美国防科学委员会报告:量子技术的未来应用
2020-01-15 17:35:13
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2019年12月,美国防部国防科学委员会发布《量子技术的应用》报告的摘要。摘要概述了量子传感、量子计算,以及量子通信与纠缠分发领域的主要发现,认为量子传感系统、计算及通信系统的应用将为美国防部开创量子使能能力的新时代,并就如何发展提出建议。

量子传感

①目前,量子传感器有望给工程开发带来巨大的投资回报机会,如时钟、加速度计和磁力计等;对于惯性应用,量子加速度计比当前战略级解决方案具有显著优势;干涉型光纤陀螺仪可能比冷原子陀螺仪具有更优性能。

②缺乏对性能与任务规范或新能力的严格联合分析,各个平台量子传感器的独特应用具有不同的尺寸、重量与功率考量。

③将量子传感器推向成熟,需要投资组件和使能技术,也有利于量子计算与通信。

④量子雷达不会提升美国防部的能力。

⑤量子照明可能在某些情况下提供增强成像,但相关研究仍处于起步阶段。

⑥量子电位计可用于微型天线,在国防领域具有重要应用潜力。

⑦基于原子干涉测量法的重力仪和重力梯度仪可以实现机载隧道探测、核材料探测、重力辅助导航及大地测量等功能。

量子计算

①开发可靠的一位和两位量子门对于建造量子计算机至关重要。

②目前有前途的量子位技术具有不同的保真度和相干时间。主要的量子位技术包括:超导约瑟夫森结量子位、基于离子的量子位、基于半导体的量子位、拓扑量子位、光子量子位。

③“绝热量子计算机”的实用性将由架构和应用决定,目前仍处于推测阶段。

④工业界正在将数十到数百量子位集成到云系统,以寻求有价值的短期应用,并证明该技术。

⑤全球范围内的投资正推动量子硬件、软件和算法的发展。部分国家的投资有望快速获得技术突破。

量子通信与纠缠分发

①纠缠分发允许隐形传态,将导致技术性干扰。

②量子网络将实现分布式量子计算,具备可扩展性和模块性,并允许远程、安全的量子计算。

③目前的纠缠分发仅限于概念验证、实验室中的点对点实验。

④目前,纠缠光子能够以每秒数万位的速度产生和分发。

⑤目前,存储器能够以每秒10位的速度纠缠。

⑥理论上量子密钥分发可提供香农信息论定义的密码安全,但其能力和安全还存在欠缺,不能供美国防部使用。

建议

摘要强调,量子科学与技术的核心是信息的收集、生成、处理和通信,并向美国防部提出四项建议:

①美国防部应增加对量子传感器领域的投资,推进相关技术的实际部署。

②量子计算机有望获得巨大算力,可广泛用于密码学、信号处理、物理仿真及人工智能等领域。全球工业界在该领域投资巨大。美国防部应监视并了解国内外量子计算发展情况,以快速利用新成果。

③量子纠缠分发有望用于开发高精度、大口径的传感器,也是通信和计算的关键驱动技术。该技术尚处于早期研究阶段,美国防部应进行适度投资,还应监视并了解国内外在该领域的进展。

④美国防部应与学术界、工业界进行深入合作,以解决量子技术人才的短缺问题。

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