作者：Dr. Arthur Herman，Idalia Fredson

编译：中国信息协会量子信息分会

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量子计算： 如何应对国家安全风险（上）

量子计算： 如何应对国家安全风险（中）

译者按

近年来，量子技术的发展受到了广泛的关注。继欧洲之后，2018年美国也公开了国家量子技术发展战略。实际上，在此之前，美国对于量子技术的投入并不少。根据欧盟的统计，2010年左右，美国每年投入量子技术的研究经费已超过1亿美元。那么，美国启动国家层面量子技术发展战略背后的考虑是什么？对于中国以及世界范围会产生怎样的影响？

2017年，美国哈德逊研究所（Hudson Institute）发起了量子联盟计划（The Quantum Alliance Initiative ，QAI)，目前已有8个国家的18家公司、大学、研究所加入。QAI成立伊始就十分积极地推动量子技术的国际标准工作，迅速地推动了ITU-T的量子通信相关标准的制定工作，并力图使美国成为每一项量子技术标准的主导者。2018年8月，通过QAI的技术支持，哈德逊研究所完成并发布了一份题为《量子计算：如何应对国家安全风险》的研究报告。

这份报告认为,为了保护和扩大美国在21世纪的全球领导地位，美国应该重视量子信息技术，并且重要性可以和二战中确保美国制造第一颗原子弹的曼哈顿计划类比。美国目前在量子计算领域处于世界领先地位，但是，在量子技术发展的国家战略层面，中国处于领先地位。美国应该向中国学习，在发展战略中对量子计算和量子网络安全作统一的发展。

报告中建议，在量子网络安全方面，美国应向加拿大，英国，澳大利亚，韩国等盟友寻求技术共享。在具体的技术发展路线上，应该首先发展量子随机数生成技术，然后逐步实现后量子密码学技术和量子通信技术。在人才培养层面上，美国需要开展对劳动力的普及培训，在大学本科教育阶段引入“量子思维”，以保证长期竞争力。在科研方面，美国应该对包括俄罗斯和中国在内的竞争对手，在科研和科学设备方面进行封锁。

为了使更广泛的读者了解更多关于量子技术发展及影响力的资讯，同时为感兴趣者增加一个了解美国量子技术战略思维的角度，译者将该报告全文译出，以飨大众，并供方家商榷。限于水平，译文中不准确或错谬之处，欢迎批评指出。

美国与中国：不同的量子战略

目前，美国被广泛认为是量子计算领域的领导者，而这在很大程度上要归功于私营部门的创新和资源投入。尽管如此，中国正在缩小这种差距。

世界上第一台量子计算机的竞争，目前体现为一场关于“用最好的办法”制造和纠缠量子比特（量子计算机的基本组成模块）的国际竞争。

例如，英特尔正致力于开发利用单个电子自旋态的“自旋量子位”。它希望缩小这些量子比特（设备），并用硅制造它们——鉴于这个计算巨头现有的半导体和硅技术,这一选择毫不意外[35]。

2018年1月，英特尔公布了其49-qubit量子处理器芯片。该芯片被命名为“Tangle Lake”，使用超导电路，在极低温度下工作[36]。超导电路可以说是构建量子比特最流行的方法，也是Google，IBM，Rigetti Computing和Quantum Circuits等公司采用的方法[37]。超导电路的优势在于它们可以利用在半导体工业中广泛使用的现有技术并且比（其他实现方式的）量子比特计算更快。它们的缺点与硅量子位相同，即它们需要极低的温度才能工作。

今年3月（指2018年3月，该报告发布于2018年，译者注），谷歌宣布开发出Bristlecone量子处理器，并希望通过这个72量子比特的芯片在2018年实现量子霸权——谷歌曾错误的预测其能在2017年实现这一壮举。然而，中国的阿里巴巴声称Bristlecone量子处理器存在技术缺陷将阻碍谷歌实现量子霸权，尽管如此，许多专家还是认为谷歌和阿里巴巴（译者注：实际上是阿里巴巴的合作伙伴中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的量子计算团队）将在率先实现量子霸权方面齐头并进[38]。

另一家行业巨头IBM已经成功构建并测试了50量子比特的处理器原型机。这个原型机，是在IBM之前通过云计算平台提供第三方使用的20量子比特系统的基础上构建的，并将用于下一代的IBM Q系统[39]。

此外，由前IBM员工创立的美国创业公司Rigetti Computing——正在为自己赢得量子计算领域的一席之地。除了IBM和阿里巴巴之外，它是唯一的一家向客户提供可编程“量子逻辑门”模型计算机（也就是使用少量量子比特的基本量子电路）的公司。目前，Rigetti提供的是一个19量子比特的处理器[40]。

构造量子比特的另一个方法是离子阱计算模型，该技术由美国的IonQ公司领导。IonQ是一家从马里兰大学实验室分拆出来的初创公司[41]。在离子阱量子计算中，激光被用来冷却和捕获离子或带电原子，使它们处于叠加状态。这项技术进展显著，目前，离子阱可以控制数十个离子达数小时之久，具有超过数千秒的相干时间。此外，离子阱量子计算不需要极低的温度。该技术的一大缺点是，它是现今主流量子计算技术中速度最慢的一种，同时需要大量紧凑型激光器才能保持稳定[42]。

微软和诺基亚贝尔实验室正在研究拓扑量子比特。这可能是最扑朔迷离的模型，因为它依赖于一种存在性在理论上有争议的粒子[43]。这些马约拉纳（majorana）费米子（通常作为“准粒子”被大家熟知）位于两个粒子之间的边界处。在2018年3月，微软在《自然》杂志发表研究成果，给出majorana费米子存在的明确证据[44]。该公司最近还发布了其量子开发套件的免费预览版，其中包括其专有的、用于特定领域的Q＃编程语言。

为了助力美国在开发量子计算技术方面的发展，在2018年6月，美国众议院（HR 6227）进行了立法，随后在参议院提出了相关立法（S.3143）。这项名为“国家量子倡议法案”的法案要求：加速基础研究，建立机构间合作，促进标准制定，建立研究和教育中心。

它还要求从2019-2023财年拨款6.25亿美元给能源部，向美国国家科学基金会提供2.5亿美元资金，向拥有NIST的商务部提供4亿美元资金[45]。这笔支出将作为美国之前分散在几个联邦机构中、用于量子研究和技术的2亿美元左右投入的额外投入。

然而，即使联邦政府如此大力支持，和中国政府为了赢得量子计算竞赛的投入相比也相形见绌。中国政府于2017年9月宣布在安徽省合肥市（原文是合肥省，明显笔误）建立世界上最大的量子研究机构[46]。这个价值约10亿美元（原文是100亿，数量级笔误）、占地400万平方英尺的国家实验室预计将于2020年3月左右完工。该国家实验室，致力于在量子技术方面，包括量子计算机、量子传感器和量子密码等方面取得重大进展。《南华早报》写道，中国政府的“任务是，为军方开发可以在几秒钟内破解最安全的密码系统的量子计算机，同时研制使潜艇能够在水下以隐身模式运行3个多月的技术。”[47]

在中国政府宣布这一计划的6个月内，中国巨头阿里巴巴、腾讯和百度宣布组建了自己的量子计算研究部门。中国产业领导者阿里云与官方的中国科学院（CAS）合作，于2018年3月发布了11量子比特处理器的云量子计算服务。早在2015年，阿里巴巴就和中科院（CAS）合作创建CAS - 阿里巴巴量子计算实验室，并宣布参与了同年开发的世界上第一台光子量子计算机[48]。

百度是最后一位加入量子竞赛的中国三大巨头，但其量子计算研究所的负责人、前悉尼科技大学悉尼教授段润尧，是公认的世界量子领域领军人物[49]。事实上，段润尧教授是一个代表性的例子，说明中国是如何以全球科学进步的名义，通过招募外国人才和专家到不同的中国机构进行交流和访问，来缩小与美国量子计算的差距。包括美国在内的西方的大学、公司和政府，才刚刚开始评估对中国的这种信息共享和大量“人才流失”带来的国家安全风险。

虽然中国认识到美国是量子计算的世界领导者，但中国的领导层决心在量子网络安全这个关键领域建立不可逾越的领先地位。中国政府的理解中，量子技术战略不应局限于量子计算，因此中国在量子通信方面处于不可撼动的领先地位。其第一个里程碑是2016年推出的“墨子号量子卫星”，这是建立安全的地对空量子通信网络的关键一步。中国在建设一个从上海到北京、几乎无法被攻破的2000公里量子通信网络方面也取得了一些重要的突破[50]。

正如《南华早报》所述，中国政府和工业界对量子计算和量子技术的高度关注，凸显了中国“从世界工厂转变为以高科技产业为基础的先进经济”的努力[51]。中国，其政府擅长于长期战略思考和控制IT公司，并且掌握大量“私人”数据，还计划到2030年成为人工智能领域的领导者。

虽然量子和人工智能是不同的技术，但它们不会彼此孤立地发展。实际上，量子计算机将能够加速支持AI的机器学习，而人工智能将能够为量子计算机编写算法和程序[52]。量子技术不仅对于中国关于其高科技未来的更广泛战略思考不可或缺，对于全球技术专家和政策制定者梦想中的量子与人工智能的联通也是如此。这是因为量子和AI技术中的每一种都有助于另一种技术的发展，同时，如果没有量子安全网络的保护，AI将容易受到入侵者的攻击和占用。

此外，中国了解包括量子在内的新兴技术将最终交叉，这是它在光纤基础设施上投入巨资的另一个原因。“宽带中国”战略的一个目标是将宽带接入家庭的比例从2015年的40％提高到2020年的70％[53]。相比之下，2017年德勤的一项研究报告显示，在美国只有不到20％的家庭拥有光纤，其余的则依靠较慢的铜缆技术或根本没有宽带服务[54]。

先进的光纤基础设施 ，尤其是与量子网络安全技术兼容的基础设施，对于支撑高科技社会至关重要，因为它是量子计算和人工智能等新兴技术运行的高速公路。

美国国家量子战略的需求

中国例子表明量子计算和量子网络安全必须从战略安全角度进行全局考虑。

虽然私营部门在发展量子计算机方面具有很大的经济动力，但市场力量尚不足以推动工业界及时发展量子网络安全。由于强大到足以破解非对称加密的量子计算机将会威胁到电网、食物和水供应以及防御网络的安全，美国政府必须作为主导，积极发展、商业化量子网络安全，并在量子素数计算机出现之前实施有效的量子网络安全措施。

很多因素令我们难以预测Q-day，或者说何时一台量子计算机将破解美国用来保护大部分数据安全的密码系统。但是，从历史的经验来看，新兴技术的到来往往比人们预期的时间更早，而不是更晚。

除了之前讨论过的两党全国量子倡议法案之外，卡马拉.哈里斯参议员办公室还发布了一项法案草案，要求国防部为量子计算研究提供资金。该法案的第一项原则重点指出，“重点和持续投资开发可行的量子信息科学技术对国家安全至关重要。”它还指出量子通信是一个重要的发展领域。该法案草案要求确保为美国国防提供最好的技术;并强调应将这个工作维持在尽可能的最低分类水平（原文如此，可能指保密的级别，译者注），以保证信息共享和技术共享可以尽可能高效，持续地进行[55]。

该法案很有可能代表着量子战略思路重要转变的开始：认为全国性的量子技术讨论应该被视为关于国家安全对话的一部分，同时量子计算和量子网络安全必须被视为整体战略的两个对等的部分。因此，哈里斯法案开头部分提出的原则，需要被考虑和加入到国家量子倡议法案通过后的五年战略计划中。

该计划应该做到以下几点：

• 确定需要保护资产（电网、食品供应、供水、军事网络等）的优先级。
• 确定各技术的投入优先级。
• 确定这些优先级目标的时间表。
• 讨论制定标准的重要性和标准化的时间表。
• 强调公、私、学术界之间合作的作用。
• 解决行业从业人员和科学教育人员的问题
• 讨论分类层次和创新的交叉点。
• 强调与盟国合作的作用。

美国政府发展量子网络安全战略的一个关键点是，应该与美国最亲密的盟友进行合作。

这些盟友，比如加拿大、澳大利亚和英国等国家在量子网络安全领域都是全球领先的。

这种合作将使美国及其盟国能够实现在自由民主社会中实现世界上第一台通用量子计算机的目标，同时在量子计算机造成严重安全威胁之前有效地保护关键信息。

在高科技的竞争方面，威权政体具有明显的优势，包括对“私人”数据的掌控，向特定创新目标倾注资金的能力，以及动员和影响私营部门的能力。然而，正如美国之前一次又一次地所演示的那样，创新、合作和自由市场的力量可以战胜威权体制，并最终走向更自由、更繁荣的未来。

结论

为了保护和扩展美国在21世纪的全球领导地位，美国需要把“追求量子计算机和使用量子网络安全技术保护信息网络”这两个独立却统一的任务结合起来。无论是在私人还是在公共部门，美国必须早早在预测的量子计算机攻击到来之前，保证最敏感信息的量子安全。

美国的竞争对手，特别是中国和俄罗斯，正在包括计算机，传感器和网络安全等方面的量子技术方面取得显著进步，美国必须保持其在计算领域的领先地位，同时通过推广和应用不同层次量子网络安全技术，在量子网络安全，特别是量子密码学方面大踏步地超越中国。

此外，美国必须与其最亲密的盟友，特别是五眼联盟合作开展这些技术的共享，因为这些盟友在量子网络安全方面处于领先地位。与此同时，在当前的全球安全环境中，美国需要系统地限制与竞争对手的量子技术合作。

最后，为了保持长期安全和全球竞争力，美国必须向劳动力培训量子技术的重要意义，为学术界、私营和公共部门准备好雇主和雇员，来发展和运用量子技术。同样重要的是，美国人需要找到方法将“量子思维”纳入STEM课程(美国针对大学生开展的科学、技术、工程和数学教育课程)和劳动力培训，为量子革命做准备。

类似于1958年的Sputnik(苏联发射的人类第一颗人造地球卫星)强迫美国及其政府认真思考科技领导地位的重要性（并最终使美国赢得冷战并登月），在竞争对手以相似的大手笔取得领导地位之前，美国必须认真对待关于量子革命的风险和机遇。

因为到那时（等到竞争对手取得领导地位的时候）就为时已晚。

现在是美国领导人和公众理解量子计算利害关系的时候了。每天在世界各地的企业、大学和政府实验室（在量子技术方面的）取得的进展不仅仅是重要和影响深远的科学进步;它还将决定未来的地缘政治。

最终，曼哈顿计划不只是赢得了一次世界大战，它确保了美国领导地位的未来和原子时代自由世界的安全。在量子时代，赌注将至少同样至关重要 —— 失去量子竞赛的后果，几乎就像灾难一样。

非对称加密（也称为公钥加密）

使用不同的（非对称）公钥和私钥来加密和解密数据。

纠缠

是一种状态，此时两个粒子即使被分开仍然內禀地连接。如果测量一个粒子，则可以预知另一个粒子的结果。

摩尔定律

一块经济上可负担的CPU（中央处理器）上的晶体管数量——决定了处理器速度和整体处理能力—— 每两年翻一番。摩尔定律预测，这种趋势将持续到可预见的未来。

后量子密码学

通常也被称为抗量子算法，是指被认为可以抵抗量子素数计算机攻击的加密算法（通常是公钥算法）。

量子计算

使用诸如叠加和纠缠的量子力学现象来对数据进行操作。

量子密码

通常被称为量子通信网络，它使用量子物理原理而不是数学算法来生成和分发用于保护数据在无保护网络上传输的加密密钥。量子密码通常使用量子密钥分发。

量子信息科学（QIS）

是一个研究领域，建立在独特的量子原理基础上，如叠加、纠缠和压缩，以基于经典原理无法实现的方式获取和处理信息。

量子密钥分发（QKD）

使用量子属性在两方之间发送加密密钥。由于量子力学原理，QKD确保第三方不能在发送方和接收方不知道的情况下截获加密密钥。

量子随机数发生器（QRNG）

使用量子现象来创建熵，以生成随机数。QRNG不同于确定性的伪随机数发生器（PRNG），以及使用其他物理过程来生成熵的其他“真”随机数发生器（TRNG）。QRNG的随机性是可以证明的。

量子模拟

是指使用量子硬件来模拟量子过程。

量子比特

是经典计算中使用的比特的量子版本。然而，与赋值为0或1的经典比特不同，量子位可以呈现为这两种状态的叠加。

叠加

指量子系统可以同时处于多个状态。系统被测量之前无法知道到底处于哪一个状态。（译者注：叠加最著名的例子是薛定谔的猫思想实验。）

Arthur Herman博士是哈德逊研究所高级研究员和10本普利策奖决赛入围书籍的作者，其中包括《1917年：列宁，威尔逊和新世界紊乱的诞生》（HarperCollins，2017）。他还是哈德逊研究所报告《太平洋伙伴：建立美日特殊关系》（2017年）的作者。

他的“纽约时报”畅销书《苏格兰人如何发明现代世界》在世界范围内销售了超过50万份，他的《自由之锻：第二次世界大战中美国企业如何产生胜利》，被“经济学人”评为2012年最着名的书籍之一。

5年多来，他撰写了大量有关技术、政策和国家安全的文章。此外，他还发表了多篇关于量子计算的文章，包括《赢得量子竞赛（美国事务，2018年夏季版）》《可以改变世界的计算机》（华尔街日报，2017年10月）和《量子密码学：安全的恩惠》（国家评论，2017年3月）。2017年10月17日，他召集了“即将到来的量子革命：安全和政策影响”会议，这是华盛顿召开的第一次公开会议，汇集了各个量子计算机和量子网络安全团队，包括加拿大和澳大利亚的团队在内。

Idalia Friedson是哈德逊研究所的前研究员和项目经理，她帮助共同创建了量子联盟计划，目前是咨询委员会的成员。她发表的文章包括《量子计算如何威胁区块链》（国家评论）和《背后的敌人传输线》（国家评论），其中强调了量子网络安全在确保电网安全方面的作用。她协助召集了“即将到来的量子革命：安全和政策影响”会议，并主持了量子网络安全小组讨论。她毕业于阿默斯特学院，获得法学、法学和社会思想学士学位。

量子联盟计划（QAI）是继哈德逊2017年10月举办的讨论即将到来的量子革命国际会议之后成立的。QAI是哈德逊制定美国量子技术政策（包括量子计算机，传感器和网络）的旗舰性政策中心。

QAI的使命是制定和支持政策，使美国能够赢得通用量子计算机的竞争，同时确保它能够抵抗量子计算机网络攻击，从而使美国人能够以最小的干扰，享受量子技术的最大好处。QAI由哈德逊研究所的网络安全、国家安全、国防和新兴技术专家组成。

此外，该倡议还设有一个咨询委员会，其中包括技术、政策、法律和国防领域的领袖。

QAI的重点工作包括利用现有的联盟：

1）保护当前和未来的重要基础设施在量子攻击下的安全性;

2）创建一个美国的盟友（加拿大，澳大利亚和英国）之间的量子联盟网络。随着时间的推移，其他国家也可以加入;

3）开发和保护量子技术现有和未来的供应链。

作者感谢QAI顾问委员会的成员，自缔盟以来，他们提供了关于量子技术的宝贵见解和专业知识， 特别是关于技术概念 。特别地，作者要感谢马里兰大学物理学教授、IonQ公司的联合创始人兼首席科学家，Chris Monroe博士，他对本报告中的技术要素进行了审查。此外，作者还要感谢Thomas Keelan帮助编辑报告，并感谢实习生 Brent Cronce对研究和引用的宝贵帮助。

参考链接：

[35] Jeremy Hsu, “CES 2018: Intel’s 49-Qubit Chip Shoots for Quantum Supremacy,” IEEE Spectrum, January 9, 2018, https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/intels-49qubit-chip-aims-for-quantum-supremacy.

[36] “2018 CES: Intel Advances Quantum and Neuromorphic Computing Research,” Intel Newsroom, January 8, 2018, https://newsroom.intel.com/news/intel-advances-quantum-neuromorphic-computing-research/.

[37] In short, superconducting circuits work when a resistance-free current oscillates around a circuit loop while a microwave signal places the current in a superposition state. Sam Sattel, “The Future of Computing—Quantum & Qubits,” EAGLE (blog), Autodesk 2D and 3D Design and Engineering Software, May 24, 2017, https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/future-computing-quantum-qubits/.

[38] Tom Simonite, “Google, Alibaba Spar Over Timeline for Quantum Supremacy,” Wired, May 20, 2018, https://www.wired.com/story/google-alibaba-spar-over-timeline-for-quantum-supremacy/.

[39] Will Knight, “IBM Raises the Bar with a 50-Qubit Quantum Computer,” MIT Technology Review, November 13, 2017, https://www.technologyreview.com/s/609451/ibm-raises-the-bar-with-a-50-qubit-quantum-computer/. 

[40] “Rigetti Rolls Out Latest Forest Quantum Developer Environment,” HPCwire, February 27, 2018, https://www.hpcwire.com/2018/02/27/rigetti-rolls-latest-forest-quantum-developer-environment/

[41] Kathy-Anne Soderberg and John Harrington, “Changing Computing and Networking Forever, One Qubit at a Time,” Wright-Patterson Air Force Base, July 18, 2017, http://www.wpafb.af.mil/News/Article-Display/Article/1250638/changing-computing-and-networking-forever-one-qubit-at-a-time/.

[42] Sam Sattel, “The Future of Computing—Quantum & Qubits,” EAGLE (blog), Autodesk 2D and 3D Design and Engineering Software, May 24, 2017, https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/future-computing-quantum-qubits/.

[43] Natalie Wolchover, “The Future of Quantum Computing Could Depend on This Tricky Qubit,” Wired, May 20, 2014, https://www.wired.com/2014/05/quantum-computing-topological-qubit/.

[44] Jeremy Kahn, “Microsoft Edges Closer to Quantum Computer Based on Elusive Particle,” Bloomberg, March 28, 2018, https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-03-28/microsoft-edges-closer-to-quantum-computer-based-on-elusive-particle.

[45] National Quantum Initiative Act, H.R. 6227, 115th Cong. (2018), https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227/text.

[46] Stephen Chen, “China Building World’s Biggest Quantum Research Facility,” South China Morning Post, September 11, 2017, https://www.scmp.com/news/china/society/article/2110563/china-building-worlds-biggest-quantum-research-facility.

[47同上.

[48] “Alibaba Cloud and CAS Launch One of the World’s Most Powerful Public Quantum Computing Services,” Alibaba Cloud Documentation Center, March 1, 2018, https://www.alibabacloud.com/press-room/alibaba-cloud-and-cas-launch-one-of-the-worlds-most.

[49] Masha Borak, “After Alibaba, Baidu Leaps Into Quantum Computing,” TechNode, March 8, 2018, https://technode.com/2018/03/08/baidu-quantum-computing/.

[50] Arthur Herman, “Winning the Race in Quantum Computing,” American Affairs, May 30, 2018, https://americanaffairsjournal.org/2018/05/winning-the-race-in-quantum-computing/.

[51] Zen Soo, “China’s Race for the Mother of All Supercomputers Just Got More Crowded,” South China Morning Post, March 12, 2018, https://www.scmp.com/tech/science-research/article/2136669/chinas-race-mother-all-supercomputers-just-got-more-crowded.

[52] Cade Metz, “Building A.I. That Can Build A.I.,” New York Times, November 5, 2017, https://www.nytimes.com/2017/11/05/technology/machine-learning-artificial-intelligence-ai.html

[53] “When Computers Became Classic: Understanding the Race Towards Quantum,” Wilson Center, September 14, 2017, https://www.wilsoncenter.org/publication/when-computers-became-classic-understanding-the-race-towards-quantum.

[54] “Communications Infrastructure Upgrades: The Need for Deep Fiber,” Deloitte, July 13, 2017, https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/us/Documents/technology-media-telecommunications/us-tmt-5GReady-the-need-for-deep-fiber-pov.pdf. 

[55] Quantum Computing Research Act of 2018, S. 2998, 115th Cong. (2018), https://www.congress.gov/bill/115th-congress/senate-bill/2998/text.