“柳樹”的革命

神們自己

科普作家，著有《貓、愛因斯坦和密碼學(xué)：我也能看懂的量子通信》《機(jī)器新腦》

2024年，谷歌發(fā)布了新一代量子芯片“柳樹”，不僅將量子比特數(shù)量提升至105個，更是首次實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的量子糾錯技術(shù)，為量子計算的實(shí)用化鋪平了道路。不少科學(xué)家宣稱，未來科技將由“量子+ AI”的雙引擎驅(qū)動。今天，我來給大家講講量子計算這個熱門話題。

2019年，谷歌發(fā)布了53量子比特的芯片“懸鈴木”，讓“量子霸權(quán)”這個詞首次進(jìn)入公眾視野。當(dāng)時，谷歌用一個被稱為“隨機(jī)電路采樣”的任務(wù)展示了量子計算機(jī)的巨大優(yōu)勢：讓量子比特按特定線路運(yùn)行，然后測量最終狀態(tài)，重復(fù)數(shù)百萬次以獲得概率分布。谷歌宣稱這個“懸鈴木”僅用200秒完成的任務(wù)，世界最強(qiáng)的超級計算機(jī)需要運(yùn)行10000年。

這一說法引發(fā)了很大的爭議。比如，谷歌的老對手IBM反駁稱，使用優(yōu)化算法和更大存儲空間，經(jīng)典超級計算機(jī)只需2.5天即可完成運(yùn)算。2023年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陸朝陽團(tuán)隊采用改進(jìn)后的經(jīng)典算法，僅用60秒就完成了該任務(wù)。這使得不少人開始懷疑量子計算機(jī)是否真的具有壓倒性優(yōu)勢。

“柳樹”的出現(xiàn)徹底改變了這一切。同樣使用隨機(jī)電路采樣任務(wù)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，“柳樹”只用5分鐘就完成了任務(wù)，而當(dāng)今最快的超級計算機(jī)“邊境”則需1025年才能完成。這一成就不僅證明了量子計算機(jī)的強(qiáng)大性能，更標(biāo)志著量子計算進(jìn)入了一個新時代。

相比傳統(tǒng)計算機(jī)，量子計算的優(yōu)勢源自量子疊加態(tài)。傳統(tǒng)計算機(jī)的比特只能是0或1，而量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)，實(shí)現(xiàn)并行計算。例如，100個量子比特能同時處理2100種不同狀態(tài)，約等于1030種可能，遠(yuǎn)超地球上所有計算機(jī)的總算力。

但這并不容易，因?yàn)榱孔討B(tài)極其脆弱，任何環(huán)境干擾都有可能破壞它。這就像在沙子上畫畫，極輕微的震動就可能讓圖案消失。為了維持量子態(tài)的穩(wěn)定，科學(xué)家們不得不將量子比特冷卻到接近絕對零度，并使用復(fù)雜的糾錯機(jī)制。

在“柳樹”之前，量子糾錯需要巨大的開銷。為了實(shí)現(xiàn)一個可靠的邏輯量子比特，通常需要使用10個甚至更多的物理量子比特來檢測和糾正錯誤。當(dāng)我們說一臺量子計算機(jī)有100個量子比特時，用于實(shí)際計算的可能還不到10個。

“柳樹”的創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的量子糾錯。它證明了隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率可以呈指數(shù)級下降。這意味著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時，維持可靠性所需的冗余程度反而會降低。這一突破從根本上改變了量子計算機(jī)的發(fā)展路徑：我們可以把更多的量子比特用于實(shí)際計算，而不是用于糾錯。

技術(shù)是一把雙刃劍，“柳樹”的出現(xiàn)不僅帶來了新的希望，也帶來了新的擔(dān)憂：它預(yù)示著量子計算機(jī)對現(xiàn)有加密系統(tǒng)的威脅不再是遙遠(yuǎn)的未來，而是近在眼前的現(xiàn)實(shí)。

量子計算機(jī)在特定算法上表現(xiàn)出色，但并不能完全取代經(jīng)典計算機(jī)。例如，在數(shù)據(jù)庫查詢、圖像處理等任務(wù)中，經(jīng)典計算機(jī)仍然更有優(yōu)勢。但在密碼破譯、核爆模擬、材料與微納制造等領(lǐng)域，量子計算機(jī)的特定算法更有優(yōu)勢，其中恰恰包括了破解現(xiàn)有加密系統(tǒng)的Shor算法。

目前廣泛使用的RSA加密算法，其安全性建立在大數(shù)分解的困難度上。1994年，全球1600個工作站同時運(yùn)算了8個月，才破解了129位的RSA密鑰。而用量子計算機(jī)的Shor算法，理論上可以在較短時間內(nèi)完成對4096位的RSA密鑰的破解。量子計算機(jī)威脅密碼學(xué)安全的那一天，也許要比我們想象的近得多。

這種擔(dān)憂已經(jīng)開始影響現(xiàn)實(shí)世界。加密貨幣市場對“柳樹”的發(fā)布反應(yīng)強(qiáng)烈，因?yàn)樗械募用茇泿哦家蕾囉诂F(xiàn)代加密算法，它們很容易受到量子計算攻擊，面臨被破解的風(fēng)險。

面對量子計算帶來的威脅，研究人員正在緊鑼密鼓地開發(fā)能夠抵御量子攻擊的新型加密算法。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）已經(jīng)開始了后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，選擇新的加密算法來替代現(xiàn)有的RSA加密算法。與此同時，量子密鑰分發(fā)等基于量子通信的加密方法也在快速發(fā)展。量子通信不依賴于計算復(fù)雜度，而是基于量子力學(xué)的基本原理，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)“無條件安全”。

在量子計算領(lǐng)域，“柳樹”無疑是一個重要的里程碑。它不僅證明了量子計算機(jī)的實(shí)用化是可能的，還給我們敲響了警鐘：是時候認(rèn)真思考如何為量子時代的網(wǎng)絡(luò)安全做好準(zhǔn)備了。

可以預(yù)見，未來幾年，量子計算和量子通信將成為科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)場，誰能在這個領(lǐng)域占得先機(jī)，誰就將主導(dǎo)下一代信息技術(shù)革命。