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谷歌如何打退量子计算机的攻击
原作者：Cade Metz
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一旦量子计算机诞生，将对现有加密技术构成致命威胁。那么，究竟是使用传统加密方法加以应对，还是发明新的更安全的技术？各路专家见仁见智，各抒己见。
谷歌如何打退量子计算机的攻击&作者 Cade Metz'上午 6：30图片：D-Wave 系统提供政府的前合同工爱德华 斯诺登爆料说国安局竭力监测网络常见服务，他提供了一种简单方法应对横扫网络的监视活动。对付国安局网上窃听的办法就是，对线上传输的数据加密。上周，在得克萨斯州奥斯丁市的西南偏南大会上，斯诺登以传自俄罗斯的流线视频方式出现，对技术领袖们发表了如上谈话。在那，美国政府批准他获得临时难民居留。（原文如此）他介绍道，若使用得当，今天的加密技术依然有效：国安局无法破解。重担落在实际使用它们的技术行当身上。“现在在这个房间中的朋友们都是消防队员，”他说道，“人们需要你们的帮助来解决问题。”好消息是那些网络巨头们---包括谷歌和微软---已经着手数据加密问题，不仅仅针对公共因特网上传输的数据，而且包括传输于大型数据中心之间非公共线路上的数据。那些大型数据中心支撑着网络巨头许多的网络服务。根据泄漏的政府文件，国安局有办法窃听到这些线路，这种给互联网开后门的方式甚至那些身处技术中心的人都未曾想到。假如谷歌和微软对在他们计算机设施间传输的数据加密，那么要响应斯诺登武装起来的呼吁，则为时尚早。不过，人无远虑，必有近忧。一个明显的问题：若是有人可以破解当下的加密技术，该当如何呢？当然这不太可能马上发生，不过长远来看，的确是现实威胁。尤其是想到，学者逐渐接近生产量子计算机的目标了。基于看似虚幻其实非常实际的量子力学原理---研究微小颗粒的物理学--量子计算机具有顷刻解决传统计算机花几年才能算出的数学计算能力，这就威胁到当今的加密技术。十几年来，国安局一直在资助量子计算机项目。最近泄漏的文件显示，国安局”不仅仅是在追求基本、一般化研究，“ 其实是秘密研究一种量子计算机，“能够破解高级公共钥匙加密系统”。假如谷歌想要保护大家的数据不被窥探，他们就必须开发出一种新的加密技术来抗衡量子计算机。“我毫不奇怪像谷歌这样的公司着眼于这些问题，尤其是知道他们的系统曾经被人攻破过，” 爱德华 弗兰克说道，他是加州大学伯克利分院数学教授，他的研究横跨加密学和量子物理。“他们真的应当注意。”以毒攻毒奇怪的是，谷歌还在观望。谷歌不愿和大家讨论量子计算机威胁的问题， 其实谷歌了解。当然距最终实现威胁，还有若干年时间。与NASA合作，谷歌在测试一种叫做D-波的设备，该仪器展示出明确的量子特性。由于斯诺登爆料的点醒，大家才明白，一直以超前概念引以为豪的谷歌，其实是在研究武器竞赛的另一边。当然，也有公司针对后量子时代开发加密技术。最有名的例子是一家来自瑞士的名叫量子身份的公司。基本上，该公司就是想以毒攻毒。发明一种量子加密技术，来对抗量子计算机的攻击。某些方面，他们的技术要比竞争对手---量子计算机的研究---远远超前。该公司想要以毒攻毒。发明一种量子加密技术来对抗量子计算机的攻击。通过多年的学术研究，该公司已经提供实用量子加密系统十年以上。据量子身份的总裁雷鲍狄说，欧洲与美国的银行及其他组织已经在使用该技术。雷以前是帮助开发加密技术的公司研究人员。他说，知道了斯诺登的爆料后，公司联系了至少部分网络巨头，商量使用该技术保护其数据中心间传输的数据。还没有巨头公司采用该技术，不过有公司认为该技术是绝配。“能保护数据中心之间传输的信息，是量子加密技术的理想应用，” 马卡罗夫说道。他是加拿大滑铁卢量子计算学院的教授，他已经花费二十年研究量子技术而且亲身参与量子身份公司的系统研究。“技术已经成熟了。”光子加密术量子加密术当然是项神奇的发明。它利用光子的特性，通过光纤线路输送加密钥匙。对于标准加密技术来说，其实就是用一对数码钥匙---一把公共，一把私人---对信息加码及解码。问题在于大型量子计算机能够用公共钥匙确定私人钥匙，因为它比传统计算机成几何级的快速。要做到这点其实就是大批整数分解的问题。不过量子计算机对于量子钥匙则毫无优势可言。理论上，量子钥匙是完全私人的，如果有人想要中途截击，就会暴露。两台机器通过光纤线路传输光子来确定钥匙，假如有人想要读取这些光子，传输人就会发现，因为这些微小颗粒的量子属性就会改变。根据海森博格的不确定原理---量子力学中的关键原理---假如尝试测量量子颗粒的行为，结果就改变了其行为。光子也是这样。对量子身份系统而言，两台机器通过光纤线路输送光子来确定钥匙，倘若有人设法读取这些光子，传输者就会发现，因为这些微小颗粒的量子属性被改变了。“如果第三方想要截取通讯，就会被抓住。至少理论上如此。” 伯克利分校的弗兰克教授说道。“问题在于技术上的可行性如何。”问题在于，光纤线路若是超过100到150公里，技术就不适用了。尽管雷鲍狄和公司想法延长距离，最终到达理论极限，大约300公里。但这依然无法满足像谷歌这样的公司需要，因为它的网络横跨全球。雷鲍狄还说，若是把若干光纤编在一起，就可以跨越更远的距离。难点在于，必须物理上确保线路中间的连接，意即线路必须得到特定的保护，如果有人找到线路并且截断窃听，能够发现。量子身份公司已然与其他公司合作开发这种连接。一旦有人在线路上刺洞时，可以把它想象成金属信封，能够发出某种信号，或者提供一些标识性信号。如此可以将量子钥匙传输更远的距离。至少在理论上如此。不过理论与实践毕竟不同。只管把钥匙做大？内特 劳森，一位研究人员及加密技术专家，经营一家三藩市的咨询公司，名叫源于DNA。他相信量子加密术是“彻底胡闹”。他介绍说，当把理论转化成现实时，必须在系统中使用传统技术，而一旦如此，量子加密技术的根本目的就荡然无存。劳森介绍道：“它具有理论价值，不过现实上，无法把量子系统建立在真空里。在量子加密技术后面，计算机芯片必须应用这一逻辑，程序必须运行所有东西，并且为了建立量子连接，最后建成的却是其他东西。”雷鲍狄和同事们承认这一点。不过他们的希望是，他们可以找到系统中的任何裂缝，并且修补上。加拿大量子计算机学院的马卡罗夫运作一个“量子黑客入侵”实验室，专门找寻实施这类事情。劳森还是没被说服。不过还有其他方法保护数据不受远距离量子计算机的攻击。不同于量子加密技术，其他研究人员基于量子攻击的考量，正在建立一种传统加密技术的新类型。其中包括一种叫做SHA-3的方案。不同于公共钥匙技术，单靠计算机一己之力无法破解这种方法。而劳森提供了一种更简单的选择：只需增加现今所使用的加密钥匙的长度---也即，让它们更难破解。“对于量子计算机的好消息是，进展缓慢，可以预估，”劳森说道。“十年之后，量子计算机就快来了，就到了增加钥匙规格的时候。”谷歌那边肯定会不断的增加钥匙的长度。这也是传统计算机世界对付攻击的保护办法。不过，有人觉得这样不行，他们质疑量子计算机的发展是否真的可以预估。他们说，一旦突破，任何时间都有可能---尤其是像国安局这种家伙日以继夜折腾。他们相信谷歌这边必须加码。“没人知道量子计算机何时来到，一旦来了，大家需要好几年时间升级基础设施以对抗攻击，” 马卡罗夫说道。“升级基础设施的工作，现在就该开始。”
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经典的黑色配以柔美的线条，显出刚柔并济的魅力。
　　终于有时间写这个答案了。和我导师合作的京都大学科学家出席了这个会议，所以我联系他专门讨论了一下CMOS退火。
　　先给结论，CMOS退火是一项非常了不起的研究。但CMOS退火不是量子过程，也不能替代量子计算机（没有量子过程就不可能有量子计算功能）。但CMOS退火对解决部分组合优化问题很管用，这原本是Dwave擅长的领域。
　　最初看到这个新闻还是在知乎上被邀请。知乎用户群对这些技术进步反应的确相当快。
　　我初读新闻的时候也吓了一大跳，还以为一夜之间就量子计算革命就到来了。我以为我马上就能投入业界成为第一代量子算法兼机器学习工程师了。后来发现我还是想多了。。
　　简单对比一下CMOS退火和Dwave计算机的优劣。
　　CMOS退火有2万个比特；最新的Dwave只有1024个比特。
　　CMOS退火室温都能运行，稳定性极好；Dwave要屏蔽外界电磁场干扰，在20mK（零下273.13摄氏度）温度下才能工作。
　　CMOS退火用成熟稳定的半导体技术，第一代就做到60nm工业级水平；Dwave还是只能用昂贵的超导环，需要冷却到20mk才能正常工作，整个系统一千万美金1台，还老出毛病。
　　CMOS退火随机性来自SRAM和芯片外部环境；Dwave随机性来自quantum fluctuation。
　　CMOS退火这种非冯&诺依曼型计算机用处理器在解决组合优化问题时，能耗比经典计算机低很多，但计算时间和经典计算机是一个量级的。Dwave在时间和能耗上表现都好很多。
　　伊辛模型的哈密顿量长这样。
　　这是Dwave128比特芯片的示意图。每一个黑点就是一个超导环，电流流向决定自旋取值+1/-1，连接i比特和j比特的黑线表示一个Jij。
　　CMOS退火的芯片和Dwave一样都用了伊辛模型（Ising Model），但是CMOS退火里比特间的耦合作用J只能取值+1/0/-1三个值，而且非常稀疏，几乎是只有相邻比特有稳定的耦合作用。所以，CMOS退火只能解决部分简单的组合优化问题，对于机器学习和人工智能而言，CMOS退火计算没有太多实用价值的。
　　Dwave芯片的耦合要好的多，而且每一代性能都在提升，能应用的机器学习场景也越来越多。日本已经决定在东京建造世界上最强大的Dwave系统量子计算机。靠比Dwave公司更强大的人力财力和精密加工能力建造三维构造的Dwave芯片，比特耦合能力和量子比特数都会远超Dwave公司的产品。
　　现在的量子算法研究情况有点像很多年以前，写好了程序要到去机房预约计算机才能运行。以后的环境应该会越来越好了，越来越多的科研人员有机会亲自使用量子计算机。
　　前面解释了CMOS退火的优劣，以及为什么不能替代量子计算。
　　日立的“CMOS退火”技术是怎样的一种技术？
　　这个问题上面的答案解释的很详细了。我在下文只做一下简单的补充。
　　量子退火(QA，Quantum Annealing)：不同于经典模拟退火算法利用热波动来搜寻问题的最优解，量子退火算法利用量子波动产生的量子隧穿效应来使算法摆脱局部最优，而实现全局优化。量子退火就逆天了，清醒的销售员在C城市时学会了量子隧穿，瞬移到了B城市去看看那边可不可能是最优解，是的话就回去走B路线，不是的话继续从C出发。
　　@薛矽这个比喻有两个问题，有点太勉强了。
　　i）我们搜索的是路径，不是城市。
　　ii）量子退火是：一开始我们的销售员处于n（~2^N）个态的叠加，是同时选择了所有路径叠加态。你可以设想这个销售员有2^N个分身。每一个分身都处在一个路径上，对应一个量子态。然后，系统开始幸运，高能量的分身一点点转移到低能量态（每个分身的权重系数的演化是连续的）。到最后，所有的分身都汇聚到基态上，找到了最优化的解。
　　我们只有波函数，没有具体的点，所以不是一个销售员在一个路上。是无数个销售员分布在每一条路上。
　　所谓的量子隧穿效应实际上说的是，销售员的某个态可以跃过相邻的高能量态到基态。
　　计算时间是：t~h/ΔE，h是普朗克常数。
　　2）为什么量子计算和机器学习关联紧密？
　　量子理论（Quantum Theory）是概率理论。是一中与自然界量子现象契合的概率模型。
　　这个概率模型和统计学习理论也是契合的。
　　量子理论这个重要的物理学理论为统计学习理论和自然界的量子物理现象打起了桥梁。
　　在这个框架下，两个看起来毫不相干的领域有着深刻的联系，可以被统一描述。
　　现在我们能制造一台名叫Dwave的量子系统，这就完成了机器学习理论到物理世界的映射。
　　这是没有量子过程的CMOS退火不可能办到的。
　　基于量子逻辑门的量子计算机与大家熟知的计算机更为接近。
　　无非是经典计算机有与非门这种不可逆的逻辑门，而量子逻辑门全部都是可逆的（所以不能完成与非操作）。可逆计算带来的一大优势是接近0的能耗。量子计算机可以轻松突破散热和能耗给经典计算机带来的限制。
　　常见的量子逻辑门有：Toffoli Gate/Fredkin Gate/CNOT/...
　　由于量子态都是叠加态（逻辑0和逻辑1的任意叠加）。当我们有N个量子比特时，就能以经典计算机2^N倍的速度作逻辑门运算。Quantum Parallelism就是量子计算强大能力的主要来源。
　　这更是CMOS退火办不到的。
　　最后，Dwave绝热量子计算和量子逻辑门的标准量子计算是等价的。这个结论是我们最近几年才知道的。
　　【Aharonov D, Van Dam W, Kempe J, et al. Adiabatic quantum computation is equivalent to standard quantum computation[J]. SIAM review, ): 755-787.】
　　附送一个量子退火理论的讲座： https://www.</watch?v=OQ91L96YWCk&feature=youtu.be
　　演讲者是西森教授，量子退火算法的提出者。
　　来源：知乎
　　作者：知乎用户（登录查看详情）
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