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淺談量子運算發展與合作
柴惠珍
台灣大學兼任副教授 台灣數位鑑識發展協會副理事長
32nd TWNIC IP Open Policy Meeting 2019年06月20日
史上第一張黑洞照片
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2019.04.11天大的新聞
史上第一張黑洞照片
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2019.04.11天大的新聞
古典力學：宏觀物質的運動定律
量子力學：微觀粒子的運動定律
2019年十大策略技術趨勢預測
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下世代的運算工具
不是升級或改進，而是典範變遷
• AES需增大密鑰長度
• SHA-2、SHA-3需更大輸出量
量子電腦神算即將顛覆科技產業
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傳統電腦 量子電腦 備註
演算 法
最佳演算法1024步
量子演算法1010步
1994年Shor的量子因式分解演算法， 將300位數做質因素分解 運算
時間
15萬年 小於1秒
1092億年 3小時 用100量子位元電腦解開私鑰
1994年數學家Peter Shor設計Shor演算法，
理論證明量子電腦能快速破解現有加密機制
• 1024個量子位元電腦可破譯ECC-256
• 2048個量子位元電腦可破譯RSA-1024
• 2128個量子位元電腦可破解AES-256
• MD4、MD5
• HAVAL128
• RIPEMD
• ECDSA、ECDH
• DSA
• SHA-1
• RSA512(1999年)
• RSA768(2009年)
• RSA4096(2015年)
都被破解了
創新資安威脅的另一章
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現在攔截，將來破解 (Intercept now, Decrypt later)
在多年以後將威脅範圍追溯到當前
荷蘭情報與安全總局2015年：不法攻擊者現在開始攔截及存儲金融交易數據、個人電子郵件、其他網際網路加密流量行為，「並不會讓人感到意外」
斯諾登揭露資料：美國及英國情報機構正利用海底光纜登陸站毫無遺漏地收集約占全球聯網流量99%的光纜通訊訊息
《連線》雜誌2012年：美國國家安全局已經開始在猶他州新建一座數據中心，其有能力將網際網路自誕生以來產生的所有流量全部保存下來，從而使其成為一種戰略資源，供美情報機構在掌握量子計算能力後進行開發
量子運算發展史
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第一次量子革命 第二次量子革命
• 建立量子力學的基本原理，改變人們對物質世界的觀點
• 促使電晶體、積體電路、雷射、MRI、LED發明(半導體、光電產業)
• 產業上運用量子技術的創新發展
• 著重在將傳統工具或技術，運用量子力學原理，以增進其效能，甚或是開發全新的工具與技術
• 1900年普朗克(M. Plank)解決黑體輻射問題而開始
• 1924年馬克斯·玻恩(Max Born)創造「量子力學」一詞
• 1925年海森堡(Werner Heisenberg)發表矩陣力學
• 1926年薛丁格(Erwin Schrödinger)發表波動力學
• 1926年波恩(Max Born)提出波函數的機率振幅概念
• 1927年海森堡發表量子力學的測不準原理
• 1982年Wootters、Zurek、Dieks發表量子不可克隆(複製)原理
• 1980年代將資訊理論與量子力學原理結合的構想
• 1981年費曼(Richard Feynman)提出可模擬的量子電腦模型
• 1985年英國牛津大學杜奇(David Deutsch)提出量子杜林機(Quantum Tuning Machine)，顯示量子電路可行
• 1994年貝爾實驗室蕭爾(Peter Shor)提出Shor演算法，解決質因數分解問題。證明傳統電腦需數百年才能破解現有加密機制，量子電腦能大幅減少時間
• 1997年Lov Grover發展高複雜度量子搜尋演算法
The Solvay Conference 1927
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Max Planck Marie Curie Albert Einstein
Werner
Heisenberg
Erwin
Schrödinger
Paul
Dirac
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時間 機種 QuBit 現狀
2011年 D-Wave One
128 • 全球第一款商用型量子電腦 • 尚未得到學術界廣泛認同 • 震醒大家意識到， 量子電腦有市場、有需求
2013年 D-Wave Two
512 • Google及NASA的量子人工智慧實驗室 • 執行特定演算法時比傳統電腦快上一億倍(比超
級電腦快3,600倍)
2017年 D-Wave 2000Q
2000 • Google、NASA、洛克希德馬丁、洛斯阿拉莫斯國家實驗室等，已進行複雜實驗，以解決新藥研發、網路安全、太空探索等問題
• 售價1500萬美元
2018年 • 提供免費雲端即時使用量子計算
2020年 5000 • 預於2020年中提供5000量子位元電腦
• 加拿大，全球最早的量子計算公司，成立於1999年
• 超過140件專利，員工超過150人，獲得超過1.4億美元融資
• 目前唯一有正式出貨的公司
全球第一款商用型量子電腦
全球第一個即時量子應用環境(QAE)
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提供雲端線上服務，每月免費使用1分鐘，約執行400-4000tasks.
D-Wave Leap 於2018年10月4日開放使用
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量子霸權
(Quantum Supremacy)
處理器要達到50量子位元時，才能具有解決
傳統電腦無解問題的能力
72量子位元 • 2018年3月Google推出處理器
Bristlecone
50量子位元 • 2017年3月，IBM宣布IBM Q • 商用可量產的量子電腦
量子時代帶來新的可能
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新藥研發 網路安全
太空探索
安全通訊
新材料優化
傳感及量測
金融計算
當你有一台量子電腦時，
第一件事你要做什麼？
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把剩餘的
比特幣 挖出來
• 打造全新的比特幣2.0生態系統 • 無懼量子電腦破解的比特幣 • 2017年12月28日在區塊高度501368硬分叉
量子保密通訊
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量子金鑰分配QKD (Quantum Key Distribution)
• E91協定 • B92協定 • BBM92協定 • DPS協定 • COW協定 • 連續變量協定
量子遙傳 (Quantum Teleportation)
後量子密碼PQC (Post Quantum Cryptography)
基於晶格 的密碼
基於糾錯碼 的密碼
多變量公鑰 密碼
基於Hash函數 的密碼
軍備競賽
企業界在後量子密碼發展的影響
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美國安全創新公司(SecurityInnovation)
• 註冊並擁有NTRU算法的專利
• 兩種授權：開源GNUGPL v2授權、商業授權
• 安全套接字協議層(SSL)、ARM7/9處理器庫等
• 已有使用NTRU加密算法的Java及C程式應用
微軟公司
• 2016年4月發布基於格密碼庫(LatticeCrypto)
• 對量子電腦攻擊，至少能能有128位安全性能
• 2016年7月發布新希望“new hope”演算法
• 用於Chrome瀏覽器，Chrome Canary，CECPQ1
• 非接觸式安全晶片
光纖量子通訊
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時間 國家及量子通訊網路 傳輸距離
1993 瑞士日內瓦大學Gisin小組 1公里 1995年達23公里
2003 MagiQ系統 120公里 全球首個商用量子密碼系統
2004 英國劍橋大學Gobby等人 122公里
2005 美國DARPA量子網路 10公里 3個節點
2007 美國Los Alamos實驗室及中國 100公里
2008 歐盟SECOQC量子通訊網路 82公里 6個節點
2015 瑞士SwissQuantum網路 307公里 2011年第一個跨國QKD網路
2017 中國京滬幹線 2000公里 7個節點
永久解決資訊安全問題！ 中國成功發射全球首顆量子衞星
2016年8月16日發射墨子號量子衛星
– 進行太空與地面之間量子密鑰分發的實驗
2017年6月將2個纏結的光子送到相距1200公里的地面站，且仍保持量子糾纏的狀態
2017年9月29日中國及奧地利跨7600公里75分鐘長之洲際視訊會議
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中國河北興隆
奧地利格拉茲
墨子號量子衛星
中國新疆烏魯木齊南山
量子科學實驗中心
• 安徽合肥
量子通信地面站
• 河北興隆
• 新疆烏魯木齊南山
• 青海德令哈
• 雲南麗江
量子隱形傳態實驗站
• 西藏阿里
中國預於2030年前建立全球首個量子通訊網
歐盟量子宣言
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Quantum Manifesto
IBM Q量子系統及社群服務
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時間 機種 QuBit 事蹟
1998年 1
2016年 5月
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• 推出5量子位元電腦、IBM量子體驗(IBM Quantum Experience)雲端服務(免費)
• 穩定：每次測試的結果都相同 • 已擁有4萬名用戶，進行過20萬項實驗，並發表15篇研究論
文，效果顯著
2017年 3月
IBM Q 50
• 商用可量產的量子電腦 • 與MIT投入72億台幣，以開發AI新演算法(尋找超越深度學習
的新算法)、AI硬體(如何利用量子計算機優化並且加速機器學習運算)、AI對人類社會的影響、AI應用(醫療保健、網路安全為主)
未來十年 • 打造出一台具備50到100位元的量子電腦
https://www.research.ibm.com/ibm-q/
Hardware
IBM QISKit
IBM Q Experience
Community (IBM Q Network)
Rigetti 量子雲端服務
22 https://www.rigetti.com/forest
Quantum Cloud Services
專注在商業化應用
