史上最强解密方法：量子计算基本原理

今天，我们就来聊一聊最近很火的谷歌“量子至上”新闻，以及量子计算背后的密码学、数学、物理原理。 我会尽量做到清晰易懂，同时尽量不遗漏信息。

在网上看了很多谷歌“量子霸权”的评论量子计算对比特币的影响，特别没有根据。 大家都在引用圈内所谓名人对这个问题的看法，会不会影响币价，会不会破解区块链？ 加密系统，这是一个很奇怪的东西。

为什么奇怪？

首先，如果量子计算能够有效实现，它将改变整个世界。 在量子计算面前，区块链只是一个很小的领域；

二、量子密码学最基本的原理，如果不理解，很难独立思考去推理判断。

说说这则新闻：

下面的链接是谷歌在 NASA 上发布的论文的链接。

该论文谈到了谷歌制造的可编程超导处理器，用于创建 53 个量子比特的量子态。

根据该论文，在量子计算机上对一个 53 位 20 周期电路进行 100 万次采样需要 200 秒，但用最强大的经典超级计算机使用同样的情况需要 10,000 年。

那是什么意思？

简单理解就是谷歌处理一个任务需要200秒，而超级计算机需要1万年。

为什么这么夸张？ 这个数量级差的不是一点半点。

下面我们来谈谈这背后的量子计算的基本原理。

纠缠与叠加？

任何事物都有自己的属性，例如，一头牛的属性是重量、颜色和性别。

同样，光量子（或光子）的特征是偏振、角动量和路径。

您无需纠结于一两个物理术语。 当你揭开整个面纱后，你会发现信息叫什么并不是很重要。

两只小牛在一起玩耍，为什么？ 因为一男一女，异性相吸。 我们不知道谁是男性，谁是女性。 在现实世界中，A和B的性别是确定的，但在量子物理世界中，牛的性别是叠加态，即A既是男又是女。 就像薛定谔的猫既死又活。 然而，当观察牛时，性别又变得固定了。

A和B，我们知道他们是男是女，那么A决定了性别，那么B就是另外一个性别。 这两种性别是相关的。 这是纠缠。

例如，角动量为零的粒子衰变产生一个电子和一个正电子。 此时，两个粒子处于纠缠状态，一个的角动量向上，另一个的角动量向下。

2018年7月（去年），中国科学技术大学潘建伟教授的一篇论文实现了18个量子比特的纠缠。 我们以这个结果为例量子计算对比特币的影响，看看这个量子比特纠缠的结果。

论文链接：

有兴趣的可以在谷歌学术上搜索相关内容。

在潘建伟教授的实验中，路径、角动量和极化是两种状态。 这构成了一个量子比特。

他用了6个光子，每个光子有3个特征，所以3×6=18就是18个量子比特。

18 位需要相互纠缠，每个光子的一个特征（例如偏振）需要与其他光子以及自身的所有剩余特征纠缠在一起。

如何实现呢，我简单说一下。

如图所示，一束激光打在一个汉堡包晶体结构上，产生1和2两个光子，它们被偏振并相互纠缠； 3和4在第二个晶体结构中产生，然后通过下一个晶体结构产生5和6。

然后我们需要找到一种方法来纠缠路径和角动量这两个属性。 1和3需要使用一个设备（名字叫PBS，你不需要知道它是什么）来创建一个新的路径。 这时候1和3路径纠缠就完成了，然后类似的，3和5也用同样的方式纠缠。 然后是角动量，通过特殊的装置，将它们的角动量也纠缠在一起。

这样就完成了 18 比特的量子纠缠。

六个光子纠缠在一起，各自的三个特性不同，所以有18种可能，如上图所示。 我在表格中随机写了0和1。

对于经典计算机，一个二极管或者一个逻辑门只能表示0和1两种情况，但对于量子计算，18种情况纠缠在一起，可以同时表达18种可能。

这使得并行计算成为可能。 对于某个时刻，在一个量子存储单元中，可以同时存储2的N次方数据。 2018年中科大2018年成果为18个量子位纠缠，N等于18； 如果google“量子至上”一文可以实现53位计算，那么N就等于53。

如果N等于300，那么2^300这个数字就比整个宇宙的原子数还多。 传统计算机一个一个地运行，而量子计算机同时在N个状态上运行。

比特币的私钥目前是256位的二进制信息。 如果有一天量子计算机能够完全实现，比如256个量子比特成功纠缠，可以控制正常运行，那么所有的私钥都会瞬间被破解。 是的，任何私钥都在这台量子计算机面前抹掉了。 当然，所有银行系统的加密都被取消了。

不过，别担心。 有两个原因：

1. 量子计算还处于实验室阶段。 别说是256位的纠缠计算，就算是几十个量子位的量子计算机，暂时也无法完全自由掌控。 可能需要五到十年，甚至更长的时间才能发展起来；

2、比特币或数字货币的私钥未来可以改进。 目前有2的256次方可能。 以后可以改代码，比如把私钥改成256000个二进制信息，难度直接成倍增加。 并不是没有解决办法。

最好的防御就是进攻。 解决新解密方式的方法是加强加密，而不是单纯的防御。 你不能用刀剑和长矛来对抗核武器。 量子计算还有很长的路要走。

从历史上看，美国在二战中投下原子弹已经七八十年了。 直到现在，人类还未能有效控制核聚变。 如果能够安全有效地控制核聚变发电，那么现有的化石燃料和工业系统将被摧毁。 都变了。 量子计算也是如此。 我们不用担心自己的私钥被破解，也不用担心银行的加密系统被破解。

人类需要担心的是科学技术发展不起来，因为摩尔定理已经接近极限，没有办法在18个月内将效率提高一倍。 计算机技术的发展其实不是很快，核工业的发展还停留在瓶颈。 我老说技术大爆炸，那是过去两百年，说未来一百年的发展速度有多快，不能完全合乎逻辑。 就像你看不到一个数字货币在短时间内涨了一百倍，接下来就是一个月涨一百倍加速涨。

今天所有生命的物理理论基础其实是一百年前奠定的，并没有新的开创性工作，所以大家看到量子计算这么神奇的东西应该会感到欣慰。

量子加密和解密很可能是密码学的最终状态。 过去，密码学只有数学支持。 现在加上了物理，不管是加密还是解密都会逐渐遇到新的大瓶颈。

就目前阶段而言，研究过去发展的非对称加密算法（RSA等）就足够了。 我们应该担心的不是量子计算的真正实现，而是量子计算在很长一段时间后不会实现。