美國《量子計算：發(fā)展與前景》報告解讀

陳健

2018年12月4日，美國國家科學、工程與醫(yī)學院發(fā)布題為《量子計算：發(fā)展與前景》的研究報告，闡釋了量子計算的運行模式、量子計算的算法與應(yīng)用、量子計算對密碼體系的影響、量子計算的硬件組成、量子計算的軟件構(gòu)成等內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上分析了當前量子計算技術(shù)所取得的進步與時代架構(gòu)，展望了量子計算的未來發(fā)展前景。報告指出，量子計算發(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)價值，但其將來的發(fā)展速度、方向和實際應(yīng)用還有待觀察；量子計算將給當前的密碼體系帶來沖擊，需要人們提前做好相應(yīng)的設(shè)計與部署準備。

一、量子計算的發(fā)展

報告稱，當前量子計算的理論和模型已經(jīng)出現(xiàn)，主要通過學習研究量子世界的一些特殊性，使用多種方法、通過多種途徑來實現(xiàn)量子計算。在過去的20年里，人們對這項技術(shù)所蘊含的巨大潛力充滿了興趣，并一直致力于推進量子計算，使其不斷發(fā)展進步，但量子計算是否能以摩爾定律的模式持續(xù)增長，還有待觀察。

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

二、量子計算：一種新型模式

（一）量子計算的基本原理

量子計算理論是對微觀世界一種運行機制的描述，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——一個量子物體同時具有類波性質(zhì)和類粒子性質(zhì)，當系統(tǒng)遵循波動方程時，任何可測量的系統(tǒng)都能夠返回一個與其一致的粒子。

疊加性—— 一個量子系統(tǒng)能夠同時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——當一個量子系統(tǒng)的狀態(tài)能夠被一組復(fù)雜的數(shù)據(jù)所描述時，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)，測量一個粒子狀態(tài)時能夠影響到另一個粒子，即使這些粒子相隔很遠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，在其處于一個確定的狀態(tài)下時，系統(tǒng)處于與所測值相對應(yīng)的狀態(tài)。

（二）量子計算的主要方法

量子計算主要有兩種方法。

一種方法是通過初始化量子系統(tǒng)狀態(tài)，再運用漢密爾頓的直接控制方式來推進量子態(tài)演化，由此得到一個高概率的問題答案，進而得到預(yù)期結(jié)果。因為漢密爾頓通常是平滑形的，因此量子計算實質(zhì)上是真正的模擬計算，且不能完全糾正誤差。

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

當前，主要的量子計算機有模擬量子計算機、基于噪聲的中等規(guī)模量子計算機、基于門的量子計算機及基于門的全糾錯量子計算機。

三、量子計算的應(yīng)用

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

（一）量子計算在密碼領(lǐng)域的應(yīng)用

量子計算的最好應(yīng)用領(lǐng)域就是密碼領(lǐng)域，也就是破解密碼，這是一個基于數(shù)學的應(yīng)用。對于密碼學來說，未來運用Shor 算法的量子計算機將對其產(chǎn)生深遠影響。

（二）量子計算在化學領(lǐng)域的應(yīng)用

量子模擬被認為是一種具有巨大潛力的具體應(yīng)用，特別是在量子化學領(lǐng)域。雖然經(jīng)典的計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)，而量子計算機能夠在經(jīng)典計算方法難以奏效的情況下，有效地解決這些問題。

事實上，與經(jīng)典的化學反應(yīng)速率常數(shù)計算法相比，早期的一種量子計算方法在速度上已經(jīng)提高了好幾個指數(shù)量級。量子計算與其他算法能夠為人們打開一扇大門，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)價值。

四、量子計算對密碼學的影響

（一）量子計算對密碼體系的影響

報告稱，運用量子計算進行密碼破譯的一個關(guān)鍵性問題，是需要一臺多大規(guī)模的量子計算機才能實現(xiàn)密碼破解。這個問題的答案根據(jù)量子計算的具體結(jié)構(gòu)和原理不同而有所不同。復(fù)雜量子計算機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前已知的量子算法，以及對量子計算機架構(gòu)和錯誤率的一種假設(shè)，相關(guān)探索研究還需繼續(xù)推進。將來也可能開發(fā)出新的算法，可對密碼體系進行不同攻擊。

（二）抵抗量子計算破解

密碼報告稱，要應(yīng)對量子計算密碼破譯，必需了解3 個方面信息，以確定何時建立怎樣的密碼保護架構(gòu)來加以抵抗：一是當前的加密架構(gòu)何時會被擊破，也就是說一個足夠復(fù)雜的量子計算機何時投入使用；二是抵抗量子破解密碼的新型架構(gòu)需要多長時間才能設(shè)計、建筑和部署完成；三是最長的保護間隔是多長。一旦這3 個方面信息被確定，所需時間就可以計算出來。

（三）后量子加密時代

報告稱，在向后量子加密階段發(fā)展過程中，首先需要制定和批準密鑰交換與簽名的后量子加密算法標準，新的標準算法在作為官方標準被采用后，還需采用多種計算機語言、程序庫及加密硬件芯片模塊來實現(xiàn)。接著，新的標準算法需合并為加密格式，并由各標準委員會審查通過。隨后，供應(yīng)商在需要的硬件和軟件產(chǎn)品中更新標準。然后，必須對公、私領(lǐng)域存儲的敏感數(shù)據(jù)進行重新加密，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行重新簽名。最后，所有的軟件代碼必須重新升級和驗證，新的代碼也需再重新簽名和分發(fā)。

量子計算機的發(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)對量子計算密碼破譯，需要在第一臺計算機上線之前，就設(shè)計和部署對抗量子破解密碼的算法和基礎(chǔ)設(shè)施。

五、量子計算的硬件與軟件 組成

（一）量子計算的硬件組成

報告稱，量子計算的硬件結(jié) 構(gòu)可劃分為4 個層次：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，面臨的第一個挑戰(zhàn)是降低大規(guī)模系統(tǒng)中的量子位錯誤率，同時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；第二個挑戰(zhàn)是增加量子計算機的量子位數(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方法進行整體優(yōu)化。

（二）量子計算的軟件組成

量子計算除了硬件組成外，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現(xiàn)算法、需要驗證工具來幫助確保軟硬件的正確性等。

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算機來說，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)典計算機上即使是模擬大約60 位或更多量子位的量子計算算法，也無法在合理的時間或空間內(nèi)完成。

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

六、量子計算的時代架構(gòu)與發(fā)展前景

（一）量子計算的時代架構(gòu)

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

（二）量子計算的發(fā)展前景

量子計算擁有一個令人興奮的發(fā)展前景，但要實現(xiàn)這一前景需應(yīng)對許多挑戰(zhàn)。在過去的20年時間里，人們對量子系統(tǒng)科學和工程的理解有了很大的提高，隨著理解的深化，人類控制量子計算的能力也不斷提升。然而，在建造一臺具有實用價值的量子計算機之前，仍有大量工作需要去做。同時，也很難預(yù)測量子計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，也可能由于意外創(chuàng)新而加速推進?！?/p>