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Google拥有54量子比特数的量子处理器 3分20秒可完
发布时间:2019-10-27

  据 The Verge 报道,Google 在 10 月 23 日正式对外宣称,它们拥有 54 量子比特数的量子处理器「Sycamore」,能够仅仅花上 3 分 20 秒的时间,就能完成世界上最强超级计算机 Summit 需要 10000 年才能完成的计算对一个量子电路产生的随机数字采样 100 万次。

  这件事掀起大家对量子霸权的忧虑,大家都担心如此强的计算能力会对现有世界的加密协议构成什么样的影响与挑战,尤其是区块链技术所依托于加密算法来保证安全不可篡改。

  我们先来说结论,首先当前的安全性与加密协议在面对量子计算机这类强大且速度极快的机器时,已经变得不那么可靠。但是Google 的量子处理器离实际破解重要的安全协议,比如RSA经典的公钥算法和BTCECDSA椭圆曲线加密算法,还有很长的路要走。有多长,就如同莱特兄弟1902年飞机起飞11秒钟,到1939喷气式飞机在英国首飞成功一样还需要大量的时间。

  Quantum Supremacy,中文翻译为量子霸权,这里的“霸权”并不是我们常理解的霸权主义的那个“霸权”,量子霸权属于专有名词,意思是在处理同一个问题时,量子计算拥有了超越所有经典计算机的计算能力,实现了量子计算机的特有优势。当然这个词听着有些刺耳,于是IBM提出了量子优势(Quantum Advantage),其认为每种计算机都具有其独特的优势,因此,量子计算机也不会凌驾于传统计算机之上。

  一般观点认为,量子计算机至少需要 49 个量子比特才能达成“霸权”目标。量子比特拥有一系列与经典计算机比特截然不同的特性。经典比特只能表达“1”或者“0”,计算机每次读取一个比特的当前状态并执行损人和。但由于特殊的量子效应,量子比特的位置、方向及动量等特性无法得到明确的定义,因此量子比特能够同时表示由“1”和“0”组成的叠加状态。这就意味着系统同时处于多种状态当中,也就是量子不确定性。

  泄露的论文内容来看,谷歌方面使用的是一块 53 量子比特处理器(初始量子比特为 54 个,但其中一个量子比特发生了故障)来执行采样测试任务。首先,经典计算机会生成一系列被称为量子门的量子指令。量子门相当于在经典计算机中作用于 1 和 0 状态的逻辑门。

  这些门控机制统称为量子电路,一点通高手论坛《爱你》杂志庆创刊10周年并发布,它们被发送至量子计算机处,仅对纯零状态的量子比特执行操作,从而生成结果状态的概率分布。(由于量子力学存在不确定性,因此该函数只能得出所有可能值的出现概率。)最后,量子计算机负责以概率分布为基础输出样本。

  为了验证这台量子计算机是否正确执行了该任务,团队必须合理使用和经典计算机作为“模拟器”,用以验证量子计算机输出的样本与预期值的趋近度。

  经典模拟器一般利用数学技术生成类似的概率分布函数,用于同量子计算机的结果进行比较。但实际上二者执行运算的过程完全不同,毕竟如果过程相同,那就没必要研究量子计算机了。模拟往往需要大量的时间与资源,而且成本消耗量随着作为比较组的量子计算机的规模提升而快速增长。事实上,只有量子计算机的量子比特在 50 个或者更少时,经典计算机才有能力对量子霸权加以验证。

  看起来,Sycamore 确实在合理的错误阈值之内快速完成了这项工作。谷歌研究人员在一份简短的摘要文章(同样被发布在网上)中估计,量子计算机在 200 秒内完成的这项计算任务,利用目前最先进的经典计算机也需要上万年时间才能搞定。当然,不能排除世界上可能存在某种我们尚不知晓的算法,这种算法可以让经典计算机在合理的时间范围内完成相同的任务。

  算力如此大规模提升对现有加密算法的影响。首先:当前的安全性与加密协议在面对量子计算机这类强大且速度极快的机器时,已经变得不那么可靠。再次,Sycamore 虽然能够以远超经典计算机的方式快速解决某些特定任务,不过它距离实际破解重要安全协议还有很长的道路要走。

  根据 Aaronson 的说明,当前 RSA 加密协议需要利用“数千个逻辑量子比特”才能被破解。然而,目前最强大的量子计算机也只拥有 100 个量子比特,Sycamore 还要更少。虽然加拿大厂商 D-Wave 的设备拥有大量量子比特,但其使用的设计思路完全不同而且不涉及量子门。

  逻辑量子比特是一种高级(更加抽象)量子比特,不会受到量子退相干的影响。所谓量子退相干,是指量子之间会产生杂乱的相互作用、引发噪声并导致错误。单一逻辑量子比特往往需要由数百个(甚至是数千个)物理量子比特构成,这种方式能够抵消单一物理量子比特层级中退相干问题引发的错误。

  根据 Aaronson 的博文所言,这意味着至少需要数百万个“高质量”物理量子比特才能提供数千个真正的逻辑量子比特,到这时这些逻辑量子比特才能够破解目前常见的加密方法。再看看现实情况Sycamore 只有拥有可怕 53 个,还是物理量子比特。

  量子霸权对以BTC为首区块链加密技术的影响短期来看是没有什么影响的,长期来看随着量子计算的技术进步,加密算法也会不断推陈出新,就如同矛与盾相互制约共同发展。

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