量子计算和量子通信的发展研究及应用

阮利华

一、量子计算的起源和通用性

随着人们对于量子计算的深入探索，作为一种新型计算方式，对信息通信的保密体系带来巨大冲击的量子计算机即将变为现实。

量子计算起源于20 世纪80年代，1982年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼R.P.Feynman 首先提出量子计算的概念，1995年美国科学家Peter Shor创造了著名的量子分解算法，是至今为止量子计算领域中最著名的算法。后来由其他科研人员研究并演示了量子计算在冷却离子系统中实现的可能性。此时大家才逐渐认识到量子计算机的超强计算能力，和破解编码的能力，之后许多科学家便开始了对量子计算的研究。

1965年英特尔创始人戈登·摩尔提出了摩尔定律，换言之就是用一美元能买到的计算机性能每隔18个月翻一倍。2016年摩尔定律近乎失效，导致摩尔定律失效的两大主因一是处理器性能在物理上无法按照摩尔定律增长，二是数据的快速增长对计算机性能要求远超“摩尔定律”的增长速度。2014年，美国宣布研制出了世界上纯度最高的硅晶体，硅28 的含量达到99.9999%，解决了量子高速运算的关键问题。

量子计算的实现有两个前提，一是量子计算机，二是量子算法， 只有量子计算的快速运算能力才能满足人工智能的需求。量子计算是利用量子力学规律，以缠绕的量子态作为信息载体，利用量子态的线性叠加原理进行信息并行计算的方案，比现有计算速度快的核心优势是可以实现高速并行计算。随着纳米技术逐渐取代传统的半导体晶体管，通过控制原子或小分子的状态进行运算和存储，存储和运算能力远远超出现有计算机，并且能够完成比如复杂路径搜索、大数分解等运算。

在2017年9月25日的Ignite大会上，微软展示了在硬件软件生态系统开发和拓扑量子位方面取得的进展，支持研发从能够持续运行需要数万个量子位计算的硬件，到可以编程并控制量子计算机的完整软件栈。甚至还推出了于后量子密码学和安全性研究的项目，并准备着手研发量子抵抗密码算法，拓扑量子计算是近十几年发展起来的一门新兴交叉学科，包括量子计算、拓扑学、拓扑量子场论、以及含拓扑序的凝聚态物理等，利用多体系统中的拓扑量子态来操控和存储量子信息，具有内在容错能力，为我们物理实现量子计算奠定基础。2017年10月17日，复旦大学和中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室联合研究的最新科 研成果发表在《自然·物理》杂志上，在该技术中采用了自主研发的随机绝热法，通过量子模拟识别而为系统中的 Z2 拓扑序被首次实现，至此，量子计算机的发展以及今后量子物质的研究拥有了相当重要的基础。随着量子计算的发展，一个最大的问题浮出水面：量子计算机受环境影响非常大，而拓扑序成为这一问题的解决方法，因为拓扑序衍生出的量子比特自动不受环境影响，所以拓扑量子计算就可以屏蔽周围环境的影响。此次，研究人员给出了识别拓扑序的新方法，简化了拓扑量子计算。早在2015年，阿里云就联合中国科学院成立了实验室，实验室结合中国科学院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，以及阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势，颠覆摩尔定律，着手探索研发新一代超快计算技术。2017年的中国杭州云栖大会上，阿里云与中国科学院宣布合作发布量子计算云平台，该平台的搭建包括量子计算的系统架构及量子算法的开发计算环境。此外，阿里集团和中国科学院还将密切协作，将量子通信保密技术应用于数据中心安全和电子商务方面。2017年5月3日，由中国科技大学、浙江大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、 中国科学院物理研究所联合研发的全球首台光量子计算机在上海亮相，它标志着我国量子计算机研究领域已经达到世界一流水平。中国科学院院士陆朝阳、潘建伟与朱晓波等科研人员，联合浙江大学王浩华研究组，首次实现在10 光子纠缠操纵的基础上，利用高品质的量子点单光子源搭建了这台光量子原型机。成功实现了目前全世界最大数目超导量子比特的纠缠，并且在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。IBM 于2017年在自己公司研发的超导量子设备上实现了一种新的量子算法，这种算法不仅可以模拟真实分子，而且能够高效精确地计算出微小分子电子的最低能态。这一次他们就用量子计算机推导演化了氢化铍（BeH2）分子的最低能量状态，该研究成为了《自然》杂志最新一期的封面文章。

量子计算机可以分析很多应用数据。在宇航领域，量子计算可以迅速的对可能存在生命体的行星进行辨别，在共同交通领域之中，通过量子计算可以对最佳线路进行计算与优化，并对复杂的交通状况进行分析预判，以达到更加有效地调度，在最大限度上避免道路的拥堵；在气象领域，能精准天气预报；在公共安全领域之中，利用量子计算可以在瞬间就能够对监控数据中心中的海量人脸识别图片进行处理，并能够准确地辨别出人物身份；在生物医药领域，量子计算能快速高效识别有效分子组合，降低研发药物的成本和时间；在硬件配件领域，量子计算和新型量子材料可以通过改变电池特性上百倍地扩大电池容量增强续航能力；在计算能力上，量子计算领域有3 个全球公认的指标性节点：第一是超越首台电子计算机的计算能力；第二是超越商用中央处理器的计算能力；第三是超越超级计算机的计算能力。

二、量子通信的原理与实现 途径

2017年12月，中国科学院举行了新闻发布会，根据中国科学院潘建伟院士的介绍可以知道，我国又一次在国际上第一次成功的实现了地面和卫星之间的量子密钥分发以及量子隐性传态，这代表了全部实现了“墨子”号量子卫星所预先设定的3 大科学目标。在军事运用上，量子计算也有着非常重要的作用：一是利用量子计算可以进行快速有效的密码破译，让现有的密钥体系被改变，传统的计算机想要破译现有的密码体系需要1000年，而量子计算只需要不到4 min。二是通过量子计算可以更加有效地实时分析处理海量的情报数据，有效改善作者评估以及决策能力。三是通过量子计算可以对大数据、高性能计算的问题进行有效的借鉴，进而快速推进导弹攻防系统、新一代空海作战平台、军用航天装备等复杂武器系统的设计和试验进程，让建模仿真时间得到有效地缩短，提升武器装备研发效率。近日，IBM 开发出国际上性能最强的量子计算机，致力于推进量子计算在美“军事云”工程中的应用，目前IBM 公司已和美国防部洽谈，美国防部未来将使用IBM 的量子计算机建设美军军用计算环境，尤其是美军将减少传统超算领域的应用和军事投入，而是转向量子计算的军事应用，值得重视。当前，英国启动了国家量子技术专项、欧盟启动了量子旗舰专项、美国在论证相应的计划和行动，包括谷歌、IBM、微软、阿里巴巴 在内的科技巨头更不约而同地介入相关研发，进行前瞻性战略布局。通过量子通信，还可以为虚拟货 币防伪、以及量子指纹鉴定提供基础。在将来，将分布式量子传感器连接到量子网络上，这样可以有效地开展全球的地震监测。并且在5到10年之内，有望能够开发出较为可靠的光子源以及相关的技术，进而展开远距离量子通信传输，同时还可以进一步地推动量子处理器相互之间的数据共享协议的各种理 论研究。在量子通信方面，我国科学家王肇中教授正在研制一种服务于国家量子通信系统的量子点激 光器，这种激光器能应用于量子通信、图像显示、高速光通信、导航、高功率激光武器等领域发挥巨大 作用。

量子计算机的出现开启出了一种在理论上是无法进行破译的量子密码，量子密码利用了量子套不可复制这一特性让密钥传输变得绝对安全，因此其在军事上有着相当广阔的前景。因为量子密码不可破译以及无法窃听的关系，并且还可以和当前所使用的光纤通信设备所兼容，那么其可以用来对当前军用光网的信息传输保密性以及安全性进行有效地改善，让信息传输安全得到有效提升，增强信息对抗能力。近日，我国科学家宣布全球首个量子密钥云研制成功，是量子通信走向产业化的一个重要标志，同时为量子计算技术的民用化打下了坚实基础。量子密钥技术是通信双方通过量子的信息频道来发送密钥，以加密密钥和解密密钥的对称密钥形式来保证传输信息的安全性和可靠性。我国科学家研发出的量子密钥云将整个量子通信应用体系进行分拆，分别为量子密钥管理和应用密钥管理两个系统。最低层是密钥传输层，最上层是密钥应用层，底层主要负责接收指令完成密钥分发工作。在组网过程中将任意一个点设置为超级节点，通过量子安全中继的方式，把任意两点的动态和超级节点来进行同步，进而实现多方共享。作为从量子设备到各种应用行业的中间件，量子密钥云可以通过自身算法来完成量子密钥分配的调度、路由、可信中继、以及整个密钥网的管理、级联、接口、认证等一系列配置，不用针对不同的应用行业来进行单独的定制，只要将该应用行业的设备连至量子密钥云终端就可以完成匹配，量子密码设备在接通量子密钥云终端以后，通过光纤接入量子机房就可以实现量子安全运转。另外，为了方便设备终端接入量子密钥云，科学家还开发了客户端软件SDK 和量子安全的硬件设备，以达到用户终端随时随地都可以安全使用密钥云的目的。这套新研发的量子密钥云结构将首次应用于萧山量子城域网和镇江量子城域网，使得传统通信、经典应用和量子密钥通信之间彻底实现无缝连接。同时，九州量子团队还将针对智能家居安全解决方案、企业协作管理安全解决方案等不同场景进行相应的产品设计，使得各QKD 设备商、各网络运营商、各信息安全厂商、各通信设备厂商之间实现完美对接，在不改变用户习惯的前提下，为信息安全保驾护航。尤其是伴随着移动互联网的兴起，每个人每个终端都成为信息的制造者和接收者，万物互联的背景下，无论是社交软件还是企业协作平台，多方信息的共享成了普遍应用的场景。而这正是传统量子通信的弱点。

实际上，发展量子通信技术的主要作用是让目前的数字通信变得更安全；还有量子隐形传态的通信方式则是只有当所有的传统计算机都被量子计算机取代时，才会完全使用这种通信方式。但由于量子计算机和传统计算机永远是无法完全相互取代的，所以未来量子通 信和传统通信将共同搭建“天地一体化”的通信网络。2016年国务院批准印发的《上海系统推进全面创新改革试验加快建设具有全球影响力的科技创新中心方案》中强调在量子通信方面落实一批重大科学基础工程；同年国务院颁布《“十三·五”国家科技创新规划》，将 量子计算机、量子通信列为重大科技项目；上海市政府把量子材料和量子通信列入《上海市科技创新“十三·五”规划》的重点任务和方向，2017年全市建设开启商用城域网络。

在2017年，上海市就开始正式启用商用城域网络。其中短期军用专网以及政务专网先进行建设，市场份额在两年内可能会接近百亿数量级，在中期伴随着城域网、干线以及数据中心保密网络的建设投入商用，在初期运营规模能够达到数十亿级的规模。目前，我国的量子通信已经达到国际领先水平，由我国自主研发的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通，我国科学家与奥地利结合“墨子号卫星”成功实现了世界首次洲际量子保密通信，通信内容通过量子加密后，无法破解，证明了我国“天地一体化”广域量子通信网络已初具成效。在与奥地利进行量子通信试验过程中首次使用的量子密钥，信号传输过程是这样的：首先通过“京沪干线”的北京控制中心与“墨子号”卫星的地面站连接，接通广域量子通信的链路，然后通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星和7000 多km 以外的欧洲通信，我国科学家先后攻克了高速高效率单光子探测、高速量子密钥分发、可信中继传输和大规模量子网络管控等关键技术难题。长距离、多节点，尤其是和国外建立的节点通信，说明“天地一体化”量子通信网络是稳定的、实用的、兼容的。

因为量子的“不可分割”性，窃听者无法分割出半个量子进行测量；其次，测量必然会改变量子的状态，窃听者也不能截取量子后，去测量它的状态，因为这样窃听会暴露；再者，窃听者即便截取到了量子，也不能复制窃听来的量子状态，未知的量子态没有办法被精确复制，得到的只是“伪码”。自2013年立项以来，我国科学家突破了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控等系列工程化实现的关键技术。当前，连接北京、济南、合肥、上海的量子保密通信线路已全线贯通，全场已经达到了2000 km，并且利用北京接入点已经实现了和“墨子号”卫星的连接，这为将来实现全球覆盖的量子保密通信网络的建设提供了重要的基础。根据了解，“京沪干线”路密钥率将会大于20 千比特/秒（kbps），这能够有效地满足上万名用户的密钥分发业务，实现了北京、上海、合肥、济南、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院6 点间的洲际量子通信视频会议。保证网络信息安全目前是头等大事，量子通信从物理原理上实现了绝对安全的信息传输通信方式。据国内量子通信方面专家介绍，量子通信云安全一体机是基于量子通信安全运营平台和密钥管理系统，装载了量子通信云计算操作系统。重点提供云计算操作系统和云存储服务平台，并针对量子保密通信的应用提供基于拥有自主知识产权的、从底层硬件到上层应用的云服务解决方案。

三、量子计算的发展前景与军事应用

伴随着量子计算的推出，很多专家都认为到2026年时，广泛的驱动型行业将会受到巨大的冲击，特别是金融行业，因此需要对其进行特别关注。一旦量子计算机将现有的加密技术打破，那么就会让金融行业中的各种基础互动受到巨大的冲击和破坏。可能受到冲击的基本活动主要有：所有权转移、信用卡交易认证、金融网站网络连接、后端金融交易和股票交易。这些活动都是未来商业运作的重要基础内容。面对这种情况金融机构和FinTech 开发人员必须要对受到影响的加密系统进行更新。但是对于上述任何活动来讲，尝试确定需要升级到量子安全所需标准的部分，将是一项非常庞大的工程。因此，面对量子计算机，计算机信息化部门必须要确保能够将这些解决方案迁移到量子安全加密状态。总之，必须要能够从一开始的时候就积极思考如何构建起量子安全解决方案，以尽可能的推动过度。

量子技术一直是中美激烈竞争的高新技术领域。简单的举例就是：一台计算机可以控制上千架无人机，以一个超大的集群进行大规模协调作战。又比如，一个敌人加密的文件，量子计算器只需要3 h 就能破解出密码，而传统计算机可能要花上几十年！未来50 量子位的计算机实用化，它的运算能力相当于中国的天河一号超级计算机。在许多军事和科学领域，计算机的作用都是必不可少的，例如计算机模拟核试验，高新材料的分子、原子的相互作用等，都要借助超级计算机来完成，而如今很多实验，以现在的超级计算机运算都有点吃力。而且，量子计算机体系小，能耗低，可以安装到许多武器设备里面。无人机、坦克、装甲车，都可以配备量子计算机，这相当于给了现代武器一个“机器大脑”，可以“傻瓜式”执行作战任务，人类只要发送一个简单的指令比如“对敌人发起进攻”，具有严密识别和精确计算能力的量子计算机就会操作武器组织起最合理的进攻。这其实就是未来人工智能的发展路线。

四、量子计算机的发展前景

量子计算带来的影响不仅仅是局限在科技领域之中，其对于政治、经济、社会、军事等诸多领域的发展也有着相当重要的影响，因此其所带来的一系列的影响是难以准确预测的。信息时代中，计算能力是最为基本的生产力，不仅仅是可以代表国家的实力，同时还能够让国家在竞争之中处于有利地位。从根本上来讲，计算就是处理能力，当今世界范围内的信息传播速度基本相同，在这种情况下，如果可以掌握更加强劲的信息处理能力，那么就可以在信息竞争上占据有一定的优势。随着发展，量子计算有可能会如过去经典计算机那样逐步地形成一个较为完整的产业链条，并在国家经济体系之中逐步地构建起一个较为重要的领域。围绕研制通用型量子计算机的中心目标，量子计算技术的快速发展还可以推动量子导航、量子精密测量以及量子通信等各个相关行业的快速发展和繁荣。量子信息科学是以量子计算作为基础的，同时其也是解决其他各种复杂问题的重要基础能力，如果量子计算机能获得革命性的技术突破，那么其他各种相关研究都能够获得突破，进而为提高国家整体经济竞争力创造条件。量子物理与计算科学第一次结合的原因就是对核心武器的研制需求。在此后的发展中，军事应用价值始终是其重要推动力之一，甚至互联网技术的诞生最初都是为了在计算弹道的大型计算机之间传输数据。毫无疑问，未来量子计算机的最大用户依然会是具有军事背景的组织或企业。因此，虽然可能还需要数年量子计算机才会出现，但这种能力本身已经具有了现实性威胁。虽然目前，量子计算机距离军事实用化还有很长的路要走，但人类无疑已经迈出了最重要的一步。◘