從「量子霸權」到攻破現有加密算法:進度條才走了1%

2020-11-24 騰訊網

新智元報導

編輯：大明

【新智元導讀】面對谷歌的「量子霸權」，現在的加密算法還安全嗎？專家估計，以目前的量子計算機的水平看，距離最終破解現在的主流加密算法，進度條可能才走了不到1%。換句話說，現在的加密算法仍然安全得很。>>>人工智慧改變中國，我們還要跨越這三座大山 | 獻禮70周年

前幾天，谷歌剛剛宣布實現了其長期以來提出的「量子霸權」的目標。這是量子計算領域的一個重要裡程碑，開啟了量子計算機可以在性能表現上超越經典超級計算機的新時代。

量子霸權已經到來

在谷歌於2014年建立量子計算實驗室時，就曾表示將嘗試使用大約50量子比特實現量子霸權。當時，世界上性能最強大的超級計算機只能模擬45量子比特，因此谷歌認為實現50比特就可以達到這個目標。

但在2017年，Google承諾要實現量子霸權的同一年，IBM在一篇關於量子計算的研究論文中表明，即使實現56量子比特也不足以實現量子霸權。一年後，谷歌開始討論新的72量子比特量子計算機。

從那時起，谷歌開始降低其新版量子計算機的量子比特數量，最近公布的量子計算機只有53量子比特。正如IBM一段時間以來所說的，重要的不僅是量子比特的數量，還有「量子體積」，它是描述量子比特的數量和錯誤率的組合的衡量標準。

因此，僅僅看物理量子比特的數量，可能看不出量子計算機性能的高低。D-Wave的量子退火計算機聲稱有5000量子比特，但該公司甚至沒有提出要實現「量子霸權」或任何類似的說法。

用於D-Wave量子計算機的光刻掩模

Google的量子計算機可以運行經典超級計算機無法在合理的時間內運行的量子算法，從而實現了量子優勢。這是量子計算機首次在任何方面都超越了傳統超級計算機。

儘管這個真正的量子計算的首次「勝利」可能看起來不算驚天動地，但從歷史上看，第一個電晶體出現時，人們同樣覺得不會有很大的作用。我們可以預期的是，谷歌研究人員在論文中聲稱的運算速度的雙指數級提升，最終將使量子計算機能夠運行更多的應用程式或模擬任務（比如化學反應的模擬）。面對這類任務，經典超級計算機是無能為力的。

距量子計算機破解現有加密算法還有多久？

自從量子計算的概念提出以來，科學界就一直在討論能夠打破現有加密算法的量子計算機何時誕生。早在量子計算機還沒有實際建造之前很多年，就已經誕生了為量子計算機開發的最早的「算法」之一，其中之一就是旨在破壞現有加密的算法。

有一種算法名為Shor算法，只要量子計算機有足夠的邏輯量子比特來執行操作，該算法就可以完全破壞基於RSA和橢圓曲線密碼學的加密機制。還有一種稱為Grover的算法，可以將AES加密從128位徹底削弱至64位，然後就能通過普通計算機算法來破解了。

我們可以通過增加加密算法的位數，來防禦量子計算機和量子算法的破壞，但是一旦量子計算機具備了破壞最低級別的加密的能力，那麼距離它們破解這些加密算法的最強版本只有數年的路程。這種辦法看來行不通。

不過好消息是，要破解目前最常用的加密算法，將需要成千上萬個邏輯量子比特。加拿大公司Krypterra的研究人員認為，要攻破AES-128算法，需要2953個邏輯量子比特，而要攻破AES-256算法，則需要6681個邏輯量子比特。要破解RSA-2048加密算法，則需要4096邏輯量子比特。

那麼，邏輯量子比特到底是什麼？關於加密算法的「更安全」消息來了。Krypterra的研究人員表示，要獲得數千個邏輯量子比特，需要數百萬個物理量子比特，後者就是Google、IBM，Intel等目前聲稱實現的量子比特類型。

Google之前也曾表示，只有我們實現了10萬到100萬量子比特這個級別，量子計算機才變得真正有趣起來。

話雖如此，我們也不應該太過樂觀。首先，這個說法是在未來基於現有條件的假設（比如現有錯誤率）。如果我們在未來發現了一些突破性技術，可以極大地降低量子比特的錯誤率，那麼最終可能僅需要幾百個、幾十個、甚至幾個物理量子比特，就能組建一個邏輯量子比特，從而使當前加密算法被破解的時間大大提前。

抗量子攻擊的加密算法

所有這些並不一定意味著我們最終將不得不進入一個「前斯諾登」時代，一切內容都像是未加密的一樣，我們的私人通信記錄和在線交易記錄都將被網絡罪犯和間諜機構肆意監視和掠奪。還是有一些「抗量子」的加密算法可以保護我們免受量子計算的攻擊。

美國國家標準技術研究院（NIST）已在努力對其中一些算法進行標準化。這些算法的缺點是，在很多年後仍然未被證明。與傳統算法相比，這些算法的性能也往往較低，但正因如此，它們面對量子計算機的破解攻擊才顯現出更高的彈性。

所有這一切都意味著，即使量子計算機能夠在未來二三十年後成功破解現在的標準加密算法，現在開始設計和試驗新的加密算法也不算為時過早。這樣，當我們發現傳統加密不再能夠安全抵禦量子計算的攻擊時，我們仍然可以確保新算法能夠起作用。

參考連結：

https://www.tomshardware.com/news/google-quantum-supremacy-encryption-safe,40489.html

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