光子盒研究院

人工智能显然是席卷科技行业的最新热潮，但一个更大的趋势可能即将到来，那就是量子计算——只要它能解决令人不安的网络安全问题。

量子计算的进展似乎注定要使今天的基于电子芯片的超级计算机逊色。这些机器在亚原子水平上工作，并使用“奇异的”技术，例如超冷超导体芯片；而量子计算的最终好处是，它能解决对今天的经典计算机来说过于复杂的问题。

IBM(IBM)、谷歌母公司Alphabet(GOOGL)、微软(MSFT)和英特尔(INTC)等科技巨头，以及一些初创公司已经在吹嘘这些实验性机器的成就。此外，云计算巨头们正在为提供量子计算服务奠定基础。

“每个人都看到了量子市场的到来。”量子计算初创公司SandboxAQ的业务运营高级总监Chris Hume曾在采访中说：“尽管现在对何时和如何进行量子计算仍有争论，但量子计算已经在眼前了。”——在一波由风险资本资助的量子计算初创公司中，SandboxAQ去年被谷歌分拆出来。

这项技术的许多应用都是未知的，所以看到它如何随着时间的推移而发展将是令人兴奋的。

但是，虽然人工智能的可能性是存在的，但网络安全的威胁也是真实的。这是一个大问题，因为量子计算机最终会“压倒”目前的数据加密技术；反过来，外国情报机构可能构成更大的网络安全威胁。

还有一个问题是，量子计算何时才能真正蓬勃发展。与人工智能一样，量子计算已经被炒作了几十年。事实上，研究人员期望量子计算有助于推进机器学习，这是人工智能的一种类型。

但商业领域的人工智能似乎已经奄奄一息，直到2022年底，创造内容的生成式人工智能风靡全球。同时，目前还不清楚量子计算的“杀手级应用”是什么。

目前，耐人寻味的合作关系正在涌现。今年，Moderna（MRNA）在4月宣布将与IBM合作，利用其量子计算机和生成性人工智能技术来推进mRNA疫苗和疗法。关于这一技术，我们已知的近况是使用mRNA的疫苗早先被用于接种Covid-19。

尽管如此，业界人士仍期望基于电子的超级计算机能够生存下去。量子计算机将不会取代它们；相反，预计它们将共存，量子计算机可能会协助解决最紧迫的问题，如模拟气候变化。

亚马逊网络服务（亚马逊公司AMZN的云计算部门）的Braket量子计算服务的总经理Richard Moulds表示，“今天的量子计算机在现实世界的问题上并不优于传统的经典计算机”。

亚马逊网络服务正在开发量子计算，但AWS也说，经典计算机仍有一席之地。

“有几个例子表明，量子计算机已经被证明能够解决一个经典计算机无法解决的数学问题。但那些问题是合成的、是为了炫耀量子计算机的能力而产生的。”Moulds补充道。

“这被称为‘量子优越性’——量子机器完成了经典计算机无法完成的独特任务。我们在一些特定领域已经越过了这一点，但这些都不是以对客户具有商业意义的方式。”

AWS为研究人员提供了对IonQ（IONQ）、牛津量子电路、QuEra、Rigetti Computing（RGTI）和加拿大Xanadu量子技术等公司的量子机的访问权。另外，亚马逊正在加州理工学院建造量子计算机原型。

“该行业的下一个里程碑将被描述为‘量子优势’。这就是当量子计算机实际上比经典计算机更快、或更便宜、或使用更少的功率来解决一个具有商业利益的问题时。”Moulds说。

“没有人知道，它可能会在未来10年内出现，还是在未来三、四年内出现。甚至，有可能在量子计算机大到足以破解公共加密密钥之前，它们就已经进入了具有商业优势的体制。”

市场研究公司Gartner曾预测，到2025年，前50%的汽车制造商、银行和制药公司将“参与到量子启发计划中”。

英伟达（NVDA）负责量子计算软件的高级产品经理Sam Stanwyck曾说：“我们所支持的很多研究都在准确地弄清楚、并更清晰地了解量子计算机将在哪些方面首先发挥作用。”

“我们看到，在任何涉及模拟化学或生物学的应用中，量子计算的活跃性最高；在制药领域，量子计算往往涉及到药物设计；在能源领域，有可能设计更好的电池，以及一般的材料模拟。现在，也有人工智能机器学习优化、定量金融中的案例。我们现在都不是很清楚，量子计算机的第一个杀手级应用会是什么。”

在3月份的GTC开发者大会上，英伟达表示，它正在与研究人员合作，开发用于量子计算模拟的编程软件。该战略的一部分涉及在当今的超级计算机上运行为量子计算机设计的原型软件。

例如，英伟达与以色列的Quantum Machines合作，在用AI芯片构建的超级计算机上运行量子物理学中使用的算法。一些量子计算初创公司也正在采取类似的方法，在超级计算机上测试量子软件。

不过，也有“黑暗”的一面。量子计算机的一个预期应用将是打破世界上最广泛使用的网络安全协议。

最常见的公钥加密方法是RSA，以其开发者、软件工程师Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman命名。RSA使用加密密钥（算法中的字符串）来保护数据。

Adi Shamir

在许多网络安全系统中，公钥加密的工作原理是使用一对密钥：一个是公钥、一个是私钥，来加密和解密信息。公钥可以自由分享，但私钥是保密的。

人们担心的是，有一天外国势力会开发出强大的量子计算机，足以破解RSA。

好消息是，目前量子计算机还没有强大到足以破解公共加密方法。但时间正在流逝。不过，Gartner在一份研究报告中说，到2029年，“量子计算的进步将使传统的非对称加密法无法安全使用”。

美国政府并没有抱有任何侥幸心理。美国国家标准与技术研究所（即NIST），在2016年就开始开发新的抗量子算法的工作。

NIST一直在缩小入围的算法名单。在2022年7月，它挑选了四个领先的候选密码；并预计在2024年之前发布PQC标准。截至目前，参与PQC项目的美国公司有IBM、亚马逊网络服务、微软、思科（CSCO）、戴尔（DELL）和VMware（VMW）。不止如此，SandboxAQ和初创公司Cryptosense、Crto4A Technologies也参加了。

令人激动的是，银行、电信公司、医疗保健系统和美国政府机构已经测试了新的抗量子算法。在NIST于2024年发布PQC标准后，网络安全公司就可以开发新产品；而且，美国企业将需要将各种软件升级为PQC加密。

同时，谷歌是已经在产品和服务中整合PQC技术的云服务提供商之一——

“我们已经进入了一个多年的努力：迁移到抗量子加密技术，旨在解决当前和长期风险以保护敏感信息。我们有一个目标：确保谷歌为PQC做好准备。”

谷歌和Cloudflare（NET）在2019年就开始合作测试PQC技术。今年3月，Cloudflare对外公布它开始向客户免费提供PQC类型的服务，以提高他们网站的网络安全。

Cloudflare成立于2009年，为通过其全球网络路由的网络应用加速并提供安全保障。近期，Cloudflare首席技术官John Graham Cumming表示，提供PQC型服务的时机并不成熟，因为不良分子可能已经在攫取和储存敏感数据。利用未来建造的量子计算机，他们可能能够解密数据。

网络安全分析家将这种威胁称为“现在存储，以后解密”。

“从密码学的角度来看，存在这样一个问题：如果今天有人存储加密的通信（这里可以想想某个国家的情报机构），他们可能在未来就能解密。”Graham Cumming补充说：“计算和情报的历史会告诉我们，情报机构比我们其他人更早得到东西。设想世界各地的情报机构都想拥有一台可以工作的量子计算机，这不是没有道理的。”

传统计算机使用电子电路将信息存储为数字0和1，量子计算通过利用量子物理学加快了复杂的计算。量子比特可以同时处于0、1或两者之间的状态，这使得量子计算机可以同时进行许多计算。另外，量子比特与其他量子比特相联系，这种特性被称为纠缠。

一个需要超级计算机数天或数周才能处理的任务，将由大规模量子计算机在几秒钟内解决。

不过，量子计算机面临着扩大规模的挑战。

英伟达的Stanwyck在接受采访时表示，“量子计算机是一种完全不同的物理模型，具有很大的优势和一些缺点。”

例如，今天的量子计算机很容易受到温度、噪音、运动或电磁场变化的影响。此外，干扰会导致量子比特的量子状态崩溃。

IBM在2022年11月公布了一台433量子比特的量子计算机，比其2021年的机器大三倍。IBM的目标是在2025年之前开发出4000量子比特的机器。

谷歌的实验性量子计算机则使用了不到100个量子比特。谷歌的目标是在2029年之前建造一台拥有100万个量子比特的量子计算机，能够进行无误差的可靠计算。

Gartner分析师Mark Horvath预计，量子计算机和机器学习（一种人工智能）之间将出现协同作用。“机器学习和量子的配合非常好。”

机器学习系统会分析大量的数据来训练人工智能模型。不过，Horvath还是提醒说，在大多数情况下，量子计算机的性能不会超过传统计算机。

“经典计算和量子计算会有一个混合体。（公司）不应认为量子计算机是一种神奇的超级计算机，可以非常好地做所有的事情；尽管它们在优化方面确实做得更好。”

与人工智能不同：初创公司OpenAI在微软的帮助下在生成性人工智能方面取得了领先，而量子计算初创公司的浪潮还没有产生明确的领导者。

不过，风险投资资金继续流向许多初创公司，包括SandboxAQ和Quantum Machines，以及SEEQC、英国的Oxford Quantum Circuits和其他公司。

与此同时，一些上市的量子计算公司D-Wave（QBTS）、Rigetti、IonQ和Quantum Computing Inc.（QUBT）等等继续表现不佳，因为它们在有限的收入上出现了巨大的损失。

——尽管IonQ的股票最近有所上升。

IonQ报告第一季度每股亏损14美分，一年前亏损2美分。收入增长了120%，达到430万美元。

摩根士丹利分析师Joseph Moore在最近给客户的一份说明中说：“虽然我们仍然认为IonQ距离实现展示量子优势的突破还有几年时间，但我们仍然对最初的客户牵引力感到兴奋，并且仍然看到一个坚实的资产负债表，能够在更广泛的商业化之前为研发和商业推广提供资金。”

与人工智能一样，可以投资的纯量子公司很少。科技行业的现任者（如IBM），希望有一天能从量子计算中得到推动。

量子计算竞赛中一个不太知名的参与者是霍尼韦尔(HON)。2021年，霍尼韦尔将其量子解决方案业务与剑桥量子公司合并，组成了Quantinuum。霍尼韦尔使用了捕获离子量子计算技术、IBM和谷歌使用的是超导技术。此外，还有其他几种量子计算技术。

由于大型商业量子计算机的运行需要完美的条件，分析家们预计它们最初将位于政府研究实验室和云计算数据中心。没有多少公司能够负担得起将量子计算机放在他们自己的数据中心所需的数百万美元。

Gartner的Horvath预计，许多美国公司将尝试云计算巨头的量子即服务。“如果公司购买了量子即服务，他们就不必担心所有的细节。”

“每个云计算供应商都有一个量子合作伙伴，或者正在建立他们自己的量子。现在，IBM在这个领域做得很好；微软和谷歌也在建立他们自己的。”

同时，英伟达正在与德国的于利希超级计算中心和ParTec公司合作，开展一个经典-量子混合计算实验室项目。于利希中心的目标是将一台经典的超级计算机与一个量子加速器连接起来。

最后，IBM在5月宣布与芝加哥大学和东京大学建立新的伙伴关系，研究量子计算的发展。

参考链接：

[1]https://www.investors.com/news/technology/quantum-computing-after-artificial-intelligence-it-could-be-the-next-big-thing/

[2]https://www.investors.com/news/technology/quantum-computing-sets-stage-for-major-breakthroughs/