量子計算和量子通信的發(fā)展研究及應(yīng)用

阮利華

一、量子計算的起源和通用性

隨著人們對于量子計算的深入探索，作為一種新型計算方式，對信息通信的保密體系帶來巨大沖擊的量子計算機即將變?yōu)楝F(xiàn)實。

量子計算起源于20 世紀(jì)80年代，1982年著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者費恩曼R.P.Feynman 首先提出量子計算的概念，1995年美國科學(xué)家Peter Shor創(chuàng)造了著名的量子分解算法，是至今為止量子計算領(lǐng)域中最著名的算法。后來由其他科研人員研究并演示了量子計算在冷卻離子系統(tǒng)中實現(xiàn)的可能性。此時大家才逐漸認(rèn)識到量子計算機的超強計算能力，和破解編碼的能力，之后許多科學(xué)家便開始了對量子計算的研究。

1965年英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了摩爾定律，換言之就是用一美元能買到的計算機性能每隔18個月翻一倍。2016年摩爾定律近乎失效，導(dǎo)致摩爾定律失效的兩大主因一是處理器性能在物理上無法按照摩爾定律增長，二是數(shù)據(jù)的快速增長對計算機性能要求遠(yuǎn)超“摩爾定律”的增長速度。2014年，美國宣布研制出了世界上純度最高的硅晶體，硅28 的含量達(dá)到99.9999%，解決了量子高速運算的關(guān)鍵問題。

量子計算的實現(xiàn)有兩個前提，一是量子計算機，二是量子算法， 只有量子計算的快速運算能力才能滿足人工智能的需求。量子計算是利用量子力學(xué)規(guī)律，以纏繞的量子態(tài)作為信息載體，利用量子態(tài)的線性疊加原理進行信息并行計算的方案，比現(xiàn)有計算速度快的核心優(yōu)勢是可以實現(xiàn)高速并行計算。隨著納米技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管，通過控制原子或小分子的狀態(tài)進行運算和存儲，存儲和運算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有計算機，并且能夠完成比如復(fù)雜路徑搜索、大數(shù)分解等運算。

在2017年9月25日的Ignite大會上，微軟展示了在硬件軟件生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)和拓?fù)淞孔游环矫嫒〉玫倪M展，支持研發(fā)從能夠持續(xù)運行需要數(shù)萬個量子位計算的硬件，到可以編程并控制量子計算機的完整軟件棧。甚至還推出了于后量子密碼學(xué)和安全性研究的項目，并準(zhǔn)備著手研發(fā)量子抵抗密碼算法，拓?fù)淞孔佑嬎闶墙畮啄臧l(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科，包括量子計算、拓?fù)鋵W(xué)、拓?fù)淞孔訄稣?、以及含拓?fù)湫虻哪蹜B(tài)物理等，利用多體系統(tǒng)中的拓?fù)淞孔討B(tài)來操控和存儲量子信息，具有內(nèi)在容錯能力，為我們物理實現(xiàn)量子計算奠定基礎(chǔ)。2017年10月17日，復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室聯(lián)合研究的最新科 研成果發(fā)表在《自然·物理》雜志上，在該技術(shù)中采用了自主研發(fā)的隨機絕熱法，通過量子模擬識別而為系統(tǒng)中的 Z2 拓?fù)湫虮皇状螌崿F(xiàn)，至此，量子計算機的發(fā)展以及今后量子物質(zhì)的研究擁有了相當(dāng)重要的基礎(chǔ)。隨著量子計算的發(fā)展，一個最大的問題浮出水面：量子計算機受環(huán)境影響非常大，而拓?fù)湫虺蔀檫@一問題的解決方法，因為拓?fù)湫蜓苌龅牧孔颖忍刈詣硬皇墉h(huán)境影響，所以拓?fù)淞孔佑嬎憔涂梢云帘沃車h(huán)境的影響。此次，研究人員給出了識別拓?fù)湫虻男路椒ǎ喕送負(fù)淞孔佑嬎?。早?015年，阿里云就聯(lián)合中國科學(xué)院成立了實驗室，實驗室結(jié)合中國科學(xué)院在量子計算和模擬、量子人工智能等方面的優(yōu)勢，以及阿里云在經(jīng)典計算算法、架構(gòu)和云計算方面的技術(shù)優(yōu)勢，顛覆摩爾定律，著手探索研發(fā)新一代超快計算技術(shù)。2017年的中國杭州云棲大會上，阿里云與中國科學(xué)院宣布合作發(fā)布量子計算云平臺，該平臺的搭建包括量子計算的系統(tǒng)架構(gòu)及量子算法的開發(fā)計算環(huán)境。此外，阿里集團和中國科學(xué)院還將密切協(xié)作，將量子通信保密技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心安全和電子商務(wù)方面。2017年5月3日，由中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室、 中國科學(xué)院物理研究所聯(lián)合研發(fā)的全球首臺光量子計算機在上海亮相，它標(biāo)志著我國量子計算機研究領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界一流水平。中國科學(xué)院院士陸朝陽、潘建偉與朱曉波等科研人員，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華研究組，首次實現(xiàn)在10 光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)的量子點單光子源搭建了這臺光量子原型機。成功實現(xiàn)了目前全世界最大數(shù)目超導(dǎo)量子比特的糾纏，并且在超導(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。IBM 于2017年在自己公司研發(fā)的超導(dǎo)量子設(shè)備上實現(xiàn)了一種新的量子算法，這種算法不僅可以模擬真實分子，而且能夠高效精確地計算出微小分子電子的最低能態(tài)。這一次他們就用量子計算機推導(dǎo)演化了氫化鈹（BeH2）分子的最低能量狀態(tài)，該研究成為了《自然》雜志最新一期的封面文章。

量子計算機可以分析很多應(yīng)用數(shù)據(jù)。在宇航領(lǐng)域，量子計算可以迅速的對可能存在生命體的行星進行辨別，在共同交通領(lǐng)域之中，通過量子計算可以對最佳線路進行計算與優(yōu)化，并對復(fù)雜的交通狀況進行分析預(yù)判，以達(dá)到更加有效地調(diào)度，在最大限度上避免道路的擁堵；在氣象領(lǐng)域，能精準(zhǔn)天氣預(yù)報；在公共安全領(lǐng)域之中，利用量子計算可以在瞬間就能夠?qū)ΡO(jiān)控數(shù)據(jù)中心中的海量人臉識別圖片進行處理，并能夠準(zhǔn)確地辨別出人物身份；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，量子計算能快速高效識別有效分子組合，降低研發(fā)藥物的成本和時間；在硬件配件領(lǐng)域，量子計算和新型量子材料可以通過改變電池特性上百倍地擴大電池容量增強續(xù)航能力；在計算能力上，量子計算領(lǐng)域有3 個全球公認(rèn)的指標(biāo)性節(jié)點：第一是超越首臺電子計算機的計算能力；第二是超越商用中央處理器的計算能力；第三是超越超級計算機的計算能力。

二、量子通信的原理與實現(xiàn) 途徑

2017年12月，中國科學(xué)院舉行了新聞發(fā)布會，根據(jù)中國科學(xué)院潘建偉院士的介紹可以知道，我國又一次在國際上第一次成功的實現(xiàn)了地面和衛(wèi)星之間的量子密鑰分發(fā)以及量子隱性傳態(tài)，這代表了全部實現(xiàn)了“墨子”號量子衛(wèi)星所預(yù)先設(shè)定的3 大科學(xué)目標(biāo)。在軍事運用上，量子計算也有著非常重要的作用：一是利用量子計算可以進行快速有效的密碼破譯，讓現(xiàn)有的密鑰體系被改變，傳統(tǒng)的計算機想要破譯現(xiàn)有的密碼體系需要1000年，而量子計算只需要不到4 min。二是通過量子計算可以更加有效地實時分析處理海量的情報數(shù)據(jù)，有效改善作者評估以及決策能力。三是通過量子計算可以對大數(shù)據(jù)、高性能計算的問題進行有效的借鑒，進而快速推進導(dǎo)彈攻防系統(tǒng)、新一代空海作戰(zhàn)平臺、軍用航天裝備等復(fù)雜武器系統(tǒng)的設(shè)計和試驗進程，讓建模仿真時間得到有效地縮短，提升武器裝備研發(fā)效率。近日，IBM 開發(fā)出國際上性能最強的量子計算機，致力于推進量子計算在美“軍事云”工程中的應(yīng)用，目前IBM 公司已和美國防部洽談，美國防部未來將使用IBM 的量子計算機建設(shè)美軍軍用計算環(huán)境，尤其是美軍將減少傳統(tǒng)超算領(lǐng)域的應(yīng)用和軍事投入，而是轉(zhuǎn)向量子計算的軍事應(yīng)用，值得重視。當(dāng)前，英國啟動了國家量子技術(shù)專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應(yīng)的計劃和行動，包括谷歌、IBM、微軟、阿里巴巴 在內(nèi)的科技巨頭更不約而同地介入相關(guān)研發(fā)，進行前瞻性戰(zhàn)略布局。通過量子通信，還可以為虛擬貨 幣防偽、以及量子指紋鑒定提供基礎(chǔ)。在將來，將分布式量子傳感器連接到量子網(wǎng)絡(luò)上，這樣可以有效地開展全球的地震監(jiān)測。并且在5到10年之內(nèi)，有望能夠開發(fā)出較為可靠的光子源以及相關(guān)的技術(shù)，進而展開遠(yuǎn)距離量子通信傳輸，同時還可以進一步地推動量子處理器相互之間的數(shù)據(jù)共享協(xié)議的各種理 論研究。在量子通信方面，我國科學(xué)家王肇中教授正在研制一種服務(wù)于國家量子通信系統(tǒng)的量子點激 光器，這種激光器能應(yīng)用于量子通信、圖像顯示、高速光通信、導(dǎo)航、高功率激光武器等領(lǐng)域發(fā)揮巨大 作用。

量子計算機的出現(xiàn)開啟出了一種在理論上是無法進行破譯的量子密碼，量子密碼利用了量子套不可復(fù)制這一特性讓密鑰傳輸變得絕對安全，因此其在軍事上有著相當(dāng)廣闊的前景。因為量子密碼不可破譯以及無法竊聽的關(guān)系，并且還可以和當(dāng)前所使用的光纖通信設(shè)備所兼容，那么其可以用來對當(dāng)前軍用光網(wǎng)的信息傳輸保密性以及安全性進行有效地改善，讓信息傳輸安全得到有效提升，增強信息對抗能力。近日，我國科學(xué)家宣布全球首個量子密鑰云研制成功，是量子通信走向產(chǎn)業(yè)化的一個重要標(biāo)志，同時為量子計算技術(shù)的民用化打下了堅實基礎(chǔ)。量子密鑰技術(shù)是通信雙方通過量子的信息頻道來發(fā)送密鑰，以加密密鑰和解密密鑰的對稱密鑰形式來保證傳輸信息的安全性和可靠性。我國科學(xué)家研發(fā)出的量子密鑰云將整個量子通信應(yīng)用體系進行分拆，分別為量子密鑰管理和應(yīng)用密鑰管理兩個系統(tǒng)。最低層是密鑰傳輸層，最上層是密鑰應(yīng)用層，底層主要負(fù)責(zé)接收指令完成密鑰分發(fā)工作。在組網(wǎng)過程中將任意一個點設(shè)置為超級節(jié)點，通過量子安全中繼的方式，把任意兩點的動態(tài)和超級節(jié)點來進行同步，進而實現(xiàn)多方共享。作為從量子設(shè)備到各種應(yīng)用行業(yè)的中間件，量子密鑰云可以通過自身算法來完成量子密鑰分配的調(diào)度、路由、可信中繼、以及整個密鑰網(wǎng)的管理、級聯(lián)、接口、認(rèn)證等一系列配置，不用針對不同的應(yīng)用行業(yè)來進行單獨的定制，只要將該應(yīng)用行業(yè)的設(shè)備連至量子密鑰云終端就可以完成匹配，量子密碼設(shè)備在接通量子密鑰云終端以后，通過光纖接入量子機房就可以實現(xiàn)量子安全運轉(zhuǎn)。另外，為了方便設(shè)備終端接入量子密鑰云，科學(xué)家還開發(fā)了客戶端軟件SDK 和量子安全的硬件設(shè)備，以達(dá)到用戶終端隨時隨地都可以安全使用密鑰云的目的。這套新研發(fā)的量子密鑰云結(jié)構(gòu)將首次應(yīng)用于蕭山量子城域網(wǎng)和鎮(zhèn)江量子城域網(wǎng)，使得傳統(tǒng)通信、經(jīng)典應(yīng)用和量子密鑰通信之間徹底實現(xiàn)無縫連接。同時，九州量子團隊還將針對智能家居安全解決方案、企業(yè)協(xié)作管理安全解決方案等不同場景進行相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計，使得各QKD 設(shè)備商、各網(wǎng)絡(luò)運營商、各信息安全廠商、各通信設(shè)備廠商之間實現(xiàn)完美對接，在不改變用戶習(xí)慣的前提下，為信息安全保駕護航。尤其是伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起，每個人每個終端都成為信息的制造者和接收者，萬物互聯(lián)的背景下，無論是社交軟件還是企業(yè)協(xié)作平臺，多方信息的共享成了普遍應(yīng)用的場景。而這正是傳統(tǒng)量子通信的弱點。

實際上，發(fā)展量子通信技術(shù)的主要作用是讓目前的數(shù)字通信變得更安全；還有量子隱形傳態(tài)的通信方式則是只有當(dāng)所有的傳統(tǒng)計算機都被量子計算機取代時，才會完全使用這種通信方式。但由于量子計算機和傳統(tǒng)計算機永遠(yuǎn)是無法完全相互取代的，所以未來量子通 信和傳統(tǒng)通信將共同搭建“天地一體化”的通信網(wǎng)絡(luò)。2016年國務(wù)院批準(zhǔn)印發(fā)的《上海系統(tǒng)推進全面創(chuàng)新改革試驗加快建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心方案》中強調(diào)在量子通信方面落實一批重大科學(xué)基礎(chǔ)工程；同年國務(wù)院頒布《“十三·五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將 量子計算機、量子通信列為重大科技項目；上海市政府把量子材料和量子通信列入《上海市科技創(chuàng)新“十三·五”規(guī)劃》的重點任務(wù)和方向，2017年全市建設(shè)開啟商用城域網(wǎng)絡(luò)。

在2017年，上海市就開始正式啟用商用城域網(wǎng)絡(luò)。其中短期軍用專網(wǎng)以及政務(wù)專網(wǎng)先進行建設(shè)，市場份額在兩年內(nèi)可能會接近百億數(shù)量級，在中期伴隨著城域網(wǎng)、干線以及數(shù)據(jù)中心保密網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投入商用，在初期運營規(guī)模能夠達(dá)到數(shù)十億級的規(guī)模。目前，我國的量子通信已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，由我國自主研發(fā)的世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通，我國科學(xué)家與奧地利結(jié)合“墨子號衛(wèi)星”成功實現(xiàn)了世界首次洲際量子保密通信，通信內(nèi)容通過量子加密后，無法破解，證明了我國“天地一體化”廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)已初具成效。在與奧地利進行量子通信試驗過程中首次使用的量子密鑰，信號傳輸過程是這樣的：首先通過“京滬干線”的北京控制中心與“墨子號”衛(wèi)星的地面站連接，接通廣域量子通信的鏈路，然后通過“墨子號”與奧地利地面站的衛(wèi)星和7000 多km 以外的歐洲通信，我國科學(xué)家先后攻克了高速高效率單光子探測、高速量子密鑰分發(fā)、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控等關(guān)鍵技術(shù)難題。長距離、多節(jié)點，尤其是和國外建立的節(jié)點通信，說明“天地一體化”量子通信網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定的、實用的、兼容的。

因為量子的“不可分割”性，竊聽者無法分割出半個量子進行測量；其次，測量必然會改變量子的狀態(tài)，竊聽者也不能截取量子后，去測量它的狀態(tài)，因為這樣竊聽會暴露；再者，竊聽者即便截取到了量子，也不能復(fù)制竊聽來的量子狀態(tài)，未知的量子態(tài)沒有辦法被精確復(fù)制，得到的只是“偽碼”。自2013年立項以來，我國科學(xué)家突破了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控等系列工程化實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，連接北京、濟南、合肥、上海的量子保密通信線路已全線貫通，全場已經(jīng)達(dá)到了2000 km，并且利用北京接入點已經(jīng)實現(xiàn)了和“墨子號”衛(wèi)星的連接，這為將來實現(xiàn)全球覆蓋的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)。根據(jù)了解，“京滬干線”路密鑰率將會大于20 千比特/秒（kbps），這能夠有效地滿足上萬名用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)，實現(xiàn)了北京、上海、合肥、濟南、烏魯木齊南山地面站和奧地利科學(xué)院6 點間的洲際量子通信視頻會議。保證網(wǎng)絡(luò)信息安全目前是頭等大事，量子通信從物理原理上實現(xiàn)了絕對安全的信息傳輸通信方式。據(jù)國內(nèi)量子通信方面專家介紹，量子通信云安全一體機是基于量子通信安全運營平臺和密鑰管理系統(tǒng)，裝載了量子通信云計算操作系統(tǒng)。重點提供云計算操作系統(tǒng)和云存儲服務(wù)平臺，并針對量子保密通信的應(yīng)用提供基于擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、從底層硬件到上層應(yīng)用的云服務(wù)解決方案。

三、量子計算的發(fā)展前景與軍事應(yīng)用

伴隨著量子計算的推出，很多專家都認(rèn)為到2026年時，廣泛的驅(qū)動型行業(yè)將會受到巨大的沖擊，特別是金融行業(yè)，因此需要對其進行特別關(guān)注。一旦量子計算機將現(xiàn)有的加密技術(shù)打破，那么就會讓金融行業(yè)中的各種基礎(chǔ)互動受到巨大的沖擊和破壞?？赡苁艿?jīng)_擊的基本活動主要有：所有權(quán)轉(zhuǎn)移、信用卡交易認(rèn)證、金融網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)連接、后端金融交易和股票交易。這些活動都是未來商業(yè)運作的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。面對這種情況金融機構(gòu)和FinTech 開發(fā)人員必須要對受到影響的加密系統(tǒng)進行更新。但是對于上述任何活動來講，嘗試確定需要升級到量子安全所需標(biāo)準(zhǔn)的部分，將是一項非常龐大的工程。因此，面對量子計算機，計算機信息化部門必須要確保能夠?qū)⑦@些解決方案遷移到量子安全加密狀態(tài)?？傊?，必須要能夠從一開始的時候就積極思考如何構(gòu)建起量子安全解決方案，以盡可能的推動過度。

量子技術(shù)一直是中美激烈競爭的高新技術(shù)領(lǐng)域。簡單的舉例就是：一臺計算機可以控制上千架無人機，以一個超大的集群進行大規(guī)模協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。又比如，一個敵人加密的文件，量子計算器只需要3 h 就能破解出密碼，而傳統(tǒng)計算機可能要花上幾十年！未來50 量子位的計算機實用化，它的運算能力相當(dāng)于中國的天河一號超級計算機。在許多軍事和科學(xué)領(lǐng)域，計算機的作用都是必不可少的，例如計算機模擬核試驗，高新材料的分子、原子的相互作用等，都要借助超級計算機來完成，而如今很多實驗，以現(xiàn)在的超級計算機運算都有點吃力。而且，量子計算機體系小，能耗低，可以安裝到許多武器設(shè)備里面。無人機、坦克、裝甲車，都可以配備量子計算機，這相當(dāng)于給了現(xiàn)代武器一個“機器大腦”，可以“傻瓜式”執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，人類只要發(fā)送一個簡單的指令比如“對敵人發(fā)起進攻”，具有嚴(yán)密識別和精確計算能力的量子計算機就會操作武器組織起最合理的進攻。這其實就是未來人工智能的發(fā)展路線。

四、量子計算機的發(fā)展前景

量子計算帶來的影響不僅僅是局限在科技領(lǐng)域之中，其對于政治、經(jīng)濟、社會、軍事等諸多領(lǐng)域的發(fā)展也有著相當(dāng)重要的影響，因此其所帶來的一系列的影響是難以準(zhǔn)確預(yù)測的。信息時代中，計算能力是最為基本的生產(chǎn)力，不僅僅是可以代表國家的實力，同時還能夠讓國家在競爭之中處于有利地位。從根本上來講，計算就是處理能力，當(dāng)今世界范圍內(nèi)的信息傳播速度基本相同，在這種情況下，如果可以掌握更加強勁的信息處理能力，那么就可以在信息競爭上占據(jù)有一定的優(yōu)勢。隨著發(fā)展，量子計算有可能會如過去經(jīng)典計算機那樣逐步地形成一個較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，并在國家經(jīng)濟體系之中逐步地構(gòu)建起一個較為重要的領(lǐng)域。圍繞研制通用型量子計算機的中心目標(biāo)，量子計算技術(shù)的快速發(fā)展還可以推動量子導(dǎo)航、量子精密測量以及量子通信等各個相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展和繁榮。量子信息科學(xué)是以量子計算作為基礎(chǔ)的，同時其也是解決其他各種復(fù)雜問題的重要基礎(chǔ)能力，如果量子計算機能獲得革命性的技術(shù)突破，那么其他各種相關(guān)研究都能夠獲得突破，進而為提高國家整體經(jīng)濟競爭力創(chuàng)造條件。量子物理與計算科學(xué)第一次結(jié)合的原因就是對核心武器的研制需求。在此后的發(fā)展中，軍事應(yīng)用價值始終是其重要推動力之一，甚至互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生最初都是為了在計算彈道的大型計算機之間傳輸數(shù)據(jù)。毫無疑問，未來量子計算機的最大用戶依然會是具有軍事背景的組織或企業(yè)。因此，雖然可能還需要數(shù)年量子計算機才會出現(xiàn)，但這種能力本身已經(jīng)具有了現(xiàn)實性威脅。雖然目前，量子計算機距離軍事實用化還有很長的路要走，但人類無疑已經(jīng)邁出了最重要的一步。?