超级计算机需要38年才能破解密码，谁不到5分钟就能完成？

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写在前面的话

需要超级计算机 38 2008年可以破解的密码，谁不到？ 5 能在几分钟内完成？-量子计算机！

如果传统计算机接近摩尔定律的极限，量子计算机就会表现出全新的可能性—— 50 一个量子比特可以同时有效地运行，其一次计算能力将超过 100 万亿经典计算！

本文从第四次不断变化的工业革命开始。教授会告诉你追溯量子计算的由来，解密它背后的科学原理，直到你预见它可能带来的未来！

小编注：本文既有优秀的内容，又有形象有趣的描述，帮助理解。耐心阅读，以防读懂！

这篇文章的内容来自中国科学院教授丁洪。 · 科技创新校长太空站“科学新年大会暨腾讯科技之夜演讲《铁马冰河入梦：量子计算机晶体管》。

电视连续剧《三国》(2010)的封面截取。

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第四次工业革命的新引擎

回顾人类工业文明的进程:第一次工业革命是由蒸汽机推动的，开启了机械化时代；第二次工业革命借助电机和内燃机带来了电气化时代；第三次工业革命依靠计算机和互联网开辟了信息时代；第四次工业革命即将到来，以人工智能和量子计算为代表的技术引领着我们进入智能时代。

从蒸汽时代到未来

经典计算技术在当今信息时代逐渐接近其物理极限。由于兰道尔极限的热损失和量子隧穿效应的限制，支撑半导体产业发展半个多世纪的摩尔定律将失效。。

摩尔定律：每隔一段时间 18 本月，集成电路上可容纳的部件数量翻了一番，计算性能翻了一番

为了突破这个瓶颈，科学家们提出了一个革命性的新计算范式。——量子计算。这一基于量子力学原理的新计算技术，为信息处理开辟了一条全新的道路。

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进入量子世界：叠加与纠缠的奇妙

由诺贝尔奖获得者和著名科学家组成的量子计算机概念理查德 · 费曼（Richard Feynman）提出来的。他观察到，用经典计算机模拟量子系统是非常困难的，所以他提出了一个创新的想法：制造遵循量子力学规律的计算机是模拟现实世界中量子系统的最佳途径。

理查德 · 费曼（Richard Feynman）

了解量子计算机之前，我们需要了解什么是量子。量子体是能量最基本的携带者。，比如光子；也是最基本的单位组成物质，例如电子和原子。

左边是光子，右边是电子和原子。

thesciencefaith.com（右图）

量子世界有两个令人惊叹的特征：量子叠加与量子纠缠。量子叠加是指量子系统可以同时存在于多种状态。为了表现这种反直觉的量子现象，薛定谔提出了著名的思想实验——“薛定谔的猫”：一只猫的生死状态必须在宏观世界中确定，要么生要么死；但是在量子力学的描述中，猫咪在观察前可以处于生与死的叠加状态。。

薛定谔和薛定谔的猫

量子纠缠是超越我们日常经验的另一个奇怪现象。有两种双胞胎关系密切。不管他们相隔多远，一个人的情绪变化都会立刻影响到另一个。量子纠缠比这更奇妙:两个或两个以上的量子在特定的方式相互作用后，状态会密切相关。即使把它们分开很远，测量其中一个量子的状态，也会立刻影响其它量子的状态。爱因斯坦称之为这种超越时空限制的联系。 " 幽灵般的远程作用 "。

量子纠缠

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量子比特：指数级计算能力

这些奇特的量子世界为信息处理开辟了一种全新的方式。科学家们认为，如果能够将量子的特性应用于信息的基本单位-比特。，全新的计算方法也有可能实现。这就引出了量子比特的概念。

量子比特和经典比特在量子世界中有本质的区别。经典比特只能在任何时候确定。 0 或 1 状态；而量子比特可以存在 0 态和 1 状态随意叠加状态。当我们拥有多个量子比特时，因为每个量子比特都可以处于叠加状态，也有可能在量子比特之间产生纠缠，使整个系统能够同时处理指数级增长的信息量。

经典比特和量子比特

举个直观的例子:一个量子比特可以存储两个状态的信息，两个量子比特可以存储四个状态，三个量子比特可以存储八个状态。按照这个规律，如果有 50 一个量子比特可以同时有效地工作，一次计算的能力将超过 100 经典计算万亿次！

随着量子比特位数的运算量呈现 2n 增长

这让我想起了一个流传已久的数学寓言:古印度国王同意大臣把小麦放在棋盘上的要求，第一个放一个，第二个放两个，每个都是前一个的两倍多。这个看似简单的要求最终需要184 亿亿粒小麦，远远超过当时世界上小麦的总产值。量子计算能力的增长是如此惊人：每增加一个量子比特，计算能力就是指数级增长。。

国际象棋盘和麦粒问题

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量子算法：从迷宫寻路到密码破解

通过精心设计的量子算法，可以发挥量子计算机的强大性能。在众多量子算法中，Grover 优化算法和Shor 算法这是两个有代表性的例子。

Grover 优化算法解决了在大量数据中快速找到目标的问题。例如，假设你正在走一个迷宫，每个十字路口有三个方向可供选择(向左、向右、向前)。假如这个谜宫存在 50 一个路口，使用传统方法需要尝试 3 的 50 二次可能的路径组合。这一数字令人惊叹，即使是最快的经典电脑也需要不可想象的时间来计算。

Lov Grover

但使用 Grover 不同的量子算法。它就像拥有一种神奇的能力：在每一个十字路口，你可以同时探索所有可能的方向，正如孙悟空的分身术一样。。这一并行探索的能力大大缩短了寻找正确路径所需的时间。

孙悟空分身术

另一个是 Shor 主要用于算法大数分解。比如，57 能够分解成 3 × 十九，这很简单。但是对很大的数字，比如一个 100 位数，用传统计算机进行因式分解，几乎不可能完成任务。。

而 Shor 量子算法可以快速解决这个问题。与经典算法相比，随着大数位数的增加，经典算法的计算频率增长迅速(呈指数增长)，量子计算呈现缓慢的多项式增长。

随著大数位数的增加，

经典计算机和量子计算机计算频率增长速度的差异

Shor 一个重要的应用是算法破解密码。目前常用的 RSA 加密就是通过大多数因式分解的难度，通常采用 1024 位置钥匙。用现有的超级计算机破解需要很长时间，但是量子计算机可以在很短的时间内完成破解。

不同计算机破解不同比特位数密匙的时间

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量子计算的困境：退出相关难题

虽然量子计算机表现出巨大的潜力，但它面临着严峻的考验，其中最重要的是退出相关问题。正如薛定谔猫的实验所揭示的那样，当量子系统被观察到时，量子的叠加态就会坍缩成确定状态。量子计算过程中，任何外部干扰都会破坏量子叠加态，它不能长期维持。这种对环境干扰的敏感性使得量子计算机容易受到噪音的影响，成为目前量子计算机发展的最大瓶颈。

由于外部因素的影响，

不能长时间存在量子叠加态，衰退为单一态

针对这一情况，科学家们想出了两种方法。首先是量子纠错，就像在文本编辑中使用拼写检查工具一样，量子状态可以通过特殊的“纠错规则”发现和修复量子计算中可能出现的错误来持续更长时间。

第二种是扩张量子计算，该系统采用了一种叫做“拓扑”的数学概念(具体后面会详细介绍)，能使计算步骤不易受到外界的干扰，进而更加安全可靠。

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超导量子计算机突飞猛进

当前实现量子计算机的方案很多，包括超导量子比特、离子陷阱、NMR、量子点、NV 色心、量子光学和拓扑量子计算。超导量子计算是主要方向，拓扑量子计算是更新的前沿方向，这也是我目前的研究方向。

近几年来，超导量子计算机发展迅速，仅仅十多年，它就从 2012 年仅能控制 4 目前，个量子比特已经发展到可以控制数百个量子比特的规模。。它就像从一台只能进行个位加减法的计算器，发展到一台可以处理更复杂计算的计算机。

超导量子计算机发展史史

2019 谷歌公司2008年使用 53 一个量子比特 " 悬铃木 " Cpu，量子计算机在特定任务中的优势首次得到证明。。接着，他们又推出了搭载。 105 一个量子比特 " 垂柳 " Cpu，不但增加了量子比特的总数，而且延长了量子态的维持时间。 5 倍数。我们国家，来自中国科技大学 " 祖冲之 " 还实现了超导量子计算机 60 控制多个量子比特。

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理解拓扑量子计算的两种描述

拓扑量子计算是我现在从事的另一种方案，它借助于数学中一个有趣的概念。——拓扑不变量。想象一个橡皮圈，无论你如何拉伸或扭曲它，它始终保持着闭环的本质特征，只要它不被切断。这就是拓扑的不变量:关注物体的本质特征，而非具体形态。。

拓扑不变量

那让我想起了古印加人发明的东西。"奇普"——这种用绳结记录信息的方法类似于拓扑量子计算。在奇普系统中，信息被编码在绳结的编织方法中，而不是绳结的长度或松紧。只需不损伤绳结的基本结构，信息就能顺利存储。

奇普(古印加人一种结绳记事的方法)

Historical Development of Human Cognition（右图）

我们参考了拓扑量子计算中的这一思路，在具有拓扑特征的系统中编码量子信息。，并且通过类似的编织操作来处理这些信息。就像编织绳结决定最终图案一样，不同的编织操作方法可以实现不同的量子计算。

这一方法最大的优点是：即使在操作过程中出现轻微的干扰(比如编织时手抖)，只要不损害编织的基本模式，数值也不会受到影响。这一天然的抗干扰性，使得拓扑量子计算成为一种很有前途的量子计算方案。

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马约拉纳任意子：量子计算的关键

一种特殊的准粒子需要用于拓扑量子计算。——马约拉纳任意子。这个名字来源于一个更基本的物理概念：费米子马约拉纳。咱们从头开始吧。

马约拉纳纳意大利科学家

1937 2008年，意大利科学家马约拉纳提出了一个大胆的想法：也许有一种特殊的基本粒子，它本身就是自己的反粒子。。

物理学世界中，一般来说，一种颗粒会对应一种反粒子。，就像电子和正电子是一对一样。但是马约拉纳费米子打破了这一规则——它“照镜子”时看到的反粒子，实际上是自己。

正粒马约拉纳费米子 = 反粒子

有趣的是，在马约拉纳提出这一想法的同一年，比利时著名画家马格里特创作了一幅发人深省的画。《不可复制》。画面中的人物照镜时，看到的不是普通的正面影像，而是自己的后脑勺。这幅画颠覆了人们对镜像的常规认知，它与马约拉纳费米子颠覆物理常识的特点形成了奇妙的呼应。。

“不可复制”（La Reproduction interdite）

科学家们在今天的量子计算研究中发现，在特殊材料(称为拓扑超导体)中，可以创造出一种具有相似特征的准粒子——马约拉纳任意子。这种准粒子不是基本粒子，电子在材料上的集体行为表现，正如水波不是基本粒子，而是水分集体运动的结果一样。

在理论上，马约拉纳任意子继承了马约拉纳费米子“本身就是自己的反粒子”的特点，同时也具有更加独特的特点。在拓扑超导体中，这种准粒子的形成是基于拓扑不变量的数学特性:即使材料形状或外部环境发生局部变化，这种特性仍然可以保持稳定。这一对环境干扰的自然抗性使马约拉纳成为构建容错量子计算机的最佳选择。

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寻找马约拉纳任意子之路。

目前，科学家们已经发现了三种制造马约拉纳任意子的方法。

有三种方法可以制造马约拉纳任意子。

第一种是用特殊的 P 波超导体，这一计划是由科学家制定的 Kitaev 但遗憾的是，这一理想的超导体材料至今尚未被发现。

第二种方法是存在 2008 傅亮博士及其导师于年。 Kane 教授提出的拓扑绝缘体 / 超导体异质结。他们的想法是把两种不同的材料叠在一起。这种方法现在被很多实验室选择，但缺点是制作复杂，材料接触面容易产生杂质。

我和同事高鸿钧教授共同提出了第三种方法：多带铁基超导体。我们发现，在铁基超导体中，使用相同材料的两个不同能级(可以想象成两个不同的电子轨道)可以达到相同的效果。这种方法的优点是结构紧凑，只需一种材料就足够了。了。

实验中，我们先用一种叫做“”光电子能谱“这项技术(这项技术来自爱因斯坦获得诺贝尔奖的光电效应研究)发现铁基超导体具有特殊的拓扑性质，这表明它能容纳马约拉纳任何子子。然后，我们使用扫描隧道显微镜-一种可以 " 看到 " 强大的显微镜，原子大小物体，真的在这些材料中，我们观察到马约拉纳任意子的出现。。

在铁基超导体中使用扫描隧道显微镜发现马约拉纳任何子宫。

这一发现令人振奋。如果我们将来能学会控制和编织这些特殊的颗粒，我们就能制造出一个稳定的量子计算机基本单元——拓扑量子比特。在第四次工业革命中，这将是促进量子计算机发展的重要一步！

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来源：上海科技馆

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