量子计算机带来第三次“末日”，将清空你的银行卡？了解原理
我们度过了
2000年的千禧日
2012年的玛雅末日
但是还有一个
Q-day
那一天，人类所有密码都将失效
你的银行账号和存款都不再安全
金融系统将崩溃
因为那时，量子计算机已经强大到
能在几秒钟内破解最严密的加密系统
这究竟是怎么一回事？
为什么量子计算机能这么强大？
要知道答案，你要先了解经典计算机的运作原理
电脑计算的基本单位是比特（bit）
它可以处于两种二进制状态之一：
关 或 开
0 或 1
并以此表达信息并计算
8个比特的序列被称为“字节（byte）”
它可以存储的数据更多
一个单独的比特包含2个值
1字节=8比特
2^8
一个完整的字节就有256种不同的组合
它们可以分别对应
所有的英文字母、数字和键盘符号
也就是 ASCII 编码
不过，现在更常用的是 unicode 编码
它用4个字节进行编码——
有超过100万可用组合
足以涵盖从表情符号到泰米尔字符和许多其他基于字符的语言
当然，不只是编码
我们也可以用比特来解决实际的问题
请你想象一个迷宫
我们的目标是用最短的路径到达⬤中心
把沿途的每个交叉点都变成一个比特
进行二进制决策
其中 0 或 1 表示相反的转弯
这样
我们可以把每一种比特的组合
看作是穿越迷宫的一组方向
通过尝试每一种转弯的组合
就可以找到穿越迷宫的最短路径
虽然一次只能检查一个（8个比特有256种组合）
但上面的迷宫对现代计算机并不算难
如果我们的迷宫要大得多
每个新的转弯都会使组合的数量翻倍
难度呈几何式上升
经典计算机只能面露难色
这时候，就该量子计算机出场啦！
在量子计算机中，我们的比特被替换为量子比特，或者叫做量子位
它们处于量子叠加态
即，在被测量之前同时是
“关” 和 “开”
当每个量子位处于这种状态时
可以同时沿着迷宫中的每条路径走
一旦量子位被测量，我们就会得到一条路径
其正确率和随机选择路径是相同的
不过“量子算法”可以解决这个问题
例如，格罗佛算法可以利用黑盒函数来检查路径
增加正确答案的概率幅，同时减少错误答案的概率幅
再换一个例子
想象一下，你有两桶油漆
一桶是⬤红色的，另一桶是⬤蓝色的
均匀混合二者
会产生什么色调的⬤紫色
并不难算出来
但是，从⬤紫色开始
反推⬤红色和⬤蓝色的确切色调
就要困难得多
这种问题就是所谓的“陷门函数”——
在一个方向上很容易算
但反过来就很难
例如
用两个大质数相乘得到半素数很容易
但从半素数反推两个质数就非常困难
这就是，RSA加密算法的原理
1991年，曾有人提出悬赏
奖励那些能分解超大半素数的人
↓ 其中最小的一个看起来是这样的 ↓
因为它有100个十进制数字，被称为RSA-100
虽然它在几天内被分解
但直到现在
悬赏中仍有一半以上的数字未被解决
就像我们的迷宫一样
问题随着转弯次数增加而变难
面对RSA-2048
经典计算机需要300万亿年才能破解
而4099个稳定量子比特的量子计算机
只需要10秒
但实际上，今天的量子计算机做不到这一点
其最大的原因是
量子位无法保持在一个稳定的状态
足够长的时间
任何与周围环境的交互
——微小的热量、电子信号、磁场甚至宇宙射线——
都会影响量子位的状态
导致量子相干性的丧失，被称为退相干
目前，量子计算机能够保持在量子态的时间
——通常以微秒为单位——
可能不足以运行一个量子算法
也就没有时间得出结果
这同样也解释了
为什么
油桶那么大的量子计算机
只能容纳几百个量子位
就是因为
机器的绝大部分都用于尽可能地隔绝环境影响
以便尽可能地保持量子态并最小化错误
处理器本身只是其中的一小部分
的确，现在的量子计算机又笨又大
Q-day，似乎遥不可及
但事情总有意外
目前，中国科学家提出了一种新方法
能让经典计算机和量子计算机协同工作来解决一个问题
那么
Q-day，离我们
还远吗？
