从比特到量子比特——以及蝴蝶效应引发的飓风

从比特到量子比特——以及蝴蝶引发的飓风

像蝴蝶一样扇动你的翅膀，去改变世界。去创新！

我一直在阅读 Brian Klaas 博士和 John Murray 的《Fluke: Chance, Chaos and Why Everything We Do Matters》[here ]，它概述了我们在世界上所做的一切都会对其他一切产生影响。因此，即使是最小的事件也可能对我们的生活以及他人的生活产生重大改变。

所以你可能会选择乘坐公共汽车而不是开车去上班，这将在某种程度上改变你和许多其他人的世界。也许乘坐公共汽车时，你不小心扭伤了脚踝，不得不去医院，而在医院里，你遇到了最终坠入爱河并结婚的人。这段新的关系激励你辞掉无聊的工作，开始研究癌症。最终你拥有了一个了不起的研究生涯，并有了三个很棒的孩子和七个孙子孙女。因为你所做的伟大工作，你被授予诺贝尔化学奖，并结束了数百万人的痛苦。但是，如果你开车，你最终只会去上班然后回来，继续做着同样的老工作，永远找不到你的灵魂伴侣，孤独终老。这就是混沌理论……你所做的一切，都会对其他一切产生影响。

告别硅，迎接量子

不管你喜不喜欢，大规模的量子计算机即将到来，它们将为计算带来全新的机遇——这简直就是一次量子飞跃。Grover 算法也许最能体现这一点，它可以在合理的时间内计算 2¹²⁸ 个加密密钥。使用我们现有的计算能力对一个 128 位密钥进行暴力破解，需要：

5.29 亿万亿万年

才能以每秒 100 亿次尝试破解单个密钥。事实上，我们需要将地球上所有海洋煮沸 16,384 次的能量！然而，一台量子计算机——当大规模构建时——可以启动许多并行进程来尝试每个密钥。

因此，随着机遇而来的是风险，尤其是在破解我们现有的公钥加密方法方面。幸运的是，NIST 正在处理这个问题，并且已经开发了一整套新标准来取代 RSA 和 ECC。这些标准包括用于密钥交换和公钥加密的 Kyber（FIPS 204）和 HQC，以及用于数字签名的 Dilitium（FIPS 205）、Falcon 和 SPHINCS+（FIPS 206）。

然而，最大的机遇是处理能力的大规模提升，以及摆脱硅成为运行速度限制的局面。在过去的几十年里，我们大约每 18 个月左右就将计算速度提高一倍：

这种加速主要是通过晶体管的微型化实现的，现在我们正在研究只有 4 纳米大小的晶体管。因此，基本上我们不可能做得更小了。幸运的是，量子计算机不会有这种限制，我们可以从比特转移到量子比特，并用在 x 轴上执行 180 度旋转（Pauli-X 门）、在 y 轴上执行 180 度旋转（Pauli-Y 门）或在 z 轴上执行 180 度旋转（Pauli-Z 门）的门替换我们的 AND、OR 和 NOT 门。

因此，我们一直在扩大使用这些量子电路进行处理的研究。虽然目前我们只能模拟它们，但未来有机会在真正的量子计算机上运行这些方法。其中一个例子[here]：

通过这个，Shabhaz 采用了一种混沌加密方法，并将其转换为一种量子就绪技术。有了混沌方法，我们有了蝴蝶效应，一个微小的变化可以引起大量的变化——就像一只蝴蝶在一个国家扇动翅膀可能导致另一个国家发生飓风一样[here]。

为此，本文概述了我们如何将经典图像转换为量子图像，然后应用量子算法进行加密和解密过程[here]：

详细地说，这种转换通过各种阶段发生[here]：

并且可以使用一系列量子门[here]：

然后，该论文概述了如何使用量子电路构建每个组成部分，例如用于图像准备[here]：

最后，我们可以看到原始图像（顶行），加密图像（中间行）和解密图像（底行）：

结论

像蝴蝶一样扇动你的翅膀，去改变世界。去创新！

• 原文链接： billatnapier.medium.com/...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～