從智慧型手機到超級電腦，傳統的電子計算設備已經深深融入我們的日常生活和科學研究中。然而，科技的發展永無止境，一種全新的計算範式正在崛起——量子電腦。這項突破然而，正如 Google 最新的突破性研究所示，我們距離真正實現量子計算的全部潛力還有很長的路要走。
量子計算的基本原理
量子電腦利用量子力學原理進行運算，使用量子位元（qubit）而非傳統的位元（bit）。量子位元的獨特之處在於它可以同時處於多種狀態的疊加態，這種「量子疊加」特性使得量子電腦能夠進行大規模的平行計算。另一個關鍵概念是量子糾纏，它允許量子位元之間建立特殊的關聯，提高計算效率。
Google 的 Willow 晶片：突破與限制並存
最近，Google 宣布了其最新的量子計算突破：Willow 晶片。這款新型量子處理器號稱能在 5 分鐘內解決一個需要世界上最快超級電腦花費 10 澗年（即10²⁵年，26位數字）才能完成計算挑戰。這無疑是一個令人印象深刻的成就，展示了量子計算的巨大潛力。然而，Google Quantum AI 的負責人 Charina Chou 向接受外媒訪問時表示，Willow 晶片「無法破解現代密碼學」。儘管 Willow 已經實現了 105 個物理量子位元的計算能力，但要真正破解如 RSA 等現代加密系統，估計需要大約 400 萬個物理量子位元。Chou 進一步指出，我們至少還需要 10 年的時間才能實現這一目標。
量子電腦與密碼學的關係
量子計算對現代密碼學的潛在威脅一直是業界關注焦點。2022 年，白宮曾警告稱，一旦出現「密碼分析相關量子電腦」（CRQC），可能會危及民用和軍事通訊、破壞關鍵基礎設施的監控系統，並擊敗大多數基於互聯網的金融交易的安全協議。
為應對這潛在威脅，包括 Google 在內的多家公司正在開發後量子密碼學（PQC）技術。美國國家標準與技術研究院（NIST）也於今年 8 月發布了三種最終算法和整合標準，計劃在年底前再選擇一到兩種算法。
量子計算面臨的挑戰
儘管取得了重大進展，量子計算仍面臨諸多技術挑戰：
- 量子退相干：量子系統極易受到環境干擾。
- 錯誤校正：量子計算中的錯誤率遠高於傳統計算。
- 擴展性：增加量子位元數量會指數級地增加系統複雜度。
- 操作溫度：許多量子系統需要在極低溫下運行。
- 量子演算法開發：需要特定的演算法來充分利用量子優勢。
未來展望
雖然 Google 的 Willow 晶片展示了量子計算的巨大潛力，但它也凸顯了我們距離實現真正實用的大規模量子電腦還有很長的路要走。各國政府和科技巨頭持續大力投資量子計算研究，量子時代的來臨可能比我們想像的更快。
然而，要認識到，量子電腦並不會完全取代傳統電腦，而是在特定領域發揮優勢，與傳統計算形成互補。隨著研究深入，我們有望看到更多量子技術突破，但同時也需要謹慎評估其潛在影響，特別是在密碼學和資訊安全領域。
*本文開版圖由AI生成。
