美国智库分析量子技术的应用和影响

■文/青秀玲 董瑜（中国科学院文献情报中心）

2023年5月，美国智库战略与国际问题研究中心（CSIS）发布《量子技术：应用和启示》报告，探讨量子技术在量子计算、量子加密、量子通信和量子传感领域的应用和影响，呼吁国家、企业和学术界共同合作，制定相关政策和标准，确保量子技术的安全和可持续发展。

一、量子技术应用

（一）量子计算。量子计算使用量子物理学来解决问题，有助于提高数据分析能力，并加速机器学习算法的性能。量子计算速度是传统计算机无法比拟的，因此成为所有科学的新研究工具。量子计算的安全应用包括破解安全加密，执行复杂模拟，并通过大量数据分析来改进检测和决策。量子计算所需的芯片不同于传统半导体，量子计算机上的芯片越多，芯片上的量子位越多，数据处理速度就越快。美国国家标准与技术研究院（NIST）于2009年制造了第一个量子芯片，现在各国正在竞相开发使用多个量子芯片的计算机。尽管量子计算容易受噪声干扰产生错误，但目前已经应用于研究。考虑到量子计算需要专门的支持设备且维护成本昂贵，研究人员和企业可以通过云服务或联网访问其他企业的量子计算机获得量子计算服务，也称为“量子即服务”（quantum-asa-service）。

（二）量子加密。密码学是使用复杂的数学公式对数据进行编码并使其在解码之前不可读的过程。量子计算机能够快速执行运算，并破解被认为是“安全”的消息，会对现有软件和服务构成新威胁。任何在商业应用中广泛使用公钥加密的系统都容易被量子计算机解密。报告指出，竞争对手可能现在收集和存储加密数据，以待将来解密，这对需要保密数十年的美国政府敏感数据构成威胁。为此，NIST牵头创建后量子密码学（PQC），预计将在2024年实现量子加密标准化。由于采用的后量子加密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，这使得向后量子加密过渡比从数据加密标准（DES）向高级加密标准（AES）过渡需要涉及的范围更广。NIST预测，如果没有大规模的实施计划，可能需要几十年的时间才能使大多数易受攻击的公钥系统采用PQC。

（三）量子通信。量子通信是应用量子物理学的特性提供安全性高、长距离的通信。量子通信具有两个安全优势，一是量子密钥分发（QKD）创建通过量子位编码和传输的密钥，更难破解；二是量子比特极其敏感，如果有外部观测者拦截或者监视通讯，信息接收者立刻能够注意到，有利于保护传输数据。量子密钥分发已经在光纤电缆、无线电和卫星中继器中进行了示范，但目前光纤只能实现短距离内传输QKD，从太空到地面的示范还没有定论。量子通信技术的广泛部署仍需数年时间。中国在2016年发射墨子号卫星，2017年首次实现从地面到空间的量子加密会议，2020年宣布解决了从地面到空间QKD的安全问题。

（四）量子传感。量子传感技术能够抵抗电磁干扰，提供更灵敏、更精确的测量结果，在医学研究和医疗健康、环境监测、建筑、能源、导航和国防等领域有广泛应用。量子传感可以在不使用GPS的情况下实现高精度导航，提供了实现精确、安全导航的可能性。然而，实现可信的量子导航还需要克服一些障碍，包括需要改进的、低成本小而轻的动力部件。量子传感也对情报、监视和侦察能力有影响。美国陆军研究实验室开发了一种称为“幽灵成像”的技术，该技术借助光的量子特征可以在微弱光束下探测远处的目标物。中国研究人员正在开发可以探测隐形飞机的量子雷达系统。在生物医学方面，量子传感器使研究人员能够从患者大脑的电磁场中获取数据与健康大脑作比较，从而更好地了解特定药物的作用。使用量子传感设备还可以在患者不必保持静止的情况下对其进行检测和诊断。

二、量子研究现状

（一）量子研究全球化。量子在全球创新方面具有巨大潜力，许多国家已经认识到量子技术的潜力，投入资金发展量子计算、通信和传感能力。近年来，美国、英国、加拿大等国家均制定了量子研究的国家战略（详见表1）。截至2022年，欧盟和美国、英国等9个国家在量子计划上的支出超过300亿美元。随着量子应用的发展，政策制定者需要确定如何更好地促进进一步的研究，并利用量子技术保证商业和安全利益。出口管制是拜登政府对华政策中的重要工具，美国政府正在探索对包括量子在内的新兴技术的管控。然而，也有人担心量子技术还处于发展早期，无法在不损害创新的情况下实施限制。虽然美国应该限制中国获得量子技术，但也要扩大与伙伴国家的合作，建立全球量子应用市场，激励私营部门创新。

表1各国制定的量子国家战略和计划

（二）量子技术应用的时间。量子技术距离实际应用还需要一段时间，但远不像怀疑论者所认为的还需要数十年。首先，在过去十年中，随着数据科学和计算工具在研发中的应用，创新的步伐加快。其次，不同量子技术的应用时间表不同。有些量子传感技术已接近商业部署。例如，量子传感在生物医学研究、建筑或增强成像中的应用已经商业化，在导航中的应用将在几年内商业化。在量子计算技术方面，低密集型计算的应用已经投入使用，但高性能量子计算的应用可能还需要数年时间。量子加密作为最敏感的计算应用之一，距离部署也需要数年时间。量子通信相关技术还处于发展阶段。美国政府问责局估计，光纤QKD需要十年才能成熟，卫星QKD通信可能会更快实现。

三、政策建议

量子技术将重塑研究、商业和安全，并加速创新。报告提出七项针对量子技术的政策建议：

（一）加大量子研究支持力度。建议支持量子研究不仅要资助基础研究，还要培育初创企业、开发量子应用案例和工具、建设公共基础设施并推进国内外投资合作。支持方式除提供额外的量子研发资金外，还包括提供税收优惠和与市场相关的支持性法规等。

（二）加强与盟国和伙伴的量子技术合作。美国已经在量子技术及其实施方面与盟国开展了合作，还应就量子技术的政策和标准达成适当的协议。不合时宜或设计不当的技术转让限制将会切断与全球量子研究界的联系、扼杀量子应用的商业市场并降低企业家进入量子市场的意愿，从而减缓美国量子研究速度。美国应与盟国合作制定技术转让的通用政策。

（三）加快向后量子密码学过渡。目前的加密系统十年内可能就会受到量子计算机的攻击。加密标准从数据加密标准过渡到高级加密标准花费了近十年的时间，如果现在还没有从数据加密标准向后量子密码学过渡的计划，未来可能会受到极具破坏性的攻击。

（四）资助研究人员使用“量子即服务”。建议通过联邦资助促进研究人员（包括联盟研究人员）使用“量子即服务”，经常使用可以提供必要的量子计算经验和创新。能源部量子用户扩展科技计划（QUEST）是一个良好的开端，可以将盟友也纳入用户范围。

（五）制定量子相关标准和法规，确保安全和负责任地开发和部署量子技术。制定量子标准和法规可以确保安全、负责任地开发和部署量子技术，包括建立量子技术性能和可靠性的标准，以及在金融、交通、能源和电信等关键行业治理量子技术的法规。该项工作可以借助美英澳三边安全伙伴关系、美欧贸易和技术理事会以及其他机制与盟国和伙伴国家合作开展。

（六）评估现有知识产权法规和条例。量子计算快速处理大量数据的能力可能会加速新药物、材料和其他科学突破的步伐，对知识产权保护构成极大挑战。因此，需要评估现有的知识产权法规和条例是否同样适用于量子领域。

（七）投资量子技能和劳动力。随着量子产业的持续发展，将需要更多具有量子技能的工人。政府、学术机构和企业需要投资教育和劳动力计划，为个人提供在快速发展的量子领域工作所需的技能和知识。