说说第二次量子革命的发展2023版.docx

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1、说说第二次量子革命的发展2023版目录编者按1?总体概况1?第二次量子革命：改变世界格局的机遇与挑战2?基本赋能样式4?量子计算4?量子网络/通信4?量子传感5?量子成像5?国防应用分析6?量子通信应用6?量子情监侦。SR）应用6?量子磁传感器和重力传感器7?量子射频接收机7?量子导航应用7?量子计算应用7?中国己在第一梯队8?结语9编者按自IOO多年前量子力学创立以来，通过对量子行为统计性的研究，催生了包括核裂变、激光、半导体在内的众多技术产品，对人类生活以及战争样式产生了重大的影响，被称为由量子力学引发的第一次技术革命。近年来，随着量子技术的进一步发展，各国开始广泛研究包括电子、原子、原子

2、核、分子、准粒子等单个量子系统的行为，人类很可能会由此进入第二次量子革命时代。总体概况第二次量子技术革命将充分利用量子特性一一分子、原子甚至更小粒子的相互作用，加速在不同领域的实际应用。此次技术革命将利用量子物理学的特性来实现新功能，帮助将电子产品的性能以超越摩尔定律的速度提升。此外，量子技术可大幅提升传统技术可实现的功能，如灵敏度、准确性、速度或易用性等方面（在某些情况下会有几个数量级的提升）。由此，量子技术可能会成为纳米、生物、信息和神经等其他技术的加速器，大大提升计算、通信、密码学、导航和感知能力。针对战争范畴，量子科学将确保强大的传感器和射手网络能够在虚拟和物理域加速探测、评估、瞄准和

3、打击流程，提高杀伤链运转速度，以获取战场优势。图1“量子战争”概念图根据北约评估，目前以美国等国为代表的军事强国都将量子技术作为长期国防规划的前沿领域，在技术不断迭代的情况下，很可能将对现有战争样式产生颠覆性改变。第二次量子革命：改变世界格局的机遇与挑战近年来，量子信息技术方兴未艾，不少人认为人类正站在下一代量子革命的门槛上，量子力学正在催生变革性技术。20世纪物理学革命诞生了两大科学理论，即相对论和量子力学。作为物理世界的百岁“幽灵”，量子力学自1900年诞生以来催生了许多重大发明一一原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位等。带来这些成果的“第一次量子革命”改变了世界面貌，成为社会跨越

4、发展的基石和动力。2014年，英国自然杂志吹响“第二次量子革命”的号角。以量子信息技术为代表的量子调控，是量子力学的最新发展，带来了“二次革命”。这是一次巨大的飞跃，人类对量子世界的探索已从单纯“探测时代”走向主动“调控时代”，将在量子计算、量子通信、量子网络、量子仿真等领域实现突破，成为解决人类对能源、环境、信息等需求的重要手段。基于量子信息技术推动科学、工业和社会取得革命性进步的巨大前景，专业人士认为，“量子技术在21世纪的重要性可与20世纪的曼哈顿计划相比，可能像曼哈顿计划造出原子弹那样改变世界格局”。目前，这一领域的国际竞争不断加剧，欧美纷纷启动“第二次量子革命”计划。面向未来，新科技

5、革命和产业变革将是最难掌控但必须面对的不确定性因素之一，抓住了就是机遇，抓不住就是挑战，就可能陷入战略被动，甚至错过整整一个时代。基于此，后发国家欲赶超发达国家，应加强前瞻谋划，密切跟踪、研判世界科技创新发展的趋势，明确主攻方向和突破口，在科技资源上快速布局，激发后发优势，力争把握机遇，赢得未来。要坚持国家统一领导的中长期规划同近期计划相结合的大规模发展道路。美国之所以能在科技领域长期保持世界领先地位，与美国政府在不同时期提出带动科技进步的国际重大工程，动员各种资源予以实施不无关系，比如“曼哈顿计划”带动了核工业发展，“星球大战计划”带动了航空航天事业发展，“信息高速公路计划”带动了互联网的发

6、展。在赶超过程中，后发国家要以国家目标和战略需求为导向，超前布局一批重点科技项目，尽早启动国家科研重大专项、组建国家实验室，集中力量抓重大、抓尖端、抓基本，力争在重大项目、重点方向率先突破。要打破“创新孤岛”的藩篱，建立科技成果向生产转化的有效手段。发达国家在用户、技术持有者和政府之间建立起紧密的连接转换机制，科技成果转化率一般高达60%左右。由政府出资建立专项基金，增强企业对技术的工程化和中间试验投入的积极性，科研成果推广应用后取得的收益与技术持有者合理分享，能最大限度解放和激发科技作为第一生产力所蕴藏的巨大潜能。美国量子技术领域就有许多高科技公司参与投入其中，IBM公司2014年提出，将于

7、随后5年内在以量子计算技术为重点的一些领域投入30亿美元。要充分利用全球科技资源，深入开展国际科技合作与交流。科学是无边界的，相对于竞争，科技发展更呼唤合作。今天，跨国界、区域性、全球范围以及涉及全人类共同利益的科学问题正成为各国政府和科学界关注的热点，双边和多边参与的国际大科学研究计划成为普遍采用的一种科学研究组织方式，基于多边合作的大科学工程成为推动科学前沿发展的重要基地。量子技术的发展不能闭门造车，而是要合作联盟。2015年年底，欧盟采取大规模国际合作，推出用于发展量子信息技术的一系列重大计划，英国也与新加坡合作推动在小型卫星上开展量子实验的项目。目前这些国家在量子领域的不同细分项目中都

8、有各自优势，结合各方力量将有助于更快、更全面地转化量子技术的潜力。以“第二次量子革命”为代表的新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起,随着今年全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射，我国在量子通信领域的探索迈向了世界最前沿。“高端科技就是现代的国之利器”，我国科技发展与发达国家相比总体上还有差距，许多产业仍处于全球价值链的中低端，一些关键核心技术受制于人，要想在未来发展中后来居上、弯道超车，就必须实施非对称赶超战略，“在关键领域、卡脖子的地方下大功夫”，聚焦重点任务，配置资源，集成攻关，在更多科技领域逐步由跟跑者变为并行者、领跑者,最终实现科技大国向科技强国的根本转变。?.基本赋能样式从应

9、用赋能角度，可将第二次量子革命技术分为量子计算、量子网络/通信以及量子传感、成像几大类。?.1.量子计算量子计算是一种新型计算模式，受量子力学规律调控，基于量子信息单元完成计算，显著区别于传统计算模式。基于量子纠缠态计算建立的计算机被称为量子计算机，典型代表包括可编程量子计算机、量子退火器（一种不完美的绝热计算）和量子模拟器。量子计算机的硬件基于纠缠态光量子的生成和湮灭，遵循量子计算理论，处理和计算的不再是简单电平信号而是量子信息，运行的基本逻辑也不再是简单的与或非门电路，而是量子算法，可提供比经典计算机更大的计算优势。该技术距离实际应用至少还需10年时间，在可预测范围内不会全面取代经典计算机

10、。?.2.量子网络/通信量子网络/通信是通过光纤线路或太空空间通信等各种渠道传输量子信息（量子比特）。第一代量子网络中唯一的实际应用是量子密钥分发（QKD）QKD与传统的非对称加密（也称为公钥加密）相比的一个显著优势是，任何拦截或窃听尝试都会立即被发现。QKD在商业上可与光纤一起使用，商用QKD服务可能将在未来两到五年内推出。注意，QKD通常被认为是不可破解的，但这仅适用于正确实施的量子信息传输途径上，而由经典计算机控制的端点将仍然是进攻性网络行动的目标。下一代量子网络，被称为量子信息网络（QIN）或量子互联网，其分发纠缠量子比特的能力有所不同。QIN将提供更多与安全相关的服务，如安全识别、位

11、置验证和分布式量子计算。相关技术应用也将推动高精度的时钟同步和联网的量子传感器的发展。量子互联网实现的最大障碍是缺少可靠的量子存储器来存储量子信息，难以找到可靠地存储也就难以实现在多个中间节点的网络上实施同步和分发。量子互联网预计将在2030年后才能逐步应用。?.3.量子传感量子传感旨在更精确地测量各种物理变量，如磁场或电场、重力梯度、加速度和时间。加强化的时间测量可用于获取更精确的时钟（许多当前技术使用）、量子惯性导航、地下和海底探测、更有效的射频通信等领域。量子传感是目前发展最成熟的量子技术（平均最高TR1）,但目前部署的传感器的有效性仍具备很大的不确定性。此外，在军事应用上往往需要具有低

12、SWaP（尺寸、重量和功率）的便携式或移动解决方案。同时，量子传感器的空间分辨率需要提高，这通常与灵敏度成反比。例如，使用高精度的量子传感器实现从太空探测潜艇这种功能是不可能的，因为高空间分辨率通常将导致灵敏度不足。另方面，一些量子传感器实用化发展迅速，如量子导航中的传感器，预计将在未来五年内做到能够在相关领域环境中进行测试。?.4.量子成像量子成像是量子光学的一个子领域，与量子传感器（测量一些外部量）相比，它往往是有源体制（即，发射一些信号，需要检测其反射信号）。信噪比（SNR）代表传感器灵敏度的基本极限。然而，使用量子纠缠可以获取更高的SNR,因为在没有纠缠相关先验知识的情况下，信号本身可

13、能在背景噪声中无法被识别。量子成像可以改进现有技术，如量子雷达、三维相机、角落摄像头、气体泄漏摄像头和低能见度视觉设备。?.国防应用分析量子技术将成为未来战争中的重要技术，可以应用于情报侦察、加密通信、武器装备和指挥控制等多个方面。量子技术可以通过破解加密密码，获取敌方情报信息。同时，量子技术还可以应用于武器装备的精密制造和调整，提高其作战效率和杀伤力。历史无数次证明，国防建设往往会成为新兴技术创新的最大驱动力。目前,尽管各国在量子技术上投入巨大，但现有能力仍处于实验室阶段，技术成熟度较低。在未来作战中，量子技术可能在以下应用领域崭露头角。?.1.量子通信应用自由空间量子通信将是未来量子互联网

14、的一个重要抓手，越来越多的量子通信资产将被部署在空天领域。但作为军事或政府卫星通信服务的一部分，其发展需要新的基础设施和更多的投资。此外，目前的产品性能对于实际应用来说太低，量子网络的低密度使其非常脆弱。空天领域的量子通信系统目前还是主要用于研究和开发、概念验证演示以及实验性应用，且更多的是商业应用。从未来发展看，随着量子存储器的可靠性不断提升，以及高速量子光学的进一步发展，2030年后可能会在太空中广泛部署的量子物联网。此外，与抗量子密码学(PQe)高度相关的量子密码学也将成为量子通信的关键能力一一PQC仅通过软件的升级便能实现，这意味着更短的部署时间，并能够依托现有的经典网络进行应用。?.

15、2.量子情监侦(ISR)应用量子技术可广泛赋能各种空天感知和成像系统，也可显著改进现有ISR能力。将量子ISR能力与传统能力相融合，可以利用两者的优势并抵消两者的缺点，从而开创ISR的新纪元。然而，充分实现这些可能性将取决于量子计算和通信的发展程度。以量子成像系统为例，该系统可以进一步发挥情报、监视、目标捕获和侦察的作用，涵盖远/近距离、有源/无源状态下的全天候、昼夜战术感知和隐身探测模式。此类系统可以作为低光或低信噪比的视觉设备，在有云、雾、灰尘、烟雾和丛林树叶的环境中或在夜间工作。典型应用可帮助直升机飞行员在多尘、多雾或烟雾环境中着陆。?.3.量子磁传感器和重力传感器量子磁传感器检测磁场，可精准探测局部磁场异常或微弱的生物磁信号，目前这类系统正处于开发阶段，用于探测产生局部磁异常的金属物体，如地雷、简易爆炸装置、潜艇、伪装车辆等。此外，量子磁传感器也可以作为水下导航的替代方法。量子重力传感器正在开发地下监视系统，测试探测地下结构能力,如洞穴、隧道、掩体、研究设施或导弹发射井。这两种传感器都可以部署在近地轨道的机载系统或太空资产上。?.4.量子射频接收机量子射频接收机能够提升探测性能，例如更宽的频带、更好的SNR、更小的尺寸、更好的到达角检测性，且具备自校准能力，不存在因金属部件产生的额外噪声，其光学状态下的输出将实现更快的信号处理和强弱场的测量能力。在国防应用中，量子射频接