量子技術(shù)改變生活

什么是量子計(jì)算機(jī)呢？量子力學(xué)研究原子和基本粒子，如電子、光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，量子計(jì)算機(jī)通過控制這些粒子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，但其運(yùn)行方式與普通電腦截然不同，它不是現(xiàn)有電腦的加強(qiáng)版，而是一種基于量子力學(xué)的全新設(shè)備，就像電燈泡不是蠟燭的加強(qiáng)版一樣，即使再怎么改良蠟燭，也做不出電燈泡，這需要完全不同的技術(shù)以及基于更深層次的科學(xué)認(rèn)識。

量子計(jì)算機(jī)與當(dāng)前電腦的關(guān)系就好比電燈泡和蠟燭 ?

如同電燈泡帶來的社會(huì)變革一樣，量子技術(shù)的潛在應(yīng)用也能夠改變我們的生活，比如，量子技術(shù)在信息安全、生物醫(yī)藥科技、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都會(huì)引發(fā)巨大影響。專注于量子信息安全技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的維克拉姆·夏爾馬（Vikram Sharma）領(lǐng)導(dǎo)著一家全球頂級安全網(wǎng)絡(luò)公司，他曾對當(dāng)今安全數(shù)據(jù)易受攻擊的特性發(fā)出警告，揭示出數(shù)據(jù)信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)將越來越大，并強(qiáng)調(diào)需要對安保數(shù)據(jù)進(jìn)行更加強(qiáng)有力的加密，而量子加密技術(shù)可以使這些問題得以緩解。

網(wǎng)絡(luò)信息安全的重要性

現(xiàn)如今，全球的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多達(dá)數(shù)百億臺，網(wǎng)絡(luò)安全威脅已經(jīng)影響到個(gè)人和國家層面，而且有愈演愈烈的趨勢。如在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，摩根大通、雅虎等大公司的數(shù)據(jù)泄露事件曾導(dǎo)致數(shù)億、甚至數(shù)十億美元的損失，這類規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)攻擊非常容易引發(fā)商業(yè)經(jīng)濟(jì)大動(dòng)蕩。

信息網(wǎng)絡(luò)安全很重要

如此看來，豈不是計(jì)算機(jī)技術(shù)越發(fā)達(dá)，我們用來保護(hù)數(shù)據(jù)的手段就越脆弱？這時(shí)，量子信息、量子計(jì)算機(jī)等進(jìn)入大眾的視野。量子信息最主要的三個(gè)方向是量子計(jì)算、量子加密與量子傳輸。其中，量子加密（或稱量子密鑰分發(fā)）利用的是量子不可克隆原理。量子力學(xué)認(rèn)為，利用這種不可克隆性，可以實(shí)現(xiàn)一種理論上“絕對安全”的加密手段。而量子計(jì)算機(jī)則是利用自然界的微觀粒子來大幅增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，其運(yùn)算能力強(qiáng)大到可以破解我們今天所用的許多加密系統(tǒng)。如果說量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是一柄鋒利的矛，可以刺穿現(xiàn)有的加密體系，那么量子加密就是一張無比堅(jiān)固的盾，在理論上永遠(yuǎn)不可能被“攻破”。那從信息安全的角度來說，這些信息領(lǐng)域的攻防是如何交手的呢？

信息安全領(lǐng)域的三要素

我們以同學(xué)間傳小紙條為例，來解釋信息安全領(lǐng)域里的加密及解密是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。

假設(shè)你有個(gè)秘密的小紙條要傳遞給好友，為保護(hù)你倆的最高秘密，你把紙條放在一個(gè)配有一把特殊密碼鎖的密碼盒里，密碼盒一旦鎖上，小紙條內(nèi)容就會(huì)轉(zhuǎn)換為隨機(jī)的數(shù)字，其他人即便是暴力砸開也看不明白那些亂碼。你把這個(gè)盒子送給好友，在盒子還沒送到的時(shí)候，通過打手勢或者悄悄話告訴了好友密碼，一旦他拿到盒子，輸入密碼，文件就解密完成，他就能看到小紙條內(nèi)容。

從這個(gè)過程中你能看到信息加密的3個(gè)要素：秘鑰、秘鑰傳遞、加密算法。秘鑰，又被稱為加密鑰匙，你可以把它想像成密碼；將秘鑰安全地送到指定地點(diǎn)、指定人，通過做手勢或悄悄話告訴他密碼的過程稱為秘鑰傳遞；用來加密和解密文件的鎖稱為加密算法。加密算法通過秘鑰將文件中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為隨機(jī)的數(shù)字，沒有秘鑰的話很難將密碼破解。因此，算法的重要性就在于即使有人得到了盒子，把它打開，但沒有秘鑰，不知道加密算法，他也無法讀取文檔里的內(nèi)容，得到的只是一些隨機(jī)的數(shù)字。

現(xiàn)如今，大部分的安全系統(tǒng)都依賴于安全的秘鑰傳遞方式，將秘鑰傳遞到正確的地方。然而，迅速增長的計(jì)算能力已危及到了我們目前所使用的許多秘鑰傳遞方式。比如，RSA是目前使用最廣泛的公鑰密碼體制之一。它在1977年由羅納德·李維斯特（Ron Rivest）、阿迪·薩莫爾（Adi Shamir）和倫納德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出。在那個(gè)時(shí)候，人們大約要花上萬億年才能破解一個(gè)426位的RSA秘鑰，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，到了1994年，也就是17年后，這個(gè)秘鑰就被破解了，這迫使人們不得不設(shè)置更長的密碼，比如2048或者4096位的密碼來提高其安全性。

正如我們了解的，加密者和解密者之間的算法競爭一直在持續(xù)進(jìn)行，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)則將會(huì)更快地破解復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，而這些算法是今天我們使用的加密系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，量子計(jì)算機(jī)將把我們現(xiàn)在建的安全城堡變成一觸即倒的紙牌屋。

信息領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

在信息加密3要素中，隨機(jī)數(shù)字是構(gòu)成秘鑰的基礎(chǔ)。但今天，面對更高級的算法，數(shù)字不再是真正隨機(jī)的。目前，我們把根據(jù)隨機(jī)數(shù)字頻率，靠軟件生成的秘鑰稱為偽隨機(jī)數(shù)字生成器（PRNG）算法，這些由程序或者數(shù)學(xué)方法生成的數(shù)字總會(huì)有一些并不那么明顯的規(guī)律存在，這些數(shù)字的隨機(jī)性越低，就越容易被預(yù)測到。

因此，擁有一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)字生成器對于生成安全的密碼而言很重要。多年來，研究者們一直在努力制造真正的隨機(jī)數(shù)字生成器。但遺憾的是，大部分的設(shè)計(jì)要么不夠隨機(jī)，要么不夠快，要么很難重復(fù)使用。但量子給我們帶來了曙光。量子的世界是真正隨機(jī)的，能夠測量量子效應(yīng)的裝置可以非常快速地生成連續(xù)不斷的隨機(jī)數(shù)字流，因此，世界各地的頂尖大學(xué)和公司都在集中精力制造真正的隨機(jī)數(shù)字生成器。

最初制造的量子隨機(jī)數(shù)字生成器長2米、寬1米，之后科學(xué)家把它縮小到一個(gè)盒子大小。到今天，它已經(jīng)被小型化為外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)（PCI）卡，能夠插入到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上。這是世界上最快的真隨機(jī)數(shù)字生成器，通過測量量子效應(yīng)，每秒可以生成10億個(gè)隨機(jī)數(shù)字，目前已經(jīng)被用于提升云服務(wù)提供商、銀行和政府等機(jī)構(gòu)的安全性。 ? 然而，即便有了真正的隨機(jī)數(shù)字生成器，我們還面臨第二個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)安全威脅：那就是秘鑰的安全傳遞問題。目前的秘鑰傳輸技術(shù)無法對抗量子計(jì)算機(jī)。而針對這一問題的量子解決方案，叫作量子秘鑰分發(fā)，它利用了量子力學(xué)一個(gè)基礎(chǔ)的違反直覺的特性，任何對量子系統(tǒng)的測量都會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如果有第三方試圖竊聽密碼，必須用某種方式測量它，而這些測量就會(huì)帶來可察覺的異常。 ? 我們再來回想一下小紙條游戲，這次，你不需要通過打手勢或者說悄悄話告訴朋友密碼，而是利用量子效應(yīng)，用一束激光攜帶這個(gè)密碼，通過光纖傳遞給好友。假設(shè)這時(shí)候一個(gè)壞人想拿到或者偷偷篡改這個(gè)密碼，在嘗試攔截這個(gè)量子秘鑰的過程中，他會(huì)留下電子痕跡，使你和好友都能察覺到，這樣被攔截的秘鑰就會(huì)作廢，而留下來的秘鑰能夠?yàn)閿?shù)據(jù)提供強(qiáng)大的保護(hù)。 ?

? 物聯(lián)網(wǎng)預(yù)示了一個(gè)高度互聯(lián)時(shí)代的來臨，隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等信息基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，要想未來社會(huì)能夠正常運(yùn)作，信息安全系統(tǒng)就至關(guān)重要，因此，以量子通信和量子計(jì)算為代表的量子信息技術(shù)成為當(dāng)前國際熱門的戰(zhàn)略性科技方向，中國在這一領(lǐng)域處于國際前列，特別是量子通信技術(shù)在信息安全領(lǐng)域已有一些明確的應(yīng)用模式。 ?

除了在信息安全領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)在其他領(lǐng)域也有著非凡意義，比如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。對于現(xiàn)在的超級計(jì)算機(jī)而言，在藥物研發(fā)過程中設(shè)計(jì)和分析分子迄今仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的難題，但量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)運(yùn)用了與其試圖模擬的分子相同的量子特性，所以在未來的藥物研發(fā)中，大規(guī)模量子模擬或許有助于治療影響成千上萬人的疾病，如阿爾茲海默癥。因此，我們不能只把量子力學(xué)當(dāng)作是制造量子計(jì)算機(jī)的工具，而是將使用量子計(jì)算機(jī)視作探索自然奧秘、揭示未知世界的利器，它將會(huì)影響整個(gè)21世紀(jì)的進(jìn)程，而它的影響力將比20世紀(jì)改變了整個(gè)世界的數(shù)字革命還要深遠(yuǎn)。

編輯：黃飛

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