密碼學家、量子電腦和資訊戰
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0:01 - 0:04我的工作是保護秘密,
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0:04 - 0:06包括你們的秘密。
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0:07 - 0:10在一場已經激烈進行了
數世紀的戰爭中, -
0:10 - 0:13密碼專家是第一道防線:
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0:13 - 0:17加密者和解密者之間的戰爭。
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0:17 - 0:19這是一場資訊戰。
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0:20 - 0:23現代,資訊的戰場是數位的。
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0:24 - 0:26戰場橫跨你的手機、
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0:26 - 0:28你的電腦,和網路。
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0:29 - 0:34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、 -
0:34 - 0:37你的電話及文字訊息變成亂碼——
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0:37 - 0:39也包括那些限制級的自拍——
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0:39 - 0:40(笑聲)
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0:40 - 0:42我們要讓這些加密資訊
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0:42 - 0:45只能夠被指定的接收者解開。
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0:46 - 0:48一直到最近之前,
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0:48 - 0:51我們以為已經永久打贏了這場仗。
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0:52 - 0:55目前,各位的智慧手機
所用的加密技術 -
0:55 - 0:58是我們認為無法破解,
且會一直無法破解的加密技術。 -
1:00 - 1:01我們錯了,
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1:02 - 1:04因為量子電腦要出現了,
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1:04 - 1:07它們會讓局勢完全改觀。
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1:08 - 1:13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。 -
1:14 - 1:15十六世紀時,
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1:15 - 1:19蘇格蘭的瑪莉一世女王認為
她所發出的加密信件 -
1:19 - 1:21只有她的士兵能夠解開。
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1:21 - 1:26但英格蘭的伊麗莎白
女王的解密者完全勝出。 -
1:26 - 1:28他們破解了瑪莉的信件,
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1:28 - 1:31發現她打算要刺殺伊麗莎白,
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1:31 - 1:34後來,他們便砍下了瑪莉一世的頭。
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1:36 - 1:38幾世紀後,在二次大戰期間,
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1:39 - 1:42納粹使用恩尼格瑪密碼來溝通,
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1:42 - 1:46他們認為這種更複雜的
加密方式是無法破解的。 -
1:46 - 1:48但,接著,好樣的艾倫圖靈,
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1:48 - 1:51也就是發明了現代
電腦的那個傢伙, -
1:51 - 1:54他打造了一台機器
來破解恩尼格瑪密碼。 -
1:55 - 1:59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。 -
2:00 - 2:02所以,這個故事
已經進行了數個世紀。 -
2:03 - 2:05密碼學家改進他們的加密方式,
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2:05 - 2:08接著,破解密碼的人又反擊,
找出方式來破解。 -
2:09 - 2:12這場戰爭你來我往,競爭激烈。
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2:14 - 2:16直到七○年代,
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2:16 - 2:19一些密碼學家有了重大的突破。
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2:20 - 2:23他們發現了一種
極強大的加密方式, -
2:23 - 2:25叫做「公開金鑰密碼學」。
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2:26 - 2:29和過去使用過的所有方法不同,
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2:29 - 2:35打算交換機密資訊的雙方
不用事前交換秘密金鑰。 -
2:37 - 2:39公開金鑰密碼學的美好之處就在於
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2:39 - 2:43它讓我們能夠和世界上
任何一個人進行安全的連結, -
2:43 - 2:46不論我們以前是否交換過資料,
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2:46 - 2:50且它的速度超快,快到你我
都還沒意識到之前就已經完工。 -
2:51 - 2:54不論是你傳訊息約好友出來喝酒,
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2:54 - 2:58或者你是一間銀行,
要轉數十億美金給另一家銀行, -
2:59 - 3:01現代加密方式讓我們能夠
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3:01 - 3:04在幾毫秒的時間內
就完成安全的資料傳輸。 -
3:06 - 3:08讓這種魔法成為可能的聰明想法
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3:08 - 3:11要仰賴困難的數學問題。
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3:12 - 3:16密碼學家對於計算機
做不到的事都深感興趣。 -
3:17 - 3:21比如,計算機可以
把任何兩個數字相乘, -
3:21 - 3:22不論數字多大。
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3:23 - 3:25但換個方向——
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3:25 - 3:27先從乘積開始,接著問:
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3:27 - 3:30「哪兩個數字相乘會得到
這個乘積?」—— -
3:30 - 3:32那就是困難的問題。
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3:33 - 3:36若我請你找出哪兩個數字
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3:36 - 3:38相乘會得到 851,
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3:39 - 3:40即使有計算機,
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3:40 - 3:44這裡大部分的人也很難
在這場演說結束前解出答案。 -
3:45 - 3:47如果我用大一點的數字,
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3:48 - 3:51地球上就沒有一台
計算機能找出答案來。 -
3:52 - 3:55事實上,就連世界上
最快的超級電腦, -
3:55 - 3:57也要花上比宇宙生命更長的時間
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3:57 - 4:00才找得出是哪兩個數字
相乘得到這個乘積。 -
4:01 - 4:04這個問題叫做
「整數的因數分解」, -
4:04 - 4:07各位現在的智慧手機和筆電
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4:07 - 4:10就是使用這個方法
來確保資料的安全性。 -
4:10 - 4:13它是現代加密技術的基礎。
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4:14 - 4:18既然地球上所有的計算能力
結合起來都無法破解它, -
4:18 - 4:21因此我們密碼學家便認為
我們已經找到方法 -
4:21 - 4:24可以永遠領先破解密碼者了。
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4:25 - 4:27也許我們太驕傲了,
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4:28 - 4:30因為就在我們自以為
已經打了勝仗時, -
4:30 - 4:33一群二十世紀的
物理學家加入戰局, -
4:33 - 4:36他們點出,宇宙的定律,
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4:36 - 4:39也就是做為現代密碼學
基礎的那些定律, -
4:39 - 4:41它們並非我們所想的那樣。
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4:42 - 4:46我們認為一個物體不可能
同時出現在兩個地方。 -
4:46 - 4:48並非如此。
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4:48 - 4:50我們以為沒有任何東西能夠
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4:50 - 4:53同時順時鐘又逆時鐘轉動。
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4:53 - 4:55但那並不正確。
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4:55 - 4:59我們以為在宇宙
相對兩邊的兩個物體, -
4:59 - 5:01相距數光年之遠,
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5:01 - 5:05它們就不可能即時影響彼此。
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5:06 - 5:07我們又錯了。
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5:08 - 5:11人生似乎總是這樣,不是嗎?
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5:11 - 5:13就在你以為你什麼
都考慮了也準備好了, -
5:13 - 5:17卻出現一票物理學家,
點出宇宙的基本定律 -
5:17 - 5:19和你所想的完全不一樣?
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5:19 - 5:21這把一切都搞砸了。
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5:21 - 5:23(笑聲)
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5:23 - 5:27在非常微小的次原子領域中,
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5:28 - 5:30在電子和光子的層級上,
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5:31 - 5:34我們知道且喜愛的物理標準定律,
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5:34 - 5:36都可以丟掉了。
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5:36 - 5:39這就要談到量子力學的定律了。
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5:40 - 5:41在量子力學中,
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5:41 - 5:45電子可以同時順時鐘
和逆時鐘轉動, -
5:45 - 5:48光子可以同時位在兩個地方。
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5:50 - 5:52聽起來很科幻,
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5:52 - 5:56但那只是因為我們的宇宙
有著很瘋狂的量子特性, -
5:56 - 5:58這特性隱藏著沒被我們發現。
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5:59 - 6:02一直藏到二十世紀才被我們發現。
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6:03 - 6:07但現在我們知道了,
全世界都加入軍備競賽, -
6:07 - 6:10比賽建造量子電腦——
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6:10 - 6:15量子電腦可以利用
這種怪異量子行為的力量。 -
6:16 - 6:18這種電腦非常具有革命性
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6:19 - 6:20且非常強大,
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6:21 - 6:23厲害到會讓現今最快的超級電腦
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6:23 - 6:25相較之下都變得很沒用。
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6:26 - 6:29事實上,針對我們
很感興趣的某些問題, -
6:30 - 6:34現今最快的超級電腦還比較
接近算盤,而非量子電腦。 -
6:34 - 6:38是的,算盤就是那些
有珠子在上頭的木製品。 -
6:38 - 6:43量子電腦能模擬化學和生物過程,
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6:43 - 6:46遠超過我們的標準電腦
能做到的程度。 -
6:47 - 6:50因此,量子電腦保證
能協助我們解決 -
6:50 - 6:52地球上一些最大的問題。
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6:53 - 6:56它們可以協助我們對抗全球飢荒,
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6:57 - 6:59處理氣候變遷,
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6:59 - 7:03針對我們目前沒輒的
疾病和流行病找出解藥, -
7:04 - 7:07創造出超人類的人工智慧,
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7:08 - 7:11還有,可能比上述這些都更重要的是
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7:11 - 7:15能協助我們了解宇宙的本質。
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7:16 - 7:19但,這麼驚人的潛能
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7:20 - 7:22也伴隨著極大的風險。
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7:23 - 7:25還記得我先前談到的那些大數字嗎?
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7:26 - 7:28我指的不是 851。
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7:28 - 7:32事實上,如果在座有人分心
去試著找出那些因數, -
7:32 - 7:35我來幫你從痛苦中解脫,
答案是 23 乘以 37。 -
7:36 - 7:37(笑聲)
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7:37 - 7:40我指的是在 857 之後
更大更大的那個數字。 -
7:40 - 7:44雖然現今最快的超級電腦
花上宇宙一生的時間 -
7:44 - 7:46也無法找出那些因數,
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7:46 - 7:49但量子電腦能夠將
比那個數字更大許多的數字 -
7:49 - 7:51輕易拆解成因數。
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7:52 - 7:55量子電腦能破解目前用來保護你我
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7:55 - 7:57抵禦駭客的所有加密技術。
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7:57 - 7:59且輕輕鬆鬆就能辦到。
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8:01 - 8:02讓我這麼說:
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8:02 - 8:04如果量子計算是一支長矛,
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8:05 - 8:06那現代的加密系統,
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8:06 - 8:10也就是數十年都沒被破解,
一直在保護我們的系統, -
8:10 - 8:12它就像是用衛生紙做的盾牌。
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8:14 - 8:18任何人只要能夠使用量子電腦,
就等於拿到一把萬能鑰匙, -
8:18 - 8:20在數位世界,他們想要
解鎖什麼就能解鎖什麼。 -
8:21 - 8:23他們能從銀行偷錢,
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8:23 - 8:25控制經濟,
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8:25 - 8:28能讓醫院斷電或者發射核彈,
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8:28 - 8:32還可以只是坐著,透過網路攝影機
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8:32 - 8:34監視我們,不會被我們知道。
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8:37 - 8:40在我們現在所使用的電腦上,
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8:40 - 8:43像這台電腦上,資訊的基礎單位
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8:43 - 8:44叫做「位元」。
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8:45 - 8:47單一個位元可能有兩種狀態:
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8:47 - 8:49它可能是零或一。
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8:50 - 8:53我媽在世界的另一端,
當我和她視訊通話時, -
8:54 - 8:56她看到這張投影片一定會殺了我——
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8:56 - 8:58(笑聲)
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8:58 - 9:01我們其實只是發送一串
又一串的零和一給彼此, -
9:01 - 9:04它們會在電腦及衛星間彈來彈去,
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9:04 - 9:06快速傳輸我們的資料。
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9:07 - 9:09位元非常有用,無庸置疑。
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9:09 - 9:12事實上,我們目前
用科技所做的任何事, -
9:12 - 9:14都受惠於這些好用的位元。
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9:15 - 9:18但,我們開始了解到位元很不擅長
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9:18 - 9:21模擬複雜的分子和粒子。
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9:21 - 9:23原因是因為,在某種意義上,
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9:23 - 9:28次原子過程可以同時進行
兩件以上相反的事情, -
9:28 - 9:31因為它們遵循的是
這些怪異的量子力學規則。 -
9:31 - 9:33所以,上個世紀末,
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9:33 - 9:36一些非常聰明的物理學家
想出了一個天才點子: -
9:36 - 9:40改用量子力學的原則來建造電腦。
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9:43 - 9:45在量子電腦上,資訊的基礎單位
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9:46 - 9:47叫做「量子位」。
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9:48 - 9:50是「量子位元」的簡稱。
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9:51 - 9:54量子位不只有零和一兩個狀態,
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9:54 - 9:57它可以有無限多個狀態。
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9:58 - 10:03因為它可以同時是零和一的組合,
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10:03 - 10:06這種現象被我們稱為「疊加」。
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10:07 - 10:09當有兩個量子位疊加時,
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10:09 - 10:12我們其實是在處理全部四種組合:
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10:12 - 10:14零和零、零和一、
一和零、一和一。 -
10:15 - 10:16有三個量子位時,
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10:16 - 10:19我們就有八種組合的疊加,
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10:20 - 10:21以此類推。
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10:21 - 10:23每當我們增加一個量子位,
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10:23 - 10:26我們同時能用的
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10:26 - 10:30疊加組合數目就會加倍。
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10:31 - 10:34所以,當我們擴大規模,
使用許多量子位時, -
10:34 - 10:37我們同時能夠用的組合數目
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10:37 - 10:39會是指數增加。
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10:39 - 10:43從這點就可以略知
量子電腦的能力從何而來。 -
10:45 - 10:47在現代的加密技術中,
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10:47 - 10:51我們的秘密金鑰,比如
那個大數字的兩個因數, -
10:51 - 10:54它們都是長串的零和一。
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10:55 - 10:58要找出它們,標準的電腦
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10:58 - 11:01必須把所有可能組合
一組一組試過, -
11:01 - 11:05直到找到行得通的組合,
就破解了我們的加密。 -
11:06 - 11:08但在量子電腦上,
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11:09 - 11:12只要有足夠的疊加量子位,
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11:13 - 11:17就可以同時從
所有組合來擷取資訊。 -
11:19 - 11:20只要少數幾個步驟,
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11:20 - 11:24量子電腦就能把所有
不正確的組合排除, -
11:24 - 11:26鎖定正確的組合,
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11:26 - 11:28接著揭露我們寶貴的秘密。
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11:32 - 11:35在瘋狂的量子層級上,
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11:36 - 11:39發生的現象非常不可思議。
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11:41 - 11:44許多頂尖物理學家
所擁有的傳統知識是—— -
11:44 - 11:47你們要專心聽我說,別分神——
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11:47 - 11:51每種組合其實是
在它自己的平行宇宙中, -
11:51 - 11:54由它自己的量子電腦來檢查。
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11:55 - 11:59每個組合加在一起,
就像一池水中的水波。 -
12:00 - 12:02錯誤的組合
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12:02 - 12:04會彼此抵消。
-
12:04 - 12:06正確的組合
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12:06 - 12:08會強化、放大彼此。
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12:08 - 12:11所以,在量子計算程式結束時,
-
12:11 - 12:13留下來的就只有正確答案,
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12:14 - 12:17我們在這個宇宙中
就可以觀察到這個答案。 -
12:18 - 12:21如果你覺得還無法
完全理解,別擔心。 -
12:21 - 12:22(笑聲)
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12:22 - 12:23你不孤單。
-
12:24 - 12:27尼爾斯 · 波耳是
這個領域的先鋒之一, -
12:27 - 12:31他曾經說過,如果有人
在深入思考量子力學時 -
12:31 - 12:33沒被深深驚嚇到,
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12:33 - 12:35那他就還沒搞懂量子力學。
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12:35 - 12:36(笑聲)
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12:36 - 12:38但你們多少了解了我們在對抗什麼,
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12:38 - 12:42及為什麼現在要靠
我們密碼學家來加把勁了。 -
12:43 - 12:45且我們的動作要快,
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12:45 - 12:47因為量子電腦
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12:47 - 12:50已經存在於世界各地的實驗室中。
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12:51 - 12:53幸運的是,此刻,
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12:53 - 12:56它們相對還算小規模的電腦,
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12:56 - 12:59還太小到無法破解
我們更大的密碼學金鑰。 -
13:00 - 13:02但安全的日子可能不長了。
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13:03 - 13:07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, -
13:07 - 13:10只是還沒有告訴任何人。
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13:10 - 13:12有些行家說大概還有十年的距離。
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13:12 - 13:15有些人說比較可能是三十年。
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13:15 - 13:17你們可能想,倘若
量子電腦十年後才會出現, -
13:17 - 13:22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。 -
13:23 - 13:25但,不幸的是,沒那麼簡單。
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13:25 - 13:28即使我們忽略
還要花許多年的時間 -
13:28 - 13:31才能將一項新的加密技術
標準化、部署、再推出, -
13:31 - 13:34在某些層面上我們已經太遲了。
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13:35 - 13:39聰明的數位罪犯和政府機構
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13:39 - 13:42可能因為預期將來會是量子的未來,
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13:42 - 13:45而已經在儲存我們
最敏感的加密資料。 -
13:47 - 13:50來自外國領袖、
-
13:50 - 13:53戰爭指揮官
-
13:53 - 13:55或執疑當權者的人的訊息
-
13:56 - 13:58目前有加密。
-
13:58 - 14:00但隨時間過去,
-
14:00 - 14:02有人取得了量子電腦,
-
14:03 - 14:06就能追溯回去,破解
過去的任何加密資訊。 -
14:07 - 14:11在某些政府和財務部門
或在軍事組織中, -
14:11 - 14:14敏感的資料被列為
二十五年之久的機密。 -
14:14 - 14:17如果十年後真的會出現量子電腦,
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14:17 - 14:22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, -
14:23 - 14:25雖然全世界許多科學家
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14:25 - 14:27在比賽誰先建造出量子電腦,
-
14:28 - 14:31我們密碼學家則是急著
想辦法重新發明加密技術, -
14:31 - 14:34在那天到來之前就先保護好我們。
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14:35 - 14:38我們在尋找新的、困難的數學問題。
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14:38 - 14:41我們在尋找類似
因數拆解這樣的問題, -
14:41 - 14:45可以用在我們現今的
智慧手機和筆電上。 -
14:46 - 14:50但,我們需要的問題
遠比因數拆解更困難, -
14:50 - 14:53難到用量子電腦也無法破解。
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14:54 - 14:58這幾年,我們在
更廣泛的數學領域中 -
14:58 - 15:00試圖找到這樣的問題。
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15:00 - 15:04我們在研究的那些數字和物體
奇特、抽象的程度遠超過 -
15:04 - 15:07你我習慣的那些,
比如我們計算機上的那些。 -
15:08 - 15:12我們相信,我們已經找到了
一些可能可以用的幾何問題。 -
15:12 - 15:15不像我們在高中時用筆和座標紙
-
15:15 - 15:18就能解開的二維、三維幾何問題,
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15:19 - 15:23我們找的問題大部分都定義在
至少五百維的空間上。 -
15:24 - 15:28因此不僅難以畫座標紙
來解出這些問題, -
15:28 - 15:32我們相信連量子電腦也拿它們沒輒。
-
15:33 - 15:37所以,雖然現在還在初期,
我們把希望放在這裡, -
15:37 - 15:42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。 -
15:43 - 15:45和所有其他科學家一樣,
-
15:45 - 15:48我們密碼學家對於
有可能見到量子電腦 -
15:48 - 15:51出現在我們的世界上,
感到非常興奮。 -
15:53 - 15:55它們可能成為強大的正義力量。
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15:58 - 16:02但,不論我們的科技未來
是什麼樣子的, -
16:05 - 16:10我們的秘密將永遠是人類的一部分。
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16:11 - 16:13那是值得去保護的。
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16:14 - 16:15謝謝。
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16:15 - 16:18(掌聲)
- Title:
- 密碼學家、量子電腦和資訊戰
- Speaker:
- 克雷格 · 寇斯特羅
- Description:
-
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。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDxTalks
- Duration:
- 16:31