為什麼量子計算會對我們產生威脅？

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伊隆·馬斯克（Elon Musk）、史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）等人曾警告未來失去控制的人工智慧可能對人類造成危害。但另一項技術可能會造成更加緊迫的威脅：量子計算。

圖片來源：VentureBeat

量子計算機源自科幻小說。例如「TSP問題（Traveling Salesman Problem，旅行商問題）」，假設有一個旅行商人要拜訪n個城市，每個城市只能拜訪一次，然後回到原來出發的城市，且要求所走的路程最短。隨著城市數量（n）的增加，問題的複雜度成指數上漲。一台計算機需要花費1000年的時間才能計算出22座城市間的最短路徑。而量子計算機可以在幾分鐘，甚至幾秒鐘之內就能完成計算。

傳統的計算機用0和1表達信息，量子計算機則依靠量子比特（quantum bits，簡稱qubits）。量子比特可以保存值0或1，或者同時保存這兩個值——疊加形態，可以記為「0+1」。它們可以通過同時列舉和測量結果解決問題。這就等於破解密碼鎖時，可以同時驗證每個可能的數字和順序。

愛因斯坦對量子力學的另一個原理「量子糾纏」深表懷疑，以至於他把它稱為「遙遠的幽靈行動」，並說這是不可能的。愛因斯坦曾說，「上帝不會擲骰子。」 但是，正如後來霍金斯寫到的，「上帝是一個老賭徒。」

儘管看起來很瘋狂，但是IBM、Google、微軟、以及英特爾紛紛說他們的量子計算機很快就要成功了。IBM已經通過雲服務向特定的客戶提供了量子計算機的先行版。為了製造真正的量子計算機，並開放世界上幾乎所有的安全資料庫，技術公司、國防部、大學以及政府之間正在進行一場全球性的較量。真正的量子計算機不僅能解決全宇宙最大的奧秘，而且——能破解世界上任何一個安全資料庫。

現代的安全系統均採用RSA（以其發明人Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman命名）的標準加密演算法保護。這種演算法的解密關鍵在於超大整數的質因數分解。如果是一個很小的數字15，那麼它的質因數分解很簡單（3x5）。但是對幾百位的數字進行質因數分解，其計算就變得異常困難，傳統計算機需要幾天乃至幾個月的時間才能破解。根據IEEE Spectrum的報道，一些量子計算機也在做這方面的計算。總有一天，量子計算機可以有效地提供能夠破解秘密通信、銀行帳號、以及資料庫密碼等的萬能鑰匙。

想像一下，一個國家優先成功創建量子計算機，那麼他們的敵對國將處於怎樣的戰略劣勢？擁有這項技術的人能夠打開每個國家的數字密碼鎖。

我們不知道各國政府的進展如何，但是在2016年5月，IBM公布了一條震驚全球的新聞：他們研製出了可以運行演算法和實驗的5比特量子計算機。可以推測，50到100量子比特的量子處理器在未來十年內即將問世。量子計算機的並行計算能力隨著量子比特數的增加呈指數增長，因此50比特的量子計算機將超越世界頂級超級計算機，研究人員稱之為「量子主宰」。

18個月後，IBM再次發布新聞，宣布他們已將公開發布的處理器升級到20個量子比特，並成功地創建了50比特處理器的運行原型，IBM因此佔據了量子計算機的主導地位。如果IBM可以讓這台量子計算機穩定的工作，並且讓量子位數再增加一倍或更多，那麼會帶來計算速度的飛速提升，同時IBM與其他掌握此技術的公司將具有不可思議的力量。

量子計算機可以給生活的各個方面帶來便利，例如天氣預報、財務分析、物流計劃、尋找類地行星，以及藥物研究，等等。但是，它也會為安全打開潘多拉盒子。我不知道有沒有公司或政府為此做好準備，但是所有人都應該有所防範。所有使用RSA加密的計算機系統都需要升級，就像當年解決千年蟲問題一樣。

安全研究專家Anish Mohammed告訴我，「量子安全」演算法的開發已經取得了實質性的進展。其中普遍看好的方法是矩陣乘法，它利用量子計算機的優勢進行大量的信息分析。另一個技術是基於編碼的抗量子簽名方案。與依賴於質因數分解的公鑰密碼系統不同，這個簽名方案依賴於編碼理論中極其困難的問題。

所以技術解決方案近在眼前。但是，最大的挑戰是將現有的系統轉變為「後量子」世界。當初面對千年蟲問題，儘管我們知道最後的期限，但依舊在技術部門內造成恐慌和破壞，最後花費了數年時間才得到補救。而對於量子計算機，沒人知道究竟還要多久，5年？10年？也許18個月後就有公司宣布更大的進展，又或者某個政府已經實現了量子計算機。最糟糕的情況是，做出量子計算機的人保持沉默，悄悄從背後竊取所有的信息。

本文作者Vivek Wadhwa，是矽谷卡耐基梅隆大學工程學院的傑出研究員。他最近出版了一本書，叫做「The Driver in the Driverless Car: How Our Technology Choices Will Create the Future」，書中討論了我們必須為建立一個偉大的未來而作出的選擇。

原文：https://venturebeat.com/2018/02/05/why-we-should-be-afraid-of-quantum-computing/

譯者：馬晶慧

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