量子时代,信息安全的挑战与机遇

量子计算时代，信息安全的挑战与机遇

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2010年7月

（武汉大学国际软件学院 2008级7班）

摘要：量子计算技术的发展对我们来说既是机遇，又是挑战。计算机的实用化只是时间问题，我们必须提前做好准备工作。本文简单介绍了量子计算的基本原理，发展现状及实现方案，展现出了其诱人的前景。同时也指出了对我们当前信息安全的挑战，并且提出了两种应对方案，一是从密码的算法方面入手，二是发展被称为最可靠通信技术的量子密码。

关键字：量子; 计算机; 信息安全; 密码

Abstract: The developing of quantum technology is an opportunity as well as challenge. The common quantum computer is on the way and we must do the preparation now. This paper gives a brief introduction to both the basic theory of quantum computation and the possible solutions for implementation of quantum computer, which shows the promising future of this field. At the same time, we point out the challenges witch it brings to present information system. There are two solutions for this challenge. The first one is to do research in algorithm of cryptography. Another solution is to develop quantum cryptography which is described as the most reliable communication technology.

Key Words: Quantum; Computer; Information Safety; Cryptography

一、引言

从1946年人类第一台计算机ENIAC的，到今天计算机信息技术飞速的发展，计算机已经走过了六十多年的历程。六十年中计算机一直按“摩尔定律”的预言不断发生着惊人的变化，体积越来越小，运算速度越来越高，成本基本保持不变，当然计算机芯片的集成化程度越来越高。

这种经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的功能。因此现代计算机进一步缩小计算机的体积，提高运算速度已经极其困难。

大多数观察家预期“摩尔定律”的神话将在21世纪的前20年内结束。然而量子学研究给计算机的未来探索出了一条新的出路——量子计算机。量子计算机利用粒子所具有的量子特性进行信息处理，能够用极少的数量表示大量的数据。量子计算很可能就是“摩尔定律”的终结者。目前，量子计算与量子信息技术已经取得了可喜的成就。

量子计算时代的到来，将对我们人类的生活产生极大的影响，在给我们带来了巨大机遇的同时，也对我们的当前的信息安全形成了严重的威胁，不断地挑战信息安全工作者的智慧。

二、量子计算技术

1. 一些重要的基本原理

量子计算之所以有杰出的表现，主要是有以下几个特点：

（1）量子比特

在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)，经常用|ϕ〉表示。在经典计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是

|0〉或者|1〉，也可以同时是|0〉和|1〉。也就是说，在量子计算中，数据位的存储内容可以

是0和1的迭加态：|0|1αβ〉+〉。其中αβ、的含义是在测量时得出结果|0|1〉〉、的概率的相关量，221βα+=。

以上只是对单量子比特的介绍，还可以有多量子比特。以双量子比特为例，它有四个基：|00|01|10|11〉〉〉〉、、、，一个双量子比特可以处于如下状态：

00011011|=|00+|01+|10+|11ϕαααα〉〉〉〉〉 其归一化条件为：22x x ||1{0,1}α∈=∑。

对于更多的量子比特，其基态可表示为：12||n x x x ∙∙∙。

由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充。n 个量子位可以同时存储2n 个数据，从而大大提高了存储能力。

（2）量子比特门

经典计算线路由连接线和门组成，量子线路也不例外。

单量子比特门是一个（二阶）酉矩阵U ，满足†U U I =，作用在量子比特

||0|1ϕαβ〉=〉+〉上，相当于将|αϕβ⎛⎫〉= ⎪⎝⎭左乘上U ，变换成`|U αϕβ⎛⎫〉= ⎪⎝⎭

。

实际上，第一个酉矩阵U 都对应着一个有效的量子门，即对于量子门来说 唯一的限制就酉性（unitary ）。量子门的作用都是线性的。

在量子线路中，受控非（CNOT ）门是一个通用门，任意的多量子比特门都可以由CONT 门和单量子比特门复合而成。

（3）量子纠缠态

现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制。如果体系的波函数不能写成构成该体系的粒子的的波函数的乘积，则该体系的状态就出处在一个纠缠态，即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。如果两个粒子处在纠缠态上，不管它们离开有多么遥远，对其中一个粒子进行测量（作用），必然会同时影响到另外一个粒子。正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应，使得量子计算机可以实现量子平行算法，从而在许多问题上可以比经典计算机大大减少操作次数。