有两种类型的 量子计算机 ：通用量子计算机和专用计算机，其中最先进的是由加拿大D-Wave 量子计算 公司开发的商用量子计算机。

人们一直认为，Shor的算法可以被视为 RSA 密码分析的独特而强大的量子算法（广泛用于电子政务和电子商务）。而各种媒体和研究人员如今指出，通用量子计算机的出现会导致RSA很快崩溃。然而，据《自然》和《科学》报道，通用量子计算机在很长一段时间内不会成功地广泛实现。约翰马丁尼斯教授（加州大学圣塔芭芭拉分校，自2014年加入 谷歌 ）和马蒂亚斯特洛耶教授（现为 微软 量子计算项目的首席研究员）也同意量子计算机将需要数年时间来完成一些包括代码破解等实际应用。

在国家自然科学基金重点项目的项目下， 上海大学 的王超团队致力于利用D-Wave量子计算机解决因子问题，开发了一种基于量子计算解密RSA的新方法。 D-Wave机器一开始与加密无关，最初只用于图像处理（谷歌），软件验证（洛克希德马丁）等一些领域。

王超的团队展示了量子退火算法和D-Wave量子计算机用于破译RSA密码系统的良性潜力。 此外，该团队还表明，与在通用量子计算机中使用Shor算法相比，D-Wave机器可能具有更强大的破解实用RSA代码的力量。即使最近最新的IBM Q System One™（2019年1月8日）宣布它可以有效地实现Shor的算法，理论上它可以分解多达10位整数，然而D-Wave甚至可以算出20位整数 （超过一千倍）。 实际上，目前基于量子电路的量子芯片，包括谷歌的72比特量子计算机“Bristlecone”，受到许多因素的限制，例如纠错，它们还没有提供能够实现 因式分解 的迹象。

中国密码研究协会名誉理事王新梅提到，研究结果将发表在《科学中国物理力学与天文学》（第62卷，第6期上。通讯作者：王超）。

1.量子穿隧效应如何帮助 D-Wave 机器建立相较于其他机器的优势？

D-wave One 机器出现于2011年，它可以以远低于高性能计算机的功耗(目前为25kW) 在接近绝对零度(15mk)的状态下工作，但是目前的发展却受到摩尔定律和丹纳德定标的限制。如图2所示，在绝对零度附近工作的 D-Wave 量子退火算法可以激活量子穿隧效应，允许其从局部次极性跳跃到接近、甚至达到指数的全局最优值。这是 D-Wave 机器相对于其他经典搜索空间的独特优势。

如图所示，在绝对零度附近工作的D-Wave量子退火算法可以激活量子隧道效应，允许从局部次极性跳跃到接近或甚至达到指数的全局最优值 – 缩放搜索空间，这是D-Wave机器与其他经典机器相比的独特优势。

量子隧穿效应意味着 量子涨落 使得量子能够以比其自身更高的能量直接穿过势垒。 量子态 可以通过两种不同的方式改变它们的自转方向：量子涨落和（或）热波动。 热退火将破坏量子态，使得量子系统仅需要受量子涨落影响的隧穿过程。 实际上，量子比特的 热动力学 和量子隧道效应分别具有自己的冻结时间。 量子退火取决于基态和第二第一激发态之间的能量差。 冷却系统直到量子隧穿和热波动最终停止，然后系统可以获得最终的量子态。 通过在不同温度下重复冷却过程，系统可以通过量子退火有效地实现量子计算。

2.为什么D-Wave的代码破解潜力被忽略了？

全球弹药公司 洛克希德·马丁公司 （Lockheed Martin Corporation）首先签订了购买D-Wave One的协议，以解决最具挑战性的计算问题，例如从F-16飞机（未来的F-35 [5]）中找到错误代码。 然后，谷歌，美国宇航局，洛斯阿拉莫斯国家实验室，哈佛大学和 东北大学 的研究人员将D-Wave退火技术应用于包括图像处理，蛋白质折叠，交通流量优化，空中交通管制，海啸疏散等100种应用中。 这就是为什么人们忽略了D-Wave量子计算机在密码设计和分析中的应用。

根据谷歌的分析，圈内人认为量子退火技术的专用量子计算机对信息技术至关重要。 这是因为量子计算机可以找到计算机科学中一类重要问题的近似答案，只有通过详尽地尝试每一种可能的解决方案才能真正解决这些问题。 因此，它为量子退火的密码应用奠定了坚实的基础。

王新梅教授在文章中重点指出，探索D-Wave量子计算机攻击其他密码系统的潜力是非常重要的。 众所周知，构建高度安全的密码学有三种实践上的困难。 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（如ECC，中国第二代身份证的基础）提供了一种更强大的方法来抵抗量子计算机的攻击。 因此，应进一步考虑D-Wave量子计算机解决后两个问题的可行性。

3.D-Wave量子计算机还能做什么？

2017年末，王教授的小组首先通过D-Wave 2000Q系统实现了密码组件设计实验，将多个标准的密码函数设计问题转化为多目标优化问题，以便通过在指数尺度解空间中搜索，可以将数学问题映射到优化问题。

虽然D-Wave机器是专门设计的，但与通用量子计算机不同，我们认为它可以广泛应用于各个领域，这与早期版本的电子计算机发展初期的经典计算机完全不同。 目前，D-Wave自2013年以来已经接受了多轮投资，包括In-Q-Tel（支持中央情报局），目标是实际上的商业化应用。

D-Wave巧妙地设计用于实现量子隧穿效应的量子退火，使得一些NP问题能够在多项式时间内解决。 大自然报道它可以广泛应用于许多领域，包括密码学，图像处理，模式识别和机器学习，财务分析，生物信息学，情感分析等。

谷歌正在进一步探索D-Wave量子计算机和自动驾驶汽车的组合，以更加类似于人类大脑的智能方式进行障碍物识别和更好的导航。 另一方面，大众汽车和王超集团也致力于智能交通的量子应用。

我们坚信，物理学家将与信息科学家合作，在未来十年内开发更多关于智慧城市和城市精细化管理的应用。

参考文章

[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. Sci ence 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.

更多文章: 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)

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