解密当前及未来可用的量子技术能力：白皮书合集

目录 第一章：量子计算与PQC …………………………………………………..………………..... 4 I.…………………………………………………….…………………………………………………..………….. 5QC………………………………………………….…………………………………………………..………….…... 8POSTQC…………………………………………………..……………………………………..…... 19C1: C………………………………….…………………………………………………..…………….… 22QS…………………………………..……………………………………………………….………………… 25第二章 量子传感 ………………………………………………………………………………………… 24介绍量子计算量子密码学章结论量子恩信● 全球政府对量子技术的参与。………6 ● 美国量子政策。………7●PQC与美国政府活动 ……………………………………………………………………… 20●成功迁移至PQC：组织必要的步骤 …………………………………………………………… 21●量子应用软件 ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 11●量子计算：近期应用（1-3年） ........................................................................................................................................................................................................................................................................................ 12 ●量子计算：中期应用（3-7年） ........................................................................................................................................................................................................................................................................................ 16 ●量子计算：长期用例（7年以上） ........................................................................................................................................................................................................................................................................................ 17 ●量子计算面临的挑战 ........................................................................................................................................................................................................................................................................................ 18●量子传感与计量学 ………………………………………………………………………..……... 25 : A CAFPQS……………………… 38全部行动号召未来授权量子恩信 第三章 量子网络与量子通信……………………………………………………………………………… 39 量子网络与通信 ………………………………………………………………………………… 40 ● 全球量子网络与通信合作……41 ● 量子网络与通信技术……46 ● 可从量子网络与通信技术中受益的行业……49 ● 量子网络与通信关键参与者……50 ● 量子网络与通信面临的挑战……53 第三章：结论：推进量子网络与通信的号召……55 免责声明：本白皮书由ATARC量子工作组成员以个人身份准备。文中观点不代表任何特定个人、其所属的任何组织或机构。本白皮书旨在为当前量子技术能力提供有益的指导。 白皮书 揭示当前及未来量子技术的能力 第一章：量子计算与PQC ATARC 全球量子工作组 © ATARC 2024 版权所有 引言 世界各国政府正日益参与到量子产业中，并投资于量子技术。ATARC全球量子工作组的作用是与政府、学术界和私营部门的思想领袖就量子技术的多个方面进行合作。作为此职责的一部分，工作组成员——包括量子产业代表、学术界的量子专家、参与量子计划或/及可能是该技术最终用户的政府官员——已经制定了一系列白皮书，旨在阐释量子技术及其能力，消除其神秘感。 广义而言，量子物理学是“对物质和能量最基本层面进行研究”。¹ 量子技术利用量子物理学和量子力学效应，从而在计算、通信、网络和传感领域带来新能力。尽管量子物理学已研究数十年，但量子产业最新的创新使得强大的量子技术在传统技术范围之外取得了巨大进展。 目前，量子技术尚未有统一的全球技术成熟度等级标准，因此理解计算、通信、网络和传感等方面的能力可能会令人困惑。美国企业家、技术专家和教授史蒂夫·布兰克（Steve Blank）已对量子生态系统及其技术进行了概述。结合美国国家标准与技术研究院（NIST）的量子技术成熟度基准（图1），这表明每种量子技术都在以自己的节奏推进。 为更深入地解释量子计算，ATARC全球量子工作组发布了另外两份白皮书。“面向当今军队的应用量子计算”，4概述了用例，展示了军事部门如何受益于近期量子技术。第二份文件是一份跨机构指南，介绍如何做好量子准备并准备一个“量子安全框架”。5 鉴于量子技术产业的深度，ATARC全球量子工作组将在2024年全年发布本白皮书的不同章节，重点关注该产业的各个细分领域。第一章将讨论量子计算和后量子密码学（PQC）。未来的章节将涉及量子传感、通信和网络。 全球量子技术政府合作 自2023年1月以来，加拿大、澳大利亚、德国、法国、印度和英国（U.K.）等多个国家已宣布新的量子资金举措或扩大其现有的量子计划。在美国，国家量子战略隶属于《国家量子倡议法案》（NQI），该法案本应在2023年9月由国会重新授权。未能赶上该截止日期，使该国在量子创新、应用开发及现有技术采纳方面落后于其他全球领导者。 根据Qureca的数据，截至2023年7月，全球在探索量子科学与技术方面的投资总额已超过360亿美元（见图2）。这些政府量子计划为所有量子技术（计算、传感、通信和网络）提供资金支持，并支持推进和扩展基础量子研究、量子硬件和软件、人才培养以及商业化。许多计划还明确支持不同的量子计算模式（如退火、门控等）以及量子-经典混合技术7，这些技术使得量子计算和经典计算能够协同工作。例如： ●中国已承诺投入153亿美元公共资金用于量子技术，并发布了一代新的量子计算云平台，该平台“使研究人员能够在云端执行复杂的计算任务，并让公众以微秒级的速度体验量子计算”。8●英国宣布了一项应用程序开发计划，旨在在18个月或更短的时间内开发量子应用。9他们的SparQ计划明确包括了不同的量子计算模式，并且到2024年2月，英国已向量子领域承诺投入4500万英镑，作为其到2033年转型为量子赋能经济承诺的一部分。10●加拿大于2023年1月发布了其量子战略11，其重点关注三大支柱：人才培养、研究和商业化。 2023年5月，澳大利亚政府发布国家量子战略，并设定了10亿美元的资助水平。 这些都是一些例子，但量子程序正在日本、法国、德国、爱尔兰、韩国、印度和欧盟等其他地方开发中或得到实施。 美国量子政策 2018年通过的原版国家量子倡议（NQI）13 创建了国家量子协调办公室（NQCO）、量子经济发展联盟（QED-C）以及美国政府在各部门内设立的其他量子工作小组。NQI的努力还包括建立专注于量子计算、网络、通信和传感的量子中心14。这些中心的大部分工作汇集了国家实验室，以解决主要关切问题，例如量子计算门模型系统中的噪声和制造问题，或旨在增强量子网络的新架构。国会未能于2023年9月重新授权NQI，导致这项重要工作的很大一部分面临风险。 国会对立法提案的数量表明，两党都强烈支持继续推进和扩大美国的量子计划。例如，《芯片与科学法案》（CHIPS Act）第15项中包含的“科学与技术量子用户拓展”（Quantum User Expansion forScience and Technology，简称QUEST）计划，有助于提高对商用量子计算系统的访问权限。QUEST计划的资金已纳入2024财年能源与水利拨款法案。虽然这并非美国立法的详尽清单，但这些不同的举措展示了量子计算可以应对的广泛领域。 国会关于量子政策的许多参与，是将现有国家量子倡议（NQI）项目的关注范围扩大，以增强对不同量子技术的参与、识别用例、并构建近期应用，从而支持人才培养，并应对硬件进步面临的持续挑战。 量子计算 量子计算代表了计算能力的范式转变，它利用了量子力学中令人费解却强大的原理。与处理二进制位（0和1）信息的经典计算机不同，量子计算机使用量子比特或称量子位（qubits）。这些量子位利用叠加和纠缠等现象，可以同时表示0和1，从而提供处理能力的指数级增长。 尽管量子计算可能是最广为人知的技术，但关于其当前能力水平仍存在误解。许多人并未意识到，量子计算并非单一的技术。量子硬件可以由不同的模态构成，量子比特也可以有不同的架构。 量子计算硬件的众多基础方法，例如门模型、退火器、拓扑结构以及其他方法。简要描述如下： ● 在门模型量子计算中，量子逻辑门是一种基本量子电路，它对少量量子比特进行操作，这些量子比特成为量子电路的构建模块。● 退火量子计算（这是一种绝热量子计算）的方法，是利用量子力学特有的性质（如量子隧穿、纠缠和叠加）从非常多的可能解中选出问题的最优解。退火量子计算利用了现实世界物理系统自然倾向于找到低能量构型的趋势。●拓扑量子计算描述了经历物理变化的结构，例如：弯曲、扭曲、压缩或拉伸；而量子比特仍然保持原形式（或：原始形式的）性质。 超越不同的量子计算模式，量子比特架构可涵盖超导、离子阱、中性自旋原子、光子学以及其他技术。图3展示了驱动量子比特在尺寸和鲁棒性方面取得显著进步、并提供部分纠错方法的量子计算模式多样化生态系统，其中包括来自小型和大型企业、学术界及政府的创新。 来自 Hud