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1、量子计算时代,信息安全的挑战与机遇By***2010年7月(武汉大学国际软件学院2008级7班)摘要:量子计算技术的发展对我们来说既是机遇,又是挑战。计算机的实用化只是时间问题,我们必须提前做好准备工作。本文简单介绍了量子计算的基本原理,发展现状及实现方案,展现出了其诱人的前景。同时也指出了对我们当前信息安全的挑战,并且提出了两种应对方案,一是从密码的算法方面入手,二是发展被称为最可靠通信技术的量子密码。关键字:量子;计算机;信息安全;密码Abstract:Thedevelopingofquantumtechnologyisanop
2、portunityaswellaschallenge.Thecommonquantumcomputerisonthewayandwemustdothepreparationnow.Thispapergivesabriefintroductiontoboththebasictheoryofquantumcomputationandthepossiblesolutionsforimplementationofquantumcomputer,whichshowsthepromisingfutureofthisfield.Atthesame
3、time,wepointoutthechallengeswitchitbringstopresentinformationsystem.Therearetwosolutionsforthischallenge.Thefirstoneistodoresearchinalgorithmofcryptography.Anothersolutionistodevelopquantumcryptographywhichisdescribedasthemostreliablecommunicationtechnology.KeyWords:Qu
4、antum;Computer;InformationSafety;Cryptography一、引言从1946年人类第一台计算机ENIAC的,到今天计算机信息技术飞速的发展,计算机已经走过了六十多年的历程。六十年中计算机一直按“摩尔定律”的预言不断发生着惊人的变化,体积越来越小,运算速度越来越高,成本基本保持不变,当然计算机芯片的集成化程度越来越高。这种经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点:一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上,以避免在热涨落下的误动作;二是信息熵与发热能耗;三是计算机芯片
5、的布线密度很大时,根据海森堡不确定性关系,电子位置的不确定量很小时,动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚,会有量子干涉效应,这种效应甚至会破坏芯片的功能。因此现代计算机进一步缩小计算机的体积,提高运算速度已经极其困难。大多数观察家预期“摩尔定律”的神话将在21世纪的前20年内结束。然而量子学研究给计算机的未来探索出了一条新的出路——量子计算机。量子计算机利用粒子所具有的量子特性进行信息处理,能够用极少的数量表示大量的数据。量子计算很可能就是“摩尔定律”的终结者。目前,量子计算与量子信息技术已经取得了可喜的成就。量子计算时代的到来,
6、将对我们人类的生活产生极大的影响,在给我们带来了巨大机遇的同时,也对我们的当前的信息安全形成了严重的威胁,不断地挑战信息安全工作者的智慧。二、量子计算技术1.一些重要的基本原理量子计算之所以有杰出的表现,主要是有以下几个特点:(1)量子比特在量子力学中,我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别,我们称之为量子位(qubit),经常用表示。在经典计算机中,每一个数据位要么是0,要么是1,二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是,量子位可以是或者,也可以同时是和。也就是说,在量子计算中,数据位的存储内容可以
7、是0和1的迭加态:。其中的含义是在测量时得出结果的概率的相关量,。以上只是对单量子比特的介绍,还可以有多量子比特。以双量子比特为例,它有四个基:,一个双量子比特可以处于如下状态:其归一化条件为:。对于更多的量子比特,其基态可表示为:。由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充。n个量子位可以同时存储2n个数据,从而大大提高了存储能力。(2)量子比特门经典计算线路由连接线和门组成,量子线路也不例外。单量子比特门是一个(二阶)酉矩阵U,满足,作用在量子比特上,相当于将左乘上U,变换成。实际上,第一个酉矩阵U都对应着一个有效的量子门,即对
8、于量子门来说唯一的限制就酉性(unitary)。量子门的作用都是线性的。在量子线路中,受控非(CNOT)门是一个通用门,任意的多量子比特门都可以由CONT门和单量子比特门复合而成。(3)量子纠缠态现代物理学发展表明,量子纠缠态之间的关
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