解密当前及未来可用的量子技术能力：白皮书合集

第一章：量子计算和后量子密码学

• 全球政府对量子技术的投入：世界各国政府正积极投入量子产业，包括美国、中国、英国、加拿大、澳大利亚、德国和法国等。全球对量子科学和技术的投资总额已超过360亿美元，涵盖计算、传感、通信和网络等所有量子技术领域。
• 美国量子政策：美国国家量子倡议法案（NQI）于2018年通过，但截至2023年9月尚未重新授权，导致美国在量子创新方面落后于其他国家。尽管如此，美国仍在通过CHIPS法案等立法举措继续支持量子技术的发展。
• 量子计算：量子计算利用量子力学原理，通过量子比特（qubit）进行信息处理，具有超越经典计算机的计算能力。量子计算技术包括门模型、退火模型、拓扑模型等不同模态，以及超导、离子阱、光子等不同量子比特架构。
• 量子应用软件：量子软件应用正在发展中，将利用量子计算机的优势与经典计算、人工智能和机器学习等技术协同工作。
• 量子计算应用：
  • 近期应用（1-3年）：优化、模拟和建模、机器学习和人工智能、药物发现、网络安全。
  • 中期应用（3-7年）：新材料设计、天气建模和预测、电网安全。
  • 长期应用（7年以上）：密码学、量子化学、个性化医疗和新型材料。
• 量子计算挑战：硬件（错误校正、量子比特相干性和可扩展性）、软件（量子-经典混合算法开发）、基础设施（量子数据中心建设）和人才（量子技术专业人才缺乏）。
• 后量子密码学（PQC）：量子计算可能破解现有加密算法，因此需要发展PQC算法来保障网络安全。美国NIST已选定四款算法进行标准化，并发布了相关FIPS标准。
• PQC迁移步骤：建立量子准备路线图、准备加密库存、了解和评估供应链、与技术供应商合作、评估量子风险、保持信息更新并参与行业交流。

第二章：量子传感

• 量子传感：量子传感技术利用量子力学原理，以原子级精度测量运动、电场和磁场，提供比传统传感器更精确的测量结果。
• 量子传感优势：利用量子力学特性（叠加、纠缠等）克服传统传感器局限性，实现更高灵敏度、精度和分辨率。
• 量子传感技术类型：原子钟、量子射频接收器、量子磁力计、量子重力计、量子陀螺仪、量子加速度计、量子干涉仪。
• 量子传感应用：
  • 商业价值：导航和定位、电信和无线基础设施、医疗诊断和药物发现、环境监测、能源、资源和可持续发展。
  • 国家安全价值：监视和情报、安全通信、地下结构探测、增强领域感知。
  • 科研价值：测试基本物理理论、开发新材料。
• 量子传感挑战：供应链问题、技术人才缺乏。
• 量子传感技术成熟度：许多量子传感技术已进入原型测试阶段，部分应用接近市场成熟。
• 量子传感主要参与者：科技巨头（IBM、谷歌、霍尼韦尔）、初创公司（Infleqtion、SBQuantum、LI-COR、QuantaLogic、SandboxAQ、Apogee Instruments）、学术和研究机构（MITRE、洛斯阿拉莫斯国家实验室）。
• 量子传感政策建议：增加研发资金、促进公私合作、制定标准化方案、加强人才培养、保障供应链安全、加强国际合作。

第三章：量子网络与量子通信

• 量子网络与通信：利用量子力学原理实现安全通信和信息传输，包括量子密钥分发（QKD）、量子随机数生成器（QRNG）、量子中继器、量子存储器、量子互联网等。
• 全球量子网络与通信发展：中国、欧洲和新加坡等国家在量子通信领域处于领先地位，美国则在研究方面投入较多。
• 量子网络与通信技术：
  • QKD：提供无法破解的加密通信，但难以集成到现有网络设备中。
  • QRNG：提供高安全性随机数生成，应用广泛。
  • 量子中继器：扩展量子通信范围，目前仍在开发中。
  • 量子存储器：存储量子信息，是量子通信的关键技术。
  • 量子互联网：连接量子计算机和传感器，实现分布式计算和通信。
• 量子网络与通信应用：能源、彩票和游戏、金融、国家安全和网络安全、材料发现、量子人工智能。
• 量子网络与通信挑战：可扩展性、错误校正、标准化、量子传输、光子技术和光学纤维、量子转换单元、节点和链路配置与同步。
• 量子网络与通信主要参与者：大型企业（东芝、量子CTek、诺基亚、波音）、初创公司（Qubitekk、Quantum Xchange、ID Quantique、Quantum Bridge、Quintessence Labs）、学术和国家实验室（量子协作组、TNO、洛斯阿拉莫斯国家实验室、费米国家实验室）。
• 量子网络与通信政策建议：继续支持量子技术发展、进行客观的技术成熟度评估、通过多边协议保护全球供应链、投资量子技能培训、量子计划应涵盖所有量子技术、扩大量子沙盒项目、PQC工作需保持敏捷和持续。

编制结论

• 量子技术涵盖多种类型，发展速度不一，能力各异，且未来将是量子技术与经典技术的混合。
• 美国应通过重新授权和扩大国家量子倡议法案、进行技术成熟度评估、保护全球供应链、投资量子技能培训、涵盖所有量子技术、扩大量子沙盒项目、保持PQC工作敏捷和持续等措施，确保在量子技术领域的领先地位。
• 国际合作对于推动量子技术的发展至关重要，各国应加强合作，共同应对挑战，实现量子技术的广泛应用。