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          智库建议

          量子技术未来发展应用和影响建议
          发布日期:2023-06-06 信息来源:中咨智库 访问次数: 字号:[ ]

          5月23日,美国战略与国际问题研究中心(CSIS)发布James Andrew Lewis和Georgia Wood撰写的文章《量子技术的应用和影响》,评估了量子技术在众多领域的不同应用以及优劣势,并进一步分析了量子技术未来的发展路径,为此提出了七点政策建议。

          引言

          量子物理学是在最基本的层面上研究物质和能量,量子技术利用量子物理学确定的特性,在计算、通信和传感方面提供新的能力。

          虽然量子现象已经被研究了几十年,但是基于这些现象的重要技术直到最近才出现。其中一些技术将为商业和国家安全带来巨大优势。其他的会给加密行动带来新的风险。这使得量子技术成为政策制定的一个重要话题,以及美国及其盟友之间合作的一个重要领域。本文旨在向普通读者介绍这一主题,着眼于关键的量子技术、部署时间表和量子创新的国家政策。

          量子物理学的原理可能令人费解,而且往往违反直觉,像“幽灵”或“纠缠”这样的术语经常被用来描述量子物理学的工作原理。虽然对这些原则的基本理解对于评估进展和潜力很重要,但是眼前的政策问题是如何加速研究,如何开发新的量子技术,以及如何利用和防范这些技术的不同应用。

          全球十几个国家的大学、政府实验室和公司都在进行量子研究。研究和服务的基础设施包括量子计算机及其使用的专用芯片、新型传感器、量子通信设备和独特的软件,量子计算所需的软件与常规计算软件有很大不同。量子不仅仅可用于计算,还可以应用于传感、加密和通信。提供量子技术和服务的公司数量正在迅速增长。一些量子应用,如传感,将在量子计算机之前进入广泛使用,还有一些量子应用比其他技术更接近商业化。

          01

          量子计算

          量子计算通常是最受关注的应用,使用量子物理以经典计算机无法达到的速度解决问题。量子计算的基础是“量子比特”(quantum bit的简称),传统计算机使用“位”,它可以代表“1”或“0”。相比之下,量子位可以同时代表1、0或两者之间的任何值。这种特性(称为“叠加”)允许量子计算机同时并行执行许多操作,计算速度比经典计算机快数百万倍。

          这将使量子计算成为所有科学的一个特殊的新研究工具。量子计算将改善数据分析,并加快研究和商业机器学习算法的性能。而金融服务公司正在投资量子计算,因为它可以让他们在制定投资决策时获得优势,更好地计算市场风险。量子计算的安全应用包括能够“破解”安全加密,执行复杂的模拟,并允许分析大规模数据集,以改进威胁检测和决策。

          量子计算需要不同于传统半导体的特殊芯片(尽管有研究正在进行中,允许使用现在用于传统硅基芯片的先进技术来制造量子芯片)。这些特殊的芯片使量子计算机速度更快、功能更强。量子芯片成本高昂(一量子位估计需要花费一万美元,相比之下,传统芯片的价格不到200美元),而且它们需要大量专门的支持设备。第一个量子芯片是由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2009年制造的,现在正在竞相开发使用多个量子芯片的计算机。芯片越多,芯片上的量子位越多,数据的处理速度就越快。最大的量子处理器现在有几百个量子位。

          这场角逐引发了各种各样追求“量子至上”的竞赛,量子计算机可以完成传统计算机无法完成的计算。对于量子优势是否已经实现存在争议,但它是识别性能的一个有用的初始阈值。

          量子计算的一个障碍是需要改进量子位,使它们不容易因“噪音”而产生计算错误,噪音可能是无线电信号,也可能是地球磁场,屏蔽量子芯片的噪音有所帮助。噪声问题的另一个解决方案是创建可以修复量子位错误的纠错软件。量子芯片本身需要简化,以允许每个芯片包含多个量子位,而不需要现在所需的复杂布线,因为纠错需要同时使用多个量子位的能力。虽然一些专家认为这些问题是无法解决的,但其他人更有信心,进一步的研究可以在未来10到15年内克服这些问题。

          尽管如此,量子计算现在仍在使用(主要用于研究)。鉴于需要专门的支持设备和量子位的脆弱性,目前在每张桌子上安装一台量子计算机是不可行的。然而,支持互联网的计算机可以允许研究人员使用量子计算能力,而不需要物理访问,这也被称为“量子服务”。由于量子计算机复杂、维护成本高且价格昂贵,量子服务允许研究人员和公司访问由另一家公司拥有、操作和维护的量子计算机——通常使用云服务或通过互联网——而无需硬件。量子服务已经被大学和一些国家项目(如德国)进行研究。

          02

          量子技术对密码学和通信的影响

          密码学是使用复杂的数学公式对数据进行编码并使其在被解码之前不可读的过程。加密广泛应用于在线商务、金融和国家安全系统。速度更快的量子计算机将能够执行计算,快速解密一度被认为安全的信息。他们还将拥有以比传统计算机更快的速度解决复杂数学方程的能力,使它们能够“打破”加密,对现有的软件和服务构成新的威胁。

          任何使用在商业应用中广泛发现的公钥加密系统都将被易受攻击的量子计算机解密。虽然现在这是不可能的,但许多国家都在追求这种能力,正在收集和存储加密数据,以便在量子计算机可用时解密。这种“现在存储,以后解密”的威胁尤其令人担忧,因为一些美国政府的敏感数据可能会保留几十年。

          考虑到这些风险,NIST领导了一个创建后量子密码术(PQC)的进程。PQC算法将为商业上可用的抗量子密码术提供基础。它们有望在2024年实现标准化。转换到PQC将不是第一次实施加密标准的变化。1977年,美国国家标准局(NBS)更新了数据加密标准(DES),但到了20世纪90年代末,研究人员能够破解 DES加密,这促使NIST研发了 2001年的高级加密标准(AES)。该经验表明,改变加密标准是一个漫长的过程,因为必须创建基于该标准的新产品,然后在整个经济中部署,类似的过程将塑造PQC过渡。

          PQC的实施也面临进一步的障碍。最有可能被采用的PQC算法具有不同的技术属性,包括不同的密钥长度和处理时间。这些特性使得PQC的实现比以前从DES到AES的过渡更加广泛。NIST预测,如果没有大规模的实施规划,可能需要几十年的时间,大多数易受攻击的公钥系统才会整合PQC。国家安全局建议转向NIST的后量子密码算法(一旦它们被标准化)作为抵御解密威胁的最佳方式。

          03

          量子通信

          量子通信应用量子物理的特性来提供更好的安全性和改进的长距离通信。量子通信为安全性提供了两个优势。首先,在传统的数字通信中,使用密钥对消息进行加密和解密,并以经典比特(0或1)的形式传输。量子密钥分发(QKD)允许创建使用量子位编码和传输的加密密钥,使它们更难破解。

          第二,量子位极其敏感。任何破坏它们的企图,甚至只是观察它们,都会迫使量子位元崩溃。这意味着,如果外部观察者试图拦截或监控使用QKD的通信,他们的活动将立即被消息接收者注意到。因此,量子通信有可能保护传输的数据,并使窃听者很难逃避检测。

          量子通信技术的广泛应用仍需数年时间。QKD已经论证通过光缆、无线电和卫星中继。然而,光纤只能在很短的距离内传输QKD,而且空对地的演示已经成功了。每种媒介都需要开发额外的技术,才能在商业上可行。

          中国尝试利用像Micius通信卫星这样的项目来开发量子交流。中国在2016年推出了Micius,并报告称在2017年实现了世界上首个量子加密电话会议。然而,卫星本身存在安全问题。2020年,中国研究人员宣布他们已经解决了这些问题,更多地依靠安全的地面技术与卫星合作,并表示他们的新方法将QKD的安全性提高到了“前所未有的水平”。

          04

          量子传感

          量子传感允许极其精确的测量。该技术可以在单个原子的水平上捕捉高分辨率和高灵敏度的测量,从而大大提高精确度。量子传感技术具有广泛的应用,包括医疗保健和医学研究、环境监测、建筑、能源、导航和国防。它们能抵抗电磁干扰和干扰。与传统传感器相比,它们的测量更灵敏、更精确,可靠性更高。

          量子传感提供了更精确和安全导航的可能性。重要的民用、商用和军用系统依赖GPS及其提供的精确导航和定时(PNT)数据。GPS通常是许多关键基础设施系统(包括金融和电力)的PNT数据的唯一来源,这使它们成为GPS干扰的潜在目标。使用量子传感可以消除这些弱点,量子传感还允许在不使用GPS的情况下进行高精度导航。与GPS不同,量子导航不依赖外部信号,这使得它能够抵抗干扰。量子传感器可以测量地球的引力和磁场,以检测运动和电磁脉冲的微小变化。灵敏的重力仪(测量地球重力场的仪器)和磁力计可以测量异常并将其与现有数据进行比较,从而无需卫星通信即可实现精确导航。

          鉴于必要传感器的复杂性和精密校准,实现可靠的量子导航有几个障碍。这些包括需要更低的成本、更小的尺寸和重量,以及改进的功率元件。小型化也带来了挑战,因为小型化传感器平台往往会降低其灵敏度,增加了有效应用的障碍。

          量子传感对情报、监视和侦察能力也有影响。美国陆军研究实验室开发了一种被称为“重影图像”的技术,它利用光的量子特性,通过微弱的照明光束来探测远处的物体。这些光束能够穿透大气条件,并且在许多情况下弱到足以避免被成像目标探测到,这使其能以潜在的有用工具进行秘密行动。另一个技术被称为量子照明,可以提高量子雷达的隐形探测能力。这种技术被认为能够获得比非量子传感器更高的信噪比,非常适合在高噪声背景下检测低反射率目标,如飞行中的隐形轰炸机。

          生物医学研究提供了进一步独特的机会用于量子传感。测量大脑、心脏或其他器官的电磁场以研究医学治疗效果的能力可以导致更有效的药物开发和一些疾病的潜在疗法。量子传感器将允许研究人员从患者大脑的电磁场中获得数据,这些数据可以与健康大脑进行比较,使他们能够更好地了解某些药物的影响。

          量子传感也可用于医学诊断成像。一个例子是,传统的传感设备对儿童无效,因为它们的体积通常太大,并且要求对象在扫描期间保持静止。然而,量子传感的突破可能会改变这种情况,因为它能够检测和诊断,而不需要患者保持静止。一些量子设备已经被部署在医院里。

          05

          量子技术时间线

          在讨论量子技术时,一个经常出现的问题是:“多快能实现?”怀疑论者说量子技术离实现还有几十年的时间,这种怀疑是错误的。

          首先,考虑到数据科学和计算工具,过去十年创新的步伐加快了目前可用于协助研究和开发。其次,量程的到达时间因应用程序而异。一些传感器技术接近商业部署,而高性能量子计算应用可能还需要几年时间。重要的是要明白,虽然计算、传感和通信应用都利用量子科学,但它们是具有不同时间表的不同技术。

          当谈到量子计算时,性能超过传统计算机的强大技术还需要十多年的时间,但不太密集的计算应用程序现在已经开始使用。量子计算机是计算领域最敏感的应用之一,使用量子计算机进行解密也可能需要数年时间才能部署。至于量子通信,相关技术仍处于开发阶段。美国政府问责办公室估计QKD的光纤还需要十年才能成熟,而卫星QKD通信可能会更快实现。相比之下,一些用于生物医学研究、建筑或增强成像的量子传感应用已经商业化,或者(如导航)将在几年内实现。

          06

          量子研究是全球性的

          即使在量子计算机完全部署之前,量子技术也拥有巨大的全球创新潜力。许多国家已经认识到量子技术的潜力,并正在投资发展计算、通信和传感能力,这包括政府和私营部门的研究投资。量子技术仍然是研究密集型的,领先的科技大国正在花费数亿美元来资助研发。截至2022年,全球九个国家和欧盟已经宣布在量子计划上花费超过300亿美元,美国私营部门的花费超过许多国家。

          政府可以通过国家R&D计划和配套资金鼓励量子技术。近年来,美国、中国、英国、加拿大和其他国家建立了各种各样的量子研究国家战略。

          随着量子应用的发展,决策者将需要确定如何最好地促进进一步的研究,创造全球市场,并利用量子技术提供的商业和安全优势。量子技术的一个直接政策问题是技术转移。出口管制是拜登政府对华政策的一项重要工具。

          白宫希望通过限制合作进入供应链来减缓中国在关键技术上的进步。政府正在探索对新兴技术的控制,包括量子技术。有人担心美国在量子科学方面的进步可能会提高中国的军事能力,为此美国商务部在将三个中国组织列入2021年实体列表。

          然而,也有人担心量子技术还处于早期阶段,无法在不损害创新的情况下实施限制。兰德公司最近的一次报告分析了美国和中国在量子技术方面的工业基础,并得出结论:“出口管制将过早地限制科学思想的交流,减缓技术进步。”分析指出了全球量子“生态系统”在早期发展阶段,出口管制对小型初创企业的有害影响,以及缺乏监管清晰度的潜在损害。

          虽然美国应该限制竞争对手获得量子技术,但它也需要扩大与合作伙伴的合作。在量子领域进行合作的承诺与Quad和AUKUS等倡议相关联。同样重要的是,美国需要建立一个量子应用的全球市场,以激励私营部门的发展和创新。总的来说,对超出中国范围的技术转让采取过度限制性的方法,使其难以与研究伙伴合作或为量子技术开发新市场,这对美国的量子努力弊大于利——正如早期卫星和加密控制的经验所表明的那样,过度扩张的出口控制损害了美国的科技公司。

          07

          向前迈进

          量子技术将创造巨大的机会,重塑研究、商业和安全,并加速创新。有七大政策建议:

          1.增加对研究的支持。这不仅仅可以通过额外的资金来实现。支持也可以采取税收激励和相关市场支持性监管的形式,如自动驾驶汽车。这种支持应该包括基础研究资金,也包括培育初创企业、开发用例及应用、建设公共基础设施以及促进国内外投资合作的项目。

          2.加强与盟国和伙伴的技术合作。美国已经在量子技术及其实施方面与盟国合作,并应就量子技术的政策和标准达成适当的协议。美国还应该与盟国一起制定技术转让的共同政策,不合时宜或设计糟糕的技术转让限制将通过切断与全球量子研究社区的联系,扼杀量子应用的商业市场和企业家进入量子市场的意愿,来减缓美国的发展。

          3.加速向PQC的过渡,以保持在量子计算机的预计时间线上。从DES到AES的过渡用了将近10年的时间,由于密码系统可能不出10年就容易受到量子计算机的攻击,现在未能计划过渡到PQC可能会造成异常严重的破坏。

          4.使用联邦资金增加研究人员获得量子即服务的机会。美国能源部的科技量子用户扩展计划是一个良好的开端,可以扩展到包括盟友。量子计算有很大的不同,增加的访问将提供必要的经验和创新。

          5.制定标准和法规,以确保量子技术的安全和负责任的开发和部署。这包括建立量子技术的性能和可靠性标准,以及管理其使用的法规。

          6.金融、交通、能源和电信等关键行业的技术。这可以通过使用AUKUS、美国-欧盟贸易和技术委员会以及其他机制与盟友和伙伴合作来实现。

          7.审查现有的知识产权规则和条例,以将其应用于量子计算世界。量子计算可能会给知识产权保护带来重大挑战,因为快速处理大量数据的能力可能会导致新药、材料和其他科学突破的快速发现。

          投资量子技能和劳动力。政府、学术机构和企业需要在教育和劳动力项目上投资,为个人提供在这个激动人心和快速发展的领域工作所需的技能和知识。随着量子产业的持续增长,对技术工人的需求将会很大。




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