2022年9月，美国国家档案与文件管理署（National Archives and Records Administration，NARA）发布《量子信息科学与技术对文件管理的影响白皮书》（Quantum Information Science and Technology Implications for Records Management White Paper）。该白皮书是NARA跟踪新兴技术的最新成果，主要包括对量子信息科学与技术发展历程的介绍、量子计算与经典计算的对比分析、量子信息科学与技术对文件管理的影响等方面。
一、引言
本白皮书旨在为联邦文件管理者提供关于QIST的非技术性说明。新兴量子技术可能对文件管理相关领域产生重大影响，这些领域包括密码学、身份认证、加密通信、文件存储和检索。随着技术的发展和成熟，文件管理者可能会发现（本白皮书提供的）这些信息是有价值的。
二、量子信息科学与技术（QIST）
大萧条和两次世界大战共同激发了政府积极解决社会、经济和军事问题的兴趣。为支持美国在战争中的表现，罗斯福总统建立了科学研究与发展办公室（Office of Scientific Research and Development，OSRD）。OSRD主任范内瓦·布什（Vannevar Bush）给罗斯福总统写了一份题为《科学：无尽的前沿》的报告，该报告认为“基础研究是技术进步的引领者”。该报告和约翰·罗伊·斯蒂尔曼（John R. Steelman）给杜鲁门总统的报告《科学与公共政策：一项国家计划》共同推动了1950年国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）的成立。正如物理学家威廉·A·布兰皮德（William A. Blanpied）所指出的，“NSF从一开始就与众不同，它侧重政府政策对科学活动的支持，而非科学对政府政策的支持”。1976年，通过在总统执行办公室下设科学与技术政策办公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP），国会意识到总统需要接收“需要政府最高层关注的关于科学、工程和技术议题的建议”。
联邦政府在资助可能具有实际应用潜力的长期基础研究方面发挥着独特作用。漫长时间线中的一个实例是国防部的阿帕网（ARPANET）。阿帕网的目标是将处于不同物理位置的计算机连接起来，以确保冷战期间通信的连续性。通常情况下，基础研究投资的收益及（取得的）进步是出乎意料的。例如，1969年开始的计算机到计算机的信号研究最终带来网状网络、分组传输协议和互联网的发展。在其商业价值清晰显现前，NSF已经为其提供了10多年的资金。在电信和计算机行业扩展至商用网络（DARPA）后的1990年，阿帕网退役。
就像研究早期互联网的人一样，现在的研究人员仍在探索QIST的能力。1981年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）建议基于量子力学的原理构建计算机，因为在经典计算机上模拟量子力学系统存在困难。1994年，应用数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了一种量子计算机算法，该算法在理论上可用于分解大数。随着肖尔的算法在科学界获得理解，1994年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）举办了关于量子计算和通信的首次研讨会。1995年，NIST的研究人员实现了第一个量子逻辑门[注释：逻辑门能够允许或阻止电流，是处理信息的构件。通过在电路中设置逻辑门，工程师使计算机能够进行多种数学计算。与经典逻辑门不同，量子逻辑门可以同时处理多种可能性]。在接下来的十年，多个联邦政府机构开始资助量子信息科学的学术研究，例如，在2006年成立联合量子研究所（Joint Quantum Institute，JQI）。美国国家科学与技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC）的量子信息科学分委员会于2009年发布了题为《关于量子信息科学的联邦愿景》的报告。该报告促成了联邦政府、学术界和产业界之间的（一系列）研讨会和合作。
2016年，NSTC发布了关于量子信息科学带来的挑战和机遇的报告，白宫办公室的OSTP召开了量子信息科学论坛。2017年，政府、学术界、产业界共同组成的“国家光子计划”联盟向国会提交了题为《呼吁国家量子计划》的提案。2018年9月，NSTC的量子信息科学分委员会发布《量子信息科学的国家战略概览》，强调了研究、劳动力扩张及政府、学术界、产业界的合作等目标。2018年12月21日，总统签署了《国家量子计划法案》（National Quantum Initiative Act，NQI）。
NQI的目标在于加速美国在量子信息科学方面的领导地位，以促进经济繁荣和国家安全。白宫办公室的OSTP下设国家量子协调办公室（National Quantum Coordination Office，NQCO），以在联邦政府范围内形成量子信息科学的（统一）方法。NQCO是联邦量子科学与技术活动的主要联络点，并负责传播研究成果和建议。2019年的第13885号行政命令设立了国家量子计划咨询委员会，该委员会包括联邦机构、产业界和学术界的代表（Raymer，2019）。2022年的第14073号行政命令通过将其设立为总统咨询委员会的方式提升了该委员会的地位。目前，国家安全局、情报高级研究项目活动、国防高级研究计划局、NSF、NIST、能源部、陆军研究实验室、空军研究实验室和海军研究实验室等许多政府机构和国家实验室都在进行量子信息科学相关研究。
虽然量子计算机使用0和1来处理数据，但不是只有0和1这样的离散状态，量子比特的状态可以同时是0和1的组合（Nielson，2010）。这就是所谓的（量子）叠加。多个量子比特可以通过纠缠而相互关联。纠缠意味着量子比特以这样一种方式连接，即测量一个量子比特将瞬间瓦解其他纠缠的量子比特（Mooney，2019）。利用叠加和纠缠，量子计算机可以比经典计算机更快地解决某些问题。量子态对环境非常敏感。当不确定时，不必要的热、光或机械干扰会导致量子态从叠加转为坍缩，最终限制计算能力。
探讨经典计算机和量子计算机如何处理计算挑战可能会更清楚地阐明二者的差异。目前，许多计算机具有64位的处理能力，这意味着64位中有1.8×1019种不同的0和1组合。3.1GHz的处理器能够以每秒31亿次的频率处理64位的数据。按照这样的速度，一台计算机需要近189年的时间来尝试64位中所有的0和1组合。相反，64量子位的量子计算机可以处于64位所有组合的叠加状态，如果可快速改变叠加状态，突出正确答案，同时抑制错误答案，量子计算机可以计算得更快。2019年，谷歌的团队使用一台53量子位的量子计算机在200秒内完成了计算，而当时最先进的经典计算机需要约1万年的时间（Arute，2019）。
（1）量子分解：使用彼得·肖尔的因子分解算法，量子计算机可以比经典计算机更快地提取RSA消息的私钥（Raymer，2019）。
（2）量子搜索：1995年，格鲁弗展示了量子计算机在非结构化数据中进行搜索的能力。格鲁弗的算法展示了量子计算机如何提高和扩展（计算机的）搜索能力（Nielson，2010）。
（3）量子建模：该领域由理查德·费曼在20世纪80年代早期提出，允许科学家在本身就是复杂量子系统的计算机中对复杂的量子系统进行建模（Feynman，1982）。
“研究人员将把一组单独的离子困在一条线上，就像电线上的鸟。激光会操纵离子的能量状态，使它们分别代表0和1或二者的叠加。每个离子将通过来回摇摆与其他离子通信。这种摇摆将使每个离子能够与它相邻的离子交换信息。通过这种方式，研究人员将能使用量子比特进行计算（“NIST Jump-Starts”，2018）。”
大约在同一时期，戴夫·温兰德（Dave Wineland）与NIST共同致力于利用离子制造更精准的原子钟。当温兰德及其同事看到希拉克和佐勒的论文时，他们立即意识到在原子钟内控制原子和进行量子计算有相似之处。1995年底，温兰德及其团队宣布了对量子比特的首次操作。温兰德的研究在2012年获得诺贝尔奖，旨在表彰他在实现测量和处理单个量子系统的实验方法方面的工作（“NIST Jump-Starts”，2018）。
第一台量子计算机建于1998年，是一台非常初级的计算机，仅由2个量子比特组成，同时由于量子比特抗外部干扰的脆弱性，只能运行几纳秒。2000年，两个相互竞争的项目宣布他们已经创造出具有4个和7个量子比特的量子计算机，但外部干扰再次限制了其规模和用途。虽然这些项目表明量子计算具有可能性，但远没有达到实际应用的规模（Holton，2021）。在过去的十年，许多公司已经开始投资量子计算，旨在克服影响量子比特的外部干扰。该领域仍在不断发展，正在出现多种量子计算方法（如下图所示）。在构建量子计算机的竞争中，这些公司正在探索不同类型的量子比特，每种量子比特都有其优点和缺点。
（Popkin，2016）
（注：中文翻译版图片引自“机器之心”，链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/24135974?from_voters_page=true&utm_id=0）
四、量子信息科学与技术对文件管理的影响
密码学用于保护信息和数字身份认证。当前的一些公钥密码是以经典计算机分解大数所需时间长度为基础（设计的）。如果使用经典计算机需要30年才能分解一个大数，则该密码在30年内能够有效保护信息。如前所述，肖尔的算法为量子计算机提供了一种方法，可比经典计算机更快地分解大数。文件管理者将面临这样的现实：加密信息和数字身份将更容易受到量子计算机的攻击。联邦政府已识别该风险，NIST、国家安全局和国土安全部等机构正在开发可利用现有基础设施的抗量子或后量子密码学。理论表明，量子密钥分配（QKD）或量子密码学（QC）允许检测窃听者的存在（这是标准密码学也能提供的功能）；然而，QKD需要一个量子网络。美国国家安全局建议将重点放在抗量子的经典密码解决方案上，而不是建立一个量子网络，这样更划算、更易于维护。
通常情况下，干扰可能导致微妙的量子坍缩。这种敏感性给文件管理者带来了两个相关挑战。首先，目前一个量子比特的存储时间不会超过1微秒。保留包含量子比特的文件将面临挑战，因此，量子计算机可能永远无法保留文件的最终版。其次，无法复制使用量子叠加编码的文件，因为复制文件的行为会瓦解量子叠加，从而导致文件发生变化（Wooters，1982）。机构可能会用量子计算机执行处理、计算、搜索等特定任务，然后以传统格式捕获输出物。例如，量子计算机可用于搜索非结构化数据，但搜索的结果输出将由经典计算机使用。量子处理生成的文件很可能是“通用文件保管期限表5.2”中定义的中间文件，这意味着它们将在生成后续文件的过程中生成或使用。如果量子计算机的唯一功能是接收并处理来自其他经典系统的数据，则它的本质就是“传递”系统。
五、结论
量子计算机快速分解大数的能力将对密码学领域产生颠覆性影响。这种变化需要将当前密码学标准转变为量子计算机难以打破的系统。
QIST仍处于早期阶段，但随着政府、学术界和产业界的持续研究，QIST将对我们的工作和生活产生影响。在文件管理领域，QIST将在提供解决方案的同时带来挑战。作为文件管理者，理解QIST的发展非常重要，如此一来，文件管理行业才能发挥量子系统分析的优势并将其作为“信息全景”的一部分。
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