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量子電腦到底有多霸氣?終極「密碼戰」即將引爆?

研之有物│中央研究院_96
・2020/01/13 ・5169字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|郭雅欣、美術編輯|林洵安

量子電腦與密碼學

2019 年 10 月 Google 宣布實現「量子霸權」,全世界都驚呆了!量子電腦已經無所不能了嗎?其實量子霸權的意義在於:人類已經讓量子電腦做到一件古典電腦很難達成的事。不過,量子電腦的進度條的確正快速更新,未來可能帶給人類巨大的福祉,但也會顛覆現今保護我們隱私的加密系統。

中研院資訊科學研究所鐘楷閔副研究員,形容密碼學就像一場好人與壞人的戰爭,站在量子密碼學研究前緣的他,將為研之有物的讀者揭密這場沒有煙硝的資安保衛戰。

中研院資訊科學研究所鐘楷閔副研究員,專長為理論計算機科學、量子密碼學、量子複雜度理論……換成白話,就是一位在資訊科學所用理論 / 數學研究方法研究資訊科學的科學家,專攻量子計算如何影響密碼學,及其潛力與極限。
攝影│林洵安

量子電腦跟傳統電腦差在哪?

量子電腦和傳統電腦的不同,在於它利用了各種神奇的量子特性,也就是當我們以微觀的角度觀察這個世界時,那些與巨觀世界不同的特性,像是讓薛丁格的貓介於死和沒死之間的「疊加態」,或是兩個量子即使相距很遠,仍舊會依據對方狀態而決定自己當下狀態的「纏結效應」。(有關量子效應可參考「研之有物」相關文章 量子電子元件 hen 夯,但如何掌握像情人心難測的量子位元?) 當電腦擁用這些比科幻還科幻的量子特性,將克服古典電腦無法解決的難題。

不過,鐘楷閔立刻猛劃重點強調:

量子電腦不是無所不能,或是每秒鐘能做的事情比較多,它只在某些「特定(但很重要)問題」上,有比古典電腦更快的解法,只需要更少的空間和步驟。

舉例來說,未來量子電腦可能用於模擬細菌的固氮作用,將大大提升農業上製造氮肥的效率。因為細菌進行固氮作用時,有些關鍵步驟具有量子效應,模擬這些效應的複雜度將超越了古典電腦的極限。而量子電腦「剛剛好」是以量子效應運作,當然較有希望成功。

不幸的是,量子電腦可攻克的「特定問題」,也包括時刻保護我們交易安全和隱私的加密系統……

堅不可摧的加密系統

登入網購平台,輸入帳號密碼,選好商品放入購物車(又剁了好幾根手指)之後,再填好地址及電話,按下結帳,輸入信用卡卡號,接下來只要等商品來到家門口,啊~多美好的日常……等等,你算過在剛剛那五分鐘裡,親手傳出多少個人資訊嗎?這個問題細思極恐,事實上不必太擔心,因為密碼學正默默保護著我們。

早在兩千年前凱撒大帝打仗時,就懂得使用「暗號」來保護軍事書信。只有知道暗號的人可以「解讀」信件內容,對於不知道暗號的敵人來說,就算拿到書信也只是一堆亂碼。

但這套方式有個致命傷,那就是「如何一開始讓所有合法的使用者拿到一樣的暗號,又不會讓暗號外洩呢?」當代的密碼學家想出一套稱為「非對稱加密 」的方式,利用成對的公鑰和私鑰來加密暗號,公鑰就像是一個蓋上就鎖住的盒子,私鑰是可以打開這個盒子的鑰匙。如此一來,就能讓素昧平生的合法使用者,先利用比較安全的非對稱加密傳遞暗號,接下來就能靠暗號祕密通訊了。當你登入網購平台買東西,你的電腦和平台之間的通訊,就是透過類似的方式保護你的個資。

舉例來說,當顧客登入網路書店,申請刷卡購買「研之有物」的新書。網路書店會立刻製造一對公鑰和私鑰,把公鑰傳給客戶的電腦。客戶端的電腦再將自己的暗號,以公鑰加密後傳回網路書店。壞人沒有私鑰,就算中途攔截了信息也無法破解。最後,網路書店用私鑰解密,得到客戶的暗號,接下來就可以靠暗號傳送信用卡卡號等個資了。

細心的讀者可能會有疑問:那為什麼不直接把所有訊息透過非對稱加密傳遞,還需要先傳暗號,再用暗號保護訊息呢?原因在於,非對稱加密的效率非常低,而透過暗號加密(稱為對稱式加密)的效率很高。因此,目前網路架構中,僅利用非對稱加密傳遞短短的暗號,接下來主要的通訊就使用高效率的對稱式加密。
圖說設計│ 林洵安、黃曉君

當然,網路上並不是真的有一個盒子在傳輸!目前的加密系統能如此安全,關鍵是它的核心有一個難以解開的數學難題,需要公鑰加上私鑰才能解開。所以即使壞人拿到加了密的訊息,沒有私鑰還是解不了密碼。

這類數學難題很多,像是超大數字的質因數分解。隨機找兩個很大的質數相乘 ,比如 97 乘上 113 ,就會得到一個超大數字 10961 ,很簡單吧?但是,如果一開始給你 10961,你算得出它是哪兩個質數相乘嗎?

這不是國小老師偷懶沒教,而是人類還沒找到有效率的方法(多項式時間的演算法)來計算質因數分解這類問題。所以理論上,只要數字夠大,即使是全世界性能最強大的超級電腦,也可能花費上萬年才能破解。

簡言之,加密系統核心的數學難題愈困難,古典電腦就需要花愈長的時間破解,加密系統也就愈安全。

破解古典密碼,量子電腦 hen 會

然而,現今密碼學看似堅不可破的數學難題,在量子電腦的面前變得不堪一擊。因為這些問題的答案都可以轉化成週期性的結構,剛好量子電腦擅長破解。(哭哭)

什麼是週期性結構?再以質因數分解問題舉例:想要找出 N 這個數字是由哪兩個質數 (P 與 Q) 相乘所得,可以先任意選擇一個數字 A ,用 A 去除 N ,得到一個餘數 a1 ,接下來依序用 A2 、 A3 、 A4 ……不斷地除 N ,就會得到餘數 a1 、 a2 、 a3 、 a4 ……最後某一次的操作,餘數會回到 a1 ,形成週期性的結構。一旦能找到週期,就能「比較有效率」的分解 N。

不過,對於古典電腦來說,當數字相當巨大時,尋找餘數的週期仍是十分困難的任務,但對於具有疊加作用的量子電腦,卻是小事一樁。

總之,目前我們所仰賴的加密系統,在量子電腦出現之後將變得不再安全……可是 IBM 、 Google 不斷更新量子電腦發展的進度條,我們已經暴露在資訊外洩的風險之下了嗎?

別擔心!小亞瑟還沒長成惡魔小丑

其實,量子電腦目前還只是個嬰孩階段。以 Google 用來實現量子霸權的量子電腦來說,只有 53 個位元。

相較古典電腦,早在 1970 年即已發布 Intel 1103 ,為容量 1 kb (1024 位元) 的記憶體。「古典電腦如果只有 53 個位元的記憶體,連程式都沒辦法寫,英文字母只能存 7 個,可以想像現在的量子電腦 Size 有多迷你。」鐘楷閔笑著繼續解釋:「而且如果把 Google 做的事情畫成一個量子電路,這台電腦能執行的電路深度最多只有 20 層。」翻譯成大白話,意思是:每個位元只能運算 20 次!

「20 次?!這麼少?」你發現重點了!量子位元操作時很容易受到環境影響而壞掉, 20 次的操作已是目前的極限。

Google 公布的 53 個位元量子電腦。上圖每個灰色 X 皆是一個量子位元,白色的 X 是壞掉的量子位元,下圖為幾公分大的量子電腦晶片,量子位元統統擠在這小小的晶片中。
圖片來源│《Nature》

不只如此, Google 這次霸氣外漏的宣告,他們讓量子電腦做的事情,其實是……模擬量子電腦自己!「哈哈,這題目有點作弊嫌疑啦!不過,這依然是一個很重要的結果,證明了即使現在量子電腦這麼小,已經可以做到一件古典電腦做不到的事了。」鐘楷閔笑著解釋。

這個任務有多難?如果古典電腦試圖模擬同樣的量子系統,必須先將量子態用 0 與 1 記錄下來,再計算這些 0 與 1 經過 20 次量子運算會有什麼改變,最後才能得到結果。可是古典電腦光是要把這 53 個量子位元的狀態寫下來,就需要 253 個位元的空間,更別提運算和模擬了! 根據 Google 論文宣稱,古典電腦要完成這件事得花一萬年,但這臺小小的量子電腦只需花 200 秒。

Google 實驗的意義在於:我們已經可以控制 53 個量子位元完成 20 次的操作,這是一件目前古典電腦做不到的事。

但是,這距離真正「有用」的量子電腦還有很遠的路!拿量子電腦模擬細菌固氮效應來說,量子電腦得擁有 100 個左右的量子位元,並且可以運算操作 1014 次……。 想想,Google 的量子電腦只有 53 個位元不說,而且只能操作 20 次,簡直天壤之別!至於量子電腦破解現在的加密系統,根據專家預測,嗯……至少還要 30 年的時間。

終極密碼戰,現在就開打!

雖然如此,但密碼學已深入現代生活的層層面面,不早點找出應對之策,屆時可就來不及了。想想全世界在千禧年危機的手忙腳亂、損失慘重……

從 2017 年起,美國國家標準暨技術研究院 (NIST) 開始著手「後量子密碼標準化計畫」,募集全世界密碼學家研發、可對抗量子電腦的密碼系統。這些密碼系統的核心同樣有個數學難題,但這個難題無法轉化成量子電腦擅長的週期性問題,中研院資訊所楊柏因研究員團隊也參與這個計畫,並通過第二輪選拔。

「整個過程就像選秀節目一樣,」鍾楷閔笑著形容:「主辦單位先海選出合適的密碼系統,然後經過兩輪篩選,訂定標準化的各項參數,預計在 2022 ~ 2024 年間公布最終標準。」

簡言之,在 3-5 年後,我們很可能就會開始逐步更新密碼系統,正式進入「後量子時代」。

這場密碼學的競賽,就像好人與壞人的戰爭。究竟是壞人會先利用量子電腦破解加密系統,擊潰目前的資訊安全網,還是好人會先做出安全的後量子時代加密系統,築起更安全的防禦牆,關鍵就在這幾十年量子電腦的發展。

科技進步不會停止,在量子電腦發展過程中,密碼學家正努力追趕進度,為人類預先設下資訊安全網。下次在網路上輸入個人資料時,不妨感謝一下在螢幕後頭默默努力著的密碼學家們(合十)。

 

原來量子電腦還在嬰兒階段,只能運算 20 次啊……想要它的運算次數快速成長,有沒有什麼好辦法?

其實,不太可能期待一個量子態經過多次的運算操作還不會壞掉,所以我們應該換一個概念:當做了一定的計算,量子態開始有一點點壞掉時,立刻修復它。換句話說,如果能成功幫量子位元隨時除錯,那它的計算次數就可以無限多。

為此,科學家正在研發如何替量子位元編碼,變成「邏輯量子位元」。所以有人認為,量子電腦的下一個目標,應該是先實現邏輯量子位元。

另一種有趣的想法是,如果把操作有限的小型量子電腦,配上古典電腦,也許可以相當於大型量子電腦……

小型量子電腦 + 古典電腦 = 大型量子電腦,這個點子感覺有戲!

可惜的是,沒有這麼便宜的事!我的團隊最新的研究,在某個模型下,反駁了英國密碼學家喬茲薩 (Richard Jozsa) 提出的類似想法「喬茲薩猜想」。

喬茲薩猜想的意思是:所有可以被大型量子電腦解決的問題,運算步驟都可被拆解,然後由小型量子電腦(只能進行少數次數操作)搭配上古典電腦解決。如果這樣的猜想為真,意味著不需要強大的量子電腦(能夠進行很多次操作),只要小型量子電腦和古典電腦合作,也能解決所有大型量子電腦可以做的事。

資料提供│鐘楷閔
圖片重製│林洵安

我的團隊則在密碼學的一個「預言機模型」 (oracle model) 下提出一個問題,證明量子操作次數不夠多的時候,這個問題無法解開,為這個猜想找到了一個反例。

真可惜……除了量子電腦本身,鐘老師對於量子密碼學還在進行什麼研究呢?

我另一項研究重點,與密碼學的安全性證明有關。前面說過,密碼系統的核心是一個數學難題,換句話說,一個密碼系統的安全性必須仰賴這個數學難題是無法被破解。

我們可以用數學來證明這些密碼系統的構造有多安全,但對應的量子版本我們還在研究中。

因為愈好的證明,愈能確保加密系統的安全性。尤其在 NIST 正如火如荼找出後量子時代加密系統的現在,我們能做到多好的證明,也會影響標準化的參數要怎麼設定,才能滿足運算速度夠快,但又非常安全的需求。這是現代密碼學家非常重要的任務。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰?!,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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