2018年12月4日，美国国家科学院发布了题为《量子计算：进展与前景》的研究报告^[1]（以下简称报告），指出：近20多年量子计算领域取得许多重大进展，已引发人们极大的研究兴趣，也展现出一定的商业价值、引发一定的商业投资，但其将来的发展速度、方向和实际应用还有待观察，包括未来10年内仍很难制造出可投入实用的量子计算机；另一方面，量子计算将给当前的密码体系带来极大冲击，政府应该优先考虑潜在后果，提前做好相应设计与部署准备。

一、量子计算的理论、硬件与软件基础

据报告介绍，量子理论是对微观世界一种运行机制的描述，是理解和预测物理宇宙性质最为精确的理论，主要遵循波粒二象性、叠加性、相干性、纠缠性、不可测量性等基本原理。

量子计算机则由硬件与软件两大部分组成。量子计算的硬件结构可划分为4个层次：量子位所在的“量子数据层”；根据需要对量子进行操作和测量的“控制和测量层”；确定操作和算法序列的“控制处理器层”；用于处理网络访问、大存储阵列和用户界面的“主处理器层”，该层通过高速宽带与控制处理器连接。量子计算机还需要广泛的软件组成，包括能让程序员描述量子计算算法的编程语言、分析它们并将其映射到量子硬件的编译器，以及可在特定量子硬件上实现分析、优化、调试和测试程序的其他软件支持，如调试软硬件的仿真和调试工具、帮助高效实现算法的优化工具、帮助确保软硬件正确性的验证工具。

报告称，一台大规模、完全纠错量子计算机在设计时需扩展到数千个逻辑量子位，并且需要一个软件基础结构，以便有效帮助程序员使用这台计算机解决问题。这种能力需要一系列复杂的计算机系统来逐步实现，这又取决于硬件、软件和算法的发展。

二、量子计算面临的技术风险

报告表示，许多研究已研制出用于原理验证的小型量子计算机，刺激了大量私营投资跟进。然而，研制和使用量子计算机仍面临若干技术风险，主要包括：

1、量子位不能从本质上隔离噪声。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，目前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。但量子位可以是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。

2、量子纠错技术不成熟，无法实现无误差的量子计算。虽然物理量子位的操作对噪声很敏感，但是可以在量子计算机中运行量子纠错算法来模拟无噪声或者完全校正的量子计算。如果没有量子纠错，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。但是执行量子纠错算法需要更多的量子位，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。

3、无法有效将大数据加载到量子计算中。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。

4、量子算法的设计具有挑战性。要发挥量子计算机的优势，必须设计出能利用量子特性的量子算法，以获得最终的经典结果，这需要全新的设计原则，但目前面临巨大挑战。

5、量子计算机需要新的软件堆栈。由于量子程序不同于经典计算机程序，需要进一步研究和开发相应的软件堆栈，这方面的工作缺乏有效进展。

6、无法直接测量量子计算机的中间状态。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，但很难测量量子计算机的中间状态。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，因此无法简单地复制或检查量子计算的中间状态，亟需新的调试方法。

三、衡量量子计算发展程度的标准与里程碑

报告指出，由于目前无法保证以上技术短板能够得到最终解决，因此也无法预测何时能够研制成功大规模量子计算机。报告提出了用于监测相关进展的衡量标准，包括：

（1）单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。

（2）是否建立了能帮助思想交叉融合的开放生态系统，这将推动量子计算的快速进步。

（3）是否有小规模量子计算系统取得商业成功，并带来相关投资的指数级增长，以及在没有产生商业回报时政府对研发的资金支持。

（4）是否有针对中等规模量子计算机的量子算法和应用程序，这对于启动良性循环的投资至关重要。

（5）是否研发出中等规模量子计算机的实际商业应用，这将对量子计算机的发展及其市场规模产生深远影响。

此外，可以用来衡量量子计算发展阶段的里程碑有：①演示量子计算原理的简单模拟验证和数字验证；②在量子计算机上部署量子纠错程序以创建逻辑量子位，并显著降低错误率；③证明“量子霸权”，即用量子计算完成一项在经典计算机上难以完成的任务；④研制出可商业化的量子计算机，使量子计算机比任何经典计算机能更有效地执行至少一项实际任务。

四、量子计算对国家的战略影响

报告指出，量子计算将对密码学产生重大影响，实用、大型的量子计算机利用肖尔算法可大大减少破解密码的时间，从而打破当前最主要的非对称密码系统，进而对国家安全造成威胁。

更重要的是，量子计算可能对一国在未来的经济和技术领导地位带来战略影响。经典计算已对全人类生产革命性影响，虽然量子计算的工业应用还处于探索阶段，但量子计算可以在很多领域显著提高计算效率，其对人类社会的革命性影响将远超经典计算，具有深远的战略价值。

报告强调，虽然要十年之后可能才会出现能破解当前密码技术的量子计算机，但由于过渡到新安全系统所需的时间较长，有必要加强后量子密码术的开发力度、标准化措施和部署，而后量子时代的安全性有赖于持续的科研投入。                                       （唐川）