一次看懂「量子霸權」，中國「量子軍團」後來居上

量子計算

1982年，諾貝爾獎獲得者理察·菲利普·費曼提出了一個構想，基於兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏（相干性），來構建「量子計算」。

量子計算

1985年，英國物理學家戴維·德意奇提出量子圖靈機的概念，這時量子計算才開始具備了數學的基本型式。那麼什麼是「圖靈機」呢？

圖靈機——用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程

圖靈機

1936年，太平洋西岸還在一片戰火紛飛中，美洲大陸的普林斯頓寧靜的校園裡卻也在悄悄的改變世界。教授阿隆佐·丘奇和他的博士生圖靈分別利用自己發明的演算和圖靈機模型，提交了論文來探討計算的極限是什麼。他們的結論（猜想）之後被稱為——

「丘奇-圖靈」論題：「所有可以有效計算的函數都可以被通用圖靈機計算。」

這句（意義稍顯含混不清的也沒有被證明過的）話直接奠定了之後計算機科學蓬勃發展的基礎。方向已經被指得很明顯：造出圖靈機吧，之後(幾乎)就沒有我們不能做的了（當然不包括不可判定問題）。

之所以叫做論題而不是猜想是因為：

1.「可以有效計算的函數」本身就沒有過準確定義，於是不可能被證明。

2. 幾乎沒有人在乎證明，圖靈機明顯已經無比強大了。

於是人類最偉大的信息革命就在這句模糊而又目標遠大的話中開始爆發。

時間飛轉至49年後的1985年，另外一場革命也開始孕育。英國物理學家德意奇發表了關於「量子圖靈機」的論文。德意奇肯定看了3年前費曼的論文，費曼的設想沒有問題，在物理上是可以實現的。

德意奇想如果這些物理學家所說的量子計算機可以實現的話， 那麼一定也要限定可計算的範圍，也一定有一個量子版本的「丘奇-圖靈論題」。而他論文中提出的這個版本（丘奇-圖靈-德意奇論題），比原版要好太多：

其實從某種意義上來說，量子圖靈機已經是一個有點「過時」的概念了，很少有人使用：首先，量子圖靈機模型只是告訴我們了量子計算機的下限（至少和經典計算機一樣快）， 卻並沒有真正告訴我們它真正能有多快。

其次，經典圖靈機的令人振奮之處在於圖靈構造了通用圖靈機，一臺「無所不能」的圖靈機，而德意奇的通用量子圖靈機也是用一臺經典圖靈機構造的，而使得用這個過於抽象的概念讓人有點興趣索然，不過這也奠定了現在「經典控制，量子數據」的思路。

圖靈獎獲得者姚期智

第三點，也是最重要的一點，1993年圖靈獎獲得者姚期智教授證明了方便直觀很多的量子線路模型可以在多項式時間內模擬任何量子圖靈機，這個模型一直沿用至今。但是從歷史角度講，它還是非常重要，有一個非常重要的結論就是用量子圖靈機模型證明的：做T步的量子計算，我們對概率幅的精度只需要O(log T)。這保證了量子計算機是「數位」(digital)的，而不是「模擬"(analog)的, 因此量子計算機是可以被製造出來的。

圖靈獎——計算機界最負盛名，最崇高的一個獎項，有「計算機界的諾貝爾獎」之稱。

量子計算之「肖爾算法」

彼得·肖爾

1994年，美國貝爾實驗室的彼得·肖爾發表了一篇論文，題為《量子計算機上的質因數分解和離散對數的多項式時間算法》。這篇論文被認為是一劑催化劑，催生了一場延續至今的建造量子計算機的競賽。

肖爾是第一個提出利用量子計算解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法，他利用了量子計算的並行性，可以在很短的時間內通過遍歷來獲得質數因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術不堪一擊。

彼得·肖爾展示了如何使用「量子計算」來破解RSA加密的思路。

RSA密鑰

RSA算法

RSA算法基於一個十分簡單的數論事實:將兩個大質數相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

舉例來說，127x733=93091，用93091作為公開密鑰，127和733就可用作解密密鑰。如果有人能很快推算出93091是127和733的乘積，那這個密碼就被破解了。若乘積是一個100位的數字，那麼從這個乘積去倒推它是哪兩個數的乘積就是一個非常複雜的問題。

RSA算法是第一個能同時用於加密和數字籤名的算法，也易於理解和操作。RSA是被研究得最廣泛的公鑰算法，從提出到現今的三十多年裡，經歷了各種攻擊的考驗，逐漸為人們接受，截止2017年被普遍認為是最優秀的公鑰方案之一。RSA密鑰長度越長保密級別越高。

目前世界範圍內，各類國防軍事機構，各類政務機構，各類銀行金融機構等國家重要部門，還有眾多需要個人遠程登錄的網站，郵箱等廣泛使用的公鑰加密體系，都是類似於RSA的加密結構，它的安全性是有計算機複雜程度來保證的。

例如，按照現在我國最快的電腦——神威·太湖之光超級計算機（世界第三），破解一個1024比特（信息的最小單位）的RSA密鑰也需要5457560年，大概就是500多萬年的樣子，因此一般認為RSA密鑰是安全的。

但肖爾提出的量子算法從根本上改變了這種情況，理論上可以在短時間內破譯RSA密鑰，例如，對於1024比特的RSA密鑰，大概只需要1.4x107秒，大概就是160天，也就是說只用半年左右的時間就能破解目前世界上應用最廣的密鑰系統。

RSA算法並不是今天使用的唯一一種公鑰密碼學方法——其他兩種主要的方法是迪菲—海爾曼算法和被稱為橢圓曲線密碼學的一組方法（這組方法利用了數學的單向函數的類似用途）。然而，根據肖爾算法，所有這些方法都是易受攻擊的。在下面的表格裡，美國國家標準與技術研究院（NIST）歸納了量子計算帶來的影響。

量子計算帶來的影響

這就是肖爾算法的強大之處，如果公鑰加密的密碼被破解，所有運行在公共網絡上的數據都將變得透明，必將對整個世界的安全造成重大的影響。

肖爾讓世界看到了量子計算機的巨大威力！

想要破解密碼，光有量子計算機這個硬體不行，還需要軟體，即解密算法，需「軟硬兼施」，兩者缺一不可，目前一般認為，肖爾算法和格羅弗算法，這兩種解密算法，是公認的量子計算算法。

格羅弗算法

1996年，肖爾算法提出一年後，同在貝爾實驗室的洛夫·格羅弗提出了「格羅弗算法」，其搜索算法遠超經典計算機的數據搜索速度（耗費時間是經典搜索的平方根關係），很輕鬆地「秒殺」經典計算機。

舉例來說：有10000個盒子，並且隨機地把一個物品藏在其中一個盒子裡。如果我們讓某個人去找到這個物品，那麼他們將最多不得不打開所有10000個盒子才能確定找到這個物品(這個物品也許正好被藏在他們決定最後一個打開的盒子裡)。平均來說，我們可能不得不打開盒子數量的一半才能找到被藏起來的物品，也就是找5000次。然而，使用格羅弗算法，我們實際上可以在0.758 √N 次運算中就找到結果。在這個例子中，這意味著我們找75.8次(0.758 * √10000)就可以找到這個物品！

如果未來一臺64位量子計算機的單次運算速度達到目前普通計算機CPU的1GHz時，那麼這臺量子計算機的數據處理速度理論上將是神威·太湖之光（每秒9.3億億次）的1500億倍。

量子計算的格羅弗搜索算法遠遠超出了經典計算機的數據搜索速度，這也是網際網路巨頭們對量子計算最大的關注點之一。量子資訊時代的搜尋引擎將植根于格羅弗算法，它能讓我們更快捷地獲取信息。

未來所有高科技都將取決於量子計算機。

5種量子晶片

量子計算機不光能極速地破譯密鑰，還將應用於複雜的大規模數據處理與計算難題，

速度決定了高度，量子計算機必將在人類社會的「大數據難題」上大展拳腳：

一是在公共安全領域，例如量子計算機可以瞬間處理監控資料庫中60億人次的臉部圖片，並實時辨認出一個人的身份。

二是在公共運輸領域，例如量子計算機能夠迅速對複雜的交通狀況進行分析預判，從而調度綜合交通系統，最大限度地避免交通擁堵。

三是在人工智慧領域，60個量子比特就足以編碼相當於人類一年所產生的數據量，而300個量子比特可以攜帶可觀測宇宙的經典信息內容（目前最大的量子計算機由IBM，英特爾和谷歌等公司創造的72量子比特計算機）。

如今，汽車自動駕駛，語言處理，搜尋引擎，線上廣告，推薦系統，生物，製藥，化工，電器等領域都需要大數據的分析處理，那麼量子計算機就決定了特斯拉，IBM，Google，微軟，Amazon，蘋果、英特爾、惠普、思科、朗訊、英偉達，西門子，大眾，松下，索尼等高科技巨頭在未來的發展方向和趨勢。

看到這裡你們會逐漸明白，量子計算機是通過對微觀粒子進行精確的量子操控，突破現有經典計算機限制的新一代計算機，誰掌握了量子計算機，誰就會引領下一次的信息革命，而誰先開發出量子計算機，其他國家就有可能經歷一場「安全噩夢」

所以世界各國都在全力研發可商用的量子計算機，誰掌握了技術制高點，就將擁有標準制定權和輿論主導權，在未來的產業競爭中將佔據極為有利的地位——「量子霸權」。

「量子霸權」的各個階段

第一個階段就是「量子霸權」階段，你們沒看錯

專用型量子計算機針對特定問題的計算能力超越所有經典計算機，科學家將這一成就稱為「量子霸權」。

看到這裡大家是否有些失望？原來「量子霸權」和稱霸世界的「霸權」是兩個意思。不過這裡隱藏的意思是：只要先研製出具有「量子霸權」的計算機，那麼就擁有了如同稱霸天下——統領全球的能力，延伸一下還是一個意思o(*￣︶￣*)o。

一般實現量子霸權需要大約50個量子比特的相干操縱，這在2011年由美國物理學家提出，意指當量子計算機發展到50個比特時，計算能力將超越全球最快的超級計算機，實現「稱霸」。

第二個階段是實用化量子模擬機階段。

實現數百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統，應用於具有實用價值的組合優化，量子化學，機器學習等方面，以及指導新材料設計，藥物開放等。

第三個階段是通用可編程的量子計算機階段。

能夠相干操縱數億量子比特，實現可容錯的量子計算機，能在經典密碼破解，大數據搜索，人工智慧等方面發揮巨大作用。

也就是說「量子霸權」只是量子計算機的第一個階段，那麼如果實現第三個階段時，就意味著人類實現了擁有量子計算機的夢想，這將是人類能夠實現第二次信息革命的突破口，也是人類全面進入量子資訊時代的標誌，屆時人類社會將會有翻天覆地的變化。

中國「量子軍團」後發先至

量子理論發軔於1900年，當時的中國只能做看客；在20世紀下半葉「第一次量子革命」催生、興起至今的信息科技浪潮中，中國成為「後發快跑」的追趕者；在第二次量子革命的臨界點、加速段、窗口期，「中國量子軍團」能否成為破門者、引領者、勝利者？

量子計算論文近20年發展趨勢

目前中國量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二。在「第二次量子革命」的起步階段，中國異軍突起，躍入國際「第一陣營」。

量子計算專利申請趨勢

量子通信：一流水準

由於我國面臨複雜的信息安全形勢，在軍事、政務、金融和關鍵基礎設施等領域，對提高信息安全保障能力的需求較為迫切。國家對於量子保密通信的布局與研究起步較早，投入也較大。

墨子號量子科學實驗衛星

2016年8月，中國發射了世界首顆量子通信衛星，墨子號量子科學實驗衛星，並在後期的實驗中實現了洲際量子保密通信。

目前，我國量子保密通信試點應用項目數量和網絡建設規模已處於世界領先水平，並且已經得到了初步的產業化發展。

量子精密測量：跟隨

量子精密測量

目前量子精密測量領域的世界紀錄大多由歐美國家保持。從論文和專利數量看，美國領先，中國第二，日、韓、英、德等國跟隨。

與量子通信的全面領先相比，中國的量子計算雖整體處於「第一陣營」，但只有個別方向「領跑」、大多處於「跟跑」。

據了解，在量子計算多條技術路線上，中國在光量子方向領先，在半導體、超冷原子方向稍落後，在超導方向明顯落後。

中國正積極地投入到這場關乎未來的科技競賽中，但是中國量子計算的研發主體主要是高校和科研院所，所以產業化與市場化布局明顯落後於領先國家。

因此中國的量子計算發展仍以做科研、發論文為導向。而歐美先進國家產學研用一體的研發模式，使得他們能調動各方資源，充分競爭，實現量子計算的快速發展。

結語

從全球範圍來看，量子計算目前仍處於發展初期，雖然中國在產業化上相對落後，但與歐美國家並沒有明顯代差。同時，真正能夠發揮量子計算處理能力的「殺手級應用」還未出現。這些挑戰是全世界科學家面對的問題，但也為中國量子計算的發展提供了機遇。

參考：本源量子計算