美國《量子計(jì)算：發(fā)展與前景》報(bào)告解讀北京遠(yuǎn)望智庫科技咨詢有限公司

陳 健

2018年12月4日,美國國家科學(xué)、工程與醫(yī)學(xué)院發(fā)布題為《量子計(jì)算：發(fā)展與前景》的研究報(bào)告，闡釋了量子計(jì)算的運(yùn)行模式、量子計(jì)算的算法與應(yīng)用、量子計(jì)算對密碼體系的影響、量子計(jì)算的硬件組成、量子計(jì)算的軟件構(gòu)成等內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)所取得的進(jìn)步與時(shí)代架構(gòu)，展望了量子計(jì)算的未來發(fā)展前景。報(bào)告指出，量子計(jì)算發(fā)展至今，已引發(fā)人們極大的研究興趣，也展現(xiàn)出一定的商業(yè)價(jià)值，但其將來的發(fā)展速度、方向和實(shí)際應(yīng)用還有待觀察；量子計(jì)算將給當(dāng)前的密碼體系帶來沖擊，需要人們提前做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)與部署準(zhǔn)備。

一、量子計(jì)算的發(fā)展

報(bào)告稱，當(dāng)前量子計(jì)算的理論和模型已經(jīng)出現(xiàn),主要通過學(xué)習(xí)研究量子世界的一些特殊性，使用多種方法、通過多種途徑來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。在過去的20年里，人們對這項(xiàng)技術(shù)所蘊(yùn)含的巨大潛力充滿了興趣，并一直致力于推進(jìn)量子計(jì)算，使其不斷發(fā)展進(jìn)步，但量子計(jì)算是否能以摩爾定律的模式持續(xù)增長，還有待觀察。

當(dāng)前，量子計(jì)算是唯一真正的新型計(jì)算模式，且與經(jīng)典計(jì)算模式相比，將成為一種更加普遍通用的物理計(jì)算模型，有望解決一些經(jīng)典計(jì)算模型所無法解決的實(shí)際問題，這就使得量子計(jì)算變得十分“有趣”，也極大激發(fā)了人們對量子計(jì)算的商業(yè)興趣。

二、量子計(jì)算：一種新型模式

（一）量子計(jì)算的基本原理

量子計(jì)算理論是對微觀世界一種運(yùn)行機(jī)制的描述，是理解和預(yù)測物理宇宙性質(zhì)的最為精確的理論。量子理論主要遵循以下基本原理：

波粒二元性—— 一個(gè)量子物體同時(shí)具有類波性質(zhì)和類粒子性質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)遵循波動方程時(shí)，任何可測量的系統(tǒng)都能夠返回一個(gè)與其一致的粒子。

疊加性—— 一個(gè)量子系統(tǒng)能夠同時(shí)存在兩種或更多種狀態(tài)，被稱之為“疊加”或“疊加狀態(tài)”。

相干性——當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)能夠被一組復(fù)雜的數(shù)據(jù)所描述時(shí)，那么系統(tǒng)的每一種狀態(tài)都是相干的。對于諸如量子干涉、量子疊加、量子糾纏等量子現(xiàn)象，相干都是必需的。

糾纏性——糾纏是一些多粒子疊加狀態(tài)（并非全部）的一種特殊性質(zhì)，測量一個(gè)粒子狀態(tài)時(shí)能夠影響到另一個(gè)粒子，即使這些粒子相隔很遠(yuǎn)且無明顯的相互作用。

可測量性——量子系統(tǒng)從根本上改變了測量工作，在其處于一個(gè)確定的狀態(tài)下時(shí)，系統(tǒng)處于與所測值相對應(yīng)的狀態(tài)。

（二）量子計(jì)算的主要方法

量子計(jì)算主要有兩種方法：

一種方法是通過初始化量子系統(tǒng)狀態(tài)，再運(yùn)用漢密爾頓的直接控制方式來推進(jìn)量子態(tài)演化，由此得到一個(gè)高概率的問題答案，進(jìn)而得到預(yù)期結(jié)果。因?yàn)闈h密爾頓通常是平滑形的，因此量子計(jì)算實(shí)質(zhì)上是真正的模擬計(jì)算，且不能完全糾正誤差。

另一種方法叫做“基于門的計(jì)算”，類似于當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算方法，主要是將問題分解為一系列基本的“原始運(yùn)算”或“門”，對于特定的輸入狀態(tài)都會得到一個(gè)明確的“數(shù)據(jù)”測量結(jié)果，這種數(shù)據(jù)特性意味著這些設(shè)計(jì)類型能夠以系統(tǒng)級的糾錯(cuò)來達(dá)成容錯(cuò)目的。

當(dāng)前，主要的量子計(jì)算機(jī)有模擬量子計(jì)算機(jī)、基于噪聲的中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)、基于門的量子計(jì)算機(jī)及基于門的全糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

三、量子計(jì)算的應(yīng)用

報(bào)告稱，量子化學(xué)、優(yōu)化（包括機(jī)器學(xué)習(xí)）和破解密碼是量子計(jì)算最被認(rèn)可的潛在應(yīng)用，這些領(lǐng)域目前仍處于初始階段。現(xiàn)有算法可能會以尚難以預(yù)測的方式實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，而新的算法也可能會隨著研究的不斷深入而出現(xiàn)。除了密碼學(xué)之外，難以預(yù)測量子計(jì)算將會給各個(gè)商業(yè)部門帶來怎樣的影響。

（一）量子計(jì)算在密碼領(lǐng)域的應(yīng)用

量子計(jì)算的最好應(yīng)用領(lǐng)域就是密碼領(lǐng)域，也就是破解密碼，這是一個(gè)基于數(shù)學(xué)的應(yīng)用。對于密碼學(xué)來說，未來運(yùn)用Shor算法的量子計(jì)算機(jī)將對其產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（二）量子計(jì)算在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

量子模擬被認(rèn)為是一種具有巨大潛力的具體應(yīng)用，特別是在量子化學(xué)領(lǐng)域。雖然經(jīng)典的計(jì)算方法在許多情況下都是非常有效的，但往往不能預(yù)測化學(xué)反應(yīng)過程或區(qū)分反應(yīng)階段的相關(guān)物質(zhì)，而量子計(jì)算機(jī)能夠在經(jīng)典計(jì)算方法難以奏效的情況下，有效地解決這些問題。

事實(shí)上，與經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算法相比，早期的一種量子計(jì)算方法在速度上已經(jīng)提高了好幾個(gè)指數(shù)量級。量子計(jì)算與其他算法能夠?yàn)槿藗兇蜷_一扇大門，讓人們對物質(zhì)的各種反應(yīng)和狀態(tài)有更深的洞察力，這些成果在能量存儲、顯示器件、工業(yè)催化劑及藥物開發(fā)等方面具有巨大的商業(yè)價(jià)值。

四、量子計(jì)算對密碼學(xué)的影響

（一）量子計(jì)算對密碼體系的影響

報(bào)告稱，運(yùn)用量子計(jì)算進(jìn)行密碼破譯的一個(gè)關(guān)鍵性問題，是需要一臺多大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)密碼破解。這個(gè)問題的答案根據(jù)量子計(jì)算的具體結(jié)構(gòu)和原理不同而有所不同。復(fù)雜量子計(jì)算機(jī)可以破解密碼并給數(shù)字簽名帶來威脅，但這些都只是基于當(dāng)前已知的量子算法，以及對量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)和錯(cuò)誤率的一種假設(shè)，相關(guān)探索研究還需繼續(xù)推進(jìn)。將來也可能開發(fā)出新的算法，可對密碼體系進(jìn)行不同攻擊。

（二）抵抗量子計(jì)算破解密碼

報(bào)告稱，要應(yīng)對量子計(jì)算密碼破譯，必需了解三個(gè)方面信息，以確定何時(shí)建立怎樣的密碼保護(hù)架構(gòu)來加以抵抗：一是當(dāng)前的加密架構(gòu)何時(shí)會被擊破，也就是說一個(gè)足夠復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)投入使用；二是抵抗量子破解密碼的新型架構(gòu)需要多長時(shí)間才能設(shè)計(jì)、建筑和部署完成；三是最長的保護(hù)間隔是多長。一旦這三個(gè)方面信息被確定，所需時(shí)間就可以計(jì)算出來，如圖1所示。

（三）后量子加密時(shí)代

報(bào)告稱，在向后量子加密階段發(fā)展過程中，首先需要制定和批準(zhǔn)密鑰交換與簽名的后量子加密算法標(biāo)準(zhǔn)，新的標(biāo)準(zhǔn)算法在作為官方標(biāo)準(zhǔn)被采用后，還需采用多種計(jì)算機(jī)語言、程序庫及加密硬件芯片模塊來實(shí)現(xiàn)。接著，新的標(biāo)準(zhǔn)算法需合并為加密格式，并由各標(biāo)準(zhǔn)委員會審查通過。隨后，供應(yīng)商在需要的硬件和軟件產(chǎn)品中更新標(biāo)準(zhǔn)。然后，必須對公、私領(lǐng)域存儲的敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行重新加密，并銷毀以前模式下輸入的所有數(shù)據(jù)副本，公鑰證書也必須重新頒發(fā)或重新分發(fā)，必須對官方的所有文件進(jìn)行重新簽名。最后，所有的軟件代碼必須重新升級和驗(yàn)證，新的代碼也需再重新簽名和分發(fā)。

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明出現(xiàn)對所有公鑰密碼算法產(chǎn)生了威脅，因此，為了應(yīng)對量子計(jì)算密碼破譯，需要在第一臺計(jì)算機(jī)上線之前，就設(shè)計(jì)和部署對抗量子破解密碼的算法和基礎(chǔ)設(shè)施。

五、量子計(jì)算的硬件與軟件組成

（一）量子計(jì)算的硬件組成

報(bào)告稱，量子計(jì)算的硬件結(jié)構(gòu)可劃分為四個(gè)層次：一是量子比特所在的“量子數(shù)據(jù)層”；二是根據(jù)需要對量子進(jìn)行操作和測量的“控制和測量層”； 三是確定操作和算法序列的“控制處理器層”；四是用于處理網(wǎng)絡(luò)訪問、大存儲陣列和用戶界面的“主處理器層”，該層通過高速寬帶與控制處理器連接。

對于所有的量子比特技術(shù)而言，面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是降低大規(guī)模系統(tǒng)中的量子位錯(cuò)誤率，同時(shí)使測量能夠與比特操作相間隔。對此，提高物理量子位的保真度顯得至關(guān)重要；第二個(gè)挑戰(zhàn)是增加量子計(jì)算機(jī)的量子位數(shù)，這就需要對集成電路、封裝、控制和測量層面及所使用的校準(zhǔn)方法進(jìn)行整體優(yōu)化。

（二）量子計(jì)算的軟件組成

圖1 量子計(jì)算破解密碼時(shí)間構(gòu)成示意圖

量子計(jì)算除了硬件組成外，還需要廣泛的軟件組成，包括能夠讓程序員描述量子計(jì)算算法的編程語言、分析它們并將其映射到量子硬件的編譯器，以及可在特定量子硬件上實(shí)現(xiàn)分析、優(yōu)化、調(diào)試和測試程序的其他軟件支持，如需要仿真和調(diào)試工具來調(diào)試軟硬件、需要優(yōu)化工具來幫助高效實(shí)現(xiàn)算法、需要驗(yàn)證工具來幫助確保軟硬件的正確性等，圖2為計(jì)算軟件組成示意圖。

創(chuàng)建和調(diào)試量子程序所需的軟件工具對于所有量子計(jì)算機(jī)來說，就像量子數(shù)據(jù)層面一樣必不可少，雖然在這一領(lǐng)域取得了良好進(jìn)展，但仍有一些具有挑戰(zhàn)性的問題有待解決。例如，在算法層面，量子計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)空間如此之大，以至于在今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上即使是模擬大約60位或更多量子位的量子計(jì)算算法，也無法在合理的時(shí)間或空間內(nèi)完成。

量子程序的調(diào)試和驗(yàn)證也是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，大多數(shù)經(jīng)典計(jì)算機(jī)為程序員提供了在程序中任意點(diǎn)停止執(zhí)行的能力，并能檢查機(jī)器狀態(tài)值和其他項(xiàng)值，程序員可以確定狀態(tài)是否正確，如果不正確，則查找程序錯(cuò)誤。相反，量子計(jì)算程序需要一個(gè)很大的狀態(tài)空間，進(jìn)行物理量子位測量時(shí)還將面臨崩潰，并且在測量后不能重啟量子計(jì)算執(zhí)行，因此，設(shè)計(jì)量子程序的調(diào)試和驗(yàn)證技術(shù)是推動量子計(jì)算發(fā)展的一項(xiàng)基本且具有根本性挑戰(zhàn)的要求。

圖2 量子計(jì)算軟件組成示意圖

圖3 量子計(jì)算機(jī)“里程碑式”發(fā)展圖

六、量子計(jì)算的時(shí)代架構(gòu)與發(fā)展前景

（一）量子計(jì)算的時(shí)代架構(gòu)

報(bào)告稱，一臺大規(guī)模完全糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)需擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)邏輯量子位元，并且需要一個(gè)軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以便有效幫助程序員使用這臺計(jì)算機(jī)解決問題。這種能力需要一系列越來越復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來逐步實(shí)現(xiàn)，這又取決于硬件、軟件和算法的發(fā)展。這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)“里程碑”式發(fā)展，依次是小型計(jì)算機(jī)、基于門的高級量子計(jì)算機(jī)、基于退火爐的高級量子計(jì)算機(jī)、成規(guī)模運(yùn)行QEC的量子計(jì)算機(jī)、商用量子計(jì)算機(jī)、大型模塊量子計(jì)算機(jī)。圖3中表示了量子計(jì)算機(jī)的“里程碑式”發(fā)展圖，但有些里程碑實(shí)現(xiàn)起來比較困難，或不按照此順序?qū)崿F(xiàn)。

（二）量子計(jì)算的發(fā)展前景

量子計(jì)算擁有一個(gè)令人興奮的發(fā)展前景，但要實(shí)現(xiàn)這一前景需應(yīng)對許多挑戰(zhàn)。在過去的20年時(shí)間里，人們對量子系統(tǒng)科學(xué)和工程的理解有了很大的提高，隨著理解的深化，人類控制量子計(jì)算的能力也不斷提升。然而，在建造一臺具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)之前，仍有大量工作需要去做。同時(shí)，也很難預(yù)測量子計(jì)算的未來將以何種方式、何種速度展開，它可能增長緩慢而漸進(jìn)，也可能由于意外創(chuàng)新而加速推進(jìn)。