博思艾伦报告：中国量子计算将超越美国和欧洲

光子盒研究院出品

最近，美国咨询公司博思艾伦(Booz Allen Hamilton)发布了一份32页的报告，其中提到量子计算可能给美国的信息安全带来威胁，尤其担忧中国在量子计算领域的进步，敦促美国公司的首席信息安全官(CISO)提前做好准备。

虽然报告的标题是“CHINESE THREATS IN THE QUANTUM ERA”，但大部分内容都在总结中国量子信息科学领域的重要进展。“自2010年以来，中国政府公开将量子计算确定为其经济和国家安全的关键战略技术，通过人才、资本和政策支持，成功地缩小了与美国的差距。基于当前趋势，中国可能会超越美国和欧洲。”报告最后还提出了量子计算应用的路线图。

报告表示，早期的量子信息科学研究与开发，中国并不是主要的参与者，然后，从2016年左右开始，中国快速追赶，宣布了重大的技术突破和规模可观的政府和商业投资。

2016年中国政府公布了“十三五”规划，将科技创新列为国家核心优先事项，旨在使中国在2030年成为全球创新领导者。为此，该规划要求在包括量子计算和通信研究在内的6个领域创建重大科技项目。这些项目旨在建设国家量子通信基础设施，开发通用量子计算机原型，并建造实用的量子模拟器。

中国“十三五”规划带来了巨大的投资，特别是用于创建专用实验室和量子研发团队的投资。

2017年，中国宣布计划耗资110亿美元建设一个大规模的量子信息科学国家实验室。同样在2017年，国有企业安徽省投资集团成立了一个15亿美元的基金，投资于开发量子技术的中国公司。中国的主要科技企业也纷纷效仿。2017年，阿里巴巴宣布将在未来3年内投资150亿美元进行“基础性和颠覆性技术研究”，包括数据智能、自然语言处理、机器学习和量子计算，并在中国、俄罗斯、以色列和美国建立了七个实验室。

尽管中国在量子信息科学方面取得了重大进展，但许多中国科学家认为，中国落后于世界其他国家。2020年10月，时任清华大学副校长薛其坤在中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行的第二十四次集体学习上作了中国量子发展状况的报告。他指出，尽管取得了重大进展，但是在政策和投资支持、多学科整合和培训方面，中国量子发展面临许多不足和挑战。同月，中国顶尖量子学者郭国平向《环球时报》表示，中国在量子通信领域处于领先地位，但在量子计算领域落后了3-5年。他认为中国的科学研究及其在量子模拟和其他实际用途开发方面存在不足。

报告总结了中国近年来在4个量子领域的重要进展，包括安全通信、计算能力、量子堆栈和量子辅助人工智能。

1.安全通信

量子加密通信与经典加密通信基本相同，密钥在双方之间交换，使双方能够加密和解密相互可理解的数据。量子密钥分发(QKD)不同于经典计算机上的密钥交换，因为密钥是使用量子信道建立的。由于量子特性的作用，任何拦截密钥的尝试都会引起通信双方的警觉，并拒绝向窃听者进行未经授权的解密。尽管美国国防部(DoD)对QKD进行了一些早期测试，但美国在很大程度上拒绝了这项技术。出于各种安全和成本原因，美国国家安全局(NSA)不鼓励为QKD投资，公开评估称，开发和实施抗量子密码技术是比QKD“更具成本效益且易于维护的解决方案”。

量子网络更实际的用途可能是进行分布式量子计算。例如，欧盟已投资10亿欧元用于一项名为“量子旗舰”的计划，旨在使整个欧洲大陆的量子计算机能够相互通信。

中国的第一个重大量子信息科学里程碑与通信安全有关，自那时以来，中国已成为该领域的领导者。中国已经探索了一些QKD的传输机制，并在人口稠密的东部建立了大规模的基础设施。

卫星链路

2017年，中国通过一颗卫星报道了第一个成功的QKD，这颗卫星以中国古代哲学家墨子的名字命名。最初的系统主要用于演示目的。它极易出错，要求密钥只能在夜间发送，以减少阳光的影响。同年，中国报告说，使用“墨子号”卫星与维也纳的奥地利科学院院长进行了第一次洲际量子加密视频通话。

2020年，中国推出了世界上第一个移动量子地面站，该站与“墨子号”成功通信了近8分钟。设备重量仅80公斤，可以装在车内。中国的第十四个五年规划(2021-2026年)将卫星量子网络列为国家重点研究课题。

地面链路

2017年，中国推出了一个拥有2000多公里专用光纤的网络，用于量子通信，将北京和上海的政府和国有商业实体以及中间城市济南和合肥连接起来。该网络采用中继原理，量子密钥必须在32个中间节点(中继器)转换为经典数据，然后再转换回量子数据进行重新传输。

量子通信“京沪干线”

2018年，清华大学的研究人员成功纠缠了25个量子接口链路(又称量子中继器)，远远超过现有记录。这种中继器使用纠缠进行重新传输，而无需进行经典数据转换。2021年，中国科学家报告称，在没有中继器的情况下，通过光纤发送量子密钥超过500公里。

混合网络

截至2021年1月，京沪量子保密通信网络已经扩展到约4600公里，混合了光纤和地面到卫星链路，并支持150多个用户。卫星链路在中国东海岸和中国西部的乌鲁木齐之间建立了连接。

这个网络构成了世界上最大的稳定QKD网络。虽然传输速率仍然很慢，大约5 Kbps，但QKD只通过量子信道传送小的密钥，通过传统方式发送大量加密数据。中国的目标是到2030年建立一个全球QKD网络。

2.计算能力

2020年12月，中国首次宣称实现了量子计算优越性。在《科学》杂志的一篇文章中，一个来自多家中国机构的研究小组报告说，他们已经制造了一台名为“九章”的计算机，它可以在几分钟内完成一个特定的计算，而世界上最强大的超级计算机需要20多亿年才能完成。

2021年，中国又宣布成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机，根据现已正式发表的最优经典算法理论，“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快1024倍。同时，66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现超导体系“量子计算优越性”，计算复杂度比谷歌“悬铃木”提高了6个数量级。

 祖冲之二号量子处理器

3.量子堆栈

必须开发一种新的软件堆栈来利用量子计算机的能力。通常，这些堆栈被视为与量子处理器交互的混合经典计算机，就像今天的许多经典计算机使用GPU来执行渲染图形的专门计算一样。对于量子堆栈中存在哪些特定组件，目前业界还没有共识。

2021年2月，一家名为本源量子的中国公司发布了国内第一个量子操作系统，名为“本源司南”(Origin Pilot)。本源量子表示他们的操作系统优于国外开发的量子操作系统(例如英国的Deltaflow.OS和奥地利的ParityOS)。据报道，本源司南是第一个允许多个进程并行运行(即多任务并行)的量子操作系统，并拥有自动校准等不常见的功能，可提高系统稳定性。

4.量子辅助人工智能

经典计算机上数据处理的实际限制显而易见的。近年来，人工智能在从大型数据集获得新的见解方面非常出色。尽管更大的数据集可以产生更深刻的见解，但它们也需要更多的时间来处理。

根据IBM研发副总裁Norishige Norimoto的说法，“21世纪产生的大量数据需要每年将计算能力翻一番，成本和能耗太高，无法维持。”尽管面临这些挑战，持续的经济和国家安全压力要求从新的和不断增长的数据集获得更深入的见解，这就需要新的数据处理和分析手段。

量子计算可以解决这个大数据问题。例如，量子计算机可以加速机器学习，即创建用于解释数据的加权模型。

近年来，中国大力发展其人工智能能力。2017年，中国政府公布了国家人工智能发展战略——新一代人工智能发展规划，到2020人工智能核心产业规模超过1500亿元，到2030年人工智能技术达到世界领先水平。2019年，科技部发布了《新一代人工智能治理原则——发展负责任的人工智能》。自2015年以来，中国的人工智能市场规模每年增长44%，从估计的20亿美元扩大到110亿美元。

中国量子机器学习的发展取得了一些进展。2018年，大型科技集团百度宣布成立量子计算研究所，专注于量子人工智能和信息科学。2020年5月，该公司发布了中国首款面向量子计算机的开源机器学习和深度学习开发工具包——量浆(Paddle Quantum)。支持机器学习、化学模拟和组合因子分解等主要量子计算研究主题。

最后，该报告列出了中国主要的量子信息技术科研团队，地图中从北往南分别是百度量子计算研究所、阿里巴巴量子计算实验室(北京)、阿里巴巴量子计算实验室(上海)、中兴(上海)、中国科学院上海分院、本源量子、国盾量子、国家量子信息科学实验室、中国科学技术大学、阿里巴巴量子计算实验室(杭州)、腾讯。更多关于中国量子科技公司的信息，可以查看光子盒《国内量子科技公司全览（2021更新版）》。

下图显示了该报告对于三个领域量子计算应用的时间预测，从上往下分别是模拟具有量子特性的复杂系统、破解公钥加密、为人工智能带来优势。其中，格子矩形表示乐观，斜线矩形表示达成共识，红色矩形表示悲观。

1.NISQ计算的近期前景(2023-2040)

NISQ即含噪声中等规模量子，这个概念是由加州理工学院John Preskill教授提出的。NISQ计算机非常适合于研究具有量子特性的系统，也被称为量子模拟。近十年来，已成立和初创的制药公司已经对在药物发现过程中使用量子计算表现出极大的兴趣。

由于NISQ计算机上几乎没有纠错的量子比特，研究人员提出使用量子和经典硬件的“硬件高效”组合来解决问题，其中量子算法只关注经典建模最困难的方面。例如，在化学问题的情况下，该策略将使用量子计算机来制备试验状态并测量相关的期望值。其中，量子计算机解决了经典模拟计算中最困难的部分——优化问题，而不是在量子环境中进行整个模拟。

这种计算策略类似于经典计算机的CPU和GPU。所有经典计算机都有CPU，这是一种通用处理器。一些经典计算机还使用GPU，这是一种专用处理器，用于处理特定的计算问题，如快速绘制图形、深度学习和挖掘加密货币。同样，这种计算策略通过限制在量子计算机上运行的算法数量来管理量子计算机错误随着操作数量增加而增加的问题。

NISQ计算机何时用于量子模拟？运行量子模拟需要大约150个纠错的量子比特，每个量子比特需要数十个到数千个物理量子比特来进行纠错和稳定。虽然NISQ计算机将很快在这方面变得足够强大，但量子比特迅速坍缩并产生高错误率的趋势极大地限制了可评估问题的复杂度。此外，随着纠缠量子比特数量的增加，它们产生噪声或坍缩的可能性也随之增加。

到21世纪20年代末，NISQ计算机将有可能在各种情况下运行量子模拟。

● 目前最乐观的估计是高盛和量子计算即服务公司QC Ware，他们预测量子计算机将在2024年至2026年用于化学模拟。博思艾伦对这一预测持保留态度。

● 到21世纪20年代末，量子计算机在量子模拟方面的表现通常会优于经典计算机。例如，欧盟的量子旗舰计划估计，到2030年左右，原型量子模拟器将在化学和材料科学相关领域胜过超级计算机。

● 波士顿咨询集团(BCG)等更为悲观的预测者指出，更为乐观的估计高度依赖于某些公司和研究人员达到预期的技术里程碑，意味着量子模拟可能要到2040年才能实现。他们指出，在经典计算机上的小分子模拟已经发展成熟，这意味着量子计算机必须在表现出性能改进之前充分成熟。

● 中国政府对未来几年量子计算前景的预测是乐观的。在“十四五”规划中，中国设定了2025年的目标，即拥有量子模拟器，可在解决几个不同的问题和操纵数百个纠缠量子比特方面超越经典计算机。中国顶尖科学家指出，中国在量子模拟方面落后于美国。

2.通用量子计算的远期前景(2030-2050)

通用容错量子计算机在高级模拟、搜索和优化方面优于经典计算机，但这将需要较长的开发时间。尽管大多数NISQ计算机是通用的，但由于无法纠正错误，因此限制了它们用很少的计算步骤来解决问题。在等待其他解决方案之前，纠错将需要创建抽象的纠错“逻辑”量子比特，每个量子比特包含数千个物理量子比特。达到这一点将是一个巨大的工程挑战。

一般来说，通用容错开发里程碑预计将在21世纪30年代达到。谷歌和IBM的目标是分别在2029年和2030年开发通用量子计算机。BCG估计，这一里程碑将在2031年至2042年之间的某个时候实现。2020年12月，中国量子计算科学家同样估计，中国将在2035年至2040年之间开发一种通用量子计算机。

美国国家科学院、工程院和医学院认为这一里程碑非常遥远，以至于不可预测。他们认为，由于缺乏关于如何连接量子模块以创建大规模量子计算机(>1000个容错量子比特)的现有研究，因此无法评估这一技术挑战的难度。

一旦大规模容错量子计算机建成，今天广泛使用的所有公钥密码算法都将易受攻击。该报告引用了今年早些时候的一篇论文，表示破解RSA-2048需要4098个容错(逻辑)量子比特或2000万个含噪声的量子比特。什么时候可以建造这样一台计算机？通常估计的最早时间是2030年左右，而最常见的保守估计是2040年至2050年。

值得一提的是，最新的研究表明，破解RSA-2048可能不需要2000万物理个量子比特，法国新能源与原子能委员会的研究人员证明，通过将量子存储器集成到量子计算机中，13436个量子比特即可破解RSA-2048，比此前研究中所需的量子比特数减少了3个数量级。

3.量子计算的进一步发展(时间未知)

这一时期，该报告设想的应用是量子辅助人工智能。量子辅助人工智能需要大量的工程和计算机科学进步才能变得有用。一些研究人员认为，虽然即使是普通的NISQ计算机理论上也拥有足够的计算能力来执行机器学习，但所需的纠错量导致实际上无法使用。因此，量子系统上的人工智能可能需要未知的大量高度稳定或纠错的量子比特。此外，为了将庞大的经典数据集转换成存储在量子比特上的数据，很可能必须创建新形式的存储器——暂定名为QRAM。

最后，在量子辅助AI被认为有价值之前，必须开发出新的量子辅助AI模型，其速度明显快于经典AI模型。正如今年1月发表在《自然》杂志上的一篇论文所述，“量子计算机可能能够加快小数据集上的复杂计算速度，但在解决大数据集上的问题时优势较小。”

考虑到大量的未决问题，目前还不清楚量子计算何时会对人工智能产生有意义的影响。

2021年，来自印度几所大学的一组研究人员发现，量子计算对于推动人工智能和机器学习发展方面有很大的前景，但相关研究主要是理论性的，几乎没有任何实验证明它将如何实际应用。

欧盟的量子旗舰计划估计，到2030年左右，量子计算机在与人工智能相关的优化问题上的表现将优于超级计算机。

报告下载：

https://www.boozallen.com/expertise/analytics/quantum-computing/chinese-cyber-threats-in-the-quantum-era.html

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