阿里都用量子来加密了,能否保住你的密码50年?

在2015云栖大会上,阿里云与中科院联合发布了量子加密通信产品。那么,究竟什么是量子计算和量子通信?阿里都用量子加密了,你的淘宝密码能保住吗?
阿里发布了量子通信产品

据多家媒体报道,在今天上午举行的2015云栖大会上,阿里云与中科院联合发布了量子加密通信产品。目前,双方已在阿里云网络环境建立了多个量子安全传输域(Quantum Portal),通过量子传送门实现同城数据中心互联组网,能够为客户提供无条件安全数据传输服务。

此前7月,阿里云在上海宣布联合中科院成立一个全新的量子计算实验室,共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,研制量子计算机,这也是全球科技公司在量子研究领域争相争夺的另一焦点。

据透露,目前阿里云量子通信产品已用阿里业务完成小规模测试,可实现到达、保密、组网、密钥分发的功能。今年将正式把合适的阿里业务切到量子安全域,进行规模化验证,同步进行开服的准备工作。 阿里巴巴集团首席技术官王坚博士表示,量子加密通信远远不只是一种全新的加密手段,将是新一代网络信息安全解决方案的关键技术,让互联网在未来50年都能更加安全。

什么是量子计算

量子计算是指一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于传统计算机,量子计算用来存储数据的对象是量子比特(qubit)。量子比特和传统比特之间最大的不同就在于,传统比特同一时刻只能处于某个特定的状态,而量子比特可以同时处于不同状态的叠加态,也就是「量子叠加态」,这使得它能以少量的数据包含巨量的信息。 那么,量子计算机的原理是什么呢?为什么不能完全取代传统计算呢?下面这个视频将为你讲得一清二楚。

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除了阿里和中科院,还有很多大公司都有涉足该领域。IBM、微软、谷歌都对量子计算展开了研究。谷歌还与NASA联合成立了量子人工智能实验室(QuAIL)。2014年,谷歌正式雇佣美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的约翰·马丁尼斯(John Martinis)成立超导量子计算实验室来开发量子计算机芯片,开创了私人公司全资资助量子计算实验室的先河。[2]谷歌同时表示,除了自主研发,他们仍会与继续与D-Wave公司(坐落于加拿大本拿比)保持合作关系。该公司于2013年5月曾向谷歌公司出售了一台计算机,并宣称其是世界第二台商业量子计算机。

量子通信保护你的密码

量子计算机会带来什么问题呢?简单来说,它会让你的密码暴露无遗。现在,我们在网上输入密码时,使用的加密算法是一种依靠计算复杂度的RSA加密技术。举个很简单的例子,两个300位数的质数相乘非常容易,但是,要将一个600位数的数字进行因数分解,以找出它是哪两个质数的乘积,就太困难了。

如果用传统的计算机,需要花费的时间可能比整个宇宙的年龄还长。但是,如果有了量子计算机,它们就能完成一些人们认为在普通计算机上无法完成的计算任务,其中包括一些在我们生活中非常重要的计算。例如,如果一台计算机能够在合理的时间内,将一个大数做因子分解,那么广泛使用的加密方法就会被破解。几乎所有用于高度机密数据的加密方法都会在某种量子算法面前变得不堪一击。

1995年,贝尔实验室的彼得·舒尔(Peter Shor)就提出了一种量子算法,可以用遍历的方法来获得那两个因子,这对并行计算的量子计算机来说是很简单的事情。 所以,如果量子计算机研发成功,传统的加密技术立即功亏一篑。 此时,量子通信就有了用武之地,它将保护由量子计算机带来的潜在安全隐患。 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

量子通信的现状与未来

如今,小范围的量子密码分配已经走出实验室得到应用,量子隐形传态技术也早已在实验室实现。

量子通信最先进入应用领域的是量子密码分配方案,可以由人类已应用多年的激光器,光纤,以及偏振分光棱镜等光学器件实现。目前国际上投入应用的量子密码分配网络有位于美国波士顿的DAPRA 量子网络(DAPRA QuantumNetwork),由哈佛大学和波士顿大学联合几家公司在2004 年建成;同年,瑞士的ID Quantique 公司已经开始将量子密码分配网络投入商业化;第一个量子密码分配的计算机网络位于奥地利维也纳的SECOQC,由量子信息技术世界顶尖的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所(IQOQI)和维也纳大学在2008 年建成。中国这方面的产业化也已经走入世界前列。中国科学技术大学的团队在合肥于2012 年建立了中国第一个量子密码分配的安全网络。

量子密码分配毕竟还是用量子通信技术传输经典信息。而利用量子纠缠态的量子通信才是真正在传输量子比特。出席了今天云栖大会的中国科学技术大学潘建伟院士,就带领团队在世界上首次实现了:量子隐形传态,量子纠缠态交换,自由空间的量子隐形传态,三光子、四光子、五光子和六光子纠缠,使中国在量子通信研究的竞争中超越奥地利,成为如今全世界的领跑者。

量子隐形传态在2012年已经实现了143 km的记录,下一步将是建立地面和卫星之间的传输。毫无疑问量子隐形传态将成为下一个投入应用的量子通信技术,而且直接传输量子比特的优势,会使它和量子计算机能一起构建起量子互联网,即量子信息时代的互联网。[1]

量子计算机的最大障碍:退相干

目前,量子通信技术已日渐成熟,但量子计算的突破才刚开始,还需要经过许多年的研究才能大规模应用。量子计算机目前存在的最大问题就是,如何克服退相干。退相干是指量子叠加态坍缩成一个确定无疑的状态的现象。前文的视频中我们也看到,一旦你对粒子进行观测,就意味着会有其他粒子与之发生交互,那就会摧毁叠加态,使得它所存储的信息丢失掉。这个概念最早由德国物理学家迪特尔·策(Dieter Zeh)在20世纪70年代提出。正因为此,所以我们无法观察到宏观物体(比如薛定谔的猫)的叠加态,因为它们在很短的时间内就已经退相干了。

量子计算与人工智能

十几年前,英国数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)曾提出,我们的大脑也许就是一台量子计算机。也有许多人提出「量子意识」和「量子认知」的概念,用量子力学的某些原理来解释人的大脑和行为。但是,MIT宇宙学家Max Tegmark对神经元进行计算后却发现,假如一个神经元的发射需要100万个钠原子穿越细胞膜,那这100万个钠原子可能同时处于神经元内外的叠加态,那么,由于大脑中存在太多粒子(水分子等),那么大约在10^(-20)秒后,就会因粒子的相互作用而发生退相干。如果不用神经元,而采用微管进行计算,则退相干的时间约为10^(-13)秒。在如此短的时间内,大脑根本意识不到退相干之前的信息,因此他认为,人脑不可能是量子计算机,不足以进行量子计算。

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那么,量子计算是否真能揭开大脑的秘密,并开启人工智能的巨大潜力呢?等到人类解决了退相干的问题,这个谜底就会自然解开。那时候(也许用不了50年),由于已经有了量子通信的加密技术,所以,不用太担心你的密码会被盗。  


参考资料

[1]张文卓,量子通信——量子信息时代到来的前奏(物理前沿)

[2]九维空间,阿里巴巴投资研究量子计算,有什么用?(科学人)

入门量子计算
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