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撰文 | Davide Castelvecchi

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Shor在論文中證明了如何克服量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)以量子比特為單位處理信息——量子比特對(duì)應(yīng)經(jīng)典比特，但能同時(shí)表示0和1。已知量子態(tài)對(duì)噪聲非常敏感，這會(huì)造成信息丟失。Shor提出的誤差修正技術(shù)能檢測(cè)到噪聲導(dǎo)致的錯(cuò)誤，帶來(lái)了一種讓量子信息更抗噪的方法。

Shor目前就職于麻省理工學(xué)院，同時(shí)也是一位出版過(guò)作品的詩(shī)人。1994年，他第一次發(fā)現(xiàn)了 [2] 使用理論量子計(jì)算機(jī)的方法，震驚了物理學(xué)界和計(jì)算機(jī)科學(xué)界——這種方法可能有用但也令人擔(dān)憂。他寫(xiě)了一種算法，可以讓量子計(jì)算機(jī)以閃電般的速度將整數(shù)分解質(zhì)因數(shù)。今天的大部分網(wǎng)絡(luò)流量的安全性都是由基于大質(zhì)數(shù)的加密技術(shù)來(lái)保證的。破解這些密碼很難，因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)分解大整數(shù)質(zhì)因數(shù)的速度很慢。

如今，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但它們分解超過(guò)兩位數(shù)數(shù)字的能力依然處于初級(jí)水平。但是，量子計(jì)算機(jī)威脅到網(wǎng)絡(luò)加密只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

最近，Shor在接受《自然》雜志采訪時(shí)，就如何看待自己研究的影響力，網(wǎng)絡(luò)安全的未來(lái)將走向何方等分享了自己的看法。

我的論文確實(shí)給了大家一種印象，就是這些計(jì)算機(jī)能做些有用的事。計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Daniel Simon 在我的結(jié)果出來(lái)前，解決了他遇到的一個(gè)問(wèn)題，證明了量子計(jì)算機(jī)（比普通計(jì)算機(jī)）快了好幾個(gè)指數(shù)級(jí)。但即使有了 Simon 的算法，人們依然不清楚量子計(jì)算機(jī)能有什么用。

剛開(kāi)始，我只得到了中間結(jié)果。1994年4月，我在[當(dāng)時(shí)我就職的新澤西州]貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）做了一次關(guān)于它的演講。消息傳得很快，那個(gè)周末，計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Umesh Vazirani 給我打了個(gè)電話。他說(shuō)：“我聽(tīng)說(shuō)你能用量子計(jì)算機(jī)分解質(zhì)因數(shù)，請(qǐng)告訴我是如何做到的?！?那時(shí)候，我其實(shí)還沒(méi)有解決分解質(zhì)因數(shù)的問(wèn)題。我不知道你聽(tīng)說(shuō)過(guò)兒童游戲 “打電話” 沒(méi)有，但不知怎的，五天時(shí)間里，我的研究結(jié)果就變成了分解質(zhì)因數(shù)，因?yàn)槿藗兌荚谶@樣傳。在那五天里，我正好也解決了那個(gè)問(wèn)題，所以我能告訴Umesh如何做。

我的論文還沒(méi)寫(xiě)完的時(shí)候，就有各種各樣的人來(lái)問(wèn)我要論文，所以我只能把還不完整的草稿先寄給他們。

有一個(gè)反對(duì)意見(jiàn)是說(shuō)在量子力學(xué)中，如果你測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)，你就會(huì)不可避免地干擾它。我證明了如何在測(cè)量錯(cuò)誤的同時(shí)不測(cè)量計(jì)算，這樣你就能糾正錯(cuò)誤，而不會(huì)破壞整個(gè)計(jì)算。

在我那篇1995的糾錯(cuò)論文發(fā)表后，一些懷疑人士也開(kāi)始相信量子計(jì)算或許是可行的。

為量子計(jì)算機(jī)寫(xiě)算法時(shí)，假設(shè)的是量子比特是無(wú)噪的，算法中描述的這些無(wú)噪量子比特就是邏輯量子比特。實(shí)際上量子計(jì)算機(jī)中沒(méi)有無(wú)噪量子比特，事實(shí)是，如果我們?cè)诓贿M(jìn)行任何降噪的情況下運(yùn)行算法，幾乎必定會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 

物理量子比特是量子計(jì)算機(jī)的其中一種噪聲量子比特。如果要在不出錯(cuò)的情況下運(yùn)行算法，我們就要利用物理量子比特編碼邏輯量子比特，使用一種量子糾錯(cuò)碼。據(jù)我們所知，實(shí)現(xiàn)這一步的最好做法要求相當(dāng)高—— 每個(gè)邏輯量子比特都需要許多物理量子比特。

要計(jì)算出這項(xiàng)技術(shù)需要多少量子比特是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。如果你想用表面碼（目前最好的候選對(duì)象）構(gòu)建一個(gè)量子計(jì)算機(jī)，每個(gè)邏輯量子比特大約需要100個(gè)物理量子比特或更多。

它肯定是一個(gè)里程碑。它表明了量子計(jì)算機(jī)可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)做得更好—— 至少是在一些人為設(shè)計(jì)的問(wèn)題上。谷歌確實(shí)進(jìn)行了一些宣傳。但他們也有一臺(tái)非常值得稱(chēng)道的量子計(jì)算機(jī)。但這個(gè)計(jì)算機(jī)依然需要改進(jìn)，才能做出有意思的事來(lái)。還有初創(chuàng)公司IonQ，他們看起來(lái)好像能構(gòu)建一個(gè)在某種程度上超過(guò)谷歌或IBM的量子計(jì)算機(jī)。

是的，但是最先破解RSA的人不是來(lái)自NSA（美國(guó)國(guó)家安全局），就是來(lái)自其他大型機(jī)構(gòu)。這些計(jì)算機(jī)一開(kāi)始會(huì)很慢。比如，如果你有一臺(tái)只能一小時(shí)破解一個(gè)RSA密鑰的計(jì)算機(jī)，那么任何不屬于優(yōu)先事項(xiàng)或國(guó)家安全風(fēng)險(xiǎn)的東西都不會(huì)被破解。相比看你的郵件，NSA的量子計(jì)算機(jī)有更重要的事情要做。

我認(rèn)為已經(jīng)有能取代RSA的后量子密碼系統(tǒng)了。RSA不是現(xiàn)在的大問(wèn)題，現(xiàn)在的大問(wèn)題是還有其他方法可以破壞網(wǎng)絡(luò)安全，比如惡意編程的軟件、病毒、向并非絕對(duì)誠(chéng)實(shí)的一方發(fā)送信息等。我認(rèn)為用安全的后量子密碼系統(tǒng)取代RSA的唯一阻礙是意志和編程時(shí)間。我認(rèn)為我們已經(jīng)知道要如何做到這一點(diǎn)，只是不清楚是否能及時(shí)做到。

是的，人們已經(jīng)為解決千年蟲(chóng)問(wèn)題（Year 2000）投入了大量精力。你需要付出大量努力才能過(guò)渡到后量子時(shí)代。如果我們等得太久，就太遲了。