第50個梅森素數被發現!素數作用竟然這麼大,證明你是學霸還是學渣的時刻到了!

2021-01-18 科技日報

    

目前最大的素數找到啦:277232917-1。它也是人類發現的第50個梅森素數。這是1月初網際網路梅森素數大搜索(GIMPS)項目宣布的。

    

    

「大素數的應用,主要是網絡密碼。」中科院數學與系統科學院研究員賈朝華說,上網都要用大素數為基礎的RSA等密碼算法。

    

RSA利用素數,創建「內外有別的密碼本」。好比你發電報,用電報局的公開密碼本A,翻譯內容並發送,接受者則用私有的B密碼本解密。B與A對應,但知道A卻推不出B。


    

賈朝華說,密碼本「不對稱性」的根源是:乘法簡單,因式分解費勁,因式分解一個大數,尤其難。上千個二進位位數的RSA密碼,沒法用計算蠻力破解。「找到大素數,就可用於RSA密碼。」賈朝華說。

    

下次網購支付時,記得感謝藏在密碼裡拆解不開的素數。

    

另外,大素數還被用來考驗計算機。intel檢驗晶片就使用GIMPS的程序;SKYLAKE晶片曾由此發現BUG。

    

    

梅森素數得名於一位十七世紀的法國數學家,即可寫作2n-1的素數。比如7=8-1,31=32-1。大數學家歐拉雙目失明,還心算出231-1是一個素數。


    

梅森曾猜測n是素數的話,2n-1也是素數,他猜錯了。我們仍不知梅森素數的分布規律,數量有限還是無限。

    

找最大素數,等於找最大的梅森素數。相對普通數字,驗證2n-1是不是素數,有簡化的辦法。圖靈就設想用計算機找素數。1952年,美國人第一次用計算機找梅森素數,幾小時就找到5個。

    

1990年代出現分布式計算的GIMPS項目,鼓勵網絡用戶貢獻計算力。1952年至今,計算機共找到38個梅森素數,16個歸功於GIMPS。

    

第50個梅森素數,由美國51歲的電氣工程師帕克首次驗證。他業餘替社區維護電腦,並用社區電腦計算素數。帕克成功的前提,是GIMPS上全世界愛好者的試錯。

    

   

素數是什麼?這是個初中數學知識:素數又稱質數,只能被1和它本身整除,而數值越大成為素數的概率就越低。



賈朝華說,素數概念人人理解,所以公眾關注,從陳景潤到張益唐,大家也更熟悉數論學者。數學史上,數論一直是核心領域。如今有代數數論、解析數論、計算數論……隔行如隔山,即使是數論大同行,往往也看不懂彼此的進展。

    

素數抽象也具體。打開汽車變速箱,就能看到素數。互相咬合的大小齒輪,齒數被設計成互質的,多樣化咬合齒的搭配,避免磨損。生物的生命周期也往往是素數,這樣與天敵重合的概率最小。

    

素數,正因難以捉摸,豐富了整個世界。






最大的素數是多少?誰都念不出來,因為它有2233萬多位,如果用普通字號將它列印出來長度將超過65公裡。它沒什麼用,但尋找它卻催生出更可靠的晶片和加密技術。


    2是最小的素數,3是最小的梅森素數


數學家已經知道:在「2n-1」這類數字裡更容易發現素數,尋找最大的梅森素數,基本等於尋找最大素數。數字越大,計算越難。1996年,有一位美國的數論愛好者和退休程式設計師,設立了GIMPS項目(「大網際網路梅森素數搜索」的英文縮寫),利用網際網路上的空閒計算能力來找素數。共有100多萬臺計算機參與搜尋。


「尋找最大素數是一個遊戲,沒有實際用處。但尋找素數的努力,可以促進計算機科學。」數學家楊樂院士告訴科技日報記者,「因為計算這麼大的數是否是素數,是很難的,所以要提出新的計算方法和技術。」


手算時代,人們只找到了12個梅森素數,而計算機則幫助找到了37個,其中有15個是GIMPS項目找到的。幾十年來,愛好者們一直在創新算法,讓計算機更快驗證巨大的數字是否為素數。



「想知道『天河二號』準確不準確,也可以讓它驗算剛被發現的這個梅森素數是不是素數。」楊樂說出了梅森大素數的一個用處。


「素數測試程序代碼簡短,能給出易於檢查的答案:『當該程序在一已知素數上運行時,經數十億次計算,輸出結果是TRUE。』」中科院數學所的高全泉研究員在一篇論文中寫道,Intel公司在測試奔騰系列晶片時,就使用GIMPS的程序。另外一項有關素數的計算,還發現了奔騰晶片的一個著名「BUG」。1996年,美國克雷公司在測試超級計算機的運算速度時,還得到了一個新的梅森素數。


類似的原理,在研究分布式計算系統時,素數計算也是最合適的測試任務。


「大素數在加密算法中也有用。」楊樂說。目前廣泛應用的一種加密算法原理是:一堆素數乘起來得到一個大數很容易,反過來把大數分解成一堆素數就很麻煩,尤其當涉及大素數時。


高全泉介紹說,1990年代初,蘋果公司著名科學家理察·克蘭達爾在改進梅森素數的算法中,發現了一種加速辦法。這種辦法不但被GIMPS用於素數搜尋,還可用在其他計算中。而蘋果公司擁有專利的克蘭達爾發明的「快速橢圓加密系統」,就將梅森素數用於快速加密和解密信息。




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