月度归档:2014年05月

量子密码:未来战争“神器”

自军事通信使用密码技术以来,无论是战时还是平时,各国军队围绕密码破译与反破译的斗争就一刻没有停止过。以量子力学为理论基础发展起来的量子信息技术衍生出量子密码和量子计算,前者从理论上提供一种不可截获和破译的绝对安全的新型密码体制,而后者极其强大的并行计算能力可以轻易破解基于数学问题的经典密码体制。因此,谁先抢占这一技术领域的战略制高点,谁就能把握决定未来信息化战争胜败的关键因素。

  

  量子密码应运而生

  量子计算的原理与传统计算机采用的原理有很大不同,传统计算机采用单路串行操作,而量子计算机采用多路并行操作,它们运算速度的差异就如同万只飞鸟同时升上天空与万只蜗牛排队过独木桥的区别。20世纪70年代,英国和美国最早开始对量子计算的研究。近年来,量子计算的理论和实践都相继取得重大进展,产生了多种新的量子算法,研制了多种量子计算机原型。科学家预测,未来10~20年将研制成功103~104量子比特的大型量子计算机,其运算能力可以在几分钟内破译现有任何采用非对称密钥系统生成的密码。

  面对量子计算未来可能随时“秒杀”传统密码的危险,科学家致力于寻找不基于数学问题,能有效抵抗量子计算攻击的新型密码体制。解铃还须系铃人,同样基于量子信息技术的量子密码应运而生,成为对抗量子计算的“神器”。

  又一个可能的“技术差”

  二战中,英国破译德军ENGMA密码,获知其即将轰炸考文垂市,但为保守德军密码已被破译的秘密,英国断然牺牲考文垂这个重要工业城市,不发出防空警报任由德军轰炸;美军在中途岛海战的胜利,以及击落山本五十六座机等影响战争进程的重大事件,与其成功破译日军“紫密”有直接关系。一些专家们甚至估计,盟军在密码破译上的成功至少使二战缩短了8年。

  当前,战场网络已成为连接人与武器、武器与武器的技术纽带,构成了信息化军队的神经中枢。侦察预警、指挥协同、武器控制、后勤保障等作战活动均离不开网络的支持。安全可靠的战场网络是保证自身作战体系稳定,在体系对抗中谋取胜势的重要前提,而战场网络的安全又十分依赖于网络通信密码提供的“安全屏障”。

  一个国家的军队一旦率先实现量子密码和量子计算的武器化,并在战争中投入使用,将与对手形成巨大的“技术差”,在保持自身网络通信绝对安全的同时,可随时破译对方网络通信密码,洞悉对手的一举一动,从而占据绝对信息优势,甚至可以直接瘫痪和控制对方网络,由此将置作战对手于极为被动的不利地位,战局可能出现“一边倒”的情况。

德国科学家研究量子记忆体取得新进展

据德国马普学会网站消息,马普量子光学研究所(MPL)的专家团队于近期首次成功在晶体中精确定位单个稀土离子,并准确测量了其量子力学的能量状态。这一研究使得在离子中存储量子信息成为可能,将对未来量子计算机的研发产生重大贡献。
  世界范围内,很多学者都在研究构建未来的量子计算机的模块。其中,量子系统是关键要素,量子点或光吸收缺陷(色心)是目前许多研究者关注的焦点。但是,稀土离子发出的光非常小,很难被检测到。借助精密激光和显微镜技术,专家们经过六年多的深入研究,在硅酸钇晶体中把3价镨离子(Pr3+)精确定位在几纳米,并以前所未有的精度测量了其光学特性。
  科学家们用激光来激发晶体中的单离子,并观察他们如何在一段时间之后以光线的形式再次放出能量。由于稀土离子受晶体的热学和声学振动影响不强烈,其部分能量状态异常稳定,需要一分多钟才回到基态,这比大多数今天研究的量子系统时间长数百万倍。量子信息存储在一个原子或离子的不同能量状态时,镨离子可作为量子计算机的存储器。
  将来研究人员用纳米天线和微谐振器把镨信号加强几百或几千倍,每秒响应的单个离子小于100个光子,届时离子的信号可以更容易地被看到。

D-Wave量子计算机,多项基础技术出自日本

【日经BP社报道】D-Wave的量子计算机如果离开了日本的研究和发明,则无法实现,D-Wave Systems自己也承认这一点。下面,本文就为大家介绍一下D-Wave的基础理论和器件的发明者。

量子退火
量子退火是东京工业大学西森研究室的门胁(图1)在1998年用英文发表的博士论文中提出的概念。
门胁说:“我完全没有想到自己的博士论文会在十几年后成为热门话题。”
2001年,麻省理工学院(MIT)的研究者参考西森教授和门胁的论文,发表了“隔热量子计算”理论,“其内容与量子退火基本相同,引发了极大关注”(西森教授)。

据西森教授介绍,最开始的时候,D-Wave的量子计算机被称为“隔热量子计算机”。但是,“因为发现了量子退火的研究在前,D-Wave Systems现在也被称为量子退火”。

利用超导电路形成量子位

D-Wave量子计算机使用的利用超导电路形成的量子位是由当时在NEC研究所任职的蔡兆申(图2)和中村泰信(图3)于1999年在全世界率先实现的。现在在日本理化学研究所任职的蔡兆申说:“D-Wave的量子位与我们开发的量子位是同一个原理。”

图2:蔡兆申
日本理化学研究所单量子操作研究组组长
在1999年任职于NEC时,蔡兆申与中村泰信合作,在全世界率先实现了超导量子位 图3:中村泰信
东京大学尖端科学技术研究中心教授
量子力学现象原本只发生在原子内部微观世界。而蔡兆申与中村开发的量子位利用规模远远大于原子的超导电路,实现了“量子叠加”这种量子力学现象,从这一点来说,这项技术具有划时代的意义。

现在担任东京大学教授的中村表示,“D-Wave原本是一家思考能否把超导电路运用于业务的企业。我在NEC的时候,曾经与他们进行过多次讨论”。由此可见,NEC对D-Wave有着巨大的影响。

量子通量参变器

在D-Wave量子计算机中,负责放大量子位信号的是超导电路“量子通量参变器(QFP)”。QFP是2005年逝世的东京大学教授后藤英一在1991年发明的。

1990年代,后藤教授出版了多本介绍QFP的英文书籍。D-Wave的希尔顿曾说过:“我们从后藤的著作中学习知识,开发出了超导电路。”

图4:原田丰
日本国士馆大学理工学研究所教授
曾跟随已经去世的后藤英一博士(东京大学教授)的研究组(东京大学与日立制作所的合作研究)和东京大学后藤研究室开发量子通量参变器的原田丰(当时任职于日立制作所)、细谷睦(图5),须田礼仁(图6)
QFP诞生于东京大学与日立制作所的合作研究项目。日立一方的成员原田丰(图4)说:“我们曾想使用超导电路开发超级计算机的处理器。”

当时,大型机(Mainframe)使用的双极处理器的性能已经提升到极致,而被视为新一代处理器的CMOS处理器的性能则迟迟没有进步。作为替代二者的新选择,超导电路QFP被寄予厚望。然而,在那以后,随着CMOS的性能不断提高,QFP没能在处理器领域崭露头角。

细谷睦(图5)与须田礼仁(图6)曾作为东京大学后藤研究室的学生参与了QFP的开发。回顾当时,细谷表示,“后藤老师与其说是大学教授,其实更像是一位发明家”。后藤教授在1954年发明了日本自主开发的逻辑元件“参变器”。NEC与日立最初开发的计算机使用的逻辑元件并不是晶体管,而是参变器。不只是量子计算机,后藤教授还是日本计算机产业的缔造者。

后藤教授在东大的关门弟子须田说:“1980年代后期,后藤老师等许多研究者都打算跳出CMOS的局限,创造新思路的处理器。D-Wave或许称得上是令当时的尝试复活的壮举。”(记者:中田 敦,《日经计算机》)

图5:细谷睦
日立制作所横滨研究所主管研究员 图6:须田礼仁
东京大学信息理工学系研究科副研究科长教授

Google发布基于浏览器的量子计算机模拟器

Google研究员发布了第一个基于浏览器的量子计算机模拟器Quantum Computing Playground, 模拟器是基于WebGL,在一个简单的IDE界面中模拟GPU加速的量子计算机,支持用脚本语言编写调试代码,可视化2D和3D量子态,根据电脑的GPU 可模拟最多22个量子比特。

传统电脑的比特要么是0要么是1,而量子比特可以处于0和1的叠加态。如果有N个量子比特处于叠加态,那么它们将有2^N个组 合。

澳美联合开发 世界首家量子计算公司诞生

近日据外媒报道,澳大利亚公司Aerospace Concepts和美国的Lockheed Martin正在合作共同开发量子计算机,世界上第一个量子计算软件公司很有可能就此诞生。

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  据了解,澳大利亚公司Aerospace Concepts在美国华盛顿建有一个科技孵化器,联合Lockheed Martin对复杂的系统分析进行研究,并将研究成果应用在Lockheed公司的D-Wave Systems的量子计算机上。

  Aerospace Concepts公司的COO Michael Brett表示,因为Aerospace Concepts公司想要设计一种可以应用在设计高级系统、帮助设计者进行各种内在因素权衡的算法。例如,一个卫星需要携带能源,需要空间,同时也需要尽可能的减少质量。

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  两家公司所研究的这些算法可能可以在标准硬件上运行;公司也可能将这些算法作为服务交付给客户,在Lockheed的系统上运行客户的任务或者在D-Wave的某种云上运行客户任务。

  业内专家表示,量子计算是五种将帮助大数据成为主流应用的技术之一,这还需要公司的生态系统使量子计算成为可消费的起技术,而不是只有少数的公司有能力聘请世界上少数的量子计算机科学家。

科学家检测首台商用量子计算机速度

量子计算机速度

  一直以来,量子计算机作为一种全新的、革命性计算机吸引了业内众多专家的关注。自从加拿大D-波公司推出了第一台商用量子计算机后,围绕该机器的争议就没断过。最近,美国南加州大学洛杉矶分校和苏黎世联邦理工大学研究人员合作,对放在南加州大学的一台108量子比特的计算机进行了检验,却发现它的速度并不比传统计算机更快。 继续阅读

准备迎接第一个量子计算软件公司吧!

英文原文:Get ready for a quantum computing software company

我们很快就会迎来第一个量子计算软件供应商,因为澳大利亚系统分析公司 Aerospace Concepts 将联合 Lockheed Martin 公司合作研发量子计算机,前者在对复杂系统设计方面独树一帜,而后者的D-Wave Systems 号称在商用量子计算机领域也走在前列,这两家公司的合作会擦出什么样的火花,下面看 Gigaom 的 Derrick Harris 给我们的精彩解读。

以下为译文:

澳大利亚 Aerospace Concepts 和美国 Lockheed Martin 公司正在共同研发量子计算机,世界上第一个量子计算软件公司可能由此产生。Aerospace Concepts 擅长复杂系统设计,这可能是个量子计算将发挥巨大作用的领域。

技术世界很快将迎来第一个量子计算软件供应商——澳大利亚系统分析公司 Aerospace Concepts。这家公司在美国华盛顿特区有一个科技孵化器。他们现在联合 Lockheed Martin,将其对复杂系统分析的研究应用到 Lockheed 公司的D-Wave Systems 的量子计算机。

Aerospace Concepts 公司的 COO Michael Brett 通过邮件告诉我,这是因为 Aerospace Concepts 公司想要设计一种可以应用在设计高级系统、帮助设计者进行各种内在因素权衡的算法。他写道:“例如,一个卫星需要携带能源,需要空间,同时也需要尽可能的减少质量。因此,各个因素最好的权衡就是设计的优化。”

理论上讲——因为这项技术还处于早期发展阶段——量子计算是解决这类最优化问题、进行高级机器学习任务的最理想的工具,NASA 和 Google 也拥有D-Wave 量子计算机。

Aerospace Concepts 公司的 Brett 补充道:“我们也希望借此机会搭建专门面向量子计算的软件和服务,同时增长我们的业务量。”

Aerospace Concepts 公司大概是想先研发量子算法,然后将这些算法打包成软件的形式交付给客户。这些算法可能可以在标准硬件上运行;公司也可能将这些算法作为服务交付给客户,在 Lockheed 的系统上运行客户的任务或者在D-Wave 的某种云上运行客户任务。

Brett 提到 AerospaceConcepts 公司已经和D-Wave 公司搭建了亲密的关系,公司也很“期待这个机会”来购买自己的量子计算机或访问未来云计算资源。

当然,我们并不能确保 Aerospace Concepts 会通过这段合作关系实现目标,也不能确定D-Wave 公司的机器最终是否可行。但是现在就可以探讨一个量子计算软件公司商业存在(Lockheed 公司在 2011 年收购了D-Wavesystem 公司)还是十分令人兴奋的。我认为量子计算是五种将帮助大数据成为主流应用的技术之一,这还需要公司的生态系统使量子计算成为可消费的起技术,而不是只有少数的公司有能力聘请世界上少数的量子计算机科学家。