本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在過去 70 年的大部分時間裡，美國及其盟國的國家安全在很大程度上歸功於其公共和私營部門的技術優勢。然而，今天，隨著中國等民族國家競爭對手正在下一代技術領域尋求領導地位，而這些技術很可能重新定義地緣政治力量結構，這種技術領導地位的未來令人懷疑。
網路安全領域尤其如此，一個新興的領域——量子計算——正威脅著要破解世界領先的資料加密標準，這些標準目前保護著私營和公共部門（包括最敏感的軍事機密）的計算機檔案和網路通訊。
毫不誇張地說，如果自由國家在量子計算領域落後，它們捍衛其經濟和國家安全利益的能力將受到嚴重威脅。訊號情報——攔截和解密我們對手通訊的能力——透過促成過去世界大戰和全球衝突中的關鍵戰略突破，實際上拯救了數百萬人的生命。在第二次世界大戰期間，盟軍利用訊號情報破譯了納粹的加密通訊，使其部隊能夠躲避敵人的 U 型潛艇，併為諾曼底關鍵的 D 日登陸的準備和執行提供了便利。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
四十年後，截獲的蘇聯軍事通訊提供了證據，證明擊落大韓航空 007 號航班是故意的，這使得里根總統和美國盟友能夠追究蘇聯對針對無辜平民的敵對行動的責任。在我們現代，對關鍵行動通訊的監控使美軍能夠定位並擊斃奧薩馬·本·拉登。如果美國在量子計算領域落後於其地緣政治對手，它將失去訊號情報方面的領導地位，而訊號情報使這些戰略上的成功成為可能，這將使全球和平與穩定在未來幾十年面臨風險。
這個問題具有如此重大影響的原因是，當今大多數加密系統所基於的基礎 RSA 演算法容易受到量子計算的影響。該網路安全標準以其發明者 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 的名字命名，很大程度上基於以下前提：在數學上將非常大的數字分解為其相應的質數是計算上不可行的。
例如，我們可以很容易地將質數 13 和 97 相乘得到 1261，但是反向數學問題要困難得多（從 1261 開始並找到兩個底層的質數）。今天的計算機既可以乘以質數，也可以找到較小數字的質數，但是隨著數字變得非常大（就像在生成加密金鑰時那樣），分解挑戰在計算上變得不切實際。RSA 演算法建立在以下假設之上：即使未來計算能力得到改進，執行分解所需的數學運算也需要太長時間才能使解密在實踐中可行。
然而，量子計算改變了關於計算如何工作以及計算機執行數學計算的速度的底層假設。量子計算依賴於量子物理學的原理來解決傳統計算機無法實際解決的特殊類別的數學問題。新計算機將使用量子位元（qubit），這與基於電晶體並將資料編碼為二進位制數字（位元）的傳統數字計算機不同。量子位元可以同時存在於多種狀態，從而有可能平行計算大量計算，從而加快解決問題的速度。因此，量子計算將能夠確定用於生成可以訪問 RSA 加密資料的加密金鑰的底層 RSA 質數。
在量子計算領域落後於我們的對手將使美國及其盟國的情報部門在保護加密國家安全機密和訪問其對手的加密資料方面處於嚴重劣勢。我們必須假設每個主要民族國家都將大力投資於讀取公共和私營部門受保護資料的技術。
雖然量子計算在現實中還需要幾年時間（最早的估計），但我們現在必須採取行動來保護我們國家機密的未來。這是因為美國的對手正在利用他們目前的訊號情報能力來收集我們今天的大量敏感加密資料，目的是在第一批次子技術可以應用時立即解密這些資料。可以將其視為將我們所有資料儲存在架子上，直到量子技術允許他們破解加密並讀取所有內容。天真地假設我們會收到關於我們的對手何時可以使用這些技術的充分預先通知是危險的。
好訊息是，美國國會已採取初步措施來加速量子技術的發展。《國家量子倡議法案》等待決立法建立了一個重要的 10 年試點計劃，以推進量子應用在經濟和國家安全實施方面的研究。雖然配套法案仍在參議院和眾議院等待最終投票（S.3143 和 H.R. 6227），但美國商務部的國家標準與技術研究院 (NIST) 正在領導一項針對來自世界各地學術界和管理機構的擬議抗量子演算法的選擇和標準化工作。
這就是為什麼公共和私營部門必須開始共同努力，以確保我們的網路和資料保護系統為量子攻擊和反防禦做好準備。我們必須更快、更緊急地推進這一程序，大幅增加研發投資，建立私營部門激勵機制，並對我們的系統進行分類，以確定我們需要在何處以及如何首先關注我們的量子轉型。
鑑於失敗的後果，以及量子領導地位的競爭已經是當今國家安全面臨的現實挑戰，這種努力當然是合理的。這不僅僅是一個未來的、概念性的問題，我們可以推遲到後代來解決。我們國家安全的未來取決於我們現在的行動。