量子信息技術(shù)是量子力學(xué)與信息科學(xué)融合的新興交叉學(xué)科, 它的誕生標(biāo)志著人類社會(huì)將從經(jīng)典技術(shù)邁進(jìn)到量子技術(shù)的新時(shí)代, 本文將闡述量子信息技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來(lái). 文中描繪了量子技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景, 即筑建各種類型的量子網(wǎng)絡(luò), 包括量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計(jì)算、 量子傳感網(wǎng)絡(luò)和量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)等. 量子計(jì)算機(jī)已從實(shí)驗(yàn)室的研究邁進(jìn)到企業(yè)的實(shí)用器件研制, 目前已發(fā)展到中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算機(jī)(noisy intermidiate-scale quantum, NISQ)的階段. 在量子技術(shù)時(shí)代, 沒(méi)有絕對(duì)安全的保密體系, 也沒(méi)有無(wú)堅(jiān)不摧的破譯手段, 信息安全進(jìn)入“量子對(duì)抗"的新階段.

1

第二次量子革命

1900 年Max Planck提出“量子"概念, 宣告了“量子"時(shí)代的誕生. 科學(xué)家發(fā)現(xiàn), 微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性. 宏觀世界的物理客體, 要么是粒子, 要么是波動(dòng), 它們遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 而微觀世界的所有粒子卻同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性, 它們顯然不遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律. 20 世紀(jì) 20 年代, 一批天才的年輕物理學(xué)家建立了支配著微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新理論, 這便是量子力學(xué). 近百年來(lái), 凡是量子力學(xué)預(yù)言的都被實(shí)驗(yàn)所證實(shí), 人們公認(rèn), 量子力學(xué)是人類迄今最成功的理論. 我們將物理世界分成兩類: 凡是遵從經(jīng)典物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界, 稱為經(jīng)典世界; 而遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界, 稱為量子世界. 這兩個(gè)物理世界有著絕然不同的特性, 經(jīng)典世界中物理客體每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)和物理量都是確定的, 而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不確定的.

概率性是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的本質(zhì)特征. 量子力學(xué)的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學(xué)的現(xiàn)象, 事實(shí)上, 正是量子力學(xué)催生了現(xiàn)代的信息技術(shù), 造就人類社會(huì)的繁榮昌盛. 信息領(lǐng)域的核心技術(shù)是電腦和互聯(lián)網(wǎng). 量子力學(xué)的能帶理論是晶體管運(yùn)行的物理基礎(chǔ), 晶體管是各種各樣芯片的基本單元. 光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理, 而正是該技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生當(dāng)下無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng). 然而, 晶體管和激光器卻是經(jīng)典器件, 因?yàn)樗鼈冏駨慕?jīng)典物理的運(yùn)行規(guī)律. 因此, 現(xiàn)在的信息技術(shù)本質(zhì)上是源于量子力學(xué)的經(jīng)典技術(shù).

20世紀(jì) 80 年代, 科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域, 從而誕生了量子信息技術(shù), 諸如量子計(jì)算機(jī)、量子密碼、量子傳感等. 這些技術(shù)的運(yùn)行規(guī)律遵從量子力學(xué), 因此不僅其原理是量子力學(xué), 器件本身也遵從量子力學(xué), 這些器件應(yīng)用了量子世界的特性, 如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等, 因而其信息功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的經(jīng)典技術(shù). 量子信息技術(shù)突破了經(jīng)典技術(shù)的物理極限, 開辟了信息技術(shù)發(fā)展的新方向. 一旦量子技術(shù)獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用, 人類社會(huì)生產(chǎn)力將邁進(jìn)到新階段. 因此, 我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命, 而基于量子力學(xué)研制出的經(jīng)典技術(shù), 稱之為第一次量子革命. 量子信息技術(shù)就是未來(lái)人類社會(huì)的新一代技術(shù).

2

量子網(wǎng)絡(luò)

量子信息技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)(如圖 1所示).

圖1??量子網(wǎng)絡(luò)

量子網(wǎng)絡(luò)基本要素包括量子節(jié)點(diǎn)和量子信道. 所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)量子糾纏相互連接, 遠(yuǎn)程信道需要量子中繼. 量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和處理融合在一起, 量子節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)和處理量子信息, 量子信道用于各節(jié)點(diǎn)之間的量子信息傳送. 與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比, 量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程更加安全, 信息的處理更加高效, 有著更加強(qiáng)大的信息功能. 量子節(jié)點(diǎn)包括通用量子計(jì)算機(jī)、專用量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和量子密鑰裝置等. 應(yīng)用不同量子節(jié)點(diǎn)將構(gòu)成不同功能的量子網(wǎng)絡(luò). 典型的有(表1): (1) 由通用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn), 將構(gòu)成量子云計(jì)算平臺(tái), 其運(yùn)算能力將強(qiáng)大無(wú)比; (2) 使用專用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成分布式量子計(jì)算, 其信息功能等同于通用量子計(jì)算機(jī). 亦即應(yīng)用這種方法可以從若干比特?cái)?shù)較少的量子節(jié)點(diǎn)采用糾纏通道連接起來(lái), 可以構(gòu)成等效的通用量子計(jì)算機(jī); (3) 量子節(jié)點(diǎn)是量子傳感器, 所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò), 也可以是量子同步時(shí)鐘; (4) 量子節(jié)點(diǎn)是量子密鑰裝置, 所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡(luò), 可以用于安全的量子保密通信. 當(dāng)然, 單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)本身就是量子器件, 也會(huì)有許多應(yīng)用場(chǎng)景, 量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成, 其信息功能將得到巨大提升, 應(yīng)用更廣泛.

上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠(yuǎn)景, 當(dāng)前距離這個(gè)遠(yuǎn)景的實(shí)現(xiàn)還相當(dāng)遙遠(yuǎn). 不僅尚無(wú)哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功, 即使是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的量子器件也仍處于研制階段, 距離實(shí)際的應(yīng)用仍有著很長(zhǎng)的路要走. 即便是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)研制成功, 要將若干量子節(jié)點(diǎn)通過(guò)糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ? 量子節(jié)點(diǎn)的量子信息必須能強(qiáng)耦合到光纖通信波長(zhǎng)的光子上, 該光子到達(dá)下個(gè)量子節(jié)點(diǎn)處再?gòu)?qiáng)耦合到該節(jié)點(diǎn)工作波長(zhǎng)的量子比特上, 任何節(jié)點(diǎn)之間最終均可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合、高保真度的相干操控, 只有這樣才能實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功能. 目前, 連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子界面仍然處于基礎(chǔ)研究階段. 至于遠(yuǎn)程的量子通道, 必須有量子中繼才能實(shí)現(xiàn), 而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實(shí)用性量子存儲(chǔ)器的研究, 所有這些核心器件仍然處于基礎(chǔ)研究階段, 離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn). 因此整個(gè)量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處于初期研究階段, 實(shí)際應(yīng)用還有待時(shí)日. 那么, 量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來(lái)? 量子計(jì)算機(jī)是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù), 只有當(dāng)通用量子計(jì)算機(jī)獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用之時(shí), 我們才可斷言人類社會(huì)已進(jìn)入量子技術(shù)新時(shí)代.

3

量子計(jì)算機(jī)

電子計(jì)算機(jī)按照摩爾(Moore)定律迅速發(fā)展: 每 18 個(gè)月, 其運(yùn)算速度翻一番. 20世紀(jì) 80 年代, 物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會(huì)終結(jié)"這個(gè)不受人歡迎的命題, 并著手開展研究. 最后竟然得出結(jié)論: 摩爾定律必定會(huì)終結(jié). 理由是, 摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目. 但這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個(gè)主要物理限制: 一是由于非可逆門操作會(huì)丟失大量比特, 并轉(zhuǎn)化為熱量, 最終會(huì)燒穿電子芯片, 這也是當(dāng)下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在; 二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管, 而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作, 使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度無(wú)法如預(yù)料的提高. 物理學(xué)家的研究結(jié)果并不影響當(dāng)時(shí)摩爾定律的運(yùn)行, 多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天. 然而物理學(xué)家并未停止腳步, 著手研究第2個(gè)問(wèn)題: 摩爾定律失效后, 如何進(jìn)一步提高信息處理的速度——即后摩爾時(shí)代提高運(yùn)算速度的途徑是什么? 研究結(jié)果誕生了“量子計(jì)算"的概念.

1982年美國(guó)物理學(xué)家Feynman指出? [2], 在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行存在著本質(zhì)性困難, 但如果可以構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)量子模擬就容易得多. 隨后英國(guó)物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機(jī)"?[3]概念, “量子圖靈機(jī)"可等效為量子電路模型. 從此, “量子計(jì)算機(jī)"的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注. 1994年Shor?[4]提出了量子并行算法, 證明量子計(jì)算可以求解“大數(shù)因子分解"難題, 從而攻破廣泛使用的RSA 公鑰體系, 量子計(jì)算機(jī)才引起廣泛重視. Shor并行算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑工作. 進(jìn)入21世紀(jì), 學(xué)術(shù)界逐漸取得共識(shí): 摩爾定律必定會(huì)終結(jié)?[5]. 因此, 后摩爾時(shí)代的新技術(shù)便成為熱門研究課題, 量子計(jì)算無(wú)疑是最有力的競(jìng)爭(zhēng)者.

量子計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性, 如疊加性、非局域性和不可克隆性等, 因此天然地具有并行計(jì)算的能力, 可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上指數(shù)增長(zhǎng)復(fù)雜度的問(wèn)題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長(zhǎng)復(fù)雜度, 亦即電子計(jì)算機(jī)上某些難解的問(wèn)題在量子計(jì)算機(jī)上變成易解問(wèn)題. 量子計(jì)算機(jī)為人類社會(huì)提供運(yùn)算能力強(qiáng)大無(wú)比的新的信息處理工具, 因此稱之為未來(lái)的顛覆性技術(shù). 量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計(jì)算機(jī)相比, 等同于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比. 可見(jiàn)一旦量子計(jì)算得到廣泛應(yīng)用, 人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化. 量子計(jì)算的運(yùn)算單元稱為量子比特, 它是 0 和1兩個(gè)狀態(tài)的疊加. 量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的, 因此, 量子信息的制備、處理和探測(cè)等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律. 量子計(jì)算機(jī)的工作原理如圖 2所示.

圖2???量子計(jì)算機(jī)的工作原理

量子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)一樣, 用于解決某種數(shù)學(xué)問(wèn)題, 因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是普通的數(shù)據(jù). 區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質(zhì)上不同. 量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的初始量子態(tài)上, 經(jīng)由幺正操作變成量子計(jì)算系統(tǒng)的末態(tài), 對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量, 便輸出運(yùn)算結(jié)果. 圖2中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的. 圖中的幺正操作(UU操作)是信息處理的核心, 如何確定UU操作呢? 首先選擇適合于待求解問(wèn)題的量子算法, 然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序, 從而實(shí)現(xiàn)了UU操作的功能. 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程如圖3所示.

圖3???量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程

給定問(wèn)題及相關(guān)數(shù)據(jù), 科學(xué)家設(shè)計(jì)相應(yīng)的量子算法, 進(jìn)而開發(fā)量子軟件實(shí)現(xiàn)量子算法, 然后進(jìn)行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算機(jī)硬件能識(shí)別的一條條指令, 這些指令隨后發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)實(shí)施對(duì)量子芯片系統(tǒng)的操控, 操控結(jié)束后, 量子測(cè)量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng), 最終傳送到工作人員的電腦上. 量子邏輯電路是用于實(shí)現(xiàn)UU變換的操作, 任何復(fù)雜的UU操作都可以拆解為單量子比特門Ui Ui和雙量子比特門UjkUjk的某種組合(即可拆解定理),?UiUi和UjkUjk是最簡(jiǎn)單的普適邏輯門集. 典型的單雙比特門如圖4所示[6-8].

圖4? ?單雙量子比特門

基于量子圖靈機(jī)(量子邏輯電路)的量子計(jì)算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算, 現(xiàn)在還在研究的其他量子計(jì)算模型還有: 單向量子計(jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算和絕熱量子計(jì)算(量子退火算法)等. 量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子器件, 環(huán)境不可避免會(huì)導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干), 這是量子計(jì)算機(jī)研究的主要障礙[9]. “量子編碼"用于克服環(huán)境的消相干, 它增加信息的冗余度, 用若干物理量子比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比特(信息處理的單元). 業(yè)已證明, 采用起碼5個(gè)量子比特編碼、1個(gè)邏輯比特, 可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤. 量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯(cuò)誤, 這種錯(cuò)誤來(lái)源于非理想的量子操作, 包括門操作和編碼的操作. 科學(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來(lái)糾正這類錯(cuò)誤, 該原理指出, 在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下, 仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài). 這涉及到“容錯(cuò)閾值定理", 即只有量子操作的出錯(cuò)率低于某個(gè)閾值, 才能實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò). 容錯(cuò)閾值與量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型有關(guān), 在一維或準(zhǔn)一維的模型中, 容錯(cuò)的閾值為10-510?5?[6], 在二維情況(采用表面碼來(lái)編碼比特), 閾值為10-210?2. 經(jīng)過(guò)科學(xué)家十多年的努力, 現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)到這個(gè)閾值. 這個(gè)進(jìn)展極大地刺激了人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)研制的熱情, 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是遙不可及的. 量子計(jì)算機(jī)的研制逐步走出實(shí)驗(yàn)室, 成為國(guó)際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo). 量子計(jì)算機(jī)研制涉及以下關(guān)鍵技術(shù)部件: (1)核心芯片, 包括量子芯片及其制備技術(shù);

(2)量子控制, 包括量子功能器件、量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和量子測(cè)控技術(shù)等; (3)量子軟件, 包括量子算法、量子開發(fā)環(huán)境和量子操作系統(tǒng)等; (4)量子云服務(wù), 即面向用戶的量子計(jì)算機(jī)云服務(wù)平臺(tái). 量子計(jì)算機(jī)的研制從以科研院校為主體變?yōu)橐云髽I(yè)為主體后發(fā)展極其迅速. 2016年IBM公布全球首個(gè)量子計(jì)算機(jī)在線平臺(tái), 搭載5位量子處理器. 量子計(jì)算機(jī)的信息處理能力非常強(qiáng)大, 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)到底能在多大程度上逼近量子計(jì)算機(jī)呢? 在不是非常大的邏輯深度下, 2018年初創(chuàng)公司合肥本源量子計(jì)算科技有限公司推出當(dāng)時(shí)國(guó)際最強(qiáng)的64位量子虛擬機(jī), 打破了當(dāng)時(shí)采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算機(jī)的世界紀(jì)錄.

2019年量子計(jì)算機(jī)研制取得重大進(jìn)展: 年初IBM推出全球首套商用量子計(jì)算機(jī), 命名為IBM Q System One, 這是首臺(tái)可商用的量子處理器(圖5(a)和(b)). 2019年10月, Google在?Nature?上發(fā)表了一篇里程碑論文, 報(bào)道他們用53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片, 耗時(shí)200 s實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子電路的采樣實(shí)例, 而同樣的實(shí)例在當(dāng)今最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)上可能需要運(yùn)行大約1萬(wàn)年. 他們宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)", 即信息處理能力超越了任何最快的經(jīng)典處理器(圖5(c)和(d)). ? 圖5? ?2019年量子計(jì)算機(jī)的研制取得重大進(jìn)展. (a), (b) IBM推出的全球首套商用量子計(jì)算機(jī)IBM Q System One; (c), (d) Google推出的53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片總之, 量子計(jì)算機(jī)研制已從高校、研究所為主發(fā)展為以公司為主力, 從實(shí)驗(yàn)室的研究邁進(jìn)到企業(yè)的實(shí)用器件研制.?

量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段.

(1) 量子計(jì)算機(jī)原型機(jī).?原型機(jī)的比特?cái)?shù)較少, 信息功能不強(qiáng), 應(yīng)用有限, 但“五臟俱全", 是地地道道地按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的量子處理器. IBM Q System One就是這類量子計(jì)算機(jī)原型機(jī).

(2) 量子霸權(quán).?量子比特?cái)?shù)在50～～100左右, 其運(yùn)算能力超過(guò)任何經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī). 但未采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)"技術(shù)來(lái)確保其量子相干性, 因此只能處理在其相干時(shí)間內(nèi)能完成的那類問(wèn)題, 故又稱為專用量子計(jì)算機(jī). 這種機(jī)器實(shí)質(zhì)是中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算機(jī)(noisy intermediate-scale quantum, NISQ). 應(yīng)當(dāng)指出, “量子霸權(quán)"實(shí)際上是指在某些特定的問(wèn)題上量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī). 這些特定問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證, 在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是指數(shù)增長(zhǎng)或超指數(shù)增長(zhǎng), 而在量子計(jì)算機(jī)上是多項(xiàng)式增長(zhǎng), 因此體現(xiàn)了量子計(jì)算的優(yōu)越性. 目前采用的特定問(wèn)題是量子隨機(jī)線路的問(wèn)題或玻色取樣問(wèn)題. 這些問(wèn)題僅是Toy (玩具)模型, 并未發(fā)現(xiàn)它們的實(shí)際應(yīng)用. 因此, 盡管量子計(jì)算機(jī)已邁進(jìn)到“量子霸權(quán)"階段, 但在中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算(NISQ)時(shí)代面臨的核心問(wèn)題是探索這種專門機(jī)的實(shí)際用途, 并進(jìn)一步體現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)越性.

(3) 通用量子計(jì)算機(jī).?這是量子計(jì)算機(jī)研制的終極目標(biāo), 用來(lái)解決任何可解的問(wèn)題, 可在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用. 通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)必須滿足兩個(gè)基本條件, 一是量子比特?cái)?shù)要達(dá)到幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)量級(jí), 二是應(yīng)采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)"技術(shù). 鑒于人類對(duì)量子世界操控能力還相當(dāng)不成熟, 因此最終研制成功通用量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走.

4

量子技術(shù)時(shí)代的信息安全

量子計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的信息處理能力, 對(duì)現(xiàn)代密碼技術(shù)構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn), 量子技術(shù)時(shí)代的信息安全問(wèn)題便成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一. 現(xiàn)代保密通信的工作圖如圖6所示.

圖6??保密通信

Alice將欲發(fā)送的明文(即數(shù)碼信息)輸進(jìn)加密機(jī), 經(jīng)由某種密鑰變換為密文, 密文在公開信道中傳遞給合法用戶Bob, 后者使用特定密鑰經(jīng)由解密機(jī)變換為明文. 任何竊聽者都可從公開信道上獲取密文, 竊聽者Eve如果擁有與Bob相同的密鑰, 便可輕而易舉地破譯密文. 如果竊聽者雖不擁有破譯的密鑰, 但他具有很強(qiáng)的破譯能力, 也可能獲得明文. 只有當(dāng)竊聽者肯定無(wú)法從密文中獲取明文, 這種保密通信才是安全的. 按照Alice與Bob擁有的密鑰是否相同, 保密過(guò)程可分為私鑰體系(A與B的密鑰相同)和公鑰體系(A和B的密鑰不同, 且A的密鑰是公開的). 公鑰體系是基于復(fù)雜算法運(yùn)行的, 其安全性取決于計(jì)算復(fù)雜度的安全; 私鑰體系一般也是基于復(fù)雜算法, 其安全性同樣取決于計(jì)算復(fù)雜度的安全.

只有“一次一密"的加密方式(即密鑰長(zhǎng)度等于明文長(zhǎng)度, 且用過(guò)一次就不重復(fù)使用), 這種私鑰體系的安全性僅取決于密鑰的安全性, 與計(jì)算復(fù)雜度無(wú)關(guān). 當(dāng)前密鑰分配的安全性取決于人為的可靠性. 量子計(jì)算機(jī)可以改變某些函數(shù)的計(jì)算復(fù)雜度, 將電子計(jì)算機(jī)上指數(shù)復(fù)雜度變成多項(xiàng)式復(fù)雜度, 從而挑戰(zhàn)所有依賴于計(jì)算復(fù)雜度的密碼體系的安全性. 唯有“一次一密"加密方法能經(jīng)受住量子計(jì)算機(jī)的攻擊, 這種方案的安全性僅依賴于密鑰的安全性. 因此, 量子技術(shù)時(shí)代確保信息安全必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件: (1) “一次一密"加密算法.?這要求密鑰生成率要足夠高; (2) 密鑰“絕對(duì)"安全.?當(dāng)前使用的密鑰分配都無(wú)法確保絕對(duì)安全. 物理學(xué)家針對(duì)現(xiàn)有密鑰分配方法無(wú)法確保“一次一密"方案中所使用的密鑰的安全性, 提出了“量子密碼"方案.

這種新的密碼的安全性不再依賴于計(jì)算復(fù)雜度和人為可行性, 而僅僅取決于量子力學(xué)原理的正確性. 物理學(xué)家提出了若干量子密碼協(xié)議(如BB84), 并從信息論證明, 這類協(xié)議是絕對(duì)安全的, 這就激勵(lì)了越來(lái)越多科學(xué)家加入“量子密碼"研究行列. 但人們很快就發(fā)現(xiàn), 任何真實(shí)物理體系都無(wú)法達(dá)到量子密碼協(xié)議所需求的理想條件, 存在著各種各樣的物理漏洞, 使得研制出來(lái)的實(shí)際量子密碼系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到“絕對(duì)"安全, 只能是“相對(duì)"安全. 雖然可以經(jīng)過(guò)努力堵住各種各樣的物理漏洞, 甚至提出安全性更強(qiáng)的新的密碼協(xié)議(如設(shè)備無(wú)關(guān)量子密碼協(xié)議等), 但終歸無(wú)法確保真實(shí)的量子密碼物理系統(tǒng)可以做到“絕對(duì)"安全 [10].

那么這種相對(duì)安全的“量子密碼"是否可獲得實(shí)際應(yīng)用呢? 答案是肯定的. 如果能驗(yàn)證真實(shí)的量子密碼體系可以抵抗現(xiàn)有所有手段的攻擊, 就可以認(rèn)定這類“量子密碼"在當(dāng)下是安全的, 可以用于實(shí)際. 中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事量子密碼研究, 2005年發(fā)明了量子密碼系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法, 首次在商用光纖實(shí)現(xiàn)從北京到天津125 km的量子保密通信演示(圖 7). 2007年發(fā)明了量子路由器, 在商用光纖網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)4節(jié)點(diǎn)的量子保密通信(圖8). 2009年構(gòu)造了蕪湖量子政務(wù)網(wǎng), 演示了量子密碼的實(shí)際應(yīng)用(圖9).

圖8? ?2007年北京4節(jié)點(diǎn)量子保密通信演示網(wǎng) ?

? ? 當(dāng)前量子密碼的研究狀況是: (1) 城域(百公里量級(jí))網(wǎng)已接近實(shí)際應(yīng)用, 密鑰生成率可滿足“一次一密"加密的需求, 現(xiàn)有各種攻擊手段無(wú)法竊取密鑰而不被發(fā)現(xiàn). 當(dāng)前必須建立密鑰安全性分析系統(tǒng)以檢查實(shí)際量子密碼系統(tǒng)是否安全, 并制定相應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)". (2) 城際網(wǎng)的實(shí)用仍然相當(dāng)遙遠(yuǎn), 關(guān)鍵問(wèn)題是可實(shí)用的量子中繼器件尚未研制成功. 構(gòu)建量子中繼的核心技術(shù)是可實(shí)用的量子存儲(chǔ)器和高速率的確定性糾纏光源, 這兩種技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展. (3) 經(jīng)由航空航天器件實(shí)現(xiàn)全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò), 建造這個(gè)網(wǎng)絡(luò)困難重重, 除了密鑰安全性及高速率的密鑰生成器的問(wèn)題之外, 還有如何能實(shí)現(xiàn)全天候量子密鑰高速分配. 國(guó)家是否需要建設(shè)這種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)慎重研究.

總之,?量子技術(shù)時(shí)代解決信息安全有兩個(gè)途徑: (1)物理方法?(適用于私鑰體系). 不斷提高實(shí)際量子密碼系統(tǒng)的安全性, 能夠抵抗當(dāng)下各種手段的攻擊, 確保密鑰的安全性, 再加上“一次一密"加密, 可以使得私鑰體制獲得實(shí)際應(yīng)用. (2)數(shù)學(xué)方法?(適用于公鑰體系). 尋找能抵抗量子計(jì)算攻擊的新型公開密鑰體系. 其原理是, 目前無(wú)法證明量子計(jì)算機(jī)可以改變所有復(fù)雜函數(shù)的計(jì)算復(fù)雜度, 因而可以找到新的不被量子計(jì)算機(jī)攻破的新型公開密鑰體系. 當(dāng)然, 量子計(jì)算機(jī)的攻擊能力依賴于量子算法, 當(dāng)前最強(qiáng)攻擊的首推Shor算法. 如果有比它更強(qiáng)大的量子算法出現(xiàn), 那么這種新型公開密碼體系有可能被攻破, 進(jìn)而促使數(shù)學(xué)家再去尋找抵抗能力更強(qiáng)的公鑰體系. 這將導(dǎo)致從“電子對(duì)抗"發(fā)展到“量子對(duì)抗". 結(jié)論:?量子技術(shù)時(shí)代沒(méi)有絕對(duì)安全的保密體系, 也沒(méi)有無(wú)堅(jiān)不摧的破譯手段, 信息安全的攻防將進(jìn)入“量子對(duì)抗"的新階段.

編輯：黃飛

?