本期『量子信息』專欄主持人 楊國(guó)武

評(píng)“大數(shù)據(jù)環(huán)境下量子機(jī)器學(xué)習(xí)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)”王曉霆

量子機(jī)器學(xué)習(xí)是量子計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)在各自領(lǐng)域蓬勃發(fā)展后必然產(chǎn)生的交叉學(xué)科。量子計(jì)算的概念，可以追溯到二十世紀(jì)八十年代Benioff 提出的計(jì)算機(jī)量子力學(xué)模型；而機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，可以追溯到二十世紀(jì)四五十年代包括人工神經(jīng)元在內(nèi)的有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的先驅(qū)性研究。歷史總是驚人的相似，兩個(gè)學(xué)科在發(fā)展之初，各自領(lǐng)域最杰出的科學(xué)家都做出了開創(chuàng)性的工作：一邊是圖靈提出的圖靈測(cè)試，另一邊是費(fèi)曼提出的量子計(jì)算機(jī)和量子模擬的概念；兩個(gè)學(xué)科的理論基礎(chǔ)均在二十世紀(jì)八九十年代得到了高速發(fā)展，并都在高速發(fā)展之后經(jīng)歷了一段“嚴(yán)冬”，然后在2010 年之后得益于物理硬件上的突破而重新獲得了高度關(guān)注和發(fā)展，并應(yīng)運(yùn)而生了量子機(jī)器學(xué)習(xí)這一交叉學(xué)科。經(jīng)過近十年的發(fā)展，量子機(jī)器學(xué)習(xí)尤其是相關(guān)量子算法方面，已經(jīng)獲得一系列重要的進(jìn)展，如該文提到的量子K 近鄰、量子支持向量機(jī)、量子主成分分析、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其研究范圍已經(jīng)包括了經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)所涉及的方方面面；然而，量子機(jī)器學(xué)習(xí)尚未被解決的重大問題依然存在，包括近兩年出現(xiàn)的新進(jìn)展和問題，亟需更多好的綜述性文章做出承前啟后的總結(jié)作用。

該文從一個(gè)新穎的角度，即大數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和不確定性，對(duì)量子機(jī)器學(xué)習(xí)如何跟大數(shù)據(jù)研究相結(jié)合這一課題，做出了相關(guān)綜述，系統(tǒng)地總結(jié)了大數(shù)據(jù)不確定性集合理論和分析方法，總結(jié)了經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的研究對(duì)象和相關(guān)算法，以及迄今為止量子機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域所提出的量子算法和相關(guān)問題，并給出了一個(gè)如何結(jié)合大數(shù)據(jù)本身的科研問題探索量子機(jī)器學(xué)習(xí)新算法的思路。如何在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，獲得更多有關(guān)量子機(jī)器學(xué)習(xí)的理論成果和應(yīng)用場(chǎng)景，我們拭目以待。

評(píng)“SM4 密碼算法S 盒的量子電路實(shí)現(xiàn)”徐兵杰

隨著量子計(jì)算的發(fā)展，現(xiàn)行經(jīng)典密碼系統(tǒng)的安全性受到了嚴(yán)峻威脅。對(duì)于非對(duì)稱密碼系統(tǒng)，Shor 算法能夠迅速破解基于大整數(shù)分解及離散對(duì)數(shù)困難問題的密碼算法；對(duì)于對(duì)稱密碼系統(tǒng)，Grover 算法能使其等價(jià)安全密鑰長(zhǎng)度減半，其安全性所受的影響相比于非對(duì)稱密碼系統(tǒng)較小，但仍需引入相應(yīng)措施以應(yīng)對(duì)量子計(jì)算威脅?，F(xiàn)有對(duì)稱密碼算法在量子環(huán)境下的安全性分析大多基于該算法可通過量子電路實(shí)現(xiàn)的假設(shè)之上，但目前國(guó)內(nèi)外僅在AES 算法的量子電路實(shí)現(xiàn)方面有少量研究，而對(duì)其他主流對(duì)稱密碼算法（如SM4）的量子電路實(shí)現(xiàn)研究并未涉及。

該文針對(duì)以上研究現(xiàn)狀，首次給出了SM4 密碼算法S 盒的量子電路實(shí)現(xiàn)方案。主要基于SM4 密碼算法S 盒的代數(shù)結(jié)構(gòu)，采用48 個(gè)量子比特，592 個(gè)量子門（包括NOT 門、CNOT 門和Toffoli 門），電路深度為289，比較高效地構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了其S 盒的量子電路。該研究將對(duì)量子環(huán)境下SM4 密碼算法的研究產(chǎn)生推動(dòng)作用，也豐富了對(duì)稱密碼在量子環(huán)境下的安全性分析。