量子計(jì)算機(jī)何時(shí)會(huì)發(fā)展成熟，并具有實(shí)用商業(yè)價(jià)值？最近，國(guó)外的一些研究指出，答案并不樂(lè)觀。這給當(dāng)前許多炒作量子計(jì)算的宣傳潑了冷水。

11月，IEEE Spectrum上發(fā)表了一篇由專家撰寫的題為“The Case Against Quantum Computing”的文章（見(jiàn)文末鏈接1），作者（法國(guó)著名物理學(xué)家）Mikhail Dyakonov稱，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，實(shí)用的通用量子計(jì)算機(jī)不會(huì)被制造出來(lái)。

不久前，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院組建的一個(gè)專家委員會(huì)向公眾發(fā)布了長(zhǎng)達(dá)205頁(yè)的題為“Quantum Computing: Progress and Prospects”（量子計(jì)算：進(jìn)展和前景）報(bào)告（見(jiàn)文末鏈接2）。該委員會(huì)明確表示，在未來(lái)十年內(nèi)，制造出具有實(shí)用能力的量子計(jì)算機(jī)的可能性很微小。

“在接下來(lái)的十年里，人們可能很難建造一臺(tái)能夠危及RSA 2048或類似的離散對(duì)數(shù)公鑰密碼系統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)(Highly Unexpected)?！?/p>

該委員會(huì)由13名量子計(jì)算專家組成，其中包括著加州大學(xué)圣巴巴拉分校的John Martinis，他領(lǐng)導(dǎo)著谷歌量子方面的研究工作；芝加哥大學(xué)的David Awschalom，他曾在UCSB領(lǐng)導(dǎo)自旋電子學(xué)和量子計(jì)算中心；以及加州大學(xué)伯克利分校量子信息與計(jì)算中心共同主管Umesh Vazirani。

值得注意的是，該報(bào)告談到密碼學(xué)部分只談PQC（后量子密碼術(shù)），一字未提QKD（量子密鑰分發(fā)，或“量子通信”）。

以下是對(duì)該報(bào)告總結(jié)部分的翻譯：

量子力學(xué)(Quantum Mechanics)，是物理學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)分支，專門研究微小粒子所具有的性質(zhì)，它為新的計(jì)算模式提供了基礎(chǔ)。量子計(jì)算(Quantum Computing)是在20世紀(jì)80年代首次被提出來(lái)，借助微小的“量子”行為改進(jìn)計(jì)算模型。20世界90年代，隨著肖爾算法的引入，人們對(duì)這一領(lǐng)域的興趣日益濃厚，如果在量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)該算法，重要密碼的破解速度將以指數(shù)的形式加快，但是這個(gè)將會(huì)對(duì)政府與民用通信和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的密碼系統(tǒng)產(chǎn)生威脅。事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)是唯一已知的超過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提供指數(shù)級(jí)計(jì)算速度的計(jì)算模型。

在20世紀(jì)90年代，這些結(jié)論聽(tīng)起來(lái)令人很興奮，但這些結(jié)論都是理論上的，沒(méi)人知道如何用量子系統(tǒng)建造計(jì)算機(jī)。近25年后的今天，我們已經(jīng)在控制量子比特(Qubits)方面取得重大的進(jìn)展，許多研究小組已經(jīng)證明了小型原理驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)可行。這項(xiàng)工作使量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域重獲生機(jī)，使得大量的私人投資進(jìn)入該領(lǐng)域。

為什么建造和使用量子計(jì)算機(jī)具有挑戰(zhàn)性

經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用“位”來(lái)表示操作值，而量子計(jì)算機(jī)使用“量子位”。“位”只能表示0或1，而“量子位”不僅可以表示0或1，還可以表示這兩者的某種組合（疊加狀態(tài)）。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中計(jì)算狀態(tài)是由二進(jìn)制值表示，在相同的情況下，具有相同數(shù)量的量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以跨越所有可能的計(jì)算狀態(tài)，在更大的指數(shù)空間中進(jìn)行計(jì)算。實(shí)現(xiàn)這個(gè)空間需要所有的量子位都是內(nèi)在相互聯(lián)系的（糾纏），與外部環(huán)境有很好的隔離，并且可以得到精確的控制。

過(guò)去20多年的創(chuàng)新進(jìn)展使得科研人員能夠建立這一物理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以精確地控制和隔離量子。到2018年，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始使用由超導(dǎo)電路產(chǎn)生的捕獲離子和人工“原子”這兩種技術(shù)，目前還在探索其他的技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)量子比特?？紤]到該領(lǐng)域的快速發(fā)展，我們不能僅僅依靠一種技術(shù)。

即使有人能夠制造出非常高質(zhì)量的量子比特，但是利用這些建造量子計(jì)算機(jī)也會(huì)有一系列新的挑戰(zhàn)。它們的使用與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，需要新的算法、軟件、控制技術(shù)和硬件。

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

量子比特不能從本質(zhì)上隔離噪聲

經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別之一是，它們?nèi)绾翁幚硐到y(tǒng)中微小的干擾噪聲。因?yàn)榻?jīng)典的“位”不是0就是1，即使由于噪聲稍微偏離，對(duì)信號(hào)的操作處理也很容易將噪聲消除。實(shí)際上，今天用于控制經(jīng)典計(jì)算機(jī)的操作位有很大的噪聲邊際，但是在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中可以抑制輸入端的噪聲污染，產(chǎn)生干凈無(wú)噪聲的輸出。因?yàn)榱孔游豢梢允?和1的任意組合，所以量子位不能輕易地隔離物理電路中出現(xiàn)的噪聲。因此，創(chuàng)建量子位操作時(shí)的小錯(cuò)誤或者物理系統(tǒng)中的雜散信號(hào)會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算錯(cuò)誤。所以對(duì)于操作量子位的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一是其錯(cuò)誤率，低錯(cuò)誤率一直很難實(shí)現(xiàn)。即使在2018年，已經(jīng)出現(xiàn)5個(gè)或者更多個(gè)量子位系統(tǒng)，其錯(cuò)誤率也超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)。在較小的系統(tǒng)中一般可以有效的控制錯(cuò)誤率，這種改進(jìn)的思想需要轉(zhuǎn)移到更大的量子位系統(tǒng)中，這樣才能成功的進(jìn)行量子計(jì)算。

無(wú)誤差的量子計(jì)算需要進(jìn)行量子誤差校正(Quantum Error Correction)

雖然物理量子比特的操作對(duì)噪聲很敏感，但是可以在量子計(jì)算機(jī)中運(yùn)行量子誤差校正算法來(lái)模擬無(wú)噪聲或者完全校正的量子計(jì)算。如果沒(méi)有量子誤差校正，像肖爾算法這樣復(fù)雜的程序就不太可能在量子計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確運(yùn)行。但是執(zhí)行量子誤差校正算法需要更多的量子比特，使得計(jì)算機(jī)的開(kāi)銷增大，這雖然對(duì)于無(wú)錯(cuò)誤的量子計(jì)算至關(guān)重要，但是因?yàn)殚_(kāi)銷過(guò)大，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法適用。并且量子計(jì)算機(jī)在短期內(nèi)還是可能出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。上面這種機(jī)器被稱為中尺度噪聲量子(NISQ)計(jì)算機(jī)。

大數(shù)據(jù)無(wú)法有效地加載到量子計(jì)算中

雖然量子計(jì)算機(jī)可以使用較少的量子位表示更大量的數(shù)據(jù)，但是目前還沒(méi)有一種方法可以將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為量子態(tài)。對(duì)于大量數(shù)據(jù)輸入的問(wèn)題，創(chuàng)建輸入量子態(tài)所需要的時(shí)間會(huì)占據(jù)大部分計(jì)算時(shí)間，使量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)大大降低。

量子算法的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性

測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)需將大量的量子態(tài)“折疊”成單個(gè)經(jīng)典結(jié)果，這意味著，從量子計(jì)算機(jī)中所能提取的數(shù)據(jù)量與從同樣大小的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中提取的數(shù)據(jù)量相同。但未來(lái)想要發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，量子算法必須使用獨(dú)特的量子特征（如糾纏現(xiàn)象），以獲得最終的經(jīng)典結(jié)果。因此，實(shí)現(xiàn)量子算法需要全新的設(shè)計(jì)原則。量子算法的開(kāi)發(fā)是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵方面。

量子計(jì)算機(jī)需要新的軟件棧

與所有的計(jì)算機(jī)一樣，構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的設(shè)備要比創(chuàng)建這個(gè)硬件本身更加復(fù)雜。由于量子計(jì)算機(jī)程序不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)軟件工具棧。由于軟件工具驅(qū)動(dòng)硬件運(yùn)行，所以軟件和硬件工具鏈的同步開(kāi)發(fā)將縮短量子計(jì)算機(jī)的建成時(shí)間。實(shí)際上，使用利用早期的工具完成端到端的設(shè)計(jì)有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的問(wèn)題，可以推動(dòng)設(shè)計(jì)取得全面的成功，這也是經(jīng)典計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中所采用的一套手段。

量子計(jì)算機(jī)的中間狀態(tài)無(wú)法直接測(cè)量

調(diào)試量子硬件和軟件的方法至關(guān)重要。目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的調(diào)試方法依賴于內(nèi)存和中間機(jī)器狀態(tài)的讀取。但這個(gè)在量子計(jì)算機(jī)中很難實(shí)現(xiàn)。量子狀態(tài)不能夠簡(jiǎn)單的復(fù)制供以后的檢查，任何對(duì)量子態(tài)的測(cè)量都會(huì)被將其折疊成一組經(jīng)典“位”，導(dǎo)致計(jì)算停止。新的調(diào)試方法對(duì)于大型量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)是必不可少的。

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的時(shí)間表(Time Frames)

預(yù)測(cè)未來(lái)總是有風(fēng)險(xiǎn)的，但將我們感興趣的產(chǎn)品設(shè)備對(duì)外推廣時(shí)，我們對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不要跨越太多的代差。然而，建造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)可以用來(lái)運(yùn)行肖爾算法破解1024位RSA的加密信息，那么這個(gè)計(jì)算機(jī)需要超過(guò)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)五個(gè)數(shù)量級(jí)大，并且需要錯(cuò)誤率比當(dāng)前計(jì)算機(jī)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)需要建立軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)支持這臺(tái)機(jī)器。

對(duì)于建造大型無(wú)計(jì)算錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)，由于很多技術(shù)短板的存在，我們無(wú)法預(yù)測(cè)其何時(shí)建成的時(shí)間表。盡管在某些領(lǐng)域我們?nèi)〉昧诉M(jìn)展，但不能保證所有的挑戰(zhàn)都被克服。彌補(bǔ)了一個(gè)短板可能會(huì)暴露下一個(gè)意想不到的問(wèn)題，所以需要發(fā)明新技術(shù)或者在基礎(chǔ)科學(xué)研究取得新成果，從而改變我們對(duì)量子世界的理解。

委員會(huì)沒(méi)有對(duì)具體的時(shí)間表進(jìn)行預(yù)測(cè)，而是確定了影響技術(shù)創(chuàng)新速度的因素，并提出兩個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)和幾個(gè)里程碑，以監(jiān)測(cè)該領(lǐng)域的進(jìn)展。

考慮到量子計(jì)算機(jī)獨(dú)特的計(jì)算方式和實(shí)現(xiàn)它所面臨的一系列挑戰(zhàn)，它不太可能成為經(jīng)典計(jì)算機(jī)的直接替代品。事實(shí)上，它們需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)控制它們進(jìn)行操作，并實(shí)現(xiàn)量子誤差計(jì)算修正。因此，它們目前被設(shè)計(jì)成與經(jīng)典處理器互補(bǔ)的特殊設(shè)備，類似于協(xié)同處理器和加速器。

在很多領(lǐng)域還有許多未知的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展速度是由該領(lǐng)域?qū)π路椒ǖ氖褂贸潭群蛯?duì)問(wèn)題的見(jiàn)解程度決定的。對(duì)于那些研究成果保密的領(lǐng)域，其發(fā)展速度要慢得多。幸運(yùn)的是，許多量子計(jì)算機(jī)研究人員迄今為止對(duì)于技術(shù)的分享持開(kāi)放態(tài)度，保持這種態(tài)度會(huì)使該領(lǐng)域不斷推進(jìn)。

重點(diǎn)9：一個(gè)開(kāi)放的生態(tài)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)思想交叉融合，這將加速技術(shù)的快速進(jìn)步。

同樣很明顯，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步取決于對(duì)該技術(shù)的投入人力和資金的多少。雖然很多人認(rèn)為一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展受到摩爾定律(Moore’s Law)的管制，但是需要明白，摩爾定律是一個(gè)良性循環(huán)，技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的收入，從而使資金持續(xù)投資在研發(fā)、人才上面，來(lái)幫助技術(shù)創(chuàng)新。像硅谷一樣，如果想要量子研究的摩爾定律式的持續(xù)指數(shù)增長(zhǎng)，就需要指數(shù)級(jí)的投資，而且需要維持這種投資良性循環(huán)。在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)中，較小的機(jī)器取得商業(yè)上的成功，會(huì)使整個(gè)領(lǐng)域投資增加，而在沒(méi)有產(chǎn)生商業(yè)回報(bào)的中間研發(fā)環(huán)節(jié)，就需要政府增加資金支持，因?yàn)檠邪l(fā)時(shí)，艱難的中間環(huán)節(jié)是一個(gè)痛苦的過(guò)程。

考慮到量子錯(cuò)誤校正的開(kāi)銷，近期的機(jī)器幾乎肯定是NISQ計(jì)算機(jī)。雖然有許多應(yīng)用程序已經(jīng)用于大型錯(cuò)誤校正量子計(jì)算機(jī)，但目前還不存在NISQ計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序。為NISQ計(jì)算機(jī)創(chuàng)建應(yīng)用程序是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，需要研究新型量子算法。在本世紀(jì)前20年，開(kāi)發(fā)商業(yè)NISQ計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序?qū)τ趩?dòng)良性循環(huán)的投資至關(guān)重要。

重點(diǎn)3：研究和開(kāi)發(fā)NISQ計(jì)算機(jī)的實(shí)際商業(yè)應(yīng)用是該領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題，該項(xiàng)工作會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展及其市場(chǎng)規(guī)模產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

量子計(jì)算機(jī)可分三大類：“模擬量子計(jì)算機(jī)”，直接操作量子位之間的相互作用，而不把它們的行為分解成基本的門操作，包括量子退火器、絕熱量子計(jì)算機(jī)和直接量子模擬器；“數(shù)字NISQ計(jì)算機(jī)”使用物理量子位上的基本門操作，執(zhí)行一種特殊的算法；但這兩種機(jī)器都存在噪聲，這個(gè)缺點(diǎn)將限制這些計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜的問(wèn)題?！巴耆e(cuò)誤修正量子計(jì)算機(jī)”是基于門的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)版本，通過(guò)部署量子修正程序，使有噪聲的量子位模擬穩(wěn)定的邏輯量子位，以便計(jì)算機(jī)在任何計(jì)算中都能可靠的工作。

里程碑

量子計(jì)算機(jī)的第一個(gè)里程碑是演示了簡(jiǎn)單的原理驗(yàn)證模擬和數(shù)字驗(yàn)證。小型NISQ計(jì)算機(jī)于2017年上市，但其中還是有數(shù)十個(gè)量子位的錯(cuò)誤，無(wú)法修正。量子退火研究大約在十年前就開(kāi)始了，使用的量子位元是一種相干時(shí)間短、伸縮快的技術(shù)。2017年試驗(yàn)量子退火器已經(jīng)發(fā)展到擁有大約2000量子位元的機(jī)器。從這個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)可能里程碑來(lái)確定量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)展。證明“量子霸權(quán)”就是里程碑之一，即完成一項(xiàng)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以完成的任務(wù)，暫不討論這項(xiàng)任務(wù)是否具有實(shí)用價(jià)值。雖然有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)一直在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但到2018年，這一目標(biāo)還沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)重要的里程碑就是創(chuàng)造一個(gè)商業(yè)上有用的量子計(jì)算機(jī)，這將需要一個(gè)量子計(jì)算機(jī)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行至少一個(gè)實(shí)際任務(wù)。在理論上實(shí)現(xiàn)這一里程碑比實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”更困難，因?yàn)樗璧膽?yīng)用程序必須比現(xiàn)有的經(jīng)典方法更好、更有用。但實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”可能也很困難，尤其是對(duì)于模擬量子計(jì)算機(jī)。在“量子霸權(quán)”被證明之前，有可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)有用的應(yīng)用。在量子計(jì)算機(jī)上部署量子錯(cuò)誤校正程序以創(chuàng)建邏輯量子位，從而顯著的降低錯(cuò)誤率是另一個(gè)重要里程碑，這也是創(chuàng)建完全錯(cuò)誤校正機(jī)器的第一步。

指標(biāo)

可以通過(guò)跟蹤定義量子處理器質(zhì)量的關(guān)鍵屬性來(lái)監(jiān)測(cè)基于門的量子計(jì)算的進(jìn)展情況：?jiǎn)蝹€(gè)量子位和雙量子位操作的錯(cuò)誤率、內(nèi)量子位連通性以及單個(gè)硬件模塊中包含的量子位數(shù)量。

重點(diǎn)4：考慮到委員會(huì)掌握的信息，現(xiàn)在預(yù)測(cè)擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)還為時(shí)過(guò)早。相反，可以通過(guò)監(jiān)控物理量子位在恒定平均門錯(cuò)誤率下的縮放率來(lái)跟蹤進(jìn)展，并通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)所表示的邏輯量子位的有效數(shù)量來(lái)長(zhǎng)期的跟蹤進(jìn)度。

跟蹤邏輯量子位的大小和縮放率可以更好評(píng)估未來(lái)的發(fā)展情況。

重點(diǎn)5：如果研究團(tuán)體采用報(bào)告中明確約定，可以方便地在設(shè)備之間進(jìn)行比較，并將其轉(zhuǎn)換成本報(bào)告中所提出的度量標(biāo)準(zhǔn)，那么該領(lǐng)域的進(jìn)展情況更容易被追蹤。一組能夠在不同機(jī)器之間進(jìn)行比較的基準(zhǔn)測(cè)試程序有助于提高量子軟件的效率和增強(qiáng)底層量子硬件的體系結(jié)構(gòu)。

參與者致力于建造和使用量子計(jì)算機(jī)

很明顯，世界各地都在努力開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)和其他量子技術(shù)。人們期望建立一個(gè)成功的質(zhì)量控制體系，這個(gè)需要大量的、協(xié)調(diào)一致的研究工作，這些研究工作既涉及基礎(chǔ)科學(xué)，也涉及很多傳統(tǒng)學(xué)科。

重點(diǎn)8：美國(guó)在發(fā)展量子技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，而量子信息科學(xué)技術(shù)現(xiàn)在又是全球性的，一些非美國(guó)公司也大量投入資金研究。所以如果美國(guó)想要保持領(lǐng)導(dǎo)地位，需要要美國(guó)政府持續(xù)進(jìn)行投資。

此外私營(yíng)部門在美國(guó)量子計(jì)算科技研發(fā)系統(tǒng)中扮演著重要角色。

重點(diǎn)2：如果短期在量子計(jì)算機(jī)商業(yè)上不成功，政府的資助可以防止量子計(jì)算研究走向滑坡。

量子計(jì)算機(jī)和密碼學(xué)(Cryptography)

量子計(jì)算將對(duì)密碼學(xué)產(chǎn)生重大影響，密碼學(xué)依靠難以計(jì)算的問(wèn)題來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)。但是肖爾算法在大型量子計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行會(huì)大大減少?gòu)姆菍?duì)稱密碼中提取私鑰所需的計(jì)算時(shí)間，而這種非對(duì)稱密碼是用來(lái)保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的重要手段。所以在量子計(jì)算機(jī)尚未建成之前就部署后量子密碼術(shù)(Post-quantum Cryptography)進(jìn)行加密，具有很大的商業(yè)利益。在未來(lái)，公司和政府不想讓他們現(xiàn)在的私人通信內(nèi)容被竊取，即使三十年以后。出于這個(gè)原因，有必要盡快向后量子密碼術(shù)過(guò)渡，特別是現(xiàn)在使用的Web技術(shù)都是十年前的技術(shù)。

重點(diǎn)1：考慮到量子計(jì)算機(jī)目前的發(fā)展速度，在接下來(lái)的十年里，人們可能很難建造一臺(tái)能夠危及RSA 2048或類似的離散對(duì)數(shù)公鑰密碼系統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)(Highly Unexpected)。

重點(diǎn)10：即使量子計(jì)算機(jī)破解現(xiàn)在的密碼技術(shù)要等到十年以后，但這種機(jī)器的存在使目前的密碼系統(tǒng)具有嚴(yán)重安全隱患。而且要過(guò)渡到一個(gè)新的安全協(xié)議需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，并存在不確定性。提高開(kāi)發(fā)力度、標(biāo)準(zhǔn)化措施和后量子密碼術(shù)的部署對(duì)于增加安全和保護(hù)私人信息非常重要?？紤]到量子計(jì)算機(jī)對(duì)當(dāng)前的協(xié)議構(gòu)成巨大威脅，人們正在積極努力開(kāi)發(fā)后量子密碼術(shù)——量子計(jì)算機(jī)無(wú)法破解的非對(duì)稱密碼。這些技術(shù)可能在2020年標(biāo)準(zhǔn)化。雖然肖爾算法破解密碼的能力是早期量子計(jì)算機(jī)研究的驅(qū)動(dòng)力，但是加密算法一直在改進(jìn)，這個(gè)會(huì)降低量子計(jì)算機(jī)破解密碼的能力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看這個(gè)是會(huì)推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)步。

追求量子計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)和收益

在實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，量子計(jì)算仍然存在重大的技術(shù)障礙，而且也不能保證這些障礙是否能夠被克服。構(gòu)建和使用量子計(jì)算機(jī)不僅需要設(shè)備工程，而且還需要將計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和材料學(xué)等一系列學(xué)科進(jìn)行融合。克服這些障礙所做出的努力也會(huì)給我們帶來(lái)了好處，例如：量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)過(guò)程改進(jìn)了經(jīng)典算法，推動(dòng)了物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步。

重點(diǎn)6： 量子計(jì)算對(duì)于推動(dòng)基礎(chǔ)性研究具有重要價(jià)值，這些研究將有助于人類對(duì)于未知世界的理解認(rèn)識(shí)。與所有的基礎(chǔ)性研究一樣，這一領(lǐng)域的進(jìn)展會(huì)帶來(lái)革命性的新知識(shí)和新應(yīng)用。

創(chuàng)建一個(gè)大型的、錯(cuò)誤校正的量子計(jì)算機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)是重大的。成功的量子計(jì)算機(jī)需要對(duì)量子相干性進(jìn)行前所未有的控制，通過(guò)改變現(xiàn)有的工具和技術(shù)，或者通過(guò)開(kāi)發(fā)新的工具和技術(shù)，可能實(shí)現(xiàn)這種控制。同樣依賴量子相干控制的相關(guān)技術(shù)，在量子傳感和量子通信方面也可能取得的進(jìn)展。

重點(diǎn)7：盡管大型量子計(jì)算機(jī)的可行性尚不確定，但開(kāi)發(fā)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的具有很大的好處，而且它們可能擴(kuò)展到量子信息技術(shù)的其他短期應(yīng)用，例如基于量子位的傳感技術(shù)。

除了量子計(jì)算潛在的社會(huì)益處之外，這項(xiàng)工作對(duì)國(guó)家的安全也有影響。擁有大型、實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)可以打破當(dāng)今的非對(duì)稱密碼系統(tǒng)。認(rèn)識(shí)到這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，人們開(kāi)始努力研究對(duì)量子密碼破解擁有強(qiáng)大抵抗能力的密碼系統(tǒng)，目前有幾個(gè)候選系統(tǒng)被認(rèn)為是“量子安全”的。盡管政府和民用系統(tǒng)部署后量子密碼系統(tǒng)可以保證隨后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，但是在此之前被敵人截獲的傳統(tǒng)加密數(shù)據(jù)有被破解的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)然隨著量子計(jì)算機(jī)部署的推遲密文被破解的危害性會(huì)逐步減小。此外新的后量子密碼技術(shù)PQC的發(fā)展也會(huì)推動(dòng)新的量子密碼破解技術(shù)的進(jìn)步（New Quantum Cryptanalytic Technique)，與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)一樣，后量子時(shí)代的安全性有賴于持續(xù)的科研投入。

但是國(guó)家安全問(wèn)題超越了密碼學(xué)研究，更大的戰(zhàn)略問(wèn)題在于未來(lái)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位。從歷史上看，經(jīng)典計(jì)算已經(jīng)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)了革命性的影響。雖然量子計(jì)算的工業(yè)應(yīng)用潛力還在探索之中，但很明顯，量子計(jì)算已經(jīng)超越當(dāng)前計(jì)算的邊界，它可以在很多領(lǐng)域提高計(jì)算效率，所以支持美國(guó)政府建設(shè)強(qiáng)大的量子計(jì)算研究組織具有戰(zhàn)略價(jià)值。

結(jié)論

根據(jù)對(duì)迄今為止量子計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展的公開(kāi)資料進(jìn)行評(píng)估，委員會(huì)認(rèn)為，理論上可以建造一臺(tái)大型容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。但是建造這樣一個(gè)系統(tǒng)并將其應(yīng)用于解決實(shí)際任務(wù)并帶來(lái)收益具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。此外，未來(lái)對(duì)該領(lǐng)域的投資多少取決于近期的商用效果和美國(guó)及其他國(guó)家對(duì)技術(shù)的開(kāi)放性，這些都會(huì)影響到實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)完全投放市場(chǎng)的時(shí)間表。該領(lǐng)域的進(jìn)展可以通過(guò)重點(diǎn)3中的指標(biāo)進(jìn)行追蹤。但無(wú)論何時(shí)或能否建成大型的、無(wú)計(jì)算差錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，我們對(duì)量子計(jì)算和量子技術(shù)的探索會(huì)擴(kuò)展人類知識(shí)的邊界，這方面的努力可能也會(huì)改變我們對(duì)于宇宙的理解。