來源： 中國科學雜誌社
量子信息技術是量子力學與信息科學融合的新興交叉學科, 它的誕生標誌着人類社會將從經典技術邁進到量子技術的新時代, 本文將闡述量子信息技術的研究現狀與未來. 文中描繪了量子技術發展遠景, 即築建各種類型的量子網絡, 包括量子云計算網絡、分佈式量子計算、 量子傳感網絡和量子密鑰分配網絡等. 量子計算機已從實驗室的研究邁進到企業的實用器件研製, 目前已發展到中等規模帶噪聲量子計算機(noisy intermidiate-scale quantum, NISQ)的階段. 在量子技術時代, 沒有絕對安全的保密體系, 也沒有無堅不摧的破譯手段, 信息安全進入“量子對抗"的新階段.
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第二次量子革命
1900 年Max Planck提出“量子"概念, 宣告了“量子"時代的誕生. 科學家發現, 微觀粒子有着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, 要麼是粒子, 要麼是波動, 它們遵從經典物理學的運動規律, 而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性, 它們顯然不遵從經典物理學的運動規律. 20 世紀 20 年代, 一批天才的年輕物理學家建立了支配着微觀粒子運動規律的新理論, 這便是量子力學. 近百年來, 凡是量子力學預言的都被實驗所證實, 人們公認, 量子力學是人類迄今最成功的理論.
我們將物理世界分成兩類: 凡是遵從經典物理學的物理客體所構成的物理世界, 稱爲經典世界; 而遵從量子力學的物理客體所構成的物理世界, 稱爲量子世界. 這兩個物理世界有着絕然不同的特性, 經典世界中物理客體每個時刻的狀態和物理量都是確定的, 而量子世界的物理客體的狀態和物理量都是不確定的. 概率性是量子世界區別於經典世界的本質特徵.
量子力學的成功不僅體現在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學的現象, 事實上, 正是量子力學催生了現代的信息技術, 造就人類社會的繁榮昌盛. 信息領域的核心技術是電腦和互聯網. 量子力學的能帶理論是晶體管運行的物理基礎, 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, 而正是該技術的發展才產生當下無處不在的互聯網. 然而, 晶體管和激光器卻是經典器件, 因爲它們遵從經典物理的運行規律. 因此, 現在的信息技術本質上是源於量子力學的經典技術.
20世紀 80 年代, 科學家將量子力學應用到信息領域, 從而誕生了量子信息技術, 諸如量子計算機、量子密碼、量子傳感等. 這些技術的運行規律遵從量子力學, 因此不僅其原理是量子力學, 器件本身也遵從量子力學, 這些器件應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, 因而其信息功能遠遠優於相應的經典技術. 量子信息技術突破了經典技術的物理極限, 開闢了信息技術發展的新方向. 一旦量子技術獲得廣泛的實際應用, 人類社會生產力將邁進到新階段. 因此, 我們將量子信息的誕生稱爲第二次量子革命, 而基於量子力學研製出的經典技術, 稱之爲第一次量子革命. 量子信息技術就是未來人類社會的新一代技術.
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量子網絡
量子信息技術最終的發展目標就是研製成功量子網絡(如圖
1所示).
圖1 量子網絡
量子網絡基本要素包括量子節點和量子信道. 所有節點通過量子糾纏相互連接, 遠程信道需要量子中繼. 量子網絡將信息傳輸和處理融合在一起, 量子節點用於存儲和處理量子信息, 量子信道用於各節點之間的量子信息傳送.
與經典網絡相比, 量子網絡中信息的存儲和傳輸過程更加安全, 信息的處理更加高效, 有着更加強大的信息功能. 量子節點包括通用量子計算機、專用量子計算機、量子傳感器和量子密鑰裝置等. 應用不同量子節點將構成不同功能的量子網絡. 典型的有(表1):
(1) 由通用量子計算機作爲量子節點, 將構成量子云計算平臺, 其運算能力將強大無比;
(2) 使用專用量子計算機作爲量子節點可以構成分佈式量子計算, 其信息功能等同於通用量子計算機. 亦即應用這種方法可以從若干比特數較少的量子節點採用糾纏通道連接起來, 可以構成等效的通用量子計算機;
(3) 量子節點是量子傳感器, 所構成的量子網絡便是高精度的量子傳感網絡, 也可以是量子同步時鐘;
(4) 量子節點是量子密鑰裝置, 所構成的量子網絡便是量子密鑰分配(QKD)網絡, 可以用於安全的量子保密通信.
當然, 單個量子節點本身就是量子器件, 也會有許多應用場景, 量子網絡就是這些量子器件的集成, 其信息功能將得到巨大提升, 應用更廣泛.
上述的量子網絡是量子信息技術領域發展的遠景, 當前距離這個遠景的實現還相當遙遠. 不僅尚無哪種類型量子網絡已經演示成功, 即使是單個量子節點的量子器件也仍處於研製階段, 距離實際的應用仍有着很長的路要走. 即便是單個量子節點研製成功, 要將若干量子節點通過糾纏信道構成網絡也極其困難——通常採用光纖作爲量子信息傳輸的通道, 量子節點的量子信息必須能強耦合到光纖通信波長的光子上, 該光子到達下個量子節點處再強耦合到該節點工作波長的量子比特上, 任何節點之間最終均可實現強耦合、高保真度的相干操控, 只有這樣才能實現量子網絡的信息功能. 目前, 連接多個節點的量子界面仍然處於基礎研究階段.
至於遠程的量子通道, 必須有量子中繼才能實現, 而量子中繼的研製又依賴於高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究, 所有這些核心器件仍然處於基礎研究階段, 離實際應用還很遠.
因此整個量子信息技術領域仍然處於初期研究階段, 實際應用還有待時日.
那麼, 量子信息技術時代何時到來? 量子計算機是量子信息技術中最有標誌性的顛覆性技術, 只有當通用量子計算機獲得廣泛實際應用之時, 我們纔可斷言人類社會已進入量子技術新時代.
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量子計算機
電子計算機按照摩爾(Moore)定律迅速發展: 每 18 個月, 其運算速度翻一番.
20世紀 80 年代, 物理學家卻提出“摩爾定律是否會終結"這個不受人歡迎的命題, 並着手開展研究. 最後竟然得出結論: 摩爾定律必定會終結. 理由是, 摩爾定律的技術基礎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目. 但這個技術基礎受到兩個主要物理限制: 一是由於非可逆門操作會丟失大量比特, 並轉化爲熱量, 最終會燒穿電子芯片, 這也是當下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在; 二是終極的運算單元是單電子晶體管, 而單電子的量子效應將影響芯片的正常工作, 使計算機運算速度無法如預料的提高.
物理學家的研究結果並不影響當時摩爾定律的運行, 多數學者甚至認爲物理學家是杞人憂天. 然而物理學家並未停止腳步, 着手研究第2個問題: 摩爾定律失效後, 如何進一步提高信息處理的速度——即後摩爾時代提高運算速度的途徑是什麼? 研究結果誕生了“量子計算"的概念. 1982年美國物理學家Feynman指出
[2], 在經典計算機上模擬量子力學系統運行存在着本質性困難, 但如果可以構造一種用量子體系爲框架的裝置來實現量子模擬就容易得多. 隨後英國物理學家Deutsch提出“量子圖靈機" [3]概念, “量子圖靈機"可等效爲量子電路模型. 從此, “量子計算機"的研究便在學術界逐漸引起人們的關注. 1994年Shor [4]提出了量子並行算法, 證明量子計算可以求解“大數因子分解"難題, 從而攻破廣泛使用的RSA 公鑰體系, 量子計算機才引起廣泛重視. Shor並行算法是量子計算領域的里程碑工作. 進入21世紀, 學術界逐漸取得共識: 摩爾定律必定會終結 [5]. 因此, 後摩爾時代的新技術便成爲熱門研究課題, 量子計算無疑是最有力的競爭者.
量子計算應用了量子世界的特性, 如疊加性、非局域性和不可克隆性等, 因此天然地具有並行計算的能力, 可以將某些在電子計算機上指數增長複雜度的問題變爲多項式增長複雜度, 亦即電子計算機上某些難解的問題在量子計算機上變成易解問題. 量子計算機爲人類社會提供運算能力強大無比的新的信息處理工具, 因此稱之爲未來的顛覆性技術. 量子計算機的運算能力同電子計算機相比, 等同於電子計算機的運算能力同算盤相比. 可見一旦量子計算得到廣泛應用, 人類社會各個領域都將會發生翻天覆地的變化.
量子計算的運算單元稱爲量子比特, 它是 0 和1兩個狀態的疊加. 量子疊加態是量子世界獨有的, 因此, 量子信息的製備、處理和探測等都必須遵從量子力學的運行規律. 量子計算機的工作原理如圖
2所示.
圖2 量子計算機的工作原理
量子計算機與電子計算機一樣, 用於解決某種數學問題, 因此它的輸入數據和結果輸出都是普通的數據. 區別在於處理數據的方法本質上不同. 量子計算機將經典數據製備在量子計算機整個系統的初始量子態上, 經由幺正操作變成量子計算系統的末態, 對末態實施量子測量, 便輸出運算結果. 圖2中虛框內都是按照量子力學規律運行的. 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? 首先選擇適合於待求解問題的量子算法, 然後將該算法按照量子編程的原則轉換爲控制量子芯片中量子比特的指令程序, 從而實現了UU操作的功能. 量子計算機的實際操作過程如圖3所示.
圖3 量子計算機的實際操作過程
給定問題及相關數據, 科學家設計相應的量子算法, 進而開發量子軟件實現量子算法, 然後進行量子編程將算法思想轉化爲量子計算機硬件能識別的一條條指令, 這些指令隨後發送至量子計算機控制系統, 該系統實施對量子芯片系統的操控, 操控結束後, 量子測量的數據再反饋給量子控制系統, 最終傳送到工作人員的電腦上.
量子邏輯電路是用於實現UU變換的操作, 任何複雜的UU操作都可以拆解爲單量子比特門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
基於量子圖靈機(量子邏輯電路)的量子計算稱爲標準量子計算, 現在還在研究的其他量子計算模型還有: 單向量子計算、拓撲量子計算和絕熱量子計算(量子退火算法)等.
量子計算機是宏觀尺度的量子器件, 環境不可避免會導致量子相干性的消失(即消相干), 這是量子計算機研究的主要障礙[9]. “量子編碼"用於克服環境的消相干, 它增加信息的冗餘度, 用若干物理量子比特來編碼一個邏輯比特(信息處理的單元). 業已證明, 採用起碼5個量子比特編碼、1個邏輯比特, 可以糾正消相干引起的所有錯誤. 量子計算機實際應用存在另一類嚴重的錯誤, 這種錯誤來源於非理想的量子操作, 包括門操作和編碼的操作. 科學家提出容錯編碼原理來糾正這類錯誤, 該原理指出, 在所有量子操作都可能出錯的情況下, 仍然能夠將整個系統糾正回理想的狀態. 這涉及到“容錯閾值定理", 即只有量子操作的出錯率低於某個閾值, 才能實現量子容錯. 容錯閾值與量子計算的實際構型有關, 在一維或準一維的模型中, 容錯的閾值爲10-510−5 [6], 在二維情況(採用表面碼來編碼比特), 閾值爲10-210−2. 經過科學家十多年的努力, 現在離子阱和超導系統的單雙比特操作精度已經達到這個閾值. 這個進展極大地刺激了人們對量子計算機研製的熱情, 量子計算機的實現不再是遙不可及的. 量子計算機的研製逐步走出實驗室, 成爲國際上各大企業追逐的目標.
量子計算機研製涉及以下關鍵技術部件: (1)核心芯片, 包括量子芯片及其製備技術; (2)量子控制, 包括量子功能器件、量子計算機控制系統和量子測控技術等; (3)量子軟件, 包括量子算法、量子開發環境和量子操作系統等; (4)量子云服務, 即面向用戶的量子計算機雲服務平臺.
量子計算機的研製從以科研院校爲主體變爲以企業爲主體後發展極其迅速. 2016年IBM公佈全球首個量子計算機在線平臺, 搭載5位量子處理器. 量子計算機的信息處理能力非常強大, 傳統計算機到底能在多大程度上逼近量子計算機呢? 在不是非常大的邏輯深度下, 2018年初創公司合肥本源量子計算科技有限公司推出當時國際最強的64位量子虛擬機, 打破了當時採用經典計算機模擬量子計算機的世界紀錄. 2019年量子計算機研製取得重大進展: 年初IBM推出全球首套商用量子計算機, 命名爲IBM Q System One, 這是首臺可商用的量子處理器(圖5(a)和(b)). 2019年10月, Google在 Nature 上發表了一篇里程碑論文, 報道他們用53個量子比特的超導量子芯片, 耗時200 s實現一個量子電路的採樣實例, 而同樣的實例在當今最快的經典超級計算機上可能需要運行大約1萬年. 他們宣稱實現了“量子霸權", 即信息處理能力超越了任何最快的經典處理器(圖5(c)和(d)).
圖5 2019年量子計算機的研製取得重大進展. (a), (b) IBM推出的全球首套商用量子計算機IBM Q System One; (c), (d) Google推出的53個量子比特的超導量子芯片總之, 量子計算機研製已從高校、研究所爲主發展爲以公司爲主力, 從實驗室的研究邁進到企業的實用器件研製. 量子計算機將經歷3個發展階段.
(1) 量子計算機原型機. 原型機的比特數較少, 信息功能不強, 應用有限, 但“五臟俱全", 是地地道道地按照量子力學規律運行的量子處理器. IBM Q System One就是這類量子計算機原型機.
(2) 量子霸權. 量子比特數在50∼∼100左右, 其運算能力超過任何經典的電子計算機. 但未採用“糾錯容錯"技術來確保其量子相干性, 因此只能處理在其相干時間內能完成的那類問題, 故又稱爲專用量子計算機. 這種機器實質是中等規模帶噪聲量子計算機(noisy intermediate-scale quantum, NISQ). 應當指出, “量子霸權"實際上是指在某些特定的問題上量子計算機的計算能力超越了任何經典計算機. 這些特定問題的計算複雜度經過嚴格的數學論證, 在經典計算機上是指數增長或超指數增長, 而在量子計算機上是多項式增長, 因此體現了量子計算的優越性. 目前採用的特定問題是量子隨機線路的問題或玻色取樣問題. 這些問題僅是Toy (玩具)模型, 並未發現它們的實際應用. 因此, 儘管量子計算機已邁進到“量子霸權"階段, 但在中等規模帶噪聲量子計算(NISQ)時代面臨的核心問題是探索這種專門機的實際用途, 並進一步體現量子計算的優越性.
(3) 通用量子計算機. 這是量子計算機研製的終極目標, 用來解決任何可解的問題, 可在各個領域獲得廣泛應用. 通用量子計算機的實現必須滿足兩個基本條件, 一是量子比特數要達到幾萬到幾百萬量級, 二是應採用“糾錯容錯"技術. 鑑於人類對量子世界操控能力還相當不成熟, 因此最終研製成功通用量子計算機還有相當長的路要走.
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量子技術時代的信息安全
量子計算機具有強大的信息處理能力, 對現代密碼技術構成了嚴重挑戰, 量子技術時代的信息安全問題便成爲人們關注的焦點之一. 現代保密通信的工作圖如圖6所示.
圖6 保密通信
Alice將欲發送的明文(即數碼信息)輸進加密機, 經由某種密鑰變換爲密文, 密文在公開信道中傳遞給合法用戶Bob, 後者使用特定密鑰經由解密機變換爲明文. 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, 但他具有很強的破譯能力, 也可能獲得明文. 只有當竊聽者肯定無法從密文中獲取明文, 這種保密通信纔是安全的.
按照Alice與Bob擁有的密鑰是否相同, 保密過程可分爲私鑰體系(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).
公鑰體系是基於複雜算法運行的, 其安全性取決於計算複雜度的安全; 私鑰體系一般也是基於複雜算法, 其安全性同樣取決於計算複雜度的安全. 只有“一次一密"的加密方式(即密鑰長度等於明文長度, 且用過一次就不重複使用), 這種私鑰體系的安全性僅取決於密鑰的安全性, 與計算複雜度無關. 當前密鑰分配的安全性取決於人爲的可靠性.
量子計算機可以改變某些函數的計算複雜度, 將電子計算機上指數複雜度變成多項式複雜度, 從而挑戰所有依賴於計算複雜度的密碼體系的安全性. 唯有“一次一密"加密方法能經受住量子計算機的攻擊, 這種方案的安全性僅依賴於密鑰的安全性.
因此, 量子技術時代確保信息安全必須同時滿足兩個條件:
(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"安全. 當前使用的密鑰分配都無法確保絕對安全.
物理學家針對現有密鑰分配方法無法確保“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於計算複雜度和人爲可行性, 而僅僅取決於量子力學原理的正確性.
物理學家提出了若干量子密碼協議(如BB84), 並從信息論證明, 這類協議是絕對安全的, 這就激勵了越來越多科學家加入“量子密碼"研究行列. 但人們很快就發現, 任何真實物理體系都無法達到量子密碼協議所需求的理想條件, 存在着各種各樣的物理漏洞, 使得研製出來的實際量子密碼系統無法達到“絕對"安全, 只能是“相對"安全. 雖然可以經過努力堵住各種各樣的物理漏洞, 甚至提出安全性更強的新的密碼協議(如設備無關量子密碼協議等), 但終歸無法確保真實的量子密碼物理系統可以做到“絕對"安全
[10].
那麼這種相對安全的“量子密碼"是否可獲得實際應用呢? 答案是肯定的. 如果能驗證真實的量子密碼體系可以抵抗現有所有手段的攻擊, 就可以認定這類“量子密碼"在當下是安全的, 可以用於實際.
中國科學院量子信息重點實驗室長期從事量子密碼研究, 2005年發明了量子密碼系統穩定性的方法, 首次在商用光纖實現從北京到天津125 km的量子保密通信演示(圖
7). 2007年發明了量子路由器, 在商用光纖網絡中實現4節點的量子保密通信(圖8). 2009年構造了蕪湖量子政務網, 演示了量子密碼的實際應用(圖9).
圖7 2005年北京–天津125 km 量子保密通信演示網
圖8 2007年北京4節點量子保密通信演示網
圖9 2009年安徽蕪湖量子政務
當前量子密碼的研究狀況是:
(1) 城域(百公里量級)網已接近實際應用, 密鑰生成率可滿足“一次一密"加密的需求, 現有各種攻擊手段無法竊取密鑰而不被發現. 當前必須建立密鑰安全性分析系統以檢查實際量子密碼系統是否安全, 並制定相應的“標準".
(2) 城際網的實用仍然相當遙遠, 關鍵問題是可實用的量子中繼器件尚未研製成功. 構建量子中繼的核心技術是可實用的量子存儲器和高速率的確定性糾纏光源, 這兩種技術尚未取得突破性進展.
(3) 經由航空航天器件實現全球的量子保密通信網絡, 建造這個網絡困難重重, 除了密鑰安全性及高速率的密鑰生成器的問題之外, 還有如何能實現全天候量子密鑰高速分配. 國家是否需要建設這種網絡應當慎重研究.
總之, 量子技術時代解決信息安全有兩個途徑:
(1)物理方法 (適用於私鑰體系). 不斷提高實際量子密碼系統的安全性, 能夠抵抗當下各種手段的攻擊, 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際應用.
(2)數學方法 (適用於公鑰體系). 尋找能抵抗量子計算攻擊的新型公開密鑰體系. 其原理是, 目前無法證明量子計算機可以改變所有複雜函數的計算複雜度, 因而可以找到新的不被量子計算機攻破的新型公開密鑰體系. 當然, 量子計算機的攻擊能力依賴於量子算法, 當前最強攻擊的首推Shor算法. 如果有比它更強大的量子算法出現, 那麼這種新型公開密碼體系有可能被攻破, 進而促使數學家再去尋找抵抗能力更強的公鑰體系. 這將導致從“電子對抗"發展到“量子對抗".
結論: 量子技術時代沒有絕對安全的保密體系, 也沒有無堅不摧的破譯手段, 信息安全的攻防將進入“量子對抗"的新階段.
未來智能實驗室的主要工作包括：建立AI智能系統智商評測體系，開展世界人工智能智商評測；開展互聯網（城市）雲腦研究計劃，構建互聯網（城市）雲腦技術和企業圖譜，爲提升企業，行業與城市的智能水平服務。
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