中研院資訊所鐘楷閔副研究員，專長為理論計算機科學、量子密碼學、量子複雜度理論……換成白話，就是一位在資訊所用理論 / 數學研究方法研究資訊科學的科學家，專攻量子計算如何影響密碼學，及其潛力與極限。 攝影│林洵安
欸……什麼是量子電腦？
量子電腦和傳統電腦的不同，在於它利用了各種神奇的量子特性，也就是當我們以微觀的角度觀察這個世界時，那些與巨觀世界不同的特性，像是讓薛丁格的貓介於死和沒死之間的「疊加態」，或是兩個量子即使相距很遠，仍舊會依據對方狀態而決定自己當下狀態的「纏結效應」。( 有關量子效應可參考「研之有物」相關文章 量子電子元件 hen 夯，但如何掌握像情人心難測的量子位元？) 當電腦擁用這些比科幻還科幻的量子特性，將克服古典電腦無法解決的難題。
不過，鐘楷閔立刻猛劃重點強調：
量子電腦不是無所不能，或是每秒鐘能做的事情比較多，它只在某些「特定 (但很重要) 問題」上，有比古典電腦更快的解法，只需要更少的空間和步驟。
舉例來說，未來量子電腦可能用於模擬細菌的固氮作用，將大大提升農業上製造氮肥的效率。因為細菌進行固氮作用時，有些關鍵步驟具有量子效應，模擬這些效應的複雜度將超越了古典電腦的極限。而量子電腦「剛剛好」是以量子效應運作，當然較有希望成功。
不幸的是，量子電腦可攻克的「特定問題」，也包括時刻保護我們交易安全和隱私的加密系統……
堅不可摧的加密系統
登入網購平台，輸入帳號密碼，選好商品放入購物車（又剁了好幾根手指) 之後，再填好地址及電話，按下結帳，輸入信用卡卡號，接下來只要等商品來到家門口，啊，多美好的日常……等等，你算過在剛剛那五分鐘裡，親手傳出多少個人資訊嗎？這個問題細思極恐，事實上不必太擔心，因為密碼學正默默保護著我們。
早在兩千年前凱撒大帝打仗時，就懂得使用「暗號」來保護軍事書信。只有知道暗號的人可以「解讀」信件內容，對於不知道暗號的敵人來說，就算拿到書信也只是一堆亂碼。
但這套方式有個致命傷，那就是「如何一開始讓所有合法的使用者拿到一樣的暗號，又不會讓暗號外洩呢？」當代的密碼學家想出一套稱為「非對稱加密 」的方式，利用成對的公鑰和私鑰來加密暗號，公鑰就像是一個蓋上就鎖住的盒子，私鑰是可以打開這個盒子的鑰匙。如此一來，就能讓素昧平生的合法使用者，先利用比較安全的非對稱加密傳遞暗號，接下來就能靠暗號祕密通訊了。當你登入網購平台買東西，你的電腦和平台之間的通訊，就是透過類似的方式保護你的個資。
舉例來說，當顧客登入網路書店，申請刷卡購買「研之有物」的新書。網路書店會立刻製造一對公鑰和私鑰，把公鑰傳給客戶的電腦。客戶端的電腦再將自己的暗號，以公鑰加密後傳回網路書店。壞人沒有私鑰，就算中途攔截了信息也無法破解。最後，網路書店用私鑰解密，得到客戶的暗號，接下來就可以靠暗號傳送信用卡卡號等個資了。
細心的讀者可能會有疑問：那為什麼不直接把所有訊息透過非對稱加密傳遞，還需要先傳暗號，再用暗號保護訊息呢？原因在於，非對稱加密的效率非常低，而透過暗號加密 (稱為對稱式加密) 的效率很高。因此，目前網路架構中，僅利用非對稱加密傳遞短短的暗號，接下來主要的通訊就使用高效率的對稱式加密。 圖說設計│ 林洵安、黃曉君
當然，網路上並不是真的有一個盒子在傳輸！目前的加密系統能如此安全，關鍵是它的核心有一個難以解開的數學難題，需要公鑰加上私鑰才能解開。所以即使壞人拿到加了密的訊息，沒有私鑰還是解不了密碼。
這類數學難題很多，像是超大數字的質因數分解。隨機找兩個很大的質數相乘 ，比如 97 乘上 113，就會得到一個超大數字 10961，很簡單吧？但是，如果一開始給你 10961，你算得出它是哪兩個質數相乘嗎？
這不是國小老師偷懶沒教，而是人類還沒找到有效率的方法 (多項式時間的演算法) 來計算質因數分解這類問題。所以理論上，只要數字夠大，即使是全世界性能最強大的超級電腦，也可能花費上萬年才能破解。
簡言之，加密系統核心的數學難題愈困難，古典電腦就需要花愈長的時間破解，加密系統也就愈安全。
破解古典密碼，量子電腦 hen 會
然而，現今密碼學看似堅不可破的數學難題，在量子電腦的面前變得不堪一擊。因為這些問題的答案都可以轉化成週期性的結構，剛好量子電腦擅長破解。(哭哭)
什麼是週期性結構？再以質因數分解問題舉例：想要找出 N 這個數字是由哪兩個質數（ P 與 Q ）相乘所得，可以先任意選擇一個數字 A ，用 A 去除 N，得到一個餘數 a1 ，接下來依序用 A2 、 A3 、 A4 ……不斷的除 N ，就會得到餘數 a1 、 a2 、 a3 、 a4 ……最後某一次的操作，餘數會回到 a1 ，形成週期性的結構。一旦能找到週期，就能「比較有效率」的分解 N。
不過，對於古典電腦來說，當數字相當巨大時，尋找餘數的週期仍是十分困難的任務，但對於具有疊加作用的量子電腦，卻是小事一樁。
總之，目前我們所仰賴的加密系統，在量子電腦出現之後將變得不再安全……可是 IBM 、 Google 不斷更新量子電腦發展的進度條，我們已經暴露在資訊外洩的風險之下了嗎？