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量子计算
《《特别报道:量子技术 》》
      2019年3月15日,美国国防杂志报告从三方面评述了量子技术的重要作用:量子计算、量子加密和量子传感是美国和其他国家(尤其是中国)正在追求的三大应用领域,各国国防正在进行量子竞赛;中国领导人已经认识到量子科学和技术的战略潜力,通过量子技术的大跃进以期增强国家经济和军事实力;中美正在进行抗量子密码学竞赛。
 
 
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文章译文

第一部分:国防社区慢慢抓住量子技术潜力

      芝加哥大学的新纳米加工设施位于地下四层几英尺长的混凝土中,研究人员就是在这里用量子物理原理解决现实世界的问题和技术。

     
      在干净的房间里,穿着防护服的一小队教员和研究生在黄色灯光下确保实验(包含了构成宇宙的基本物质:电子、光子、中子和质子)的顺利进行, 

     
       他们所在的威廉·埃克哈特研究中心位于街对面,核时代建筑师恩里科·费米领导的团队就是在那里进行了第一次自我维持核反应。

     
       受访专家称,与费米的曼哈顿项目发明一样,该大学的研究人员在芝加哥量子交换所的研究很有可能会迎来一个新的技术时代。

     
       量子计算、量子加密和量子传感是美国和其他国家尤其是中国所研究的三大应用。专家指出,这些国家之间正在进行量子竞赛,输了这场竞赛将会对国防和国家安全带来严重后果。

   
       全球期货研究所总裁兼首席执行官詹姆斯·坎顿博士接受采访时说:“如果你对量子计算不够了解,那就很难获得支持。”作为一名未来学家和军事和情报界的顾问,坎顿表示,他们目前正在讨论政府对量子计算进行更多投资的必要性,但当谈及类似“量子纠缠”这样的术语将不再被使用时,他顿感失落。  

     
       同时,中国看起来对量子应用未来充满信心,且正投入大量资金以在2030年成为该领域的全球领先者。中国在2017年夏天取得了第一项技术突破——从卫星向地面站发送量子加密通信的能力。 

 
     “没有人,没有人真的理解这多么重要。中国人就这么肆无忌惮的展示了其通过部署卫星在通信方面取得的重大突破。 ......这不应只是箭在弦上,”坎顿说。

   
      与此同时,美国相关项目逐步实现融合。国防部长办公室已建立量子科学点。谷歌、IBM、微软和英特尔等科技巨头正在构建第一代量子计算机。最近,国会授权高达100亿美元用于联邦政府资助的研究。芝加哥大学正试图在伊利诺伊州建一个量子科学中心。

   
     “我们开玩笑说,这些洁净室是本世纪的机械工厂。这就是现在的制造方式,再也不是车床和工厂了,”交易所主任、Liew Family分子工程教授代维·奥沙隆说道,他向一群记者介绍了该设施。该实验室位于地下深处以保护实验免受手机信号影响。研究人员正在研究直径为6纳米(大约是并排放置的8个原子长度)的光束。  

   
      他们在表面上蚀刻图案,然后化学剥离这些层,以制作粒子的可控微小电路,其中,光刻工艺是黄光产生的原因。

 
    “所有物质和物理定律都由量子力学控制。最近,我们已经想出了一些方法来实现相关水平,我们正打磨工具并利用它们来构建新技术,” 奥沙隆说。

   
       该大学及其管理的两个能源部国家实验室——阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室——以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校,都是量子创新中心的一部分。芝加哥大学聘请了12位量子物理学家并在这一全新领域持续招收研究生进行研究。  

     
      奥沙隆指出,美国目前尚无量化劳动力可言。学生须接受不同培训,在工程和物理课程中学习了一些量子力学,但在计算机科学方面学的并不多。他补充说,该大学已创建了该领域的最高学位,但创建量子劳动力可能需要十年或更长的时间。他说,该大学正在接受国防部及其他联邦资源资助。

     
      费米实验室副主任兼首席研究官莱肯说:“世界上只有少数几个人知道如何建造量子计算机,如果这几个人不在你们中间,那就别再想这事了。” 

     
      奥沙隆说,采取这项基础研究并将其应用于实际问题的努力“进展顺利”。这引发了全世界的量子技术计划:中国投资了一个价值100亿美元的量子研究中心,欧盟、澳大利亚和日本也都制定了相关计划。

       
      美国国家标准与技术研究院正处于组建量子经济发展联盟的初期阶段,该联盟旨在扩大美国新兴工业,特别是均应用于国家安全的量子计算、量子通信和量子传感领域。  


      坎顿表示,他为向军方成员传达人工智能的重要性付出了艰难努力,因此让更多其他人了解量子科学重要性会更加困难。

     
      “我的全部使命就是告诉客户如何了解这些极具破坏性的新兴技术。我们所说的是超级加密、超高速尤其是更深层次的多维智能。‘量子’是纳米、生物、IT、神经等所有其他技术的加速器,我们需要深度思考其重要性。”

       
        奥沙隆说, 量子加密、量子传感、量子计算三个领域中,量子加密和量子传感在未来十年内是最佳投资。

     
       最近,谷歌开发了一款72比特的计算机。量子比是物质的基石,包括电子、质子、中子和光子。坎顿说,其与数字计算的1和0、生物技术的DNA和大脑的神经元类似。然而,创建高容量量子计算机以完成诸如突破加密等任务需要超过72个量子比特的数量级。

     
      今年1月份,IBM和芝加哥量子交易所宣布将合作开展国家科学基金会资助的项目——《实现实用量子级量子计算》”,旨在“缩短实际量子计算时间”。

     
      奥沙隆表示,如果将现在的技术与早期的计算机进行比较,那么“我们处于真空管水平或晶体管水平,当然,我也不是十分确定。” 

     
       国家安全界最关注的问题之一是加密和强大的量子计算机轻松打破现代安全通信的可能性。 

     
       不可攻击的网络是国防和情报界的另一个可能应用。安全通信由中国于2017年6月推出,当时其利用量子纠缠将数据从其Micius卫星发送到了地球地面站。

     
      奥沙隆说,宇宙飞船正在进行的实验对美国乃至全世界产生了重大影响。中国通过锁定在轨道上的地球同步卫星产生纠缠态并在相距1200公里的两个工作站之间进行加密技术通信。据媒体报道,该组织后来与奥地利维也纳的科学家进行了75分钟的加密视频会议,将距离延长至了7500公里。

     
       奥沙隆指出,欧盟首先提出了这项实验但却无法为其提供资金。因此中国愿意接下这一任务,此后,中国对相关发现持十分开放的态度。中国也正在采纳国际社会提出的建议。“我认为科学竞争是一件非常好的事情,公开竞争其实很有帮助,因为这会提高标准。我认为,他们的卫星项目技术上取得的成就的确非同寻常。”

     
      尽管本着国际合作精神,但该实验确实促使国会为基础和应用量子研究提供了更多资金。在12月底签署的国家量子倡议法案有权在未来五年内向能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金会提供高达12.75亿美元(具体情况视年度拨款而定),用于研究和量子科学与信息技术的发展。此外,行政部门需制定一项十年计划加速该领域工作并加强政府、工业界和学术界之间的合作。

     
      坎顿说道,提高预算是一个良好开端,但我们真正需要的是一个包括政府和谷歌和微软等公司的财团。“我们需要与私营部门建立更密切的合作关系,因为其已投入了数十亿美元用于量子计算”。

     
      空军研究实验室信息管理局副局长迈克尔·海都表示,与私营部门的合作进展顺利。该实验室依靠大公司开发量子计算机,因此可以专注于研发通信、精确导航和精确定时等军事上的独特应用。同时,在过去的一年中,空军、陆军、海军和国防高级研究计划局也在协调他们量子科学的相关研究。

     
       他说,国防部长办公室最近任命保罗·洛帕塔担任量子科学副部长。

   
     “现在,各服务部门正在开展很好的协调。这就是我们真正想做的:如果可以的话,实现收益最大化,毕竟单打独斗是不够的,”海都说。

       
      美国空军研究实验室主要研究四个主要领域:安全通信、精确定时、精确导航和量子计算。在接下来的五个预算周期中,约1.5亿美元将用于投资该领域。

     
      就计算机而言,该实验室正让私营公司将其资源投入硬件研发。他说,该实验室对如何创建有助于解决问题的软件很感兴趣,例如建模复杂的化学过程或如何在快速变化的战场区域中提高物流效率等。

     
      另一种应用创建安全、抗干扰的GPS替代品。该实验室正在研究各种基于量子的传感器来解决这个问题,同时也研究时序因为这可以使用量子物理更精确地实现全局时序同步。  

     
      这些并不新鲜,美国空军研究实验室十多年来一直致力于研究量子科学,但其研究现在才开始获得动力。“许多努力正在获得回报,该实验室正在超越纯理论和实验室实验。我们希望这一点、以及相关突破都能真的应用于空军”海都说。  

     
      他预测在未来五到十年,计时和导航应用程序将迎来发展的最佳时机,通信和计算也将实现进一步发展。

     
     奥沙隆说量子传感器有很大的潜力。“你可以使其规模远低于微米,即人类头发宽度的一小部分,你可以将其置于活细胞中,也可以用其来探测分子、感知电场、磁场、温度、某些化学物质,其精确度将让你倍感震惊。” 

     
     海都说,这些传感器可用来帮助人们更好地理解化学,这将对材料科学产生重大影响,如海军可以用其来解决船舶腐蚀问题。  

     
      与芝加哥大学一样,美国空军研究实验室也致力于创造未来的量子力量。

   
    “这是空军战略的一部分,当然,也是国家战略的一部分,下一代,不仅有着量子物理学家,而且越来越多的人会使用量子技术,”海都说。

 

     量子101:理解幽灵
 

     量子技术通过操作中子、光子、电子和质子来执行任务。

     
     这些粒子或“量子比特”是物质的基础,因为其并不总是按照我们的预期方式“行事”,因此去理解如何使用它们也变得愈加困难。“怪异”一词便经常用以描述这些粒子的运动。  

     
      有几个定义可以帮助“解开”这一很难理解、但或许会对国家安全产生深远影响的科学领域。

     
       纠缠:量子纠缠被认为是科学中最难掌握的概念之一,是量子计算、加密和通信的基础科学。其中,一个规则是诸如光子之类的粒子在未观察到的情况下存在于所有可能的状态中,但在观察时仅存在一种状态。当两个粒子在物理上相互作用时发生纠缠。可以通过发射激光穿过光子将其分开,然后将其分开来操纵。虽然这两个粒子可能分开很远,但其仍通过被阿尔伯特·爱因斯坦称之为“幽灵行动”而保持联系。尽管其可能相距数百公里,但其行为方式保持一致。

       
       美国空军研究实验室的研究人员认为,或许某天,这些纠缠的相关性会产生大规模的通信和传感网络。美国空间研究实验室信息理事会副主任迈克尔·海都说:“我们对这方面的一切都非常感兴趣,包括地面通信、地对空通信,当然还有空对空通信,以解决空军问题。”

       
       由芝加哥大学领导的芝加哥量子交易所打算创建第一个地面量子通信链路。阿贡国家实验室是DARPAnet中最早成为互联网的节点之一。该联盟,与AT&T、喷气推进实验室和加州理工学院的合作伙伴,正在开展能源部资助的项目,该项目利用量子纠缠原理将Argonne与48公里外的费米国家加速器实验室连接起来,该研究或许会催生新一代网络。  

       
        叠加:Qubits可以同时存在于不同的状态,其可以以不同的速度移动,具有不同的能量水平或处于不同位置。  

       
        量子力学中的叠加表明,粒子可以同时存在于所有不同的状态。这使得使用量子位的计算比使用1和0有更多变量,会帮助构建更强大、更快的计算机。  

       
       另一个原则指出,试图观察或干扰颗粒将导致其被破坏。这可能会增加完全安全信息:“你可以肯定,没人偷听过,”芝加哥大学交换主任和Liew Family分子工程教授戴维·奥沙隆说。“很多人对商业、政府、个人安全感兴趣。您肯定想确保信息的保密性吧?”

 

      第二部分:中国:量子科技的巨大进步?

   
    “中国领导人认识到,量子科学和技术具有提高国家经济和军事实力的巨大战略潜力,”新美国安全中心艾尔莎·卡尼亚和约翰·科斯特洛在2018年9月的一份报告中提到。

       
      报告称,中国领导人用资金和人力支持其言论《量子霸权?中国野心和对美国创新领导力的挑战》。中国国家主席习近平将量子科学列为国家最重要的技术优先事项并希望到2030年超越全球其他地区。

     
      报告指出,“尽管中国是这场比赛的后来者,但这场比赛不是短跑,而是未来十几年内的一场马拉松,而中国科学家有着无限的资源,并且最近已建立了纠缠量子比特的新世界纪录,在这场马拉松中一定能够后来者居上”。

     
      专家们表示,人们对中国2017年6月Micius量子通信卫星测试所产生的紧迫感应该和中国在2007年击落一颗已停产卫星时是一致的。

       
       芝加哥量子交换中心主任和分子工程Liew Family教授戴维·奥沙隆表示,这项实验使得美国政府意识到必须“提升自己的竞争力”。

     
      中国科学院希望在未来五年内发射一些微纳米卫星来建立量子通信基础设施,卡尼亚在新美国安全中心小组讨论报告时表示。她补充说,有报告称,量子雷达、遥感和量子导航的量子成像技术都有进步,可以用以指导未来的导弹研发。虽然美国有自己的项目,但中国也已经建立了集中的北京量子信息科学研究院。

       
      与此同时,在美国的中国研究生仍存在争议,因为其可以回到中国并向国内分享其所学知识。

       
      最近离开新美国安全中心担任美国国土安全部国家保护和计划局战略、政策和计划主任的科斯特洛说:“我不是说这有何不妥,但中国将其送出国,学成之后再带回来,实际上是为研发和投资提供资金,这已经成为了中国的一个模式,这一点,我们见多了。”

     
       芝加哥量子交易所有大约250名研究生,专门研究来自世界各地的量子科学,包括中国。保持学术自由对大学至关重要,奥沙隆补充道,科学竞争很好。

   
     “我们相信自由和开放的沟通,不接受任何对出版物施加任何限制的政府机构的资金。......如果有问题,不要给我们钱或干脆别来这,”他说。

     
       卡塔尼亚和其他中国观察人士警告说,在谈到这些技术举措时,国家“不超过10英尺高”。“这将在未来几年内上演, 但支持能否长期持续, 还有待观察,”卡尼亚说。  

 

      第三部分:量子抗性密码学竞赛

     
     专家表示,计算机科学领域正发生一场鲜为人知的技术竞赛,这可能会对依赖加密通信的人产生巨大影响。

     
      技术人员担心高容量量子计算机将能够快速轻松地通过现代加密技术得以破解,从而为世界各地的人们提供绝密数据和信息。

     
      依赖于光子、中子、质子和电子(统称为量子比特)而不是0和1进行计算的计算机,预计会比现在的超级计算机强很多。这种计算机的开发正在进行中,美国和中国都致力于建立下一代计算机。

     
       人们认为,实现这一点或许需要十年甚至更长的时间,但那些发送和存储加密数据的人必须开始考虑这个问题了,SafeNet AT产品管理副总裁比尔·贝克尔说道,其还向政府人管提供信息保障。

   
     “我们知道密码学存在风险,”贝克尔在接受采访时说。

       
       问题的核心是密码学中使用的随机数生成器,其并非真正的随机而是由人类创造的计算机算法创建的。这一问题可以通过量子计算机解决。

     
       美国国土安全部国家保护和计划局战略、政策和计划主任约翰·科斯特洛表示,恐惧也是一个“量子惊喜”。

     
       中国正在向量子科学投入大量资源,其并非要向全世界宣布其已开发出高容量量子计算机,他在新美国安全中心小组讨论中说。

   
     “加密是许多网络安全系统和许多信息安全中的一种,因此打破这种能力以及破坏信息安全基本支柱的能力会在所有关键基础设施和技术生态系统中造成系统性风险,”科斯特洛说。

     
        换句话说,如果中国首先开发出高容量量子计算机,可以秘密地检查安全数据并可以查看其多年存储的拦截数据,我们等待通过量子计算获得这些数据那天的到来。其中有些或许已经过期,但并不是所有都会过期。

     
       为做好有关准备,美国国家标准与技术研究院开展了一种后量子密码学计划,要求参与者创建一组具有量子抗性的算法。

     
      贝克尔说,第一步是创建这些新算法将其集成到协议中,再将协议集成到产品中。

   
   “这需要相当长的时间,”他说,但现在是时候开始了,那些希望五年或十年存储加密数据的人必须计算并考虑中国是否会在这段时间内引发“量子惊喜”。贝克尔说,如果这样的话,其数据将面临巨大风险。

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