利用新原理的量子计算机或将让后量子加密技术失效

技术进展 量科网 2022-08-01 08:27

量子计算机在功率和效率方面每天都在进步,这已经不是什么秘密了,它最终可能成为一种战略资产,甚至会让政府相互竞争。如果你看一下时间线,就会发现量子计算已经在很短的时间内就取得了长足的进步,早在2019年它就展示了比传统计算机更快地解决复杂问题的能力 ,并实现了量子优越性。

与此同时,美国政府正在规划一个后量子的未来,强大的量子机器可以粉碎当今的加密保护。美国国家标准与技术研究院(NIST)和私营企业目前正争先恐后地创建新的网络安全保护措施,以抵御量子攻击。所有这些都为量子计算机指明了光明的未来,它在2016年左右才开始以非传统的计算方法来解决复杂问题,这引起了人们的关注和兴趣。 

然而,量子计算机仍然面临着许多障碍。最大的问题是,虽然它们能够快速解决大多数问题,但它们也会返回很多错误的答案以及正确的解决方案。想象一下,一名学生在学校接受了一场冗长的考试,他只需几秒钟就完成了考试,然后将所有正确答案都隐藏在错误答案的页面中。那个学生可能不会获得很好的成绩。然而,这是量子计算机通常会发送回以响应查询的那种数据。这被量子科学家称为“噪声”,今天能运行的每台量子计算机——无论它有多强大——都会产生大量噪声。

量子计算机产生噪声的原因有很多。它们是非常脆弱的,量子计算机的计算几乎会受到任何外部因素的影响,包括温度、声波、振动、光、不可见的量子纠缠甚至背景辐射等。这就是为什么大多数量子机器都被安置在黑暗的、类似拱顶的盒子里,而且这些盒子保持在接近绝对零度的温度下。 

除了环境因素之外,产生噪音的最大原因之一是量子计算机的量子比特能够同时以数十亿种可能的状态存在,而传统计算机的比特要么是1要么是0,中间没有任何状态。这就是量子计算机能够如此迅速地处理复杂问题的原因,也是其结果中存在如此多噪音的一个重要原因。它们能够利用量子叠加——这让量子比特可以同时存在多个状态——来解决一个问题,但在最终测量它们的结果时仍然会绑定到二进制的计算结构上。

科学家已经提出了几种后处理解决方案来提高量子计算的准确性。例如,将传统的超级计算机与量子机器相结合,通过为超级计算机提供动力以帮助消除噪声,这可能会加快获得有效解决方案所需的时间,就像是使用人工智能来消除大部分明显的噪声一样。今年早些时候,计算机科学家建议开发更好的软件,让用户从一开始就可以向量子计算机提出更好的问题。

量子噪声问题的大多数潜在解决方案都涉及后处理方法。但现在,几位科学家提出了一种修改量子计算机硬件的方法,这样可以最终消除它们对二进制计算机的依赖。从本质上讲,他们新的量子计算机设计将允许系统避免不得不去适应二进制环境。 

在《Nature Physics》上发表的一篇文章中,计算机科学家Martin Ringbauer、Michael Meth等人提出了一种量子处理器的新设计,该处理器利用捕获的离子作为核心处理器。它允许使用这种量子处理器的量子机器以非二进制的方式“思考”,而它的量子比特不仅仅受到两种物质状态(传统二进制计算的一和零)的影响。从理论上讲,这不仅可以加快计算速度,还可以消除试图将量子计算解决方案硬塞回二进制结构时发生的噪音。

正如他们解释的那样,“大多数量子计算机使用二进制编码将信息存储在量子比特中——经典比特的量子模拟。然而,底层物理硬件由不一定是二进制的信息载体组成,且通常表现出非常丰富的多级结构。将它们作为量子比特人为地把自由度限制在了两个能级。” 

根据该论文的介绍,量子计算机需要提高其准确性的是在被称为希尔伯特空间的高维区域中运行的能力,这从本质上将它们完全从二进制的计算结构中解放出来。他们设计的新硬件显然能够做到这一点,至少在理论上是这样。他们甚至称他们的机器将使用“qudits”比特而不是“qubits”。

作者在他们的论文中说:“在这项研究中,我们演示了一个使用捕获离子的通用量子处理器,这些离子充当具有局部希尔伯特空间维度高达7的qudits。凭借与量子比特量子处理器相似的性能,这种方法能够对高维量子系统进行本地模拟,以及能更有效地实现基于量子比特的算法。”

如果可以使量子计算机更高效地运行,同时消除它们所产生的噪音,则可以加快已经快速发展的量子发展时间表。它还可能使政府创建后量子加密安全的努力变得复杂,目前这种加密安全技术的运作方式是假设量子计算机仍将至少在某种程度上依赖于二进制操作。如果有一台可以打破这种关系的计算机,则也可能会打破任何仍然依赖于这种关系的后量子加密。(编译:Qtech)