量子霸權有多可怕?中國彎道超車的希望!可抵禦黑客攻擊破解密碼

2021-01-09 小天方夜譚小天

大家從小都知道落後就要挨打,現在落後就要受到制約,美國又要制裁一批中國產品,這次都是應用軟體產品。

1月5日,美國總統川普籤署一項行政命令,禁止與八款中國應用程式(APP)進行交易。螞蟻集團支付寶、騰訊的微信支付均列在內,這八款APP為:Alipay、WeChatPay、QQ Wallet、Tencent QQ、WPS Office、CamScanner、SHAREit、VMate。

美國與中國的貿易戰一直會持續下去,一直到我們高精尖科技能與之互相制約,達成一個新的平衡。在一些美國已經形成了智慧財產權重重壁壘的領域,我們後發很難制人,必須要嘗試一些不同的賽道,進行彎道超車。

現在,小天了解到,在量子通信方面,我們實現了彎道超車。但是,光有量子通信還不夠,在量子計算機方面,我們如果能實現彎道超車,那將獲得量子霸權,實現對傳統經典電子計算機的降維打擊!小天平常對量子科技相關信息也很感興趣,現在特意分享給大家。

中國組建天地一體化量子通信網絡

1月7日,中國科技大學的潘建偉院士等人組成的團隊成功組建了世界上首個天地一體化的廣域量子通信網絡。

研究團隊在量子保密通信京滬幹線與「墨子號」量子衛星成功對接的基礎上,構建了世界上首個天地一體化量子通信網絡,實現了地面跨度4600公裡的星地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發。

經過長達兩年多測試和應用,研究團隊驗證了量子通信網絡穩定性和安全性,並進行了標準化研究、政務、金融、電力等不同領域的應用示範。

量子通信來的高安全性是其最大的優勢,中國建成的量子保密通信線路可以抵禦目前所有已知的黑客攻擊方案。

量子計算機展望

在科幻作品中,在很多科研學者的推論中,一旦我們擁有了通用型量子計算機,那麼我們將實現AI、數學算法、計算化學、新材料研發、虛擬實境VR、增強現實AR、大數據處理等廣泛領域的重大突破。無異於一次新的工業革命!

然而,目前世界上最先進的量子計算機,所能達到的運算性能,也不過是僅僅超越了早期經典計算機而已。

早期經典計算機是什麼?計算機或IT信息技術課本上有相關的介紹和圖片,就是那種二極體和水管一樣粗,體積有一棟小屋子那樣大的電子計算機先驅。放到現在,甚至用不著桌上型電腦,隨便一個智慧型手機都能完爆它。

這位電子計算機先驅的名字叫ENIAC【文末有名詞注釋】,是世界上第一臺通用電子計算機。

距離成熟的量子計算機技術問世,恐怕至少還有五十年(核聚變每年都說五十年有希望)的發展。至於超越傳統超級計算機技術,無法確定具體時間點。畢竟,超級計算機技術一直在突飛猛進的快速發展中,中美日三國輪流創造過世界第一,目前是日本的富嶽排名第一,美國排名二、三、五,中國排名四、六。整體上,中國超級計算機的總數量領先世界。

量子霸權有多可怕

中國科學家構建了76個光子的量子計算原型機「九章」,根據現有理論,「九章」處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。此問題,「九章」需要200秒的時間就可以完成,而世界上最快的超級計算機則需要6億年的時間。

由數學家波恩哈德·黎曼於1859年提出的黎曼猜想,目前有一千多條數學定理是基於黎曼猜想成立的基礎上發展而來。

黎曼猜想是人類數學科學上的皇冠,當之無愧唯一的最高峰,也代表了人類智慧的最巔峰。

這樣一個數學猜想,在162年的時間內,人類精英數學家們都沒有完全能證明。目前數學界已公開的最好的結果,大概是黎曼ζ函數前十萬億個零點位於臨界線上。由兩位精通分布式計算與解析數論的專家共同利用超級計算機完成了這個項目。如果500個量子比特的量子計算機,或許只需要1秒鐘就能完成。

計算出來的圓周率小數點後面的位數,這個數字已經突破了3.14X10^13!這是當前的世界紀錄!由谷歌工程師艾瑪·伊沃通過25臺谷歌雲虛擬機,藉助y-cruncher軟體,運行專為計算圓周率設計的Chudnovsky算法,耗費了121天時間才求出來的結果!如果500個量子比特的量子計算機,或許只需要1分鐘就能完成。

目前世界上有名的公開的量子計算機都不是通用型,都是特定型量子計算機。目前來看,最先進的量子計算機,也僅僅只能達到二十多個量子比特。谷歌的D-Wave在這方面很厲害,做到了八十個,但它的水分很大,並沒有利用量子門電路控制量子位,而是用量子退火算法走了捷徑,採用同樣的算法傳統超算甚至能比它做的更好。

不管是二十多個量子比特的真量子計算機,還是八十多個量子比特的偽量子計算機,想要破解現代加密技術還是有點困難的。以最常見的RSA加密算法為例,以目前廣泛採用的素因子分解問題的難度,應付兩百個量子比特以下的量子計算機完全沒有任何問題。200個量子比特的量子計算機,想要破解銀行卡密碼,也得花上一年以上的時間。

注意,一臺50個量子比特的量子計算機,相當於現有的普通超級計算機。而量子計算機的計算能力是指數級急速遞增的,當量子比特達到500時,意味著這臺量子計算機的一個量子邏輯電路門就可以表示2^500個狀態,計算能力相當於無窮盡的現有超級計算機。現在金融系統的加密算法基本上都是RSA,在500個量子比特量子計算機面前大素數乘積的破解,簡直和加減法一樣容易。

當我們擁有500個量子比特量子計算機,整個世界絕大部分的密碼算法都能被破解,我們計算1秒鐘,相當於傳統超級計算機計算萬萬億年。整個世界的通信及信息加密體系都將被我們的量子計算機打破,並由我們主導重新建立新的規則體系。

現代科技的三大支柱分別是能源、信息、材料,而量子計算機基本上已經站在本世紀對未來信息技術幻想、且有希望達到的頂點了。這需要整個國家持續多年的大投入才能開花結果,中國有這樣的優勢和能力,在量子通信領先世界後,研發量子計算機,搶佔量子霸權,實現對國外技術壁壘封鎖的彎道超車!

量子計算機的難點與猜想

在0和1的世界裡,量子計算機是沒有對手的,因為量子計算機的邊界,早已經超越了0和1的物理瓶頸,應用量子比特的它可以在計算中同時處在多個狀態(2^n)。量子計算機如此美好強大,其實現難點有很多,小天在此嘗試說明一二。

根據量子計算機的原理,其主要是通過亞原子粒子可以同時處在不同狀態的這一性質,將信息存儲在一個叫量子位(Qubit)的東西裡。因為這一特性,量子計算機相比起傳統電腦,能以指數級的速度解決問題。

問題就在於,存儲數據的亞原子粒子非常的脆弱,和穩定的原子不同,即使是輕微的擾動也有可能改變它所處的狀態。也就是量子力學中所謂的「退相干」——任何環境的影響都可能導致量子比特的糾纏態的坍塌!

想要解決問題,要麼降噪,要麼抗幹擾,或者兩者一起上,無論是採取什麼技術路線,都必須先讓亞原子粒子穩定下來才行。而這,也是量子計算機研發的核心難題之一。

我國科研團隊發現了馬約拉納費米子的存在證明,而馬約拉納費米子的特性將為構建拓撲量子比特創造可能,提供了量子計算機實現的基礎。美國的IBM、微軟、谷歌等科技巨頭已經開始了與馬約拉納費米子相關的拓撲量子計算機的研究。

我們還需要一種能夠在比較容易實現的環境下構建拓撲量子比特的材料,小天不負責任的猜測多半跟低溫超導以及碳基晶片有關係。

碳基晶片又是另一個能夠實現彎道超車的賽道,可以打破目前外國在矽基晶片的技術壟斷。

文末名詞注釋:

ENIAC,全稱為Electronic Numerical Integrator And Computer,即電子數字積分計算機。ENIAC是繼ABC(阿塔納索夫-貝瑞計算機)之後的第二臺電子計算機和第一臺通用電子計算機。它是完全的電子計算機,能夠重新編程,解決各種計算問題。它於1946年2月14日在美國宣告誕生。

ENIAC長30.48米,寬6米,高2.4米,佔地面積約170平方米,30個操作臺,重達30英噸,耗電量150千瓦,造價48萬美元。它的計算速度是每秒5000次加法或400次乘法,是當時使用繼電器運轉的機電式計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。

小編叫小天,儘量分享一些自己看到的信息,希望每篇幾分鐘即可快速看完,歡迎大家關注,謝謝!

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