【809】量子計(jì)算顛覆傳統(tǒng)的未來算力你有沒有聽說過這種說法“量子計(jì)算機(jī)1秒能完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾千年才能完成的任務(wù)”“量子計(jì)算將徹底破解現(xiàn)在的加密算法”“量子計(jì)算將顛覆AI、藥物研發(fā)、金融建?！绷孔佑?jì)算到底是什么它真的那么強(qiáng)大嗎什么是量子計(jì)算量子計(jì)算是一種利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算的全新計(jì)算模式。經(jīng)典計(jì)算 vs 量子計(jì)算 ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ 經(jīng)典計(jì)算 │ │ │ │ Bit比特0 或 1 │ │ │ │ 0 ──┐ ┌───? 輸出 │ │ ├───┤ │ │ 1 ──┘ │ │ │ 只能表示一個確定的狀態(tài) │ ├──────────────────────────────────────────────────────┤ │ 量子計(jì)算 │ │ │ │ Qubit量子比特可以同時是0和1 │ │ │ │ |Ψ? α|0? β|1? │ │ │ │ │ │ │ └── 疊加系數(shù)復(fù)數(shù) │ │ └────────── 基態(tài) │ │ │ │ 兩個狀態(tài)可以同時存在 │ │ 這叫量子疊加 │ └──────────────────────────────────────────────────────┘量子力學(xué)的三大特性1. 疊加Superposition傳統(tǒng)Bit 0 或 1二選一 量子比特 同時是0和1疊加態(tài) 比喻 - 傳統(tǒng)硬幣要么正面朝上要么反面朝上 - 量子硬幣在空中旋轉(zhuǎn)時同時是正面和反面2. 糾纏Entanglement兩個量子比特可以糾纏在一起 測量一個另一個立即確定 比喻 - 傳統(tǒng)兩個盒子一個裝蘋果一個裝橙子打開一個才知道另一個 - 量子兩個魔法盒子打開一個另一個自動確定是什么3. 干涉Interference利用干涉效應(yīng)放大正確答案的概率 比喻 - 正確答案波峰 波峰 更大的波 - 錯誤答案波峰 波谷 抵消量子計(jì)算能解決什么問題量子計(jì)算 vs 經(jīng)典計(jì)算 ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ 經(jīng)典計(jì)算擅長 │ │ │ │ - 文檔處理、Web瀏覽 │ │ - 數(shù)據(jù)庫查詢 │ │ - 普通科學(xué)計(jì)算 │ │ - 日常辦公 │ │ │ ├──────────────────────────────────────────────────────┤ │ 量子計(jì)算擅長 │ │ │ │ - 大數(shù)分解Shor算法→ 破解RSA加密 │ │ - 數(shù)據(jù)庫搜索Grover算法→ 加速搜索 │ │ - 化學(xué)分子模擬 → 新藥研發(fā) │ │ - 組合優(yōu)化 → 物流規(guī)劃、金融優(yōu)化 │ │ - 機(jī)器學(xué)習(xí) → 量子AI │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────────┘量子算法示例Shor算法大數(shù)分解RSA加密的安全性把大數(shù)分解成兩個質(zhì)數(shù)很難 經(jīng)典計(jì)算機(jī)指數(shù)級時間復(fù)雜度 量子計(jì)算機(jī)多項(xiàng)式時間復(fù)雜度Shor算法 示例 - 經(jīng)典分解300位數(shù)字 → 幾百萬年 - 量子分解300位數(shù)字 → 幾秒 這就是為什么量子計(jì)算威脅到RSA加密Grover算法搜索# Grover算法未排序數(shù)據(jù)庫搜索# 經(jīng)典搜索O(N)# Grover搜索O(√N(yùn)) Grover算法原理 1. 把所有可能答案疊加在一起 2. 使用Oracle標(biāo)記正確答案 3. 使用擴(kuò)散算子放大正確答案的概率 4. 重復(fù)2-3步 √N(yùn)次 5. 測量得到正確答案的概率最大 # 簡化示意偽代碼defgrover_search(oracle,n_qubits,iterations):# 1. 初始化疊加態(tài)stateuniform_superposition(n_qubits)# 2. Grover迭代for_inrange(int(sqrt(2**n_qubits))):# Oracle標(biāo)記正確答案stateoracle(state)# 擴(kuò)散放大statediffusion(state)# 3. 測量returnmeasure(state)量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀量子計(jì)算機(jī)發(fā)展階段 ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 階段1量子霸權(quán)Quantum Supremacy │ │ 2019年谷歌用53量子比特完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)1萬年的任務(wù) │ │ │ │ 階段2量子優(yōu)勢Quantum Advantage │ │ 特定問題上量子計(jì)算機(jī)確實(shí)更快 │ │ IBM、谷歌、百度等已實(shí)現(xiàn) │ │ │ │ 階段3實(shí)用量子計(jì)算 │ │ 解決實(shí)際問題如藥物研發(fā)、金融優(yōu)化 │ │ 預(yù)計(jì)5-10年后 │ │ │ │ 階段4容錯量子計(jì)算 │ │ 糾錯機(jī)制穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī) │ │ 預(yù)計(jì)10-20年后 │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────────┘主要玩家公司/機(jī)構(gòu)量子比特?cái)?shù)技術(shù)路線IBM433超導(dǎo)Google72超導(dǎo)微軟尚未實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔覫onQ32離子阱百度36超導(dǎo)本源量子64超導(dǎo)量子軟件開發(fā)# 使用Qiskit開發(fā)量子程序fromqiskitimportQuantumCircuit,execute,Aerfromqiskit.visualizationimportplot_histogram# 創(chuàng)建量子電路qcQuantumCircuit(2,2)# 初始化疊加態(tài)qc.h(0)# Hadamard門# 糾纏qc.cx(0,1)# CNOT門# 測量qc.measure([0,1],[0,1])# 繪制電路print(qc.draw())# 模擬執(zhí)行simulatorAer.get_backend(qasm_simulator)resultexecute(qc,simulator,shots1000).result()countsresult.get_counts()print(counts)# 繪制結(jié)果plot_histogram(counts)# 電路圖# ┌───┐# q0: ─┤ H ├────■───# └───┘ ┌─┴─┐# q1: ───────┤ X ├─# └───┘# c: 2/═══════量子安全后量子密碼學(xué)# 量子計(jì)算威脅現(xiàn)有加密# 需要后量子密碼學(xué)Post-Quantum Cryptography 后量子密碼學(xué)算法 1. 格基密碼Lattice-based - 基于格數(shù)學(xué)問題量子計(jì)算機(jī)也難破解 2. 多變量密碼Multivariate - 基于多變量多項(xiàng)式求解 3. 基于哈希的簽名 - 基于哈希函數(shù)安全性 4. 同源密碼Isogeny-based - SIDH/SIKE協(xié)議 # NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)2024年 已標(biāo)準(zhǔn)化 - CRYSTALS-Kyber密鑰封裝 - CRYSTALS-Dilithium數(shù)字簽名 - FALCON數(shù)字簽名 - SPHINCS數(shù)字簽名 一句話總結(jié)量子計(jì)算就是利用量子力學(xué)特性的全新計(jì)算模式——量子疊加讓1個比特頂多個量子糾纏讓遠(yuǎn)距離瞬時相關(guān)。量子計(jì)算機(jī)不是要取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)而是解決特定問題如藥物研發(fā)、優(yōu)化問題的超級加速器。量子安全也不遙遠(yuǎn)現(xiàn)在就該開始準(zhǔn)備后量子密碼學(xué)。