划重点：

1、如果量子计算机技术被某超级大国控制，并在保密的状态下率先投入使用，其破坏性和威力相当于信息对抗的原子弹，对于还没有掌握量子计算机技术的国家来说，这将是一场灾难。

2、美国将半导体量子芯片科技列为未来9大战略研究计划的第二位，并仿照当年曼哈顿工程制造原子弹的成功先例，投巨资启动“mini- Manhattan project”（微型曼哈顿计划），以期占领未来量子计算技术的战略制高点。

3、量子计算机“是我国改变目前在微电子工业受制于人的被动局面的新机遇，我们不能再重蹈没有核‘芯’技术的旧辙，应当在起跑线上采取有力措施，参与这场关系到国家重大利益的激烈竞争。”

12月4日，国内科技界曝出一条重要新闻，中科大潘建伟、陆朝阳研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出76个光子100个模式的量子计算原型机“九章”。

之前，美国、加拿大、欧洲等国家和地区已陆续公布不同规格的量子计算机原型机消息，注意，“原型机”意味着是概念机，并未正式大规模商用化。在人类科技史上，在概念机阶段就被媒体炒得热火朝天的，大概只有量子计算机了。

潘建伟

为何它会吸引如此多的关注？答案是量子计算机可以颠覆一切，是国家间高技术竞争的下一个制高点，是未来信息对抗的“原子弹”。

01近40岁的量子计算机

量子计算机虽然近年来才走进公众视野，但其实很有一些年头了，最早可以追溯到1981年。

那一年，美国物理学家理查德.费恩曼在一份题为《Lecture on Computation》讲义中，大开脑洞阐述了量子计算机理论：

世界是量子的而非经典的，那么对世界的模拟必然是对量子系统的模拟；在经典图灵机上完整地模拟量子系统所需的时间，将随系统复杂度成指数级增长，即使对一个微型量子系统，完整模拟所需的时间也是不切实际的天文数字；既然如此，如果用基于量子机制的计算机来模拟量子系统，那么所需要的运算时间可大幅减少。费恩曼不仅提出了量子计算机理论，还提出了量子计算机的概念：无论如何，物理定律并不妨碍缩小计算机尺寸来提高计算机性能，在原子尺度上，运用量子机制一样可以实现通用计算机，也就是量子计算机。这种计算机由量子器件组成，运用叠加原理、纠缠等量子机制，对量子信息进行测量、存储、运算和通信。

理查德.费恩曼

既有理论，又有概念机架构，费恩曼因此成为量子计算机的开山鼻祖。

只是，费恩曼建立量子计算机这个门派的时间相当超前，因为1980年代，传统的硅芯片计算机发展正如火如荼，准确地说正处于快速上升阶段，CPU大战刚刚启幕，英特尔还是一家中型公司，正在和摩托罗拉、齐洛格公司苦战。当时，摩尔定律获得行业认可不久，集成13.4万个晶体管的一代经典CPU 80286，在费恩曼提出量子计算机理论两年后才推出。

所以，费恩曼创立的量子计算机门派一点也不热闹，在这个门派走动的人基本都是物理学家，做的都是纸上谈兵的工作：用纸和笔进行理论推导。

直到1994年，贝尔实验室彼得·秀尔（Peter Shor）提出一种算法后，量子计算机的舆论热度才逐渐上升，慢慢变成刷屏的热门话题。

02信息对抗的“原子弹”

秀尔的算法是一种专用的搜索破译算法，它的扩展算法可以攻破所有能够转换成广义离散傅立叶变换的公钥密码，包括目前广泛使用的RSA、DH和ECC等加密算法产生的密钥。

这三种加密算法看起来比较专业晦涩，其实记住一条就好，我们的银行账户、互联网账户密码等的加密、数字签名，包括现在大名鼎鼎、近1.9万美元/枚的比特币，都离不开上述算法加密。

在量子计算机面前，即使我们不断增加这类密码的密钥长度，也不过是给破译工作增加了一点点难度而已。这样，信息安全领域的平衡被打破，量子计算机这把“矛”，可以轻易刺穿任何坚固的“盾”。

如果量子计算机技术被某超级大国控制，并在保密的状态下率先投入使用，其破坏性和威力相当于信息对抗的原子弹，对于还没有掌握量子计算机技术的国家来说，银行、网络、商业等领域无密可保，假冒的证书和数字签名泛滥，整个国家的经济、军事安全大门洞开，将面临被信息帝国主义、信息恐怖主义降维打击的可能。

为对抗量子计算机对信息安全的挑战，“抗量子计算的公钥密码”成为国家间竞争的技术制高点，并且拉开了序幕。相应的研究也成为重点课题。2006年和2008年，分别在比利时和美国辛辛那提大学召开了“抗量子密码学会议”（Post-Quantum Cryptography），这两届会议提出了应对量子计算机的基本对策。

在工程应用层面，已经有三种互相竞争的公钥密码方案，包括有美国NTRU公司的NTRU公钥密码体制，日本NTT公司Okamoto实验室推出的OTU2000体制，以及MQ公钥密码体制。

这三种技术方案，MQ属于公共技术范畴，缺点明显，应用少，NTRU最成熟，开发出一系列示范性产品，包括IC卡、手机、3G、无线互联网、电子商务、可信计算等，看起来是最佳选择，但它有美国政府背景，很难被独立主权国家采用。

我国自主抗量子计算公钥密码的研究，公开的信息显示是始于2007年，由武汉大学信息安全研究所承担；2008年，我国著名信息安全专家张焕国教授领导的密码研究团队，开始在“有理分式公钥密码体制”的基础理论、安全性分析、算法优化、软硬件实现等方面开展研究，已取得一些实际成果。

当然，国家间竞争的主线还是量子计算机技术本身，就看谁能抢得先机，制造出信息安全对抗的“原子弹”。

03微型曼哈顿计划

1998年，由牛津大学、斯坦福大学、麻省理工学院和IBM联手合作，首次实现了2个量子位的计算。

3年后的2001年，由1万亿亿（数据没有错）个分子组成的7个量子位的机器完成了秀尔算法，但是运算的结果看起来比较雷人，只是证明了15能被3和5整除。量子计算机初试啼声虽然细若蚊蝇，但至少证明软件上秀尔算法可行，硬件上量子计算机能够运作。

很快，许多国家就意识到，量子计算是芯片突破摩尔定律的必然产物，将成为后摩尔时代具有标志性的新技术，以及未来信息技术的战略制高点。2006年1月31日，美国总统布什宣布了“美国竞争力计划”，其中第四条即为“突破技术障碍，实现量子信息处理技术的实际应用”。

美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）负责人Tether博士，在向美国众议院军事委员会做报告时，将半导体量子芯片科技列为未来9大战略研究计划的第二位，并仿照当年曼哈顿工程制造原子弹的成功先例，投巨资启动“mini- Manhattan project”（微型曼哈顿计划），集中了包括Intel、IBM公司等半导体界巨头，以及哈佛大学、普林斯顿大学、Sandia国家实验室等著名研究机构，在国家层面上组织各部门跨学科统筹攻关，以期占领未来量子计算技术的战略制高点。

对此，中国科学技术大学教授、量子信息学家、中国科学院院士郭光灿认为，“微型曼哈顿计划”一旦突破将产生巨大的效果，大大增强其战略竞争能力，因特网、卫星定位系统、隐形飞机等就是成功的例子。

“微型曼哈顿计划”犹如扣响了国家之间量子计算机竞赛的发令枪。日本和欧盟在美国的刺激下也启动类似计划。我国“中长期科技发展纲要”也将“量子调控”列入重大基础研究计划，但郭光灿认为，在保持“量子调控”重大专项的基础上，我们还迫切需要另一个类似于“微型曼哈顿计划”，有一定冒险性的专项计划，组织国内精锐研究队伍，在下一代量子芯片的国际竞争中抢占战略制高点。

量子计算机“是我国改变目前在微电子工业受制于人的被动局面的新机遇，我们不能再重蹈没有核‘芯’技术的旧辙，应当在起跑线上采取有力措施，参与这场关系到国家重大利益的激烈竞争。”2010年，郭光灿院士在著作中如是说。

郭光灿

目前的情况是，我国已经启动量子通信和量子计算机的重大项目里，对光、超导、超冷原子等方向上都做出相应的布局。“九章”就属于其中的光量子计算机，谷歌的“悬铃木”则属于超导类量子计算机。

中美在量子计算机赛道上的你追我赶，或许说明，在下一代计算技术面前，我们有望扭转现在芯片技术受制于人的局面。

——END——

附全球近年公开报道的量子计算机研发成果：

2009年，首台固态量子微处理器（硅基）在耶鲁大学制成。2012年，大卫.维因兰德（David Wineland）和赛尔日.阿罗什（Serge Haroche）两人，因为对量子系统的操作和测量研究工作获得诺贝尔奖。2013年，Google和美国国家航天航空局开办了一个量子人工智能研究实验室。2015年，IBM和澳大利亚新南威尔士大学发布能够大批量相连的量子电路。2017年，中国科学技术大学潘建伟团队联合浙江大学王浩华研究组，构建出10个超导量子比特的量子计算机。2019年，谷歌发布53个量子比特的量子计算机原型机“悬铃木”。2020年，潘建伟团队和中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出76个光子的量子计算原型机“九章”。

主要参考资料：

《量子计算机开机》，作者/Roman lkonicoff, Oliver Lapirot；

《费恩曼与量子计算机》，作者/黄安平，张新江，王文玲，肖志松

《国外量子计算机进展、对信息安全的挑战与对策》，作者/管海明

《量子计算机的发展现状与趋势》，作者/郭光灿 周正威 郭国平 涂涛

#九章量子计算机能实现量子霸权吗#