查看完整版本: 量子计算机有多可怕 一秒破译全世界所有密码！[11P]

量子计算机有多可怕 一秒破译全世界所有密码！[11P]

[color=rgb]来源：智东西[/color]

[b]导语：最近半年以来，人工智能的发展重心逐渐从云端向终端转移，相伴而生的是全新一代的计算芯片产业全面崛起。智东西历经数月，首次对包括 AI 芯片在内的新一代计算芯片全产业链上下近百间核心企业进行报道，覆盖国内外各大巨头玩家、新兴创企、场景应用、代工生产等，全面深入地对芯片产业发展、创新创业进行了追踪报道。此为智东西新一代计算芯片产业系列报道之一。[/b]

[size=3][img]http://zkres1.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000000_640.jpg[/img][/size]

[size=3]CES2018 上，英特尔 keynote 演讲甩出 49 量子比特（qubits）超导量子计算测试芯片 "Tangle Lake"，震撼全场，在争夺量子霸权的路上，科技巨头激烈厮杀，那么量子计算的魅力究竟有多大，竟能引得谷歌、英特尔、IBM 等科技巨头纷纷 " 折腰 " 进军呢？举个例子，目前世界最强的超级计算机是神威 · 太湖之光，运算速度是每秒 9.3 亿亿次；而一台 50 量子比特的运算速度将达到每秒 1125 亿亿次，瞬间秒杀世界最强超级计算机。智东西带你走进神秘而又充满传说的量子计算领域，看尽量子计算机这三十多年的发展历程。[/size]

[b][size=4]一、量子计算是什么？[/size][/b]

[size=3]在经典计算机里，存储的信息单位是比特（bit），比特使用二进制，也就是说一个比特表示的不是 "0" 就是 "1"。[/size]

[size=3][img]http://zkres1.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000001_640.jpg[/img][/size]

[size=3]但是，在量子计算机里，情况会变得完全不同，量子计算机的信息单位是量子比特（qubit），量子比特可以表示 "0"，也可以表示 "1"，甚至还可以是 "1" 和 "0" 的叠加状态（superposition），即同时等于 "0" 和 "1"，而这种状态在被观察时，会坍塌成为 "0" 或是 "1"，也就变成了确定的值，其实也就和经典量子理论 " 薛定谔的猫 " 是一个道理（把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中，在打开盒子前，这只猫既可能是死的，也可能是活的，打开后，两种可能性才坍塌到其中一种）。除此之外，两个量子比特还可以共享量子态，无论这两个量子比特离得多远，也就是所谓的 " 量子纠缠 "（entanglement）。[/size]

[b]量子比特的这种特性会带来什么好处呢？[/b]

[size=3]理论上，2 个量子比特的量子计算机每一步可以做到 2 的 2 次方，也就是 4 次运算，所以说，50 量子比特的运算速度（2 的 50 次方 =1125 亿亿次）将秒杀最强超级计算机（目前世界最强的超级计算机是神威 · 太湖之光，运算速度是每秒 9.3 亿亿次）。[/size]

[size=3]说得再具体一点，拿《火影忍者》举例的话，那就是佐助是经典计算机，鸣人是量子计算机，要找一个东西，佐助只能自己一个一个地方跑去找，也许要找一年。[/size]

[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000002_640.jpg[/img][/size]

[size=3]但是鸣人可以分出 5 个影分身，然后 5 个影分身再分出 5 个影分身，分身的分身再分身，所有分身都同时去不同的地方，瞬间找到东西，然后分身收回，只剩一个鸣人，取回东西，完成。[/size]

[size=3]虽说理论上来说，量子计算机计算能力惊人，但是量子计算机也存在致命的缺点，主要有两点，这也是量子计算机一直发展缓慢的主要原因，第一是非常不稳定，需要低温运行，第二是精度差，错误率高。[/size]

[size=3]成也萧何败萧何，量子计算之所以能达到如此神速，就是因为量子比特的叠加状态和量子纠缠，但与此同时，量子叠加和纠缠状态是极度脆弱的，不能受到一丁点干扰，量子计算机必须在极度低温条件下工作，低到什么程度呢？零下 273 摄氏度差不多吧，这就好比拿一根很细很细的针顶起一个鸡蛋，稍有干扰，结果就会变得一片狼藉。[/size]

[size=3][img]http://zkres1.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000003_640.jpg[/img][/size]

[size=3]其次，因为量子比特的不稳定性，量子计算的精度也存在问题，保真度（fidelity）不高。保真度是什么呢？打个不恰当的比方，就好像你拿 100 块钱去银行柜台存了又取，取了又存，来回几次，最后取回来的钱却只有 60 了，那保真度也就只有 60%。[/size]

[size=3]而且就算这些问题都可以得到解决，量子计算机对于处理日常任务并没有什么用处，对于普通人的生活影响不大。但在某些特殊领域里，量子计算机有传统计算机所不具有的能力，比如在化学和材料学里模拟分子结构，还有处理密码学、机器学习的一些问题，后文会详细说到，在此不赘述。[/size]

[b][size=4]二、科技巨头混战，量子霸权到底是真是假？[/size][/b]

[size=3][img]http://zkres1.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000004_640.jpg[/img][/size]

[size=3]正因量子计算机有很多经典计算机所无法比拟的优点，目前谷歌、IBM、英特尔等科技巨头都已纷纷入局，抢夺高地。而这其中，"50 量子比特 " 成为一个重要门槛。[/size]

[size=3]2017 年 11 月的《自然》杂志采访中，谷歌量子计算专家约翰 · 马丁尼（John Martinis）提出，当一台量子计算机具有大约 50 量子比特的时候，其计算能力和速度将超过世界上任何计算机，能解决经典计算机所解决不了的问题。[/size]

[size=3]因此，业内也将达到 50 量子比特的计算机称为达到了 " 量子霸权 / 量子优越性（Quantum Supremacy）"，即 50 量子比特的量子计算机优于现在市面上的任何一台经典计算机。[/size]

[size=3][img]http://zkres1.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000005_640.jpg[/img][/size]

[size=3][b]那我们到底离 " 量子霸权 " 还有多远呢？[/b][/size]

[size=3]一方面，科技巨头们都宣布了不少量子计算领域的技术突破，不少媒体也对此加以渲染，称他们离 " 量子霸权 " 只有一步之遥，而另一方面，客观来说这些巨头离达到量子霸权还很远。[/size]

[size=3]实现量子霸权的方式，即做出能超越经典计算机的量子计算机的方式有很多种，包括单光子量子计算、超导量子计算等。[/size]

[size=3]英特尔这个月交付的 49 量子比特（qubits）超导量子计算测试芯片 "Tangle Lake"，这块芯片是英特尔与其学术界合作伙伴 QuTech 合作完成的，该款芯片是基于超导体，要求非常低的工作温度约 -273 摄氏度。尽管如此，英特尔还在研究基于更传统半导体的 " 自旋量子比特 "。[/size]

[size=3]据英特尔称，自旋量子比较像一个类似于传统晶体管的单电子晶体管。此外，英特尔还宣称已经开发出一种在 300 毫米硅晶片上制造自旋量子比特的工艺。虽然英特尔的这款量子芯片非常值得肯定，但是，做出量子芯片和做出量子计算机是有区别的，做出了 50 量子比特的量子芯片也不意味着能做出 50 量子比特的量子计算机，而且量子计算机的计算速度也不仅仅是由量子比特数目所决定，同时还应该要保证量子计算机的精度和保真度。[/size]

[size=3]谷歌是最早进军量子计算机的公司之一，在 2015 年，谷歌约翰 · 马丁尼团队联合 NASA 和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了 9 个超导量子比特的高精度操纵，谷歌当时还宣称将要在 2017 年年底做成 49 量子比特量子计算机，不过很可惜，目前还没有关于此事的消息。[/size]

[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000006_640.jpg[/img][/size]

[size=3]2017 年 11 月 10 日，IBM 对外宣布，已经研发成功 20 量子比特的量子计算机，可在年底向付费用户开放，同时，IBM 还成功开发了一台 50 量子比特的原型机，但是 IBM Q 研究副总裁达里 · 奥吉尔（Dario Gil）表示，量子比特数量增加只是一方面，处理的量子比特数越多，量子比特之间的交互就会越复杂，因此，50 量子比特的原型机虽然有更多的量子比特，这些量子比特的叠加态、纠缠态也会造成错误率很高的结果，无法保证精度和保真度，所以它不见得会比 5 量子比特的计算机更实用、更强大。[/size]

[size=3]除此之外，各个巨头还推出了一些量子计算机的开放平台，比如 IBM 在 2017 年推出了量子计算服务 IBM Q 系统（20 量子比特量子计算云服务），这个系统的前身是 IBM 在 2016 年开放的 Quantum Experience 系统（5 量子比特量子计算云服务），这两个系统可以提供给用户试用 IBM 公司所造的 5 量子比特和 20 量子比特的量子计算机。除了 IBM，微软也在 2017 年 12 月推出了自己的量子计算机开发包（Quantum Development Kit），可以让用户在其开放平台上，用专用量子计算机编程语言 Q# 进行编程。[/size]

[size=3]除了科技巨头的参与，初创公司的表现也非常亮眼，在 2011 年，加拿大初创公司 D-Wave 推出了具有 128 个量子比特的 D-Wave One 型量子计算机，这个初创公司吸引了很多人的眼球，它使用的是 " 量子退火 " 算法（Quantum Annealing），但是，D-Wave One 到底算不算真正的量子计算机还存在争论，因为，虽然这种算法确实实现了量子比特，但是量子比特之间基本没有量子纠缠，所以严格来说不能算真正的量子计算机。不过，这款量子计算机确实在一些领域可以超越经典计算机。[/size]

[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000007_640.jpg[/img][/size]

[size=3]国外巨头和初创都在争分夺秒的研发量子计算机，同时，国内大佬也坐不住了，在 2015 年的时候，中科院宣布与阿里巴巴旗下阿里云共同成立量子计算实验室，并于 2017 年 5 月宣布造出第一台光量子计算机。中科院和阿里的这个光量子计算机，实现的是 10 量子比特。[/size]

[size=3]总的来说，真正的 " 量子霸权 " 不仅仅是光看量子比特数的竞赛，就算做到 1000 量子比特，无法做到系统的可控性和可靠性，也算不得是量子霸权，这也是为什么 2015 年时，谷歌实现 9 个超导量子比特的高精度操纵就足以让全世界惊叹。[/size]

[b][size=4]三、量子计算理论和技术的发展历程
[/size][/b]
[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000008_640.jpg[/img][/size]

[size=3]了解了量子计算机领域激烈的巨头混战，那么量子计算理论的发展又是怎么样的呢？[/size]

[size=3]量子计算理论从首次提出到现在已经有三十多年，在 1981 年时，诺贝尔奖获得者理查德 · 费曼（Richard Feynman）首次提出量子计算机的概念。[/size]

[size=3]1994 年，贝尔实验室的专家彼得 · 秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机，这也是在量子计算理论提出十多年后的第一次实验。[/size]

[size=3]自此，投资者开始发现量子计算机的可行性，也许量子计算机未必会有那么多运算错误，也许可以尝试造出一台处于稳定状态的量子计算机。[/size]

[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e000009_640.jpg[/img][/size]

[size=3]随后的十几年，无数的资金进入量子计算研究领域，量子计算迎来了很多技术研究进展：D-Wave 的量子退火、英特尔的硅量子点等等，这些研究成果都各有优缺点，但是都还没有解决最根本的问题。现在主要的技术难点在于精确的实现量子比特的调控、两两之间的纠缠、维持它们的量子状态等，也就是系统的可控性和可靠性。[/size]

[size=3]技术上的瓶颈并没有得到很好地突破，但是科技巨头们依然在量子计算这条路上你追我赶，为什么呢？主要原因在于现有的芯片线程越来越小（纳米级），量子力学现象会成为计算机的 Bug，这个 Bug 具体来说是这样的，计算机里面有很多晶体管，晶体管像一个开关控制电子进程，但是未来的元件做到纳米级后，比如纳米级的晶体管，那这个开关可能会失效，因为根据量子力学，电子可以直接通过纳米级晶体管，到了那个时候，这就会是经典计算机无法解决的大 Bug。[/size]

[size=3]另一方面，因为经典计算机已经快要达到它的极限，其芯片越来越小，芯片的元件小到只有原子大小， 而且就算达到极限，经典计算机也解决不了未来可能会出现的许多问题。比如，优化问题，也就是从无数种可能性中找出最优的解决方法，经典计算机只能一个一个的去找，但是量子计算机可以并行运算，毫不夸张的说，经典计算机可能要算一年，量子计算机只用一分钟就能搞定。[/size]

[size=3][img]http://zkres2.myzaker.com/201801/5a670f2f1bc8e0220e00000a_640.jpg[/img][/size]

[size=3]还有就是经典计算机在化学问题、生物问题上的无力。IBM 实验量子计算团队经理—— Jerry Chow 曾在 TED 演讲上举过一个生动的例子，一个咖啡因分子，不如水分子简单，但也没有 DNA 或是蛋白质分子复杂，如果我们要用经典计算机来模拟一个咖啡因分子，世界上现有的任何电脑都不行，就算你做再多晶体管，做一个和地球一样大的计算机，或者一个和太阳系一样大的计算机，甚至是和银河系一样的计算机，都没办法模拟一个咖啡因分子，然而量子计算机却可以做到。[/size]

[size=3]总而言之，在经典计算架构发展瓶颈日益凸显的当下，量子计算机被认为是计算领域最受看好的方向之一。[/size]

[size=3]不过这个未来什么时候才能来，谁都不清楚，也许十年以内不会到来，根据英特尔实验室公司副总裁兼总经理迈克 · 梅伯里（Mike Mayberry）的说法：" 我们预计这个行业将需要五到七年的时间才能解决工程规模问题，并且可能需要 100 万或更多的量子比特才能达到商业目的。研究人员仍然需要弄清楚如何解决一些问题，包括纠正单个量子比特的脆弱量子态，将软件算法映射到量子硬件，建立局部控制电子学来控制量子系统并得到结果 "。[/size]

[size=3][b]结语、量子计算机将重造整个世界[/b][/size]

[size=3]量子计算之所以如此重要，除了因为它 " 快 "，还因为它可以重新定义程序和算法，颠覆众多领域，例如：[/size]

[size=3]军事方面，一切现有的密码学全都要被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码；医学方面，量子计算机可以模拟人体内的各种化学分子，建立起医学模拟的新模型；此外还有气象学、材料科学等种种领域都面临着量子计算的颠覆。[/size]

[size=3]不过，目前我们离真正的量子计算机还有距离，现在，量子计算机还只是非常初步的阶段，量子比特的脆弱、不稳定性还有低精度的问题还没有解决，要实现实用量子计算机还有很长的路要走。[/size]

确实厉害，所以说除了量子计算机意外，密码学的研究也得跟上啊~

看起来很高级的样子但是不太懂，科学这东西真的是原来越可怕了，最近新闻里说可以克隆猴子了，那是不是说以后就能克隆人了？以后有钱人就可以克隆几个自己，身体哪里有病就从克隆人哪里卸下来就行了吧

纯粹拿来忽悠人 花血本弄一个出来吹吹牛也就算了 反正离量子计算机普及和实用还早着呢

回复 4楼 的帖子

有生之年也见不到普及，不过普及了还是会有更快的机型出现，反正科技会越来越先进，前提是人类还在

现在国内有研究量子加密的成果吧，这里的破解应该仅限于现有对称和非对称的算法吧