)果測量是比較復(fù)雜的，但這也能大概描述相關(guān)的思路。

　　制造量子計(jì)算機(jī)有很多復(fù)雜的問題需要解決。首先需要找到能夠產(chǎn)生糾纏光子對的合適材料；然后還有還要設(shè)計(jì)出合適的邏輯門并將其制造在計(jì)算機(jī)芯片上；量子位的生成和控制；存儲(chǔ)機(jī)制的設(shè)計(jì)以及錯(cuò)誤識(shí)別。但是幾乎每個(gè)月我們都能看到新的突破出現(xiàn)。比如說IBM就剛宣布發(fā)現(xiàn)了一種探測和測量量子計(jì)算中的錯(cuò)誤的新方法，并且設(shè)計(jì)了一種新的量子電路；如果這種電路的數(shù)量足夠，就能構(gòu)建出量子計(jì)算機(jī)芯片所需要的大芯片。

　　大部分研究者都認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)只是時(shí)間問題——量子計(jì)算機(jī)終將進(jìn)入實(shí)用階段。但具體的時(shí)間人們的分歧較大，有人認(rèn)為5年，有人認(rèn)為還需要20年。今年4月份，IBM說我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)量子計(jì)算研究的黃金時(shí)代并且自信地宣稱他們自己會(huì)首先制造出可用的量子計(jì)算機(jī)。

　　D-Wave的量子計(jì)算機(jī)

　　加拿大初創(chuàng)公司D-Wave則宣稱他們已經(jīng)成功研制出量子計(jì)算機(jī)，該公司CEO Vern Brownell在郵件中說道，D-Wave系統(tǒng)已經(jīng)制造出第一臺(tái)可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)，其中應(yīng)用了可驗(yàn)證的糾纏機(jī)制，現(xiàn)在已經(jīng)可以在日漸復(fù)雜的問題上得到最佳結(jié)果。為了讓人們相信他們的研究結(jié)果，他們強(qiáng)調(diào)了他們的方法，這種方法稱為“絕熱計(jì)算”，現(xiàn)在這種方法還不能解決所有的問題，但在計(jì)算的優(yōu)化、采樣、機(jī)器學(xué)習(xí)和一些商業(yè)、國防和科研領(lǐng)域上可能會(huì)有廣泛的應(yīng)用。他說D-Wave和數(shù)字計(jì)算機(jī)是互補(bǔ)的；是一種為特定類型的問題設(shè)計(jì)的專用目的的計(jì)算機(jī)資源。

　　D-Wave 2計(jì)算機(jī)擁有512個(gè)量子位，理論上可以同時(shí)執(zhí)行2^512項(xiàng)操作。這比宇宙中的原子數(shù)還多幾個(gè)數(shù)量級。Brownell說該公司很快就將發(fā)布超過1000個(gè)量子位的處理器。他說他的計(jì)算機(jī)并不會(huì)運(yùn)行Shor算法（一種用于加密的必要算法），但其有在圖像檢測、物流、蛋白質(zhì)映射和折疊等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值，以及在蒙特卡洛模擬與金融建模、石油勘探和尋求外星球上也有使用意義。

　　所以量子計(jì)算機(jī)事實(shí)上已經(jīng)存在了，至少是某種形式的量子計(jì)算機(jī)；但全功能的量子計(jì)算機(jī)還并沒出現(xiàn)。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)變得主流、成為我們個(gè)人計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和智能手機(jī)上的主要計(jì)算方式時(shí)，人類的命運(yùn)將迎來巨大的變革。

　　但是和所有的先進(jìn)技術(shù)一樣，量子計(jì)算機(jī)也能帶來噩夢。其中最值得擔(dān)憂的就是加密。開發(fā)新的保護(hù)數(shù)據(jù)的方法并不容易。目前常用的RSA公鑰加密算法就使用了5年時(shí)間才成功開發(fā)出來。公開密鑰加密算法的先驅(qū)Ralph Merkle指出公共密鑰系統(tǒng)的技術(shù)的更新至少需要十年時(shí)間。另外還有一個(gè)實(shí)施的過程，這樣才能保護(hù)全球的計(jì)算機(jī)和信息。如果沒有什么緊急推廣或快捷的方式，要取代現(xiàn)有的安全加密手段至少需要20年時(shí)間。

　　我們已經(jīng)為即將到來的“鬼魅”般的計(jì)算機(jī)技術(shù)做好準(zhǔn)備。