據(jù) The Verge 報(bào)道，Google 在 10 月 23 日正式對(duì)外宣稱，它們擁有 54 量子比特?cái)?shù)的量子處理器「Sycamore」，能夠僅僅花上 3 分 20 秒的時(shí)間，就能
據(jù) The Verge 報(bào)道，Google 在 10 月 23 日正式對(duì)外宣稱，它們擁有 54 量子比特?cái)?shù)的量子處理器「Sycamore」，能夠僅僅花上 3 分 20 秒的時(shí)間，就能完成世界上最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit 需要 10000 年才能完成的計(jì)算——對(duì)一個(gè)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字采樣 100 萬次。
這件事掀起大家對(duì)量子霸權(quán)的憂慮，大家都擔(dān)心如此強(qiáng)的計(jì)算能力會(huì)對(duì)現(xiàn)有世界的加密協(xié)議構(gòu)成什么樣的影響與挑戰(zhàn)，尤其是區(qū)塊鏈技術(shù)所依托于加密算法來保證安全不可篡改。
我們先來說結(jié)論，首先當(dāng)前的安全性與加密協(xié)議在面對(duì)量子計(jì)算機(jī)這類強(qiáng)大且速度極快的機(jī)器時(shí)，已經(jīng)變得不那么可靠。但是Google 的量子處理器離實(shí)際破解重要的安全協(xié)議，比如RSA經(jīng)典的公鑰算法和BTCECDSA橢圓曲線加密算法，還有很長的路要走。有多長，就如同萊特兄弟1902年飛機(jī)起飛11秒鐘，到1939噴氣式飛機(jī)在英國首飛成功一樣還需要大量的時(shí)間。
什么是量子霸權(quán)?
Quantum Supremacy，中文翻譯為量子霸權(quán)，這里的“霸權(quán)”并不是我們常理解的霸權(quán)主義的那個(gè)“霸權(quán)”，量子霸權(quán)屬于專有名詞，意思是在處理同一個(gè)問題時(shí)，量子計(jì)算擁有了超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的特有優(yōu)勢。當(dāng)然這個(gè)詞聽著有些刺耳，于是IBM提出了量子優(yōu)勢(Quantum Advantage)，其認(rèn)為每種計(jì)算機(jī)都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，量子計(jì)算機(jī)也不會(huì)凌駕于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之上。
量子計(jì)算的原理?
一般觀點(diǎn)認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)至少需要 49 個(gè)量子比特才能達(dá)成“霸權(quán)”目標(biāo)。量子比特?fù)碛幸幌盗信c經(jīng)典計(jì)算機(jī)比特截然不同的特性。經(jīng)典比特只能表達(dá)“1”或者“0”，計(jì)算機(jī)每次讀取一個(gè)比特的當(dāng)前狀態(tài)并執(zhí)行損人和。但由于特殊的量子效應(yīng)，量子比特的位置、方向及動(dòng)量等特性無法得到明確的定義，因此量子比特能夠同時(shí)表示由“1”和“0”組成的疊加狀態(tài)。這就意味著系統(tǒng)同時(shí)處于多種狀態(tài)當(dāng)中，也就是量子不確定性。
谷歌是怎么做的?
泄露的論文內(nèi)容來看，谷歌方面使用的是一塊 53 量子比特處理器(初始量子比特為 54 個(gè)，但其中一個(gè)量子比特發(fā)生了故障)來執(zhí)行采樣測試任務(wù)。首先，經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)生成一系列被稱為量子門的量子指令。量子門相當(dāng)于在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中作用于 1 和 0 狀態(tài)的邏輯門。
這些門控機(jī)制統(tǒng)稱為量子電路，它們被發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)處，僅對(duì)純零狀態(tài)的量子比特執(zhí)行操作，從而生成結(jié)果狀態(tài)的概率分布。(由于量子力學(xué)存在不確定性，因此該函數(shù)只能得出所有可能值的出現(xiàn)概率。)最后，量子計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)以概率分布為基礎(chǔ)輸出樣本。
為了驗(yàn)證這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是否正確執(zhí)行了該任務(wù)，團(tuán)隊(duì)必須合理使用和經(jīng)典計(jì)算機(jī)作為“模擬器”，用以驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)輸出的樣本與預(yù)期值的趨近度。
經(jīng)典模擬器一般利用數(shù)學(xué)技術(shù)生成類似的概率分布函數(shù)，用于同量子計(jì)算機(jī)的結(jié)果進(jìn)行比較。但實(shí)際上二者執(zhí)行運(yùn)算的過程完全不同，畢竟如果過程相同，那就沒必要研究量子計(jì)算機(jī)了。模擬往往需要大量的時(shí)間與資源，而且成本消耗量隨著作為比較組的量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模提升而快速增長。事實(shí)上，只有量子計(jì)算機(jī)的量子比特在 50 個(gè)或者更少時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)才有能力對(duì)量子霸權(quán)加以驗(yàn)證。
看起來，Sycamore 確實(shí)在合理的錯(cuò)誤閾值之內(nèi)快速完成了這項(xiàng)工作。谷歌研究人員在一份簡短的摘要文章(同樣被發(fā)布在網(wǎng)上)中估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)在 200 秒內(nèi)完成的這項(xiàng)計(jì)算任務(wù)，利用目前最先進(jìn)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也需要上萬年時(shí)間才能搞定。當(dāng)然，不能排除世界上可能存在某種我們尚不知曉的算法，這種算法可以讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)在合理的時(shí)間范圍內(nèi)完成相同的任務(wù)。
量子計(jì)算對(duì)區(qū)塊鏈為應(yīng)用的加密協(xié)議的影響?
算力如此大規(guī)模提升對(duì)現(xiàn)有加密算法的影響。首先：當(dāng)前的安全性與加密協(xié)議在面對(duì)量子計(jì)算機(jī)這類強(qiáng)大且速度極快的機(jī)器時(shí)，已經(jīng)變得不那么可靠。再次，Sycamore 雖然能夠以遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的方式快速解決某些特定任務(wù)，不過它距離實(shí)際破解重要安全協(xié)議還有很長的道路要走。
根據(jù) Aaronson 的說明，當(dāng)前 RSA 加密協(xié)議需要利用“數(shù)千個(gè)邏輯量子比特”才能被破解。然而，目前最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)也只擁有 100 個(gè)量子比特，Sycamore 還要更少。雖然加拿大廠商 D-Wave 的設(shè)備擁有大量量子比特，但其使用的設(shè)計(jì)思路完全不同而且不涉及量子門。
邏輯量子比特是一種高級(jí)(更加抽象)量子比特，不會(huì)受到量子退相干的影響。所謂量子退相干，是指量子之間會(huì)產(chǎn)生雜亂的相互作用、引發(fā)噪聲并導(dǎo)致錯(cuò)誤。單一邏輯量子比特往往需要由數(shù)百個(gè)(甚至是數(shù)千個(gè))物理量子比特構(gòu)成，這種方式能夠抵消單一物理量子比特層級(jí)中退相干問題引發(fā)的錯(cuò)誤。
根據(jù) Aaronson 的博文所言，這意味著至少需要數(shù)百萬個(gè)“高質(zhì)量”物理量子比特才能提供數(shù)千個(gè)真正的邏輯量子比特，到這時(shí)這些邏輯量子比特才能夠破解目前常見的加密方法。再看看現(xiàn)實(shí)情況——Sycamore 只有擁有可怕 53 個(gè)，還是物理量子比特。
量子霸權(quán)對(duì)以BTC為首區(qū)塊鏈加密技術(shù)的影響短期來看是沒有什么影響的，長期來看隨著量子計(jì)算的技術(shù)進(jìn)步，加密算法也會(huì)不斷推陳出新，就如同矛與盾相互制約共同發(fā)展。
