Abstract

One of the most important applications of quantum computing is to crack classical cryptosystem. Previous studies showed that the number of qubits required to crack the widely used 2048-bit RSA cipher is about 20 million, which is far beyond the current technology for quantum computing. Recently, É. Gouzien and N. Sangouard of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission proposed a quantum computing architecture based on a two-dimensional grid of superconducting qubits and a three-dimensional multimode quantum memory. They showed that only 13k qubits are required to crack a 2048-bit RSA integer with the help of a long-lived quantum memory with 28 million spatial modes and 45 temporal modes. Their results clearly demonstrate the values of quantum memories in quantum computing and provide an alternative approach for building practically useful quantum computers. Quantum computers require quantum memories to work at microwave band, which remains an outstanding challenge. Based on a detailed analysis of atomic radiations during the quantum storage process, we recently proposed a noiseless-photon-echo protocol which can successfully eliminate the spontaneous emission noise in photon echoes. This protocol is expected to further enable microwave quantum storage and the construction of “quantum memory” quantum computers.

Highlights

  • 表1 光与原子相互作用中的辐射分类 Tab.1.Radiations from the atomic ensemble when interacting with light. 基于上述分析,构造量子存储方案的本质可以理解为构造一种光与原子相 互作用的方案,以高效率地获取量子信号所激励的受激辐射,同时避免引入不可 区分的相干噪声或自发辐射噪声。而光子回波方案从原理上必须使用光学π脉冲 来使得原子系综演化相位重聚,所以一定会激发大量原子到激发态,带来不可避

  • 参考文献 [1] Arute F, et al, 2019 Nature 574 505

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Summary

Introduction

摘 要 中文摘要部分.[量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码。以往的研 究表明,攻破广泛使用的 2048 位 RSA 密码所需要的量子比特数目在 2000 万左右,远远超出了目前的技术水平。近期法国研究人员提出,如使用 配备了多模式量子存储的量子计算机,则只需要 1.3 万个量子比特即可 攻破 2048 位的 RSA 密码。这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算 领域,为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线。量子存储式 量子计算机需要微波段的量子存储器,这是目前亟待开发的新技术。近 期我们提出了无噪声光子回波方案,解决了光子回波的自发辐射噪声难 题,有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机 中。] 一、量子计算 量子计算有望为人类提供前所未有的强大算力,引起了各国政府和大型公 司的广泛重视和投入。近年来该领域一个重要的研究进展是实现了量子优越性的 证明[1,2],即针对一个人为设计的特定问题,证明量子计算机或量子模拟机相比 经典计算机具有求解速度上的优势。值得注意的是,这个问题并非一个有用的问 题,量子优越性的证明只需要 100 个左右的物理量子比特。求解一个有用的问题 自然是量子计算机发展的终极目标,其中一个最具代表性的例子就是攻破经典密 码。要完成这样的目标,一般需要对物理量子比特进一步执行纠错编码获得逻辑 量子比特并且需要大量的逻辑比特,其资源需求是非常庞大的。 经典通信的加密原理主要是基于特定数学问题的计算复杂性。RSA 密码是 目前最广泛使用的一类加密算法,其对应的数学问题是质因数分解。比如我们可 以快速算出 353*797=281341。但是当问题变成 281341 应分解成哪两个质数的乘 积,这个问题求解起来就变困难很多了。当 RSA 密码的位数长至 2048 位时,即 便使用目前最强大的超级计算机也无法在一个合理的时间内攻破它。

Results
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