量子技术到底有哪些突破值得重点关注？

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发布于: 2020 年 06 月 11 日

2019 年 6 月，美国国防分析研究所（IDA）发布了一份关于量子技术的研究报告，标题为《量子科学技术现状概述和给国防部的建议》（Overview of the Status of Quantum Science and Technology and Recommendations for the DoD），报告全文共 77 页。为便于大家了解更多关于量子技术发展及影响力的资讯，同时为感兴趣的读者增加一个了解美国量子技术战略思维的角度，笔者将该报告的摘要译出，以飨读者。限于水平，译文中不准确或错谬之处，欢迎批评指出。

介绍

在过去几十年里，量子科学和技术已经成为全球范围内备受关注的领域，并因此获得了可观的投资。国防部研究与工程副部长办公室的基础研究室要求 IDA 对量子技术展开概述研究，以确定国防部应该将资金用于该领域的哪些方向，并确保美国和国防部在这个关键科技领域能继续保持目前的优势。我们分析了量子技术的多个子领域，这些领域可能会改变我们感知、交流和计算的方式。这份报告聚焦于量子传感与计量、量子通信和量子计算，并涵盖了国防部应该重点投资的方向，以确保美国不会因这一领域意料之外的技术突破而成为受害者。为了得出下述结论，我们查阅了多个研究出版物和引文数据库，以确定该领域有哪些顶尖研究人员以及这些顶尖研究是在哪里进行的。此外，报告作者也查阅了大量资料，包括一些早期研究、最新的新闻稿和科学出版物，从而对量子领域有更广泛的了解，并确定哪些量子研究领域对于国防部的未来至关重要。

结论

量子传感和计量

对于很多领域，如磁场、电场、光子、电磁场，量子传感器可以做到比传统传感器更高精度的感知和测量。此外，使用具有单个和多个量子位的量子系统，可以更精确地测量时间、位置和加速度。业界在这个方向上已经提出了许多重要的应用，但尚未看到可靠的实际演示（如量子雷达）。尽管这绝对是量子科学和技术极具增长潜力的领域，但国防部需要清楚地了解其潜在能力及可能产生的影响。我们认为，这些技术预计不会在现有技术水平之上出现破坏性变化。因此，中国在这一领域的崛起预计将不会导致美国处于任何可怕的战略劣势。尽管在许多不同的任务中，先进的量子传感器可以在尺寸、重量、功率和性能方面提供显著改进，但未来中国和其他国家在该领域的进展预计不会导致所谓的“量子惊奇”（Quantum Surprise）。

量子密码学与通信

量子密钥分发（QKD）和使用量子中继器实现量子通信/量子隐形传态一直是非常活跃的研究和开发领域，起始于 Bennett 和 Brassard（BB84）的标志性工作，以及 Blatt 在 2004 年进行的原子级别量子隐形传态的实验演示。这个方向已经相当成熟，有多家公司正在生产可用于公里级距离内量子密钥分发的硬件。中国是量子密钥分发技术的主导者，其实现并展示了基于卫星链路的量子密钥分发。但是，量子密钥分发固有的一些挑战目前阻碍了其在实际应用中的使用。如果能克服这些挑战可能会被认为达成了“量子飞跃”，但实际上，要实现通信安全，还有一些非量子的替代方案，QKD 并非唯一选择。暂无太多激励推动政府继续支持这项技术。

量子计算

鉴于用依赖质因数分解的加密方法来确保通信安全十分常见，如果能快速开发出可以实现秀尔算法（Shor's algorithm）完成大整数质因数分解的可用的量子计算机，那就极有可能构成真正的“量子惊奇”（Quantum Surprise）。这种特殊的关注在业界众所周知，并且也受到情报界的密切关注。但其他同样有突破潜力且可能值得国防部特别关注的方向还不明确。迄今为止，在文献中仅发现了少数几个利基问题，在这些问题上容错量子计算提供了优于传统方法的明显优势。随着研究人员在嘈杂中型量子（NISQ）计算机上获取更多经验，这种情况可能会随着时间而改变，国防部应该对这一领域保持关注。但是，除了对加密的潜在影响外，中国和其他国家在该领域的崛起没有明显的战略意义。

建议

总而言之，我们建议国防部继续为量子信息提供支持，并有针对性地大力支持那些已经确定对国防部很重要的应用或预计将发挥关键作用的领域。我们认为有一些特定领域尤其重要：精确导航（时间和位置），磁场、电场和电磁场感测，以及开发嘈杂中型和大型量子处理器（通过大量验证可以找出它们到底能解决哪些传统处理器很难或不可能解决的问题）。

量子传感是一个相对成熟的领域，可以在短期内（即不到 5 年）实现可部署的功能。考虑到这一潜力，我们建议国防部努力推动该技术走出实验室，并开始详细研究潜在的应用案例，最终短期目标是完成原型的测试和部署。
不建议将量子通信作为国防部的优先关注项。如果只考虑量子密钥分发（QKD），基于它当前存在的挑战和替代方法的可用性，尚不清楚这一领域是否有足够大的价值。但考虑到其他国家，尤其是中国，似乎在这一领域投入了大量资金，因此谨慎地监控量子密钥分发（QKD）领域的进展不失为明智的选择。
国防部必须做好在量子计算中发挥重要作用的准备，尤其是在整个 NISQ 过渡阶段（十年左右），因为量子计算是一项足以打破力量平衡的技术。
国防部的短期投资决策应基于量子计算和模拟的战略重要性，而不是仅仅关注那些能直接带来新的军事能力或改善的应用。目前，尽管进行了 30 多年的量子计算算法研究，但这类因公对于 DoD 的作用尚不明确。
对基于工程和基准的实用量子计算有扎实的理解，以改进对基于算法复杂性的量子计算机优势的争论的初步分析。
不要投资其他量子计算方法。鉴于模拟量子计算有限的应用、与可伸缩性有关的基本问题以及量子计算方法范围内的分工，很难保证国防部对模拟量子计算所做的投资是有意义的。 IARPA 的量子增强优化工作正在探索上述提到的问题，其结果和结论在接下来几年内将提供足够的信息，以重新评估这个建议的合理性。
量子计算和模拟将带来长期的战略性影响。因意外的技术突破给军事能力带来影响的可能性很小。避免意外的最佳方法是对量子计算的发展保持长期关注和投入。