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从零到量子
量子运算革命已经到来。
什麼是量子运算？后量子加密
将如何影响数位信任？
后量子加密
什麼是量子运算？
量子运算是一種快速發展的技術，它將量子力學與高級數學和電腦工程相結合，以解決經典電腦無法解決的複雜問題。由於量子运算的原理與經典運算完全不同，使用的機器也完全不同，因此摩爾定律並不適用。量子运算的力量和能力令人難以置信並且在快速提升，這已經在改變我們使用電腦解決問題、分析訊息和保护资料的方式。
為什麼我们想要
量子运算？
今天，即使是世界上最先进的超级电脑也基於可追溯到一个多世纪前电脑发明时的 电晶体二进位和运算原理进行运算。许多问题都涉及到变数的复杂性，这些变数无法基於这种经典运算模型进行运算。
由於量子运算基於量子可變性進行，因此這些複雜問題的運算速度可以與經典電腦解決經典問題的速度一樣快。
是什麼讓量子运算如此強大？
即使是最快、最強大的 超級運算也基於暴力 運算發揮作用。它們以線性途徑“嘗試”每一種可能的結果， 直到其中某種結果證明
解决方案。
相比之下，量子電腦能夠 透過使用量子力學來跳過每一條路徑的線性旅程 ，從而同時考慮 所有可能的結果。量子运算 透過可能性而不是二進位發揮作用。這種 運算形式能解決經典電腦 無法在任何 合理時間內解決的過於龐大或過於複雜的問題。雖然 經典電腦可以對 大量資料進行排序和編目，但它無法預測這些資料 中的行為。
量子运算的可能性特性提供了 考慮整個資料集的所有 潛在可能性的能力， 並在涉及大型複雜群組中 單個資料段的行為時 得出解。
正如經典運算在某些類型的運算中表現出色， 但在其他類型的運算中表現不佳一樣， 量子运算也是在特定運算應用中 而不是在所有運算中表現出色。大多數專家 認為，經典超級電腦和量子 電腦將相互補充，每種 電腦都使用其獨特的運算特性， 在不同的應用中進行極其 強大的運算。
量子电脑如何发挥作用？
對量子运算的理解依賴於對決定量子運動行為、位置和關係的
原理的理解。
叠加
在量子水準上，物理系統可以同時以多種狀態存在。在系統被觀察或測量之前，系統會同時佔據所有位置。量子力學的這一核心原理能讓量子電腦利用系統的可能性，而所有可能的結果同時存在於運算之中。在量子运算的情況下，被使用的系統可以是光子、被捕獲的離子、原子或准粒子。
干扰
量子態可以干扰其他量子態。干扰可以采取消去振幅或提高振幅的形式。一種將干扰視覺化的方法是想像同時將兩塊石頭扔到水中。當每塊石頭形成的波浪穿越傳播路徑時，就會在漣漪中形成更強的波峰和波谷。這些干扰模式能讓量子电脑执行与经典电脑完全不同的演算法。
纠缠
在量子水準上，粒子等系統相互關聯，即使距離很遠也能反映彼此的行為。透過測量一個纠缠系統的狀態，量子電腦可以“知道”另一個系統的狀態。例如，在實際應用中，量子電腦可以透過測量電子A的自旋來瞭解電子B的自旋運動，即使電子B在數百萬英里之外。
量子位元
在經典運算中，運算是由被稱為位元的二進位檔案組合而成的。這是經典運算局限性的基礎：運算是用一種在任何指定時間只能有兩種狀態之一（0或1）的语言編寫的。在量子运算中，運算是用量子態的语言編寫的，量子態可以是0或1，也可以是叠加的0或1的任何比例。這種類型的運算訊息被稱為“量子電腦位元”或量子位元（Qubit）。
量子位元具有能让讯息在系统内实现指数级增长的特性。在多个状态同时作业的情况下，量子位元可以编码大量讯息——远远超过经典位元。因此，很难夸大量子的运算能力。经过组合的量子位元的运算能力增长速度比经典运算快得多，而且由於量子位元不像处理晶片那样佔用物理空间，因此透过一些测量，更容易获得无限的运算能力。
量子电脑的类型
對量子运算的理解依賴於對決定量子運動行為、位置和關係的原理的理解。
無論是什麼類型，量子运算硬體都與和超級運算相關的伺服器陣列有非常大的差異。量子运算需要將粒子置於某些環境，在這些環境中粒子可以被測量但不會被周邊粒子改變或破壞。在大多數情況下，這意味著將電腦本身冷卻到接近絕對零度，並使用金層保護量子位元粒子免受噪音的影響。由於當前的量子電腦需要如此精細和精確的條件，因此必須在高度專業化的環境中來製造它們。
我们将怎样使用量子电脑？
當我們審視量子运算在現實世界的應用時，重要的是要記住這是一個新興領域。目前，量子运算正處於起步階段，現有的量子電腦受到當前技術水準的嚴重限制。也就是說，量子运算的研究人員和工程師一致認為，這些進展超出了預期。隨著技術的發展，我們使用量子运算的方式也肯定會發生變化或繼續發展，但很有前景的應用領域已經出現。
模拟与建模
天气和分子化学等异常复杂和微妙的系统需要超越经典电脑能力的运算方法。量子电脑不仅能进行异常快速的分析，而且还能对这类系统进行精确的分析。
物流与优化
由於量子電腦非常善於分析系統的細微差別，因此它們是發現過程中的變化、異常情況和低效率的絕佳工具。從製造和生產到供應鏈運動和商業系統，量子运算可以快速找出摩擦點，甚至可以找到更輕鬆的方法和路線。
人工智慧與机器学习
考慮到量子运算的非線性特性，量子运算在人工智慧和机器学习中的應用為思維機器開闢了細微差別和複雜性的全新領域。特別是在机器学习和產生式人工智慧領域，量子電腦將能更快、更完整地分析机器学习和人工智慧機器所需要的大量資料，以建立它們按要求提供結果所需要的預測模式。
量子电脑何时会被广泛使用？
儘管量子运算的進展迅速、影響潛力巨大，但實用量子运算目前仍基本處於理論狀態。能夠以真正的量子可能性進行各類大規模運算和建模的量子電腦還有數年時間才能出現。到底要多少年？ 沒有人能確定。儘管如此，該領域的持續進展意味著我們很可能會更早而不是更晚地看到實用的量子電腦。
2023年，量子运算全球領軍企業之一IBM其已使用量子贬别谤辞苍晶片实现了133个量子位元处理。滨叠惭正在努力实现在2024年将叁个贬别谤辞苍处理器结合在一起。一个贬别谤辞苍晶片能执行1800次门作业，具有低误差和高性能。滨叠惭，用於在2029年前實現其糾錯量子运算的目標。
絕大多數量子專家認為，實用的量子运算將在十年內（如果不是更早的話）在商業領域實現。國家可能會更早地實現量子。
量子运算與PQC的歷史
量子运算對
安全性有什麼影响？
搁厂础基於两个数位金钥，这两个金钥相结合，形成一个大素数。经典电脑可以很容易地将两个已知数字相乘来运算一个素数，但其反向运算对於经典电脑来说是个难题。经典电脑很难使用暴力二进位运算从素数中推导出两个因数。简言之，当前的搁厂础演算法本质上是牢不可破的密码，因為即使是最强大的超级电脑也无法在任何合理的时间内运算金钥的值。最快的超级电脑大约需要300万亿年才能破解现有的2048位元搁厂础加密。
而這就是量子运算會產生威脅的地方。由於量子電腦可以在不追蹤線性路徑的情況下同時分析所有可能性，因此它們可以有效地“跳過”經典電腦的一次一路徑的方法，並在合理的時間內得出精確的運算結果。量子電腦完美地將大素數劃分為正確的因數，有效地破解了RSA。對未來的量子运算的預測表明，搁厂础加密可以在幾個月內破解，而且更先進的量子電腦可能會在幾小時甚至幾分鐘內破解RSA。
目前的风险是什麼？
网路安全专家不仅关注量子进入实用状态后对未来资料的威胁，还关注其对现有资料的威胁。
先窃取、后解密
基於對量子能力的預期，政府和網路犯罪分子可能會採取“先窃取、后解密”的做法。這是指目前資料被盜並以加密狀態儲存，但惡意執行者希望在不久之後能利用實用的量子電腦解密被儲存的資料。即使是較老舊的資料也可能包含對政府和企業營運至關重要的訊息包，以及使用者、客戶、患者等的私人訊息。
什麼是后量子加密（PQC）？
儘管真正實用的量子電腦可能還需要數年時間才能出現，但數位破壞的可能性叠加“先窃取、后解密”，將對資料完整性構成了巨大風險。世界領先的網路安全性組織和專家已經在制定安全措施，保护资料免受現在和未來的量子解密。
后量子加密，即PQC，是一種加密系統，可保护资料免受经典电脑和量子电脑的解密。
笔蚕颁的目标不仅是在未来抵御量子电脑的威胁，而且还要与当今的通讯协定和网路系统实现无缝作业。成功实作的笔蚕颁对策将与现有系统相整合，以保护资料免受现在和未来各种形式的攻击，而无论所使用的电脑是什麼类型。
虽然量子电脑仍处於起步阶段，但网路安全专家已经创建了可抵御量子攻击的笔蚕颁演算法。這些安全工具將隨著量子运算的發展而繼續發展，然而，如果能夠正確地實作現有的保護措施，就能領先於量子威脅。
狈滨厂罢的建议
美国国家标準暨技术研究院已经制定了有关使用PQC以應對量子运算威脅的。這些建议包括：
- 制定量子準备情况蓝图
- 与技术供应商接触，讨论后量子蓝图
- 进行盘点以确定并瞭解加密系统和资产
- 制定迁移方案，优先考虑最敏感和最重要的资产
量子运算比较量子加密
比较后量子加密
重叠的术语和演算法可能会导致对技术和相关威胁的误解。
量子运算
量子运算領域被錯誤使用最多的術語可能是“後量子运算”，縮寫是“PQC”。這個術語造成了混淆，因為它與“后量子加密”的縮寫是一樣的。然而，“後量子运算”並不存在於量子電腦科學領域。量子電腦是機器的全稱，而量子运算描述了場和過程。即使在先進的、實用的機器面世很久之後，它們仍然是量子電腦，而不是後量子電腦。
量子加密
量子加密與后量子加密在量子力學中有著共同的基礎，但量子运算與PQC採用的加密技術不一樣。在量子加密中，不可預測性的基本性質用於加密和解密資料，而訊息直接編碼在量子位元中。目前，最常見的量子加密版本使用量子位元的屬性來保护资料，如果有人试图在未经许可的情况下解密讯息，就会产生量子位元错误。这种形式的量子加密更像是门或窗户上的警示感测器。未经授权的存取会引发警示。
后量子加密（PQC）
后量子加密對數學方程式進行運算，就像經典運算加密一樣。不同之處在于方程式的複雜性。在PQC中，數學利用量子特性來創建難以求解的方程式，即使是量子電腦也無法“跳”到正確的解。PQC的優勢之一是它以高度不可解的方程式為基礎。由於它与现有的经典加密的基本结构相同，因此可以使用与目前最先进的加密类似的方法进行部署，并且可以保护现有的许多系统。
现行的笔蚕颁标準
量子加密專家已經開發了幾套用於解決量子威脅的演算法。 這些演算法因效能而異。一些系統能夠處理更密集的PQC 問題，而另一些系統則需要一種不會大量佔用资源的解决方案。而且，與其他形式的 經典加密一樣，不同的PQC適用於不同的使用案例。目前有三套演算法 被認為是強PQC。
CRYSTALS-Kyber
基於被狈滨厂罢称為基於模组辨识格的金钥封装机制（惭尝-碍贰惭）的标準。它是一个非对称加密系统，基於模组容错学习问题（惭-尝奥贰）发挥作用。碍测产别谤已被应用於金钥交换和公开金钥加密，作為用於安全网站的罢尝厂/厂厂尝的量子防御版本。
FALCON
是一种基於杂凑与签章方法的、基於辨识格的数位签章解决方案。這個名稱是Fast Fourier Lattice-based compact signatures over NTRU的首字母縮寫。FALCON的優點是公開金鑰小且簽章小。
