“Q-day”倒计时！路透社特别报道：中美量子竞赛，谁主沉浮？

光子盒研究院

保护数字通信的加密技术有朝一日可能会被量子计算机破解。这一天被称为“Q-day”，它可能会颠覆全球的军事和经济安全。

现在，各大国都在为抢占先机而奋力冲刺。

今年2月，一家加拿大网络安全公司向美国国防部发布了一份不祥的预测。量子防御公司（QD5）的团队警告说，美国的秘密——实际上是每个人的秘密，现在都面临着暴露的风险。

QD5的执行副总裁蒂洛·昆兹（Tilo Kunz）告诉美国国防部信息系统局的官员，可能最快在2025年，世界就会迎来被称为“Q-day”的一天，届时，量子计算机将使当前的加密方法失去作用。他告诉负责保护美军通信的美国国防信息系统局，比当今最快的超级计算机强大得多的机器将有能力破解保护几乎所有现代通信的密码。

与此同时，昆兹告诉专家小组，全球正在努力掠夺数据，以便在“Q-day”之后对截获的信息进行解码，根据该机构后来公开的会议录音，他将这种攻击称为“现在收获，稍后解密”。

军队的长期计划和情报收集工作将暴露在敌人面前。企业的知识产权可能被窃取。人们的健康记录也会暴露无遗。

昆兹说：“并非只有我们在收集信息，也并非只有我们希望在未来解密信息。所有通过公共网络发送的信息都存在风险。”

加拿大网络安全公司QD5执行副总裁蒂洛·昆兹（Tilo Kunz）预测，到2025年，量子计算机可能有能力破解保护大多数数字通信的加密技术，从而使军事机密、健康记录、金融数据和其他敏感信息面临风险

昆兹是越来越多发出这种警告的人之一。许多网络专家认为，所有大国都在“Q-day”之前收集信息。美国和中国作为世界领先的军事强国，相互指责对方大规模收集数据。

美国联邦调查局局长克里斯托弗·雷（Christopher Wray）9月份说，中国的“黑客计划比其他所有大国加起来都要庞大”。在9月份的一份报告中，中国国家安全部指责美国国家安全局“有系统地”攻击窃取中国数据。

美国国家安全局拒绝就中国的指控发表评论。

比破解密码更危险的是量子计算机。研究人员说，利用亚原子粒子神秘特性的量子计算机有望在科学、军备和工业领域带来突破。

对于“Q-day”的到来，众说纷纭。量子计算还处于相对早期的阶段：迄今为止，只有处理能力有限、容易出错的小型量子计算机被制造出来。一些研究人员甚至估计，“Q-day”可能会在本世纪中叶才到来。

没有人知道谁会率先实现这一目标。美国和中国被认为是这一领域的领头羊；许多专家认为美国仍占据优势。

随着掌握量子计算的竞赛仍在继续，保护关键数据的争夺也在进行。华盛顿及其盟国正在研究被称为“后量子密码学”的新加密标准——从本质上讲，即使是量子计算机也很难破解的密码。

北京正试图开创量子通信网络，据研究人员称，这种技术理论上不可能被黑客破解。领导中国政府这一努力的科学家在中国已小有名气。

量子计算截然不同。传统计算机以比特形式处理信息：要么是1，要么是0，而且一次只能处理一个数字。量子计算机以量子比特处理信息，量子比特可以是1、0或介于1和0之间的任何数字，所有信息同时处理，物理学家称这是一种描述复杂数学概念的近似方法。

这些计算机还利用了量子力学的一种神秘特性——纠缠。光子或电子等粒子可以纠缠在一起，即使相隔遥远，也能保持联系；同时，一个粒子的变化会立即反映到另一个粒子上。物理学家和计算机科学家说，量子比特和纠缠的特性是量子计算机的基础，有可能使当今大型超级计算机无法进行的计算得以实现。

商业顾问预测，到下一个十年中期，这种处理能力将带来数千亿美元的额外收入。甚至在这些计算机出现之前，一些人就预测量子技术的进步将大幅提高一些军事硬件的性能。

量子技术公司Q-CTRL的创始人兼首席执行官迈克尔·比尔库克（Michael Biercuk）解释说：“量子技术在21世纪的变革意义可能不亚于19世纪将电力作为一种资源加以利用。”

迈克尔·比尔库克（Michael Biercuk）是前五角大楼顾问，他创建了总部位于悉尼的量子技术公司Q-CTRL，他说，量子计算机破解加密的潜力推动了该领域的发展和投资

Q-CTRL的比尔库克是美国人，现任悉尼大学量子物理学教授，曾担任五角大楼创新孵化器美国国防部高级研究计划局的顾问。他说，美国政府在20世纪90年代将量子视为一个“大机遇”，并从那时起一直在资助研究。

QD5的昆兹在向五角大楼介绍情况时，引用了他所说的史上最成功的“先收获后解密”行动之一：维诺那（Venona）项目。

维诺那项目于1943年启动，是美国历时37年的努力，旨在破译美国人在二战期间和二战后收集的苏联外交通讯。根据中央情报局的文件，美国密码破译人员在盟国的协助下，从1940年至1948年间苏联情报机构发送的数千条信息中破译出2900多条电报。

电报披露了苏联针对美国及其盟国的大量情报活动。中央情报局的文件显示，密码破解政变导致发现了苏联对曼哈顿计划（制造第一批原子弹的绝密计划）的渗透，以及剑桥五人组（一群为莫斯科从事间谍活动的英国高级公务员）的存在。

西方的突破是意识到苏联滥用了所谓的一次性密码：这是一种久经考验的加密方式，使用密钥对双方之间发送的信息进行编码。这种方法之所以得名，是因为在其最早的形式中，密钥被印在一个垫子上，垫子的每一页都包含一个唯一的代码；使用一次后，最上面的一页就会被撕掉并销毁。

苏联人的失策是在一次性密码本上印制并在有限的时间内使用重复的密码页。根据中央情报局的文件，这使得盟军分析人员能够在多年后煞费苦心地解密一些信息。

网络安全专家说，要真正做到牢不可破，一次性密码匙必须是一组随机数，其大小等于或大于信息的大小，而且只使用一次。接收信息的一方使用相同的密钥对信息进行解密。

冷战期间，东德秘密警察斯塔西（Stasi）特工用来发送加密信息的一次性密码键盘

1943年，美国陆军信号情报处的密码专家在弗吉尼亚州阿灵顿工作

这种方法发明于一个多世纪前，几十年来一直被大多数大国用于秘密信息的传递。但由于技术因素，这种方法过于笨重，无法在现代进行大规模的安全通信。

取而代之的是，如今大多数通信都使用所谓的公钥基础设施（PKI）来确保安全，这是20世纪70年代为实现大规模加密而开发的一种系统。

PKI使互联网经济和开放式电信系统得以兴起。电子邮件账户、网上银行和安全信息平台的密码都依赖于它。PKI对大多数政府和国家安全通信也至关重要。

比尔库克说，PKI 提供的安全性主要源于将信息隐藏在一个非常困难的数学问题背后。创建和管理用于加密的高难度数学问题的最广泛使用的算法被称为RSA，源自其发明者的姓氏首字母：计算机科学家和密码学家罗恩·里韦斯特（Ron Rivest）、阿迪·沙米尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德尔曼（Leonard Adelman）。

可能即将发生的变化是，量子计算机将轻而易举地解决这些问题。

比尔库克说：“如果你有一台计算机，这个数学问题对它来说并不难，所有这一切都岌岌可危。”

总部位于蒙特利尔的QD5是一家私营公司，昆兹在该公司担任执行副总裁。该公司开发了一种先进的一次性密码键盘：一种名为Q PAD的设备，声称客户可以用它在现有网络上进行通信，而且永远无法破解。今年2月，五角大楼的官员向昆兹提出了有关该技术的问题，但他们指出，这次信息交流会并不一定表示有意购买Q PAD系统。

前加拿大士兵昆兹在接受采访时说，他在侦察部队服役时第一次了解到一次性衬垫。

他说：“这非常简单直接。每次使用这些纸张时，都必须将其销毁。如果你只有这两把钥匙，并遵守规则，信息可能会被截获，但敌人永远无法破解。”

首席技术官加里·斯瓦顿（Gary Swatton）也说，QD5克服了原来一次性密码键盘的一些局限性。大规模使用这种方法的一个障碍是需要生成足够多的真正随机数集，以便为现代通信网络提供加密服务。在量子技术出现之前，这需要花费大量的时间和精力。

研究人员表示，现在，专门设计的半导体芯片和硬件（称为量子随机数发生器）可以利用亚原子量子粒子的真正随机性来大量生成数集。斯瓦顿说：“技术已经迎头赶上，正在解决这些问题。”

其他公司也希望抓住人们对更好安全性的需求。纽约的SandboxAQ公司是从谷歌公司Alphabet分拆出来的，该公司成立了一个部门，帮助客户应对来自量子计算的威胁，并充分利用这一强大技术的优势。

SandboxAQ公司的量子安全总经理马克·曼萨诺（Marc Manzano）说：“即使‘Q-day’还要等十年或更久，企业现在就必须开始为向后量子加密技术迁移做准备。”

一些人预计会出现动荡。加利福尼亚州圣马特奥量子安全公司QuSecure的创始人兼首席运营官斯基普·桑泽里（Skip Sanzeri）说，“整个互联网和与之相连的设备”都将受到影响。据世界经济论坛估计，在未来20年内，将有200亿台设备需要升级或更换，以达到量子安全标准。

桑泽里说：“这将是一次价值 1,000 亿美元或数万亿美元的升级。”

虽然量子计算有可能颠覆现有的安全措施，但也可以利用这项技术背后的物理学原理来构建理论上无法破解的网络。

在量子通信网络中，用户通过被称为光子的亚原子粒子交换密钥或代码，从而对数据进行加密和解密。这被称为量子密钥分发，或QKD。这是量子力学的基本特性之一，可以确保通信安全。

物理学家解释说，任何试图监控或干扰这些量子粒子的行为都会改变它们。这意味着任何试图拦截通信的行为都会立即被用户察觉。如果通信双方收到的加密密钥没有被破坏，他们就可以确信随后的通信是安全的。

提供量子通信技术的瑞士私人公司ID Quantique（IDQ）的首席执行官、物理学家格雷瓜尔·里博迪（Gregoire Ribordy）说：“对于量子网络，我们的技术安全来自物理定律。截获通信而不留下痕迹是不可能的。”

量子通信是中国投入巨资的一个领域。即使华盛顿和其他竞争对手率先达到“Q-day”，该技术也有可能保护北京的数据网络。

据官方新华社报道，习近平主席在2020年对中国高层领导人的讲话中强调了量子技术的“战略价值”。在习近平的领导下，中国制定了主导量子科学的明确目标。据估计，中国在量子研究方面的投入超过了其他任何国家。

麦肯锡公司在今年4月的一份报告中估计，中国政府已宣布累计投入153亿美元用于量子研究，是美国37亿美元的四倍多。

潘建伟是中国探索量子技术的主要推动者，他是一位物理学家，在中国享有名人地位，并得到了一致的赞扬和支持。

2023年5月，潘建伟在上海的中国科学技术大学。这位物理学家帮助中国实现了量子技术的雄心壮志，他领导的团队于2016年发射了世界上第一颗量子卫星

现年53岁的潘教授是中国科技大学的教授，该校是中国首屈一指的量子研究机构。2011年，他当选为中国科学院院士，这是授予在各自领域取得重要进展的科学家的荣誉。

潘建伟在接受媒体采访时曾表示，他希望让中国成为量子技术的领导者，同时建立一个不受网络攻击的安全互联网。安全专家说，这将达到重要的战略目的。它将保护国家安全和军队免受黑客攻击，尤其是在冲突中。他们说，一个经过量子加固的互联网可以保护重要的基础设施，以杜绝任何安全挑战。

他曾在维也纳师从著名物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）攻读博士学位。蔡林格因其在量子力学方面的研究成果而分享了2022年诺贝尔物理学奖。潘后来转到海德堡大学，2008年回国。

回到中国后，潘建伟带领团队于2016年发射了世界上第一颗量子卫星“墨子号”（Micius），这颗卫星被用来与中国的地面站建立安全的通信联系。

次年，他的团队和奥地利的研究人员利用“墨子号”举行了世界上首次量子加密电话会议，连接了北京和维也纳。据报道，潘建伟还带领团队在中国建立了一个类似的地面网络，连接北京、济南、上海和合肥等城市。

尽管中国在官方资助方面明显领先，但一些研究人员表示，由于其私营部门的技术创新者、政府实验室、大学研究人员和合作盟友，美国仍然是量子领域的整体领导者。华盛顿正着手限制美国对中国量子能力的投资。

今年8月，拜登总统签署了一项行政命令，指示美国财政部监管美国在量子计算、半导体和人工智能领域的投资。该命令的附件将中国及其特别行政区香港和澳门列为关注国家，这可能导致禁止对中国生产的量子技术和设备进行投资。

在全球范围内，政府安全机构和私营部门正在研究战胜量子计算机的策略。

今年8月，美国国家安全局和其他机构敦促公众和公司采取新措施，利用后量子加密技术保护通信安全。

经过广泛评估，美国国家标准与技术研究院（NIST）去年选出了四种所谓的后量子加密算法（PQC）：一些网络专家认为它们将提供长期安全保障的新加密标准。

拜登在5月份的一份备忘录中透露，美国政府机构预计将于明年发布后量子加密技术的新标准。美国国家标准与技术研究院（NIST）在8月份表示，它正在努力实现这些算法的标准化，这是让企业广泛使用这些工具来升级加密的最后一步。

SandboxAQ的曼萨诺说，他的公司正在与一些全球最大的公司和政府机构合作，将即将推出的PQC加密算法集成到它们的系统中。桑泽里也表示，QuSecure正在与政府和私人客户合作，升级到PQC。

不过，并非所有人都认为新算法能提供可靠的安全性。昆兹告诉路透社，随着量子计算机的改进，新的密码最终可能会被破解。“问题在于，PQC并非牢不可破。”他说：“它并不能解决‘先收获，后解密’的问题”。

IDQ的里博迪说，今天的经典计算机也有可能破解这些新代码。他指出，PQC核心的复杂数学问题“非常新”，还没有得到广泛研究。

NIST发言人说，该机构“对被选为标准化的PQC算法的安全性有信心，（否则）我们就不会将其标准化。专家们对这些算法进行了研究，并通过了密集的评估过程。”他补充说，这些算法被破解并非不可避免，甚至不是一个“安全的假设”。

与此同时，数字保密者面临的一个挑战是，每当“Q-day”到来时，量子密码破译者都不太可能宣布他们的突破。相反，他们可能会保持沉默，以便尽可能长时间地利用这一优势。

昆兹告诉五角大楼小组，“我们不一定知道密码何时被破解。我们可能会发现困难重重。但可以预料的是，它们会被破解。”

事实上，现在世界正处于一场基于量子力学的计算革命的风口浪尖。美国政府的科学家将量子科学解释为“描述微小事物行为的规则”。

这个领域充满了惊喜，即使对专家来说也是如此。已故理论物理学家、诺贝尔奖获得者和量子计算的先驱理查德·费曼（Richard Feynman）形容这个领域“对每个人——无论是新手还是经验丰富的物理学家，来说都是奇特而神秘的，因为它与人们体验和感知较大物体的行为和特性的方式大相径庭。”

量子力学是在20世纪初的几十年里由物理学界的一些大腕逐步发展起来的。总部位于华盛顿的战略与国际研究中心（Center for Strategic & International Studies）的一份报告称，近几十年来，出现了一系列潜在的应用，包括计算，目前有十多个国家正在进行相关研究。

量子计算的转折点出现在1994年，当时美国数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了一种算法——一种执行计算的数学程序，表明量子计算机可以用来解决经典计算机无法解决的问题。

破译密码很可能是一个重要的早期应用。网络安全专家认为，这些计算机有望在几分钟内破解加密代码，而不是像目前的计算机那样需要数千年的时间。

据业内专家称，北美是量子计算的中心。制造量子处理器的美国公司包括IBM、亚马逊、英特尔、谷歌、Quantinuum、IonQ、微软、量子计算公司和 Rigetti Computing。在加拿大，D-Wave Systems和Xanadu Quantum Technologies已成为先驱。

2020年，IBM研究员Maika Takita博士在该公司位于纽约约克敦高地的量子实验室研究量子计算机

麦肯锡最近的一份报告显示，截至2022年，美国、加拿大和英国是该领域初创企业数量最多的国家。

据媒体报道，今年1月，有位于安徽省的中国量子计算公司宣布，已向用户交付了一台完全自制的量子计算机。包括腾讯在内的一些中国科技巨头也在研究量子计算。

可以肯定的是，在这些计算机真正派上用场之前，必须克服巨大的工程挑战。物理学研究人员表示，到目前为止，世界各地的实验室只制造出了拥有相对较少量子比特的小型计算机。这些计算机非常脆弱，硬件很容易受到“噪音”的影响，如地球磁场或其他电磁信号的波动，从而导致错误。

而且它们仍然太小，无法解决一些具有挑战性的问题，包括破译密码。

不过，一些早期的量子计算机目前已被用于多个领域的初步研究。例如，据IBM称，汽车巨头梅赛德斯-奔驰公司正在使用IBM量子计算机设计更好的电池。一些技术专家预测，这些计算机很快会变得更加有用。他们说，将这些早期机器与传统处理器结合起来，可以在解决复杂问题方面取得重大改进。

波士顿咨询公司（BCG）在今年5月的一份报告中预测，企业最早将在2025年从量子计算中获益。该公司在报告中说，到2035年左右，量子数据处理有可能为用户带来高达8500亿美元的收入。

参考链接：

[1]https://www.reuters.com/investigates/special-report/us-china-tech-quantum/#sidebar-quantam

[2]https://www.reuters.com/graphics/USA-CHINA/QUANTUM/gkplxnozqpb/

[3]https://thelaymanspeaks.medium.com/a-quantum-encryption-battle-between-world-powers-ca7b2b5700a5

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