【SCRY区块链知识讲堂】第13讲:谷歌宣布量子霸权,现在的加密算法还安全吗?

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近期,谷歌宣布其“量子霸权”,这导致人们对比特币以及区块链安全的担忧。可事实真的如此吗?
近期,谷歌宣布其“量子霸权”,这导致人们对比特币以及区块链安全的担忧。可事实真的如此吗?

一、前言

10月23日,谷歌在全球顶级期刊自然杂志上发表,论文标题为《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》。它们拥有 54 量子比特数的量子处理器「Sycamore」,能够仅仅花上 3 分 20 秒的时间,就能完成世界上最强超级计算机 Summit 需要 10000 年才能完成的计算——对一个量子电路产生的随机数字采样 100 万次。其实早在上个月,谷歌就曾在 NASA官网上,发表了这一最新研究。论文宣布,“量子霸权”实现了。可是没过多久,NASA就下架了这篇论文,不过也正因如此,人们对于谷歌的新成果更加好奇了。


作为Google 在量子计算机这一领域的主要对手,IBM也乘虚而入地发表了自己的质疑观点,并迅速撰写成论文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》。


可如今,在谷歌《自然》(Nature)发表论文当天,NASA官网也发布了这样一篇文章,标题为《Google and NASA Achieve Quantum Supremacy》,大致说了和谷歌合作的一些事以及实现量子霸权的意义。



二、什么是量子霸权?

量子霸权,也叫量子优势,即在未来的某个时刻,功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型。提出这一假想的原因是,量子计算机的发展似乎遵循着“内文定律”,而经典计算机遵循着“摩尔定律”。提出内文定律的Hartmut 


Neven | Quantamagazine

摩尔定律为大众所熟知,即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番,算力增强一倍,这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限,这一定律已经放缓甚至失效。而来自谷歌量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven认为,量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数的增长速度远远快于指数函数,因此谷歌认为虽然量子计算机速度现在远不及经典计算机,但是总有一天会超过后者。这可不仅仅是谷歌研究人员的自卖自夸,实际上谷歌实验室也是按照双指数规律的速度在推进着:去年12月,一台笔记本电脑即可模拟谷歌最好的量子计算机;到了今年1月,一台功能强大的台式机才可与之媲美;而到了今年2月,经典计算机的速度已经不能和量子计算机匹敌,无法再模拟后者了。


三、量子霸权实现了吗?

当然!最开始也提到了,在发表在《自然》(Nature)上的论文中可以看到,传统算法跑在IBM顶级计算机上要1万年才能算出的东西,谷歌3分20秒就搞定了。

但IBM很不服气啊,反驳说到,说你们的算法没有优化,我们优化一下你再看看。结果确实用不了一万年,两天半就搞定了。


The Summit Supercomputer | Carlos Jones/ORNL / flickr

不过2天半也是比3分20秒要多几个数量级的,所以霸权的定义确实没什么毛病。当然了,霸权其实只要求在一个问题上量子计算机更快。而且这个问题对经典计算机来说,是不公平的。比如你想做质数分解,面对这个问题,经典计算机只能说“我太难了!”,而量子计算机呢?可能会说,“So easy,妈妈再也不用担心我的学习了!”差不多就是这样的,一个问题,管你有没有用,是不是在欺负经典计算机,只要量子计算机确实是把经典计算机远远甩在了后面,这就是很了不起的事。


Google Quantum Nature cover art small | Google AI Blog


四、那我们的密码还安全吗?

不用担心,现在我们的加密算法都是安全的。为什么呢?不是说量子计算机可以秒破密码吗?前面讲量子霸权的时候我们说到,谷歌描述的量子霸权(Quantum Supremacy)论证了量子计算机对某些特定类型问题的实际适用性,但这类问题和我们所说的破坏密码学的问题类型完全不同。


谷歌量子计算机Sycamore处理器 | Google AI Blog

被誉为现代密码学之父的图灵奖得主 Whitfield Diffie 曾在博鳌亚洲论坛上表示,量子计算只会威胁到密码学中非常窄、但非常重要的领域,使得上世纪 70 年代建立起来的公钥加密体系变得脆弱。但密码学中的许多技术,包括区块链用到的哈希编码在量子计算机面前并不脆弱。而针对此次量子计算领域的突破性成就,包括《精通比特币》作者、Vitalik Buterin 以及前比特币核心开发者在内的领域大 V 都相继发文表示,谷歌的研究只是论证了量子计算机对某些特定类型问题的实际适用性,并没有突破密码学技术;而且我们甚至不知道其是否有可能规模化。量子计算机并不是所有密码都能破解的,只是恰好我们生活中常用的大部分加密算法,正好容易被(未来的)量子计算机破解。并且大家还在开发新的专破量子计算的加密体系。等到量子计算牛逼的时候,我们肯定都换到更加安全的体系了。


V神24日也就量子霸权发推评论,我到目前为止,对最近的量子霸权最印象深刻的一句话是,它对于真正的量子计算,就像氢弹对核聚变一样。这证明了一种现象从中提取能量的能力是存在的,但要投入使用,还有很长的路要走。


参考来源:

1、《200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上架随即被撤回,引发全球热议》(公众号:量子位  作者:栗子)

https://dwz.cn/m2fKkvIe(原链接太长,已做短网址处理)

2、Google and NASA Achieve Quantum Supremacy

https://www.nasa.gov/feature/ames/quantum-supremacy/

3、Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits

https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf

4、Quantum supremacy using a programmable superconducting processor

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

5、A New Law to Describe Quantum Computing’s Rise?

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

6、谷歌实现「量子霸权」,比特币网络要被攻破了?

https://mp.weixin.qq.com/s/5EBudmijBzBSNAMYIULSTg

7、Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor

https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

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