中國科學(xué)院院士潘建偉：革命量子力學(xué)，讓大數(shù)據(jù)分析更加安全高效

大數(shù)據(jù) 量子力學(xué) 數(shù)據(jù)安全中科院

潘建偉 | 2016-11-18 14:56

【數(shù)據(jù)猿導(dǎo)讀】中國科學(xué)院院士潘建偉在第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上表示，從各式各樣的資源進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時候，需要有互聯(lián)網(wǎng)的安全性，希望數(shù)據(jù)能夠被安全的收集。同時我們采集到數(shù)據(jù)之后，希望也能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的挖掘，需要很強(qiáng)的計算能力。而量子力學(xué)能夠為以上問題提供很好的解決方案

中國科學(xué)院院士潘建偉：革命量子力學(xué)，讓大數(shù)據(jù)分析更加安全高效

2016年11月17日下午，第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會“大數(shù)據(jù)論壇”舉行，本次論壇由中國國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室和浙江省人民政府指導(dǎo)支持，中國科學(xué)院主辦，中科學(xué)院信息工程研究所承辦，數(shù)據(jù)中心聯(lián)盟協(xié)辦。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉教授在該論壇上發(fā)表了主題為“新量子革命：用于更安全和高效的大數(shù)據(jù)分析”的演講。潘建偉教授談到，如果把全世界的計算能力收集起來，要對某個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，它只能對一個2的80次方數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，我們在收集的過程當(dāng)中，破解的能力是非常有限的。

以下為演講全文：

很高興能夠參加今天的論壇，我的話題是新量子革命或者量子飛躍，為了能夠更加安全和有效地進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。我們?yōu)槭裁葱枰髷?shù)據(jù)分析，剛才幾位非常杰出的學(xué)者都做了比較好的闡述。一方面從各式各樣的資源進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時候，需要有互聯(lián)網(wǎng)的安全性，希望數(shù)據(jù)能夠被安全的收集。同時我們采集到數(shù)據(jù)之后，希望也能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的挖掘，我們需要很強(qiáng)的計算能力。

但是在這些事情當(dāng)中，我們有幾個挑戰(zhàn)。第一個就是互聯(lián)網(wǎng)的安全性，其實(shí)我們在服務(wù)器的終端，在我們的信息的傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，和服務(wù)器當(dāng)中都存在著各種各樣的漏洞，所以都有一種潛在的威脅，覺得我們的信息有可能被泄露。但是為了解決這個問題，我們可以用加密的算法，比如說通過身份認(rèn)證來確保用戶的合法性。同時在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，通過對數(shù)據(jù)的加密來保證信息不會被竊取。與此同時也通過數(shù)字簽名，可以比較好的保證我們的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中不會被篡改。但是在所有的傳統(tǒng)做法當(dāng)中，都是依賴于加密算法，通常加密算法是依賴于計算的復(fù)雜度算法。我們把全世界的計算能力收集起來看一下，要對某個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索的話，它只能對一個2的80次方數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，密碼破解的時候，我們在收集的過程當(dāng)中，破解的能力是非常有限的。

非常有意思的是，量子力學(xué)從前是為經(jīng)典技術(shù)提供非常好的方案，我們芯片各種各樣的期間有賴于量子力學(xué)的發(fā)展，量子力學(xué)研究的本身，也為了解決剛才所講到的這些問題提供了可能性的解決途徑。

具體的來說，運(yùn)用了量子力學(xué)的基本原理。我們都知道，在量子力學(xué)里面，我們說比特可以用一只貓的死和活兩個狀態(tài)來看，比特在微觀世界里面，在物理上怎么來實(shí)現(xiàn)呢?我們可以用光子的極化，比如說電磁波在真空當(dāng)中傳播的時候，沿著水平的偏正，未知的量子態(tài)是不能被精確復(fù)制的，這是這個定理告訴我們的。

比如說利用所謂的當(dāng)光子不可分析性，單光子一顆一顆的，對于量子不可克隆的定理，如果存在竊聽者，這個方法是不能做的，只能進(jìn)行復(fù)制或者測量。測量完之后就會引入噪聲，就會覺察。用這樣的方法，在兩個之間建立安全的密鑰，這樣的安全的通信方式是依賴于物理學(xué)的基本原理，而不是依賴于計算的復(fù)雜度。這樣的話，我們就能夠保證由物理學(xué)基本原理所保證的互聯(lián)網(wǎng)的安全性。與此同時，當(dāng)我們利用量子糾纏的概念，拓展到很多粒子的時候，我們就可以涉及一些特殊的量子算法，利用量子疊加原理，我可以分解一個300位大數(shù)，目前的ClassicalTHz15萬年，用量子的1秒鐘就可以了，從這樣的角度講，量子的計算功能是比較強(qiáng)大的。

還可以舉另外一個例子。在求解方面，利用目前最廣的太湖之光，相當(dāng)于100個24個方的線性方程組100年左右，用量子計算機(jī)需要0.01秒完成了。但是真正的把這樣的機(jī)器研制出來，我們還是需要比較長的時間，所以目前對我們物理學(xué)家來說，我們主要的精力是集中在量子模擬上面。利用這樣可控的量子系統(tǒng)，我們可以來計算一些目前的每天的計算機(jī)所算不了的事情。比如說可以來求解一些方程，專門求解高溫超導(dǎo)里面的機(jī)制或者霍爾方面相關(guān)的研究，這是我們這個領(lǐng)域里面的一些基本原理。

總體上來講，目前我們估計上正在做這么一件事情，就是說為了實(shí)現(xiàn)這么一個大尺度的LargeScale，首先用光纖構(gòu)建各種各樣的網(wǎng)，這個技術(shù)是比較成熟的。同時利用所謂的Scale將各個城市之間連起來，兩個連接起來會比較有效，到了更廣的時候來實(shí)現(xiàn)廣域的LargeScale。有了這些事情以后，我們可以比較好的來做未來的一些發(fā)展。目前在我們中國，比如說我們已經(jīng)在2012年的時候，已經(jīng)能夠相關(guān)的技術(shù)覆蓋到6000平方公里的來支持千節(jié)點(diǎn)、萬用戶的相關(guān)需求了。這么一來，這樣的系統(tǒng)目前比如在北京，已經(jīng)投入永久使用了，來進(jìn)行一些相關(guān)的安全的使用。除此之外我們目前也在構(gòu)建所謂的北京到上海之間的量子通訊網(wǎng)絡(luò)，就是骨干網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)絡(luò)昨天正好是上海到合肥之間所有的設(shè)備開通了，昨天正好在國際會議上給國外學(xué)者做相關(guān)的展示，這是700公里光纖，這個到今年年底也會完全開通，開通之后可以用于一些銀行的轉(zhuǎn)賬等等。

另外我們也在開展一個相關(guān)的工作，是跟量子衛(wèi)星緊密結(jié)合的，我們其中的主要任務(wù)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)一個高速率的，衛(wèi)星和地面之間的密鑰的分發(fā)。我們在今年的8月份，量子衛(wèi)星正式發(fā)射之后，已經(jīng)開展了相關(guān)的實(shí)驗。相關(guān)的實(shí)驗，我們在星龍地面站，這是我們衛(wèi)星的軌跡，這是我們地面對天上進(jìn)行跟蹤，我們曝光是5到10秒鐘，天上的信號是完全可以看到的，點(diǎn)就變成一條線了，到目前為止非常好的建立了天地之間的鏈路，目前的速率大概每妙鐘傳輸?shù)拿荑€是在20000個左右，所以基本上可以滿足一些安全信息傳輸相關(guān)的需要。

在量子計算方面，因為我們目前很難想象計算機(jī)到底是一種固態(tài)的?還是業(yè)態(tài)的?還是氣態(tài)的?大家都不清楚，相當(dāng)于從前我們討論說我告訴你有一臺有非常好的算法能夠算的很快，大家會問你你這個計算機(jī)到底是用珠子玻璃做的?還是竹子做的?還是木頭做的?經(jīng)常會問我們將來的計算機(jī)到底是用原子做的還是什么做的?目前回答這個問題還太早了。目前我們這個領(lǐng)域有用離子的、光子的、Cavity-QED等各種各樣的系統(tǒng)，我們來進(jìn)行相關(guān)的研究，希望能夠找到一種適合于進(jìn)行量子計算的體系，在這個過程當(dāng)中，我們有幾個任務(wù)是需要完成的。

第一個需要能夠?qū)α孔拥臓顟B(tài)進(jìn)行高精度的支配和操縱，能夠讓它有很長的存儲和相關(guān)時間。如果計算都還沒計算完，如果就死掉了，那你就很難獲得正確的結(jié)果了。為了讓計算能力越來越強(qiáng)大，所以需要把好多粒子糾纏起來。只有這樣我們才能夠進(jìn)行有效的量子計算。

目前比如說在我們的體系里面，我們已經(jīng)做了一些相關(guān)的演示，比如說做各種各樣的量子算法的演示。我們可以用我們的量子算法來有效地求解線性方程組，我們知道方程組的求解在信號處理，在經(jīng)濟(jì)學(xué)的分析，在計算科學(xué)和物理學(xué)方面是廣泛應(yīng)用的，求解這么一個方程組的話，相當(dāng)于做這么一個反向的求解，找到一個A負(fù)的矩陣，把X等于多少求解出來。找到這么一個矩陣，首先找到A的本正值engenvalues，大概需要這么多步。有了這個方案之后，就可以構(gòu)造所謂的矩陣。

假定我們有這么一個方程組，這是一個非常簡單的游戲機(jī)一樣的，我們構(gòu)建這么一個比較小的所謂的Serqute，之后我們就可以在實(shí)驗上來驗證我們確實(shí)有這么一種計算可以在小的步驟里面完全量子計算。但是這個過程的話，我們也可以把它用到所謂的機(jī)器學(xué)習(xí)里面。在這個地方對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，我們這里有很多Samplevector，有好的Vector，還有壞的Vector。

來源：數(shù)據(jù)觀

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