一台功能完善的固態量子電腦首次完成了一項相當簡單的數學任務：將質數分解成它的組成部分。雖然這個答案本身並不算什麼了不起的成就——它分解的是數字15——但這對量子電腦來說卻是一次重大飛躍，因為它是朝著分解更大數字邁出的重要一步。快速分解非常大的數字對於網路安全至關重要。
由加州大學聖塔芭芭拉分校博士畢業生埃里克·盧塞羅 (Erik Lucero) 領導的研究團隊建立了一個量子處理器，用於映射數字 15。該團隊在藍寶石基板上建構了一個由四個超導量子位元（量子系統的邏輯閘）組成的量子電路，該電路還包含五個微波諧振器。製造過程本身就是一項突破，因為組織九個獨立的量子組件需要非常精確的自動化建構方法。量子位元經過糾纏，並透過量子實驗進行了驗證。然後，團隊使用彼得·肖爾 (Peter Shor) 的因式分解演算法，利用該電路對 15 進行因式分解。此演算法要求計算機對任意給定的整數 N 求其質因數。但它的計算速度極快，比目前已知最快的經典因式分解演算法快指數級。
為什麼這很重要？量子電腦能夠實現比傳統系統複雜得多的加密，從而大大提升網路安全。最常見的加密方式是RSA加密，它是基於大素數難以分解這個原理。兩個大質數的乘積作為加密金鑰，而質數本身是保密的。要破解RSA加密，傳統電腦系統需要計算一系列數字。這可能非常耗時，尤其當素數非常大時更是如此。
即使使用最快的經典因式分解演算法，分解這個長達 600 位元、迄今為止最大的 RSA 加密數字也需要比宇宙年齡更長的時間。而這套系統理論上可以在一小時內完成。
盧塞羅及其同事進行了15萬次實驗，處理器有48%的機率得到正確答案。肖爾演算法認為量子系統有50%的機率得到正確答案，所以這個結果其實相當不錯。下一步是提高量子相干性並建立更複雜的電路，以便電腦能夠解決更大的因式分解問題。
該論文發表在本週的《自然·物理學》雜誌。
加州大學聖塔芭芭拉分校
