神們自己

科普作家，著有《貓、愛因斯坦和密碼學(xué)：我也能看懂的量子通信》《機(jī)器新腦》

2024年，谷歌發(fā)布了新一代量子芯片“柳樹”，不僅將量子比特?cái)?shù)量提升至105個(gè)，更是首次實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)技術(shù)，為量子計(jì)算的實(shí)用化鋪平了道路。不少科學(xué)家宣稱，未來(lái)科技將由“量子+ AI”的雙引擎驅(qū)動(dòng)。今天，我來(lái)給大家講講量子計(jì)算這個(gè)熱門話題。

2019年，谷歌發(fā)布了53量子比特的芯片“懸鈴木”，讓“量子霸權(quán)”這個(gè)詞首次進(jìn)入公眾視野。當(dāng)時(shí)，谷歌用一個(gè)被稱為“隨機(jī)電路采樣”的任務(wù)展示了量子計(jì)算機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)：讓量子比特按特定線路運(yùn)行，然后測(cè)量最終狀態(tài)，重復(fù)數(shù)百萬(wàn)次以獲得概率分布。谷歌宣稱這個(gè)“懸鈴木”僅用200秒完成的任務(wù)，世界最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要運(yùn)行10000年。

這一說(shuō)法引發(fā)了很大的爭(zhēng)議。比如，谷歌的老對(duì)手IBM反駁稱，使用優(yōu)化算法和更大存儲(chǔ)空間，經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)只需2.5天即可完成運(yùn)算。2023年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)采用改進(jìn)后的經(jīng)典算法，僅用60秒就完成了該任務(wù)。這使得不少人開始懷疑量子計(jì)算機(jī)是否真的具有壓倒性優(yōu)勢(shì)。

“柳樹”的出現(xiàn)徹底改變了這一切。同樣使用隨機(jī)電路采樣任務(wù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，“柳樹”只用5分鐘就完成了任務(wù)，而當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“邊境”則需1025年才能完成。這一成就不僅證明了量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大性能，更標(biāo)志著量子計(jì)算進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。

相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)源自量子疊加態(tài)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特只能是0或1，而量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。例如，100個(gè)量子比特能同時(shí)處理2100種不同狀態(tài)，約等于1030種可能，遠(yuǎn)超地球上所有計(jì)算機(jī)的總算力。

但這并不容易，因?yàn)榱孔討B(tài)極其脆弱，任何環(huán)境干擾都有可能破壞它。這就像在沙子上畫畫，極輕微的震動(dòng)就可能讓圖案消失。為了維持量子態(tài)的穩(wěn)定，科學(xué)家們不得不將量子比特冷卻到接近絕對(duì)零度，并使用復(fù)雜的糾錯(cuò)機(jī)制。

在“柳樹”之前，量子糾錯(cuò)需要巨大的開銷。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的邏輯量子比特，通常需要使用10個(gè)甚至更多的物理量子比特來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。當(dāng)我們說(shuō)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有100個(gè)量子比特時(shí)，用于實(shí)際計(jì)算的可能還不到10個(gè)。

“柳樹”的創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)。它證明了隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率可以呈指數(shù)級(jí)下降。這意味著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，維持可靠性所需的冗余程度反而會(huì)降低。這一突破從根本上改變了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展路徑：我們可以把更多的量子比特用于實(shí)際計(jì)算，而不是用于糾錯(cuò)。

技術(shù)是一把雙刃劍，“柳樹”的出現(xiàn)不僅帶來(lái)了新的希望，也帶來(lái)了新的擔(dān)憂：它預(yù)示著量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有加密系統(tǒng)的威脅不再是遙遠(yuǎn)的未來(lái)，而是近在眼前的現(xiàn)實(shí)。

量子計(jì)算機(jī)在特定算法上表現(xiàn)出色，但并不能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如，在數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、圖像處理等任務(wù)中，經(jīng)典計(jì)算機(jī)仍然更有優(yōu)勢(shì)。但在密碼破譯、核爆模擬、材料與微納制造等領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)的特定算法更有優(yōu)勢(shì)，其中恰恰包括了破解現(xiàn)有加密系統(tǒng)的Shor算法。

目前廣泛使用的RSA加密算法，其安全性建立在大數(shù)分解的困難度上。1994年，全球1600個(gè)工作站同時(shí)運(yùn)算了8個(gè)月，才破解了129位的RSA密鑰。而用量子計(jì)算機(jī)的Shor算法，理論上可以在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)4096位的RSA密鑰的破解。量子計(jì)算機(jī)威脅密碼學(xué)安全的那一天，也許要比我們想象的近得多。

這種擔(dān)憂已經(jīng)開始影響現(xiàn)實(shí)世界。加密貨幣市場(chǎng)對(duì)“柳樹”的發(fā)布反應(yīng)強(qiáng)烈，因?yàn)樗械募用茇泿哦家蕾囉诂F(xiàn)代加密算法，它們很容易受到量子計(jì)算攻擊，面臨被破解的風(fēng)險(xiǎn)。

面對(duì)量子計(jì)算帶來(lái)的威脅，研究人員正在緊鑼密鼓地開發(fā)能夠抵御量子攻擊的新型加密算法。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）已經(jīng)開始了后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，選擇新的加密算法來(lái)替代現(xiàn)有的RSA加密算法。與此同時(shí)，量子密鑰分發(fā)等基于量子通信的加密方法也在快速發(fā)展。量子通信不依賴于計(jì)算復(fù)雜度，而是基于量子力學(xué)的基本原理，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)“無(wú)條件安全”。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，“柳樹”無(wú)疑是一個(gè)重要的里程碑。它不僅證明了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化是可能的，還給我們敲響了警鐘：是時(shí)候認(rèn)真思考如何為量子時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)安全做好準(zhǔn)備了。

可以預(yù)見，未來(lái)幾年，量子計(jì)算和量子通信將成為科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)場(chǎng)，誰(shuí)能在這個(gè)領(lǐng)域占得先機(jī)，誰(shuí)就將主導(dǎo)下一代信息技術(shù)革命。