量子手艺的贸易和军事利用及当时间轴

知远战术与防务研究所 三叶草/编译

自：兰德公司

【知远导读】本陈述是兰德公司一组简短阐发陈述之一，那些阐发陈述次要针对关键的新兴手艺，并对其在世界各地的开展供给了观点。那些阐发涵盖了量子手艺、进步人类性能的手艺、半导体、人工智能和收集平安的穿插点、深度造假（deepfake）的产生和检测，以及利用专利数据来协助理解新兴手艺的全球趋向。本陈述的重点是量子手艺。本陈述简短的手艺阐发从公开材料中获得，以供给手艺现状的概览，合理的演变，以及正在研究该手艺的思惟指导、公司、研究所和国度（特殊存眷美国潜在敌手的前景）。陈述相关研究在 2020年 7月完成，并在公开发布前颠末了美国国防部的平安审查。

量子力学是描述微看粒子行为的物理学范畴。在小于几纳米（10-9 米）的间隔标准上，底子性的新物理效应变得很重要，那与人类的日常体味没有可比性。工程师们如今起头可以创造若干种操纵那些效应的设备，以便远远超越现有设备的才能。

量子手艺是一个普遍的总括术语，涵盖了那些类型的设备，此中许多仍处于早期尝试阶段。 量子手艺凡是被回为三大类：量子传感、量子通信和量子计算。量子传感最接近贸易摆设，但潜在的倾覆性影响最小；而量子计算间隔贸易摆设最远，但潜在的倾覆性影响更大。

本陈述简要介绍了量子手艺在那些范畴的现状和前景。1 它还考虑了将来几年可能的贸易前景，次要的国际参与者，以及那些新兴手艺的潜在平安影响。

表 1给出了量子手艺的范畴，它们的利用、揣测的时间轴，以及目前国度手艺指导者的摘要。

表 1.量子手艺范畴摘要

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量子手艺概述

本章概述了量子手艺三大类中每一类的潜在用处： 量子传感、量子通信和量子计算。

量子传感

量子传感和计量学（（Degen, Reinhard, and Cappellaro, 2017；Bowler, 2019））指的是利用量子力学来构建极其切确的传感器才能，该利用被认为是最接近于贸易潜力的量子手艺。

时间的切确丈量；加速度；以及电场、磁场和重力场

量子传感手艺的一种利用包罗可以对颠末的时间、加速度或电场、磁场或重力场停止高度灵敏丈量的探头。高度切确的时钟能够有贸易利用，如验证高频金融交易和动态调剂智能电网。灵敏的重力计可用于地震和火山发作的地震学揣测，用于石油和天然气储量的地下勘探，或用于评估次要建筑项面前目今方的空中安定性，而无需发掘钻孔（Bowler,2019）。2 造造汽车零部件和其他精巧工业手艺的德国博世（Bosch）公司正在研究将量子加速计纳进汽车，特殊是主动驾驶汽车的可能性。量子磁力计也能够在生物医学上利用——例如用于改进磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）扫描仪（Palmer, 2017）。

量子传感的另一种利用，次要是在军事方面，在GPS无法利用的情况中停止导航（Kramer, 2014；Tucker, 2014）。地球的引力场和磁场有细小的改变，被称为反常点，那些反常在差别的处所也差别。灵敏的重力计或磁力计能够切确地丈量本地的场，并与那些反常的地图停止比力，从而在不需要任何外部通信的情状下停止导航（Jones, 2014）。同样，改进的加速度计能够实现独立的惯性导航系统（INSs）。英国的一位国防尝试室研究人员估量，那些定位、导航和授时（PNT）的量子手艺利用能够使潜水艇固定其位置的切确度比目前可能的高 1000倍（ Marks, 2014）。因为那种导航手艺完全基于操做车辆内部的场，它不需要外部通信，不克不及被截获，并且极难被骚乱。然而，磁场导航的一个缺点是，需要提早绘造出预导航区域内的磁场，那在被拒行的地域可能是一个挑战。

量子成像

另一类量子传感被称为量子成像（Genovese, 2016；Pirandola et al., 2018），此中包罗对可见光和射频辐射（即，雷达）的检测。此中两个最有前途的利用被称为鬼魂成像和量子照明（ghostimagingandquantumillumination）。

1.鬼魂成像

鬼魂成像操纵光的特殊量子特征，利用十分微弱的照明光束来探测远处的物体，被成像的目标很难发现（Meyers, Deacon, and Shih, 2008；Shapiro, 2008; Hardy and Shapiro, 2013）。鬼魂成像光束也能够穿透大气中的遮蔽物，如烟雾和云层。开发该手艺的美国陆军研究尝试室的研究人员定见将鬼魂成像用于从空中、无人驾驶飞翔器或卫星的长间隔谍报、监视和侦查。除了明白的军事利用外，穿透烟雾和云层的才能关于气候监测或灾难响应（例如，监测野火的蔓延）也很有用。那项手艺在穿过烟雾或强烈的大气湍流时可能特殊有效，而且已经公开演示了 2.33千米的间隔（陆军研究尝试室， 2013）。图 1描述了早期在 1千米间隔上的演示成果。

2015年相关专业人士曾讨论过利用鬼魂成像停止奥秘动作的可能性。鬼魂成像能够供给比原则成像更高的辨认率，特殊是在十分低的光线情况下，所以即便光束比原则成像所需的弱得多，照明光束仍然能够产生一个可见的图像；因而，光束很难被目标发现。3 此外，即便信号光束被检测到，编码图像也不克不及被截获，因为重建图像所需的一些信息被贮存在鬼魂成像安装内。

图1 位于窗口1千米以外的拍照机对两张汽车派司的鬼魂成像示企图（图（d）和（g）展现了来自鬼魂成像安装的图像；图（e）展现了由传统相机拍摄的图像。为了节约空间，原图中的一些图像已被删除。图（d）和（e）的左下角的字符是一个汉字。）

2.量子照明

量子照明（Lloyd初次在2008年提出）在概念上与鬼魂成像类似，但能够供给更大的灵敏度改进。Tan等人在2008年用数学办法证明，量子照明安装能够到达的信噪比（SNR）比倒霉用量子力学的理论上可能的更佳安装高6dB。4 那项手艺的一个用例是军事利用的量子雷达（Ball, 2015；Barzanjeh et al., 2015）。从理论上讲，量子雷达关于探测高噪声布景下的低反射率目标应该是特殊有效的，所以它关于探测隐身飞机特殊有效（Seffers, 2015）。信噪比进步6分贝，相当于雷达的更大探测范畴增加41%。5 此外，原则上，量子雷达能够具备信号极难被拦截或骚乱的才能（Shapiro, 2009）。6

公开文献中还没有大规模量子照明雷达的报导，但已经有桌面原型的演示（Luong et al.,2019）。一个如许的原型胜利地展现了比非量子设备可能更高的信噪比（Zhang et al., 2015）。7

与鬼魂成像一样，量子照明的加强灵敏度能够容许利用比一般情状下更弱的信号束。因而，量子照明也能够利用于生物医学成像，在那种情状下，传统成像设备的强信号束会损害被研究的组织（Ball, 2015；Seffers, 2015）。

即便是量子雷达的理论设想也仍然处于极其早期的阶段，曲到比来，量子雷达（原则上）只可以改进对目标间隔收发器的丈量，而不克不及改进目标的标的目的。然而， 2020年的一篇科学论文改进了理论设想，可以同时改进对目标的范畴和标的目的确实定。当然，即便有了那种新的设想，也没有办法跟踪目标的速度或运动标的目的，因为现有的雷达能够通过多普勒效应来实现。因而，假设在设想上没有严重停顿，量子雷达的军事用处仍然有限。

量子通信

量子通信手艺近期的次要利用是避免窃听者，次要是通过一种被称为量子密钥分配（QKD）的办法。在量子密钥分配中，加密密钥以被称为光子的量子粒子的形式在通信两边之间停止传输。因为那些粒子的量子性量，任何拦截它们的窃听者原则上城市在数据流自己留下签名；假设协议施行适当，那么在物理上不成能看察到光子，从而也无法对它们停止某种修改。假设通信两边交换一个未被毁坏的加密密钥，那么就能够包管没有人截获他们的密钥传输，从而没有人能够解密响应的加密数据。因为那个原因，量子平安通信有时被称为“不成破解”。

然而，那个术语过度简化了量子密钥分配的平安性。在理论中，有一些手艺上的细微区别会招致破绽（Jain et al.,2014；Pang et al.,2020），并且量子密钥分配的贸易实现已经被频频证明有平安破绽（Huang et al.,2016）。此外，即便通信信道对物理拦截的懦弱性得到保障，信号仍然需要由随便遭到黑客进攻的计算机在端点停止编码息争码，因而保障数据流免受物理拦截其实不足以确保通信平安（Schneier, 2008）。

量子密钥分配已经在三种差别的物理通信渠道长进行了演示：光缆、露天和卫星。光纤电缆是最常见的前言，但传输端点必需固定，并且光子在衰减前只能传布几百千米（Boaron et al., 2018）。通过自在空间的传输容许可挪动的端点，但它需要间接的视线传输，而大气骚乱目前限造了更大间隔，以至更短的间隔（Shmitt-Manderbach et al., 2007）。8 2017年和2018年，中国的量子卫星“墨子”号从太空发射光子流，对中国和奥天时之间75分钟的德律风会议停止了完全平安的加密，那是对量子密钥分配更有目共睹的演示（Liao et al.，2018）。到目前为行，“墨子”号是独一一颗从太空展现量子密钥分配的卫星。

今天，通过光纤电缆的量子密钥分配已经有了有限的贸易利用。一家名为ID Quantique的瑞士公司已经在荷兰电信数据中心之间、瑞士银行之间以及瑞士政府选举中心之间成立了量子密钥分配（Palmer,2017；ID Quantique, 2017）。中国已经成立了一个毗连北京和上海的普遍收集，而且在 2020年，日本东芝公司的研究人员通过量子密钥分配传输数百 GB的人类基因组数据，创造了新的数据传输笔录（Katsuda, 2020）。

量子计算

量子计算是最广为人知的量子手艺，但也可能是间隔现实运用最远的一种手艺（Monroe, 2019）。原则上，量子计算机能够比原则（也被称为典范）计算机从底子上更快地停止某些计算——以致于某些在原则计算机上完全不成行的问题在量子计算机上可能变得可行。虽然如斯，针对详细利用的已知算法却少得令人骇怪。事实上，有许多计算问题，估量量子计算机不会比典范计算机有任何明显的改进（Aaronson, 2008）。9 此外，建造一个有用的量子计算机面对浩荡的工程挑战，并且今天只存在小规模的原型（后面将讨论）。

两个最重要的量子算法是舒尔（Shor）算法和格罗夫（Grover）算法。舒尔算法（Shor, 1997）能够用来对大数停止因式合成，其速度比任何已知的典范算法都要快。10 几乎所有用于庇护互联网流量的公钥加密算法都依靠于因式合成和类似计算的计算难度。11 因而，舒尔的次要利用是对通过公开渠道（如互联网）传输的灵敏信息停止解密，那对在线贸易和国度平安有明显的影响（将在后面讨论）。舒尔也能够用来毁坏大大都区块链协议的平安性（Fedorov, Kiktenko, andLvovsky, 2018），包罗比特币的协议。目前，已经有人提出了对量子进攻平安的区块链设想（Kiktenko et al.,2018）。

格罗夫算法（Grover, 1996）进步了大型数据库粗暴搜刮的速度，也进步了数值优化的速度。12 然而，格罗夫算法的速度提拔远没有舒尔算法那么显著。舒尔算法比最闻名的典范算法有指数级的提速，而格罗夫的算法只给出了平方根的提速。13 此外，那个速度已经在数学上被证明是粗暴搜刮的更佳速度；没有任何可能的量子算法能够供给更好的速度。然而，即便在数据库搜刮和数值优化方面有适度的改进，也能够在许多需要高性能计算的范畴有严重利用，如工程和根底科学（如生物化学和素材科学）。一个十分不完全的潜在利用清单包罗物流、赐与链优化、交付道路、财政治理和复杂物理系统的建模（如核或气候系统）。

第三种次要的算法被称为Harrow-Hassidim-Lloyd（HHL），该算法是比来发现的，其重要性仍然是一个积极研究的范畴。HHL算法能够有效地停止某些线性代数计算，那有可能大大改进人工智能中利用的机器进修算法。 HHL算法的发现引发了比来量子计算机可能利用于机器进修的研究热潮，但许多专家仍然思疑量子计算机能否会在那个范畴供给浩荡的改进。

量子计算机最初一个鲜为人知的潜在利用是对先辈素材和生物化学的科学模仿（Reiher等人， 2017； Wecker等人， 2015），包罗药物发现（ Cao等人， 2018）和碳捕获（ Preskill， 2018）。因为量子力学效应阐了然那些素材的根底物理学原理，利用量子力学的计算机是特殊的，十分合适对其停止计算模仿。为了给潜在的经济效益供给一个规模感，相关专家在 2017年曾给出了一个详尽的理论定见，即便用一个中等规模的量子计算机来进步工业氨消费的哈伯 -博世（ Haber-Bosch）工艺的效率，目前该工艺消耗了世界能源消费的 2%（次要用于造造肥料）。即便那个过程的效率只要一小部门的进步，也能够每年节约数十亿美圆。

【1】This research was completed in July 2020.

【2】The environmental consulting firm RSK has estimated that up to one-third of major construction projects experience major delays because of unexpected underground conditions （Palmer, 2017）.

【3】However, because of the very low light levels, the tabletop demonstrations described in these articles required very long exposure times of 30 seconds to 30 minutes for high image quality, which might limit the utility of this technique for imaging moving targets （Aspden et al., 2015）. However, practical applications might use higher illumination levels, which would decrease the required exposure time at the cost of an increase in detectability. Low-illumination ghost imaging has been demonstrated at both visiblelight and infrared wavelengths.

【4】However, one important caveat is that the best currently known receiver design can attain only 3 dB of this theoretical 6 dB improvement （Guha and Erkmen, 2009）.

【5】A 6 dB improvement in SNR corresponds to a multiplication of SNR by a factor of 4. Because the radar range equation gives that SNR scales as the fourth power of the maximum radar range, a fourfold improvement in SNR changes the maximum radar range by a factor of 4 1/4 ≈ 1.41, a 41-percent improvement.

【6】As with quantum radar, some of the information required to analyze the reflected signal is stored within the apparatus, so an external adversary cannot easily intercept the reflected signal.

【7】Strictly speaking, this latter prototype was a quantum lidar rather than a quantum radar, because its signal was transmitted at visible frequencies.

【8】More precisely, the speedup from Shor’s algorithm scales as exp（n 1/3 ）, where n is the number of digits of the number to be factored. This speedup is technically not considered to be exponential but is enormous and often loosely described as exponential, even by experts.

【9】For example, three widely used public-key algorithms for encryption, key exchange, and digital signature are the Rivest-Shamir-Adleman （RSA）, Diffie-Hellman, and elliptic-curve algorithms. The first algorithm depends on the computational difficulty of factoring, and the second two depend on the computational difficulty of the discrete logarithm problem. Shor’s algorithm can be used to efficiently calculate both factors and discrete logarithms, so it destroys the effectiveness of all three algorithms.

【10】This is possible because any optimization problem can be reformulated as a search problem.

【11】For example, three widely used public-key algorithms for encryption, key exchange, and digital signature are the Rivest-Shamir-Adleman （RSA）, Diffie-Hellman, and elliptic-curve algorithms. The first algorithm depends on the computational difficulty of factoring, and the second two depend on the computational difficulty of the discrete logarithm problem. Shor’s algorithm can be used to efficiently calculate both factors and discrete logarithms, so it destroys the effectiveness of all three algorithms..

【12】This is possible because any optimization problem can be reformulated as a search problem.

【13】More precisely, a classical computer requires o（N）oracle queries to search an N-item database, while a quantum computer can use Grover’s algorithm to search in o（N 1/2 ）queries.

（平台编纂：黄潇潇）

本文转自：知远战术与防务研究所

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