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美国国家科学院警告:需准备迎接量子攻击

北京时间12月11日消息,据国外媒体报道,美国国家科学院(NAS)的一份新报告称,尽管量子计算机的建造还面临许多挑战,但随着这些计算机逐渐成为可能,政府应该优先考虑潜在的后果,为网络安全面临的威胁做好准备。

▲一台恩尼格玛密码机

物理学家理查德·费曼在1982年首先提出了利用量子体系实现通用计算的想法,而当计算机科学家彼得·秀尔开发出了在量子计算机上应用的“秀尔算法”,并以此证明了计算机能做出对数计算,并且速度远胜传统计算机之后,这一领域吸引了更多科学家的兴趣。今天,量子计算正在走出物理实验领域,逐渐进入商业世界,得到了来自私人和公共部门的投资。真正的、具有功能(但还不成熟)的量子计算机已经问世。美国国家科学院近日发布的这份报告,对量子计算领域的“进展和前景”做了总结。

报告中写道:“委员会发现,没有根本性的理由能说明在原理上无法构建一台大型的容错量子计算机。”该报告的作者由众多美国物理学家和计算机学家组成。

量子计算机是可将问题转化为量子比特(qubit),而非“古典”比特的计算机处理器。古典比特只能在两种状态——0和1——之间转换,即“非0即1”;而量子比特的0和1则是量子态,意味着在计算过程中,它们可以“又0又1”,直到被观察到。可以想象下薛定谔的猫,同时处于活着和死亡两种状态,直到盒子被打开。量子比特的威力来自于它们不仅增加了复杂性,而且具有通过量子力学的数学计算进行纠缠和干涉的能力。

这样一台机器可以推动人类对物理学的理解迈向新的边界。但是,量子计算机还有其他潜在的应用,比如用于研制更先进的人工智能,或者在药物开发中对新分子建模。量子比特不仅在处理器中作用巨大,它们还能成为强大的传感器。近年来,量子计算机已经成为一个国家安全问题;一台能够运行“秀尔算法”的量子计算机能够破解大量数据存储时需要用到的公钥加密技术。

这份由美国量子计算领域众多知名科学家写成的报告,重点关注量子计算机开发中面临的挑战和潜在的益处,并设定了对量子计算机的期望。毕竟,量子计算机本身就容易出错,即由于内在的“噪音”,你不一定能从算法中得到预期的最终答案。纠错算法能够解决这些问题,但会增加计算时间,并且应该不会在短期内实现。如果没有量子随机存取存储器(RAM),我们很难将大量的古典数据集转换为量子态。设计这方面的算法很难,调试一台你看不到中间状态的计算机同样很难。

报告中指出,破解秀尔算法的量子计算机提出“已经过了十多年”,也许是几十年了。报告作者并不是通过时间,而是根据量子比特的数量以及它们出错的可能性来估算量子计算机的能力。而且,他们并不认为量子计算机将完全取代传统计算机,相反地,它们将增强传统计算机的功能。

尽管量子计算领域刚刚起步,但该报告警告称,为现有的还未成熟的量子计算机找到实际应用非常重要,这可以更快地实现突破。与此同时,他们写道,鉴于代码破解机器的潜在威胁,应该立即开始准备量子安全加密方法的工作。

IBM研究院量子安全加密技术主管迈克尔·奥斯本(Michael Osborne)并未参与撰写这份报告,他指出:“从汽车到飞机,再到发电厂——如果(量子计算机)能在15到30年后投入运行,他们就需要开始规划向(量子安全)加密系统的转变了。”

这份报告还对量子研究领域的资助情况提出了警告,特别是美国。在包括中国在内的其他国家,大量的资金和人力已经投入到量子技术的开发中。而在美国,大部分量子研究都是私人资助的——可能无法提供直接的商业利益。“如果量子计算机不能在短期内取得商业上的成功,那么政府资助对于避免量子计算研究和开发显著下滑是必不可少的,”报告中写道。

相关人士指出,这份报告应该得到认真对待。“在目前受关注的科学和技术领域,美国国家科学院因其可信和客观的报告而受到高度评价,这一次也是这样,”报告评审者之一、英特尔实验室量子应用和架构主管Anne Matsuura说道。

目前看来,美国政府也的确在认真对待这份报告。有一项向量子计算产业注资的法案已经在众议院通过,目前正提交给参议院。很明显,量子计算不会消失,持续的投资和研究将使具有纠错能力的量子计算机在下一个十年成为现实,而现在正是为可能面临的量子攻击做好准备的时候。

欢迎阅读本文章: 郑锐

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