5个原子构成的量子计算机,或颠覆整个互联网加密系统

新型量子计算机可以实现快速分解质因数的肖尔算法。 

麻省理工学院的研究者研制出基于5个原子的新型量子计算机,能够以具有可扩展性的方式实现质因数分解,这意味着目前基于大数质因数分解的互联网加密系统在量子计算机面前岌岌可危。

 

15这个数的质因数有哪些?大多数小学生都记得答案——3和5。如果要求一个更大的数字,比如91的质因数,可能就需要笔和纸来演算了。而如果选取一个232位那么大的数字,可能需要花科学家两年的时间,通过几百台传统计算机的并行操作才能进行质因数分解。

 

因为对较大的数做质因数分解极为困难,这种“质因数分解问题”就成了互联网加密方案的基础,保护着众多信用卡、国家机密以及其他机密信息的安全。然而,研究人员通过理论计算发现,一台量子计算机只要使用几百个并行原子就可以很容易地对大数进行质因数分解,从而解决这个问题。

 

1994年,麻省理工学院(MIT)应用数学系教授彼得·肖尔(Peter Shor)想出了一种量子算法,它能够计算大数的质因数,且效率比传统计算机高很多。但是,该算法的成功取决于计算机是否具有大量的量子比特(quantum bits)。许多人都曾尝试在量子系统中应用肖尔算法(Shor’s algorithm),但没人能够以可扩展的方式在拥有几个量子比特以上的系统中运用这个原理。

 

在一篇最近发表在《科学》(Science)上的论文中,来自MIT和奥地利因斯布鲁克大学的研究人员称,他们用5个困在离子阱中的原子设计制造了出一台量子计算机。这台计算机用激光脉冲在每个原子上实现肖尔算法,它能够对15进行准确的质因数分解。不仅如此,这个系统还是可扩展的(scalable),即能够添加更多的原子和激光,使量子计算机变得更大、更快,从而对更大的数进行质因数分解。他们表示,这些结果标志着Shor算法的第一次以具有可扩展性的方式实现。

 

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研究人员用离子阱中的5个原子制造出了一台量子计算机。这个计算机用激光脉冲在每个原子上实现肖尔算法,它能够对15进行正确的质因数分解。

图片来源:Jose-Luis Olivares/MIT

 

“我们证明肖尔算法——这个目前为止最复杂的量子算法是可以实现的。你只需进入实验室,运用更多的技术,就能够制造出更大的量子计算机,”MIT物理学、电子工程学和计算机科学教授Isaac Chuang表示,“虽然可能造价不菲,且近期无法建造出台式量子计算机,但是现在这已不再是一个基础物理学问题,而成为了一个工程学方面的问题。”

 

穿过量子森林

 

在经典计算中,数字一般被表示为0和1,而计算则是通过算法的“指令”实现的。这些算法通过对这些0和1的处理,将输入信号转化为输出信号。相反,量子计算的基本单元则是原子尺度的单位,即 “量子比特”,它们能够同时是0和1——这就是量子力学特有的叠加态。在叠加态中,单个量子比特本质上可以同时进行2个流计算,这种计算方式远比传统计算机更加高效,也正是量子计算优越性的本质来源。

 

2001年,身为量子计算领域先驱的Isaac Chuang设计了一种基于单分子的量子计算机。这个分子可以处于叠加态,并可由核磁共振操作对15进行质因数分解。这一发表在《自然》(Nature)上的结果是对肖尔算法的首次实验实现。但是这个系统并不具有可扩展性,一旦加入更多的原子,系统就变得难于控制。

 

“一旦原子变多,这就会变成一个“大森林”——很难控制原子间的相互干扰,”Chuang表示,“难点在于如何让系统处于足够孤立的状态,以保证其中的量子态在足够长的时间内不受干扰,完成肖尔算法。”

 

实现可扩展

 

而现在,Chuang和同事构建出了一个全新的可扩展量子系统,可以进行有效的质因数分解。对15进行质因数分解一般需要12个量子比特,但他们发现了一个新方法,只需要5个量子比特就能进行计算,一个原子代表一个量子比特,每个原子可同时处于两个不同能量的叠加态。研究人员在其中4个原子上用激光脉冲来执行“逻辑门”或者肖尔算法的组成部分。用第5个原子来储存、转发、提取并回收结果。因此肖尔算法是通过并行的方式实现的,牵涉到的量子比特比一般情况要少。

 

那么,他们是如何解决量子系统稳定性的问题的呢?他们使用了离子阱(ion trap)的技术:让每个原子都失去一个电子,也就是说让原子带上电荷,然后对它们施加电场,就可以将原子固定在原位。

 

“通过这个方式,我们可以准确地知道那个原子所在的位置,”Chuang解释道,“接着我们对另一个几微米以外的原子进行同样的处理,这个距离相当于人类头发直径的100分之一。将这些原子聚在一起,它们之间可以进行相互作用,因为它们是带电荷的。有了这种相互作用,就能够执行逻辑门,实现肖尔质因数分解算法的最基本步骤。不管系统变得多大,这样的逻辑门都可以作用于任何同类原子。”

 

Chuang的团队首先设计出了量子系统的工作原理,他在因斯布鲁克大学的合作者则根据他的方法建造了一台试验设备。他们让量子系统对15进行质因数分解(15是可以演示肖尔算法的最小数)。在没有任何先验知识的情况下,这个系统得出了正确的答案,置信水平超过99%。

 

“在未来的几代量子计算机中,一旦仪器能够捕捉更多的原子,并且有更多的激光束来控制脉冲的话,这一系统就可以直接扩展到更大规模,”Chuang表示,“没有任何物理上的理由阻止这件事实现。”

 

IBM物理科学部门的高级经理Mark Ritter表示,这个团队回收量子比特的方法能够将系统所需资源降低3倍——虽然是小小的一步,但是在实现规模化量子计算方面意义非凡。

 

“将已有的最尖端科技再改良3倍已经非常好,”Ritter表示,“但是让系统真正变得具有可扩展型需要量级更大的量子比特,而且要能让这些量子比特在更复杂的离子阱间穿梭,并让数以千计的同步激光来控制脉冲。”

 

如果这个团队能够成功地为系统添加更多的量子组件,Ritter认为这将成为一项前无古人的成就。“肖尔算法是第一个重要的量子算法。相比于传统算法,它显示出了指数级般的提速潜力,”Ritter表示,“许多人因为量子计算引人注目的提速而注意到它,它又激发了科学家们的无穷想象。因此,实现肖尔算法就好比在传统计算中的 Hello, World一样举足轻重。”

 

这些最终对于未来的加密方案来说有什么意义呢?“首先,如果你是一个国家,你可能就不想继续依赖质因数分解法这种‘难于破解’的问题来公开储存你的机密了,”Chuang表示,“因为一旦量子计算机出现,它们就可以迅速揭开所有用旧方法加密的信息。”

 

撰文 Jennifer Chu

编译 徐寒易

审校 丁家琦

 

原文链接:http://news.mit.edu/2016/quantum-computer-end-encryption-schemes-0303

作者: 
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来源: 
环球科学
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