应对量子计算挑战，后量子密码技术加速演进
思瀚产业研究院    2025-09-16

1、 量子力学颠覆经典计算体系，运算能力空前增强

量子计算是基于量子力学的独特行为（如叠加、纠缠和量子干扰）的计算模式，基本信息单位为量子比特。据微软，在物理学中量子是所有物理特性的最小离散单元，通常指原子或亚原子粒子（如电子、中微子和光子）的属性。

量子比特是量子计算中的基本信息单位，在量子计算中发挥的作用与比特在传统计算中发挥的作用相似，但经典比特是二进制、只能存放 0 或 1 位，而量子比特可以存放所有可能状态的叠加。量子计算所运用的物理特性主要包括：

1） 量子叠加：处于叠加态时，量子粒子是所有可能状态的组合，它们会不断波动，直到被观察和测量；以抛硬币为例，经典比特可以通过正面和反面来度量，而量子比特能够代表硬币的正反面以及正反交替时的每个状态；

2） 量子纠缠：纠缠是量子粒子将其测量结果相互关联的能力，当量子比特相互纠缠时，它们构成一个系统并相互影响，人们可以使用一个量子比特的度量来作出关于其他量子比特的结论，通过在系统中添加和纠缠更多的量子比特，量子计算机可计算指数级的更多信息并解决更复杂的问题；

3） 量子干扰：量子干扰是量子比特固有的行为，由于叠加而影响其坍缩方式的可能性，量子计算机旨在尽可能减少干扰，确保提供最准确的结果。

与传统计算相比，量子计算能够带来更强的并行计算能力、协同处理能力和更低的能耗。据赛迪智库、东进技术，量子计算通过量子态的受控演化实现数据的存储计算，可以分为数据输入、初态制备、量子逻辑门操作、量子测算和数据输出等步骤，其中量子逻辑门操作是一个幺正变换，这是一个可以人为控制的量子物理演化过程；经典计算机的运算模式为逐步计算，一次运算只能处理一次计算任务，而量子计算为并行计算，可以同时对 2^n 个数进行数学运算，相当于经典计算重复实施 2^n 次操作。

同时，量子计算机中多个处于纠缠态的量子比特之间存在瞬时关联，即便相隔甚远，对一个量子比特的操作也会立即影响其他纠缠量子比特，这种特性使得量子计算机在处理多体系统、复杂网络等问题时，能够快速捕捉到系统各部分之间的关联和相互作用，完成传统计算机难以胜任的复杂计算任务。

能耗方面，传统芯片的特征尺寸很小（数纳米）时，量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、能耗提高，传统摩尔定律失效。相较之下，量子计算中的幺正变换属于可逆操作，有利于提升芯片的集成度，进而降低信息处理过程中的能耗。

量子计算的运算能力根据量子比特数量指数级增长，在 AI 领域具有较大潜力。在经典计算中，计算能力与晶体管数量成正比例线性关系，而量子计算机中算力将以量子比特的指数级规模增长，据中国计算机学会微信公众号， 2012 年“量子优势”（同样的计算任务，量子计算速度高于传统计算）的概念被提出，并在 2019年由谷歌团队实现了实验验证，2020 年，潘建伟院士团队基于高斯玻色采样模型成功构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”进一步验证了量子优势。量子计算机所能拥有的量子比特数由最初的 2 量子比特增长到了数百量子比特，并正以可观的速度继续增长，这为实现更可靠、更大规模的量子计算，以及挖掘基于量子计算的人工智能应用带来更多可能性。

2、巨头争先入场，量子计算边界持续拓展

量子计算软硬件体系已经初具雏形。据信通院：

量子计算产业上游主要包含环境支撑系统、测控系统、各类关键设备组件以及元器件等，是研制量子计算原型机的必要保障，目前由于技术路线未收敛、硬件研制个性化需求多等原因，上游供应链存在碎片化问题，逐一突破攻关存在难度，一定程度上限制了上游企业的发展。

量子计算产业生态中游主要涉及量子计算原型机和软件，其中原型机是产业生态的核心部分，目前超导、离子阱、光量子、硅半导体和中性原子等技术路线发展较快，其中超导路线备受青睐，离子阱、光量子和中性原子路线获得较多初创企业关注。

美国原型机研制与软件研发占据一定优势，我国量子计算硬件企业数量有限且技术路线布局较为单一，集中在超导和离子阱路线，量子计算软件企业存在数量规模较少、创新成果有限、应用探索推动力弱等问题。

量子计算产业下游主要涵盖量子计算云平台以及行业应用，处在早期发展阶段。近年来全球已有数十家公司和研究机构推出了不同类型的量子计算云平台，积极争夺产业生态地位，目前量子计算领域应用探索已在金融、化工、人工智能、医药、汽车、能源等领域广泛开展。国外量子计算云平台的优势体现在后端硬件性能、软硬件协同程度、商业服务模式等方面，大量欧美行业龙头企业成立量子计算研究团队，与量子企业联合开展应用研究；我国下游行业用户对量子计算重视程度有限，开展应用探索动力仍需提升。

硬件层面：超导量子计算进展斐然，国内量子计算产业与海外科技巨头差距不断缩小。据光子盒研究院，从技术路线上看，近年超导量子计算的进展最为亮眼，主要原因包括：1）超导量子计算路线本身具备保真度高、运算速度快、扩展性好、可控性强等优势，从而受到更多科研人员与投资机构的关注； 2）超导量子计算机与成熟的电子学、半导体工艺密切相关，而离子阱、中性原子等技术路线所用设备多为成熟度相对较低的光子学设备。

中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”

应用层面：量子计算与各领域加速融合。据光子盒研究院，量子计算的行业应用合作广泛涉及教育科研、生物医药、化工材料、国防政务、能源电力、金融服务、人工智能等多个领域，由于目前量子计算机都未达到实用化阶段，无法就现实问题提供算力支持，现阶段的各类应用合作尚处于早期探索阶段。在金融领域，量子计算的高速计算能力可用于风险分析和投资组合优化，提高决策效率与投资回报；在药物研发中，量子计算能够模拟分子行为，为新药设计提供关键数据支持，缩短研发周期；在材料科学里，量子计算助力科学家深入理解材料内部电子行为与相互作用，加速高性能电池、超导体和新型合金等新材料的开发。

2023 年全球量子计算市场规模约 47 亿美元，预计 2035 年有望超过 8000亿美元。据 ICV，随着量子计算技术的不断演进，以及 AI 技术等领域的快速发展，量子计算的应用边界被不断拓展，2023 年，全球量子产业规模达到 47 亿美元，2023 至 2028 年的年平均增长率（CAGR）达到 44.8%；2027 年专用量子计算机预计将实现性能突破，带动整体市场规模达到 105 亿美元，在 2028 年至 2035年，市场规模将继续迅速扩大，受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，到 2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。

3、量子计算威胁加密系统，后量子密码构筑全新防线

强大计算性能打破传统密码学安全屏障，加密系统面临失效风险。随着量子计算技术在硬件、算法等层面不断取得突破性进展，其强大的计算能力正给传统密码体系带来前所未有的威胁。传统密码学基于大整数分解、离散对数等数学难题构建，依靠经典计算机在有限时间内难以破解这些难题来保障信息安全。

然而，量子计算凭借独特的量子算法，打破了这一安全屏障。例如，RSA加密算法的安全性依赖于对两个大质数乘积进行分解的困难性，一旦量子计算机具备足够多的量子比特和稳定的运行环境，其独特的Shor算法能够利用量子计算的量子叠加和量子纠缠特性，在多项式时间内完成大整数分解，从而破解RSA密码体系。

目前，超导量子计算原型机“祖冲之三号”、谷歌的“Willow”量子芯片等硬件成果在量子比特数量和计算性能上不断提升，为Shor算法的有效运行提供了更坚实的基础，这意味着在不久的将来，现有基于大整数分解的大量加密系统都可能面临被破解的风险。量子计算的发展不仅威胁到加密算法本身，还对依赖传统密码技术的通信协议、数字签名等安全机制产生连锁反应。

基于传统密码的安全通信协议在量子计算的冲击下，无法保障信息传输的机密性和完整性；数字签名体系也可能因量子计算破解密钥而失去可靠性，导致身份认证、数据不可抵赖等安全功能失效。后量子算法保障未来信息安全，多种技术方案助力构建安全屏障。随着传统密码体系在量子算法的冲击下岌岌可危，后量子算法应运而生，成为保障未来信息安全的重要技术手段。

后量子密码技术（Post-QuantumCryptography,PQC），也称为抗量子密码技术（Quantum-ResistantCryptography,QRC），旨在构建能够抵御量子计算机攻击的新型密码体系，其核心目标是基于量子计算机难以快速解决的数学难题或物理特性，设计出安全可靠的加密、签名和密钥交换机制。后量子算法涵盖多种技术路线：

1）基于格的密码算法：利用格中最短向量问题和最近向量问题的困难性构建密码方案。这些问题在高维空间中具有极高的计算复杂度，即便量子计算机也难以在短时间内求解，从而为信息安全提供保障。

2）基于哈希的后量子密码算法：以哈希函数的单向性和碰撞阻力为核心，构建数字签名等密码机制，有效规避了传统密码算法在量子计算冲击下的安全风险。

3）基于编码的密码算法：以纠错码理论为基础，通过构造具有特定性质的纠错码来实现密码功能。由于解码随机线性码是一个NP-Hard问题，即使量子计算机也难以有效解决，使得基于编码的密码算法具备较强的抗量子攻击能力。

4）基于多变量的后量子密码算法：基于有限域上的多变量多项式方程组求解困难性设计密码方案。通过精心构造复杂的多变量多项式系统，使得攻击者在没有私钥的情况下，求解方程组变得极其困难。即便面对量子计算机，多变量密码算法所依赖的数学难题依然具有较高的安全性。

5）基于同源的后量子密码算法：基于代数几何中椭圆曲线或超椭圆曲线的同源问题构建密码方案，利用求解特定同源问题的计算困难性，为信息安全提供抵御量子攻击的坚实屏障。

4、后量子密码发展现状：美国全球领先，中国持续追赶

美国在后量子密码（PQC）领域的发展处于全球领先地位，体现在标准化进程、政府战略部署、产业应用等多个层面。

1）标准化进程：美国国家标准与技术研究院（NIST）主导，从技术研发到政策落地系统性布局。2016 年 12 月，NIST 向全球发出后量子公钥密码算法“征集令”，意在遴选可抵御量子攻击的新一代算法，逐步替换现行易被量子计算破解的公钥加密体系。

2024 年，首批后量子密码联邦信息处理标准（FIPS）正式发布，自此美国政府与产业界全面启动向后量子安全的系统性迁移，形成了一套环环相扣、全面且系统的推进体系。这一系列举措不仅有助于美国在量子计算时代抢占信息安全领域的战略高地，也为全球后量子密码技术的发展与应用提供了可复制的范例。目前，NIST 已确定的标准化算法包括两个密钥封装算法和三个签名算法，未来还将还将持续吸纳多元技术路线的签名方案，进一步丰富后量子密码“工具箱”。

2）路线图：2030年前完成后量子密码标准迁移。2021 年 10 月，NIST发布了应对量子技术风险的路线图，以帮助企业保护其数据和系统，降低量子技术发展带来的风险。路线图提出 2024 年发布后量子密码算法标准，2030 年前迁移到后量子密码标准。美国政府安全机构与科技企业也积极推动后量子密码技术落地实践，纷纷抢在大型量子计算机问世前，加速部署抗量子算法。

3）产业推进：大型跨国公司和行业巨头加速构建产业生态。产品供给方面，IBM推出QuantumSafe 整套解决方案，涵盖发现、观察和转换产品；微软推出开放量子安全项目 liboqs，成为最受欢迎的开源后量子密码项目；谷歌宣布与苏黎世联邦理工学院合作，成功创建了独特的 ECC/Dilithium 混合签名模式，首次实现开源量子弹性/抗量子FIDO2 安全密钥。

应用方面，2023 年 6月，SandboxAQ 公司获得由美国国防信息系统局（DISA）提供的合同，以实施该公司端到端的后量子加密管理解决方案。2024 年 9 月，谷歌宣布更新其Chrome 网络浏览器中的后量子加密技术，用完全标准化的 ML-KEM 算法取代实验性的 Kyber，以提升对量子计算潜在攻击的防御能力。

国内后量子密码技术起步较晚，目前处于标准完善与产业试点阶段。

1）标准化进程：国家标准化管理委员会启动规划与立项工作。中国密码学会在 2019 年组织了全国密码算法设计竞赛，其中非对称算法部分征集到38个算法，经过形式审查、公开评议、检测评估和专家评选，竞赛最终评出14项优胜算法。2023 年，国家标准化管理委员会开展后量子密码标准的前瞻研究和规划布局。2024 年一些后量子密码方案已在我国密码行业标准化技术委员会立项。2025 年 2 月，商用密码标准研究院面向全球征集新一代公钥、杂凑、分组密码算法，明确要求算法需同时抵抗经典与量子攻击。

2）产业推进：硬件研究+应用探索并行，加速追赶全球领先水平。芯片研究方面，清华大学刘雷波教授团队设计了跨数学难题的抗量子密码芯片；华中科技大学研发的后量子密码芯片在 SMIC40nm 工艺下实现 Kyber 算法。芯片供给方面，目前市场上尚未出现公开发售的商业后量子密码芯片产品，一些密码厂商也 宣布推出了后量子密码软硬件产品，但总体仍处于内部测试或试点验证。

开源密码库方面，郁昱教授团队开发和维护的 PQMagic 支持 FIPS 203-205 标准及国产Aigis 算法。后量子密码应用试点方面，华夏银行区块链试点Dilithium-SM3 混合签名方案，交易验证时间控制在 300ms 内，较传统方案延迟增加约 20%，但安全性提升两个数量级。中国电信 5G 核心网部署“密流量子盾”系统，集成Kyber、Dilithium 算法，实现量子安全漫游认证，密钥协商效率达 5000 次/秒。

全球量子安全产业生态图谱

资料来源：光子盒研究院，民生证券研究院，思瀚

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