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量子计算机 - 2002-10-17


据《纽约时报》报导,美国商用机器公司IBM的科学家本星期宣布,他们利用量子计算机成功地把15这个数字分解为5和3这两个质数因子,从而展示了将来可以利用量子计算机破译现在无法破译的密码这样的前景。

*寻找质数因子*

IBM的科学家取得的这一成就,被认为是计算机科学方面的一个重大突破。若想粗略地理解这一科学突破,我们就不得复习一点基本数学和计算机基础知识。我们知道,寻找某个数的质数因子,这在从数学上说是非常困难的。假如这个数字不是很大,比如说是15或21,我们可以根据我们的直觉,知道这两个数字的质数因子分别是3和5,以及3和7。但是,假如某个数很大,超出了我们的直觉范围,我们就要通过计算,来一个个地验证这个大数的质数因子到底是哪几个。随着数字的增大,验证质数因子所需要的时间要成百倍、千倍、万倍地增加。1999年,计算机专家们创下了一个世界记录,这就是利用292台电脑整整运算了半年,找到了一个155位的数字的两个质数因子。

用相同的方法,假如想找一个300位的数子的质数因子,就不是5年、8年、或80年就可以做到的了,而是可能要花几亿年。计算机密码的制作者就利用找质数因子的这种几乎无法克服的困难来炮制密码。他们的具体做法非常简单,无非是先找两个大质数。所谓的质数,我们知道,就是本身没有因子的数字,只能被1或其本身整除。

*密码不可破译*

计算机密码制造者找到两个大质数之后,再把它们相乘,得到一个更大的数字,然后,用得出的这个大数字来给计算机文本加密。假如要想破译这样的密码,就需要找出组成密码钥匙的大数字究竟是由哪两个质数因子构成的。我们已经知道,从目前的计算机技术和方法来看,做到这一点需要上亿万年的时间,因此,这种密码以目前的技术是不可破译的。

刚才我们介绍了IBM的科学家利用量子计算机,找到15这个数字的两个质数因子,这被认为是计算机科学的重大突破。刚才我们从基础数学的角度,介绍了这一科学突破的数学背景。现在我们在来看看这一突破的量子计算机的背景。

*电脑并非神乎其神*

我们知道,我们今天使用的最先进的计算机,也就是电脑,看似神乎其神,好像没有它不能做的事。其实电脑从本质上说绝对是呆头呆脑,头脑简单得还比不上一个乳臭未干的婴儿。所有的电脑都只认识两个数,也就是0和1。严格地讲,电脑连0和1这两个数字也不认识。电脑的关键部件是一些微小的开关。电脑虽然不能认识或记忆数字,但电脑能识别或记忆这些开关是开还是关。电脑计算的本质,无非是人们把这些开关的开关状态跟0和1联系起来而已。

当今的电脑越造越先进,越来越小。尽管如此,电脑的关键部件,也就是那些从事计算的开关依然很大,每个都是由几十亿个原子组成的。但是,量子计算机的工作原理,跟如今通行的电脑不一样。在量子计算中,科学家们是通过操纵单个的原子,而不是由几十亿个原子组成的电路开关来进行计算的。操纵单个的原子进行计算,跟操纵电路开关来计算,这两者有什么本质性的区别呢?

*量子力学原理*

区别可大了。我们知道,原子的运动规律,是受量子力学制约的。作为现代物理学的一个分支,量子力学有许多原理,是违反我们以经典物理学为基础的基本直觉的。比如,从经典物理学来看,一个原子或是在某个地方,或是不在那个地方。在或不在,二者必居其一,不能同时脚踩两只船,又在又不在。这就是非常符合我们的基本直觉的经典物理学。但是,量子力学则不同。在量子力学里,一个原子恰恰可以同时在一个地方又不在同一个地方。

我们知道,专用来描述微观世界的量子力学在最初提出的时候,就是因为这些违反人们直觉的原理,而受到普遍的怀疑。直至今天,肯定也还是有人怀疑。

*量子计算独特*

但是,20世纪的大量科学研究显示,量子力学确实能很好地描述原子、质子,中子,电子等微观世界现像,证明了量子力学不是玄学。我们现在再把话题回到量子计算上来。在量子计算中,科学家们操纵单个的原子来进行计算。根据量子力学的基本原理,一个原子可以同时有两种状态,也就说,一个原子可以同时表示0和1。两个原子则可以同时表示四种状态,在电脑二进制语言中,这也就是表示从0到3的四个数字。

依此类推,三个原子可以同时表示8个数字,四个原子可以表示16个数字。而IBM的科学家调遣了7个原子,来寻找15的质数因子。在量子计算中,7个原子可以同时表示128个不同的数字。

*量子计算理论和现实*

简单地说,跟现在通行的电子计算机计算相比,调遣单个的原子进行的量子计算,它的独特之处就在于能同时进行许多运算,从理论上说可以在几分钟之内找出一个几百位的大数字的质数因子。IBM的科学家利用量子计算,找到了15的质数因子,从而使量子计算由理论转化成为现实。

不过,《纽约时报》报导说,要迅速找到用于加密的大数字的质数因子,需要小心翼翼调遣成千上万的原子来进行量子计算,计算期间稍微出现一点哪怕是最轻微的原子扰动,都会使计算无法得出结果。在这样的技术障碍克服之前,密码制造者依然可以不用担心他们的密码被破译。但是,IBM的科学家已经证明,量子计算是可能的。这也就是说,破译目前无法破译的密码是可能的。

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