美政府问责局发布报告分析量子技术发展的机遇与挑战

 新闻资讯     |      2020-06-04 05:03

5月28日,美政府问责局(GAO)发布题为《科技聚焦:量子技术》的报告(下称《报告》),概述了量子技术基本概念,发展进程,总结了量子技术带来的机遇及其面临的挑战,最后提出一些政策性的问题。

量子技术建立在研究能量和物质的最小粒子的基础上,并以现有技术无法实现的方式收集、生成和处理信息。量子传感器可用于科学、工业和导航领域。量子通信可以让企业和政府安全地传输信息。量子计算机可以极大地加速某些应用的计算,例如机器学习和解密信息。

量子技术利用应用于最小规模的反直觉特性。一是两个或多个粒子之间的一种联系,称为“纠缠”,测量一个粒子可以揭示关于其他粒子的信息。二是“叠加”,它允许粒子在未观测到的情况下同时处于所有可能的可观测状态。三是“不可克隆定理”,它禁止复制未知的量子态。量子技术利用这些特性的组合来感知、通信和计算。

量子传感器最成熟,但如果需要这些技术(包括原子钟和陀螺仪)进一步可发挥其潜力,至少需要5年。

量子通信在近十年来取得进展,可确保即使未发现窃听者,量子密码密钥也不会被截获。然而,这类技术的应用范围有局限性。在距离超过60英里的情况下,光纤链路对量子密钥分发无效。光纤技术需要至少10年的发展才能用于远程安全网络。卫星通信可能很快就可以实现,但仍需进一步发展才能绝对安全并且对实际量子通信有用。

量子计算机有几十种被称为物理量子位的基本组件,尽管一般用途的量子计算机可能需要超过100000个物理量子位。要开发出能够解决实际问题的量子计算机(例如将加密方案中使用的大量数据进行分解),就必须改进其硬件,这也将需要20年。

改进定位测量。即使GPS被干扰或欺骗,或者卫星链路丢失,量子传感器可以定位以前看不见的或隐身的目标,或者确定一个目标的位置和速度。

实现安全通信。量子通信最终可能实现完全安全的量子数字签名、敏感和机密信息的安全共享或其他应用。

解决复杂的计算问题。未来量子计算机或许可快速完成传统计算机无法有效执行的任务,例如分解大量数据,这是破解当前密码系统的核心任务。

创建量子互联网。未来的通信技术可能能够在量子计算机之间安全地传输信息。由此产生的量子互联网将无法被外部计算机访问,因为任何试图访问该网络的行为都表明黑客的存在。

机构界限。量子技术的发展将取决于各个机构和技术人才之间的协作,且依赖于具有量子物理学,工程,数学和计算机科学培训的多学科人才。

技术发展。量子技术在很大程度上依赖于开发新能力。例如,量子计算机使用极其脆弱的量子比特,需要在更高温度下计算的量子比特,以及更好地将其与环境隔离的技术。此外,仅有有限的基础设施用来测试和评估这些技术。

确定极限。为达到精确测量的量子物理极限,量子传感器需要超越当前的工作极限。例如,可能有必要开发新材料以提高精度。

应用和算法开发。量子计算机将加速机器学习、化学建模和密码学等应用的开发,每个应用都需要开发计算机将使用的量子算法。但是量子计算机无法加速解决某些问题,比如那些需要大量数据的问题。

网络安全转型。全尺寸量子计算机有可能打破标准加密技术,造成重大信息安全风险。因此,需要改进网络安全基础设施,以创建量子验证加密并保护现有信息。

量子技术将需要多年的发展,才可能彻底改变人们测量、通信和计算的方式。这些技术的发展引发了许多政策问题:

美国如何建立一支拥有发展量子技术所需的多样化、跨领域技能的人才队伍。其他国家开发量子技术对美国国家安全有何影响。量子计算机能够破解目前的加密方案有何影响。

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