本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在过去 70 年的大部分时间里，美国及其盟国的国家安全在很大程度上归功于其公共和私营部门的技术优势。然而，今天，随着中国等民族国家竞争对手正在下一代技术领域寻求领导地位，而这些技术很可能重新定义地缘政治力量结构，这种技术领导地位的未来令人怀疑。
网络安全领域尤其如此，一个新兴的领域——量子计算——正威胁着要破解世界领先的数据加密标准，这些标准目前保护着私营和公共部门（包括最敏感的军事机密）的计算机文件和网络通信。
毫不夸张地说，如果自由国家在量子计算领域落后，它们捍卫其经济和国家安全利益的能力将受到严重威胁。信号情报——拦截和解密我们对手通信的能力——通过促成过去世界大战和全球冲突中的关键战略突破，实际上拯救了数百万人的生命。在第二次世界大战期间，盟军利用信号情报破译了纳粹的加密通信，使其部队能够躲避敌人的 U 型潜艇，并为诺曼底关键的 D 日登陆的准备和执行提供了便利。
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四十年后，截获的苏联军事通信提供了证据，证明击落大韩航空 007 号航班是故意的，这使得里根总统和美国盟友能够追究苏联对针对无辜平民的敌对行动的责任。在我们现代，对关键移动通信的监控使美军能够定位并击毙奥萨马·本·拉登。如果美国在量子计算领域落后于其地缘政治对手，它将失去信号情报方面的领导地位，而信号情报使这些战略上的成功成为可能，这将使全球和平与稳定在未来几十年面临风险。
这个问题具有如此重大影响的原因是，当今大多数加密系统所基于的基础 RSA 算法容易受到量子计算的影响。该网络安全标准以其发明者 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 的名字命名，很大程度上基于以下前提：在数学上将非常大的数字分解为其相应的质数是计算上不可行的。
例如，我们可以很容易地将质数 13 和 97 相乘得到 1261，但是反向数学问题要困难得多（从 1261 开始并找到两个底层的质数）。今天的计算机既可以乘以质数，也可以找到较小数字的质数，但是随着数字变得非常大（就像在生成加密密钥时那样），分解挑战在计算上变得不切实际。RSA 算法建立在以下假设之上：即使未来计算能力得到改进，执行分解所需的数学运算也需要太长时间才能使解密在实践中可行。
然而，量子计算改变了关于计算如何工作以及计算机执行数学计算的速度的底层假设。量子计算依赖于量子物理学的原理来解决传统计算机无法实际解决的特殊类别的数学问题。新计算机将使用量子比特（qubit），这与基于晶体管并将数据编码为二进制数字（比特）的传统数字计算机不同。量子比特可以同时存在于多种状态，从而有可能并行计算大量计算，从而加快解决问题的速度。因此，量子计算将能够确定用于生成可以访问 RSA 加密数据的加密密钥的底层 RSA 质数。
在量子计算领域落后于我们的对手将使美国及其盟国的情报部门在保护加密国家安全机密和访问其对手的加密数据方面处于严重劣势。我们必须假设每个主要民族国家都将大力投资于读取公共和私营部门受保护数据的技术。
虽然量子计算在现实中还需要几年时间（最早的估计），但我们现在必须采取行动来保护我们国家机密的未来。这是因为美国的对手正在利用他们目前的信号情报能力来收集我们今天的大量敏感加密数据，目的是在第一批量子技术可以应用时立即解密这些数据。可以将其视为将我们所有数据存储在架子上，直到量子技术允许他们破解加密并读取所有内容。天真地假设我们会收到关于我们的对手何时可以使用这些技术的充分预先通知是危险的。
好消息是，美国国会已采取初步措施来加速量子技术的发展。《国家量子倡议法案》等待决立法建立了一个重要的 10 年试点计划，以推进量子应用在经济和国家安全实施方面的研究。虽然配套法案仍在参议院和众议院等待最终投票（S.3143 和 H.R. 6227），但美国商务部的国家标准与技术研究院 (NIST) 正在领导一项针对来自世界各地学术界和管理机构的拟议抗量子算法的选择和标准化工作。
这就是为什么公共和私营部门必须开始共同努力，以确保我们的网络和数据保护系统为量子攻击和反防御做好准备。我们必须更快、更紧急地推进这一进程，大幅增加研发投资，建立私营部门激励机制，并对我们的系统进行分类，以确定我们需要在何处以及如何首先关注我们的量子转型。
鉴于失败的后果，以及量子领导地位的竞争已经是当今国家安全面临的现实挑战，这种努力当然是合理的。这不仅仅是一个未来的、概念性的问题，我们可以推迟到后代来解决。我们国家安全的未来取决于我们现在的行动。