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中国科学院院士潘建伟:新量子革命,用于更安全和高效的大数据分析

  数据观现场报道 2016年11月17日下午,第三届世界互联网大会“大数据论坛”举行,本次论坛由中国国家互联网信息办公室和浙江省人民政府指导支持,中国科学院主办,中科学院信息工程研究所承办,数据中心联盟协办。

  中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授在该论坛上发表了主题为“新量子革命:用于更安全和高效的大数据分析”的演讲。潘建伟教授谈到,如果把全世界的计算能力收集起来,要对某个数据库进行搜索,它只能对一个2的80次方数据库进行搜索,我们在收集的过程当中,破解的能力是非常有限的。

  以下为演讲全文:

  很高兴能够参加今天的论坛,我的话题是新量子革命或者量子飞跃,为了能够更加安全和有效地进行大数据分析。我们为什么需要大数据分析,刚才几位非常杰出的学者都做了比较好的阐述。一方面从各式各样的资源进行数据收集的时候,需要有互联网的安全性,希望数据能够被安全的收集。同时我们采集到数据之后,希望也能够对数据进行有效的挖掘,我们需要很强的计算能力。

  但是在这些事情当中,我们有几个挑战。第一个就是互联网的安全性,其实我们在服务器的终端,在我们的信息的传输的过程当中,和服务器当中都存在着各种各样的漏洞,所以都有一种潜在的威胁,觉得我们的信息有可能被泄露。但是为了解决这个问题,我们可以用加密的算法,比如说通过身份认证来确保用户的合法性。同时在传输的过程当中,通过对数据的加密来保证信息不会被窃取。与此同时也通过数字签名,可以比较好的保证我们的数据在传输的过程当中不会被篡改。但是在所有的传统做法当中,都是依赖于加密算法,通常加密算法是依赖于计算的复杂度算法。我们把全世界的计算能力收集起来看一下,要对某个数据库进行搜索的话,它只能对一个2的80次方数据库进行搜索,密码破解的时候,我们在收集的过程当中,破解的能力是非常有限的。

  非常有意思的是,量子力学从前是为经典技术提供非常好的方案,我们芯片各种各样的期间有赖于量子力学的发展,量子力学研究的本身,也为了解决刚才所讲到的这些问题提供了可能性的解决途径。

  具体的来说,运用了量子力学的基本原理。我们都知道,在量子力学里面,我们说比特可以用一只猫的死和活两个状态来看,比特在微观世界里面,在物理上怎么来实现呢?我们可以用光子的极化,比如说电磁波在真空当中传播的时候,沿着水平的偏正,未知的量子态是不能被精确复制的,这是这个定理告诉我们的。

  比如说利用所谓的当光子不可分析性,单光子一颗一颗的,对于量子不可克隆的定理,如果存在窃听者,这个方法是不能做的,只能进行复制或者测量。测量完之后就会引入噪声,就会觉察。用这样的方法,在两个之间建立安全的密钥,这样的安全的通信方式是依赖于物理学的基本原理,而不是依赖于计算的复杂度。这样的话,我们就能够保证由物理学基本原理所保证的互联网的安全性。与此同时,当我们利用量子纠缠的概念,拓展到很多粒子的时候,我们就可以涉及一些特殊的量子算法,利用量子叠加原理,我可以分解一个300位大数,目前的ClassicalTHz15万年,用量子的1秒钟就可以了,从这样的角度讲,量子的计算功能是比较强大的。

  还可以举另外一个例子。在求解方面,利用目前最广的太湖之光,相当于100个24个方的线性方程组100年左右,用量子计算机需要0.01秒完成了。但是真正的把这样的机器研制出来,我们还是需要比较长的时间,所以目前对我们物理学家来说,我们主要的精力是集中在量子模拟上面。利用这样可控的量子系统,我们可以来计算一些目前的每天的计算机所算不了的事情。比如说可以来求解一些方程,专门求解高温超导里面的机制或者霍尔方面相关的研究,这是我们这个领域里面的一些基本原理。

  总体上来讲,目前我们估计上正在做这么一件事情,就是说为了实现这么一个大尺度的LargeScale,首先用光纤构建各种各样的网,这个技术是比较成熟的。同时利用所谓的Scale将各个城市之间连起来,两个连接起来会比较有效,到了更广的时候来实现广域的LargeScale。有了这些事情以后,我们可以比较好的来做未来的一些发展。目前在我们中国,比如说我们已经在2012年的时候,已经能够相关的技术覆盖到6000平方公里的来支持千节点、万用户的相关需求了。这么一来,这样的系统目前比如在北京,已经投入永久使用了,来进行一些相关的安全的使用。除此之外我们目前也在构建所谓的北京到上海之间的量子通讯网络,就是骨干网络,骨干网络昨天正好是上海到合肥之间所有的设备开通了,昨天正好在国际会议上给国外学者做相关的展示,这是700公里光纤,这个到今年年底也会完全开通,开通之后可以用于一些银行的转账等等。

  另外我们也在开展一个相关的工作,是跟量子卫星紧密结合的,我们其中的主要任务,希望能够实现一个高速率的,卫星和地面之间的密钥的分发。我们在今年的8月份,量子卫星正式发射之后,已经开展了相关的实验。相关的实验,我们在星龙地面站,这是我们卫星的轨迹,这是我们地面对天上进行跟踪,我们曝光是5到10秒钟,天上的信号是完全可以看到的,点就变成一条线了,到目前为止非常好的建立了天地之间的链路,目前的速率大概每妙钟传输的密钥是在20000个左右,所以基本上可以满足一些安全信息传输相关的需要。

  在量子计算方面,因为我们目前很难想象计算机到底是一种固态的?还是业态的?还是气态的?大家都不清楚,相当于从前我们讨论说我告诉你有一台有非常好的算法能够算的很快,大家会问你你这个计算机到底是用珠子玻璃做的?还是竹子做的?还是木头做的?经常会问我们将来的计算机到底是用原子做的还是什么做的?目前回答这个问题还太早了。目前我们这个领域有用离子的、光子的、Cavity-QED等各种各样的系统,我们来进行相关的研究,希望能够找到一种适合于进行量子计算的体系,在这个过程当中,我们有几个任务是需要完成的。

  第一个需要能够对量子的状态进行高精度的支配和操纵,能够让它有很长的存储和相关时间。如果计算都还没计算完,如果就死掉了,那你就很难获得正确的结果了。为了让计算能力越来越强大,所以需要把好多粒子纠缠起来。只有这样我们才能够进行有效的量子计算。

  目前比如说在我们的体系里面,我们已经做了一些相关的演示,比如说做各种各样的量子算法的演示。我们可以用我们的量子算法来有效地求解线性方程组,我们知道方程组的求解在信号处理,在经济学的分析,在计算科学和物理学方面是广泛应用的,求解这么一个方程组的话,相当于做这么一个反向的求解,找到一个A负的矩阵,把X等于多少求解出来。找到这么一个矩阵,首先找到A的本正值engenvalues,大概需要这么多步。有了这个方案之后,就可以构造所谓的矩阵。

  假定我们有这么一个方程组,这是一个非常简单的游戏机一样的,我们构建这么一个比较小的所谓的Serqute,之后我们就可以在实验上来验证我们确实有这么一种计算可以在小的步骤里面完全量子计算。但是这个过程的话,我们也可以把它用到所谓的机器学习里面。在这个地方对一个数据进行分类,我们这里有很多Samplevector,有好的Vector,还有坏的Vector。

责任编辑:陈近梅

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