九章量子計算機可以破解網絡密碼嗎？美國會怎樣應對我國量子崛起

最近大家都聽說了九章量子計算機取得量子霸權的消息，一舉超過美國最先進的量子計算機，成為世界上算力最強的量子計算機。更有數據顯示，九章量子計算機200秒完成的任務，最強超級計算機富嶽需要6億年才能完成。在這樣的背景下，我們不禁發問，這麼強的算力，用來破解密碼，是不是會毫不費力啊？美國會做什麼樣的打算呢？

我是今日頭條科普作者東城老師，也叫東城觀星，大學老師，給大家講述大科技背後的科學知識，喜歡我的作品，記得點個關注。

一、量子計算機的優勢

關於量子計算機工作原理，已經有很多科普作者在講解，我本身不太專業，也就不再多講了。我們只是需要知道，量子計算機可以實現非常強大的並行計算。也就是一次計算，就可以算出很多個結果，術語上說是指數級加速。啥意思呢？如果有一個量子位，就是2的一次方，一次就可以算出兩個結果；如果是三個量子位， 2的3次方，就是8個計算結果；8個量子位，一次就可以出2的八次方也就是256個結果，以此類推。

可不要小瞧指數增長，一張普通白紙，對摺51次，也就是厚度變為2的51次方倍，它的厚度比地球到太陽的距離還要大，人走路大概需要3千多年才能走完這段距離。量子計算機，如果有300個量子位，存儲的數據量，據說比全宇宙的原子數還要多。所以，只要量子位夠多，量子計算機利用並行計算，算力超過傳統計算機，還是很容易的。

二、公鑰密碼

業界一直流傳一個說法，量子計算機將會讓現有的網絡公鑰加密系統失效。所謂公鑰加密，簡單來說，就是用一個公開的數學難題來給網絡傳遞的信息加密，題雖然知道，但答案不知道，所以就算把網絡信息截取下來，也無法破解人家說的是啥。但接收的那個人電腦裡就有密碼，直接就可以破解信息。

這個數學難題擺在明面上，我們沒有答案靠自己算是算不出來的，就算用現在最先進的超級計算機，也得計算幾億年才行。所以，我們可以認為公鑰加密的信息是安全的，我們在手機上輸入銀行密碼，就是通過這樣的加密方法傳輸給銀行的，不法分子就算從網上截取了我們發送的信息，也看不明白銀行密碼是多少。但是量子計算機可以更輕鬆地破解這類密碼，因為量子計算機一次計算就可以得出特別多的結果，只要結果夠多，總有一個正確的結果在裡面。

三、九章暫時還不能破解密碼，破解密碼是有條件的

因此，很多人認為，現在我們國家終於有了量子計算機了，計算速度遠遠超過世界上最快的計算機，也超過了美國的量子計算機，是不是可以用來破解密碼了，這回該輪到美國擔心了吧。先別急著下結論，我們的九章量子計算機還沒有破解公鑰密碼的能力。

首先，九章實現量子優越性的那項操作，是模擬過程，並不是真正意義上的計算。暫時來說，九章還不能運行普通的程序，也還不能進行簡單的加減乘除，雖然未來可以做到，但當下來說還是不行的。要想破解公鑰密碼，量子計算機得能運行著名的shor算法，這個算法是科學家專門針對大數分解這樣的數學難題設計的，當然還有其他的數學難題，也需要特殊的算法來破解。現在來說，不管是中國的九章，還是美國的懸鈴木，都還不能運行這些算法，自然也就無法破解上述密碼了。

第二，九章和懸鈴木雖然都實現了量子優越性，表現出超過普通超級計算機的算力。但我們只能說，它們只是一個潛在的神童，並不是一個改變世界的聖人。說他們是神童，也就是說，它們雖然有很強的潛力，但仍然只是一個幾歲的幼兒，心智水平只是幼兒而已。懸鈴木53個量子位，九章76個量子位，就從量子位數字上來說，也是不多的。雖然有並行計算的優勢，但如果處理不能並行計算的問題，比方說一道簡單的加法或乘法，它的運算能力別說跟超級計算機比，連我們的手機計算器也比不上。

第三，未來的量子計算機確實很有可能破解公鑰密碼。現在用大數分解難題設計的公鑰密碼，如果讓量子計算機利用shor算法，真的可以很快破解。但這個事有個基本前提，那就是這臺量子計算機的量子位得足夠多。需要多少量子位呢，據估測，要想有效破解現有的公鑰密碼，一個合格的量子計算機，至少需要有上千個量子位。有文獻報導，破解現在1024位的大數分解公鑰加密系統，至少需要兩倍的量子位，也就是兩千多個量子位。

現在能做到76個量子位，已經令全世界驚嘆了，距離一千個量子位還有很遠的距離。千萬不要以為1000個量子位很容易做到，事實是極其困難。為什麼這麼說呢？我們多數人只知道九章用光子來做量子位，76個量子位只需要76個光子。別說76個光子，就是76億個光子也很容易得到，但不是所有的光子都可以做成量子位。

量子計算機要求所有的量子位都是相干的，也就是相互之間是有關聯的，它們會作為一個整體來動作。對一個量子位進行操作，會影響到其他量子位跟著一起動作。如果做不到這一點，那就不能算真正意義上的量子計算機。如果有一個量子比特被外界影響，跟其他量子位不再相干，那它就成了無效的量子位。比如美國谷歌公司的懸鈴木量子計算機本來是54個量子位，但實際工作的只有53個，其中有一個失效了。可以想像，每增加一個相干的量子位都是很困難的事，而且越到後面越難。因為量子位越多，受外界影響的機會就越大。很容易想像，我們好容易比上次增加了一個相干的量子位，卻隨時會因為一些外界影響丟掉幾個已經相干的量子位。所以，全世界各國努力到現在，只是美國做到了53個量子位，中國做到了76個量子位。什麼時候實現一千個量子位，不會是明天，也不會是明年。

第四，量子計算機要想真正用來計算，最起碼要做到幾點。可寫入數據，可進行計算，可讀取結果。對於模擬計算，我們已經證明量子計算機是有很大優勢的，已經超過了經典計算機。但是，要想實用，還得進行通用計算，這方面還沒有明顯的突破。簡單來說，雖然量子計算機可以一次計算出非常多的計算結果，總有一個正確結果在裡面。但是，我們怎樣把正確的結果挑選出來呢？量子計算機的特點是，雖然可以算出很多結果，但只能讀取其中一個結果，一旦讀取完，其他結果也就消失了，要想再讀得重新計算。除了shor等破解算法外，能否設計一個算法，快速驗證並讀取正確答案也很關鍵。這些問題都在攻關，將來應該都可以實現，但是現在還不能在九章量子計算機上進行實踐。

因為以上幾點，九章還不能破解維繫整個網際網路安全的密鑰系統，短時間內也無法做到。想用九章來破解密碼盜取信息，或者破解比特幣這樣的活動，暫時來說是痴人說夢。長遠來看，一旦量子計算機發展到可以破解現有密碼的程度了，人類新的加密形式應該也就發明出來了，現在全世界都在加緊研究可以防量子計算機破解的公鑰加密方法。

四、美國作何打算

說到美國，確實在量子計算機領域沒有取得絕對的領先地位，甚至這一回合輸給了中國。但是，我們不要盲目高興，就像前面說的，九章暫時還無法做通用量子計算機可以做的事情，破解密碼也是沒有能力的。而美國，在量子計算機領域的投入一直沒有減少，也有增加的趨勢。本來美國想通過研發量子計算機率先實現量子霸權，率先實現通用量子計算機，然後獨立攻克公鑰密碼。實現信息安全的真正霸主。

但是他們沒有想到，會出現中國這匹黑馬，在不模仿他們的技術的背景下，就實現了量子超越，這個應該能給他們帶來震驚。再加上中國在量子通訊領域的出色表現，美國對中國的技術進步確實會更加忌諱。就像當年對付日本一樣，美國一定會加大對量子通訊和量子計算機領域的研發投入和扶植力度，以再次實現技術領先。但是，中國雖然在傳統領域一直處於追趕狀態，但在新興領域，我們有技術、有人才、有資金、有市場，不見得會被美國再次甩下。

如果只是美國實現量子霸權，他不會在意公鑰失效這樣的問題的，因為這種失效是單向的，就像稜鏡門一樣。但是現在的情況是，他沒有想到中國成為了最有利的競爭者，甚至有可能率先實現通用量子計算機。他們就不會再不介意了，他們一定會加緊研發可以抵抗量子計算機攻擊的公鑰系統，以免被動。