量子计算进展和前景：美国科学院等机构专家委员会报告总结

量子计算机何时会发展成熟，并具有实用商业价值？最近，国外的一些研究指出，答案并不乐观。这给当前许多炒作量子计算的宣传泼了冷水。

11月，IEEE Spectrum上发表了一篇由专家撰写的题为“The Case Against Quantum Computing”的文章（见文末链接1），作者（法国著名物理学家）Mikhail Dyakonov称，在可预见的未来，实用的通用量子计算机不会被制造出来。

不久前，由美国国家科学院、工程院和医学院组建的一个专家委员会向公众发布了长达205页的题为“Quantum Computing: Progress and Prospects”（量子计算：进展和前景）报告（见文末链接2）。该委员会明确表示，在未来十年内，制造出具有实用能力的量子计算机的可能性很微小。

“在接下来的十年里，人们可能很难建造一台能够危及RSA 2048或类似的离散对数公钥密码系统的量子计算机(Highly Unexpected)。”

该委员会由13名量子计算专家组成，其中包括着加州大学圣巴巴拉分校的John Martinis，他领导着谷歌量子方面的研究工作；芝加哥大学的David Awschalom，他曾在UCSB领导自旋电子学和量子计算中心；以及加州大学伯克利分校量子信息与计算中心共同主管Umesh Vazirani。

值得注意的是，该报告谈到密码学部分只谈PQC（后量子密码术），一字未提QKD（量子密钥分发，或“量子通信”）。

量子力学(Quantum Mechanics)，是物理学科专业领域的一个分支，专门研究微小粒子所具有的性质，它为新的计算模式提供了基础。量子计算(Quantum Computing)是在20世纪80年代首次被提出来，借助微小的“量子”行为改进计算模型。20世界90年代，随着肖尔算法的引入，人们对这一领域的兴趣日益浓厚，如果在量子计算机上实现该算法，重要密码的破解速度将以指数的形式加快，但是这个将会对政府与民用通信和数据储存的密码系统产生威胁。事实上，量子计算机是唯一已知的超过现代计算机提供指数级计算速度的计算模型。

在20世纪90年代，这些结论听起来令人很兴奋，但这些结论都是理论上的，没人知道如何用量子系统建造计算机。近25年后的今天，我们已经在控制量子比特(Qubits)方面取得重大的进展，许多研究小组已经证明了小型原理验证量子计算机可行。这项工作使量子计算机领域重获生机，使得大量的私人投资进入该领域。

为什么建造和使用量子计算机具有挑战性

经典计算机使用“位”来表示操作值，而量子计算机使用“量子位”。“位”只能表示0或1，而“量子位”不仅可以表示0或1，还可以表示这两者的某种组合（叠加状态）。在经典计算机中计算状态是由二进制值表示，在相同的情况下，具有相同数量的量子比特的量子计算机可以跨越所有可能的计算状态，在更大的指数空间中进行计算。实现这个空间需要所有的量子位都是内在相互联系的（纠缠），与外部环境有很好的隔离，并且可以得到精确的控制。

过去20多年的创新进展使得科研人员能够建立这一物理系统，这些系统可以精确地控制和隔离量子。到2018年，大多数量子计算机开始使用由超导电路产生的捕获离子和人工“原子”这两种技术，目前还在探索其他的技术，用于实现量子比特。考虑到该领域的快速发展，我们不能仅仅依靠一种技术。

即使有人能够制造出非常高质量的量子比特，但是利用这些建造量子计算机也会有一系列新的挑战。它们的使用与经典计算机不同，需要新的算法、软件、控制技术和硬件。

经典计算机和量子计算机的主要区别之一是，它们如何处理系统中微小的干扰噪声。因为经典的“位”不是0就是1，即使由于噪声稍微偏离，对信号的操作处理也很容易将噪声消除。实际上，今天用于控制经典计算机的操作位有很大的噪声边际，但是在经典计算机中可以抑制输入端的噪声污染，产生干净无噪声的输出。因为量子位可以是0和1的任意组合，所以量子位不能轻易地隔离物理电路中出现的噪声。因此，创建量子位操作时的小错误或者物理系统中的杂散信号会导致量子计算错误。所以对于操作量子位的系统来说，最重要的设计参数之一是其错误率，低错误率一直很难实现。即使在2018年，已经出现5个或者更多个量子位系统，其错误率也超过几个百分点。在较小的系统中一般可以有效的控制错误率，这种改进的思想需要转移到更大的量子位系统中，这样才能成功的进行量子计算。

虽然物理量子比特的操作对噪声很敏感，但是可以在量子计算机中运行量子误差校正算法来模拟无噪声或者完全校正的量子计算。如果没有量子误差校正，像肖尔算法这样复杂的程序就不太可能在量子计算机上准确运行。但是执行量子误差校正算法需要更多的量子比特，使得计算机的开销增大，这虽然对于无错误的量子计算至关重要，但是因为开销过大，短时间内无法适用。并且量子计算机在短期内还是可能出现计算错误。上面这种机器被称为中尺度噪声量子(NISQ)计算机。

虽然量子计算机可以使用较少的量子位表示更大量的数据，但是目前还没有一种方法可以将大量的数据转化为量子态。对于大量数据输入的问题，创建输入量子态所需要的时间会占据大部分计算时间，使量子计算的优势大大降低。

测量量子计算机的状态需将大量的量子态“折叠”成单个经典结果，这意味着，从量子计算机中所能提取的数据量与从同样大小的经典计算机中提取的数据量相同。但未来想要发挥量子计算机的优势，量子算法必须使用独特的量子特征（如纠缠现象），以获得最终的经典结果。因此，实现量子算法需要全新的设计原则。量子算法的开发是量子计算机实现的一个关键方面。

与所有的计算机一样，构建一个实用的设备要比创建这个硬件本身更加复杂。由于量子计算机程序不同于经典计算机，需要进一步研究和开发软件工具栈。由于软件工具驱动硬件运行，所以软件和硬件工具链的同步开发将缩短量子计算机的建成时间。实际上，使用利用早期的工具完成端到端的设计有助于发现隐藏的问题，可以推动设计取得全面的成功，这也是经典计算机设计中所采用的一套手段。

调试量子硬件和软件的方法至关重要。目前经典计算机的调试方法依赖于内存和中间机器状态的读取。但这个在量子计算机中很难实现。量子状态不能够简单的复制供以后的检查，任何对量子态的测量都会被将其折叠成一组经典“位”，导致计算停止。新的调试方法对于大型量子计算机的开发是必不可少的。

预测未来总是有风险的，但将我们感兴趣的产品设备对外推广时，我们对产品的设计不要跨越太多的代差。然而，建造一个量子计算机可以用来运行肖尔算法破解1024位RSA的加密信息，那么这个计算机需要超过现在计算机五个数量级大，并且需要错误率比当前计算机低两个数量级，同时需要建立软件开发环境来支持这台机器。

对于建造大型无计算错误的量子计算机，由于很多技术短板的存在，我们无法预测其何时建成的时间表。尽管在某些领域我们取得了进展，但不能保证所有的挑战都被克服。弥补了一个短板可能会暴露下一个意想不到的问题，所以需要发明新技术或者在基础科学研究取得新成果，从而改变我们对量子世界的理解。

委员会没有对具体的时间表进行预测，而是确定了影响技术创新速度的因素，并提出两个衡量标准和几个里程碑，以监测该领域的进展。

考虑到量子计算机独特的计算方式和实现它所面临的一系列挑战，它不太可能成为经典计算机的直接替代品。事实上，它们需要经典计算机来控制它们进行操作，并实现量子误差计算修正。因此，它们目前被设计成与经典处理器互补的特殊设备，类似于协同处理器和加速器。

在很多领域还有许多未知的问题和挑战，每个专业领域的发展速度是由该领域对新方法的使用程度和对问题的见解程度决定的。对于那些研究成果保密的领域，其发展速度要慢得多。幸运的是，许多量子计算机研究人员迄今为止对于技术的分享持开放态度，保持这种态度会使该领域不断推进。

重点9：一个开放的生态系统，能够实现思想交叉融合，这将加速技术的快速进步。

同样很明显，一项技术的进步取决于对该技术的投入人力和资金的多少。虽然很多人认为一个系统的发展受到摩尔定律(Moore’s Law)的管制，但是需要明白，摩尔定律是一个良性循环，技术的进步推动经济的收入，从而使资金持续投资在研发、人才上面，来帮助技术创新。像硅谷一样，如果想要量子研究的摩尔定律式的持续指数增长，就需要指数级的投资，而且需要维持这种投资良性循环。在量子计算机研发中，较小的机器取得商业上的成功，会使整个领域投资增加，而在没有产生商业回报的中间研发环节，就需要政府增加资金支持，因为研发时，艰难的中间环节是一个痛苦的过程。

考虑到量子错误校正的开销，近期的机器几乎肯定是NISQ计算机。虽然有许多应用程序已经用于大型错误校正量子计算机，但目前还不存在NISQ计算机的应用程序。为NISQ计算机创建应用程序是一个较新的研究领域，需要研究新型量子算法。在本世纪前20年，开发商业NISQ计算机应用程序对于启动良性循环的投资至关重要。

重点3：研究和开发NISQ计算机的实际商业应用是该领域迫切需要解决的问题，该项工作会对量子计算机的发展及其市场规模产生深远的影响。

量子计算机可分三大类：“模拟量子计算机”，直接操作量子位之间的相互作用，而不把它们的行为分解成基本的门操作，包括量子退火器、绝热量子计算机和直接量子模拟器；“数字NISQ计算机”使用物理量子位上的基本门操作，执行一种特殊的算法；但这两种机器都存在噪声，这个缺点将限制这些计算机解决复杂的问题。“完全错误修正量子计算机”是基于门的量子计算机的一个版本，通过部署量子修正程序，使有噪声的量子位模拟稳定的逻辑量子位，以便计算机在任何计算中都能可靠的工作。

量子计算机的第一个里程碑是演示了简单的原理验证模拟和数字验证。小型NISQ计算机于2017年上市，但其中还是有数十个量子位的错误，无法修正。量子退火研究大约在十年前就开始了，使用的量子位元是一种相干时间短、伸缩快的技术。2017年试验量子退火器已经发展到拥有大约2000量子位元的机器。从这个起点开始，通过实现几个可能里程碑来确定量子计算机的进展。证明“量子霸权”就是里程碑之一，即完成一项在经典计算机上难以完成的任务，暂不讨论这项任务是否具有实用价值。虽然有几个团队一直在努力实现这一目标，但到2018年，这一目标还没有得到实现。另一个重要的里程碑就是创造一个商业上有用的量子计算机，这将需要一个量子计算机比任何经典计算机更有效地执行至少一个实际任务。在理论上实现这一里程碑比实现“量子霸权”更困难，因为它所需的应用程序必须比现有的经典方法更好、更有用。但实现“量子霸权”可能也很困难，尤其是对于模拟量子计算机。在“量子霸权”被证明之前，有可能会出现一个有用的应用。在量子计算机上部署量子错误校正程序以创建逻辑量子位，从而显著的降低错误率是另一个重要里程碑，这也是创建完全错误校正机器的第一步。

可以通过跟踪定义量子处理器质量的关键属性来监测基于门的量子计算的进展情况：单个量子位和双量子位操作的错误率、内量子位连通性以及单个硬件模块中包含的量子位数量。

重点4：考虑到委员会掌握的信息，现在预测扩展量子计算机还为时过早。相反，可以通过监控物理量子位在恒定平均门错误率下的缩放率来跟踪进展，并通过监控系统所表示的逻辑量子位的有效数量来长期的跟踪进度。

跟踪逻辑量子位的大小和缩放率可以更好评估未来的发展情况。

重点5：如果研究团体采用报告中明确约定，可以方便地在设备之间进行比较，并将其转换成本报告中所提出的度量标准，那么该领域的进展情况更容易被追踪。一组能够在不同机器之间进行比较的基准测试程序有助于提高量子软件的效率和增强底层量子硬件的体系结构。

很明显，世界各地都在努力开发量子计算机和其他量子技术。人们期望建立一个成功的质量控制体系，这个需要大量的、协调一致的研究工作，这些研究工作既涉及基础科学，也涉及很多传统学科。

重点8：美国在发展量子技术方面处于领先地位，而量子信息科学技术现在又是全球性的，一些非美国公司也大量投入资金研究。所以如果美国想要保持领导地位，需要要美国政府持续进行投资。

此外私营部门在美国量子计算科技研发系统中扮演着重要角色。

重点2：如果短期在量子计算机商业上不成功，政府的资助可以防止量子计算研究走向滑坡。

量子计算将对密码学产生重大影响，密码学依靠难以计算的问题来保护数据。但是肖尔算法在大型量子计算机上的运行会大大减少从非对称密码中提取私钥所需的计算时间，而这种非对称密码是用来保护互联网数据传输和数据储存的重要手段。所以在量子计算机尚未建成之前就部署后量子密码术(Post-quantum Cryptography)进行加密，具有很大的商业利益。在未来，公司和政府不想让他们现在的私人通信内容被窃取，即使三十年以后。出于这个原因，有必要尽快向后量子密码术过渡，特别是现在使用的Web技术都是十年前的技术。

重点1：考虑到量子计算机目前的发展速度，在接下来的十年里，人们可能很难建造一台能够危及RSA 2048或类似的离散对数公钥密码系统的量子计算机(Highly Unexpected)。

重点10：即使量子计算机破解现在的密码技术要等到十年以后，但这种机器的存在使目前的密码系统具有严重安全隐患。而且要过渡到一个新的安全协议需要足够长的时间，并存在不确定性。提高开发力度、标准化措施和后量子密码术的部署对于增加安全和保护私人信息非常重要。
考虑到量子计算机对当前的协议构成巨大威胁，人们正在积极努力开发后量子密码术——量子计算机无法破解的非对称密码。这些技术可能在2020年标准化。虽然肖尔算法破解密码的能力是早期量子计算机研究的驱动力，但是加密算法一直在改进，这个会降低量子计算机破解密码的能力。从长远的角度看这个是会推动量子计算机的进步。

在实用的量子计算机实现之前，量子计算仍然存在重大的技术障碍，而且也不能保证这些障碍是否能够被克服。构建和使用量子计算机不仅需要设备工程，而且还需要将计算机科学、数学、物理、化学和材料学等一系列学科进行融合。克服这些障碍所做出的努力也会给我们带来了好处，例如：量子计算机的研发过程改进了经典算法，推动了物理学和计算机科学的进步。

重点6： 量子计算对于推动基础性研究具有重要价值，这些研究将有助于人类对于未知世界的理解认识。与所有的基础性研究一样，这一领域的进展会带来革命性的新知识和新应用。

创建一个大型的、错误校正的量子计算机所面临的挑战是重大的。成功的量子计算机需要对量子相干性进行前所未有的控制，通过改变现有的工具和技术，或者通过开发新的工具和技术，可能实现这种控制。同样依赖量子相干控制的相关技术，在量子传感和量子通信方面也可能取得的进展。

重点7：尽管大型量子计算机的可行性尚不确定，但开发实用的量子计算机的具有很大的好处，而且它们可能扩展到量子信息技术的其他短期应用，例如基于量子位的传感技术。

除了量子计算潜在的社会益处之外，这项工作对国家的安全也有影响。拥有大型、实用的量子计算机可以打破当今的非对称密码系统。认识到这个风险，人们开始努力研究对量子密码破解拥有强大抵抗能力的密码系统，目前有几个候选系统被认为是“量子安全”的。尽管政府和民用系统部署后量子密码系统可以保证随后的数据传输的安全性，但是在此之前被敌人截获的传统加密数据有被破解的风险，当然随着量子计算机部署的推迟密文被破解的危害性会逐步减小。此外新的后量子密码技术PQC的发展也会推动新的量子密码破解技术的进步（New Quantum Cryptanalytic Technique)，与网络安全技术一样，后量子时代的安全性有赖于持续的科研投入。

但是国家安全问题超越了密码学研究，更大的战略问题在于未来的经济和技术领导地位。从历史上看，经典计算已经对社会生产了革命性的影响。虽然量子计算的工业应用潜力还在探索之中，但很明显，量子计算已经超越当前计算的边界，它可以在很多领域提高计算效率，所以支持美国政府建设强大的量子计算研究组织具有战略价值。

根据对迄今为止量子计算领域取得进展的公开资料进行评估，委员会认为，理论上可以建造一台大型容错的量子计算机。但是建造这样一个系统并将其应用于解决实际任务并带来收益具有很大的技术挑战性。此外，未来对该领域的投资多少取决于近期的商用效果和美国及其他国家对技术的开放性，这些都会影响到实用的量子计算机完全投放市场的时间表。该领域的进展可以通过重点3中的指标进行追踪。但无论何时或能否建成大型的、无计算差错的量子计算机，我们对量子计算和量子技术的探索会扩展人类知识的边界，这方面的努力可能也会改变我们对于宇宙的理解。

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