如果你问数字15的素数因子是多少？大多数小学生都能凭着记忆回答出是3和5。当再问一个更大的数，比如91，可能需要笔和纸进行计算才能得到答案。当再问更大的数字，比如有232位，可能科学家使用数百个并行操作的传统电子计算机也需要两年的时间才能找到答案。

由于分解巨大数字非常困难，所以这种“因子分解”就成为了保护信用卡，国家机密和其他机密数据等加密方案的基础。然而如果使用一台由数百个原子构成的并行量子计算机可以很容易地破解这一难题。

1994年，麻省理工学院应用数学教授Peter Shor，想出了一个计算巨大数字因子的量子算法，该量子算法的效率远远超过传统电子计算机。然而，该算法依赖于具有大量量子比特的计算机。很多人曾经试图在各种量子系统中实施Shor算法，但没有人能以一个可扩展的方式在只有几个量子比特的计算机上成功实现。

近日，来自美国麻省理工学院和奥地利因斯布鲁克大学的研究人员在Science杂志上发表的论文中报告说，他们用离子阱中的五个原子设计和建造了量子计算机。该量子计算机使用激光脉冲在每个原子上运算Shor算法，正确得到了数字15的因子。该量子计算机还可以添加更多的原子和激光器来建立一个更大和更快的量子计算机，能够分解更大的数字。该设计是第一个可扩展的Shor算法量子计算系统。

“我们证明了迄今为止已知的最复杂的量子算法Shor算法能够在更大的量子计算机以可扩展的方式实现，“麻省理工学院物理学和电气工程教授Isaac Chuang说。“为了建造这样一台量子计算机，它的成本会非常巨大；当然你不会制造这样一个量子计算机，只把它放在你的桌面；但现在我们证明了这样的量子计算机是可以实现的”。

量子计算机设计难度在于：寻找一种可拓展的方式

在传统电子计算机上，数字被表示为0或者1；计算按照算法命令执行，将0或者1从输入按照命令转变为输出。然而，量子计算机依赖原子尺度的单位，“量子比特”，即可以同时为0和1，这被称为叠加状态。在这种状态下，一个单一的量子位可以并行计算两个单独的数据流，这样就比传统计算机效率更高。

2001年，有研究者设计了只有一个原子的量子计算机，使用核磁共振进行操控，准确分解了数字15的因子。该实验是对Shor算法的第一次实现。但是这次的设计不是可以扩展的，当继续增加原子时，系统会变得非常复杂。

当有很多原子的时候，很难操作其中一个，而不影响另外一个。难度主要在于你设计的系统必须足有独立，互相之间不发生影响，这样才能保证原子的量子特性，才有机会完成整个Shor算法。

第一台可扩展的量子计算机

Isaac Chuang和他的同事现在拿出有效分解数字的新的可扩展的量子系统设计方案。虽然它通常需要大约12量子比特来因子分解数字15，但是他们发现了一种能将系统简化到五量子比特的方法，各个量子比特由单个原子表示。每一个原子可以同时叠加两个不同的能量状态。研究人员利用激光脉冲对五个原子中的四个执行“逻辑门”，或Shor算法的一部分。然后将结果存储，转发，提取，并经过第五原子再循环，由此进行Shor的并行算法，这比通常需要的量子位更少。

该研究小组将原子保持在离子阱中，这样就能够保持量子系统的稳定，他们在离子阱从每个原子上除去一个电子，从而为原子进行充电。然后使用电场将原子保持在适当位置。

“这样，我们就能知道原子在空间的确切位置，”Chuang说。“然后，我们对几微米远的其他原子以同样的方式进行操作。当具有了多个这些原子之后，它们仍然可以彼此相互作用，因为他们是带电的。通过他们之间的相互作用，我们就能够执行逻辑门运算，这样我们就能执行Shor算法了。这种逻辑门运算可以在任何原子上进行，不管我们的系统有多大“。

Chuang的研究团队首先在原理上设计了量子计算系统。他在因斯布鲁克大学的同事们则基于他的方法制造出了实验装置。他们使用该量子系统对数字15进行了因子分解（可以证明Shor算法的最小数字），该量子系统在没有任何关于答案的先验知识的情况下给出了正确因子。

“该系统非常简单，也是可扩展的；接下来，我们预计一旦离子阱能捕捉到更多的原子，以及使用多个激光束控制脉冲，就可以制造出更大的量子计算机，”Chuang说。

可扩展量子计算机的未来和影响

如果研究团队能够成功地添加更多的量子到系统中去，这将会实现一个长期未实现的壮举。

“Shor算法是第一个非平凡的量子算法，体现出了量子算法优于经典算法的”指数级“加速，”Ritter说。 “由于该算法的显著加速性，它是众多的量子计算研究者所能想到的最了不起的算法。因此，Shor量子算法的实现将会媲美于古典计算中的“Hello，World'”。

可扩展的量子计算机的出现对未来的加密方案意味着什么？

在未来，你就不能在使用巨大数字的因子分解来进行加密。你就必须采用更加高级的加密方案。

消息链接：

The beginning of the end for encryption schemes?

文章链接：

Realization of a scalable Shor algorithm

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