量子技術的商業和軍事應用及其時間軸_SNR

本報告是蘭德公司一組簡短分析報告之一，這些分析報告主要針對關鍵的新興技術，并對其在世界各地的發展提供了看法。這些分析涵蓋了量子技術、提高人類性能的技術、半導體、人工智能和網絡安全的交叉點、深度造假的產生和檢測，以及使用專利數據來協助理解新興技術的全球趨勢。本報告的重點是量子技術。本報告簡短的技術分析從公開資料中獲得，以提供技術現狀的概覽，合理的演變，以及正在研究該技術的思想領袖、公司、研究所和國家。報告相關研究在2020年7月完成，并在公開發布前經過了美國國防部的安全審查。

報告全文約15000字，篇幅所限，推送部分為節選。

量子力學是描述微觀粒子行為的物理學領域。在小于幾納米的距離尺度上，根本性的新物理效應變得很重要，這與人類的日常經驗沒有可比性。工程師們現在開始能夠創造若干種利用這些效應的設備，以便遠遠超過現有設備的能力。

量子技術是一個廣泛的總括術語，涵蓋了這些類型的設備，其中許多仍處于早期實驗階段。量子技術通常被歸為三大類：量子傳感、量子通信和量子計算。量子傳感最接近商業部署，但潛在的顛覆性影響最小；而量子計算距離商業部署最遠，但潛在的顛覆性影響最大。

本報告簡要介紹了量子技術在這些領域的現狀和前景。1它還考慮了未來幾年可能的商業前景，主要的國際參與者，以及這些新興技術的潛在安全影響。

表1給出了量子技術的領域，它們的應用、預測的時間軸，以及目前國家技術領導者的摘要。

表1.量子技術領域摘要

量子技術概述

本章概述了量子技術三大類中每一類的潛在用途：量子傳感、量子通信和量子計算。

量子傳感

量子傳感和計量學）指的是使用量子力學來構建極其精確的傳感器能力，該應用被認為是最接近于商業潛力的量子技術。

公告 | 量子鏈Qtum發布了最新的2020年技術路線圖:量子鏈Qtum發布了最新的2020年技術路線圖，包含離線 Staking、Qtum Phantom 隱私解決方案和 Qtum Neutron 虛擬機架構三大更新。[2020/1/16]

時間的精確測量；加速度；以及電場、磁場和重力場

量子傳感技術的一種應用包括能夠對經過的時間、加速度或電場、磁場或重力場進行高度敏感測量的探頭。高度精確的時鐘可以有商業應用，如驗證高頻金融交易和動態調節智能電網。敏感的重力計可用于地震和火山爆發的地震學預測，用于石油和天然氣儲量的地下勘探，或用于評估主要建筑項目下方的地面穩固性，而無需挖掘鉆孔。2制造汽車零部件和其他精密工業技術的德國博世公司正在研究將量子加速計納入汽車，特別是自動駕駛汽車的可能性。量子磁力計也可以在生物醫學上應用——例如用于改進磁共振成像和正電子發射斷層掃描掃描儀。

量子傳感的另一種應用，主要是在軍事方面，在GPS無法使用的環境中進行導航。地球的引力場和磁場有微小的變化，被稱為異常點，這些異常在不同的地方也不同。敏感的重力計或磁力計可以精確地測量當地的場，并與這些異常的地圖進行比較，從而在不需要任何外部通信的情況下進行導航。同樣，改進的加速度計可以實現獨立的慣性導航系統。英國的一位國防實驗室研究人員估計，這些定位、導航和授時的量子技術應用可以使潛水艇固定其位置的精確度比目前可能的高1000倍。由于這種導航技術完全基于操作車輛內部的場，它不需要外部通信，不能被截獲，而且極難被干擾。然而，磁場導航的一個缺點是，需要提前繪制出預導航區域內的磁場，這在被拒止的地區可能是一個挑戰。

量子成像

另一類量子傳感被稱為量子成像，其中包括對可見光和射頻輻射的檢測。其中兩個最有前途的應用被稱為幽靈成像和量子照明。

1.幽靈成像

幽靈成像利用光的獨特量子特性，使用非常微弱的照明光束來探測遠處的物體，被成像的目標很難發現。幽靈成像光束也可以穿透大氣中的遮蔽物，如煙霧和云層。開發該技術的美國陸軍研究實驗室的研究人員建議將幽靈成像用于從地面、無人駕駛飛行器或衛星的長距離情報、監視和偵察。除了明確的軍事應用外，穿透煙霧和云層的能力對于天氣監測或災難響應也很有用。這項技術在穿過煙霧或強烈的大氣湍流時可能特別有效，并且已經公開演示了2.33千米的距離。圖1描述了早期在1千米距離上的演示結果。

聲音 | 德克薩斯大學量子理論家：谷歌量子計算可改善PoS技術:德克薩斯大學奧斯汀分校的量子理論家Scott Aaronson于10月23日對《財富》雜志表示，谷歌量子計算可以緩解PoS懷疑論者的懷疑，因為量子至上性實驗可以產生可證明的隨機數。Aaronson此前在個人博客中寫道，反過來，這可能適用于PoS加密貨幣和其他加密協議。我希望不久的將來會發現更多這樣的應用。[2019/10/24]

2015年相關專業人士曾討論過使用幽靈成像進行秘密行動的可能性。幽靈成像可以提供比標準成像更高的分辨率，特別是在非常低的光線環境下，所以即使光束比標準成像所需的弱得多，照明光束仍然可以產生一個可見的圖像；因此，光束很難被目標發現。3此外，即使信號光束被檢測到，編碼圖像也不能被截獲，因為重建圖像所需的一些信息被儲存在幽靈成像裝置內。

圖1位于窗口1千米以外的照相機對兩張汽車牌照的幽靈成像示意圖和顯示了來自幽靈成像裝置的圖像；圖顯示了由傳統相機拍攝的圖像。為了節省空間，原圖中的一些圖像已被刪除。圖和的左下角的字符是一個漢字。）

2.量子照明

量子照明在概念上與幽靈成像相似，但可以提供更大的靈敏度改進。Tan等人在2008年用數學方法證明，量子照明裝置可以達到的信噪比比不利用量子力學的理論上可能的最佳裝置高6dB。4這項技術的一個用例是軍事應用的量子雷達。從理論上講，量子雷達對于探測高噪聲背景下的低反射率目標應該是獨特有效的，所以它對于探測隱身飛機特別有效。信噪比提高6分貝，相當于雷達的最大探測范圍增加41%。5此外，原則上，量子雷達可以具備信號極難被攔截或干擾的能力。6

公開文獻中還沒有大規模量子照明雷達的報道，但已經有桌面原型的演示。一個這樣的原型成功地展示了比非量子設備可能更高的信噪比。7

與幽靈成像一樣，量子照明的增強靈敏度可以允許使用比一般情況下更弱的信號束。因此，量子照明也可以應用于生物醫學成像，在這種情況下，傳統成像設備的強信號束會損害被研究的組織。

聲音 | 華為區塊鏈總監：2020年量子計算會促進區塊鏈加密學 提升區塊鏈安全性:據中國新聞網報道，26日在重慶舉行的2019中國(重慶)區塊鏈與大數據智能化研討會上，華為區塊鏈項目總監張小軍表示，多國對區塊鏈態度積極。區塊鏈當前技術中存在的產業問題是技術標準化不足，不同的區塊鏈技術之間無法實現互聯網互通。2018年至2020年是區塊鏈技術最主要的3年，標準決定區塊鏈產業節奏的快慢。國際標準在圍繞區塊鏈的框架性標準和垂直行業標準推進。區塊鏈不以技術為重心，而以合適的場景為其價值的根本。區塊鏈的場景重點瞄準在追溯、身份認證、數據交易、供應鏈管理領域。2019年，區塊鏈與其他技術的融合將加速，如用人工智能檢測數據，解決區塊鏈上鏈數據真偽問題。2020年，量子計算會促進區塊鏈加密學，提升區塊鏈安全性。[2019/2/26]

即使是量子雷達的理論設計也仍然處于極其早期的階段，直到最近，量子雷達只能夠改善對目標距離收發器的測量，而不能改善目標的方向。然而，2020年的一篇科學論文改進了理論設計，能夠同時改善對目標的范圍和方向的確定。當然，即使有了這種新的設計，也沒有辦法跟蹤目標的速度或運動方向，因為現有的雷達可以通過多普勒效應來實現。因此，如果在設計上沒有重大進展，量子雷達的軍事用途仍然有限。

量子通信

量子通信技術近期的主要應用是防止竊聽者，主要是通過一種被稱為量子密鑰分配的方法。在量子密鑰分配中，加密密鑰以被稱為光子的量子粒子的形式在通信雙方之間進行傳輸。由于這些粒子的量子性質，任何攔截它們的竊聽者原則上都會在數據流本身留下簽名；如果協議實施得當，那么在物理上不可能觀察到光子，從而也無法對它們進行某種修改。如果通信雙方交換一個未被破壞的加密密鑰，那么就可以保證沒有人截獲他們的密鑰傳輸，從而沒有人可以解密相應的加密數據。由于這個原因，量子安全通信有時被稱為“不可破解”。

然而，這個術語過度簡化了量子密鑰分配的安全性。在實踐中，有一些技術上的細微差別會導致漏洞，而且量子密鑰分配的商業實現已經被反復證明有安全漏洞。此外，即使通信信道對物理攔截的脆弱性得到保障，信號仍然需要由容易受到黑客攻擊的計算機在端點進行編碼和解碼，因此保障數據流免受物理攔截并不足以確保通信安全。

聲音 | 眼鏡蛇Cobra評論V神：籌資制造量子計算機挖掘比特幣是騙子行為:比特幣官方論壇Bitcoin.org持有人Cobra評論V神稱，你的預估能力沒有問題，你只是在說謊，你一直就知道制造出挖掘比特幣的量子計算機的可能性為0%，但你為了錢騙了大家。此前，Cobra評論V神稱，你和Craig Wright的共同點在于你們都是騙子和技術人員。你正在籌錢建造一臺挖掘比特幣的量子計算機，但這幾乎是不可能完成的。稍后V神回復，我認為這個項目有大約1-10%的成功機會，所以并不是沒有成功的可能，如果成功，它將產生的巨大的影響是值得投入資源的。后來我意識到我對該項目的估計過高了，我被騙了。[2018/11/13]

量子密鑰分配已經在三種不同的物理通信渠道上進行了演示：光纜、露天和衛星。光纖電纜是最常見的媒介，但傳輸端點必須固定，而且光子在衰減前只能傳播幾百千米。通過自由空間的傳輸允許可移動的端點，但它需要直接的視線傳輸，而大氣干擾目前限制了最大距離，甚至更短的距離。82017年和2018年，中國的量子衛星“墨子”號從太空發射光子流，對中國和奧地利之間75分鐘的電話會議進行了完全安全的加密，這是對量子密鑰分配更引人注目的演示。到目前為止，“墨子”號是唯一一顆從太空展示量子密鑰分配的衛星。

今天，通過光纖電纜的量子密鑰分配已經有了有限的商業應用。一家名為IDQuantique的瑞士公司已經在荷蘭電信數據中心之間、瑞士銀行之間以及瑞士政府選舉中心之間建立了量子密鑰分配。中國已經建立了一個連接北京和上海的廣泛網絡，并且在2020年，日本東芝公司的研究人員通過量子密鑰分配傳輸數百GB的人類基因組數據，創造了新的數據傳輸記錄。

量子計算

量子計算是最廣為人知的量子技術，但也可能是距離實際運用最遠的一種技術。原則上，量子計算機可以比標準計算機從根本上更快地進行某些計算——以至于某些在標準計算機上完全不可行的問題在量子計算機上可能變得可行。盡管如此，針對具體應用的已知算法卻少得令人驚訝。事實上，有許多計算問題，預計量子計算機不會比經典計算機有任何明顯的改進。9此外，建造一個有用的量子計算機面臨巨大的工程挑戰，而且今天只存在小規模的原型。

金色財經現場報道 量子比特幣創始人張建國：區塊鏈應用較為成熟的領域為跨境支付:金色財經現場報道，在4月3日舉辦的2018年世界區塊鏈峰會現場，量子比特幣創始人張建國表示：“區塊鏈應用目前比較成熟的就是我們的跨境支付，還有我們的金融，這兩個領域。另外就是包括后期的物聯網、人工智能，這些領域可能結合區塊鏈技術，得到首先的落地應用。后期可能隨著我們相應的區塊鏈的一些底層的技術的開發和成熟，達到商用的價值的時候，那么在這個基礎上，我們會有更多的分布式的應用，我們叫做DAPP，那這樣的話，有底層技術的支持，可能會做出更多的DAPP的商用的一些區塊鏈的產品，投放到市場，轉化成商業價值，服務于大眾，它是這么樣的一個過程。”[2018/4/3]

兩個最重要的量子算法是舒爾算法和格羅夫算法。舒爾算法可以用來對大數進行因式分解，其速度比任何已知的經典算法都要快。10幾乎所有用于保護互聯網流量的公鑰加密算法都依賴于因式分解和類似計算的計算難度。11因此，舒爾的主要應用是對通過公開渠道傳輸的敏感信息進行解密，這對在線商業和國家安全有明顯的影響。舒爾也可以用來破壞大多數區塊鏈協議的安全性，包括比特幣的協議。目前，已經有人提出了對量子攻擊安全的區塊鏈設計。

格羅夫算法提高了大型數據庫粗暴搜索的速度，也提高了數值優化的速度。12然而，格羅夫算法的速度提升遠沒有舒爾算法那么顯著。舒爾算法比最著名的經典算法有指數級的提速，而格羅夫的算法只給出了平方根的提速。13此外，這個速度已經在數學上被證明是粗暴搜索的最佳速度；沒有任何可能的量子算法可以提供更好的速度。然而，即使在數據庫搜索和數值優化方面有適度的改進，也可以在許多需要高性能計算的領域有重大應用，如工程和基礎科學。一個非常不完整的潛在應用清單包括物流、供應鏈優化、交付路線、財務管理和復雜物理系統的建模。

第三種主要的算法被稱為Harrow-Hassidim-Lloyd，該算法是最近發現的，其重要性仍然是一個積極研究的領域。HHL算法可以有效地進行某些線性代數計算，這有可能大大改善人工智能中使用的機器學習算法。HHL算法的發現引發了最近量子計算機可能應用于機器學習的研究熱潮，但許多專家仍然懷疑量子計算機是否會在這個領域提供巨大的改進。

量子計算機最后一個鮮為人知的潛在應用是對先進材料和生物化學的科學模擬，包括藥物發現和碳捕獲。由于量子力學效應解釋了這些材料的基礎物理學原理，使用量子力學的計算機是獨特的，非常適合對其進行計算模擬。為了給潛在的經濟效益提供一個規模感，相關專家在2017年曾給出了一個詳細的理論建議，即使用一個中等規模的量子計算機來提高工業氨生產的哈伯-博世工藝的效率，目前該工藝消耗了世界能源生產的2%。即使這個過程的效率只有一小部分的提高，也可以每年節省數十億美元。

ThisresearchwascompletedinJuly2020.

TheenvironmentalconsultingfirmRSKhasestimatedthatuptoone-thirdofmajorconstructionprojectsexperiencemajordelaysbecauseofunexpectedundergroundconditions.

However,becauseoftheverylowlightlevels,thetabletopdemonstrationsdescribedinthesearticlesrequiredverylongexposuretimesof30secondsto30minutesforhighimagequality,whichmightlimittheutilityofthistechniqueforimagingmovingtargets.However,practicalapplicationsmightusehigherilluminationlevels,whichwoulddecreasetherequiredexposuretimeatthecostofanincreaseindetectability.Low-illuminationghostimaginghasbeendemonstratedatbothvisiblelightandinfraredwavelengths.

However,oneimportantcaveatisthatthebestcurrentlyknownreceiverdesigncanattainonly3dBofthistheoretical6dBimprovement.

A6dBimprovementinSNRcorrespondstoamultiplicationofSNRbyafactorof4.BecausetheradarrangeequationgivesthatSNRscalesasthefourthpowerofthemaximumradarrange,afourfoldimprovementinSNRchangesthemaximumradarrangebyafactorof41/4≈1.41,a41-percentimprovement.

Aswithquantumradar,someoftheinformationrequiredtoanalyzethereflectedsignalisstoredwithintheapparatus,soanexternaladversarycannoteasilyinterceptthereflectedsignal.

Strictlyspeaking,thislatterprototypewasaquantumlidarratherthanaquantumradar,becauseitssignalwastransmittedatvisiblefrequencies.

Moreprecisely,thespeedupfromShor’salgorithmscalesasexp,wherenisthenumberofdigitsofthenumbertobefactored.Thisspeedupistechnicallynotconsideredtobeexponentialbutisenormousandoftenlooselydescribedasexponential,evenbyexperts.

Forexample,threewidelyusedpublic-keyalgorithmsforencryption,keyexchange,anddigitalsignaturearetheRivest-Shamir-Adleman,Diffie-Hellman,andelliptic-curvealgorithms.Thefirstalgorithmdependsonthecomputationaldifficultyoffactoring,andthesecondtwodependonthecomputationaldifficultyofthediscretelogarithmproblem.Shor’salgorithmcanbeusedtoefficientlycalculatebothfactorsanddiscretelogarithms,soitdestroystheeffectivenessofallthreealgorithms.

Thisispossiblebecauseanyoptimizationproblemcanbereformulatedasasearchproblem.

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