谷歌在互聯(lián)網(wǎng)上引起了軒然大波，當它被宣稱已經(jīng)建立了一臺量子計算機，能夠解決以前不可能的數(shù)學計算時，一些人擔心加密產(chǎn)業(yè)可能面臨風險。谷歌表示，它的實驗是對擴展的Church-Turing論文的第一個實驗挑戰(zhàn)，也被稱為可計算論文，該論文聲稱傳統(tǒng)計算機可以有效地執(zhí)行任何“合理”的計算模型。

什么是量子計算？

量子計算是發(fā)展計算機的研究領域基于量子理論原理的技術(shù)。量子計算機，遵循量子物理定律，將獲得巨大的處理能力，通過處于多種狀態(tài)的能力，并利用所有可能的排列同時執(zhí)行任務，這將獲得巨大的處理能力。

經(jīng)典計算VS量子計算

經(jīng)典計算在其終極層次上依賴于布爾代數(shù)所表達的原理。在任何時間點或位上，數(shù)據(jù)都必須以獨占的二進制狀態(tài)進行處理。雖然每個晶體管或電容器在切換狀態(tài)之前需要處于0或1的時間可以用十億分之一秒來測量，但是這些設備切換狀態(tài)的速度仍然是有限的。隨著我們向更小、更快的電路發(fā)展，我們開始達到了材料的物理極限以及應用經(jīng)典物理定律的極限。除此之外，量子世界占據(jù)了主導地位。在量子計算機中，一些基本粒子（如電子或光子）的電荷或極化可以用來表示0或1。這些粒子中的每一個都被稱為量子比特，或者量子位，這些粒子的性質(zhì)和行為構(gòu)成了量子計算的基礎。

量子疊加和糾纏

量子物理學中兩個最相關的方面是疊加和糾纏原理。

疊加： 把量子位想象成磁場中的電子。電子的自旋可能與場一致，即自旋向上的狀態(tài)，也可能與場相反，即自旋向下的狀態(tài)。根據(jù)量子定律，粒子進入一種狀態(tài)疊加，在這種狀態(tài)下，它的行為就好像同時處于兩種狀態(tài)。所利用的每一個量子位都可以是0和1的疊加。

糾纏： 在某一點上相互作用的粒子保持一種連接，它們可以成對地相互糾纏，這個過程稱為關聯(lián)。知道一個被糾纏的粒子的自旋狀態(tài)——向上或向下——允許一個人知道它關聯(lián)的自旋是相反的方向。量子糾纏允許量子位元之間以令人難以置信的距離相互作用（不限于光速）。

無論相關粒子之間的距離有多遠，只要它們是孤立的，它們就會糾纏在一起。總的來說，量子疊加和糾纏創(chuàng)造了一個巨大的增強計算能力權(quán)力。普通計算機中的2位寄存器在任何給定時間只能存儲四種二進制配置（00、01、10或11）中的一種，即2-量子位量子計算機中的寄存器可以同時存儲所有四個數(shù)字，因為每個量子位代表兩個值。如果增加更多的量子位元，增加的容量就會成倍地擴大量子計算機的難題。干擾

在量子計算的計算階段，量子系統(tǒng)中最輕微的干擾（比如雜散的光子或電磁輻射波）都會導致量子計算崩潰，這一過程稱為脫相干。在計算階段，量子計算機必須完全與外界的干擾隔絕。

誤差修正

考慮到量子計算的本質(zhì)，誤差修正是非常關鍵的——即使是一次計算中的一個小錯誤都可能導致整個計算的崩潰。

輸出儀式

與上述兩者密切相關的是，在量子計算之后檢索輸出數(shù)據(jù)是完全有可能破壞數(shù)據(jù)的。

什么是量子霸權(quán)？

據(jù)英國《金融時報》報道，谷歌聲稱已經(jīng)成功建造了世界上最強大的量子計算機。根據(jù)谷歌的研究人員的說法，這意味著通常需要1萬年以上才能完成的計算，它的計算機可以在大約200秒內(nèi)完成，這可能意味著區(qū)塊鏈及其背后的加密技術(shù)可能被破解。

加密中使用的非對稱密碼術(shù)依賴于密鑰對，即私鑰和公鑰。公鑰可以從它們的私有副本計算，但反過來不行。

這是由于某些數(shù)學問題不可能解決的緣故。量子計算機在這方面的效率更高，如果用另一種方式計算，那么整個方案就會失效。看來谷歌離制造一臺可能對區(qū)塊鏈密碼學或其他加密技術(shù)構(gòu)成威脅的量子計算機還有一段路要走。

“谷歌的超級計算機目前有53個量子位，”倫敦帝國理工學院的量子計算和加密研究員Dragos Ilie說。“為了對比特幣或其他大多數(shù)金融系統(tǒng)產(chǎn)生影響，至少需要1500個量子位，而且系統(tǒng)必須考慮到所有這些量子位的糾纏”。

同時，根據(jù)Ilie的說法，擴展量子計算機是“一個巨大的挑戰(zhàn)”。

包括比特幣架構(gòu)在內(nèi)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡依賴于兩種算法：用于數(shù)字簽名的橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）和作為哈希函數(shù)的SHA-256。量子計算機可以使用肖爾算法從你的公鑰中獲取你的私鑰，但最樂觀的科學估計認為，即使這是可能的，在這近十年內(nèi)也不會發(fā)生。

在量子計算機上，一個160位的橢圓曲線密鑰可以用大約1000個量子位來破解，而RSA的1024位模數(shù)需要2000個量子位”。相比之下，谷歌微不足道的53位仍然無法與這種密碼術(shù)匹敵。

但這并不是說沒有理由驚慌。雖然區(qū)塊鏈應用程序使用的本地加密算法目前是安全的，但事實是量子技術(shù)的進步速度正在加快，假以時日，這可能會構(gòu)成威脅。谷歌的研究人員說：“我們預計他們的計算能力將繼續(xù)以雙指數(shù)速度增長”。

量子密碼學？

量子密碼學利用物理學來開發(fā)一個完全安全的密碼系統(tǒng)，在不知道消息的發(fā)送者或接收者的情況下，不會受到攻擊。

量子這個詞本身指的是物質(zhì)和能量的最小粒子的最基本的行為。量子密碼系統(tǒng)與傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的不同之處在于，它的安全模型更依賴于物理而不是數(shù)學。

從本質(zhì)上講，量子密碼學是基于利用單個粒子/光波（光子）及其固有的量子特性來開發(fā)一個不可攻破的密碼系統(tǒng)（因為不干擾該系統(tǒng)就不可能測量任何系統(tǒng)的量子狀態(tài)）。

量子密碼學使用光子來傳輸密鑰。一旦密鑰被傳輸，就可以使用普通的密鑰方法進行編碼。但是光子是如何成為鑰匙的呢？如何將信息附加到光子的自旋上呢？

這就是二進制代碼發(fā)揮作用的地方。每種類型的光子自旋代表一條信息——通常是二進制碼的1或0。這段代碼使用1和0組成的字符串來創(chuàng)建一致的消息。例如，11100100110可以與h-e-l-l-o對應。所以二進制代碼可以分配給每個光子——例如，一個具有垂直自旋（|）的光子可以分配給一個1。

蘇黎世理論物理研究所的物理學家雷納托·雷納說：“如果你建對了，沒有黑客能黑掉這個系統(tǒng)。問題是正確地建造它意味著什么？”。常規(guī)的非量子密碼可以以多種方式工作，但通常情況下，消息是被打亂的，只能使用秘密密鑰進行解密。關鍵是要確保你想要隱藏你的信息的人不會拿到你的密鑰。在現(xiàn)代密碼系統(tǒng)中，破解私鑰通常需要計算出一個數(shù)字的因數(shù)，這個數(shù)字是兩個大得離譜的素數(shù)的乘積。

這些數(shù)字被選得如此之大，以至于在給定計算機處理能力的情況下，一個算法分解它們的乘積所需的時間將超過整個宇宙的壽命。且我們不得不承認加密技術(shù)有其弱點。并且某些產(chǎn)品就是碰巧比其他產(chǎn)品更容易分解。此外，摩爾定律不斷提高著我們電腦的處理能力。更重要的是，數(shù)學家們在不斷地開發(fā)新的東西允許更容易因式分解的算法。

量子密碼學避免了所有這些問題。在這里，密鑰被加密成一系列光子，這些光子在試圖共享機密信息的雙方之間傳遞。海森堡測不準原理指出，對手無法在不改變或摧毀光子的情況下觀察它們。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室從事量子密碼學研究的物理學家理查德·休斯（Richard Hughes）說：“在這種情況下，不管對手有什么技術(shù)，他們永遠都無法打破物理定律。”
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