科学家成功破译量子霸权背后的加密编码

当量子计算机能够解决当前技术无法解决的难题时，这被称为量子优势。然而，这种优势并非在所有计算中都必然存在，这引发了关于量子优势存在条件的根本性问题。虽然先前的研究提出了量子优势的各种充分条件，但这些条件的必要性一直未被阐明。

受此不确定性的驱动，京都大学的一个研究团队致力于理解量子优势的必要和充分条件，他们采用的方法结合了量子计算和密码学（即安全编码信息的科学）领域的技术。

具体而言，该团队专注于一种称为效率验证者的量子性证明的交互式协议。这类协议允许一位不具备量子计算机的验证者与量子证明者交互，以验证后者确实拥有量子计算能力。在他们的研究中，团队证明了这些证明的存在取决于一种称为单向谜题的特定密码学原语的存在。

通过整合这些方法，该团队引入了一个新颖框架，将量子优势和密码学安全这两个看似不相关的概念统一起来。由此，该团队首次得以完整刻画量子优势的特征。

通讯作者白川勇树（Yuki Shirakawa）表示：“我们通过证明量子优势的存在与某些量子密码学原语的安全性之间的等价性，成功确定了量子优势的必要条件和充分条件。”

研究结果表明，当量子优势不存在时，几乎所有密码学原语——此前被认为安全的——其安全性都将被打破。重要的是，这些原语不仅限于量子密码学，还包括广泛使用的传统密码学原语以及快速发展的后量子密码学原语。

量子计算与密码学之间建立的这种等价关系，也为未来量子优势的实验演示以及该领域正在进行的理论研究提供了更坚实的密码学基础。

白川指出：“量子优势是一个备受期待且被积极研究的概念，但它仍未得到充分理解。我们的研究代表着向深入理解这一特性迈出了重要一步。”

该团队预期未来的研究将把这种特征刻画扩展到其他类型的量子优势，并催生出一个更通用的理论框架。