近年来，就在人工智能竞争越来越白热化的同时，另一项曾经神秘技术的竞赛也逐渐公开并升温，那就是可突破传统计算极限的量子计算。量子计算具有完全不同的计算形式，能够以0、1、介于0与1之间的叠加状态进行运算。
成为“万能撬锁”的量子计算？
经典计算机可以解决简单的数学问题 ，例如，将数字15分解成最小的质因数乘积。经典计算机可在极短时间内逐一尝试所有可能的数字，并给出答案 ：3和5。但如果要求分解一个1000位数字的质因数，以相同的方式开始计算，但经典计算机将花费数千年的时间。大数的质因数分解，是许多现代密码学的关键。
开发于上世纪70年代末的RSA加密算法便利用了上述原理，在公开密钥加密和电子商业中得到了广泛应用，时至今日仍用于保护电子邮件、网站密码等信息。
▲1977年，美国麻省理工学院的Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman一起提供了一种加密算法，该算法便以三人姓氏开头字母拼在一起而获名。
简单来说，你或者你所选择的加密消息应用程序创建一个私钥，该私钥由两个或多个大质数组成，这些数字相乘之后形成了公钥的一部分。当别人想要给你发送信息的时候，他们会使用你提供的公钥来加密。你是唯一知道原始质数的人，所以也只有你能够解密信息。而其他人用传统计算机试图解密的话，如同前文所说，可能需要花上千年时间。
但是，量子计算机的出现可以完全消弭时间的障碍，通过其神乎其技的并行计算能力，也许只要短短几分钟，就能从公钥中推导出私钥。此时，量子计算就如同一把“万能撬锁”，让整个加密系统土崩瓦解。
量子计算机尚未出现，但实现这一目标的算法早已存在。1994年，在人们努力建造量子计算机的几十年前，AT&T贝尔实验室的研究员Peter Shor设计出了杀手级别的“Q日算法”，即Shor算法。Shor算法利用了量子计算机使用量子比特而非经典比特进行运算：看似在少数量子比特的给定量子态上进行操作，实际上却是在相同量子比特所有可能的量子态上运行相同操作。由此一来，运算不再局限于如同经典计算机那般锁定在0或1的状态中反复试验，而是利用叠加态同时探索所有潜在的解决方案。
▲Peter Shor，量子计算领域的奠基人之一，提出的Shor算法证明量子计算机可以解决真正的实际问题
量子计算所运算的正是概率分布，当量子波函数反馈、叠加，峰值出现之时便是正确答案显现之时。因此，通过精心设计Shor算法中的一些设置，可以放大一些数学参数，从一端输入极大的数字，它的质因数很快就从另一端输出。至少，在理论上，Shor算法应当如此运行。
不过，量子比特在现实中极难构建，因为量子比特极易与周围环境相互作用。哪怕最轻微的环境干扰，都可能让它们脱离脆弱的叠加状态。然而，Shor算法的问世激发了人们对量子计算领域的深入挖掘。到了2010年代，已有诸多量子计算研究项目在构建第一个量子比特方面取得进展。
2019年，谷歌位于圣巴巴拉的量子实验室宣称实现“量子优越性”（quantum supremacy），使用53个量子比特的量子芯片仅用200秒就能完成10万台经典计算机要花费约1万年才能完成的任务。去年，谷歌发布的最新量子处理器Willow已经拥有了105个量子比特。不过，要破解Shor算法的加密，量子计算机将需要数千个甚至数百万个量子比特。
目前，全球有数百家公司尝试用截然不同的方法制造量子计算机，这些方法都旨在将量子比特与周围环境隔离开，包括超导线路、离子阱、分子磁体、碳纳米球等。在硬件研发进展缓慢的同时，计算机科学家也在积极改进量子算法，试图减少运行算法所需的量子比特数量。
Q日来临：加密与解密的博弈
量子计算机所取得的每一次进步，在网络安全专家眼中，也让我们更接近Q日。
这不仅威胁到RSA算法，对易受量子计算攻击的大量其他加密系统来说也是如此。安全顾问Roger A. Grimes在自己的《密码学启示录》（Cryptography Apocalypse）还列举了其他系统：许多美国政府机构所使用的DSA加密（数字签名算法）、用于保护比特币和以太坊等加密货币的椭圆曲线加密，VPN技术、随机数生成器、进门卡、家庭WiFi网络安全技术、登录电子邮箱时使用的双重认证……
也许是预感到了Q日的威胁，美国国家标准与技术研究所（NIST）于2016年发起了开发抗量子加密算法的竞赛，这些算法的主要运作原理是向量子计算机展示复杂的多维迷宫，又称结构化格 （structured lattices），即使是量子计算机也无法在没有方向的情况下导航。
当Q日人人皆知时，无论是通过严肃的政府发言还是娱乐化的新闻头条，世界都将进入后量子时代。拥有量子计算机的网络犯罪分子可以利用它更有效地攻击目标，或者采取更大行动：劫持SWIFT国际支付系统以重新定向资金转移，或开展商业间谍活动收集黑料。最早的量子计算机可能无法快速运行Shor算法，它们每天只能获得一两个密钥，但如果将量子计算和人工智能相结合，后者能够找出企业、组织的弱点，并强调出应该解密的关键密钥，那么后果将不堪设想。
目前，NIST公布的一批抗量子加密技术已在一些消息传输平台上应用，敏感的国家安全数据可能正以量子安全的方式被锁定，电子邮件账户也可能通过互联网进行量子防护。但是，物理基础设施的更新可能需要数十年时间，其中一些基础设施，如电网、军事硬件和卫星等，使用的是易受攻击的加密技术，都可能面临风险。
同时，也存在乐观的预判，如同20世纪初的千年虫问题，我们集体恐慌，但真正来临的那一日，却如此令人失望，以至于成为一个笑话。
在量子技术破坏加密技术之前，它在商业和科学领域的用途就将足以改变全球平衡。比如，若研究人员能解决隔离量子比特与周遭环境的工程难题，就能开发出极为灵敏的量子传感器，可用于探测隐身飞行器，又可能让我们对人体有新的认识。同理，未来制药公司也可以选择利用量子技术窃取竞争对手的发明创造，但更能够用它来助力自己的研发，构思更好的发明。因此，最终避免Q日的最佳方法可能将是利益共享：发明更好的电池、神奇的药物、更精准的气候预报，为每个人创造一个由新材料和更美好生活组成的量子时代。
原文链接：https://www.wired.com/story/q-day-apocalypse-quantum-computers-encryption/
编译：金烨
审校：甄一政
