全球战略计算的算力重新分配（中）量子计算的战略能力与关键应用

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2021年10月20法国国际关系研究所（IFRI）发布报告《战略计算：高性能计算以及量子计算在欧洲寻求技术力量中的作用》（Strategic Calculation: High-Performance Computing and Quantum Computing in Europe’s Quest for Technological Power）。

报告中针对高性能计算与量子计算展开，全面分析了两种计算方式的发展趋势与全球技术分布，并强调一些技术突破对未来国家安全的影响。本文为中篇，聚焦量子能力的战略应用与前景，上篇聚焦于高性能计算技术的全球分布，及其关键技术进展（点击此处跳转阅读）。

高性能计算的全球发展现状，对国家安全的重要作用

编译：学术plus观察员  居士

本文主要内容及关键词

1.量子计算的战略应用：①加速AI（自主武器+精确智能），②通信安全（解密密钥，可攻可守），③复杂分子模拟（医学、能源、可持续农业、气候问题），④优化自动驾驶（优化能源电力网络配置管理）

2.量子技术成熟周期：未来25年是关键，2040将产生可打破当前加密算法的量子计算机

3.量子技术影响预测：不会取代高性能计算，市场潜力巨大

4.量子技术竞赛加速：技术发展超出预期，技术落后的两大风险（网络安全，技术获得）

【基本背景】

计算能力的军事应用

计算能力在军事领域作用十分关键，广泛应用于数据分析、机器学习、网络安全、科学研究、核弹头设计与爆炸模拟等。本项研究聚焦于两个互补计算能力：高性能计算(HPC，也称为“超级计算”)和量子计算。

高性能计算vs量子计算

几十年来，高性能计算已经被用于科学研究、气象和军事，各国也大力推动对大型计算机的需求。该领域用途趋于多样化，工业大数据应用也带来了新的需求。与此同时，量子计算仍处于实验阶段，但具有极高颠覆性的潜力。近年来，虽然量子信息技术经历了飞速的发展，但大规模量子计算机可能还需要十年的时间。

中美技术竞争的关键

对计算能力的争夺，已经成为美中技术竞争的关键要素，但这也是欧洲的战略重点。除了国家战略之外，随着欧盟全力发展联合计算服务和数据基础设施以及本地产业，欧洲也在尽力集中资源。

Quantum Computing量子计算

根据摩尔定律，计算能力将以每两年翻一番的速度发展。然而，随着计算机芯片不断接近纳米级的物理极限，摩尔定律也不再适用。与经典计算机的物理限制相反，量子计算机可以利用量子物理特性，有望成倍增加计算能力。因此，量子计算已经成为政府、研究实验室、技术公司投资的战略领域，以期获得量子优势带来的战略能力。

1.战略应用

量子计算的战略应用

量子计算是量子信息科学领域的一个分支，该领域还包括：通信和密码学、计量和传感以及模拟，应用广泛。量子信息领域的各项技术目前处于不同的成熟度水平。与传感和网络安全应用相比，量子计算距离市场成熟程度最远，但它也具有最高的颠覆性潜力。意识到量子计算成熟后将发生的巨大变化，工业界和政府都在研究十年内可能的实际使用案例。
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1.1 量子计算将加速人工智能

首先，量子计算将加速人工智能的发展，尤其将促进深度学习和神经网络的研究，其应用广泛适用于军用和民用。例如，在军事领域，量子人工智能可以促进自主武器系统和精确智能的发展，尤其是与其他量子技术的结合应用。

1.2 量子技术与通信安全

除了人工智能，量子计算机将特别适合因数分解、优化和模拟任务。因数分解与密码学相关，使得未来大规模应用量子计算机对网络安全的影响成为各国的主要担忧。

2015年，美国国家安全局(NSA)更新了其加密系统，使其“抗量子攻击”。尽管打破当前的加密方法仍需要量子计算的重大进步，但一台功能齐全的量子计算机可以允许操纵者破解任何用当前技术保护的公共加密密钥。比如，目前用于保护在线支付的密码系统RSA。根据估计，经典计算机需要300万亿年才能破解一个RSA加密密钥(2048位)，而拥有4000个稳定量子比特的量子计算机理论上只需10秒钟就能完成同样的工作。同样，量子技术也可以用于保护通信安全。

1.3 量子计算可简化复杂的模拟

复杂的模拟可以说是量子计算机应用的一个关键方向。分子的模拟需要大量计算能力，因为原子之间的键和相互作用具有概率性，耗尽了经典的计算逻辑。根据量子科学家的说法，量子计算是“模拟自然，利用自然法则”。分子规模的模拟可以应用于医学(例如，创造目标药物)、能源(例如，更高效的电池)、可持续农业(例如，肥料)，甚至开发捕获大气中二氧化碳的过程。

1.4 量子计算可大大优化自动驾驶

最后，量子计算机对于自动驾驶车辆所需的优化任务非常有用。有了完全自主的车队，理论上应该可以根据出发地点和目的地点优化每辆车的行程。传统算法可以在有限车辆数量的情况下运行，但超过几百辆车和行程，传统计算能力将基本饱和。优化对于能源部门来说也极为关键，在电动汽车激增的情况下，电力网络的发展和电力消耗的管理至关重要。

2.成熟周期

量子技术成熟周期与影响预测

2.1 技术成熟周期

考虑到仍然存在巨大的科学和技术不确定性，量子技术的商业影响将随着时间的推移而展开和沉淀。根据波士顿咨询集团的报告，预计量子计算将在未来25年里走向成熟。量子计算机的特殊民用应用可能会在未来10到15年内发展起来，一台能够打破当前加密算法的量子计算机将在2040年前问世。

2.2 量子计算机不会替代高性能计算

不用担心，量子计算机不会取代传统计算机。量子计算机是一种复杂而脆弱的机器，功能比通用经典计算机窄得多，不会取代主流的传统计算机：至少在最初，只会有数量很少的量子计算机，并可在云上访问。鉴于量子技术领域的复杂性，将他们委托给云供应商可避免公司在复杂程序开发上的投入。因此，量子计算机不会成为当前高性能计算工具的替代品，而只是对其的补充。

2.3 量子市场潜力巨大

尽管有这些限制，量子计算将有重大的商业和金融影响。波士顿咨询集团预计，到2024年，潜在的量子计算市场将达到40亿英镑(47亿欧元)。在稍微不太乐观的情况下，量子经济发展联盟和Hyperion Research预测，从2020年开始，全球市场将每年增长27%，到2024年将达到8.3亿美元(7.01亿欧元)。

3.竞赛加速

3.1 量子技术发展，已经大大超出预期

2010年代，围绕量子信息处理技术的全球竞争加速明显。比如在2014年时，英国国防部还认为量子信息处理领域对于近期的国防和安全应用来说“过于不成熟”，但到2020年6月，英国国防科学技术实验室(DSTL)称，量子技术在国家和全球范围内取得的进展都超出了早期的预期，因此许多人将发展量子计算的热潮视为一场新的“太空竞赛”。3.2 量子计算落后的两大风险分析量子计算已经成为一场竞赛，尤其是因为存在落后的风险。

• 第一个风险是网络安全，因为量子计算机能够打破当前的加密协议。
• 另一个风险是技术获得。量子密码术和量子计算机正在进入国防和战略物资清单，并因此受到出口管制，同时量子计算机的使能技术也将要列入出口管制，比如：由于某些量子比特对低温环境以及低温恒温器的关键需求，美国正在考虑禁止这项技术对中国的出口。

（全文完）

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