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量子计算机快速分解质因子

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:12

    量子计算机快速分解质因子

    这张显微照片中所示的设备用于运行首次固态秀尔算法示范。它由4个相量子位和5个超导谐振器组成,共9个量子元件。该量子处理器约0.25平方英寸大小。

    尽管跟分解600位数比起来逊色许多,但这一成就代表了量子计算机建设之路上的一个里程碑,建成能进行大数质因子分解的量子计算机对数字加密和网络安全都意义重大。研究成果提前在线发表在《自然•物理学(Nature Physics)》上。

    “15只是个很小的数字,但重要的是,我们证明了,我们可以在固态量子处理器上运行彼得•秀尔(Peter Shor)的一种质因子分解算法。这实在令人兴奋,以前从没有人做到过。”该论文的第一作者埃里克•卢塞罗(Erik Lucero)称。这项研究进行和论文写成时,卢塞罗是加州大学圣巴巴拉分校的一名物理学博士生;现在,他是IBM的一名博士后研究员,进行实验量子计算研究。

    “最重要的是,对小数字进行质因子分解时使用的概念,在分解大数时同样适用。”加州大学圣巴巴拉分校物理学教授、该实验合作者安德鲁•克莱兰德(Andrew Cleland)说到,“我们只需要增大处理器的尺寸。这不容易做到,但前进的道路是明确的。”

    实际应用的需要推动相关研究的进展,卢塞罗解释说,大数质因子分解是网络安全协议的核心,如最常见的RSA加密。他说道:“任何时候你发送一个安全的传输数据——如你的信用卡信息,你所依赖的安全性都基于一个事实,即确实很难找到大数的质因子。”他进一步解释说,利用传统计算机和广为人知的经典算法对RSA实验室公布的最大的数(包含超过600个十进制位数)进行质因子分解,需要的时间比宇宙的年龄还长。

    量子计算机可以将用时缩减到几十分钟。“量子计算机解决这个问题比传统计算机快得多,用时相差15个数量级。”卢塞罗称,“这将产生极为广泛的影响。量子计算机将从多方面颠覆游戏规则,其中必然包括计算机安全。”

    因此,如果量子计算机使得RSA加密不再安全,谁将取代它呢?卢塞罗说,答案是量子密码。“量子密码不仅更难破解,而且如果有人在传输过程中窃取信息,你还可以知道。想象有人窃听你的电话,但现在,窃听者每一次企图听清你的谈话,声音都会混乱。如果使用量子密码,有人试图窃取信息则会改变整个系统,发射器和接收器都会意识到这一点。”

    为了进行研究,卢塞罗和他的同事设计并制造了一台量子处理器,在一个特制的超导体量子电路上解决对数字15进行质因子分解的问题。“我们选择15这个数字,是因为它是满足测试秀尔算法所需条件的最小合数——它是两个不相等的质数之积。”他解释道。

    这台量子处理器使用了一个量子电路,它由4个超导相量子位(相当于晶体管的量子元件)和5个微波谐振器组成。操作这9个量子元件十分复杂,需要建立一个控制系统,能精确运作并具有相当高的自动化程度——这是能运作更大和更复杂电路的系统的原型。该研究代表了朝着可扩展的量子结构迈出的重要一步,同时也满足了量子计算的基准,对量子信息和密码技术来说具有历史意义。

    “在重复这项实验150,000次后,我们显示,我们的量子处理器在一半的时间内得到了正确答案。”卢塞罗称,“我们对秀尔算法的最高期望是用恰好50%的时间得到正确答案,所以我们的结果正是我们理论上所期待的。”

    据卢塞罗称,下一步就是延长量子相干时间,把量子元件从9个扩展到上百个、上万个直至数百万个。“现在,我们知道了15=3×5,我们可以开始思考怎么分解较大的——我敢说——更实用的数。”他说。

    (环球科学 邱晓琰)

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