感受量子計(jì)算機(jī)的可怕，RSA密鑰就是渣渣

雖然量子通信的加密特性存在于物理層面，量子計(jì)算從理論上來說并不能擊穿這面盾，但它光以數(shù)量級(jí)的水準(zhǔn)提升傳統(tǒng)意義上計(jì)算性能就已經(jīng)讓現(xiàn)在的人類垂涎三尺，更別提其所能達(dá)到的計(jì)算領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前認(rèn)知中的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

上個(gè)星期中國(guó)成功發(fā)射“墨子”量子通信衛(wèi)星可是在前沿科技界里扔下了一顆重磅炸彈，在驚嘆于中國(guó)科研機(jī)構(gòu)所取得的成就的同時(shí)，人們也在關(guān)心與量子通信這面“盾”所相對(duì)應(yīng)的“矛”——量子計(jì)算。雖然量子通信的加密特性存在于物理層面，量子計(jì)算從理論上來說并不能擊穿這面盾，但它光以數(shù)量級(jí)的水準(zhǔn)提升傳統(tǒng)意義上計(jì)算性能就已經(jīng)讓現(xiàn)在的人類垂涎三尺，更別提其所能達(dá)到的計(jì)算領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前認(rèn)知中的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

美國(guó)著名的洛克希德·馬丁公司在今年早些時(shí)候把自己從 D-Wave 買來的量子處理器升級(jí)到 1152 個(gè)量子位，光看數(shù)字已經(jīng)是遠(yuǎn)超理想里量子計(jì)算機(jī) 30 個(gè)量子位左右的“夠用”標(biāo)準(zhǔn)了。按照常理，它怎么說也都比 IBM 和 Google 那幫還停留在個(gè)位數(shù)量子位的貨色要強(qiáng)了吧？下結(jié)論還且慢。

執(zhí)子之“矛”：量子計(jì)算

從我們老百姓的大腦目前所理解和期望的角度出發(fā)，量子計(jì)算若最終得到應(yīng)用，帶來的是電腦的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)空間得到宇宙大爆炸級(jí)別的增長(zhǎng)。原因是量子計(jì)算的基本單元——量子位因?yàn)榱孔盈B加態(tài)的特性，不像我們現(xiàn)在的計(jì)算位一樣只能存儲(chǔ) 0 和 1 之間的一個(gè)，而是可以同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)邏輯態(tài)，即 0 和 1 兩種狀態(tài)同時(shí)存在。這使得一 n 個(gè)量子位的量子存儲(chǔ)器所能儲(chǔ)存數(shù)的數(shù)量，是傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的 2 的 n 次方倍，這光聽著就夠誘人了。然后加上量子計(jì)算機(jī)在單次運(yùn)算里就可以對(duì)這些數(shù)全部進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以相對(duì)應(yīng)地，n 量子位的量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，也是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的 2 的 n 次方倍。

量子位提供了難以想象的海量數(shù)字存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，但此處還需要能調(diào)動(dòng)得起量子計(jì)算機(jī)這可怕性能的量子算法，才能讓量子計(jì)算具備實(shí)際用途。目前人類對(duì)于量子算法研究里已經(jīng)形成公眾影響力的領(lǐng)域是信息安全——具體點(diǎn)說就是加密和解密，尤其是后者。其中最有名的是 1994 年的 Shor 算法，這個(gè)算法可指導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行大數(shù)因子分解，而大數(shù)因子分解正是目前流行的公開密鑰體系 RSA 的核心。想象一下，一個(gè) 1024 位的 RSA 密鑰，在調(diào)用 Shor 算法的量子計(jì)算機(jī)面前連一秒種都不到就會(huì)被攻破（與之對(duì)比，Core i7-4500U 處理 256 位和 260 位 RSA 密鑰所花時(shí)間為 35 分鐘和 1 小時(shí)），這種效率讓暴力破解看起來毫無莽勁，甚至還生出一分閑庭信步的氣質(zhì)。

除了已經(jīng)引起公眾注意的破解算法，目前已被發(fā)現(xiàn)的量子算法里比較有名的還有量子搜尋算法。Grover 發(fā)現(xiàn)的這種算法主要用于縮短從若干個(gè)對(duì)象里按照某種給定條件，找出一個(gè)特定的對(duì)象所需要花費(fèi)的時(shí)間。它借助了量子計(jì)算機(jī)單次運(yùn)算可處理全部寄存數(shù)據(jù)的特性，加上量子疊加態(tài)所產(chǎn)生的量子干涉效應(yīng)，使尋找次數(shù)從原來的 n/2 次減少到 n 的平方根次，就可達(dá)到一樣的 50%成功率。因?yàn)樗褜ご螖?shù)少了，時(shí)間花費(fèi)也就少了，從而使得整個(gè)搜尋操作存在重復(fù)進(jìn)行的條件——多執(zhí)行個(gè)幾次，成功找到這個(gè)特定的對(duì)象的概率也就越大，大到接近 100%。這種量子搜尋算法用途更加廣泛，它也同樣可以用于輕松破解像 DES 加密這樣的密碼體系。

正是因?yàn)榱孔佑?jì)算會(huì)對(duì)現(xiàn)有加密保護(hù)技術(shù)產(chǎn)生毀滅性的破壞力，許多人才會(huì)對(duì)其興趣濃厚。那么洛馬剛升級(jí)的擁有 1152 個(gè)量子位的 D-Wave 2X，能不能像上面所提的那樣，一眨眼的功夫就讓 RSA 密鑰形同虛設(shè)，我們手里的那些小秘密是否在它的眼里就是一絲不掛的樣子？

深度燒腦：量子退火

先不回答這問題，說點(diǎn)別的。以深度學(xué)習(xí) / 機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能領(lǐng)域，在 AlphaGo 和李世石的人機(jī)大戰(zhàn)之后重回風(fēng)口浪尖，聯(lián)想到 Google 在數(shù)年前和 NASA 合伙從 D-Wave 手里購(gòu)買絕熱量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)領(lǐng)域和量子計(jì)算可能有著私底下的交易：在深度學(xué)習(xí)的研究中，找出全局最小值始終是一個(gè)避免不了的課題，而且這個(gè)過程需要花費(fèi)大量時(shí)間。所以，這個(gè)領(lǐng)域一直都很想得到量子計(jì)算的幫助——因?yàn)槲魃泔淌谠?1998 年聯(lián)合提出的量子退火算法專精的就是尋找全局最小值。

作為到目前為止可能是最重要的量子算法，量子退火算法是模擬退火算法的進(jìn)階，后者的核心思想則繼承自熱力學(xué)的退火思想。就像退火這個(gè)工序在淬煉鋼鐵流程里為材料消除缺陷那樣，退火算法做的是一個(gè)不斷拋棄更糟糕（局部極值）的方案，直至找到最優(yōu)解（全局最小值）的緩慢過程。打個(gè)比方，這如同連續(xù)的翻山越嶺，每翻過一座山之后都記錄下山腳的海拔，直到碰上翻不過的峭壁，然后回頭去看記錄下來的山腳海拔，找出海拔最低點(diǎn)。

但模擬退火算法有個(gè)問題，就是上面剛提到的：這個(gè)“翻山越嶺”的過程很費(fèi)時(shí)間，而且有可能會(huì)因?yàn)榕龅?ldquo;翻不過”面前的勢(shì)壘然后就接受此前確定下來的極值點(diǎn)；而量子退火算法則因?yàn)榱孔恿W(xué)系統(tǒng)本身就存在隧穿效應(yīng)，而不用借助人工設(shè)定隨機(jī)數(shù)來模擬退火過程，由此可規(guī)避掉這個(gè)問題，擁有更大的概率找出正確的全局最小值。而且別忘了，量子計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)此處依然存在，去年年底的時(shí)候 Google 曾宣布過，他們從 D-Wave 買來的量子計(jì)算機(jī)在處理一系列最優(yōu)解問題上，比模擬退火以及量子蒙特卡洛算法要強(qiáng) 1 億個(gè)指標(biāo)。1 億啊 1 億。

這種啟發(fā)式算法的思路和機(jī)器學(xué)習(xí)的最優(yōu)解目的不謀而合，如果 Google 日后透露 AlphaGo 在決策上其實(shí)是借助了量子計(jì)算機(jī)和量子退火算法，才有這樣的思考速度和人類一戰(zhàn)，不管你信不信，反正我會(huì)信……

D-Wave：似是而非

講到這里，D-Wave 這個(gè)名字一定已經(jīng)給你留下印象了，那他們是不是已經(jīng)就成為量子計(jì)算機(jī)的未來了呢？當(dāng)然不是。現(xiàn)在沒人敢給量子計(jì)算下這樣的預(yù)言，D-Wave 描繪的其實(shí)也只是無數(shù)種可能性中的一種而已。

人類的最終目標(biāo)是研制出通用量子計(jì)算機(jī)，如果按照它的標(biāo)準(zhǔn)，不管是 IBM 自己搞的只有個(gè)位量子位的量子計(jì)算機(jī)，還是 D-Wave 的這些機(jī)器，全部都不算是量子計(jì)算機(jī)！前者不能按照通用量子計(jì)算機(jī)那樣，完成我們現(xiàn)在所使用的計(jì)算機(jī)每天要執(zhí)行的任務(wù)；后者則是吊死在量子退火算法這一顆樹上，除了這一套，其他的它什么都不會(huì)，包括前面提到的 Shor 算法和 Grover 算法在內(nèi)。

不過從好的方面想，Google，洛馬還有 NASA 這些機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始真正使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行一些具有實(shí)際意義的研究工作，而且 D-Wave 也給量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)應(yīng)用提供了可能。我們沒有必要糾結(jié)現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)究竟算不算真正的量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)量變的過程才剛剛開始，我們只需靜靜等候——等到量子計(jì)算機(jī)在更多行業(yè)中現(xiàn)身，獲得更廣泛應(yīng)用之后，積累下來的經(jīng)驗(yàn)總會(huì)引爆質(zhì)變的那一刻。