从科幻片到恐怖片,量子计算最可怕的应用是什么?

信息安全专家们曾经认为人类信息社会依赖的RSA加密算法还能够“支撑”15-30年,但量子计算留给我们的时间可能比预计的要短得多

斯蒂芬霍金和特斯拉创始人埃隆马斯克曾经警告世人人工智能的潜在威胁,但是人们却忽视了比人工智能更加凶险和迫在眉睫的一种颠覆性科技,那就是量子计算。

量子计算只需要解决一个经典计算难题,就可以完成从科幻片到恐怖片的画风切换。例如销售城际旅行路径规划的计算难题:一位销售在一次差旅中需要访问多个城市,并返回出发城市,需要找出一个最佳路径,能够访问所有城市(每个城市只访问一次),同时行程最短。随着城市数量的增加,计算难度急剧增加, 例如当城市数量增加到22个时,一台普通笔记本电脑需要1000年才能找出最佳路线,而量子计算数分钟甚至数秒就能解开难题。

与经典计算机中信息以0和1表示不同,量子计算基于量子比特(Quantum bits),又称量子位(Qubits)。量子位的赋值可以是0、1,也可以是0、1同时赋值“0+1”,这意味着量子计算机能够同时遍历所有可能性并测量结果。这就相当于同时使用所有可能的数字和序列组合来瞬间破解一把密码锁。

爱因斯坦对量子纠缠持怀疑态度,称之为“遥远的幽灵行为”,而且认为“上帝不会为宇宙掷骰子”, 但是霍金最近指出,上帝有时候也会留两手。

 

IBM 50量子位量子计算机 

IBM基于低温恒温器连接的50量子位量子计算系统原型 Photo Credit:IBM

与爱因斯坦一样,大多数人都认为量子计算是一种疯狂想法,但让人不安的是,IBM、Google、微软和英特尔正在把量子计算带入现实。事实上,量子计算已经成为科技界最新的全球军备竞赛的圣杯,IBM已经率先在云端提供量子计算的早期商用、通用量子计算服务。

量子计算首先威胁到的,就是当下的信息安全系统,尤其是数据加密算法。全球的信息安全系统都采用一种标准的加密算法——RSA,破解该加密算法的关键是在生成密钥时寻找大数的素数因子(素数应用),使用普通计算机寻找大数的素数因子是非常费力的,有时候需要花费数天甚至数月的时间。根据IEEE Spectrum的报道,一些量子计算机正在从事此类工作,RSA加密算法的寿命可能要大大短于人们预计的15-30年。在不久的将来,量计算机将能够计算出破解加密通讯、银行账户和数据库所需要的私钥。

一台能够开启全球数据宝库的量子计算机,是各国不惜余力投入量子计算的最大动力之一。

关于量子计算的最新进展大多属于高度机密,但是从一些公开的信息我们可以看到端倪,2016年5月份IBM宣布完成5个量子位的量子计算机,震惊了世界。IBM认为在未来10年,50-100量子位的量子计算机将走入现实。随着量子位数量增加,量子计算机的计算力将呈几何级数增加,50量子位量子计算机的计算能力将超过全球最顶尖的超级计算机,也就是研究者所预测的“量子霸权”,

距离发布5量子位计算机18个月后,IBM再次令世界颤抖,推出了20量子位的量子计算机,并且成功搭建了50量子位处理器的可运行模型(上图),距离“量子霸权”只有一步之遥。IBM只需要成功将量子位数量增长一倍,就将获得“超能力”。

一台50+量子位的量子计算机将能改变这个世界,例如:更快速更精准地天气预报、金融预测、物流规划,寻找类地行星以及新药研发。但对于信息安全来说,超级量子计算机的诞生也将打开潘多拉盒子——所有采用RSA加密算法的计算机系统都需要进行升级,成本和难度惊人。

一些安全专家指出,信息安全界正在开发的“防量子计算算法”已经取得实质进展,例如矩阵乘法和基于编码的签名机制,后者不依赖公钥加密系统的素数因子,而是基于极端困难的编码理论。

总结:与人工智能技术不同,量子计算具有真正意义上的军备竞赛属性,因此公众难以获知和监督其进度。没有人知道,18个月后,IBM或者什么别的公司或者组织会不会搞出一台50量子位的计算机,这是悬在所有信息安全系统之上的一柄达摩克利斯神剑。

本文作者:Vivek Wadhwa是卡内基梅隆大学访问学者  英文原文

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