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Wave量子計算机以超千倍的速度破解RSA 带来的新希望


Wave量子計算机以超千倍的速度破解RSA 带来的新希望 圖: D-WAVE量子計算机(D-WAVE網站)

導讀在中國國家自然科學基金會的重要項目中,致力于利用 D-Wave 量子計算机研究因数分解的上海大学研究小组王潮团队,通过D-Wave的设计巧妙地实现了量子退火算法、量子穿隧效应技术应用等,并开发了一种基于量子計算破解RSA的新方法,該方法有效地實現Shor算法,並且可分解高達20位整數。隨著量子技術的不斷發展,量子技術將會被廣泛的應用于如密碼學、智能交通、智慧城市、圖像處理、機器學習、生物信息學、情感分析等領域。

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量子計算机有两种类型: 通用量子計算机和专用量子計算机,其中最先进的是加拿大 D-Wave 量子計算公司开发的商用专用量子計算机。

人們一直將Shor算法(Shor’s algorithm)視爲RSA (廣泛應用于電子政務和電子商務)密碼分解的獨特而強大的量子算法,各種媒體和研究人員卻指出,RSA 將随着通用量子計算机的出现而迅速崩溃。 然而,《自然》和《科學》卻報道[2,3]说,通用量子計算机即便在很长一段时间内仍然不可能成功破解。 圣塔芭芭拉加利福尼亚大学物理系的 John Martinis 教授和 Matthias Troyer 教授也表示,量子計算机要实现一些包括破解代码的实际应用,还需要几年的时间。

在中國國家自然科學基金會的重要項目中,上海大學研究小組王潮團隊致力于利用 D-Wave 量子計算机研究因数分解问题。尽管 D-Wave 一開始與密碼學沒有任何關系,其最初主要用于圖像處理(Google)、軟體驗證(Lockheed Martin)等一些領域,但是王潮團隊卻开发了一种基于量子計算破解RSA的新方法。

該團隊在破譯 RSA 密碼系統時展示了量子退火算法和 D-Wave 量子計算机的潜力。 此外,研究小组还表明,D-Wave 量子計算机可能比在通用量子計算机中使用Shor算法破解實際的 RSA 代碼具有更強大的攻擊力。 即使新出的 IBM Q System One (201918)已經宣布它可以有效地實現Shor算法,且理論上可以分解的整數多達10位,但 D-Wave 卻可以分解20位整數(超過1000)! 事实上,目前包括谷歌的72量子比特計算機“Bristlecone”這類基于量子電路的量子芯片計算機,由于受到諸多因素的限制,還不能夠實現因式分解。

中國CACR(中國密码学研究协会)名誉理事王新梅[4]提到,該研究成果將發表在 《中國科学:物理力學與天文學》(第62卷,第6期,通訊作者:王潮)期刊上,主要內容如下:

1 量子穿隧效應如何幫助 D-Wave 機器建立優于其他機器的優勢?

D-wave One 機器出現于2011年,它可以以遠低于高性能計算機的功耗(目前爲25kW) 在接近絕對零度(15mk)的狀態下工作,但是目前的發展卻受到摩爾定律和丹納德定標的限制。如圖2所示,在絕對零度附近工作的 D-Wave 量子退火算法可以激活量子穿隧效應,允許其從局部次極性跳躍到接近、甚至達到指數的全局最優值。這是 D-Wave 機器相對于其他經典搜索空間的獨特優勢。

Wave量子計算机以超千倍的速度破解RSA 带来的新希望圖2

量子穿隧效應(Quantum tunneling effect)是指量子漲落使量子能夠以比自身更高的能量直接穿透勢壘。 量子態可以通過兩種不同的方式改變踪滵方向: 量子漲落和(或)熱波動。 热退火技术將打破量子态,使得量子系统只需要受到量子涨落影响就可以完成量子穿隧过程。 实际上,量子比特的热动力学和量子穿隧效应分别有自己的冻结时间。 量子退火取决于基态和第二、第一激发态之间的能量差,而冷却系统则要等到量子穿隧效应和熱波動最终停止,然后从该过程中获得最终量子态。 系统通过重复不同温度下的冷却过程,完成量子退火技术,从而有效地实现量子計算。

2 爲什麽D-Wave 的代碼破解潛力被忽略了?

全球軍火商洛克希德 · 馬丁公司(Lockheed Martin Corporation)首先簽訂了一份購買 D-Wave One 的協議,用于解決最具挑戰性的計算問題,比如從 F-16飛機(未來的F-35 [5])上找出錯誤代碼。緊接著,來自谷歌、美國國家航空航天局、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、哈佛大學和東北大學的研究人員 D-Wave 退火技術軟件應用于包括圖像處理、蛋白質折疊、交通流量優化、空中交通管制、海嘯疏散等100多個應用軟件中。 这就是爲什麽大家忽略了D-Wave量子計算机在密码学设计和分析中的应用的原因。

根据谷歌分析,圈内人认为具有量子退火技术的专用量子計算机对于信息技术来说是至关重要的。 这是因为量子計算机能够找到计算机科学中一类重要问题的近似答案,而这些问题只有通过详尽尝试每一种可能的解决方案才能真正得到解决。 因此,它为量子退火的密码学应用奠定了坚实的基础。

新梅教授在文章[4]中重點指出,探索 D-Wave 量子計算机在攻击其他密码系统方面的潜力是非常重要的。 众所周知,构造高度安全的密码体制实际存在三种困难。 除了分解问题的困难之外,离散对数问题和椭圆离散对数问题(比如 ECC,中國第二代身份证的核心基础)也提供了比其他问题更有力的方法来抵御量子計算机的攻击。 因此,应进一步考虑D-Wave量子計算机解决后两个问题的可行性。

3 D-Wave量子計算机还能做什么?

2017年末,王教授的小組首先通過D-Wave 2000Q系统实现了密码组件设计实验,將多准则密码函数设计问题转化为多目标优化问题,使數學問題能夠在指數級解空間中搜索,從而映射到一個最佳化問題上得以解決。

雖然D-Wave量子計算机不同于通用量子計算机,其是为特殊目的而设计的,但我们认为它可以广泛应用于各个领域,这与电子计算机发展早期阶段的经典计算机完全不同。 目前,D-Wave 2013年以來已經獲得了多輪投資,包括 In-Q-Tel ,其目標是商業化並落地實際應用。D-Wave的設計巧妙地實現了量子退火量子穿隧效應技術應用,使得一些 NP 問題有可能在有效時間內解決。《自然》雜志報道它可以廣泛應用于許多領域,包括密碼學、圖像處理、模式識別和機器學習、財務分析、生物信息學、情感分析等。谷歌正在進一步探索 D-Wave 量子計算机和自动驾驶汽车的结合技术,期待研发出一种更类似于人脑的智能方式来识别障碍从而实现更好的导航。 另一方面,大众公司和王潮团队也致力于智能交通的量子应用技术研究工作。

我们坚信,未来在物理学家与信息科学家的合作之下,將会在未来十年开发出更多关于智慧城市和使城市实现精益化管理的应用。


參考資料

[1] Elizabeth Gibney. Physics: quantum computer quest. Nature News Feature 516: 25-26. Dec. 3 2014.

[2] Adrian Cho. DOE pushes for useful quantum computing. Science 359, 6372: 141-142. Jan. 12 2018.

[3] Jeffrey Brainard. What’s coming up in 2018. Science 359, 6371: 10-12. Jan. 05 2018.

[4] X. M. Wang, Quest towards”factoring larger integers with commercial D-Wave quantum annealing machines”, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62, 060331 (2019).

[5]George Leopold. Quantum leaps needed for new computer approach. Defense System. Dec. 09 2016. https://defensesystems.com/articles/2016/12/09/quantum.aspx

See the article: W. C. Peng, et al. Factoring larger integers with fewer qubits via quantum annealing with optimized parameters, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62(6), 060311 (2019) https://doi.org/10.1007/s11433-018-9307-1

原文鏈接:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/scp-anh040219.php

 

Wave量子計算机以超千倍的速度破解RSA 带来的新希望

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