量子技術未來發展應用和影響建議

5月23日，美國戰略與國際問題研究中心（CSIS）釋出James Andrew Lewis和Georgia Wood撰寫的文章《量子技術的應用和影響》，評估了量子技術在衆多領域的不同應用以及優劣勢，并進一步分析了量子技術未來的發展路徑，為此提出了七點政策建議。

引言

量子實體學是在最基本的層面上研究物質和能量，量子技術利用量子實體學确定的特性，在計算、通信和傳感方面提供新的能力。

雖然量子現象已經被研究了幾十年，但是基于這些現象的重要技術直到最近才出現。其中一些技術将為商業和國家安全帶來巨大優勢。其他的會給加密行動帶來新的風險。這使得量子技術成為政策制定的一個重要話題，以及美國及其盟友之間合作的一個重要領域。本文旨在向普通讀者介紹這一主題，着眼于關鍵的量子技術、部署時間表和量子創新的國家政策。

量子實體學的原理可能令人費解，而且往往違反直覺，像“幽靈”或“糾纏”這樣的術語經常被用來描述量子實體學的工作原理。雖然對這些原則的基本了解對于評估進展和潛力很重要，但是眼前的政策問題是如何加速研究，如何開發新的量子技術，以及如何利用和防範這些技術的不同應用。

全球十幾個國家的大學、政府實驗室和公司都在進行量子研究。研究和服務的基礎設施包括量子計算機及其使用的專用晶片、新型傳感器、量子通信裝置和獨特的軟體，量子計算所需的軟體與正常計算軟體有很大不同。量子不僅僅可用于計算，還可以應用于傳感、加密和通信。提供量子技術和服務的公司數量正在迅速增長。一些量子應用，如傳感，将在量子計算機之前進入廣泛使用，還有一些量子應用比其他技術更接近商業化。

01量子計算

量子計算通常是最受關注的應用，使用量子實體以經典計算機無法達到的速度解決問題。量子計算的基礎是“量子比特”（quantum bit的簡稱），傳統計算機使用“位”，它可以代表“1”或“0”。相比之下，量子位可以同時代表1、0或兩者之間的任何值。這種特性（稱為“疊加”）允許量子計算機同時并行執行許多操作，計算速度比經典計算機快數百萬倍。

這将使量子計算成為所有科學的一個特殊的新研究工具。量子計算将改善資料分析，并加快研究和商業機器學習算法的性能。而金融服務公司正在投資量子計算，因為它可以讓他們在制定投資決策時獲得優勢，更好地計算市場風險。量子計算的安全應用包括能夠“破解”安全加密，執行複雜的模拟，并允許分析大規模資料集，以改進威脅檢測和決策。

量子計算需要不同于傳統半導體的特殊晶片（盡管有研究正在進行中，允許使用現在用于傳統矽基晶片的先進技術來制造量子晶片）。這些特殊的晶片使量子計算機速度更快、功能更強。量子晶片成本高昂（一量子位估計需要花費一萬美元，相比之下，傳統晶片的價格不到200美元），而且它們需要大量專門的支援裝置。第一個量子晶片是由美國國家标準與技術研究院（NIST）于2009年制造的，現在正在競相開發使用多個量子晶片的計算機。晶片越多，晶片上的量子位越多，資料的處理速度就越快。最大的量子處理器現在有幾百個量子位。

這場角逐引發了各種各樣追求“量子至上”的競賽，量子計算機可以完成傳統計算機無法完成的計算。對于量子優勢是否已經實作存在争議，但它是識别性能的一個有用的初始門檻值。

量子計算的一個障礙是需要改進量子位，使它們不容易因“噪音”而産生計算錯誤，噪音可能是無線電信号，也可能是地球磁場，屏蔽量子晶片的噪音有所幫助。噪聲問題的另一個解決方案是建立可以修複量子位錯誤的糾錯軟體。量子晶片本身需要簡化，以允許每個晶片包含多個量子位，而不需要現在所需的複雜布線，因為糾錯需要同時使用多個量子位的能力。雖然一些專家認為這些問題是無法解決的，但其他人更有信心，進一步的研究可以在未來10到15年内克服這些問題。

盡管如此，量子計算現在仍在使用（主要用于研究）。鑒于需要專門的支援裝置和量子位的脆弱性，目前在每張桌子上安裝一台量子計算機是不可行的。然而，支援網際網路的計算機可以允許研究人員使用量子計算能力，而不需要實體通路，這也被稱為“量子服務”。由于量子計算機複雜、維護成本高且價格昂貴，量子服務允許研究人員和公司通路由另一家公司擁有、操作和維護的量子計算機——通常使用雲服務或通過網際網路——而無需硬體。量子服務已經被大學和一些國家項目（如德國）進行研究。

02量子技術對密碼學和通信的影響

密碼學是使用複雜的數學公式對資料進行編碼并使其在被解碼之前不可讀的過程。加密廣泛應用于線上商務、金融和國家安全系統。速度更快的量子計算機将能夠執行計算，快速解密一度被認為安全的資訊。他們還将擁有以比傳統計算機更快的速度解決複雜數學方程的能力，使它們能夠“打破”加密，對現有的軟體和服務構成新的威脅。

任何使用在商業應用中廣泛發現的公鑰加密系統都将被易受攻擊的量子計算機解密。雖然現在這是不可能的，但許多國家都在追求這種能力，正在收集和存儲加密資料，以便在量子計算機可用時解密。這種“現在存儲，以後解密”的威脅尤其令人擔憂，因為一些美國政府的敏感資料可能會保留幾十年。

考慮到這些風險，NIST上司了一個建立後量子密碼術（PQC）的程序。PQC算法将為商業上可用的抗量子密碼術提供基礎。它們有望在2024年實作标準化。轉換到PQC将不是第一次實施加密标準的變化。1977年，美國國家标準局（NBS）更新了資料加密标準（DES），但到了20世紀90年代末，研究人員能夠破解 DES加密，這促使NIST研發了 2001年的進階加密标準（AES）。該經驗表明，改變加密标準是一個漫長的過程，因為必須建立基于該标準的新産品，然後在整個經濟中部署，類似的過程将塑造PQC過渡。

PQC的實施也面臨進一步的障礙。最有可能被采用的PQC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。這些特性使得PQC的實作比以前從DES到AES的過渡更加廣泛。NIST預測，如果沒有大規模的實施規劃，可能需要幾十年的時間，大多數易受攻擊的公鑰系統才會整合PQC。國家安全局建議轉向NIST的後量子密碼算法（一旦它們被标準化）作為抵禦解密威脅的最佳方式。

03量子通信

量子通信應用量子實體的特性來提供更好的安全性和改進的長距離通信。量子通信為安全性提供了兩個優勢。首先，在傳統的數字通信中，使用密鑰對消息進行加密和解密，并以經典比特（0或1）的形式傳輸。量子密鑰分發（QKD）允許建立使用量子位編碼和傳輸的加密密鑰，使它們更難破解。

第二，量子位極其敏感。任何破壞它們的企圖，甚至隻是觀察它們，都會迫使量子位元崩潰。這意味着，如果外部觀察者試圖攔截或監控使用QKD的通信，他們的活動将立即被消息接收者注意到。是以，量子通信有可能保護傳輸的資料，并使竊聽者很難逃避檢測。

量子通信技術的廣泛應用仍需數年時間。QKD已經論證通過光纜、無線電和衛星中繼。然而，光纖隻能在很短的距離内傳輸QKD，而且空對地的示範已經成功了。每種媒介都需要開發額外的技術，才能在商業上可行。

中國嘗試利用像Micius通信衛星這樣的項目來開發量子交流。中國在2016年推出了Micius，并報告稱在2017年實作了世界上首個量子加密電話會議。然而，衛星本身存在安全問題。2020年，中國研究人員宣布他們已經解決了這些問題，更多地依靠安全的地面技術與衛星合作，并表示他們的新方法将QKD的安全性提高到了“前所未有的水準”。

04量子傳感

量子傳感允許極其精确的測量。該技術可以在單個原子的水準上捕捉高分辨率和高靈敏度的測量，進而大大提高精确度。量子傳感技術具有廣泛的應用，包括醫療保健和醫學研究、環境監測、建築、能源、導航和國防。它們能抵抗電磁幹擾和幹擾。與傳統傳感器相比，它們的測量更靈敏、更精确，可靠性更高。

量子傳感提供了更精确和安全導航的可能性。重要的民用、商用和軍用系統依賴GPS及其提供的精确導航和定時（PNT）資料。GPS通常是許多關鍵基礎設施系統（包括金融和電力）的PNT資料的唯一來源，這使它們成為GPS幹擾的潛在目标。使用量子傳感可以消除這些弱點，量子傳感還允許在不使用GPS的情況下進行高精度導航。與GPS不同，量子導航不依賴外部信号，這使得它能夠抵抗幹擾。量子傳感器可以測量地球的引力和磁場，以檢測運動和電磁脈沖的微小變化。靈敏的重力儀（測量地球重力場的儀器）和磁力計可以測量異常并将其與現有資料進行比較，進而無需衛星通信即可實作精确導航。

鑒于必要傳感器的複雜性和精密校準，實作可靠的量子導航有幾個障礙。這些包括需要更低的成本、更小的尺寸和重量，以及改進的功率元件。小型化也帶來了挑戰，因為小型化傳感器平台往往會降低其靈敏度，增加了有效應用的障礙。

量子傳感對情報、監視和偵察能力也有影響。美國陸軍研究實驗室開發了一種被稱為“重影圖像”的技術，它利用光的量子特性，通過微弱的照明光束來探測遠處的物體。這些光束能夠穿透大氣條件，并且在許多情況下弱到足以避免被成像目标探測到，這使其能以潛在的有用工具進行秘密行動。另一個技術被稱為量子照明，可以提高量子雷達的隐形探測能力。這種技術被認為能夠獲得比非量子傳感器更高的信噪比，非常适合在高噪聲背景下檢測低反射率目标，如飛行中的隐形轟炸機。

生物醫學研究提供了進一步獨特的機會用于量子傳感。測量大腦、心髒或其他器官的電磁場以研究醫學治療效果的能力可以導緻更有效的藥物開發和一些疾病的潛在療法。量子傳感器将允許研究人員從患者大腦的電磁場中獲得資料，這些資料可以與健康大腦進行比較，使他們能夠更好地了解某些藥物的影響。

量子傳感也可用于醫學診斷成像。一個例子是，傳統的傳感裝置對兒童無效，因為它們的體積通常太大，并且要求對象在掃描期間保持靜止。然而，量子傳感的突破可能會改變這種情況，因為它能夠檢測和診斷，而不需要患者保持靜止。一些量子裝置已經被部署在醫院裡。

05量子技術時間線

在讨論量子技術時，一個經常出現的問題是:“多快能實作？”懷疑論者說量子技術離實作還有幾十年的時間，這種懷疑是錯誤的。

首先，考慮到資料科學和計算工具，過去十年創新的步伐加快了目前可用于協助研究和開發。其次，量程的到達時間因應用程式而異。一些傳感器技術接近商業部署，而高性能量子計算應用可能還需要幾年時間。重要的是要明白，雖然計算、傳感和通信應用都利用量子科學，但它們是具有不同時間表的不同技術。

當談到量子計算時，性能超過傳統計算機的強大技術還需要十多年的時間，但不太密集的計算應用程式現在已經開始使用。量子計算機是計算領域最敏感的應用之一，使用量子計算機進行解密也可能需要數年時間才能部署。至于量子通信，相關技術仍處于開發階段。美國政府問責辦公室估計QKD的光纖還需要十年才能成熟，而衛星QKD通信可能會更快實作。相比之下，一些用于生物醫學研究、建築或增強成像的量子傳感應用已經商業化，或者（如導航）将在幾年内實作。

06量子研究是全球性的

即使在量子計算機完全部署之前，量子技術也擁有巨大的全球創新潛力。許多國家已經認識到量子技術的潛力，并正在投資發展計算、通信和傳感能力，這包括政府和私營部門的研究投資。量子技術仍然是研究密集型的，領先的科技大國正在花費數億美元來資助研發。截至2022年，全球九個國家和歐盟已經宣布在量子計劃上花費超過300億美元，美國私營部門的花費超過許多國家。

政府可以通過國家R&D計劃和配套資金鼓勵量子技術。近年來，美國、中國、英國、加拿大和其他國家建立了各種各樣的量子研究國家戰略。

随着量子應用的發展，決策者将需要确定如何最好地促進進一步的研究，創造全球市場，并利用量子技術提供的商業和安全優勢。量子技術的一個直接政策問題是技術轉移。出口管制是拜登政府對華政策的一項重要工具。

白宮希望通過限制合作進入供應鍊來減緩中國在關鍵技術上的進步。政府正在探索對新興技術的控制，包括量子技術。有人擔心美國在量子科學方面的進步可能會提高中國的軍事能力，為此美國商務部在将三個中國組織列入2021年實體清單。

然而，也有人擔心量子技術還處于早期階段，無法在不損害創新的情況下實施限制。蘭德公司最近的一次報告分析了美國和中國在量子技術方面的工業基礎，并得出結論:“出口管制将過早地限制科學思想的交流，減緩技術進步。”分析指出了全球量子“生态系統”在早期發展階段，出口管制對小型初創企業的有害影響，以及缺乏監管清晰度的潛在損害。

雖然美國應該限制競争對手獲得量子技術，但它也需要擴大與合作夥伴的合作。在量子領域進行合作的承諾與Quad和AUKUS等倡議相關聯。同樣重要的是，美國需要建立一個量子應用的全球市場，以激勵私營部門的發展和創新。總的來說，對超出中國範圍的技術轉讓采取過度限制性的方法，使其難以與研究夥伴合作或為量子技術開發新市場，這對美國的量子努力弊大于利——正如早期衛星和加密控制的經驗所表明的那樣，過度擴張的出口控制損害了美國的科技公司。

07向前邁進

量子技術将創造巨大的機會，重塑研究、商業和安全，并加速創新。有七大政策建議:

1.增加對研究的支援。這不僅僅可以通過額外的資金來實作。支援也可以采取稅收激勵和相關市場支援性監管的形式，如自動駕駛汽車。這種支援應該包括基礎研究資金，也包括培育初創企業、開發用例及應用、建設公共基礎設施以及促進國内外投資合作的項目。

2.加強與盟國和夥伴的技術合作。美國已經在量子技術及其實施方面與盟國合作，并應就量子技術的政策和标準達成适當的協定。美國還應該與盟國一起制定技術轉讓的共同政策，不合時宜或設計糟糕的技術轉讓限制将通過切斷與全球量子研究社群的聯系，扼殺量子應用的商業市場和企業家進入量子市場的意願，來減緩美國的發展。

3.加速向PQC的過渡，以保持在量子計算機的預計時間線上。從DES到AES的過渡用了将近10年的時間，由于密碼系統可能不出10年就容易受到量子計算機的攻擊，現在未能計劃過渡到PQC可能會造成異常嚴重的破壞。

4.使用聯邦資金增加研究人員獲得量子即服務的機會。美國能源部的科技量子使用者擴充計劃是一個良好的開端，可以擴充到包括盟友。量子計算有很大的不同，增加的通路将提供必要的經驗和創新。

5.制定标準和法規，以確定量子技術的安全和負責任的開發和部署。這包括建立量子技術的性能和可靠性标準，以及管理其使用的法規。

6.金融、交通、能源和電信等關鍵行業的技術。這可以通過使用AUKUS、美國-歐盟貿易和技術委員會以及其他機制與盟友和夥伴合作來實作。

7.審查現有的知識産權規則和條例，以将其應用于量子計算世界。量子計算可能會給知識産權保護帶來重大挑戰，因為快速處理大量資料的能力可能會導緻新藥、材料和其他科學突破的快速發現。

投資量子技能和勞動力。政府、學術機構和企業需要在教育和勞動力項目上投資，為個人提供在這個激動人心和快速發展的領域工作所需的技能和知識。随着量子産業的持續增長，對技術勞工的需求将會很大。

本報告來源于國外智庫機構研究，僅代作者觀點，不代表中咨智庫立場。供研究參考！

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