說明:在國(guó)內(nèi)科技界“抗量子”和“后量子”這兩個(gè)術(shù)語都較為常用。“抗量子”這一表述,強(qiáng)調(diào)密碼技術(shù)能夠抵御量子計(jì)算機(jī)攻擊的特性,突出其功能性和目標(biāo),例如“抗量子密碼算法”“抗量子攻擊護(hù)盾”等;“后量子”的說法,則更側(cè)重于描述在量子計(jì)算時(shí)代背景下,密碼技術(shù)所處的新發(fā)展階段或新的技術(shù)范疇,比如“后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)”“后量子加密方案”等。本文根據(jù)具體語境對(duì)這兩個(gè)術(shù)語進(jìn)行了酌情使用。
引言
網(wǎng)絡(luò)安全是數(shù)字世界的基石,守護(hù)全球經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全與個(gè)人隱私命脈,其重要性不言而喻。量子計(jì)算的崛起為這一領(lǐng)域帶來顛覆性挑戰(zhàn),其超強(qiáng)的計(jì)算能力威脅傳統(tǒng)加密體系,動(dòng)搖數(shù)字信任根基。本文聚焦美國(guó)量子計(jì)算新規(guī)的戰(zhàn)略意義和量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,為我國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全的未來發(fā)展提供參考。
一. 美國(guó)政府后量子密碼新規(guī)的戰(zhàn)略意義
(一)后量子安全政策的演進(jìn)脈絡(luò)
美國(guó)商務(wù)部下屬的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,以下簡(jiǎn)稱NIST)在后量子安全領(lǐng)域的政策演進(jìn)為全球網(wǎng)絡(luò)安全提供了戰(zhàn)略指引,展現(xiàn)了從技術(shù)研發(fā)到政策落地的系統(tǒng)性布局。以下是2016年以來NIST針對(duì)后量子安全領(lǐng)域發(fā)布的政策文件——
(圖:2016年以來,NIST發(fā)布的后量子安全領(lǐng)域的相關(guān)政策文件,圖片來自NIST官網(wǎng))
自NIST在2024年正式發(fā)布首批后量子密碼聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)以來,美國(guó)政府機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界在向后量子安全遷移方面,形成了一套環(huán)環(huán)相扣、全面且系統(tǒng)的推進(jìn)體系。這一系列舉措不僅有助于美國(guó)在量子計(jì)算時(shí)代搶占信息安全領(lǐng)域的戰(zhàn)略高地,也為全球后量子密碼技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了重要的借鑒范例。具體來說,從2024年以來,美國(guó)政府在推進(jìn)后量子安全方面主要?jiǎng)討B(tài)如下——
(圖:后量子密碼學(xué)發(fā)展時(shí)間線,圖片來自Gartner)
(二)先收集后解密威脅的戰(zhàn)略緊迫性
全球網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為,隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)有大量加密數(shù)據(jù)未來可能被量子計(jì)算機(jī)破解,面臨長(zhǎng)期安全風(fēng)險(xiǎn)。攻擊者可能會(huì)提前收集這些加密數(shù)據(jù),等待量子計(jì)算能力成熟后進(jìn)行解密,先收集后解密威脅(Harvest Now, Decrypt Later,也可簡(jiǎn)稱HNDL威脅)已成為網(wǎng)絡(luò)安全的重要挑戰(zhàn)。為此,全球范圍內(nèi)的政府和企業(yè)正加快推進(jìn)后量子密碼技術(shù)的研究和應(yīng)用,以保障數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期安全。
(圖:NIST在2016年關(guān)于后量子密碼學(xué)的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了量子計(jì)算對(duì)常見密碼算法的影響,圖片來自NIST官網(wǎng))
(圖:惡意行為者截獲加密信息并存儲(chǔ)以供未來解密,圖片來自https://www.cyber.gc.ca/en/guidance/preparing-your-organization-quantum-threat-cryptography-itsap00017)
整體來看,應(yīng)對(duì)HNDL威脅需要全球從被動(dòng)防御轉(zhuǎn)向主動(dòng)規(guī)劃,加強(qiáng)跨國(guó)協(xié)作以協(xié)調(diào)技術(shù)發(fā)展與隱私保護(hù)。各國(guó)可通過建立合作機(jī)制、共享技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方式,在推動(dòng)后量子技術(shù)應(yīng)用的同時(shí),完善數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)規(guī)則,實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步與安全防護(hù)的平衡。
(三)政府與行業(yè)的協(xié)同實(shí)踐
目前,美國(guó)在多個(gè)領(lǐng)域積極推動(dòng)后量子密碼技術(shù)落地實(shí)踐。政府安全機(jī)構(gòu)與科技企業(yè)紛紛搶在大型量子計(jì)算機(jī)問世前,加速部署抗量子算法。2025年5月,美國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全與基礎(chǔ)設(shè)施安全局(CISA)便敦促聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在新簽訂的合同中,開始應(yīng)用后量子密碼技術(shù)。隨著白宮提出在2035年前化解量子風(fēng)險(xiǎn)的要求,美國(guó)政府與行業(yè)正從強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知階段,轉(zhuǎn)向切實(shí)推進(jìn)加密技術(shù)升級(jí)[7]。
大型科技公司也在加快行動(dòng)步伐。微軟近期于Windows和Linux預(yù)覽版系統(tǒng)中,新增對(duì)后量子加密算法的支持,為企業(yè)提供了在真實(shí)環(huán)境下測(cè)試量子安全協(xié)議的契機(jī)[8]。這一早期體驗(yàn)計(jì)劃,允許組織機(jī)構(gòu)在沿用傳統(tǒng)RSA/ECC方案的同時(shí),嘗試新的密鑰交換與數(shù)字簽名方案,以便在量子攻擊出現(xiàn)前,提前解決技術(shù)集成問題。
(圖:Windows引入ML-KEM/ML-DSA算法,推進(jìn)后量子密碼技術(shù)實(shí)踐,圖片來自https://techcommunity.microsoft.com/blog/microsoft-security-blog/post-quantum-cryptography-comes-to-windows-insiders-and-linux/4413803)
目前,基于格密碼與基于哈希密碼的加密方式均已獲得官方認(rèn)可,美國(guó)和歐洲相關(guān)部門正著手制定具體的推廣實(shí)施步驟。全方位保護(hù)敏感信息、抵御量子威脅的工作,已在全球范圍內(nèi)深入開展[9]。
從行業(yè)應(yīng)用視角來看——在金融領(lǐng)域,金融服務(wù)信息共享與分析中心(FS-ISAC)發(fā)布白皮書,指導(dǎo)金融機(jī)構(gòu)推進(jìn)密碼算法敏捷性建設(shè)及后量子密碼遷移工作[10];JP Morgan Chase、Mastercard和Visa等大型金融機(jī)構(gòu)探索基于NIST標(biāo)準(zhǔn)算法(如CRYSTALS-Kyber)的試點(diǎn)應(yīng)用,保護(hù)支付系統(tǒng)與交易數(shù)據(jù)[11]。在電信行業(yè)中,Nokia、Verizon等企業(yè)著力探索5G及6G網(wǎng)絡(luò)下后量子密碼算法的部署應(yīng)用[12]。亞馬遜AWS、微軟Azure和IBM等云服務(wù)提供商也相繼推出支持后量子密碼的安全服務(wù)[13]。此外,Intel、AMD等硬件廠商也專注于優(yōu)化后量子密碼算法計(jì)算性能,推出適配芯片解決方案[14]。
(圖:金融行業(yè)PQC遷移及量子安全體系構(gòu)建時(shí)間規(guī)劃圖,圖片來自https://www.idquantique.com/quantum-safe-security/applications/banking-and-finance/)
不過,后量子密碼技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面,美國(guó)大量金融機(jī)構(gòu)和政府部門的遺留系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜,部分采用COBOL[15]等老舊技術(shù)的核心系統(tǒng)遷移周期長(zhǎng)達(dá)10至15年;另一方面,美國(guó)中小企業(yè)因技術(shù)儲(chǔ)備不足與資金有限,亟需政策扶持與專項(xiàng)投入,以加速后量子密碼技術(shù)的落地進(jìn)程。
在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局下,量子技術(shù)已成為地緣政治博弈的重要領(lǐng)域。美國(guó)聯(lián)合盟友加速推進(jìn)后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)的制定與推廣,試圖主導(dǎo)全球量子信息生態(tài)建設(shè),進(jìn)一步加劇了國(guó)際量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。此外,IETF[16]也正在積極研究和制定量子安全相關(guān)的TLS協(xié)議擴(kuò)展和密碼算法敏捷性標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)未來網(wǎng)絡(luò)安全向抗量子計(jì)算的方向發(fā)展。
(圖:量子安全生態(tài)及NIST、IETF相關(guān)參與方布局,圖片來自https://www.thesslstore.com/blog/quantum-computing-and-cryptography-news/)
二. 量子計(jì)算技術(shù):作為“破界之矛”的演進(jìn)與挑戰(zhàn)
量子計(jì)算技術(shù)正處于全球科技競(jìng)賽的前沿,技術(shù)路線多樣且競(jìng)爭(zhēng)激烈,深刻影響著未來網(wǎng)絡(luò)安全和計(jì)算能力的格局。當(dāng)前,量子計(jì)算的主流技術(shù)路線主要包括超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、光量子計(jì)算、量子退火技術(shù)、硅自旋量子比特、中性原子量子比特以及拓?fù)淞孔颖忍氐龋糠N技術(shù)路線均有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn),且在全球范圍內(nèi)形成了多元化的研發(fā)格局。我們判斷,未來5至10年,超導(dǎo)量子計(jì)算和光量子計(jì)算預(yù)計(jì)將成為主導(dǎo)技術(shù)路線。
(圖:量子計(jì)算領(lǐng)域多元技術(shù)路線并行、多類型企業(yè)參與的市場(chǎng)格局及生態(tài),圖片來自Gartner)
(一)超導(dǎo)量子比特技術(shù)
超導(dǎo)量子比特技術(shù)是目前最成熟且應(yīng)用較廣的路線之一。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的主要挑戰(zhàn)在于其需要極低溫度(接近絕對(duì)零度,約-273°C)的環(huán)境,且冷卻系統(tǒng)成本高昂,單臺(tái)設(shè)備的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用可達(dá)數(shù)億美元。此外,盡管超導(dǎo)量子比特的制備和控制技術(shù)較為成熟,但量子糾錯(cuò)和量子比特間的長(zhǎng)距離連接仍需突破。目前,谷歌、IBM、Rigetti等美國(guó)企業(yè)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
早在2019年,谷歌就在《Nature》雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究成果[17]——基于53個(gè)有效邏輯量子比特運(yùn)行的Sycamore處理器(硬件設(shè)計(jì)含54個(gè)物理量子比特)能在200秒內(nèi)完成一項(xiàng)計(jì)算任務(wù),而世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成該任務(wù)需1萬年[18],此外,谷歌還在2024年12月發(fā)布了Willow芯片,該芯片實(shí)現(xiàn)了105量子比特規(guī)模,單量子比特錯(cuò)誤率水平約為0.1%[19]。
IBM則在2025年6月發(fā)布了詳細(xì)的量子創(chuàng)新路線圖,計(jì)劃到2029年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)部署。其最新的Condor芯片的量子比特?cái)?shù)已突破1000,達(dá)到1121量子比特,并通過引入高連接度架構(gòu)和新型糾錯(cuò)碼,持續(xù)降低錯(cuò)誤率,提升量子計(jì)算的實(shí)用性與穩(wěn)定性[20]。
(圖:IBM在6月10日發(fā)布的2025 IBM Quantum Roadmap,圖片來自企業(yè)官網(wǎng))
(二)離子阱技術(shù)
離子阱技術(shù)則以其高穩(wěn)定性和極低的錯(cuò)誤率著稱,代表企業(yè)包括IonQ(全球首家公開上市的純量子計(jì)算公司,總部位于美國(guó)馬里蘭州)、Quantinuum(2021年由霍尼韋爾的量子計(jì)算部門與英國(guó)量子初創(chuàng)公司Cambridge Quantum合并而成)、Infineon(全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,總部位于德國(guó)慕尼黑)等。離子阱量子計(jì)算機(jī)通過激光操控被電場(chǎng)捕獲的離子作為量子比特,具有天然的高保真度和長(zhǎng)相干時(shí)間。整體來看,離子阱技術(shù)在全球量子計(jì)算研發(fā)中占據(jù)重要一席,以其高保真度和長(zhǎng)相干時(shí)間成為重要的技術(shù)路線之一。而其瓶頸在于擴(kuò)展性受限,盡管其穩(wěn)定性高,但大規(guī)模集成和量子比特?cái)?shù)量的提升仍面臨物理和工程方面的挑戰(zhàn)。
1.學(xué)術(shù)進(jìn)展
英國(guó)牛津大學(xué)物理團(tuán)隊(duì)在2025年6月10日發(fā)布的研究成果顯示[21],該研究在單量子比特操控領(lǐng)域創(chuàng)下新紀(jì)錄:?jiǎn)瘟孔颖忍劐e(cuò)誤率低至0.000015%,即每670萬次操作僅發(fā)生1次錯(cuò)誤。這一突破較該團(tuán)隊(duì)十年前創(chuàng)下的1/100萬錯(cuò)誤率提升近一個(gè)數(shù)量級(jí),顯著降低了實(shí)用量子計(jì)算機(jī)所需的糾錯(cuò)資源與系統(tǒng)復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)采用囚禁鈣離子作為量子比特,創(chuàng)新性地利用電子微波信號(hào)替代傳統(tǒng)激光進(jìn)行量子態(tài)調(diào)控,在實(shí)現(xiàn)更高穩(wěn)定性的同時(shí)提升了成本效益。值得關(guān)注的是,該實(shí)驗(yàn)在室溫和無磁屏蔽環(huán)境下完成,大幅簡(jiǎn)化了量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)要求。
(圖:牛津大學(xué)的研究人員在牛津大學(xué)物理系的克拉倫登實(shí)驗(yàn)室使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備,從左到右:Mario Gely博士、Molly Smith、Aaron Leu。圖片來自https://www.ox.ac.uk/news/2025-06-10-oxford-physicists-set-new-world-record-qubit-operation-accuracy)
2.企業(yè)進(jìn)展
(1)IonQ
IonQ的Forte系統(tǒng)具備穩(wěn)定的離子阱架構(gòu),單量子比特錯(cuò)誤率約為0.02%,已應(yīng)用于金融優(yōu)化等實(shí)際場(chǎng)景。此外,2025年6月,IonQ宣布以10.75億美元收購牛津離子公司(Oxford Ionics),合并后的公司計(jì)劃于2026年推出256個(gè)物理量子比特、精度達(dá)99.99%的系統(tǒng),并在2027年實(shí)現(xiàn)超過10,000個(gè)物理量子比特,邏輯精度達(dá)到99.99999%。該收購旨在加速Oxford Ionics離子阱技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,結(jié)合IonQ的全球資源推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。
(圖:IonQ的Forte系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo),圖片來自企業(yè)官網(wǎng))
(圖:Oxford Ionics于2025年5月8日發(fā)布的業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃,圖片來自https://www.oxionics.com/announcements/oxford-ionics-unveils-development-roadmap-to-scalable-fault-tolerant-quantum-computing)
(2)Quantinuum
Quantinuum的H1量子計(jì)算機(jī)配置20個(gè)全連接量子比特,具備高保真度的單量子比特與雙量子比特門操作能力,可支撐復(fù)雜量子算法的開發(fā)及測(cè)試。該系統(tǒng)支持中間電路測(cè)量、量子比特重用、量子條件邏輯等先進(jìn)功能,大幅提升量子計(jì)算的靈活性與效率。Quantinuum借助Azure Quantum平臺(tái)開放用戶訪問權(quán)限,助力科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)在真實(shí)硬件環(huán)境中運(yùn)行量子程序,加速量子應(yīng)用的落地進(jìn)程與創(chuàng)新步伐。
(圖:Quantinuum的H1量子計(jì)算機(jī)技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo),圖片來自https://docs.quantinuum.com/systems/data_sheets/Quantinuum%20H1%20Product%20Data%20Sheet.pdf)
(三)光量子計(jì)算技術(shù)
光量子計(jì)算技術(shù)因其能夠在室溫下運(yùn)行、易于集成且具備良好的擴(kuò)展?jié)摿Γ蔀榱孔佑?jì)算領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。光量子計(jì)算利用光子的量子態(tài)進(jìn)行信息編碼,具有天然的抗噪聲優(yōu)勢(shì)和高速處理能力,但當(dāng)前仍面臨量子糾錯(cuò)技術(shù)不足、光子源和探測(cè)器效率有限等挑戰(zhàn)。未來,隨著器件性能的提升和糾錯(cuò)方案的完善,光量子計(jì)算有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化。最近,也有多家企業(yè)在該領(lǐng)域取得一系列進(jìn)展——
加拿大公司Xanadu成立于2016年,是全球領(lǐng)先的光量子硬件供應(yīng)商之一。2025年1月,Xanadu發(fā)布名為Aurora的模塊化光量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng),Aurora系統(tǒng)由四個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器機(jī)架組成,利用35個(gè)光子芯片和13公里光纖連接,支持12個(gè)量子比特的操作,全部在室溫環(huán)境下運(yùn)行[22]。Aurora的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)對(duì)極低溫環(huán)境的依賴,展示了光量子計(jì)算在規(guī)模化和網(wǎng)絡(luò)化方面的巨大潛力。Xanadu表示,該系統(tǒng)理論上可以擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)服務(wù)器機(jī)架和數(shù)百萬量子比特,朝著建設(shè)量子數(shù)據(jù)中心的終極目標(biāo)邁進(jìn)。Aurora的成果已發(fā)表在權(quán)威期刊《Nature》上[23],標(biāo)志著通用光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了重要里程碑。
(圖:Aurora系統(tǒng)的示意圖及其主要模塊,圖片來自https://www.nature.com/articles/s41586-024-08406-9/figures/2)
此外,歐洲的QuiX Quantum也專注于開發(fā)通用光量子計(jì)算機(jī),已向德國(guó)航空航天中心交付了首臺(tái)設(shè)備,推動(dòng)了光量子計(jì)算技術(shù)在科研和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[24];美國(guó)公司PsiQuantum則致力于打造百萬量子比特規(guī)模的容錯(cuò)光量子計(jì)算機(jī),雖然尚未發(fā)布大規(guī)模設(shè)備,但其技術(shù)路線被業(yè)界廣泛關(guān)注[25]。
(四)量子退火技術(shù)
量子退火是一種基于量子物理原理的優(yōu)化計(jì)算技術(shù),其核心是通過模擬固體材料的“退火”[26]過程,構(gòu)建與目標(biāo)優(yōu)化問題對(duì)應(yīng)的量子系統(tǒng)哈密頓量[27],讓量子比特從初始均勻疊加態(tài)逐步演化至目標(biāo)基態(tài)[28],借助量子隧穿效應(yīng)[29]直接穿越能量勢(shì)壘[30],避免陷入局部最優(yōu)解,從而高效求解復(fù)雜優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。
量子退火機(jī)(Quantum Annealer)是基于量子退火原理設(shè)計(jì)的專用量子計(jì)算機(jī),其針對(duì)組合優(yōu)化、量子模擬等特定任務(wù)設(shè)計(jì),無需通用量子計(jì)算的全連通量子門操作。以D-Wave的量子退火機(jī)為例,其量子比特僅與臨近量子比特糾纏交互,無法像通用量子計(jì)算機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)任意量子比特的并行編程,而是形成整體單一量子狀態(tài)完成計(jì)算,更聚焦特定場(chǎng)景的高效求解。
(圖:D-Wave量子退火機(jī)的核心部件,圖片來自企業(yè)官網(wǎng))
D-Wave Systems作為量子退火技術(shù)商業(yè)化的先驅(qū),1999年成立于加拿大,已推出六代量子計(jì)算機(jī)。其在2025年5月發(fā)布的Advantage2搭載超4400個(gè)量子比特,采用全新Zephyr拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)20路量子比特連接[31]。
(圖:Advantage2系統(tǒng)相關(guān)性能說明,圖片來自https://www.dwavequantum.com/company/newsroom/press-release/d-wave-announces-general-availability-of-advantage2-quantum-computer-its-most-advanced-and-performant-system/)
除D-Wave外,日本公司富士通和NEC等也在積極探索量子退火技術(shù)。盡管聚焦量子退火的企業(yè)數(shù)量少于通用量子計(jì)算領(lǐng)域,但其在材料科學(xué)、復(fù)雜優(yōu)化等場(chǎng)景的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),正推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,成為全球量子技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要分支。
(五)硅自旋量子比特技術(shù)
硅自旋量子比特技術(shù)因與現(xiàn)有CMOS[32]工藝高度兼容,受到業(yè)界重視。該技術(shù)以電子自旋態(tài)作為量子比特,具備較長(zhǎng)的相干時(shí)間和良好的可擴(kuò)展?jié)摿ΑT摷夹g(shù)的主要挑戰(zhàn)在于量子糾纏門操作較弱,量子比特間耦合和控制精度有待提升。最新研究顯示,通過增強(qiáng)自旋-軌道耦合,硅自旋量子比特的相干時(shí)間可達(dá)毫秒級(jí)[33],顯著提升了穩(wěn)定性和門保真度,為大規(guī)模量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。Intel和Quantum Motion在該技術(shù)上布局較多。
Intel于2024年發(fā)布12量子比特硅自旋量子芯片“Tunnel Falls”,采用300毫米晶圓工藝,良率達(dá)95%,芯片尺寸與傳統(tǒng)晶體管相當(dāng),便于大規(guī)模集成[34],目前已向?qū)W術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)開放,推動(dòng)多量子比特操作及量子點(diǎn)基礎(chǔ)研究。
(六)中性原子量子計(jì)算技術(shù)
中性原子量子計(jì)算采用激光冷卻和光鑷囚禁中性原子,將其內(nèi)部超精細(xì)能級(jí)作為量子比特,具有高度的操作靈活性和并行計(jì)算能力。盡管目前中性原子量子門的保真度和多比特糾纏操控的復(fù)雜度仍有待進(jìn)一步提升,但其較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間和全連通的量子比特架構(gòu),為執(zhí)行復(fù)雜量子算法提供了顯著優(yōu)勢(shì)。憑借天然的二維/三維陣列擴(kuò)展能力和相對(duì)較低的系統(tǒng)運(yùn)維成本,中性原子量子計(jì)算正成為量子信息領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)路線之一。
在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域,代表企業(yè)包括QuEra和Pasqal。QuEra Computing于2018年成立,總部位于美國(guó)波士頓,其技術(shù)源自哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院的前沿研究成果,專注于研發(fā)基于中性原子的量子計(jì)算系統(tǒng)。該公司于2022年11月推出的Aquila量子計(jì)算系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)256個(gè)量子比特的集成,成為目前全球公開可使用的最大規(guī)模中性原子量子計(jì)算平臺(tái)[35]。該系統(tǒng)支持云端接入服務(wù),已在量子物理模擬、復(fù)雜問題優(yōu)化求解等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。
Pasqal成立于2019年,總部位于法國(guó)馬西,由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Alain Aspect等科學(xué)家創(chuàng)立,致力于利用二維和三維中性原子陣列構(gòu)建實(shí)用量子處理器。2024年6月,Pasqal宣布在其量子計(jì)算裝置中一次性成功加載超1000個(gè)原子,于約2000個(gè)陷阱中捕獲1110多個(gè)原子,驗(yàn)證了大規(guī)模中性原子量子計(jì)算的可行性[36]。
(七)拓?fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)
拓?fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)則代表了量子計(jì)算的長(zhǎng)期發(fā)展方向,微軟和亞馬遜AWS在該領(lǐng)域投入大量資源。拓?fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)因其利用拓?fù)鋺B(tài)的非局域性質(zhì)對(duì)量子信息進(jìn)行天然保護(hù),理論上具有極高的抗噪聲能力,被視為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的有力途徑。
微軟在該領(lǐng)域投入大量資源,重點(diǎn)研究基于Majorana費(fèi)米子的拓?fù)淞孔颖忍?sup>[37]。雖然微軟尚未公布大規(guī)模邏輯量子比特系統(tǒng),但其在2024年展示了初步的拓?fù)淞孔颖忍乜刂茖?shí)驗(yàn),標(biāo)志著該技術(shù)向?qū)嵱没~出重要一步。亞馬遜AWS也積極探索拓?fù)淞孔佑?jì)算,致力于實(shí)現(xiàn)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī),目標(biāo)是在2030年前構(gòu)建具備100個(gè)邏輯量子比特規(guī)模的系統(tǒng)。當(dāng)前,拓?fù)淞孔佑?jì)算仍處于實(shí)驗(yàn)室早期階段,面臨材料科學(xué)、量子態(tài)穩(wěn)定性和大規(guī)模集成等技術(shù)挑戰(zhàn),規(guī)模化能力和商業(yè)應(yīng)用前景尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。
三. 量子威脅時(shí)間窗口:科學(xué)評(píng)估與未來展望
量子計(jì)算技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)密碼體系的威脅正逐步從理論走向現(xiàn)實(shí),且其時(shí)間窗口的判斷涉及多維復(fù)雜因素。當(dāng)前,量子威脅不僅取決于量子計(jì)算機(jī)硬件的性能突破,還深受密碼遷移進(jìn)度、攻擊策略演變以及監(jiān)管政策等多重因素影響。
(一)量子計(jì)算機(jī)硬件的性能突破
量子計(jì)算機(jī)對(duì)RSA和ECC等傳統(tǒng)非對(duì)稱密碼算法的威脅,根源在于Shor算法能夠在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)解決大整數(shù)因數(shù)分解和離散對(duì)數(shù)問題,這從根本上動(dòng)搖了現(xiàn)有密碼系統(tǒng)的安全基礎(chǔ)。此前,業(yè)界普遍認(rèn)為,破解2048位RSA密鑰需數(shù)千萬高質(zhì)量量子比特,且依賴成熟的量子糾錯(cuò)技術(shù)。部分專家預(yù)計(jì)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)將在未來5至10年內(nèi)出現(xiàn),另有觀點(diǎn)認(rèn)為需20年以上[38];根據(jù)Global Risk Institute的調(diào)研結(jié)果,全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)和業(yè)內(nèi)人士普遍將2033-2037年視為量子威脅的關(guān)鍵時(shí)期。而近兩年量子計(jì)算領(lǐng)域的一系列成果,可能會(huì)加速這一進(jìn)程。
(圖:全球?qū)<覍?duì)量子計(jì)算機(jī)24小時(shí)內(nèi)破解RSA-2048密碼的時(shí)間預(yù)估,圖片來自Global Risk Institute)
2025年5月,谷歌量子人工智能部門的研究《How to factor 2048 bit RSA integers with less than a million noisy qubits》顯著降低了這一技術(shù)門檻。研究表明,通過算法優(yōu)化與軟硬件協(xié)同,破解2048位RSA密鑰所需的量子比特?cái)?shù)可縮減至不足100萬個(gè),且分解過程能在一周內(nèi)完成[39]。這一突破將量子計(jì)算破解傳統(tǒng)密碼的時(shí)間窗口提前了數(shù)年,量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用攻擊能力可能在2030年代早期實(shí)現(xiàn)。
(圖:不同研究在不同年份對(duì)分解 2048 位 RSA 整數(shù)所需物理量子比特?cái)?shù)量的歷史估算,圖片來自谷歌量子人工智能部門研究成果,https://arxiv.org/pdf/2505.15917)
然而,當(dāng)前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)距離百萬量子比特規(guī)模仍有較大差距。Cloudflare的研究顯示,現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)多處于幾十至幾百區(qū)間,噪聲和糾錯(cuò)能力尚無法支撐大規(guī)模攻擊。此外,量子門保真度、錯(cuò)誤率、量子糾錯(cuò)效率及量子比特間連通性等因素,也使得不同技術(shù)路線(如硅基與離子阱量子計(jì)算)在噪聲控制和擴(kuò)展性上存在顯著差異,導(dǎo)致對(duì)量子計(jì)算機(jī)破解傳統(tǒng)密碼的時(shí)間預(yù)測(cè)具有較大不確定性[40]。
(二)密碼遷移的復(fù)雜性
密碼遷移的復(fù)雜性,從技術(shù)適配、生態(tài)協(xié)同等多維度進(jìn)一步牽制著量子威脅實(shí)際降臨的時(shí)間節(jié)奏。這一遷移工作絕非單一技術(shù)替換,而是深度覆蓋密鑰協(xié)商算法與數(shù)字簽名算法兩大核心密碼領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程。
在技術(shù)邏輯上,密鑰協(xié)商算法承擔(dān)著保障通信“初始信任建立”的關(guān)鍵職責(zé),其遷移優(yōu)先級(jí)天然更高——一旦密鑰協(xié)商存在漏洞,攻擊者可通過被動(dòng)監(jiān)聽截獲密鑰,后續(xù)所有加密通信都將淪為“明文傳輸”。因此,優(yōu)先完成密鑰協(xié)商算法的量子安全升級(jí),能直接筑牢通信鏈路的“第一道防火墻”,有效阻斷基于傳統(tǒng)密碼漏洞的被動(dòng)攻擊風(fēng)險(xiǎn)。
與之相對(duì),數(shù)字簽名算法的遷移則深陷“身份信任體系重構(gòu)”的復(fù)雜泥沼。數(shù)字簽名不僅要保障數(shù)據(jù)完整性,更要錨定身份真實(shí)性,涉及證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)(CA)的根信任體系、跨平臺(tái)身份認(rèn)證兼容性、歷史簽名數(shù)據(jù)的兼容性驗(yàn)證等多重環(huán)節(jié)。舉例而言,企業(yè)若要替換數(shù)字簽名算法,需同步升級(jí)證書服務(wù)器、更新終端設(shè)備的簽名驗(yàn)證邏輯,還要確保舊系統(tǒng)中歷史簽名文件的合法性——這意味著每一次算法迭代,都可能觸發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”,牽一發(fā)而動(dòng)全身,其升級(jí)難度與成本遠(yuǎn)高于密鑰協(xié)商算法[41]。
(圖:后量子數(shù)字簽名算法的資源開銷與性能對(duì)比,圖片來自https://blog.cloudflare.com/pq-2024/)
從算法性能數(shù)據(jù)看,后量子簽名方案普遍存在公鑰/簽名體積大、計(jì)算耗時(shí)久的問題,進(jìn)一步凸顯遷移需在安全、性能、生態(tài)間反復(fù)權(quán)衡,成為牽制量子威脅時(shí)間窗口的關(guān)鍵因素。
(三)攻擊策略演變的影響
與此同時(shí),HNDL攻擊模式已成為現(xiàn)實(shí)威脅。攻擊者當(dāng)前通過長(zhǎng)期收集和存儲(chǔ)加密數(shù)據(jù),等待未來量子計(jì)算機(jī)成熟后進(jìn)行破解,這對(duì)金融、醫(yī)療和國(guó)防等長(zhǎng)期保密性要求極高的領(lǐng)域構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
而這種攻擊模式也潛在地壓縮了安全時(shí)間窗口。一方面,它打破了傳統(tǒng)意義上對(duì)數(shù)據(jù)安全時(shí)效性的認(rèn)知。原本認(rèn)為只要當(dāng)下加密手段有效,數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)期間就是安全的,這種觀念已被顛覆;另一方面,這種攻擊模式倒逼各國(guó)政府、企業(yè)必須以當(dāng)下數(shù)據(jù)未來可能被破解的視角來行動(dòng)。HNDL攻擊模式從認(rèn)知層面和實(shí)踐應(yīng)對(duì)層面,都在一定程度上影響了量子威脅到來的時(shí)間,讓各領(lǐng)域面臨的量子安全挑戰(zhàn)更為緊迫。
(四)監(jiān)管機(jī)構(gòu)與行業(yè)的時(shí)間規(guī)劃與應(yīng)對(duì)
各國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)已開始制定現(xiàn)有算法的退役時(shí)間表。例如,由澳大利亞信號(hào)局主導(dǎo)的“ASD密碼算法退役計(jì)劃”,計(jì)劃2030年前將易受量子計(jì)算破解的傳統(tǒng)密碼算法列為“過時(shí)”,并推動(dòng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、政府系統(tǒng)加速向后量子密碼體系遷移,以此提前規(guī)避量子計(jì)算帶來的密碼安全風(fēng)險(xiǎn)。
美國(guó)NIST也在制定自己的密碼退役計(jì)劃,目標(biāo)時(shí)間為2035年。NIST的時(shí)間規(guī)劃綜合考慮了技術(shù)成熟度與密碼遷移的復(fù)雜性,強(qiáng)調(diào)提前啟動(dòng)遷移計(jì)劃以規(guī)避安全斷層。聯(lián)邦政府估算,全面密碼遷移成本超70億美元[42],涉及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)改造等多個(gè)環(huán)節(jié),凸顯出密碼遷移的復(fù)雜性與系統(tǒng)性挑戰(zhàn)。
(圖:易受量子計(jì)算攻擊的數(shù)字簽名算法,圖片來自NIST官網(wǎng))
美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)計(jì)劃在2035年前完成國(guó)家安全系統(tǒng)(NSS)全面采用后量子密碼算法的部署工作。NSA于2024年12月更新的《Commercial National Security Algorithm Suite 2.0》[43]提供了量子安全算法標(biāo)準(zhǔn),要求軟件和固件簽名在2030年前全面采用該套算法,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如VPN和路由器也需在2030年前升級(jí),網(wǎng)頁瀏覽器、服務(wù)器和云服務(wù)則預(yù)計(jì)在2033年前實(shí)現(xiàn)后量子算法支持[44]。
(圖:美國(guó)NSA商用國(guó)家安全算法參數(shù)與規(guī)范概覽,圖片來自機(jī)構(gòu)官網(wǎng))
四. 結(jié)論與啟示
后量子密碼技術(shù)的發(fā)展,為中國(guó)科技界提供了審視自身技術(shù)布局與安全體系的重要契機(jī)。從技術(shù)研發(fā)邏輯看,歐美在算法標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中,通過NIST主導(dǎo)的多輪評(píng)審確立技術(shù)路線,其“理論驗(yàn)證—標(biāo)準(zhǔn)輸出—產(chǎn)業(yè)適配”的推進(jìn)模式,值得中國(guó)借鑒。中國(guó)需構(gòu)建自主的算法評(píng)測(cè)體系,在格密碼、哈希簽名等主流方向深化研究,同時(shí)探索量子行走、超奇異橢圓曲線等特色路徑,避免技術(shù)同質(zhì)化。尤其是在硬件安全模塊(HSM)研發(fā)上,要突破硅基自旋量子比特與傳統(tǒng)CMOS工藝的融合瓶頸,像Intel Tunnel Falls芯片的300mm晶圓集成經(jīng)驗(yàn),可為國(guó)產(chǎn)量子安全芯片的規(guī)模化生產(chǎn)提供思路。
在產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建中,歐美企業(yè)“技術(shù)供應(yīng)商+垂直行業(yè)”的協(xié)同模式顯露成效。中國(guó)需激活信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)潛力,推動(dòng)密碼企業(yè)、云服務(wù)商與金融、能源等關(guān)鍵行業(yè)協(xié)同,建立“需求—研發(fā)—驗(yàn)證”閉環(huán)。
從安全戰(zhàn)略維度,歐美通過政策驅(qū)動(dòng)(如NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化)謀求技術(shù)壟斷的意圖明顯。中國(guó)需警惕“標(biāo)準(zhǔn)依賴”風(fēng)險(xiǎn),在參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的同時(shí),夯實(shí)自主可控的密碼基礎(chǔ)設(shè)施。要認(rèn)識(shí)到PQC并非單一技術(shù)替代,而是“經(jīng)典密碼+后量子密碼+量子密鑰分發(fā)”的多層防御體系建設(shè)。
未來,后量子密碼技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng),本質(zhì)是“算力—算法—安全體系”的綜合博弈。中國(guó)既要吸收歐美技術(shù)迭代中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),更要立足本土需求,將量子計(jì)算與后量子密碼的技術(shù)耦合,轉(zhuǎn)化為保障數(shù)字經(jīng)濟(jì)安全、支撐國(guó)家安全戰(zhàn)略的核心能力,在量子安全新賽道上,走出具有中國(guó)特色的自主創(chuàng)新之路。
注釋
[1]https://www.nist.gov/news-events/news/2024/08/nist-releases-first-3-finalized-post-quantum-encryption-standards
[2]https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/ir/2024/NIST.IR.8547.ipd.pdf
[3]https://industrialcyber.co/nist/nist-advances-post-quantum-cryptography-standardization-selects-hqc-algorithm-to-counter-quantum-threats/;https://thequantuminsider.com/2025/03/11/nist-selects-hqc-as-fifth-algorithm-for-post-quantum-encryption/
[4]https://www.infosecglobal.com/posts/nist-post-quantum-cryptography-deadlines-ir-8547;https://www.quantum.gov/nist-draft-report-on-pqc-transition/
[5]https://www.infosecglobal.com/posts/nist-post-quantum-cryptography-deadlines-ir-8547;https://cra.org/wp-content/uploads/2025/01/2024-2025-CRA-Quad-Paper_-The-Post-Quantum-Cryptography-Transition_-Making-Progress-But-Still-a-Long-Road-Ahead.pdf
[6]https://www.whitehouse.gov/presidential-actions/2025/06/sustaining-select-efforts-to-strengthen-the-nations-cybersecurity-and-amending-executive-order-13694-and-executive-order-14144/
[7]https://www.techi.com/latest-developments-in-quantum-computing/
[8]https://techcommunity.microsoft.com/blog/microsoft-security-blog/post-quantum-cryptography-comes-to-windows-insiders-and-linux/4413803
[9]https://www.techi.com/latest-developments-in-quantum-computing/
[10]https://www.fsisac.com/newsroom/fsisac-guidance-urges-financial-firms-to-implement-crypto-agility-as-a-key-defense-against-quantum-computing-threats
[11]https://www.appviewx.com/blogs/why-the-finance-sector-must-lead-the-shift-to-post-quantum-cryptography/
[12] https://www.toutiao.com/article/7450427911376568870/?upstream_biz=doubao&source=m_redirect&wid=1749627146648;https://www.toutiao.com/article/7187743465873195531/?upstream_biz=doubao&source=m_redirect
[13]https://aws.amazon.com/cn/braket/;https://www.cnblogs.com/pam-sh/p/18423596;https://www.ibm.com/cn-zh/services/quantum-safe
[14]https://www.intel.com/content/www/us/en/research/quantum-computing.html;https://www.amd.com/content/dam/amd/en/documents/epyc-technical-docs/performance-briefs/amd-epyc-9005-pb-quantum-espresso.pdf
[15]COBOL(Common Business-Oriented Language,面向商業(yè)的通用語言)是一種誕生于1959年的編程語言,主要用于企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)處理,如金融交易、數(shù)據(jù)報(bào)表生成等。該語言在20世紀(jì)中后期至21世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用于美國(guó)政府機(jī)構(gòu)、銀行和大型企業(yè)的核心系統(tǒng)中,至今仍有大量關(guān)鍵業(yè)務(wù)依賴其運(yùn)行。
[16]成立于1986年1月,最初是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)承包商的技術(shù)協(xié)調(diào)論壇,如今已發(fā)展成為由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者、運(yùn)營(yíng)商、供應(yīng)商和研究人員組成的國(guó)際社區(qū),關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的演進(jìn)和互聯(lián)網(wǎng)的順利運(yùn)行。
[17]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[18]https://www.theverge.com/2019/10/23/20928294/google-quantum-supremacy-sycamore-computer-qubit-milestone
[19]https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
[20]https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc
[21]https://www.ox.ac.uk/news/2025-06-10-oxford-physicists-set-new-world-record-qubit-operation-accuracy
[22]https://www.prnewswire.com/news-releases/xanadu-introduces-aurora-worlds-first-scalable-networked-and-modular-quantum-computer-302355496.html
[23]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08406-9
[24]https://www.quixquantum.com/
[25]https://www.psiquantum.com/blueprint
[26]指將固體加熱至高溫后緩慢冷卻,使原子從高能無序狀態(tài)逐漸降至低能有序狀態(tài),最終形成能量最低的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。
[27]指描述量子系統(tǒng)能量的算符。
[28]即能量最低的量子態(tài)。
[29]指量子力學(xué)中粒子能夠穿越高于自身能量勢(shì)壘的現(xiàn)象。
[30]勢(shì)壘仍為粒子運(yùn)動(dòng)路徑上的能量高值區(qū)域,但量子粒子(如電子、光子等)即使動(dòng)能小于勢(shì)壘高度,也存在一定概率直接“穿越”勢(shì)壘。
[31]https://www.dwavequantum.com/company/newsroom/press-release/d-wave-announces-general-availability-of-advantage2-quantum-computer-its-most-advanced-and-performant-system/
[32]CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)是一種廣泛應(yīng)用于集成電路(IC)制造的半導(dǎo)體技術(shù)。
[33]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32690913/
[34]https://newsroom.intel.com/new-technologies/quantum-computing-chip-to-advance-research
[35]https://www.quera.com/aquila
[36]https://www.pasqal.com/neutral-atoms/
[37]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
[38]https://thequantuminsider.com/2025/02/13/practical-quantum-computing-five-to-ten-years-away-google-ceo/
[39]https://arxiv.org/pdf/2505.15917
[40]https://blog.cloudflare.com/pq-2024/
[41]同40。
[42]https://thequantuminsider.com/2024/08/12/white-house-report-u-s-federal-agencies-brace-for-7-1-billion-post-quantum-cryptography-migration/
[43]https://media.defense.gov/2022/Sep/07/2003071836/-1/-1/0/CSI_CNSA_2.0_FAQ_.PDF
[44]https://fedscoop.com/nsa-sets-2035-deadline-for-adoption-of-post-quantum-cryptography-across-natsec-systems/