量子計算機僅需1萬個量子比特就能破解全球最安全的加密算法

未來量子計算機破解加密信息、銀行數據及其他敏感信息的安全防護所需的能力，可能遠低于我們此前的預估。

科學家警告稱，量子計算機破解全球最安全加密算法所需的能力，可能遠低于我們此前的設想。新研究指出，量子計算機只需遠少于科學家普遍預測的量子比特數量，就能讓廣泛使用的密碼安全系統失效——這意味著銀行信息和私人信息等被視為受加密保護的數據將面臨被截獲的風險。

量子計算機以并行而非串行方式運行計算，這意味著增加為其提供動力的量子比特數量，將使其性能呈指數級增長。理論上，這意味著這類機器未來能在幾秒鐘內解決當前最快的超級計算機需要數百萬年才能完成的計算。

肖爾算法便是此類計算的一個例子。這套量子算法由數學家彼得·肖爾于1994年設計，能夠高效地對大整數進行質因數分解。這是量子計算機理論上能在實際問題上超越經典計算機的首個證據。

由于經典計算機幾乎無法破解該算法，它已成為RSA公鑰加密的基礎，而RSA公鑰加密正是全球眾多領先加密方案的核心。

科學家此前認為，用量子計算機破解肖爾算法需要一臺擁有數百萬量子比特的系統——這與當前最先進的處理器僅數百量子比特的水平相去甚遠。但如今，3月31日上傳至預印本數據庫arXiv的一項令人驚訝的新研究警告稱，僅需一臺擁有1萬個量子比特的系統就有可能破解該算法。

更糟的是，研究作者認為，一臺擁有2.6萬個量子比特的量子計算機，破解RSA-2048加密可能只需七個月。RSA-2048加密是保護互聯網上大多數數字證書的行業加密標準。

構建無差錯量子計算機

科學家表示，從需要數百萬量子比特的系統到僅需數萬量子比特的系統，這一轉變的原因在于量子糾錯領域的進步以及中性原子量子計算機穩健性的提升。

與經典比特不同，量子比特天生具有"噪聲"，這意味著它們的錯誤率要高得多——經典比特的錯誤率是千分之一，而量子比特的錯誤率是百萬億分之一。這使得量子比特在計算過程中更容易出錯，科學家表示，未來系統需要數百萬量子比特才能超越經典計算機，而非當前最先進系統中搭載的數百量子比特。

降低錯誤率的一種方法是使用邏輯量子比特。邏輯量子比特由一組糾纏在一起的物理量子比特組成，它們共享相同的數據。這意味著，如果其中一個組成性的物理量子比特發生故障，數據仍存在于其他地方，計算可以繼續進行而不中斷。

量子糾錯項目旨在設計量子比特和軟件層，使量子計算機更不易出錯，這意味著在容錯系統中，實現同等性能水平所需的量子比特數量更少。

與此同時，中性原子量子計算機的量子比特是單個的電荷中性原子（通常是銣、銫或鐿等元素），它們由聚焦激光束（即光鑷）懸浮并冷卻至接近絕對零度。

中性原子量子計算機是IBM、微軟和谷歌等大公司處理器中使用的傳統超導量子比特的替代方案。研究作者指出，得益于量子糾錯的進展，這類系統是容錯量子計算的主要候選方案。

具體而言，物理量子比特可以參與多個（而非僅一個）邏輯量子比特，這理論上能將構成一個邏輯量子比特所需的量子比特數量從數百或數千個減少到低至五個。

科學家在研究中寫道："近期中性原子實驗已展示了低于糾錯閾值的通用容錯操作、數百量子比特陣列上的計算，以及超過6000個高度相干量子比特的捕獲陣列。"該研究尚未經過同行評審。

他們補充道："盡管仍存在重大的工程挑戰，但我們的理論分析表明，適當設計的中性原子架構可以支持達到密碼學相關規模的量子計算。更廣泛地說，這些結果凸顯了中性原子在容錯量子計算方面的能力，具有廣泛的科學和技術應用前景。"

破解最難的加密算法

在這項研究中，研究人員推斷了現有量子計算系統的效能，并預測了它們需要強大到何種程度才能對當前的加密系統構成威脅。他們研究了三種關鍵的加密算法：肖爾算法——現已成為量子計算性能的基準；ECC-256——一種較新但復雜度較低的加密方式，用于保護互聯網流量和加密貨幣；以及廣泛使用的RSA-2048。

他們在研究中指出，在不應用糾錯的情況下，最先進的量子計算機需要100萬個量子比特才能在一周內破解RSA，而破解ECC則需要50萬個量子比特和幾十分鐘的時間。

根據研究中的計算，僅需配備11,961個量子比特的系統就能破解肖爾算法。配備1萬至2.6萬個量子比特的系統可以在10天內破解ECC-256，而配備1.1萬至1.4萬個量子比特的機器可以在三年內破解RSA-2048。

研究人員還預測，擁有約10.2萬個量子比特的并行架構系統可以在97天內破解RSA-2048加密。

盡管擁有數千個邏輯量子比特的未來量子處理器"將開啟具有重大科學和經濟價值的廣泛應用"，科學家寫道，但這些發現表明，我們必須采取緊急措施，逐步淘汰標準加密方式。例如，谷歌工程師表示，全球只有不到三年的時間來遷移到后量子密碼學。

值得注意的是，該研究僅聚焦于當前的量子糾錯技術，這意味著如果其他技術取得進步，更小的系統也有可能實現同樣的壯舉。科學家指出，提高物理量子比特的保真度——設計出天生錯誤率更低的物理量子比特——或算法壓縮——進一步減少所需的物理量子比特數量——是未來幾年可能取得的突破，這意味著未來破解加密的系統所需的量子比特數量將減半。

他們寫道："這些發現具有重大意義。盡管需要大量的專業知識、實驗開發努力和架構設計，但我們的理論分析表明，構建一個能夠實現肖爾算法的中性原子系統是可能的。這一結論強調了持續努力將廣泛部署的加密系統向能夠抵御量子攻擊的后量子標準過渡的重要性。"

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！