2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子算法

量子算法 1 2 量子算法 1994年，Peter Shor 发现能快速完成因数分解的第一个量子算法，其可用来迅速破解现在的RSA资料加密系统。 1996年，Lov Grover 发现资料快速搜寻的量子演算法，加速了资料搜寻的速度，进而推广到多方面的应用。 3 量子计算机模拟图 4 全球首台商用量子计算机 硅芯片以及负责制冷的超低温设备 承载16个量子位的硅芯片 5 通讯中的量子加密 现代的密码专家所遇到的挑战是，如何让发送者与接收者共同拥有一把钥匙，并保证不会外流。 我们通常用一种称为“公开金钥加密法”的方法发送“秘密钥匙”（简称密钥或私钥），对传送的讯息加密或解密。 6 前在公开金钥加密法中，最常用到的RSA密码演算法，就是应用因数分解的原理。在发送与接收者之间传递的秘密讯息，是以“公开钥匙”（简称公钥）加密，这个公钥是一个很大的数，例如408508091（实际上用的数比它还大）。资料只能以接收者握有的密钥解开，这把密钥是公钥的两个因数，而在这个例子里就是18313与22307。 通讯中的量子加密 7 量子密码术和公开金钥加密法的差别在于，前者在量子电脑出现后仍然牢不可破！ 通讯中的量子加密 8 量子加密原理 要在两端传递量子加密钥匙，其中一种方法就是以雷射发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。光子的第一种偏振方向是垂直或平行（直线模式）；第二种则是与垂直呈45度角（对角模式）。不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。 9 量子加密原理 依惯例，密码学者通常称发送者为爱丽丝，她以直线或对角随机模式送出光子，发射出一串位元。至于接收者则称为鲍伯，他也随机决定以两种模式之一来量测射入的位元。根据海森堡的测不准原理，他只能以一种模式来测量位元，而不能用两种。只有当鲍伯与爱丽丝选用相同的模式时，位元的指向才能保证是正确的，不会影响原来的数值。 10 量子加密原理 首先是制作钥匙，爱丽丝让一个光子通过直线式或对角式偏振片里的0或1狭缝，同时记录下不同的指向。 对于每个射入的位元，鲍伯随机选择一个滤片侦测，同时写下偏振方向以及位元值。 11 量子加密原理 在传送之后，鲍伯与爱丽丝互相联络，这时不需要保密，鲍伯告诉对方他是用哪种模式接收个别光子。不过他并没有说明各个光子的位元是0或1。接着爱丽丝告诉鲍伯他哪些模式的测量方式是正确的。 他们会删除没有以正确模式观测的光子，而以正确模式所观测出来的光子便成为钥匙，用以输入演算法来对讯息加密或解密。 12 量子加密原理 如果有人（称伊芙）想拦截这道光子流，由于海森堡原理的关系，她无法两种模式都测。如果她以错误的模式进行测量，即使她将位元依照测到的结果重传给鲍伯，都一定会有误差。 13 量子加密原理 爱丽丝与鲍伯可以选择性地比较一些位元，并检查错误，来侦测是否有窃听者。 14 基于量子加密技术的网络安全芯片已经面世 MagiQ公司的量子密码方法持续进行密钥更新 （QPN：量子私人网络；QKD：量子密钥分配） Vectis加密机 15 结束语 量子力学的科技应用可以说是方兴未艾，像纳米科技，量子医学…… 量子力学这门理论性很强的学科也正日益深入到我们的生活中去，逐渐改变着我们的生活…… 15 $