量子信息技術(shù)是量子力學(xué)與信息科學(xué)融合的新興交叉學(xué)科, 它的誕生標(biāo)志著人類社會將從經(jīng)典技術(shù)邁進(jìn)到量子技術(shù)的新時代, 本文將闡述量子信息技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來. 文中描繪了量子技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景, 即筑建各種類型的量子網(wǎng)絡(luò), 包括量子云計算網(wǎng)絡(luò),、分布式量子計算,、 量子傳感網(wǎng)絡(luò)和量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)等. 量子計算機(jī)已從實驗室的研究邁進(jìn)到企業(yè)的實用器件研制, 目前已發(fā)展到中等規(guī)模帶噪聲量子計算機(jī)(noisy intermidiate-scale quantum, NISQ)的階段. 在量子技術(shù)時代, 沒有絕對安全的保密體系, 也沒有無堅不摧的破譯手段, 信息安全進(jìn)入“量子對抗'的新階段.

1900 年Max Planck提出“量子'概念, 宣告了“量子'時代的誕生. 科學(xué)家發(fā)現(xiàn), 微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性. 宏觀世界的物理客體, 要么是粒子, 要么是波動, 它們遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動規(guī)律, 而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性, 它們顯然不遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動規(guī)律. 20 世紀(jì) 20 年代, 一批天才的年輕物理學(xué)家建立了支配著微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的新理論, 這便是量子力學(xué). 近百年來, 凡是量子力學(xué)預(yù)言的都被實驗所證實, 人們公認(rèn), 量子力學(xué)是人類迄今最成功的理論.

量子信息技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示).

圖1  量子網(wǎng)絡(luò)

量子網(wǎng)絡(luò)基本要素包括量子節(jié)點和量子信道. 所有節(jié)點通過量子糾纏相互連接, 遠(yuǎn)程信道需要量子中繼. 量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和處理融合在一起, 量子節(jié)點用于存儲和處理量子信息, 量子信道用于各節(jié)點之間的量子信息傳送.

與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比, 量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲和傳輸過程更加安全, 信息的處理更加高效, 有著更加強(qiáng)大的信息功能. 量子節(jié)點包括通用量子計算機(jī),、專用量子計算機(jī),、量子傳感器和量子密鑰裝置等. 應(yīng)用不同量子節(jié)點將構(gòu)成不同功能的量子網(wǎng)絡(luò). 典型的有(表1):

(1) 由通用量子計算機(jī)作為量子節(jié)點, 將構(gòu)成量子云計算平臺, 其運(yùn)算能力將強(qiáng)大無比;

(2) 使用專用量子計算機(jī)作為量子節(jié)點可以構(gòu)成分布式量子計算, 其信息功能等同于通用量子計算機(jī). 亦即應(yīng)用這種方法可以從若干比特數(shù)較少的量子節(jié)點采用糾纏通道連接起來, 可以構(gòu)成等效的通用量子計算機(jī);

(3) 量子節(jié)點是量子傳感器, 所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò), 也可以是量子同步時鐘;

(4) 量子節(jié)點是量子密鑰裝置, 所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡(luò), 可以用于安全的量子保密通信.

當(dāng)然, 單個量子節(jié)點本身就是量子器件, 也會有許多應(yīng)用場景, 量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成, 其信息功能將得到巨大提升, 應(yīng)用更廣泛.

上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠(yuǎn)景, 當(dāng)前距離這個遠(yuǎn)景的實現(xiàn)還相當(dāng)遙遠(yuǎn). 不僅尚無哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功, 即使是單個量子節(jié)點的量子器件也仍處于研制階段, 距離實際的應(yīng)用仍有著很長的路要走. 即便是單個量子節(jié)點研制成功, 要將若干量子節(jié)點通過糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ? 量子節(jié)點的量子信息必須能強(qiáng)耦合到光纖通信波長的光子上, 該光子到達(dá)下個量子節(jié)點處再強(qiáng)耦合到該節(jié)點工作波長的量子比特上, 任何節(jié)點之間最終均可實現(xiàn)強(qiáng)耦合、高保真度的相干操控, 只有這樣才能實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功能. 目前, 連接多個節(jié)點的量子界面仍然處于基礎(chǔ)研究階段.

至于遠(yuǎn)程的量子通道, 必須有量子中繼才能實現(xiàn), 而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究, 所有這些核心器件仍然處于基礎(chǔ)研究階段, 離實際應(yīng)用還很遠(yuǎn).

因此整個量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處于初期研究階段, 實際應(yīng)用還有待時日.

那么, 量子信息技術(shù)時代何時到來? 量子計算機(jī)是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù), 只有當(dāng)通用量子計算機(jī)獲得廣泛實際應(yīng)用之時, 我們才可斷言人類社會已進(jìn)入量子技術(shù)新時代.

電子計算機(jī)按照摩爾(Moore)定律迅速發(fā)展: 每 18 個月, 其運(yùn)算速度翻一番.

20世紀(jì) 80 年代, 物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會終結(jié)'這個不受人歡迎的命題, 并著手開展研究. 最后竟然得出結(jié)論: 摩爾定律必定會終結(jié). 理由是, 摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目. 但這個技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個主要物理限制: 一是由于非可逆門操作會丟失大量比特, 并轉(zhuǎn)化為熱量, 最終會燒穿電子芯片, 這也是當(dāng)下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在; 二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管, 而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作, 使計算機(jī)運(yùn)算速度無法如預(yù)料的提高.

物理學(xué)家的研究結(jié)果并不影響當(dāng)時摩爾定律的運(yùn)行, 多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天. 然而物理學(xué)家并未停止腳步, 著手研究第2個問題: 摩爾定律失效后, 如何進(jìn)一步提高信息處理的速度——即后摩爾時代提高運(yùn)算速度的途徑是什么? 研究結(jié)果誕生了“量子計算'的概念. 1982年美國物理學(xué)家Feynman指出 [2], 在經(jīng)典計算機(jī)上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行存在著本質(zhì)性困難, 但如果可以構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來實現(xiàn)量子模擬就容易得多. 隨后英國物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機(jī)' [3]概念, “量子圖靈機(jī)'可等效為量子電路模型. 從此, “量子計算機(jī)'的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注. 1994年Shor [4]提出了量子并行算法, 證明量子計算可以求解“大數(shù)因子分解'難題, 從而攻破廣泛使用的RSA 公鑰體系, 量子計算機(jī)才引起廣泛重視. Shor并行算法是量子計算領(lǐng)域的里程碑工作. 進(jìn)入21世紀(jì), 學(xué)術(shù)界逐漸取得共識: 摩爾定律必定會終結(jié) [5]. 因此, 后摩爾時代的新技術(shù)便成為熱門研究課題, 量子計算無疑是最有力的競爭者.

量子計算應(yīng)用了量子世界的特性, 如疊加性,、非局域性和不可克隆性等, 因此天然地具有并行計算的能力, 可以將某些在電子計算機(jī)上指數(shù)增長復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗検皆鲩L復(fù)雜度, 亦即電子計算機(jī)上某些難解的問題在量子計算機(jī)上變成易解問題. 量子計算機(jī)為人類社會提供運(yùn)算能力強(qiáng)大無比的新的信息處理工具, 因此稱之為未來的顛覆性技術(shù). 量子計算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計算機(jī)相比, 等同于電子計算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比. 可見一旦量子計算得到廣泛應(yīng)用, 人類社會各個領(lǐng)域都將會發(fā)生翻天覆地的變化.

量子計算的運(yùn)算單元稱為量子比特, 它是 0 和1兩個狀態(tài)的疊加. 量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的, 因此, 量子信息的制備,、處理和探測等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律. 量子計算機(jī)的工作原理如圖2所示.

圖2   量子計算機(jī)的工作原理

量子計算機(jī)與電子計算機(jī)一樣, 用于解決某種數(shù)學(xué)問題, 因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是普通的數(shù)據(jù). 區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質(zhì)上不同. 量子計算機(jī)將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計算機(jī)整個系統(tǒng)的初始量子態(tài)上, 經(jīng)由幺正操作變成量子計算系統(tǒng)的末態(tài), 對末態(tài)實施量子測量, 便輸出運(yùn)算結(jié)果. 圖2中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的. 圖中的幺正操作(UU操作)是信息處理的核心, 如何確定UU操作呢? 首先選擇適合于待求解問題的量子算法, 然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序, 從而實現(xiàn)了UU操作的功能. 量子計算機(jī)的實際操作過程如圖3所示.

圖3   量子計算機(jī)的實際操作過程

給定問題及相關(guān)數(shù)據(jù), 科學(xué)家設(shè)計相應(yīng)的量子算法, 進(jìn)而開發(fā)量子軟件實現(xiàn)量子算法, 然后進(jìn)行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計算機(jī)硬件能識別的一條條指令, 這些指令隨后發(fā)送至量子計算機(jī)控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)實施對量子芯片系統(tǒng)的操控, 操控結(jié)束后, 量子測量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng), 最終傳送到工作人員的電腦上.

量子邏輯電路是用于實現(xiàn)U變換的操作, 任何復(fù)雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理), Ui和Ujk是最簡單的普適邏輯門集. 典型的單雙比特門如圖4所示[6-8].

圖4   單雙量子比特門

基于量子圖靈機(jī)(量子邏輯電路)的量子計算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計算, 現(xiàn)在還在研究的其他量子計算模型還有: 單向量子計算、拓?fù)淞孔佑嬎愫徒^熱量子計算(量子退火算法)等.

量子計算機(jī)是宏觀尺度的量子器件, 環(huán)境不可避免會導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干), 這是量子計算機(jī)研究的主要障礙[9]. “量子編碼'用于克服環(huán)境的消相干, 它增加信息的冗余度, 用若干物理量子比特來編碼一個邏輯比特(信息處理的單元). 業(yè)已證明, 采用起碼5個量子比特編碼,、1個邏輯比特, 可以糾正消相干引起的所有錯誤. 量子計算機(jī)實際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯誤, 這種錯誤來源于非理想的量子操作, 包括門操作和編碼的操作. 科學(xué)家提出容錯編碼原理來糾正這類錯誤, 該原理指出, 在所有量子操作都可能出錯的情況下, 仍然能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài). 這涉及到“容錯閾值定理', 即只有量子操作的出錯率低于某個閾值, 才能實現(xiàn)量子容錯. 容錯閾值與量子計算的實際構(gòu)型有關(guān), 在一維或準(zhǔn)一維的模型中, 容錯的閾值為10^-510?5 [6], 在二維情況(采用表面碼來編碼比特), 閾值為10^-210?2. 經(jīng)過科學(xué)家十多年的努力, 現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)到這個閾值. 這個進(jìn)展極大地刺激了人們對量子計算機(jī)研制的熱情, 量子計算機(jī)的實現(xiàn)不再是遙不可及的. 量子計算機(jī)的研制逐步走出實驗室, 成為國際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo).

量子計算機(jī)研制涉及以下關(guān)鍵技術(shù)部件: (1)核心芯片, 包括量子芯片及其制備技術(shù); (2)量子控制, 包括量子功能器件,、量子計算機(jī)控制系統(tǒng)和量子測控技術(shù)等; (3)量子軟件, 包括量子算法、量子開發(fā)環(huán)境和量子操作系統(tǒng)等; (4)量子云服務(wù), 即面向用戶的量子計算機(jī)云服務(wù)平臺.

量子計算機(jī)的研制從以科研院校為主體變?yōu)橐云髽I(yè)為主體后發(fā)展極其迅速. 2016年IBM公布全球首個量子計算機(jī)在線平臺, 搭載5位量子處理器. 量子計算機(jī)的信息處理能力非常強(qiáng)大, 傳統(tǒng)計算機(jī)到底能在多大程度上逼近量子計算機(jī)呢? 在不是非常大的邏輯深度下, 2018年初創(chuàng)公司合肥本源量子計算科技有限公司推出當(dāng)時國際最強(qiáng)的64位量子虛擬機(jī), 打破了當(dāng)時采用經(jīng)典計算機(jī)模擬量子計算機(jī)的世界紀(jì)錄. 2019年量子計算機(jī)研制取得重大進(jìn)展: 年初IBM推出全球首套商用量子計算機(jī), 命名為IBM Q System One, 這是首臺可商用的量子處理器(圖5(a)和(b)). 2019年10月, Google在 Nature 上發(fā)表了一篇里程碑論文, 報道他們用53個量子比特的超導(dǎo)量子芯片, 耗時200 s實現(xiàn)一個量子電路的采樣實例, 而同樣的實例在當(dāng)今最快的經(jīng)典超級計算機(jī)上可能需要運(yùn)行大約1萬年. 他們宣稱實現(xiàn)了“量子霸權(quán)', 即信息處理能力超越了任何最快的經(jīng)典處理器(圖5(c)和(d)).

圖5   2019年量子計算機(jī)的研制取得重大進(jìn)展. (a), (b) IBM推出的全球首套商用量子計算機(jī)IBM Q System One; (c), (d) Google推出的53個量子比特的超導(dǎo)量子芯片

總之, 量子計算機(jī)研制已從高校,、研究所為主發(fā)展為以公司為主力, 從實驗室的研究邁進(jìn)到企業(yè)的實用器件研制. 量子計算機(jī)將經(jīng)歷3個發(fā)展階段.

(1) 量子計算機(jī)原型機(jī). 原型機(jī)的比特數(shù)較少, 信息功能不強(qiáng), 應(yīng)用有限, 但“五臟俱全', 是地地道道地按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的量子處理器. IBM Q System One就是這類量子計算機(jī)原型機(jī).

(2) 量子霸權(quán). 量子比特數(shù)在50～～100左右, 其運(yùn)算能力超過任何經(jīng)典的電子計算機(jī). 但未采用“糾錯容錯'技術(shù)來確保其量子相干性, 因此只能處理在其相干時間內(nèi)能完成的那類問題, 故又稱為專用量子計算機(jī). 這種機(jī)器實質(zhì)是中等規(guī)模帶噪聲量子計算機(jī)(noisy intermediate-scale quantum, NISQ). 應(yīng)當(dāng)指出, “量子霸權(quán)'實際上是指在某些特定的問題上量子計算機(jī)的計算能力超越了任何經(jīng)典計算機(jī). 這些特定問題的計算復(fù)雜度經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證, 在經(jīng)典計算機(jī)上是指數(shù)增長或超指數(shù)增長, 而在量子計算機(jī)上是多項式增長, 因此體現(xiàn)了量子計算的優(yōu)越性. 目前采用的特定問題是量子隨機(jī)線路的問題或玻色取樣問題. 這些問題僅是Toy (玩具)模型, 并未發(fā)現(xiàn)它們的實際應(yīng)用. 因此, 盡管量子計算機(jī)已邁進(jìn)到“量子霸權(quán)'階段, 但在中等規(guī)模帶噪聲量子計算(NISQ)時代面臨的核心問題是探索這種專門機(jī)的實際用途, 并進(jìn)一步體現(xiàn)量子計算的優(yōu)越性.

(3) 通用量子計算機(jī). 這是量子計算機(jī)研制的終極目標(biāo), 用來解決任何可解的問題, 可在各個領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用. 通用量子計算機(jī)的實現(xiàn)必須滿足兩個基本條件, 一是量子比特數(shù)要達(dá)到幾萬到幾百萬量級, 二是應(yīng)采用“糾錯容錯'技術(shù). 鑒于人類對量子世界操控能力還相當(dāng)不成熟, 因此最終研制成功通用量子計算機(jī)還有相當(dāng)長的路要走.

量子計算機(jī)具有強(qiáng)大的信息處理能力, 對現(xiàn)代密碼技術(shù)構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn), 量子技術(shù)時代的信息安全問題便成為人們關(guān)注的焦點之一. 現(xiàn)代保密通信的工作圖如圖6所示.

圖6  保密通信

Alice將欲發(fā)送的明文(即數(shù)碼信息)輸進(jìn)加密機(jī), 經(jīng)由某種密鑰變換為密文, 密文在公開信道中傳遞給合法用戶Bob, 后者使用特定密鑰經(jīng)由解密機(jī)變換為明文. 任何竊聽者都可從公開信道上獲取密文, 竊聽者Eve如果擁有與Bob相同的密鑰, 便可輕而易舉地破譯密文. 如果竊聽者雖不擁有破譯的密鑰, 但他具有很強(qiáng)的破譯能力, 也可能獲得明文. 只有當(dāng)竊聽者肯定無法從密文中獲取明文, 這種保密通信才是安全的.

按照Alice與Bob擁有的密鑰是否相同, 保密過程可分為私鑰體系(A與B的密鑰相同)和公鑰體系(A和B的密鑰不同, 且A的密鑰是公開的).

公鑰體系是基于復(fù)雜算法運(yùn)行的, 其安全性取決于計算復(fù)雜度的安全; 私鑰體系一般也是基于復(fù)雜算法, 其安全性同樣取決于計算復(fù)雜度的安全. 只有“一次一密'的加密方式(即密鑰長度等于明文長度, 且用過一次就不重復(fù)使用), 這種私鑰體系的安全性僅取決于密鑰的安全性, 與計算復(fù)雜度無關(guān). 當(dāng)前密鑰分配的安全性取決于人為的可靠性.

量子計算機(jī)可以改變某些函數(shù)的計算復(fù)雜度, 將電子計算機(jī)上指數(shù)復(fù)雜度變成多項式復(fù)雜度, 從而挑戰(zhàn)所有依賴于計算復(fù)雜度的密碼體系的安全性. 唯有“一次一密'加密方法能經(jīng)受住量子計算機(jī)的攻擊, 這種方案的安全性僅依賴于密鑰的安全性.

因此, 量子技術(shù)時代確保信息安全必須同時滿足兩個條件:

(1) “一次一密'加密算法. 這要求密鑰生成率要足夠高;

(2) 密鑰“絕對'安全. 當(dāng)前使用的密鑰分配都無法確保絕對安全.

物理學(xué)家針對現(xiàn)有密鑰分配方法無法確?！耙淮我幻?方案中所使用的密鑰的安全性, 提出了“量子密碼'方案. 這種新的密碼的安全性不再依賴于計算復(fù)雜度和人為可行性, 而僅僅取決于量子力學(xué)原理的正確性.

物理學(xué)家提出了若干量子密碼協(xié)議(如BB84), 并從信息論證明, 這類協(xié)議是絕對安全的, 這就激勵了越來越多科學(xué)家加入“量子密碼'研究行列. 但人們很快就發(fā)現(xiàn), 任何真實物理體系都無法達(dá)到量子密碼協(xié)議所需求的理想條件, 存在著各種各樣的物理漏洞, 使得研制出來的實際量子密碼系統(tǒng)無法達(dá)到“絕對'安全, 只能是“相對'安全. 雖然可以經(jīng)過努力堵住各種各樣的物理漏洞, 甚至提出安全性更強(qiáng)的新的密碼協(xié)議(如設(shè)備無關(guān)量子密碼協(xié)議等), 但終歸無法確保真實的量子密碼物理系統(tǒng)可以做到“絕對'安全[10].

那么這種相對安全的“量子密碼'是否可獲得實際應(yīng)用呢? 答案是肯定的. 如果能驗證真實的量子密碼體系可以抵抗現(xiàn)有所有手段的攻擊, 就可以認(rèn)定這類“量子密碼'在當(dāng)下是安全的, 可以用于實際.

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室長期從事量子密碼研究, 2005年發(fā)明了量子密碼系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法, 首次在商用光纖實現(xiàn)從北京到天津125 km的量子保密通信演示(圖7). 2007年發(fā)明了量子路由器, 在商用光纖網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)4節(jié)點的量子保密通信(圖8). 2009年構(gòu)造了蕪湖量子政務(wù)網(wǎng), 演示了量子密碼的實際應(yīng)用(圖9).

圖7   2005年北京–天津125 km 量子保密通信演示網(wǎng)

圖8   2007年北京4節(jié)點量子保密通信演示網(wǎng)

圖9  2009年安徽蕪湖量子政務(wù)

當(dāng)前量子密碼的研究狀況是:

(1) 城域(百公里量級)網(wǎng)已接近實際應(yīng)用, 密鑰生成率可滿足“一次一密'加密的需求, 現(xiàn)有各種攻擊手段無法竊取密鑰而不被發(fā)現(xiàn). 當(dāng)前必須建立密鑰安全性分析系統(tǒng)以檢查實際量子密碼系統(tǒng)是否安全, 并制定相應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)'.

(2) 城際網(wǎng)的實用仍然相當(dāng)遙遠(yuǎn), 關(guān)鍵問題是可實用的量子中繼器件尚未研制成功. 構(gòu)建量子中繼的核心技術(shù)是可實用的量子存儲器和高速率的確定性糾纏光源, 這兩種技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展.

(3) 經(jīng)由航空航天器件實現(xiàn)全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò), 建造這個網(wǎng)絡(luò)困難重重, 除了密鑰安全性及高速率的密鑰生成器的問題之外, 還有如何能實現(xiàn)全天候量子密鑰高速分配. 國家是否需要建設(shè)這種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)慎重研究.

總之, 量子技術(shù)時代解決信息安全有兩個途徑:

(1)物理方法 (適用于私鑰體系). 不斷提高實際量子密碼系統(tǒng)的安全性, 能夠抵抗當(dāng)下各種手段的攻擊, 確保密鑰的安全性, 再加上“一次一密'加密, 可以使得私鑰體制獲得實際應(yīng)用.

(2)數(shù)學(xué)方法 (適用于公鑰體系). 尋找能抵抗量子計算攻擊的新型公開密鑰體系. 其原理是, 目前無法證明量子計算機(jī)可以改變所有復(fù)雜函數(shù)的計算復(fù)雜度, 因而可以找到新的不被量子計算機(jī)攻破的新型公開密鑰體系. 當(dāng)然, 量子計算機(jī)的攻擊能力依賴于量子算法, 當(dāng)前最強(qiáng)攻擊的首推Shor算法. 如果有比它更強(qiáng)大的量子算法出現(xiàn), 那么這種新型公開密碼體系有可能被攻破, 進(jìn)而促使數(shù)學(xué)家再去尋找抵抗能力更強(qiáng)的公鑰體系. 這將導(dǎo)致從“電子對抗'發(fā)展到“量子對抗'.

結(jié)論: 量子技術(shù)時代沒有絕對安全的保密體系, 也沒有無堅不摧的破譯手段, 信息安全的攻防將進(jìn)入“量子對抗'的新階段.