美国政府问责局报告《量子计算与通信：现状和前景》

光子盒研究院出品

10月19日，美国政府问责局(Government Accountability Office, GAO)发布了一份名为《量子计算与通信：现状和前景》(Quantum Computing and Communications: Status and Prospects)的报告，这是最近美国官方频繁发布的量子信息科技报告中的一份。GAO是美国国会的下属机构，负责调查、监督美国联邦政府的规划和支出，其前身是美国总审计局。

量子信息技术建立在量子物理的基础上，以现有技术无法实现的方式收集、生成、处理和交流信息。该报告评估了这些技术的潜力、好处和风险，以及可能有助于促进其发展的政策选择。

例如，未来的量子计算机在模拟化学相互作用方面可能优于普通计算机，这可能会减少药物开发时间。一些容易出错的小型量子计算机已经可用，但是进一步的开发可能需要协作、供应链和劳动力开发，以及数十亿美元的投资。

量子信息技术旨在利用原子尺度的自然属性(如叠加、纠缠)来完成现有技术无法完成的任务。这些技术依赖于量子比特，对应于经典计算机中的比特。科学家们正在从粒子(如原子、光子)或人造的物体(如超导电路)中创造量子比特。

正在开发基于不同路径的量子计算机。左图展示了英特尔公司的超导量子计算机硬件。右图展示了橡树岭国家实验室的离子阱量子计算机硬件。

与经典比特不同，量子比特在本质上可以相互连接，并可以同时是0和1的任意组合。这使得两种潜在的变革性应用成为可能——量子计算和量子通信。然而，量子信息不能被复制，非常脆弱，并且可能会不可逆地丢失，从而导致难以纠正的错误。

今天一些量子计算和通信技术的用途有限，在提供重要的商业价值之前可能需要广泛的开发。例如，一些容易出错的小型量子计算机开发了有限的应用，一种被称为量子密钥分发的量子通信技术也已经可售。

根据官方和利益相关者的说法，额外的量子技术开发可能至少需要10年的时间，并耗资数十亿美元，但这样的估计是极为不确定的。

由于一些共享的物理学原理、实验室技术和共同的硬件，量子计算和量子通信技术可能会共同发展。

量子计算机可能在许多领域都有应用，但目前尚不清楚它们将在哪些领域产生最大的影响。而量子通信技术可能被用于安全通信、量子网络和未来的量子互联网。一些应用，比如分布式量子计算，它将多个量子计算机连接在一起以解决一个问题，则同时需要量子计算和量子通信技术。

量子技术的潜在缺点包括成本、复杂性、能耗和恶意使用的可能性。GAO确定了影响量子技术开发和使用的四个因素：

(1)协作，

(2)劳动力规模和技能，

(3)投资，

(4)供应链。

下表描述了决策者(立法机构、政府机构、标准制定组织、行业和其他团体)可以考虑的选项，以帮助解决这些问题，提高效益，或减少量子技术开发和使用的缺点。

来源：GAO

量子信息技术可以极大地提高传统技术无法达到的能力。未来的量子计算机可以在安全、密码学、药物开发和能源方面有很高的应用价值。未来的量子通信可以通过在不发现窃听者的情况下拦截信息，从而实现安全通信。

美国政府问责局对以下方面进行了技术评估：(1)量子计算和通信技术的可用性及其工作原理；(2)此类技术的潜在未来应用以及其开发和使用的利弊；(3)可能影响技术发展的因素和有助于解决这些因素、提高效益或减少缺点的政策选择。

为了实现这些目标，GAO查阅了重要报告和科学文献；采访了政府、行业、学术代表和潜在的最终用户；与美国国家科学院、工程院和医学院合作召开了一次专家会议。最终形成了这份报告。

报告全文：

https://www.gao.gov/assets/gao-22-104422.pdf

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