前空军上校：美国必须保持其量子优势

光子盒研究院出品

本周，美国退役空军上校John C. Johnson在National Defense杂志发表了评述文章《观点：美国必须保持其量子优势》，他表示，量子技术是改变其技术依赖范式的唯一领域。

John C. Johnson

以下是全文翻译（有删改）：

多年来，美国对安全金融交易、通信、人机界面和牢不可破的战场态势感知网络的依赖已经显著增长，以至于这种现象被误称为“军备竞赛”。

这种情况最好被描述为“技术追求”。全球的研究中心现在都面临着压力，并推动最先进的技术。在商业环境中，率先进入市场会产生更高的收入和利润；在国家安全领域中，“利润”等同于保护通信和实现国家安全目标。

美国对技术的依赖已经变得严重，现在，当务之急是防止美国在潜在对手上升时防止缓慢的螺旋式下降。针对有可能改变其“技术依赖”范式的学科进行调查，Johnson得出了在商业和国防领域具有巨大影响的唯一领域：量子技术。

2022年5月4日，为了防止任何技术侵蚀，拜登总统签署了《关于加强国家量子倡议咨询委员会的行政命令》：量子技术不再是实验室里的实验，已经产生了实际应用。如果被对手使用，就会造成不可挽回的伤害。例如，今天的加密交易可以由其他人保存在存储库中，直到量子计算能够破译这些代码。到那时，知识产权、机密数据和所有个人信息将被视为“开源”信息。这种潜在危险正是总统令颁发的原因，因此，美国人必须在量子科学技术方面进行自我教育。

如今，量子技术已经不再是天方夜谭。1997年，Bill Phillips获得了诺贝尔物理学奖，因为他证明了原子受到激光的影响，可以通过多普勒效应冷却到低温（比绝对零度高千分之一度）并被捕获，从而消除了对大型低温单位的需求。

随后，David Wineland和Serge Haroche因控制和测量量子粒子同时保持其量子特性而获得了2012年诺贝尔奖。使用多个激光器，可以建立量子粒子的热平衡。这些成就为较小的实验室和大学提供了使用一些已知最小粒子的机会。

任何量子应用中的基本构建块之一是量子比特，它是粒子叠加特性的表达。一个原子粒子可以同时“占据”几个状态。

第二种特性是“纠缠”，当两个或多个量子粒子在物理上分离时具有共同的统一特征时，激光冷却应用允许在热平衡晶格中保持和排列关键量子比特。

量子比特对温度、振动、噪声、电磁波、串扰等极其敏感，导致显著错误和随后的量子相干性损失，使得表征和初始化值变得困难。缺乏相干性是科学家和研究工程师面临的严重问题之一：没有相干性，在转瞬即逝的量子态中几乎无法完成操作。不过，尽管实现很长时间的相干性可能需要几年的时间，但我们今天能够达到的量子相干性水平对于各种应用来说已经足够了。

有两个应用很重要：量子计算和量子传感，它们具有近期潜力。

在量子计算中，一旦粒子保持接近静止状态（处于相干状态），就可以初始化其量子值——|0⟩和|1⟩的叠加态，叠加允许并行活动和串行计算。但是，多种因素会使量子比特衰减，因此在量子计算中必须有足够的量子比特来补偿失去相干并返回到二进制状态的量子比特。

如今已有几家公司可以大量生产量子比特。但是，储备的量子比特可能超过算法计算所需的量子比特。

对噪声和其他损害量子比特特征的预纠错、云计算等也会消耗量子比特。无论是提供补充量子比特还是执行预纠错过程都是理想的，但现在最先进的技术可以提供足够的量子比特和保真度，以便在有限的程度上执行量子计算，这是白宫关注的问题。

具有缩短算法的操作应用程序可以在失去相关性之前执行。这种方法称为“可扩展处理”，将传统的高速计算机与分配给加密/解密等应用的量子设备串联起来运行，可以为以前无法解决的问题提供答案。

退相干之前的时间是计算深度的限制因素。在延长相干性时间和后续应用方面正在取得进展。最近的行政命令进一步强调，政府希望所有政府机构、行业和商业实体意识到这些危险，并采取措施防止关键数据丢失。

另一个应用——量子传感，现在已经进入市场。量子粒子对任何与其质量相互作用的力的敏感性可能不是建立长期相干性的理想特征，但它确实产生了一个潜在应用领域：量子传感。量子比特的极高灵敏度使其成为理想的测量仪器，可能比当前的传统测量设备更精确。

量子传感器可以检测磁场和电场、加速度/旋转以及更多应用中的微小变化。惯性导航的任何改进（从而减少对天基全球定位系统的依赖）都是重要的，并且具有多种用途，例如在水下导航中。

挑战在于，如何将量子传感器与数据中构成噪声的其他干扰隔离开。量子传感技术已经足够成熟，甚至已经是具有高技术准备水平的近期应用。量子应用的潜在影响如此巨大，以至于美国必须从现在开始推进作战应用，否则就会发现自己陷入了与潜在对手的技术追逐中。

2020年7月，白宫资助了科罗拉多大学、伊利诺伊大学和加州大学三所机构，作为量子科学的创新中心，每个研究所研究不同的量子应用领域；《国家量子倡议》也并不是美国唯一签署的总统文件；此外，《国家安全备忘录》授权美国国家标准与技术研究院（NIST）与产业界、研究实验室和其他机构合作，建立抗量子加密标准并制定加强加密路线图。

保护机密数据、知识产权和个人信息是政府的当务之急。

研发将持续数十年，现在应用已成为可能。迄今为止，科学家和研究工程师已经加快了这一发展步伐，但金融机构、国防和医学研究机构等潜在受害者不能再袖手旁观了。现在是时候参与进来，为推动量子应用做出贡献了。

量子技术应用的推动力可以在每个研究所和政府中看到。因此，美国各个机构、国防和工业必须参与从理论到实际量子应用的转变。

参考链接：

https://www.nationaldefensemagazine.org/articles/2022/6/21/us-must-preserve-its-quantum-advantage

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