美國智庫分析量子技術的應用和影響
責編：gltian ｜2023-10-12 16:50:092023年5月，美智庫戰略與國際問題研究中心（CSIS）發布《量子技術：應用和啟示》報告，探討量子技術在量子計算、量子加密、量子通信和量子傳感領域的應用和影響，呼吁國家、企業和學術界共同合作，制定相關政策和標準，確保量子技術的安全和可持續發展。
一、量子技術應用
1. 量子計算
量子計算使用量子物理學來解決問題，有助于提高數據分析能力，并加速機器學習算法的性能。量子計算速度是傳統計算機無法比擬的，因此成為所有科學的新研究工具。量子計算的安全應用包括破解安全加密，執行復雜模擬，并通過大量數據分析來改進威脅檢測和決策。量子計算所需的芯片不同于傳統半導體，量子計算機上的芯片越多，芯片上的量子位越多，數據處理速度越快。美國國家標準與技術研究院（NIST）于2009年制造了第一個量子芯片，現在各國正在競相開發使用多個量子芯片的計算機。盡管量子計算容易受噪聲干擾產生錯誤，但目前已經應用于研究。考慮到量子計算需要專門的支持設備且維護成本昂貴，研究人員和企業可以通過云服務或聯網訪問其他企業的量子計算機獲得量子計算服務，也稱為“量子即服務”（quantum-as-a-service）。
2. 量子加密
密碼學是使用復雜的數學公式對數據進行編碼并使其在解碼之前不可讀的過程。量子計算機能夠快速執行運算，并破解被認為是“安全”的消息，會對現有軟件和服務構成新威脅。任何在商業應用中廣泛使用公鑰加密的系統都容易被量子計算機解密。報告指出，競爭對手可能現在收集和存儲加密數據，以待將來解密，這對需要保密數十年的美國政府敏感數據構成威脅。為此，NIST牽頭創建后量子密碼學（PQC），預計將在2024年實現量子加密標準化。由于采用的后量子加密算法具有不同的技術屬性，包括不同的密鑰長度和處理時間。這使得向后量子加密過渡比從數據加密標準（DES）向高級加密標準（AES）過渡需要涉及的范圍更廣。NIST預測，如果沒有大規模的實施計劃，可能需要幾十年的時間才能使大多數易受攻擊的公鑰系統采用PQC。
3. 量子通信
量子通信是應用量子物理學的特性提供安全性高、長距離的通信。量子通信具有兩個安全優勢，一是量子密鑰分發（QKD）創建通過量子位編碼和傳輸的密鑰，更難破解；二是量子比特極其敏感，如果有外部觀測者攔截或者監視通訊，信息接收者立刻能夠注意到，有利于保護傳輸數據。量子密鑰分發已經在光纖電纜、無線電和衛星中繼器中進行了示范，但目前光纖只能實現短距離內傳輸QKD，從太空到地面的示范還沒有定論。量子通信技術的廣泛部署仍需數年時間。中國在2016年發射墨子號衛星，2017年首次實現從地面到空間的量子加密會議，2020年宣布解決了從地面到空間QKD的安全問題。
4. 量子傳感
量子傳感技術能夠抵抗電磁干擾，提供更靈敏、更精確的測量結果，在醫學研究和醫療健康、環境監測、建筑、能源、導航和國防等領域有廣泛應用。量子傳感可以在不使用GPS的情況下實現高精度導航，提供了實現精確、安全導航的可能性。然而，實現可信的量子導航還需要克服一些障礙，包括需要改進的、低成本、小而輕的動力部件。量子傳感也對情報、監視和偵察能力有影響。美國陸軍研究實驗室開發了一種稱為“幽靈成像”的技術，該技術借助光的量子特征可以在微弱光束下探測遠處的目標物。中國研究人員正在開發可以探測隱形飛機的量子雷達系統。在生物醫學方面，量子傳感器使研究人員能夠從患者大腦的電磁場中獲取數據與健康大腦作比較，從而更好地了解特定藥物的作用。使用量子傳感的設備還可以在患者不必保持靜止的情況下對其進行檢測和診斷。
二、量子研究現狀
1. 量子研究全球化
量子在全球創新方面具有巨大潛力，許多國家已經認識到量子技術的潛力，投入資金發展量子計算、通信和傳感能力。近年來，美國、英國、加拿大等國家均制定了量子研究的國家戰略（詳見表1）。截至2022年，歐盟和美國、英國等9個國家（地區）在量子計劃上的支出超過300億美元。隨著量子應用的發展，政策制定者需要確定如何更好地促進進一步的研究，并利用量子技術保證商業和安全利益。出口管制是拜登政府對華政策中的重要工具，美國政府正在探索對包括量子在內的新興技術的管控。然而，也有人擔心量子技術還處于發展早期，無法在不損害創新的情況下實施限制。雖然美國應該限制中國獲得量子技術，但也要擴大與伙伴國家的合作，建立全球量子應用市場，激勵私營部門創新。
表1 各國（地區）制定的量子戰略和計劃
| 國家
（地區） |
量子戰略與計劃 |
| 美國 | 2018年美國國會通過《國家量子倡議法案》，政府投入12億美元用于量子技術研發，創建了國家量子協調辦公室，協調聯邦政府在量子方面的工作。2023年國會將重新授權該法案，重點擴大基礎科學條款、轉向用例研發、支持初創企業的測試平臺，并促進勞動力發展。 |
| 英國 | 2023年英國政府發布《國家量子戰略》，承諾未來十年（2024—2034年）將投入25億英鎊（超過30億美元）推進量子研發，并概述了量子發展的目標，包括市場份額、私募股權投資和學術產出等。 |
| 加拿大 | 2023年加拿大發布《國家量子戰略》，政府撥款3.6億加元（2.67億美元），用于研究、人才培養和量子產品的商業化。 |
| 日本 | 2020年日本啟動《量子技術和創新戰略》，其目標是加速創新、開展基礎研究和擴大國際合作。2022年日本推出“量子未來社會愿景”，旨在將量子技術整合到經典系統中，以解決社會挑戰、為產業創建發展機會，并通過測試平臺促進量子應用。 |
| 歐盟 | 2018年歐盟發布“量子技術旗艦計劃”，預計在10年內投入10億歐元（11億美元）支持研究人員，主要集中在量子計算、模擬、通信和傳感方面。 |
| 印度 | 2023年印度內閣批準“國家量子任務”，提供超過7.3億美元用于量子研發，其支持的目標技術包括量子計算、傳感和通信。 |
| 俄羅斯 | 作為俄羅斯數據經濟計劃的一部分，俄羅斯政府在2019—2024年投資7.9億美元用于量子研發，主要是開發實用的量子應用工具，重點是計算和模擬、通信和傳感。 |
| 澳大利亞 | 2023年澳大利亞發布《國家量子戰略》，包括五個核心主題：投資研發、使用關鍵量子基礎設施、擴大勞動力隊伍、推進反映國家利益的標準、建立一個可信和包容的生態系統。 |
| 中國 | 中國在“十四五”規劃中宣布量子是優先事項。2017年政府宣布創建量子科學國家實驗室，至少投入40億美元用于量子研究。 |
2. 量子技術應用的時間
量子技術距離實際應用還需要一段時間，但遠不像懷疑論者所認為的還需要數十年。首先，在過去十年中，隨著數據科學和計算工具在研發中的應用，創新的步伐加快。其次，不同量子技術的應用時間表不同。有些量子傳感技術已接近商業部署。例如，量子傳感在生物醫學研究、建筑或增強成像中的應用已經商業化，在導航中的應用將在幾年內商業化。在量子計算技術方面，低密集型計算的應用已經投入使用，但高性能量子計算的應用可能還需要數年時間。量子加密作為最敏感的計算應用之一，距離部署也需要數年時間。量子通信相關技術還處于發展階段。美國政府問責局估計，用于QKD的光纖需要十年才能成熟，衛星QKD通信可能會更快實現。
三、政策建議
量子技術將重塑研究、商業和安全，并加速創新。報告提出七項針對量子技術的政策建議：
1. 加大量子研究支持力度
建議支持量子研究不僅要資助基礎研究，還要培育初創企業、開發量子應用案例和工具、建設公共基礎設施并推進國內外投資合作。支持方式除提供額外的量子研發資金外，還包括提供稅收優惠和與市場相關的支持性法規等。
2. 加強與盟國和伙伴的量子技術合作
美國已經在量子技術及其實施方面與盟國開展了合作，還應就量子技術的政策和標準達成適當的協議。不合時宜或設計不當的技術轉讓限制將會切斷與全球量子研究界的聯系、扼殺量子應用的商業市場并降低企業家進入量子市場的意愿，從而減緩美國量子研究速度。美國應與盟國合作制定技術轉讓的通用政策。
3. 加快向后量子密碼學過渡
目前的加密系統10年內可能就會受到量子計算機的攻擊。加密標準從數據加密標準過渡到高級加密標準花費了近10年的時間，如果現在還沒有從數據加密標準向后量子密碼學過渡的計劃未來可能會受到極具破壞性的攻擊。
4. 資助研究人員使用“量子即服務”
建議通過聯邦資助促進研究人員（包括聯盟研究人員）使用“量子即服務”，經常使用可以提供必要的量子計算經驗和創新。能源部量子用戶擴展科技（QUEST）計劃是一個良好的開端，可以將盟友也納入用戶范圍。
5. 制定量子相關標準和法規，確保量子技術安全和負責任地開發和部署
制定量子標準和法規可以確保安全、負責任地開發和部署量子技術，包括建立量子技術性能和可靠性的標準，以及在金融、交通、能源和電信等關鍵行業治理量子技術的法規。該項工作可以借助美英澳三邊安全伙伴關系、美歐貿易和技術理事會以及其它機制與盟國和伙伴國家合作開展。
6. 評估現有知識產權法規和條例
量子計算快速處理大量數據的能力可能會加速新藥物、材料和其他科學突破的步伐，對知識產權保護構成極大挑戰。因此，需要評估現有的知識產權法規和條例，是否同樣適用于量子領域。
7. 投資量子技能和勞動力
隨著量子產業的持續發展，將需要更多具有量子技能的工人。政府、學術機構和企業需要投資教育和勞動力計劃，為個人提供在快速發展的量子領域工作所需的技能和知識。
編譯：中國科學院文獻情報中心 青秀玲 董 瑜
審校：中國科學技術信息研究所 張麗娟
來源：《科技參考》2023年第47期
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l來源：科情智庫