麻省理工學院的個原構成研究者研制出基于5個原子的新型量子計算機，能夠以具有可擴展性的量顛覆方式實現質因數分解，這意味著目前基于大數質因數分解的計算機或互聯網加密系統在量子計算機面前岌岌可危。

15這個數的互聯質因數有哪些？大多數小學生都記得答案——3和5。如果要求一個更大的網加數字，比如91的密系質因數，可能就需要筆和紙來演算了。個原構成而如果選取一個232位那么大的量顛覆數字，可能需要花科學家兩年的計算機或時間，通過幾百臺傳統計算機的互聯并行操作才能進行質因數分解。

因為對較大的網加數做質因數分解極為困難，這種“質因數分解問題”就成了互聯網加密方案的密系基礎，保護著眾多信用卡、個原構成國家機密以及其他機密信息的量顛覆安全。然而，計算機或研究人員通過理論計算發現，一臺量子計算機只要使用幾百個并行原子就可以很容易地對大數進行質因數分解，從而解決這個問題。

1994年，麻省理工學院（MIT）應用數學系教授彼得·肖爾（Peter Shor）想出了一種量子算法，它能夠計算大數的質因數，且效率比傳統計算機高很多。但是，該算法的成功取決于計算機是否具有大量的量子比特（quantum bits）。許多人都曾嘗試在量子系統中應用肖爾算法（Shor’s algorithm），但沒人能夠以可擴展的方式在擁有幾個量子比特以上的系統中運用這個原理。

在一篇最近發表在《科學》（Science）上的論文中，來自MIT和奧地利因斯布魯克大學的研究人員稱，他們用5個困在離子阱中的原子設計制造了出一臺量子計算機。這臺計算機用激光脈沖在每個原子上實現肖爾算法，它能夠對15進行準確的質因數分解。不僅如此，這個系統還是可擴展的（scalable），即能夠添加更多的原子和激光，使量子計算機變得更大、更快，從而對更大的數進行質因數分解。他們表示，這些結果標志著Shor算法的第一次以具有可擴展性的方式實現。

研究人員用離子阱中的5個原子制造出了一臺量子計算機。這個計算機用激光脈沖在每個原子上實現肖爾算法，它能夠對15進行正確的質因數分解。

圖片來源：Jose-Luis Olivares/MIT

“我們證明肖爾算法——這個目前為止最復雜的量子算法是可以實現的。你只需進入實驗室，運用更多的技術，就能夠制造出更大的量子計算機，”MIT物理學、電子工程學和計算機科學教授Isaac Chuang表示，“雖然可能造價不菲，且近期無法建造出臺式量子計算機，但是現在這已不再是一個基礎物理學問題，而成為了一個工程學方面的問題。”

穿過量子森林

在經典計算中，數字一般被表示為0和1，而計算則是通過算法的“指令”實現的。這些算法通過對這些0和1的處理，將輸入信號轉化為輸出信號。相反，量子計算的基本單元則是原子尺度的單位，即 “量子比特”，它們能夠同時是0和1——這就是量子力學特有的疊加態。在疊加態中，單個量子比特本質上可以同時進行2個流計算，這種計算方式遠比傳統計算機更加高效，也正是量子計算優越性的本質來源。

2001年，身為量子計算領域先驅的Isaac Chuang設計了一種基于單分子的量子計算機。這個分子可以處于疊加態，并可由核磁共振操作對15進行質因數分解。這一發表在《自然》（Nature）上的結果是對肖爾算法的首次實驗實現。但是這個系統并不具有可擴展性，一旦加入更多的原子，系統就變得難于控制。

“一旦原子變多，這就會變成一個“大森林”——很難控制原子間的相互干擾，”Chuang表示，“難點在于如何讓系統處于足夠孤立的狀態，以保證其中的量子態在足夠長的時間內不受干擾，完成肖爾算法。”

實現可擴展

而現在，Chuang和同事構建出了一個全新的可擴展量子系統，可以進行有效的質因數分解。對15進行質因數分解一般需要12個量子比特，但他們發現了一個新方法，只需要5個量子比特就能進行計算，一個原子代表一個量子比特，每個原子可同時處于兩個不同能量的疊加態。研究人員在其中4個原子上用激光脈沖來執行“邏輯門”或者肖爾算法的組成部分。用第5個原子來儲存、轉發、提取并回收結果。因此肖爾算法是通過并行的方式實現的，牽涉到的量子比特比一般情況要少。

那么，他們是如何解決量子系統穩定性的問題的呢？他們使用了離子阱（ion trap）的技術：讓每個原子都失去一個電子，也就是說讓原子帶上電荷，然后對它們施加電場，就可以將原子固定在原位。

“通過這個方式，我們可以準確地知道那個原子所在的位置，”Chuang解釋道，“接著我們對另一個幾微米以外的原子進行同樣的處理，這個距離相當于人類頭發直徑的100分之一。將這些原子聚在一起，它們之間可以進行相互作用，因為它們是帶電荷的。有了這種相互作用，就能夠執行邏輯門，實現肖爾質因數分解算法的最基本步驟。不管系統變得多大，這樣的邏輯門都可以作用于任何同類原子。”

Chuang的團隊首先設計出了量子系統的工作原理，他在因斯布魯克大學的合作者則根據他的方法建造了一臺試驗設備。他們讓量子系統對15進行質因數分解（15是可以演示肖爾算法的最小數）。在沒有任何先驗知識的情況下，這個系統得出了正確的答案，置信水平超過99%。

“在未來的幾代量子計算機中，一旦儀器能夠捕捉更多的原子，并且有更多的激光束來控制脈沖的話，這一系統就可以直接擴展到更大規模，”Chuang表示，“沒有任何物理上的理由阻止這件事實現。”

IBM物理科學部門的高級經理Mark Ritter表示，這個團隊回收量子比特的方法能夠將系統所需資源降低3倍——雖然是小小的一步，但是在實現規模化量子計算方面意義非凡。

“將已有的最尖端科技再改良3倍已經非常好，”Ritter表示，“但是讓系統真正變得具有可擴展型需要量級更大的量子比特，而且要能讓這些量子比特在更復雜的離子阱間穿梭，并讓數以千計的同步激光來控制脈沖。”

如果這個團隊能夠成功地為系統添加更多的量子組件，Ritter認為這將成為一項前無古人的成就。“肖爾算法是第一個重要的量子算法。相比于傳統算法，它顯示出了指數級般的提速潛力，”Ritter表示，“許多人因為量子計算引人注目的提速而注意到它，它又激發了科學家們的無窮想象。因此，實現肖爾算法就好比在傳統計算中的 Hello, World一樣舉足輕重。”

這些最終對于未來的加密方案來說有什么意義呢？“首先，如果你是一個國家，你可能就不想繼續依賴質因數分解法這種‘難于破解’的問題來公開儲存你的機密了，”Chuang表示，“因為一旦量子計算機出現，它們就可以迅速揭開所有用舊方法加密的信息。”

撰文 Jennifer Chu

編譯 徐寒易

審校 丁家琦