密碼學家、量子電腦和資訊戰

密碼學家克雷格 · 寇斯特羅的這場演說帶我們一瞥我們的科技未來。他討論到量子電腦可能改變世界的潛力，量子電腦可以撼動現今機器的極限，和讓破解密碼者能擁有數位世界的萬能鑰匙。來看看寇斯特羅和他的密碼學家夥伴們如何努力重新發明加密技術，保護網路。

我的工作是保護秘密，

包括你們的秘密。

在一場已經激烈進行了
數世紀的戰爭中，

密碼專家是第一道防線：

加密者和解密者之間的戰爭。

這是一場資訊戰。

現代，資訊的戰場是數位的。

戰場橫跨你的手機、

你的電腦，和網路。

我們的工作是要設計系統來將
你的電子郵件和信用卡卡號、

你的電話及文字訊息變成亂碼——

也包括那些限制級的自拍——

（笑聲）

我們要讓這些加密資訊

只能夠被指定的接收者解開。

一直到最近之前，

我們以為已經永久打贏了這場仗。

目前，各位的智慧手機
所用的加密技術

是我們認為無法破解，
且會一直無法破解的加密技術。

我們錯了，

因為量子電腦要出現了，

它們會讓局勢完全改觀。

在整個歷史上，密碼學和破解密碼
一直在玩貓捉老鼠的遊戲。

十六世紀時，

蘇格蘭的瑪莉一世女王認為
她所發出的加密信件

只有她的士兵能夠解開。

但英格蘭的伊麗莎白
女王的解密者完全勝出。

他們破解了瑪莉的信件，

發現她打算要刺殺伊麗莎白，

後來，他們便砍下了瑪莉一世的頭。

幾世紀後，在二次大戰期間，

納粹使用恩尼格瑪密碼來溝通，

他們認為這種更複雜的
加密方式是無法破解的。

但，接著，好樣的艾倫圖靈，

也就是發明了現代
電腦的那個傢伙，

他打造了一台機器
來破解恩尼格瑪密碼。

他破解了德國人的訊息，協助
阻止了希特勒和他的納粹德國。

所以，這個故事
已經進行了數個世紀。

密碼學家改進他們的加密方式，

接著，破解密碼的人又反擊，
找出方式來破解。

這場戰爭你來我往，競爭激烈。

直到七○年代，

一些密碼學家有了重大的突破。

他們發現了一種
極強大的加密方式，

叫做「公開金鑰密碼學」。

和過去使用過的所有方法不同，

打算交換機密資訊的雙方
不用事前交換秘密金鑰。

公開金鑰密碼學的美好之處就在於

它讓我們能夠和世界上
任何一個人進行安全的連結，

不論我們以前是否交換過資料，

且它的速度超快，快到你我
都還沒意識到之前就已經完工。

不論是你傳訊息約好友出來喝酒，

或者你是一間銀行，
要轉數十億美金給另一家銀行，

現代加密方式讓我們能夠

在幾毫秒的時間內
就完成安全的資料傳輸。

讓這種魔法成為可能的聰明想法

要仰賴困難的數學問題。

密碼學家對於計算機
做不到的事都深感興趣。

比如，計算機可以
把任何兩個數字相乘，

不論數字多大。

但換個方向——

先從乘積開始，接著問：

「哪兩個數字相乘會得到
這個乘積？」——

那就是困難的問題。

若我請你找出哪兩個數字

相乘會得到 851，

即使有計算機，

這裡大部分的人也很難
在這場演說結束前解出答案。

如果我用大一點的數字，

地球上就沒有一台
計算機能找出答案來。

事實上，就連世界上
最快的超級電腦，

也要花上比宇宙生命更長的時間

才找得出是哪兩個數字
相乘得到這個乘積。

這個問題叫做
「整數的因數分解」，

各位現在的智慧手機和筆電

就是使用這個方法
來確保資料的安全性。

它是現代加密技術的基礎。

既然地球上所有的計算能力
結合起來都無法破解它，

因此我們密碼學家便認為
我們已經找到方法

可以永遠領先破解密碼者了。

也許我們太驕傲了，

因為就在我們自以為
已經打了勝仗時，

一群二十世紀的
物理學家加入戰局，

他們點出，宇宙的定律，

也就是做為現代密碼學
基礎的那些定律，

它們並非我們所想的那樣。

我們認為一個物體不可能
同時出現在兩個地方。

並非如此。

我們以為沒有任何東西能夠

同時順時鐘又逆時鐘轉動。

但那並不正確。

我們以為在宇宙
相對兩邊的兩個物體，

相距數光年之遠，

它們就不可能即時影響彼此。

我們又錯了。

人生似乎總是這樣，不是嗎？

就在你以為你什麼
都考慮了也準備好了，

卻出現一票物理學家，
點出宇宙的基本定律

和你所想的完全不一樣？

這把一切都搞砸了。

（笑聲）

在非常微小的次原子領域中，

在電子和光子的層級上，

我們知道且喜愛的物理標準定律，

都可以丟掉了。

這就要談到量子力學的定律了。

在量子力學中，

電子可以同時順時鐘
和逆時鐘轉動，

光子可以同時位在兩個地方。

聽起來很科幻，

但那只是因為我們的宇宙
有著很瘋狂的量子特性，

這特性隱藏著沒被我們發現。

一直藏到二十世紀才被我們發現。

但現在我們知道了，
全世界都加入軍備競賽，

比賽建造量子電腦——

量子電腦可以利用
這種怪異量子行為的力量。

這種電腦非常具有革命性

且非常強大，

厲害到會讓現今最快的超級電腦

相較之下都變得很沒用。

事實上，針對我們
很感興趣的某些問題，

現今最快的超級電腦還比較
接近算盤，而非量子電腦。

是的，算盤就是那些
有珠子在上頭的木製品。

量子電腦能模擬化學和生物過程，

遠超過我們的標準電腦
能做到的程度。

因此，量子電腦保證
能協助我們解決

地球上一些最大的問題。

它們可以協助我們對抗全球飢荒，

處理氣候變遷，

針對我們目前沒輒的
疾病和流行病找出解藥，

創造出超人類的人工智慧，

還有，可能比上述這些都更重要的是

能協助我們了解宇宙的本質。

但，這麼驚人的潛能

也伴隨著極大的風險。

還記得我先前談到的那些大數字嗎？

我指的不是 851。

事實上，如果在座有人分心
去試著找出那些因數，

我來幫你從痛苦中解脫，
答案是 23 乘以 37。

（笑聲）

我指的是在 857 之後
更大更大的那個數字。

雖然現今最快的超級電腦
花上宇宙一生的時間

也無法找出那些因數，

但量子電腦能夠將
比那個數字更大許多的數字

輕易拆解成因數。

量子電腦能破解目前用來保護你我

抵禦駭客的所有加密技術。

且輕輕鬆鬆就能辦到。

讓我這麼說：

如果量子計算是一支長矛，

那現代的加密系統，

也就是數十年都沒被破解，
一直在保護我們的系統，

它就像是用衛生紙做的盾牌。

任何人只要能夠使用量子電腦，
就等於拿到一把萬能鑰匙，

在數位世界，他們想要
解鎖什麼就能解鎖什麼。

他們能從銀行偷錢，

控制經濟，

能讓醫院斷電或者發射核彈，

還可以只是坐著，透過網路攝影機

監視我們，不會被我們知道。

在我們現在所使用的電腦上，

像這台電腦上，資訊的基礎單位

叫做「位元」。

單一個位元可能有兩種狀態：

它可能是零或一。

我媽在世界的另一端，
當我和她視訊通話時，

她看到這張投影片一定會殺了我——

（笑聲）

我們其實只是發送一串
又一串的零和一給彼此，

它們會在電腦及衛星間彈來彈去，

快速傳輸我們的資料。

位元非常有用，無庸置疑。

事實上，我們目前
用科技所做的任何事，

都受惠於這些好用的位元。

但，我們開始了解到位元很不擅長

模擬複雜的分子和粒子。

原因是因為，在某種意義上，

次原子過程可以同時進行
兩件以上相反的事情，

因為它們遵循的是
這些怪異的量子力學規則。

所以，上個世紀末，

一些非常聰明的物理學家
想出了一個天才點子：

改用量子力學的原則來建造電腦。

在量子電腦上，資訊的基礎單位

叫做「量子位」。

是「量子位元」的簡稱。

量子位不只有零和一兩個狀態，

它可以有無限多個狀態。

因為它可以同時是零和一的組合，

這種現象被我們稱為「疊加」。

當有兩個量子位疊加時，

我們其實是在處理全部四種組合：

零和零、零和一、
一和零、一和一。

有三個量子位時，

我們就有八種組合的疊加，

以此類推。

每當我們增加一個量子位，

我們同時能用的

疊加組合數目就會加倍。

所以，當我們擴大規模，
使用許多量子位時，

我們同時能夠用的組合數目

會是指數增加。

從這點就可以略知
量子電腦的能力從何而來。

在現代的加密技術中，

我們的秘密金鑰，比如
那個大數字的兩個因數，

它們都是長串的零和一。

要找出它們，標準的電腦

必須把所有可能組合
一組一組試過，

直到找到行得通的組合，
就破解了我們的加密。

但在量子電腦上，

只要有足夠的疊加量子位，

就可以同時從
所有組合來擷取資訊。

只要少數幾個步驟，

量子電腦就能把所有
不正確的組合排除，

鎖定正確的組合，

接著揭露我們寶貴的秘密。

在瘋狂的量子層級上，

發生的現象非常不可思議。

許多頂尖物理學家
所擁有的傳統知識是——

你們要專心聽我說，別分神——

每種組合其實是
在它自己的平行宇宙中，

由它自己的量子電腦來檢查。

每個組合加在一起，
就像一池水中的水波。

錯誤的組合

會彼此抵消。

正確的組合

會強化、放大彼此。

所以，在量子計算程式結束時，

留下來的就只有正確答案，

我們在這個宇宙中
就可以觀察到這個答案。

如果你覺得還無法
完全理解，別擔心。

（笑聲）

你不孤單。

尼爾斯 · 波耳是
這個領域的先鋒之一，

他曾經說過，如果有人
在深入思考量子力學時

沒被深深驚嚇到，

那他就還沒搞懂量子力學。

（笑聲）

但你們多少了解了我們在對抗什麼，

及為什麼現在要靠
我們密碼學家來加把勁了。

且我們的動作要快，

因為量子電腦

已經存在於世界各地的實驗室中。

幸運的是，此刻，

它們相對還算小規模的電腦，

還太小到無法破解
我們更大的密碼學金鑰。

但安全的日子可能不長了。

有些人相信，政府有些秘密機構
已經建立出了夠大的量子電腦，

只是還沒有告訴任何人。

有些行家說大概還有十年的距離。

有些人說比較可能是三十年。

你們可能想，倘若
量子電腦十年後才會出現，

我們密碼學家當然有足夠的時間
想辦法及時保護網路的安全。

但，不幸的是，沒那麼簡單。

即使我們忽略
還要花許多年的時間

才能將一項新的加密技術
標準化、部署、再推出，

在某些層面上我們已經太遲了。

聰明的數位罪犯和政府機構

可能因為預期將來會是量子的未來，

而已經在儲存我們
最敏感的加密資料。

來自外國領袖、

戰爭指揮官

或執疑當權者的人的訊息

目前有加密。

但隨時間過去，

有人取得了量子電腦，

就能追溯回去，破解
過去的任何加密資訊。

在某些政府和財務部門
或在軍事組織中，

敏感的資料被列為
二十五年之久的機密。

如果十年後真的會出現量子電腦，

那麼，這些人也遲了十五年
才開始想把加密做到能對付量子，

雖然全世界許多科學家

在比賽誰先建造出量子電腦，

我們密碼學家則是急著
想辦法重新發明加密技術，

在那天到來之前就先保護好我們。

我們在尋找新的、困難的數學問題。

我們在尋找類似
因數拆解這樣的問題，

可以用在我們現今的
智慧手機和筆電上。

但，我們需要的問題
遠比因數拆解更困難，

難到用量子電腦也無法破解。

這幾年，我們在
更廣泛的數學領域中

試圖找到這樣的問題。

我們在研究的那些數字和物體
奇特、抽象的程度遠超過

你我習慣的那些，
比如我們計算機上的那些。

我們相信，我們已經找到了
一些可能可以用的幾何問題。

不像我們在高中時用筆和座標紙

就能解開的二維、三維幾何問題，

我們找的問題大部分都定義在
至少五百維的空間上。

因此不僅難以畫座標紙
來解出這些問題，

我們相信連量子電腦也拿它們沒輒。

所以，雖然現在還在初期，
我們把希望放在這裡，

在我們的數位世界邁向量子未來
之際，努力讓它還能保有安全性。

和所有其他科學家一樣，

我們密碼學家對於
有可能見到量子電腦

出現在我們的世界上，
感到非常興奮。

它們可能成為強大的正義力量。

但，不論我們的科技未來
是什麼樣子的，

我們的秘密將永遠是人類的一部分。

那是值得去保護的。

謝謝。

（掌聲）