美國智庫分析量子技術(shù)的應(yīng)用和影響

■文/青秀玲 董瑜（中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心）

2023年5月，美國智庫戰(zhàn)略與國際問題研究中心（CSIS）發(fā)布《量子技術(shù)：應(yīng)用和啟示》報(bào)告，探討量子技術(shù)在量子計(jì)算、量子加密、量子通信和量子傳感領(lǐng)域的應(yīng)用和影響，呼吁國家、企業(yè)和學(xué)術(shù)界共同合作，制定相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，確保量子技術(shù)的安全和可持續(xù)發(fā)展。

一、量子技術(shù)應(yīng)用

（一）量子計(jì)算。量子計(jì)算使用量子物理學(xué)來解決問題，有助于提高數(shù)據(jù)分析能力，并加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法的性能。量子計(jì)算速度是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法比擬的，因此成為所有科學(xué)的新研究工具。量子計(jì)算的安全應(yīng)用包括破解安全加密，執(zhí)行復(fù)雜模擬，并通過大量數(shù)據(jù)分析來改進(jìn)檢測(cè)和決策。量子計(jì)算所需的芯片不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體，量子計(jì)算機(jī)上的芯片越多，芯片上的量子位越多，數(shù)據(jù)處理速度就越快。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2009年制造了第一個(gè)量子芯片，現(xiàn)在各國正在競相開發(fā)使用多個(gè)量子芯片的計(jì)算機(jī)。盡管量子計(jì)算容易受噪聲干擾產(chǎn)生錯(cuò)誤，但目前已經(jīng)應(yīng)用于研究?？紤]到量子計(jì)算需要專門的支持設(shè)備且維護(hù)成本昂貴，研究人員和企業(yè)可以通過云服務(wù)或聯(lián)網(wǎng)訪問其他企業(yè)的量子計(jì)算機(jī)獲得量子計(jì)算服務(wù)，也稱為“量子即服務(wù)”（quantum-asa-service）。

（二）量子加密。密碼學(xué)是使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并使其在解碼之前不可讀的過程。量子計(jì)算機(jī)能夠快速執(zhí)行運(yùn)算，并破解被認(rèn)為是“安全”的消息，會(huì)對(duì)現(xiàn)有軟件和服務(wù)構(gòu)成新威脅。任何在商業(yè)應(yīng)用中廣泛使用公鑰加密的系統(tǒng)都容易被量子計(jì)算機(jī)解密。報(bào)告指出，競爭對(duì)手可能現(xiàn)在收集和存儲(chǔ)加密數(shù)據(jù)，以待將來解密，這對(duì)需要保密數(shù)十年的美國政府敏感數(shù)據(jù)構(gòu)成威脅。為此，NIST牽頭創(chuàng)建后量子密碼學(xué)（PQC），預(yù)計(jì)將在2024年實(shí)現(xiàn)量子加密標(biāo)準(zhǔn)化。由于采用的后量子加密算法具有不同的技術(shù)屬性，包括不同的密鑰長度和處理時(shí)間，這使得向后量子加密過渡比從數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）向高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）過渡需要涉及的范圍更廣。NIST預(yù)測(cè)，如果沒有大規(guī)模的實(shí)施計(jì)劃，可能需要幾十年的時(shí)間才能使大多數(shù)易受攻擊的公鑰系統(tǒng)采用PQC。

（三）量子通信。量子通信是應(yīng)用量子物理學(xué)的特性提供安全性高、長距離的通信。量子通信具有兩個(gè)安全優(yōu)勢(shì)，一是量子密鑰分發(fā)（QKD）創(chuàng)建通過量子位編碼和傳輸?shù)拿荑€，更難破解；二是量子比特極其敏感，如果有外部觀測(cè)者攔截或者監(jiān)視通訊，信息接收者立刻能夠注意到，有利于保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)。量子密鑰分發(fā)已經(jīng)在光纖電纜、無線電和衛(wèi)星中繼器中進(jìn)行了示范，但目前光纖只能實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)傳輸QKD，從太空到地面的示范還沒有定論。量子通信技術(shù)的廣泛部署仍需數(shù)年時(shí)間。中國在2016年發(fā)射墨子號(hào)衛(wèi)星，2017年首次實(shí)現(xiàn)從地面到空間的量子加密會(huì)議，2020年宣布解決了從地面到空間QKD的安全問題。

（四）量子傳感。量子傳感技術(shù)能夠抵抗電磁干擾，提供更靈敏、更精確的測(cè)量結(jié)果，在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑、能源、導(dǎo)航和國防等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。量子傳感可以在不使用GPS的情況下實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航，提供了實(shí)現(xiàn)精確、安全導(dǎo)航的可能性。然而，實(shí)現(xiàn)可信的量子導(dǎo)航還需要克服一些障礙，包括需要改進(jìn)的、低成本小而輕的動(dòng)力部件。量子傳感也對(duì)情報(bào)、監(jiān)視和偵察能力有影響。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種稱為“幽靈成像”的技術(shù)，該技術(shù)借助光的量子特征可以在微弱光束下探測(cè)遠(yuǎn)處的目標(biāo)物。中國研究人員正在開發(fā)可以探測(cè)隱形飛機(jī)的量子雷達(dá)系統(tǒng)。在生物醫(yī)學(xué)方面，量子傳感器使研究人員能夠從患者大腦的電磁場(chǎng)中獲取數(shù)據(jù)與健康大腦作比較，從而更好地了解特定藥物的作用。使用量子傳感設(shè)備還可以在患者不必保持靜止的情況下對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和診斷。

二、量子研究現(xiàn)狀

（一）量子研究全球化。量子在全球創(chuàng)新方面具有巨大潛力，許多國家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到量子技術(shù)的潛力，投入資金發(fā)展量子計(jì)算、通信和傳感能力。近年來，美國、英國、加拿大等國家均制定了量子研究的國家戰(zhàn)略（詳見表1）。截至2022年，歐盟和美國、英國等9個(gè)國家在量子計(jì)劃上的支出超過300億美元。隨著量子應(yīng)用的發(fā)展，政策制定者需要確定如何更好地促進(jìn)進(jìn)一步的研究，并利用量子技術(shù)保證商業(yè)和安全利益。出口管制是拜登政府對(duì)華政策中的重要工具，美國政府正在探索對(duì)包括量子在內(nèi)的新興技術(shù)的管控。然而，也有人擔(dān)心量子技術(shù)還處于發(fā)展早期，無法在不損害創(chuàng)新的情況下實(shí)施限制。雖然美國應(yīng)該限制中國獲得量子技術(shù)，但也要擴(kuò)大與伙伴國家的合作，建立全球量子應(yīng)用市場(chǎng)，激勵(lì)私營部門創(chuàng)新。

表1各國制定的量子國家戰(zhàn)略和計(jì)劃

（二）量子技術(shù)應(yīng)用的時(shí)間。量子技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還需要一段時(shí)間，但遠(yuǎn)不像懷疑論者所認(rèn)為的還需要數(shù)十年。首先，在過去十年中，隨著數(shù)據(jù)科學(xué)和計(jì)算工具在研發(fā)中的應(yīng)用，創(chuàng)新的步伐加快。其次，不同量子技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間表不同。有些量子傳感技術(shù)已接近商業(yè)部署。例如，量子傳感在生物醫(yī)學(xué)研究、建筑或增強(qiáng)成像中的應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化，在導(dǎo)航中的應(yīng)用將在幾年內(nèi)商業(yè)化。在量子計(jì)算技術(shù)方面，低密集型計(jì)算的應(yīng)用已經(jīng)投入使用，但高性能量子計(jì)算的應(yīng)用可能還需要數(shù)年時(shí)間。量子加密作為最敏感的計(jì)算應(yīng)用之一，距離部署也需要數(shù)年時(shí)間。量子通信相關(guān)技術(shù)還處于發(fā)展階段。美國政府問責(zé)局估計(jì)，光纖QKD需要十年才能成熟，衛(wèi)星QKD通信可能會(huì)更快實(shí)現(xiàn)。

三、政策建議

量子技術(shù)將重塑研究、商業(yè)和安全，并加速創(chuàng)新。報(bào)告提出七項(xiàng)針對(duì)量子技術(shù)的政策建議：

（一）加大量子研究支持力度。建議支持量子研究不僅要資助基礎(chǔ)研究，還要培育初創(chuàng)企業(yè)、開發(fā)量子應(yīng)用案例和工具、建設(shè)公共基礎(chǔ)設(shè)施并推進(jìn)國內(nèi)外投資合作。支持方式除提供額外的量子研發(fā)資金外，還包括提供稅收優(yōu)惠和與市場(chǎng)相關(guān)的支持性法規(guī)等。

（二）加強(qiáng)與盟國和伙伴的量子技術(shù)合作。美國已經(jīng)在量子技術(shù)及其實(shí)施方面與盟國開展了合作，還應(yīng)就量子技術(shù)的政策和標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成適當(dāng)?shù)膮f(xié)議。不合時(shí)宜或設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)募夹g(shù)轉(zhuǎn)讓限制將會(huì)切斷與全球量子研究界的聯(lián)系、扼殺量子應(yīng)用的商業(yè)市場(chǎng)并降低企業(yè)家進(jìn)入量子市場(chǎng)的意愿，從而減緩美國量子研究速度。美國應(yīng)與盟國合作制定技術(shù)轉(zhuǎn)讓的通用政策。

（三）加快向后量子密碼學(xué)過渡。目前的加密系統(tǒng)十年內(nèi)可能就會(huì)受到量子計(jì)算機(jī)的攻擊。加密標(biāo)準(zhǔn)從數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)過渡到高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)花費(fèi)了近十年的時(shí)間，如果現(xiàn)在還沒有從數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)向后量子密碼學(xué)過渡的計(jì)劃，未來可能會(huì)受到極具破壞性的攻擊。

（四）資助研究人員使用“量子即服務(wù)”。建議通過聯(lián)邦資助促進(jìn)研究人員（包括聯(lián)盟研究人員）使用“量子即服務(wù)”，經(jīng)常使用可以提供必要的量子計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新。能源部量子用戶擴(kuò)展科技計(jì)劃（QUEST）是一個(gè)良好的開端，可以將盟友也納入用戶范圍。

（五）制定量子相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，確保安全和負(fù)責(zé)任地開發(fā)和部署量子技術(shù)。制定量子標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)可以確保安全、負(fù)責(zé)任地開發(fā)和部署量子技術(shù)，包括建立量子技術(shù)性能和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，以及在金融、交通、能源和電信等關(guān)鍵行業(yè)治理量子技術(shù)的法規(guī)。該項(xiàng)工作可以借助美英澳三邊安全伙伴關(guān)系、美歐貿(mào)易和技術(shù)理事會(huì)以及其他機(jī)制與盟國和伙伴國家合作開展。

（六）評(píng)估現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)法規(guī)和條例。量子計(jì)算快速處理大量數(shù)據(jù)的能力可能會(huì)加速新藥物、材料和其他科學(xué)突破的步伐，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)構(gòu)成極大挑戰(zhàn)。因此，需要評(píng)估現(xiàn)有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法規(guī)和條例是否同樣適用于量子領(lǐng)域。

（七）投資量子技能和勞動(dòng)力。隨著量子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，將需要更多具有量子技能的工人。政府、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)需要投資教育和勞動(dòng)力計(jì)劃，為個(gè)人提供在快速發(fā)展的量子領(lǐng)域工作所需的技能和知識(shí)。