兰德《量子技术应用时间表》距离军用还有时间，中美竞争未分伯仲

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2021年10月28日兰德公司发布研究报告《量子技术的商业和军事应用及时间表》（Commercial and Military Applications and Timelines for Quantum Technology）。报告概述了量子技术的现状及其潜在的商业和军事应用，以及对国家安全的的重大影响，并列出量子技术应用的时间表。

兰德：量子技术的商业和军事应用及时间表

编译：学术plus观察员 黄忠睿

本文主要内容及关键词

1.量子技术三大类别：量子传感、量子通信和量子计算
2.量子技术对国家安全的影响：情报侦察、加密通信和互联网安全等领域

3.量子技术应用时间表：尽管量子通信技术已经少量应用于商业，但想要应用与关键军事领域仍需很多年。

4.量子技术没有明确的全球领导者：美国和中国在总体支出和最重要的技术示范方面占主导地位。中国目前在量子通信发展方面领先于世界，而美国在量子计算发展方面处于领先地位。

内容主要整理自外文网站相关资料

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1.类别及影响

量子技术类别以及对国家安全的影响

量子力学是描述微观粒子行为的物理学领域。在这一小于几纳米的微观世界中，解析新的物理效应非常重要。目前可利用的几种效应的设备都已经能远远超过现有设备的能力。当前的量子技术分为三大类，分别是量子传感、量子通信和量子计算。

1.1量子传感

量子传感是近期最具应用潜力的量子技术应用，主要指的是利用量子力学构建极其精确的传感器的能力，

主要军事应用以及对国家安全的影响包括：

（1）侦察和定位。大多数量子传感的应用集中在侦察和定位。军方最为感兴趣的一个应用是：在没有GPS的环境下进行导航，灵敏的重力仪或磁力仪可以再无需任何外部通信的借助下，对当地的磁场进行精确测量。
（2）量子成像。量子传感另一类应用是量子成像，包括可见光和射频辐射的检测（即量子雷达），量子雷达可以将雷达的最大射程提高41%，对“隐形飞机”尤其有效。

1.2量子通信技术：加密通信

量子通信技术的主要近期应用是防止窃听，这主要利用的是一种称为量子密钥分发 (QKD) 的安全传输方式。长期应用包括将量子计算机和传感器联网。

主要军事应用以及对国家安全的影响包括：

量子通信技术可以使用量子密匙分发（QKD）来保护敏感的加密通信，使其免受恶意拦截，但是英国政府通信主管部门建议政府或军方不要采用QND，并得到了美国安全局的认可。原因是他们认为QAD在通信链上存在潜在的漏洞，易受到攻击。另一方面，中国、欧洲和日本却在积极部署QKD，当前呈现两派阵营。

1.3量子计算

量子计算理论上是指计算机从可以比标准计算机更快地执行某些计算，从而使得在标准计算机上完全无法解决的某些问题在量子计算机上或许变得可行。

主要军事应用以及对国家安全的影响：

理论上讲，量子计算最终可能对国家安全产生最严重的影响。能够在当前加密中部署Shor算法的大型量子计算机将对几乎所有互联网的安全产生毁灭性影响。但是能运行这种算法的量子计算机还需要十多年的时间才能发展出来，总的来说，由于技术尚未成形，其对军事和情报界的影响尚小，而且很多都是间接的，是通过改善科学和生物医学知识的总体经济效益发生的。

2.时间表

影响最大的量子技术还需要很多年

量子技术的应用主要取决于“量子纠缠”的程度。

量子纠缠：是指多个微观粒子以一种协调的方式共同工作，从而使它们各自的能力结合在一起，但是大规模的量子纠缠极具挑战性，因为纠缠是非常脆弱的，保持纠缠需要粒子与周围环境保持非常好的隔离。

大多数量子传感应用只需要很少的可控量子纠缠，因此在未来几年内，量子传感可能会在商业或军事上有所运用。

量子通信是一种中间情况，因为有一些协议使用量子纠缠，有些则不使用，不基于纠缠的量子通信技术已经少量应用在商业领域，但是基于纠缠的量子通信还需要几年时间，距离最有用的军事和商业应用，还需要发展很多年。
量子计算是最具技术挑战性的，因为它需要高度的量子纠缠，未来几年量子计算机技术可能会有合适的应用领域，但想要把它应用于所有目前已知的领域，可能至少需要十年时间。

表：量子技术的商业、军用时间表

3.谁来领导？

还是未知数

美国、中国、欧盟、英国和加拿大都有具体的国家举措来鼓励量子相关的研究。

3.1 美国是量子计算的世界领先者

美国的《国家量子计划法案》（National Quantum initiative Act）是最近的一项法案，已于2018年12月签署成为法律。直到21世纪10年代早期，几乎所有的量子研发投资都是由政府资助的。2012年左右，私人部门投资开始大幅增长，并在2016年左右加速。2015年，美国政府对量子技术研究的总投资最多，高达4亿美元。

在量子计算方面，美国显然是世界领先者。谷歌、IBM和一家名为IonQ的初创公司制造了最大的量子计算机（具有50个或更多高质量量子比特）。

表：2015年各国政府对量子技术研究的总投资

图：2012年至2018年全球量子研发私营企业的投资总额

3.2 中国是量子通信的世界领先者

在量子通信领域，中国是世界领先者。

中国是世界上唯一一个部署了能够与地面进行量子通信的卫星的国家，并且中国已经在北京和上海之间建立了广泛的QKD光纤网络。

尽管中国企业阿里巴巴正在投资量子计算，但它尚未宣布具有量子比特计数的计算机（或任何其他质量指标）能达到美国水平。与美国不同，中国在量子计算方面的几乎所有投资似乎都来自政府，而不是私人公司。

中国每年投入2.44亿美元用于量子技术研发，其中正在大力商业化量子技术，包括安全通信，但关于私人融资交易的信息很少，且往往不会报告金额。根据2017年的一份报告，中国人正在合肥建造一座大型专用量子研究设施，据称耗资100亿美元。

3.3欧盟及其他国家优势

整个欧盟在量子技术方面预估投资了6亿美元，其中德国是1.33亿美元，英国是1.17亿美元。加拿大也是量子技术的世界领先者，尤其是滑铁卢大学。滑铁卢大学周围有很多量子初创企业，因此该地区被称为量子谷，而一个被称为量子谷投资的关联风险投资基金专门致力于量子技术。值得注意的是，其量子研发投资中相对较高的比例来自私人而非政府来源，全球私营企业投资最多的便是加拿大的量子公司D-Wave Systems。

总的来说，美国和中国在总体支出和最重要的技术示范方面占主导地位，两国的竞争水平相近，双方都没有明显的优势。但加拿大、英国和欧盟在某些子领域也处于领先地位。

结 语

量子计算机的近期影响有时其实是被夸大了；现有的量子计算机在与密码学相结合之前，需要将其规模扩大100万倍。短期内，量子计算机还没有任何可靠的应用，但科学研究的模拟看起来很有前景，可能会产生重大的经济影响。

量子传感器更接近于商业部署，可以在远距离成像、计时和感应电场、磁场和引力场方面提供重大改进，同时具有商业和军事应用。QKD理论上可以提高通信的安全性，防止窃听，但许多美国和英国专家也仍在怀疑其在实践中是否有用。

在未来，更复杂形式的量子通信技术可用于将量子计算机和传感器联网，但这些网络仍处于非常早期的发展阶段。紧随其后的是美国、加拿大、英国和欧盟，是量子传感和计算领域的世界领先者。中国将重点研究量子通信上，并被广泛认为是该领域的世界领先者，因为中国是唯一发射了QKD卫星并为QKD铺设了世界上最大的光纤网络的国家。

美国和中国在量子技术总体上都没有明显的领先地位；美中经济与安全审查委员会将量子信息科学描述为两国之间“密切竞争”的领域，当前还未分出伯仲。

（全文完）

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