量子計算的優(yōu)勢精選(九篇)

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第1篇：量子計算的優(yōu)勢范文

賽迪智庫網(wǎng)絡(luò)空間研究所認(rèn)為，量子計算機(jī)的成熟和大規(guī)模應(yīng)用還需要相當(dāng)長的時間，但我們必須著眼未來，做好以下工作：持續(xù)跟蹤和支持量子計算機(jī)研究，推動形成商業(yè)化量子計算機(jī)研究機(jī)制，積極應(yīng)對專用量子計算C沖擊。

量子計算機(jī)研究進(jìn)展顯著

量子計算機(jī)是基于量子力學(xué)的疊加原理和量子糾纏等性質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)計算的計算機(jī)，在密碼學(xué)、科學(xué)模擬、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)計算機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。

歐美科學(xué)界和企業(yè)界不斷加大投入，并有了重大進(jìn)展。一是研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)投入力度不斷加大。微軟研究院2012年成立了量子體系結(jié)構(gòu)與計算研究組；谷歌公司與美國國家航空航天局（NASA）于2013 年聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。此外，歐盟2016年4月宣布，將于2018年啟動總額10億歐元的量子技術(shù)項目；澳大利亞政府2016 年4 月宣布，將在澳大利亞量子計算與通信技術(shù)中心成立量子計算實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步加大對半導(dǎo)體硅基量子芯片等研究的集中投入。

二是取得了一系列重大突破。在量子芯片方面，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校實(shí)現(xiàn)了9量子比特的超導(dǎo)量子芯片，新南威爾士大學(xué)實(shí)現(xiàn)了2量子比特的硅基半導(dǎo)體量子芯片，牛津大學(xué)實(shí)現(xiàn)了5量子比特的離子阱量子芯片。

在量子計算機(jī)方面，谷歌于2015年推出了聲稱比其它計算機(jī)快1億倍的量子退火機(jī)D-Wave；IBM于2016年5月了5超導(dǎo)量子比特的量子計算機(jī)，谷歌和西班牙巴斯克大學(xué)于2016 年6 月公布了具有9超導(dǎo)量子比特的模擬量子計算機(jī)，馬里蘭大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院于2016年8月了5個量子比特的可編程量子計算機(jī)。

目前我國在量子計算領(lǐng)域部分研究成果已達(dá)到國際一流水平，但總體上基礎(chǔ)較為薄弱，與歐美等國家和地區(qū)仍有一定差距。

量子計算機(jī)距離可用仍有較大距離

雖然在研究方面取得了較大進(jìn)展，但量子計算機(jī)在理論層面和物理實(shí)現(xiàn)方面均面臨諸多難題，距離可用仍有很長的路要走。

在理論層面，量子計算機(jī)需要特定的量子算法才能發(fā)揮強(qiáng)大性能，但并不是所有的計算都可以用量子算法加速，類似Shor算法（用于大數(shù)質(zhì)因子分解）和Grover 算法（用于無序數(shù)據(jù)庫搜索）等完全超越傳統(tǒng)算法的仍較少。

在物理實(shí)現(xiàn)層面，科學(xué)家普遍認(rèn)為，可用的量子計算機(jī)至少應(yīng)具有幾十個以上的量子比特、比特邏輯門的保真度達(dá)到99%，以及操作速度和退相干時間在合理范圍，但目前國際最先進(jìn)的水平都未達(dá)到這一要求。與此同時，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對其造成破壞性影響，量子計算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中。

量子計算機(jī)的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大影響

一、量子計算機(jī)將影響國際政治格局。量子計算技術(shù)關(guān)系到一個國家未來的基礎(chǔ)計算能力，擁有了這種能力才可能迅速建立起全方位的戰(zhàn)略優(yōu)勢，引領(lǐng)量子信息時代的國際發(fā)展。

二、量子計算機(jī)將顛覆IT產(chǎn)業(yè)格局。一方面，作為現(xiàn)代計算機(jī)的顛覆者，未來量子計算機(jī)會像傳統(tǒng)計算機(jī)一樣形成龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，為信息和材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開辟廣闊空間，帶動包括材料、信息、技術(shù)、能源在內(nèi)的一大批產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展。另一方面，量子計算機(jī)技術(shù)也為IT產(chǎn)業(yè)各參與方提供了彎道超車的機(jī)會。

三、量子計算機(jī)將首先從專用領(lǐng)域取得突破。根據(jù)現(xiàn)有研況，量子計算機(jī)將首先在密碼、人工智能等專用領(lǐng)域出現(xiàn)，并產(chǎn)生顛覆性影響。

第2篇：量子計算的優(yōu)勢范文

信息學(xué)領(lǐng)域的兩個焦點(diǎn)研究方向。在這兩個方向上,近年來中國的科學(xué)工作者都取得了重大的進(jìn)展。

2004年,中國建立了一條從北京到天津長125公里的試驗(yàn)性光纖量子通信密碼線路; 2007年,中國科學(xué)院院士郭光燦帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在北京成功試驗(yàn)了“量子路由器”,并獲得了美國授權(quán)專利; 2009年,世界首個“量子政務(wù)網(wǎng)”在安徽蕪湖建成。

在量子密碼領(lǐng)域取得了巨大成就后,郭院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊又將大部分精力放在了量子計算機(jī)的研究上。那么,在量子領(lǐng)域的探索,我國究竟處于什么水平?量子究竟能給世界帶來怎樣的變化?帶著這些疑問,本報記者采訪了國內(nèi)量子信息領(lǐng)域研究第一人、中國科學(xué)院院士郭光燦。

世界首個“量子政務(wù)網(wǎng)”在安徽蕪湖建成。

量子密碼

躋身世界前沿

“目前,在量子密碼通信領(lǐng)域,我國的研究水平已經(jīng)躋身世界前沿,并在某些方面具有不可比擬的優(yōu)勢?！惫鉅N自豪地表示。

但是回到10年前,國內(nèi)還沒有幾個人認(rèn)同郭光燦的研究?！霸谠缙诘?5年里,幾乎沒有經(jīng)費(fèi)支持我們,每年也就是一兩萬元,當(dāng)時就是我?guī)е鴰讉€學(xué)生做基礎(chǔ)研究。直到1999年,中科院高技術(shù)局局長科研基金支持了5萬元之后,我們才開始開展實(shí)驗(yàn)研究。”郭光燦坦言。

量子密碼究竟有何神秘之處,它如何吸引郭光燦呢?

按照量子信息界的解釋,經(jīng)典信息處理的最基本單元是比特(Bit,即二進(jìn)制數(shù)0或1)。一個按照一定數(shù)學(xué)規(guī)則給出的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)串就構(gòu)成一個密鑰,經(jīng)典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題。由于密鑰分配不是絕對保密的,經(jīng)典密碼也就不可能絕對保密。然而,基于量子力學(xué)線性疊加原理和不可克隆定理的量子密鑰分配卻可以解決這個問題。

一個具體的例子就是大數(shù)分解定理,按經(jīng)典計算復(fù)雜性理論,這個問題不存在有效算法,所以被利用來進(jìn)行經(jīng)典密鑰分配?！暗侨绻昧孔佑嬎銠C(jī),使用‘Shor量子算法’,情況就大不相同了。例如,為了對一個400位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解,目前最快的超級計算機(jī)將耗時上百億年,這幾乎等于宇宙的整個壽命; 而具有相同時鐘脈沖速度的量子計算機(jī)只需要大約一分鐘。因此,一旦人們擁有了一臺量子計算機(jī),那么目前的密碼系統(tǒng)將毫無保密性可言。”

這一后果是對目前的密碼系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)。為了保證這些領(lǐng)域的信息安全,也為了拓寬人類對微觀世界的認(rèn)識,發(fā)展量子信息學(xué)刻不容緩。同時郭光燦還指出,他們選擇從量子密碼研究做起的另一個原因是,量子密碼相對于量子計算要容易些,而且,當(dāng)時在量子密碼領(lǐng)域,國際上也有很多技術(shù)障礙需要攻克。

據(jù)郭光燦介紹,將量子密碼裝置應(yīng)用到光纖網(wǎng)絡(luò),會遇到了一個困難,就是不穩(wěn)定。要調(diào)控單個量子―把0和1調(diào)到一個相位的量子態(tài)里―非常困難,各種因素都可能會破壞其穩(wěn)定性,甚至使其“消失掉”。為此,郭光燦團(tuán)隊發(fā)明了一套新的解碼器和編碼器,保證單向光子的穩(wěn)定性,同時保證安全。他們已為這項技術(shù)申請了美國專利,并獲得了授權(quán)。這是實(shí)現(xiàn)量子密碼的第一個關(guān)鍵技術(shù)。

第二個關(guān)鍵的技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)保密。即在光纖網(wǎng)絡(luò)里,任何兩點(diǎn)都能夠保密通信,而不僅僅是點(diǎn)對點(diǎn)的保密通信。單個光纖做到保密通信必須解決3個問題:光纖上實(shí)現(xiàn)任何兩點(diǎn)之間的保密通信; 任何兩個用戶保密通信不會互相干擾; 群發(fā)系列,例如一個領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)與多個下屬同時多點(diǎn)保密通信。

其中最根本的困難之一是路由器問題。在經(jīng)典通信中一個信號傳過來,路由器可以識別,之后傳送?？墒橇孔佑幸粋€特點(diǎn)―不可以被識別,一旦識別它,原來的信號就被破壞了。這種情況下,點(diǎn)對點(diǎn)的量子通信容易實(shí)現(xiàn),而量子網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)。為了解決這個問題,郭光燦團(tuán)隊發(fā)明了“量子路由器”―用波長做標(biāo)志,使不同的光子到達(dá)不同的地方。這項技術(shù)也已獲得了美國專利,并于2007年在北京商用光圈建立了城域網(wǎng)通信。

有了兩大技術(shù)的支撐后,今年5月份,郭光燦帶領(lǐng)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在安徽省蕪湖市建立了世界上首個量子政務(wù)網(wǎng)。這個政務(wù)網(wǎng)可以傳送政府的紅頭文件,通過保密的方式發(fā)送到下屬各局,而且還可以對圖像和聲音加密,開視頻會議。自此,量子密碼正式步入應(yīng)用階段。

量子計算

研發(fā)路漫漫

信息社會60年,計算機(jī)的進(jìn)步就只是把10厘米長的真空電子管,用印刷在硅晶片上面的微米級半導(dǎo)體電極代替而已。

那么未來的60年呢?在15納米、8納米之后,再往細(xì)微的方向走,經(jīng)典物理會逐漸失效,因?yàn)橹髟孜⒂^世界的是量子物理,屆時經(jīng)典的摩爾定律很可能就會被量子原理代替。

目前,人類已經(jīng)在量子密碼上實(shí)現(xiàn)初步的商用化,但是量子計算機(jī)的研究仍然路漫漫。

“因?yàn)榱孔佑嬎銠C(jī)的實(shí)現(xiàn)需要量子算法、量子計算模型、量子糾錯機(jī)制和硬件等各個方面的突破性進(jìn)展?！惫鉅N說,“盡管科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)和理論上都取得了一些成果,但這些研究仍然處于非常早期的階段。雖然我國在量子信息學(xué)科上起步稍晚,但是國家已經(jīng)在中長期科技規(guī)劃中設(shè)立了量子調(diào)控研究這一重大科學(xué)研究計劃”。郭光燦預(yù)測,最終量子計算機(jī)將被用來解決現(xiàn)在計算機(jī)解決不了的問題。

那么,與經(jīng)典的計算機(jī)相比,量子計算機(jī)有哪些神奇之處呢?

郭光燦指出,經(jīng)典計算機(jī)和量子計算機(jī)最本質(zhì)的差異,來自對物理系統(tǒng)狀態(tài)的描述。對經(jīng)典計算機(jī)來說,每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都要一步步地處理,每一個步驟都表示機(jī)器的一個明確的狀態(tài),上一個步驟的輸出作為下一個步驟的輸入,前后相續(xù),整個計算任務(wù)是串行的; 而對量子計算機(jī)來說,系統(tǒng)的不同狀態(tài)之間的變換,可以并列存在多個途徑,使得系統(tǒng)可以在多條路徑上并行處理多個計算,這就使得計算機(jī)的計算能力獲得了指數(shù)性的增強(qiáng)。

量子計算機(jī)的理論效果確實(shí)震驚了世界,但是也有人提出,量子計算只是一個方法論,可能根本實(shí)現(xiàn)不了。但是AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的計算機(jī)科學(xué)家皮特•休爾卻有力地反駁了當(dāng)時的負(fù)面觀點(diǎn)。

據(jù)說,皮特•休爾在1994年設(shè)計了第一個適合于量子計算機(jī)使用的算法,專門用來對大數(shù)進(jìn)行因子分解。他發(fā)現(xiàn),如果使用量子計算機(jī),再運(yùn)用他提出的專用算法,這個論斷將不再成立。這意味著現(xiàn)代社會廣泛使用的密碼系統(tǒng),將隨著量子計算機(jī)的問世而作廢。

郭光燦表示,盡管還存在很多技術(shù)難題,但是他非?？春昧孔佑嬎愕奈磥?。

郭光燦指出,當(dāng)前實(shí)現(xiàn)量子計算的瓶頸在于:如何研制含有數(shù)目巨大的量子處理器的物理體系,它既可有效地克服不可避免的相關(guān)影響,又具有物理可擴(kuò)展性。這個研究實(shí)質(zhì)上是對人類操控量子世界能力的極大挑戰(zhàn)。目前兩種主要研究途徑是:固態(tài)量子計算和基于量子光學(xué)的量子計算。而他們實(shí)驗(yàn)室的研究方向是固態(tài)量子計算。

“我們使用一種新的材料叫石墨烯,來代替原來經(jīng)典計算機(jī)里面的硅材料。在國際上,還有其他三種主流的材料,我們的研究幾乎與國際上同步。但我們走的是不一樣的方向,一是避免重復(fù)研究,二是為了爭取我們自己的話語權(quán)。”

實(shí)際上,從上世紀(jì)80年代量子計算正式進(jìn)入研究階段,到今天取得重大進(jìn)展,也就30年的時間。目前量子計算正在飛速發(fā)展,因此這個領(lǐng)域也吸引了越來越多的參與者,隨著主要的障礙已經(jīng)或正在被克服,我們似乎可以樂觀地估計,下一個30年人類很可能會迎來量子計算時代。

產(chǎn)業(yè)化使命

量子信息技術(shù)是后摩爾時代的重要新技術(shù),將來有望形成QIT(量子信息)新產(chǎn)業(yè),因而也成為各國未來高技術(shù)的戰(zhàn)略競爭焦點(diǎn)之一。據(jù)介紹,日本今后10年里預(yù)計在該課題上的投入將達(dá)400億日元,而美國的情報機(jī)構(gòu)也對此高度關(guān)注。

郭光燦預(yù)測,量子信息領(lǐng)域中產(chǎn)生的量子密鑰分配器、精確測量儀、量子模擬器等都是最接近應(yīng)用的產(chǎn)品。

在國內(nèi),郭光燦是研究量子信息的第一人,他以及他的團(tuán)隊也同樣肩負(fù)著將科研成果產(chǎn)業(yè)化的使命。在量子密碼領(lǐng)域取得了重大成就后,很快他們就進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化投入。

今年6月,在安徽省政府的大力支持下,蕪湖市政府聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立了一個高新技術(shù)研發(fā)企業(yè)―安徽問天量子科技股份有限公司。目前,公司在量子密鑰通信系統(tǒng)上的各項技術(shù)已處于國際領(lǐng)先地位。

據(jù)了解,利用量子保密通信系統(tǒng)在電源上的技術(shù)優(yōu)勢,問天科技研發(fā)出了新型WT-PFC-45系列LED路燈驅(qū)動電源。該產(chǎn)品的成功研發(fā)標(biāo)志著中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子密碼上的科研成果不僅可以在信息安全領(lǐng)域得到重大應(yīng)用,也可以為其他行業(yè)做出重要貢獻(xiàn)。

從漁民之子

到量子專家

第3篇：量子計算的優(yōu)勢范文

5月3日，這臺計算機(jī)的研制方――中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院在這里宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華研究組，構(gòu)建了這臺基于單光子的量子計算機(jī)，這是世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)。

一時間評價紛至沓來：“中國科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿”“量子計算將徹底改變?nèi)祟愇磥淼膽?yīng)用前景”……就連這次成果的焦點(diǎn)人物潘建偉也提到，“量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式發(fā)展的關(guān)鍵時刻?！蹦敲催@臺中國造的量子計算機(jī)究竟能有何能耐，又將為我們帶來什么？

計算速度加快2.4萬倍

量子計算機(jī)是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機(jī)。計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計算機(jī)無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。

曾有人打過一個比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機(jī)的速度是自行車，量子計算機(jī)的速度就如同飛機(jī)。例如，使用億億次的天河二號超級計算機(jī)求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年，而使用一臺萬億次的量子計算機(jī)求解同一個方程組，僅需0.01秒。

因?yàn)橛嬎隳芰Φ母锩酝黄?，如同蒸汽機(jī)之于工業(yè)文明，量子計算機(jī)將成為未來科技的引擎。實(shí)驗(yàn)測試表明，該原型機(jī)的取樣速度不僅比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)和第一臺晶體管計算機(jī)運(yùn)行速度快10倍到100倍?！斑@是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典超級計算能力的量子計算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為‘量子稱霸’的目標(biāo)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)?！迸私▊ブ赋?。

計劃年底實(shí)現(xiàn)20個光量子比特的操縱

多粒子m纏的操縱作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊此次利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機(jī)。

“量子計算領(lǐng)域有幾個大家共同努力的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一，展示超越首臺電子計算機(jī)的計算能力；第二，展示超越商用CPU的計算能力；第三，展示超越超級計算機(jī)的計算能力。我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但同時是重要的一步。”潘建偉說。

曾經(jīng)有科學(xué)家預(yù)測，除非量子計算機(jī)操控的比特數(shù)超過50個，量子計算機(jī)才能超過現(xiàn)有的經(jīng)典計算機(jī)。此次，中國科學(xué)家的成果為10個超導(dǎo)量子比特，超過了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校公開報道的9個超導(dǎo)量子比特的紀(jì)錄。

但也有分析稱，盡管歐美等國公開報道的成果是9個，但谷歌之前已經(jīng)放話，要在今年底之前把超導(dǎo)量子計算做到50個比特。因此，這一領(lǐng)域的競爭還遠(yuǎn)未結(jié)束。更何況即使獲得了量子計算霸權(quán)，讓其真正具備解決問題的能力也是路途漫漫。

在潘建偉看來，谷歌、IBM等公司擁有人才優(yōu)勢。尤其是谷歌，目前仍可以算是量子計算機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。但這次研究團(tuán)隊通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作實(shí)現(xiàn)10比特量子態(tài)的成果，使中國在超導(dǎo)體系量子計算機(jī)研究領(lǐng)域也進(jìn)入世界一流水平行列。

根據(jù)計劃，潘建偉的研究團(tuán)隊將在今年底實(shí)現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試，量子計算機(jī)的速度將會成指數(shù)增長。也許到時一張閃亮的國家名片又將出現(xiàn)。

量子技術(shù)未來將極大改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對計算能力的需求可以用“貪得無厭”來形容。同時，計算能力的強(qiáng)弱也對社會的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)人們能把有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計算給提取出來，每一個數(shù)據(jù)才會成為真正的財富。

談到量子計算機(jī)未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統(tǒng)的超級計算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會給人們的生活帶來極大改變?！?/p>

第4篇：量子計算的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】量子通信；量子信息學(xué)；量子信道；光子探測

1.引言

量子通信是量子力學(xué)和通信科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息論不能完成的信息處理任務(wù)。量子通信以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，其研究包括：量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信等研究方向，對現(xiàn)有信息技術(shù)帶來了重大突破，引起了學(xué)術(shù)界高度重視。近年來，有關(guān)量子計算機(jī)、量子相干性、量子通信、量子密碼等理論和研究大熱，其中，量子通信作為量子信息研究的內(nèi)容之一，成為物理學(xué)等領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)。量子通信理論上可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的通信過程，最初是利用光纖完成的，但由于光纖受地理和自身限制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位來自不同國家的科學(xué)提出了利用量子隱形傳送方案，構(gòu)建了一種脫離實(shí)物的量子通信系統(tǒng)，以量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成了大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可被破譯的通信技術(shù)。由于存在不可避免的環(huán)境噪聲，量子的糾纏態(tài)品質(zhì)會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，量子通信不可避免地首先要解決傳輸距離的限制才能具有良好的應(yīng)用前景。空間量子通信技術(shù)利用分發(fā)糾纏光子的方法為遠(yuǎn)程量子通信的研究提供了一種途徑。

2.空間量子通信技術(shù)原理

量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的優(yōu)點(diǎn)，其過程遵從量子力學(xué)原理。典型的量子通信系統(tǒng)包括：量子態(tài)發(fā)生器、通道和量子測量裝置。具有量子效應(yīng)的粒子如：光子、電子、原子等，都可以作為實(shí)現(xiàn)量子通信的量子信號[1]。由于光信號具有良好的傳輸特性，我們現(xiàn)在通常所說的量子通信系統(tǒng)均為量子光通信系統(tǒng)。單光子（糾纏光子對）的分發(fā)是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的前提，空間量子通信技術(shù)可以通過空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信，克服自由空間鏈路帶來的距離限制，圖1給出了典型量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。

使用糾纏量子信號的量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)[2]，其原理如下：根據(jù)量子力學(xué)理論，由兩個光子組成的糾纏光子對（薛定諤將多體量子狀態(tài)的不可分的相互關(guān)聯(lián)稱為量子糾纏），無論其在宇宙中相隔多遠(yuǎn)，其狀態(tài)均不可分割。單獨(dú)測量其中一個光子狀態(tài)，會得到完全隨機(jī)的結(jié)果，根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，一旦測量了其中一個光子的狀態(tài)，即使其發(fā)生了變化，那么另一個光子也會發(fā)生同樣的變化，即“塌縮”到相同的狀態(tài)。利用這一特性，通信者Alice隨機(jī)產(chǎn)生一個比特，再隨機(jī)改變自己的基來制備傳輸量子態(tài)，并重復(fù)多次，接收者Bob通過量子信道進(jìn)行接收，他測量每個光子，也隨機(jī)改變自己的基，當(dāng)兩人的基相同時，就得到了一組互補(bǔ)的隨機(jī)數(shù)。一旦竊聽者Eve進(jìn)行竊聽，糾纏光子對的特性就被破壞，Alice和Bob就會發(fā)覺，因此利用這種方式的通信是絕對安全的。

3.量子通信的研究進(jìn)展和趨勢

人們最初對量子的研究是基于對光的研究進(jìn)行的，由于量子通信可以建立無法被破譯的通信系統(tǒng)，因此受到美國、歐盟、日本等國在內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)的大力研究和發(fā)展，我國在這方面的研究成果也受到了國際上的廣泛關(guān)注。特別是在量子通信的演示驗(yàn)證試驗(yàn)方面，學(xué)術(shù)界已經(jīng)由地面自由空間傳輸試驗(yàn)向空間傳輸試驗(yàn)發(fā)展[1][3]。

（1）分發(fā)協(xié)議的發(fā)展

1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Gilles Brassard提出了第一個分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議[4]。在1992年，他們又提出了EPR協(xié)議，又稱E91協(xié)議，將糾纏態(tài)首次與量子通信聯(lián)系起來[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong協(xié)議[6]，這是一個十分重要的協(xié)議，其信息可以被確定性的直接傳輸，明顯提高了傳輸相率，受到人們的重視。目前所有實(shí)驗(yàn)基本上基于上述協(xié)議進(jìn)行的[7]。

（2）地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

1993年，美國IBM公司基于糾纏態(tài)交換的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離32cm，傳輸速率10bps，從此拉開了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕[1]。表1給出了現(xiàn)在國內(nèi)外較著名的地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)及成果[2][8-10]。

其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、清華大學(xué)彭承志教授等人于2005年至2009年間一系列的研究成果表明量子隱態(tài)傳輸穿越大氣層是可行的，糾纏光子在穿透等效于整個大氣厚度的地面大氣后，其糾纏特性仍可以保持，這為未來空間量子通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[7]。2007年，Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在奧地利兩海島間實(shí)現(xiàn)了跨越144km距離的基于誘騙態(tài)和糾纏態(tài)量子通信，是目前為止自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)距離的世界紀(jì)錄[7]。該實(shí)驗(yàn)的單光子源采用弱相干脈沖[10]，鏈路采用雙向主動望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)，包括一臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（可發(fā)送單光子同時接收信標(biāo)激光信號）及一架CCD相機(jī)等部件，如圖2所示。這個實(shí)驗(yàn)的成功被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的重要基石。

由于量子通信的優(yōu)勢和特點(diǎn)，許多國家都把其列入重點(diǎn)研究范圍，縱觀各國研究現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，美國側(cè)重研究量子理論，正在大力研究和發(fā)展量子計算機(jī)和量子通信的理論和技術(shù)，希望在十年內(nèi)有所突破。歐洲則對星地量子通信等空間應(yīng)用較感興趣，善于聯(lián)合各國力量推動量子通信技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)已開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。日本則重點(diǎn)致力于提高量子通信傳輸速率，并致力于量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建和研究。我國目前已經(jīng)在自由空間量子通信上取得了一系列世界領(lǐng)先的科研成果，需要廣大科研人員繼續(xù)努力，保持我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

（3）量子通信在空間的實(shí)驗(yàn)計劃

歐空局（ESA）自2002年以來資助了一系列空間量子通信研究，如QSpace項目（2002年-2003年），ACCOM項目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace項目一來是為了驗(yàn)證基于量子物理學(xué)的空間通信技術(shù)的可行性，二來是為了驗(yàn)證空間量子通信較地面量子通信的優(yōu)勢，如可避免大氣擾動和吸收的影響等[11]。為此該項目進(jìn)行了一些列的試驗(yàn)，獲得了空間量子通信四項主要應(yīng)用方向，對空間量子通信技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了歸納總結(jié)。ACCOM項目主要包括一個空-地單向通信實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于當(dāng)時的星間光通信技術(shù)，利用一個空基發(fā)射機(jī)對多個分布式地基接收機(jī)間進(jìn)行自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，首次研發(fā)出了一種可重復(fù)使用光學(xué)收發(fā)終端。該項目的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在經(jīng)典光學(xué)通信系統(tǒng)上進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計后改建的。QIPS項目即為上面描述的Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊進(jìn)行的144km量子通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，144km地面水平傳輸實(shí)驗(yàn)量子信道傳輸損耗約為25-30dB，這一數(shù)值與低軌衛(wèi)星與地面間傳輸損耗大致相當(dāng)，由此可見，同樣的技術(shù)應(yīng)用于空-地系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。

基于上述研究成果，維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊于2004年提出了Space-QUEST計劃。審核該計劃的ELIPS-2項目組認(rèn)為該計劃具有非常巨大的優(yōu)勢并強(qiáng)烈推薦ESA進(jìn)行資助并實(shí)施。Space-QUEST實(shí)驗(yàn)旨在首次驗(yàn)證如下內(nèi)容[11]：

1）基于新型量子通信技術(shù)（QKD）的全球無條件安全空間信息傳輸技術(shù)。

2）利用空間環(huán)境優(yōu)勢，突破地基量子通信瓶頸，實(shí)現(xiàn)空間量子通信。

如圖4所示，該計劃擬采用國際空間站（ISS）上搭載的量子通信終端設(shè)備向地面發(fā)送糾纏態(tài)光子來進(jìn)行，搭載的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑僅10-15cm，載荷總重小于100kg，峰值功率小于250W，收發(fā)終端間距離大于1000km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸距離。該計劃最終將于2015年實(shí)施完成。

（4）空間量子通信技術(shù)存在的主要問題

一是空間量子通信噪聲干擾消除問題。由于現(xiàn)實(shí)通訊狀況的不完美和噪聲干擾，所有的量子密碼協(xié)議的噪聲干擾如果跟有竊聽者存在所帶來的噪聲沒有差別[1]，通信連路是無法建立起來的；二是自由空間量子信道的傳輸特性問題。不同地面環(huán)境對光子傳播的影響，包括大氣衰減和退極化效應(yīng)。4.總結(jié)

如上所述，近年來量子通信由于其安全性引起了研究人員廣泛地興趣，目前在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，其中量子態(tài)的隱形傳輸，量子網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)正逐步走向?qū)嵱?。正是因?yàn)榱孔訐碛袕V袤的實(shí)用前景，各國均在量子通信技術(shù)方面加大科研投入。但是在降低單光子源成本、加大通信傳輸距離、增強(qiáng)檢測概率等一些關(guān)鍵性問題上還需要進(jìn)一步研究。本文主要闡述了空間量子通信技術(shù)的產(chǎn)生、基本原理、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并對空間量子通信技術(shù)存在的問題和難點(diǎn)進(jìn)行了介紹。筆者相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子通信技術(shù)實(shí)用化、商用化指日可待。

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第5篇：量子計算的優(yōu)勢范文

關(guān)鍵詞: 信息安全;密碼學(xué);量子計算;抗量子計算密碼

中圖分類號:TP 183 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1672-8513(2011)05-0388-08

The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures

ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng

（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）

Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .

Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography

1 量子信息時代

量子信息技術(shù)的研究對象是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的相干疊加并對其進(jìn)行有效處理、傳輸和存儲，以創(chuàng)建新一代高性能的、安全的計算機(jī)和通信系統(tǒng).量子通信和量子計算的理論基礎(chǔ)是量子物理學(xué).量子信息科學(xué)技術(shù)是在20世紀(jì)末期發(fā)展起來的新學(xué)科，預(yù)計在21世紀(jì)將有大的發(fā)展［1］.

量子有許多經(jīng)典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態(tài)就是其中突出的一個.原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個量子系統(tǒng)之間存在瞬時的超距量子關(guān)聯(lián)，這種狀態(tài)被稱為量子糾纏態(tài)［1］.

量子的另一個奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因?yàn)榱孔討B(tài)具有測不準(zhǔn)和不可克隆的屬性，根據(jù)這種屬性除了合法的收發(fā)信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態(tài).這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會被發(fā)現(xiàn)，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術(shù)是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統(tǒng)的“一次一密”方式加密.量子糾纏態(tài)的超距作用預(yù)示，如果能夠利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行通信，將獲得超距和超高速通信.

量子計算機(jī)是一種以量子物理實(shí)現(xiàn)信息處理的新型計算機(jī).奇妙的是量子計算具有天然的并行性.n量子位的量子計算機(jī)的一個操作能夠處理2n個狀態(tài)，具有指數(shù)級的處理能力，所以可以用多項式時間解決一些指數(shù)復(fù)雜度的問題.這就使得一些原來在電子計算機(jī)上無法解決的困難問題，在量子計算機(jī)上卻是可以解決的.

2 量子計算機(jī)對現(xiàn)有密碼提出嚴(yán)重挑戰(zhàn)

針對密碼破譯的量子計算機(jī)算法主要有以下2種.

第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計算復(fù)雜度為O(N).對于密碼破譯來說，這一算法的作用相當(dāng)于把密碼的密鑰長度減少到原來的一半.這已經(jīng)對現(xiàn)有密碼構(gòu)成很大的威脅，但是并未構(gòu)成本質(zhì)的威脅，因?yàn)橹灰衙荑€加長1倍就可以了.

第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shor在1997年提出的在量子計算機(jī)上求解離散對數(shù)和因子分解問題的多項式時間算法.利用這種算法能夠?qū)δ壳皬V泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協(xié)商體制進(jìn)行有效攻擊.對于橢圓曲線離散對數(shù)問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計算機(jī)上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數(shù)問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對于整數(shù)的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計算機(jī)上可以容易地分解k比特的整數(shù)［5］，其中N≈2k.根據(jù)這種分析，利用1448qbit的計算機(jī)可以求解256位的橢圓曲線離散對數(shù)，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國第2代身份證的安全.利用2048qbit的計算機(jī)可以分解1024位的整數(shù)，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務(wù)的安全

Shor算法的攻擊能力還在進(jìn)一步擴(kuò)展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴(kuò)展到求解隱藏子群問題(HSP)，凡是能歸結(jié)為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計算機(jī)能夠走向?qū)嵱茫F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計算機(jī)對我們的密碼提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

3 抗量子計算密碼的發(fā)展現(xiàn)狀

抗量子計算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：

第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計算不擅長計算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼.

量子保密的安全性建立在量子態(tài)的測不準(zhǔn)與不可克隆屬性之上，而不是基于計算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計算的.由于技術(shù)的復(fù)雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.

第3類抗量子計算密碼是基于量子計算機(jī)不擅長的數(shù)學(xué)問題構(gòu)建的密碼.基于量子計算機(jī)不擅長計算的那些數(shù)學(xué)問題構(gòu)建密碼，就可以抵御量子計算機(jī)的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計算密碼［9］.

所有量子計算機(jī)不能攻破的密碼都是抗量子計算的密碼.國際上關(guān)于抗量子計算密碼的研究主要集中在以下4個方面.

3.1 基于HASH函數(shù)的數(shù)字簽名

1989年Merkle提出了認(rèn)證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數(shù)的安全性.目前量子計算機(jī)還沒有對一般Hash函數(shù)的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計算性質(zhì).與基于數(shù)學(xué)困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構(gòu)造單向陷門函數(shù),給定1個單向函數(shù)(通常采用Hash函數(shù))便能造1個Merkle簽名方案.在密碼學(xué)上構(gòu)造1個單向函數(shù)要比構(gòu)造1個單向陷門函數(shù)要容易的多,因?yàn)樵O(shè)計單向函數(shù)不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運(yùn)用置換、迭代、移位、反饋等簡單編碼技巧的巧妙組合,以簡單的計算機(jī)指令或廉價的邏輯電路達(dá)到高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)效果.新的Hash標(biāo)準(zhǔn)SHA-3［11］的征集過程中,涌現(xiàn)出了許多新的安全的Hash函數(shù),利用這些新的Hash算法可以構(gòu)造出一批新的實(shí)用Merkle簽名算法.

Merkle 簽名樹方案的優(yōu)點(diǎn)是簽名和驗(yàn)證簽名效率較高，缺點(diǎn)是簽名和密鑰較長,簽名次數(shù)受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數(shù)與需要構(gòu)造的二叉樹緊密相關(guān).簽名的次數(shù)越多,所需要構(gòu)造的二叉樹越大,同時消耗的時間和空間代價也就越大.因此該方案的簽名次數(shù)是受限制的.近年來,許多學(xué)者對此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數(shù), 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數(shù),便能構(gòu)造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數(shù)必須是抗強(qiáng)碰撞的.這是對原始Merkle簽名方案的有益改進(jìn).上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術(shù)上已基本滿足工程應(yīng)用要求, 一些成果已經(jīng)應(yīng)用到了Microsoft Outlook 以及移動路由協(xié)議中［16］.

雖然基于Hash函數(shù)的數(shù)字簽名方案已經(jīng)開始應(yīng)用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數(shù)、減小簽名和密鑰的尺寸、優(yōu)化認(rèn)證樹的遍歷方案以及如何實(shí)現(xiàn)加密和基于身份的認(rèn)證等功能，均值得進(jìn)一步研究.

3.2 基于糾錯碼的公鑰密碼

基于糾錯碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯的方法作為私鑰, 加密時對明文進(jìn)行糾錯編碼，并主動加入一定數(shù)量的錯誤, 解密時運(yùn)用私鑰糾正錯誤, 恢復(fù)出明文.

McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點(diǎn), 提出了第1個基于糾錯編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設(shè)G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機(jī)選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設(shè)G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個明文m∈GF(2)k,則計算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機(jī)向量.要解密密文c, 首先計算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應(yīng)明文m= m′S-1.

1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎(chǔ)上.McEliece密碼已經(jīng)經(jīng)受了30多年來的廣泛密碼分析,被認(rèn)為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運(yùn)算比較快, 但該方案也有它的弱點(diǎn), 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.

1986年Niederreiter提出了另一個基于糾錯碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗(yàn)矩陣.該系統(tǒng)的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗(yàn)矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時,首先根據(jù)加密表達(dá)式可推導(dǎo)出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國學(xué)者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價的.

McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質(zhì)是它的最大優(yōu)點(diǎn). 其缺點(diǎn)是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實(shí)用性.

因此, 如何用糾錯碼構(gòu)造一個既能加密又簽名的密碼, 是一個相當(dāng)困難但卻非常有價值的開放課題.

3.3 基于格的公鑰密碼

近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優(yōu)勢:①由于格上的一些困難性問題還未發(fā)現(xiàn)量子多項式破譯算法，因此我們認(rèn)為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計算的性質(zhì).②格上的運(yùn)算大多為線性運(yùn)算,較RSA等數(shù)論密碼實(shí)現(xiàn)效率高,特別適合智能卡等計算能力有限的設(shè)備.③根據(jù)計算復(fù)雜性理論,問題類的復(fù)雜性是指該問題類在最壞情況下的復(fù)雜度.為了確?；谠擃惱щy問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復(fù)雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻(xiàn)［22］中開創(chuàng)性地證明了:格中一些問題類的平均復(fù)雜度等于其最壞情況下的復(fù)雜度.Ajtai和Dwork利用這一結(jié)論設(shè)計了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個能被證明其任一隨機(jī)實(shí)例與最壞情況相當(dāng).盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實(shí)現(xiàn)效率太低、而缺乏實(shí)用性.

1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個大維數(shù)的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，存儲空間小.然而, 基于NTRU的數(shù)字簽名方案卻并不成功.

2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個體制在簽名時泄露了私鑰信息,導(dǎo)致了一類統(tǒng)計攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設(shè)計者改進(jìn)了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結(jié)合最大公因子方法和統(tǒng)計方法,對R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數(shù)字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個簽名方案做了很大的改進(jìn),在簽名過程中增加了對消息的擾動, 大大減少簽名中對私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復(fù)雜.但這些簽名方案都不是零知識的,也就是說,簽名值會泄露私鑰的部分相關(guān)信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數(shù)為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設(shè)計值保守推薦該方案每個密鑰對最多只能簽署107 次,實(shí)際中一般認(rèn)為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國學(xué)者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點(diǎn)是無限制泄露的最終形式只是關(guān)于私鑰的一組復(fù)雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現(xiàn)的時間都還較短，還需要經(jīng)歷一段時間的安全分析和完善.

由上可知，進(jìn)一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設(shè)計構(gòu)造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.

3.4 MQ公鑰密碼

MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡稱為MQ密碼.它最早出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經(jīng)典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應(yīng)用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一.其主要有3個原因:一是量子計算對經(jīng)典公鑰密碼的挑戰(zhàn);二是MQ密碼孕育了代數(shù)攻擊的出現(xiàn)［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉(zhuǎn)化為MQ問題,人們試圖借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數(shù)攻擊的興起又帶動了MQ密碼的蓬勃發(fā)展;三是MQ密碼的實(shí)現(xiàn)效率比經(jīng)典公鑰密碼快得多.在目前已經(jīng)構(gòu)造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動電話、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等計算能力有限的設(shè)備, 這是RSA等經(jīng)典公鑰密碼所不具備的優(yōu)勢.

MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學(xué)領(lǐng)域中論文數(shù)量最多、最活躍的研究分支.

設(shè)U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數(shù),稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復(fù)合所構(gòu)成的單向陷門函數(shù),即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構(gòu)造具有良好密碼性質(zhì)的非線性可逆變換F是MQ密碼設(shè)計的核心.根據(jù)中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.

1988年日本的Matsumoto和Imai運(yùn)用"大域-小域"的原理設(shè)計出第1個MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標(biāo)準(zhǔn)的候選方案.1995年P(guān)atarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發(fā)展的一個里程碑,為該領(lǐng)域帶來了一種全新的設(shè)計思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進(jìn)MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項目收錄,用于智能卡的簽名標(biāo)準(zhǔn)算法.該標(biāo)準(zhǔn)簽名算法在2007年美密會上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動和加模式方法給出了MI的改進(jìn)方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國也給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］，改進(jìn)后的方案可以抵抗文獻(xiàn)［36］的攻擊.但這些改進(jìn)方案的安全性還需進(jìn)一步研究.

1996年P(guān)atarin針對MI算法的弱點(diǎn)提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對MI的實(shí)質(zhì)性改進(jìn).2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進(jìn)算法.一是HFEv-體制,它是結(jié)合了醋變量方法和減方法改進(jìn)而成,特殊參數(shù)化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動方法對HFE的改進(jìn).這2種MQ密碼至今還未發(fā)現(xiàn)有效的攻擊方法.

油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構(gòu)造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時只需隨機(jī)選擇一組醋變量代入油醋多項式,然后結(jié)合要簽名的文件,解一個關(guān)于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年P(guān)atarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個數(shù)相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認(rèn)為是相對安全的MQ密碼之一.

三角形體制是現(xiàn)有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進(jìn)行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國申請了專利.丁津泰等指出當(dāng)時所有的TTM實(shí)例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個新的TTM 實(shí)例,這個新的實(shí)例被我國學(xué)者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設(shè)計主要是圍繞鎖多項式的構(gòu)造、結(jié)合其它增強(qiáng)多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數(shù)結(jié)構(gòu)如有理映射等.

我國學(xué)者也對MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數(shù)鏈對MQ密碼進(jìn)行擴(kuò)展,提出了有理分式公鑰密碼系統(tǒng)［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個TTM新實(shí)例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國基于擴(kuò)展MQ，設(shè)計了一種Hash函數(shù)［52-53］，該Hash函數(shù)具有一些明顯的特點(diǎn).同年，王后珍、張煥國借鑒有理分式密碼單向函數(shù)鏈的思想［52］，對MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計了一種新的抗量子計算擴(kuò)展MQ密碼［54］.這些研究對于擴(kuò)展MQ密碼結(jié)構(gòu)，做了有益的探索.但是這些方案提出的時間較短，其安全性有待進(jìn)一步分析.

根據(jù)上面的介紹,目前還沒有一種公認(rèn)安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點(diǎn)是:只能簽名,不能安全加密(加密時安全性降低)，公鑰大小較長，很難設(shè)計出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.

3.5 小結(jié)

無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計算不擅長計算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.

量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產(chǎn)生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統(tǒng)密碼.因此，嚴(yán)格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數(shù)字簽名和認(rèn)證方面還存在一些困難.

對于DNA密碼，目前雖然已經(jīng)提出了DNA傳統(tǒng)密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術(shù)都還不成熟［9-10］.

對于基于量子計算不擅長計算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，現(xiàn)有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴(yán)格的理論分析.

總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.

4 我們的研究工作

我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計算密碼.目前獲得了國家自然科學(xué)基金等項目的支持，并取得了以下2個階段性研究成果.

4.1 利用多變量問題，設(shè)計了一種新的Hash函數(shù)

Hash 函數(shù)在數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)等信息安全技術(shù)中被廣泛應(yīng)用.目前 Hash 函數(shù)的設(shè)計主要有3類方法:①直接構(gòu)造法.它采用大量的邏輯運(yùn)算來確保Hash函數(shù)的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數(shù)均是采用這種方法設(shè)計的.②基于分組密碼的Hash 函數(shù)，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構(gòu)造法.利用一些難解性問題諸如離散對數(shù)、因子分解等來構(gòu)造Hash 函數(shù).在合理的假設(shè)下，這種Hash函數(shù)是可證明安全的，但一般來講其效率較低.

我們基于多變量非線性多項式方程組的難解性問題，構(gòu)造了一種新的Hash 函數(shù)［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項式方程組的求解困難性之上.方程組的次數(shù)越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權(quán)衡安全性和效率來控制多變量多項式方程組的次數(shù)和稠密度，以構(gòu)造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數(shù).

4.2 對MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，把Hash認(rèn)證技術(shù)引入MQ密碼，得到一種新的擴(kuò)展MQ密碼

擴(kuò)展MQ密碼的基本思想是對傳統(tǒng)MQ密碼的算法空間進(jìn)行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統(tǒng)MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質(zhì). 同時, 算法空間的拓展破壞了傳統(tǒng)MQ密碼的一些特殊代數(shù)結(jié)構(gòu)性質(zhì), 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規(guī)模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認(rèn)證技術(shù), 攻擊者偽造簽名時, 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數(shù)認(rèn)證, 雙重安全性保護(hù)極大地提升了傳統(tǒng)MQ公鑰密碼系統(tǒng)的安全性. 底層MQ體制及Hash函數(shù)可靈活選取, 由此可構(gòu)造出一類新的抗量子計算公鑰密碼體制.這種擴(kuò)展MQ密碼的特點(diǎn)是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.

我們提出的基于多變量問題的Hash函數(shù)和擴(kuò)展MQ密碼，具有自己的優(yōu)點(diǎn)，也有自己的缺點(diǎn).其安全性還需要經(jīng)過廣泛的分析與實(shí)踐檢驗(yàn)才能被實(shí)際證明.

5 今后的研究工作

5.1 量子信息論

量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質(zhì)，據(jù)此我們估計量子的信息特征也會有一些特殊的性質(zhì).這些特殊性質(zhì)將會使量子信息論對經(jīng)典信息論有一些新的擴(kuò)展.但是，具體有哪些擴(kuò)展，以及這些新擴(kuò)展的理論體系和應(yīng)用價值體現(xiàn)在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.

5.2 量子計算理論

這里主要討論量子可計算性理論和量子計算復(fù)雜性理論.

可計算性理論是研究計算的一般性質(zhì)的數(shù)學(xué)理論.它通過建立計算的數(shù)學(xué)模型，精確區(qū)分哪些是可計算的，哪些是不可計算的.如果我們研究清楚量子可計算性理論，將有可能構(gòu)造出量子計算環(huán)境下的絕對安全密碼.但是我們目前對量子可計算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.

計算復(fù)雜性理論使用數(shù)學(xué)方法對計算中所需的各種資源的耗費(fèi)作定量的分析，并研究各類問題之間在計算復(fù)雜程度上的相互關(guān)系和基本性質(zhì).它是密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，公鑰密碼的安全性建立在計算復(fù)雜性理論之上.因此，抗量子計算密碼應(yīng)當(dāng)建立在量子計算復(fù)雜性理論之上.為此，應(yīng)當(dāng)研究以下問題.

1） 量子計算的問題求解方法和特點(diǎn).量子計算復(fù)雜性建立在量子圖靈機(jī)模型之上，問題的計算是并行的.但是目前我們對量子圖靈機(jī)的計算特點(diǎn)及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計算問題求解的方法和特點(diǎn).

2） 量子計算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計算復(fù)雜性之間的關(guān)系.與電子計算機(jī)環(huán)境的P問題、NP問題相對應(yīng), 我們記量子計算環(huán)境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對量子計算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計算復(fù)雜性的關(guān)系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關(guān)系是怎樣的？ NPC與QP的關(guān)系是怎樣的？NPC與QNP的關(guān)系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關(guān)系到我們應(yīng)基于哪些問題構(gòu)造密碼以及所構(gòu)造的密碼是否具有抗量子計算攻擊的能力.

3） 典型難計算問題的量子計算復(fù)雜度分析.我們需要研究傳統(tǒng)計算環(huán)境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？

5.3 量子計算環(huán)境下的密碼安全性理論

在分析一個密碼的安全性時，應(yīng)首先分析它在電子計算環(huán)境下的安全性，如果它是安全的，再進(jìn)一步分析它在量子計算環(huán)境下的安全性.如果它在電子計算環(huán)境下是不安全的，則可肯定它在量子計算環(huán)境下是不安全的.

1） 現(xiàn)有量子計算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現(xiàn)在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復(fù)雜度是多大？

2) 尋找新的量子計算攻擊算法.因?yàn)槊艽a的安全性依賴于新攻擊算法的發(fā)現(xiàn).為了確保我們所構(gòu)造的密碼在相對長時間內(nèi)是安全的，必須尋找新的量子計算攻擊算法.

3) 密碼在量子計算環(huán)境下的安全性分析.目前普遍認(rèn)為, 基于格問題、MQ問題、糾錯碼的譯碼問題設(shè)計的公鑰密碼是抗量子計算的.但是，這種認(rèn)識尚未經(jīng)過量子計算復(fù)雜性理論的嚴(yán)格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計算環(huán)境下的實(shí)際安全性如何？只有經(jīng)過了嚴(yán)格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.

5.4 抗量子計算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)

通過量子計算復(fù)雜性理論和密碼在量子計算環(huán)境下的安全性分析的研究，為設(shè)計抗量子計算密碼奠定了理論基礎(chǔ)，并得到了一些可構(gòu)造抗量子計算的實(shí)際困難問題.但要實(shí)際設(shè)計出安全的密碼，還要研究抗量子計算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù).

1) 量子計算環(huán)境下的單向陷門設(shè)計理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數(shù).要構(gòu)造一個抗量子計算公鑰密碼首先就要設(shè)計一個量子計算環(huán)境下的單向陷門函數(shù).單向陷門函數(shù)的概念是簡單的，但是單向陷門函數(shù)的設(shè)計是困難的.在傳統(tǒng)計算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計已經(jīng)十分困難，我們估計在量子計算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計將更加困難.

2） 抗量子計算密碼的算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)技術(shù).有了單向陷門函數(shù)，還要進(jìn)一步設(shè)計出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實(shí)現(xiàn)技術(shù).這些都是十分重要的問題.都需要認(rèn)真研究才能做好.

6 結(jié)語

量子計算時代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰(zhàn)略問題.研究并建立我國獨(dú)立自主的抗量子計算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計算機(jī)不擅長計算的數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的一類抗量子計算的密碼，介紹了其發(fā)展現(xiàn)狀，并給出了進(jìn)一步研究的建議.

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收稿日期:2011-04-20.

第6篇：量子計算的優(yōu)勢范文

關(guān)鍵詞 計算機(jī)技術(shù)；發(fā)展趨勢

中圖分類號 TP 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)012-0114-01

當(dāng)前，計算機(jī)技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展，廣泛地應(yīng)用于人們的生活中，給人們的生活帶來了巨大的便利，計算機(jī)技術(shù)也從單一化領(lǐng)域逐步發(fā)展到多元化領(lǐng)域。但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對計算機(jī)技術(shù)的要求越來越高，要適應(yīng)社會需求，就必須深入研究計算機(jī)技術(shù)，以使計算機(jī)技術(shù)更好地滿足社會需求。

1 計算機(jī)技術(shù)的興起

計算機(jī)技術(shù)的興起要追溯到1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院研制的大型電子數(shù)字積分計算機(jī)，這標(biāo)志著計算機(jī)時代的到來。這樣的機(jī)器當(dāng)時是為軍方研制的，后通過多次的技術(shù)改造，這臺計算機(jī)能進(jìn)行各種科學(xué)計算，應(yīng)用的領(lǐng)域拓寬。但該臺計算機(jī)的程序設(shè)備還是外加式的，運(yùn)行速度較快，但存儲容量較小，與現(xiàn)代計算機(jī)還存在較大差距。直到數(shù)學(xué)家馮?諾伊曼領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計小組對計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了重大突破，在1946年完成了《電子計算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》，這一設(shè)計成果引發(fā)了存儲程序式計算機(jī)的制造，英國率先完成了電子離散時序自動計算機(jī)，美國相繼完成了東部標(biāo)準(zhǔn)自動計算機(jī)，計算機(jī)的自動化程度越來越高，進(jìn)入了迅速發(fā)展期。

20世紀(jì)中期計算機(jī)技術(shù)獲得了高速發(fā)展，也有單純的計算機(jī)硬件發(fā)展到集硬件、軟件和固件等為一體的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的性能大大提升。同時這一時期，計算機(jī)類型開始分化，如通用計算機(jī)、小型計算機(jī)、微型計算機(jī)等類型，此外還有一些專用的計算機(jī)如模擬數(shù)字混合計算機(jī)等。20世紀(jì)后期，計算機(jī)技術(shù)開始逐步應(yīng)用到社會的各個角落，計算機(jī)的性能也獲得了提升。不管是家庭、還是企業(yè)、機(jī)關(guān)，計算機(jī)都廣泛地發(fā)揮著作用，成為人們工作生活中不可獲取的一部分。目前計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)決定了計算機(jī)的發(fā)展方向，其設(shè)備如音響系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等技術(shù)性很強(qiáng)，涉及到電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)等多種學(xué)科，同時又要受到電子加工工藝水平、精密機(jī)械工藝水平的影響。

2 未來計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

隨著硅芯片技術(shù)的快速發(fā)展，硅技術(shù)也越來越接近物理極限，為了解決物理性對硅芯片的影響，世界各國都在加緊研制新技術(shù)，計算機(jī)領(lǐng)域?qū)霈F(xiàn)一些新技術(shù)，給計算機(jī)的發(fā)展帶來質(zhì)的飛躍。雖然這些新型計算機(jī)技術(shù)還在發(fā)展中，但不久這些新型的量子計算機(jī)、光子計算機(jī)、生物計算機(jī)、納米計算機(jī)等將會遍布我們生活的各個領(lǐng)域，獲得廣泛的應(yīng)用。

2.1 量子計算機(jī)

這種計算機(jī)是根據(jù)量子效應(yīng)設(shè)計出來的，借助鏈狀分子聚合物的特性來實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)，分子狀態(tài)變化借助于激光脈沖改變，使相關(guān)的信息跟著聚合物轉(zhuǎn)變，然后實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。量子計算機(jī)是立足于力學(xué)規(guī)律之上進(jìn)行運(yùn)算及存儲信息的，量子計算機(jī)的存儲量是非常大的，不僅能高速地處理數(shù)據(jù)，還有著安全的保密體系。量子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是科學(xué)界一直追逐的夢想，現(xiàn)在還只是利用了量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等方面，此領(lǐng)域還有待更進(jìn)一步的研究，量子計算機(jī)的應(yīng)用必會給未來計算機(jī)技術(shù)發(fā)展帶來新機(jī)遇。

2.2 光子計算機(jī)

光子計算機(jī)也就是全光數(shù)字計算機(jī)，就是用光子代替電子，用光互連代替導(dǎo)線互聯(lián)，光硬件代替電子硬件，從而實(shí)現(xiàn)光運(yùn)算代替電子運(yùn)算。光與電子相比，其傳播速度非?？?，它的能力超過了現(xiàn)有電話電纜的很多倍，同時光子計算機(jī)在一般室溫下就可以使用，不易出現(xiàn)錯誤，和人腦具有類似的容錯性。這些優(yōu)勢必會提高計算機(jī)的效能，使光子計算機(jī)獲得廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。

2.3 生物計算機(jī)

生物計算機(jī)也即是分子計算機(jī)，其運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)相互作用的過程。生物計算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)是由酶來擔(dān)當(dāng)?shù)?，要更好地顯現(xiàn)出酶，就需要酶和蛋白質(zhì)融合在一起。通過這種技術(shù)制作的生物計算機(jī)體積小，耗電少，存儲量大，還能運(yùn)行在生化環(huán)境或者有機(jī)體中，比較適合應(yīng)用于醫(yī)療診治及生物工程等。

2.4 納米計算機(jī)

納米屬于計量單位，大概是氫原子直徑的十倍。納米技術(shù)從開始就受到了科學(xué)家們的關(guān)注，也是80年代初迅速發(fā)展起來的前沿技術(shù)，科學(xué)家們一直深入研究?，F(xiàn)在納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還局限于微電子機(jī)械系統(tǒng)，還沒有真正應(yīng)用于計算機(jī)領(lǐng)域。在微電子機(jī)械系統(tǒng)中應(yīng)用納米技術(shù)知識，是在一個芯片上同時放傳感器和各種處理器，這樣所占的空間較小。納米技術(shù)如果能應(yīng)用到計算機(jī)上，必會大大節(jié)省資源，提高計算機(jī)性能。

3 未來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 無線化趨勢

計算機(jī)實(shí)現(xiàn)無線化一直是人們夢寐以求的，這與當(dāng)前筆記本實(shí)現(xiàn)的無線是不同的，未來計算機(jī)無線化是指網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備間的無線連接，如果無線化得到了實(shí)現(xiàn)，未來在家中使用臺式電腦比用筆記本還方便，因?yàn)轱@示器與主機(jī)不用再連線。也就是說實(shí)現(xiàn)無線顯示器，這種技術(shù)被稱為UWB技術(shù)，屬于無線通信技術(shù)，可以為無線局域網(wǎng)和個人局域網(wǎng)提供方便，帶來低功耗、高帶寬的優(yōu)勢。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化趨勢

目前，信息技術(shù)獲得了快速發(fā)展，計算機(jī)也越來越普及，各種家用電器也開始走向智能化，未來有可能實(shí)現(xiàn)家電與計算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，計算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)控家電的運(yùn)作，也可以通過網(wǎng)絡(luò)下載新的家電應(yīng)用程序，從而提高家電的性能。同時利用互聯(lián)網(wǎng)也可以遠(yuǎn)程遙控家中的家電，在辦公室就能讓家中的電器工作，為生活提供便利。

3.3 人性化趨勢

計算機(jī)的普及必會要求計算機(jī)更好地為人服務(wù)，這就需要計算機(jī)與人之間的交流要人性化，這樣人們才會真正使用計算機(jī)。要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，計算機(jī)的交互方式將會走向多樣化，可以通過書寫控制，也可以通過語言控制、眼鏡控制等。隨著智能化的提升，計算機(jī)可以自動選擇操作流程，使用起來較為簡單，有可能達(dá)到與家用電器操作一樣簡單，使用者不需要專門學(xué)習(xí)就能操作。

總之，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)給人們的生活帶來了諸多便利。目前，一些新型的計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到一些領(lǐng)域，未來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展必會超出人們的預(yù)想。

參考文獻(xiàn)

第7篇：量子計算的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)科學(xué) 技術(shù) 發(fā)展趨勢 探討

計算機(jī)已經(jīng)有60多年的發(fā)展基礎(chǔ)，計算機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用等多方領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。伴隨著社會的不斷變遷以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機(jī)的更新與發(fā)展也是日新月異，并且在自身飛速發(fā)展演變的同時還衍生出眾多的發(fā)展方向。如今計算機(jī)已經(jīng)在各個領(lǐng)域都涉及廣泛，例如軍事、政治、文化等。本文通過對計算機(jī)的發(fā)展歷程分析，從而對計算機(jī)未來的趨勢進(jìn)行了淺析和探討。

1 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的歷史步伐

20世紀(jì)在美國誕生了世界上第一臺計算機(jī)，標(biāo)志著我們進(jìn)入信息化的時代，當(dāng)時的計算機(jī)體積和重量龐大，運(yùn)行速度也慢，成本也非常高。但是隨著社會科學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，許多國家機(jī)關(guān)和一些先進(jìn)企業(yè)開始利用計算機(jī)來進(jìn)行一些高度數(shù)據(jù)的處理，處理器也隨著發(fā)展的需要而誕生，并逐漸得到廣泛的利用。到了1982年，誕生了世界上第一臺個人計算機(jī)，這樣計算機(jī)的成本得到了明顯的降低，也可以更廣泛的得到發(fā)展和利用。所以計算機(jī)的應(yīng)用逐漸從政府機(jī)關(guān)開始延伸到中小型的公司企業(yè)，最終甚至延伸到了普通家庭中來?？傮w來看，計算機(jī)一直沿著積極的方向迅速發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也是出現(xiàn)了分化的趨勢，首先計算機(jī)被高度利用在國防，軍事和科技研發(fā)中。其次，計算機(jī)的微型領(lǐng)域也是得到了科學(xué)迅速的發(fā)展，融入到了各個行業(yè)領(lǐng)域中。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)逐漸深入到了人們的生活中，很大程度上豐富了人們的生活，社會進(jìn)步的速度也在不斷更新。

2 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)得到發(fā)展的原因

2.1 時展的需要

如今信息化的進(jìn)程在不斷的更新，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)也是隨著時代的迅速發(fā)展而發(fā)展。最初計算機(jī)是由于戰(zhàn)爭的需要和繁多的信息數(shù)據(jù)的處理需要，加之計算機(jī)的發(fā)展技術(shù)還不夠成熟，會在利用計算機(jī)的過程中投入大量的人力和財力。但是正是因?yàn)檫@樣才能促進(jìn)計算機(jī)的誕生以及不同領(lǐng)域的需要促使計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展。現(xiàn)在，由于國家政府對計算機(jī)技術(shù)的大量需求和利用，需要通過利用計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)來對國家各個領(lǐng)域的發(fā)展起到推動的作用，對計算機(jī)各種硬件和軟件的要求也越來越高，這就使得計算機(jī)的革新技術(shù)的速度也隨著需求而加快了發(fā)展的腳步。

2.2 技術(shù)的發(fā)展基于計算機(jī)的理論基礎(chǔ)

在計算機(jī)技術(shù)更新的研發(fā)中，開發(fā)者需要有活躍的設(shè)計開發(fā)理念創(chuàng)新，并要把這些創(chuàng)新理念實(shí)際應(yīng)用到具體計算機(jī)技術(shù)操作當(dāng)中。當(dāng)然創(chuàng)新理念在應(yīng)用中需要不斷的檢驗(yàn)才能證明其是否存在利用價值，會不會對原來的操作產(chǎn)生更為便捷的途徑。在檢驗(yàn)計算機(jī)技術(shù)是否成熟的過程中必然會出現(xiàn)失敗或者錯誤的情況，這就需要研究者不斷進(jìn)行反思和修改，并促進(jìn)其開發(fā)研究內(nèi)容的更加豐富和實(shí)用。當(dāng)某一個計算機(jī)技術(shù)成熟后會對下一次的技術(shù)革新有強(qiáng)大的推動作用。

3 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 智能化的計算機(jī)

如今各個領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C(jī)的要求日益趨高，很多計算機(jī)的舊技術(shù)已經(jīng)不能滿足大量數(shù)據(jù)整理的需求。所以就需要更為強(qiáng)大的計算機(jī)技術(shù)來滿足需求。智能化的計算機(jī)的研究利用，它在較之前的計算機(jī)有了處理速度上的提升，以及更全面的數(shù)據(jù)技術(shù)的分析和處理。節(jié)省更多的時間，大大增強(qiáng)了工作效率。

3.2 新型的計算機(jī)

硅技術(shù)在近些年的技術(shù)發(fā)展到了一個瓶頸期，所以要發(fā)新的技術(shù)成為當(dāng)前信息化社會發(fā)展的一個重要目標(biāo)。計算機(jī)領(lǐng)域的研究人員把目光投入到光子計算機(jī)、量子計算機(jī)和納米計算機(jī)等新型計算機(jī)的研究開發(fā)。而今計算機(jī)更新?lián)Q代的周期越來越短，所以新型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用也指日可待。

3.2.1 光子計算機(jī)

光子計算機(jī)是利用光子對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的，采用光子硬件和光子運(yùn)算方式，數(shù)據(jù)處理量大，處理的速度也快，使更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)的處理在光子計算機(jī)的技術(shù)上得到優(yōu)化。所以光子計算機(jī)會隨著對計算機(jī)科學(xué)技術(shù)要求的不斷提升會成為新型的計算機(jī)類型。

3.2.2 量子計算機(jī)

量子計算機(jī)是對龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行運(yùn)算處理儲存和分析處理源，它是在遵循量子力學(xué)規(guī)律原理的依據(jù)上進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算的。與傳統(tǒng)的計算機(jī)比較起來，量子計算機(jī)在計算速度方面也是要快許多的，主要原理是量子計算機(jī)可以通過量子來進(jìn)行計算。并且量子計算機(jī)在系統(tǒng)的安全防護(hù)方面比傳統(tǒng)計算機(jī)有明顯的優(yōu)勢，這目前是很多人對計算機(jī)應(yīng)用方面的追求。

3.2.3 納米計算機(jī)

納米計算機(jī)是把納米技術(shù)運(yùn)用到計算機(jī)的技術(shù)中來，通過納米原件體積小的優(yōu)勢來取代傳統(tǒng)原件，并且其導(dǎo)電性會比一般傳統(tǒng)的計算機(jī)原件有明顯突出的優(yōu)點(diǎn)，相信納米技術(shù)一定會成為計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域重要的一部分。

4 結(jié)語

綜上所述，社會的發(fā)展已經(jīng)不能與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展脫離，計算機(jī)技術(shù)對人們?nèi)粘Ｉ钜灿兄絹碓酱蟮挠绊?。計算機(jī)技術(shù)也不斷朝著智能化、多元化的方向發(fā)展，對人們未來的生活和社會的發(fā)展提供強(qiáng)大的動力。

參考文獻(xiàn)

[1]張瑞.計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢探析[J].制造業(yè)自動化，2010（08）.

[2]謝平.對計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢的探討[J].工程技術(shù)，2012（05）.

[3]鄭宏莉.探究計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].信息技術(shù)，2014（36）.

第8篇：量子計算的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】電腦技術(shù)發(fā)展應(yīng)用分析研究

伴隨著全球信息化程度的不斷加深，電腦技術(shù)在人們的生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，現(xiàn)已滲透到社會生活的每個領(lǐng)域。電腦技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，致使一大批的新型電腦系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而這些新型技術(shù)會給人們帶來非常大的影響。

一、電腦技術(shù)的發(fā)展方向

1.納米電腦的發(fā)展。納米是相當(dāng)微小的一個計量單位，一納米僅僅是氫原子半徑的二十倍。在電腦技術(shù)的研發(fā)上應(yīng)用納米技術(shù)能夠使電腦的芯片體積減小很大一部分，從而使整個電腦的體積相應(yīng)減小。另外，對于能源消耗來說，納米電腦具有非常大的優(yōu)勢，不僅能夠在很大程度上減少材料的使用量，而且還能夠使相關(guān)元件的壽命有所提高，在其性能方面也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的電腦，在較多的電腦種類當(dāng)中能夠算得上是最高效和最先進(jìn)的電腦技術(shù)，同時也是未來電腦發(fā)展到一定程度的必然趨勢。

2.光子電腦的發(fā)展。所謂光子電腦也就是用光子替代電子，用光連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線連接，電腦中的硬件設(shè)備會全部換成光硬件，在運(yùn)算形式方面也會用光運(yùn)算替代電運(yùn)算。

3.量子電腦的發(fā)展。所謂量子電腦是較為新型的一種電腦系統(tǒng)，其主要建立在量子理論的基礎(chǔ)上，能夠利用一種鏈狀分子所具備的特點(diǎn)進(jìn)行對電腦系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)的描述，并且要通過使用脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子狀態(tài)的改變，電腦跟著分子聚合物的聚合實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。電腦中的有關(guān)數(shù)據(jù)會存儲在量子位置，因?yàn)榱孔拥男再|(zhì)較為特殊，同時可以存儲兩個單位數(shù)據(jù)，所以，量子電腦在存儲量上比傳統(tǒng)電腦具有較大的優(yōu)勢。

4.分子電腦的發(fā)展。所謂分子電腦又叫做生物電腦，它的主要計算對象是蛋白質(zhì)分子進(jìn)行物理化的過程，把電腦的開關(guān)連接到酶上，能夠呈現(xiàn)出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及酶的生成。

二、電腦技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.能夠進(jìn)行信息管理。目前電腦應(yīng)用一個最為廣泛的領(lǐng)域就是信息管理。利用電腦進(jìn)行操作、管理、加工各種形式的資料，目前，國內(nèi)有很多機(jī)構(gòu)都開始建立自己的信息管理系統(tǒng)；很多生產(chǎn)企業(yè)開始將資源規(guī)劃軟件應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中，而商業(yè)流通領(lǐng)域已經(jīng)逐漸開始使用電子信息交換系統(tǒng)。

2.能夠進(jìn)行科學(xué)計算。以前的電腦其主要用途就是進(jìn)行科學(xué)計算?，F(xiàn)在，科學(xué)計算依舊是電腦應(yīng)用一個非常重要的領(lǐng)域。例如，工程設(shè)計、氣象預(yù)報、地震預(yù)測、航天技術(shù)、高能物理等等。因?yàn)殡娔X具有相當(dāng)高的運(yùn)算精度、運(yùn)算速度和邏輯判斷能力，所以，計算物理、生物控制、計算化學(xué)、計算力學(xué)等新學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。

3.電腦輔助系統(tǒng)的種類。電腦輔助系統(tǒng)主要有以下幾類：第一是電腦輔助制造，它指的是利用電腦來進(jìn)行生成設(shè)備的操作、控制、管理，力求不斷地降低成本、提高產(chǎn)品的質(zhì)量。它還能夠?qū)⑸a(chǎn)周期大大的縮短，還能夠極大地改善制造人員的工作條件。第二就是電腦輔助設(shè)計。它指的是利用電腦幫助設(shè)計人員實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計，從而節(jié)省大量的人力物力，使設(shè)計工作自動化程度有很大的提高。第三就是電腦輔助教學(xué)。它指的是用電腦幫助老師教授課程，讓學(xué)生能夠較為容易的學(xué)到知識。第四就是電腦輔助系統(tǒng)。它指的是利用電腦做量大且非常復(fù)雜的測試工作。

4.能夠進(jìn)行控制和檢測。利用電腦對工業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的信號進(jìn)行自動檢測，并且將檢測到的各類數(shù)據(jù)全部存放到電腦中，然后再根據(jù)自身的需求處理這些數(shù)據(jù)，這類系統(tǒng)就是電腦檢測系統(tǒng)。尤其是儀器儀表和電腦技術(shù)相結(jié)合后所形成的智能化儀表儀器，使工業(yè)自動化達(dá)到一個前所未有的階段。

5.電腦技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用。醫(yī)療系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、治安系統(tǒng)、文化、軍事、商務(wù)領(lǐng)域以及娛樂新聞領(lǐng)域都已經(jīng)應(yīng)用到電腦技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)更是將電腦技術(shù)推向大眾化的發(fā)展道路，其未來的發(fā)展空間會更加廣闊。

三、結(jié)語

電腦技術(shù)的不斷發(fā)展所代表的是人類智慧進(jìn)步程度。新型電腦如雨后春筍般不斷面世，人們將會有更多方面成為電腦的服務(wù)對象，電腦也能夠不斷地為人們提供更多的便利條件，這不僅是人類智慧的不斷突破，也是人類社會進(jìn)行不斷發(fā)展的重要需求。

參考文獻(xiàn)

[1]張春成.電腦技術(shù)發(fā)展歷程[J].家電檢修技術(shù)：資料版，2010（7）

第9篇：量子計算的優(yōu)勢范文

 

在信息時代，網(wǎng)絡(luò)安全是一個嚴(yán)峻的問題。信息安全已經(jīng)得到了各國政府的高度重視，一方面要保護(hù)自己的安全，另一方面要攻擊對方，信息保護(hù)的升級刻不容緩。

 

1 現(xiàn)代密碼學(xué)

 

現(xiàn)代密碼學(xué)的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機(jī)數(shù)0、1，將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應(yīng)的解密算法，反變換將明文提取出。

 

密碼體制分為兩類：一類叫對稱密鑰(非公開密鑰)，它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關(guān)鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(one time pad)的密碼，用與明文等長的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文，并且每個密鑰使用一次就銷毀，根據(jù)香農(nóng)的證明一次一密是無法破譯的。

 

另一類叫非對稱密鑰(公開密鑰)，加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰需要耗費(fèi)極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實(shí)際做不到，所以，在當(dāng)今社會受到廣泛使用。

 

一旦量子計算機(jī)研制成功，它可以更快速的破解數(shù)學(xué)難題，公開密鑰就面臨了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

 

2 量子密碼

 

無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應(yīng)對強(qiáng)大的量子計算機(jī)，需要無條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ?。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個“絕對安全”的量子保密通信。

 

量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性，以量子態(tài)作為符號描述的密碼，它的安全性是由量子力學(xué)的物理原理保障的。

 

①測量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測量算符的本征態(tài)，否則對量子態(tài)進(jìn)行測量會導(dǎo)致“波包塌縮”，即測量將會改變最初的量子態(tài)。②不確定原理：不能同時精準(zhǔn)測量兩個非對易物理量。③不可克隆原理：無法對一個未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。④單個光子不可再分：不存在半個光子。

 

3 量子通信

 

量子通信，廣義是指量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，內(nèi)容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

 

3.1 單光子的偏振態(tài)

 

本文介紹采用BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)的量子通信，在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式：一個是直線模式，光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示;一個是斜線(對角)模式，光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱45 ?觷角，如圖2所示。

 

3.2 基于BB84協(xié)議下的“制備-測量”

 

依照慣例，密碼學(xué)家稱發(fā)送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機(jī)用直線模式或?qū)悄Ｊ桨l(fā)出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機(jī)決定用兩種模式之一測量接收到的光子，同時記下采用檢偏器的模式和測量結(jié)果值。傳送結(jié)束后，Alice與Bob聯(lián)絡(luò)，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測量，然后Alice會告訴Bob哪些模式是錯誤的，這一過程無須保密。之后他們會刪除使用錯誤模式測量的光子，而正確模式測量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

 

3.3 發(fā)生竊聽

 

根據(jù)“海森堡測不準(zhǔn)原理”，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復(fù)制一個完全相同的光子是根本不可能的事情。同時，任何截獲或測量量子密鑰的操作都會改變量子狀態(tài)，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態(tài)的改變，知道存在竊聽者。

 

密碼學(xué)家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機(jī)選擇一種測量模式，當(dāng)她采用錯誤的測量方式對某一光子測量時，由于波包塌縮，光子的偏振態(tài)會改變。比如，Eve使用對角模式測量直線模式下的光子態(tài)，光子態(tài)會塌縮為對角模式。之后即使Bob選擇了正確的測量模式測量該光子，Bob可能會得到不符合編碼信息的測量結(jié)果，這就產(chǎn)生了誤差，具體通信過程如圖3所示。

 

Eve竊聽一個光子采用錯誤測量模式的概率是50%;采用錯誤模式時，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)。但密鑰并非一個光子組成，光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會越高。當(dāng)誤碼率低于閾值，就可以稱這個密碼是安全的;當(dāng)誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進(jìn)行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

 

3.4 量子信道與經(jīng)典信道

 

發(fā)送方通過量子信道傳送量子態(tài)光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測量，檢測出0、1組成的量子密鑰，還需要一個經(jīng)典信道。因?yàn)槭遣捎靡淮我幻芊绞剑越?jīng)典信道需要定時傳送同步信號。

 

4 量子通信現(xiàn)狀

 

由于量子通信技術(shù)的各種優(yōu)勢，國際上的一些國家，特別是美國、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進(jìn)行量子通信的理論與實(shí)驗(yàn)研究。2002年美國BBN公司，哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)開始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡(luò)。2010年日本在三個政府機(jī)構(gòu)之間使用量子密鑰分配技術(shù)，并與2010年10月在東京演示了一個城域量子保密通信網(wǎng)。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個城域QKD網(wǎng)絡(luò)。我國也在量子通信技術(shù)的道路上不斷發(fā)展。2012年“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”是世界首次利用量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)金融信息的傳輸。2012年黨的“十”期間在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項，打造廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

 

5 結(jié) 語

 

量子通信還有一些技術(shù)難題未攻破，例如信道的干擾，設(shè)備的非理想特性，身份驗(yàn)證、密鑰存儲等技術(shù)需要進(jìn)一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實(shí)際中還有一些漏洞需要考慮。在未來幾年，相信我國在中央、地方政府及相關(guān)部門大力支持下，通過相關(guān)科研團(tuán)隊的努力，量子通信技術(shù)會不斷完善，量子通信產(chǎn)業(yè)也必將取得飛速發(fā)展。