SNR:量子技术的商业和军事应用及其时间轴_SNR价格区块链工程专业学什么

本报告是兰德公司一组简短分析报告之一，这些分析报告主要针对关键的新兴技术，并对其在世界各地的发展提供了看法。这些分析涵盖了量子技术、提高人类性能的技术、半导体、人工智能和网络安全的交叉点、深度造假的产生和检测，以及使用专利数据来协助理解新兴技术的全球趋势。本报告的重点是量子技术。本报告简短的技术分析从公开资料中获得，以提供技术现状的概览，合理的演变，以及正在研究该技术的思想领袖、公司、研究所和国家。报告相关研究在2020年7月完成，并在公开发布前经过了美国国防部的安全审查。

报告全文约15000字，篇幅所限，推送部分为节选。

量子力学是描述微观粒子行为的物理学领域。在小于几纳米的距离尺度上，根本性的新物理效应变得很重要，这与人类的日常经验没有可比性。工程师们现在开始能够创造若干种利用这些效应的设备，以便远远超过现有设备的能力。

量子技术是一个广泛的总括术语，涵盖了这些类型的设备，其中许多仍处于早期实验阶段。量子技术通常被归为三大类：量子传感、量子通信和量子计算。量子传感最接近商业部署，但潜在的颠覆性影响最小；而量子计算距离商业部署最远，但潜在的颠覆性影响最大。

本报告简要介绍了量子技术在这些领域的现状和前景。1它还考虑了未来几年可能的商业前景，主要的国际参与者，以及这些新兴技术的潜在安全影响。

表1给出了量子技术的领域，它们的应用、预测的时间轴，以及目前国家技术领导者的摘要。

表1.量子技术领域摘要

量子技术概述

本章概述了量子技术三大类中每一类的潜在用途：量子传感、量子通信和量子计算。

量子传感

量子传感和计量学）指的是使用量子力学来构建极其精确的传感器能力，该应用被认为是最接近于商业潜力的量子技术。

汇丰银行在英国试验量子安全金融交易网络:金色财经报道，汇丰银行将与亚马逊网络服务、英国电信和东芝合作，利用量子加密技术进行一系列试验和实验。汇丰银行是第一家致力于试验新型量子“地铁”网络的银行，该网络是一种安全交易系统，利用牢不可破的加密技术通过量子密码学来确保交易安全。该量子城域网络由东芝与电信巨头英国电信合作开发，旨在允许机构之间无条件安全地进行交易。

汇丰银行将在该网络上试验多个用例，包括金融交易、视频通话和边缘计算。汇丰银行将试验的关键量子技术用途之一称为“量子密钥分发”（QKD），允许相隔一定距离的两方以安全的方式向彼此发送信息。[2023/7/6 22:19:57]

时间的精确测量；加速度；以及电场、磁场和重力场

量子传感技术的一种应用包括能够对经过的时间、加速度或电场、磁场或重力场进行高度敏感测量的探头。高度精确的时钟可以有商业应用，如验证高频金融交易和动态调节智能电网。敏感的重力计可用于地震和火山爆发的地震学预测，用于石油和天然气储量的地下勘探，或用于评估主要建筑项目下方的地面稳固性，而无需挖掘钻孔。2制造汽车零部件和其他精密工业技术的德国博世公司正在研究将量子加速计纳入汽车，特别是自动驾驶汽车的可能性。量子磁力计也可以在生物医学上应用——例如用于改进磁共振成像和正电子发射断层扫描扫描仪。

量子传感的另一种应用，主要是在军事方面，在GPS无法使用的环境中进行导航。地球的引力场和磁场有微小的变化，被称为异常点，这些异常在不同的地方也不同。敏感的重力计或磁力计可以精确地测量当地的场，并与这些异常的地图进行比较，从而在不需要任何外部通信的情况下进行导航。同样，改进的加速度计可以实现独立的惯性导航系统。英国的一位国防实验室研究人员估计，这些定位、导航和授时的量子技术应用可以使潜水艇固定其位置的精确度比目前可能的高1000倍。由于这种导航技术完全基于操作车辆内部的场，它不需要外部通信，不能被截获，而且极难被干扰。然而，磁场导航的一个缺点是，需要提前绘制出预导航区域内的磁场，这在被拒止的地区可能是一个挑战。

量子成像

另一类量子传感被称为量子成像，其中包括对可见光和射频辐射的检测。其中两个最有前途的应用被称为幽灵成像和量子照明。

Qtum量子链基金会今年第一季度支出44枚BTC:4月14日消息，据官方博客，Qtum量子链基金会公布2022年第一季度财政支出报告。今年第一季度，Qtum量子链基金会支出了44枚BTC，平均每月支出14.67枚。其中，技术开发占35.8%，业务开发占33.7%，运营成本占19.6%，公关和营销占10.9%，技术合作及合规成本为零。[2022/4/14 14:23:49]

1.幽灵成像

幽灵成像利用光的独特量子特性，使用非常微弱的照明光束来探测远处的物体，被成像的目标很难发现。幽灵成像光束也可以穿透大气中的遮蔽物，如烟雾和云层。开发该技术的美国陆军研究实验室的研究人员建议将幽灵成像用于从地面、无人驾驶飞行器或卫星的长距离情报、监视和侦察。除了明确的军事应用外，穿透烟雾和云层的能力对于天气监测或灾难响应也很有用。这项技术在穿过烟雾或强烈的大气湍流时可能特别有效，并且已经公开演示了2.33千米的距离。图1描述了早期在1千米距离上的演示结果。

2015年相关专业人士曾讨论过使用幽灵成像进行秘密行动的可能性。幽灵成像可以提供比标准成像更高的分辨率，特别是在非常低的光线环境下，所以即使光束比标准成像所需的弱得多，照明光束仍然可以产生一个可见的图像；因此，光束很难被目标发现。3此外，即使信号光束被检测到，编码图像也不能被截获，因为重建图像所需的一些信息被储存在幽灵成像装置内。

图1位于窗口1千米以外的照相机对两张汽车牌照的幽灵成像示意图和显示了来自幽灵成像装置的图像；图显示了由传统相机拍摄的图像。为了节省空间，原图中的一些图像已被删除。图和的左下角的字符是一个汉字。）

2.量子照明

量子照明在概念上与幽灵成像相似，但可以提供更大的灵敏度改进。Tan等人在2008年用数学方法证明，量子照明装置可以达到的信噪比比不利用量子力学的理论上可能的最佳装置高6dB。4这项技术的一个用例是军事应用的量子雷达。从理论上讲，量子雷达对于探测高噪声背景下的低反射率目标应该是独特有效的，所以它对于探测隐身飞机特别有效。信噪比提高6分贝，相当于雷达的最大探测范围增加41%。5此外，原则上，量子雷达可以具备信号极难被拦截或干扰的能力。6

“量子动力FACEGOOD”获新一轮战略融资:12月20日消息，“量子动力FACEGOOD”获新一轮战略融资，由行业头部产业方领投，达瓦科技跟投，以及老股东驰星创投持续跟投。本轮融资将用于产品进一步研发、海内外商务拓展、人才招聘等。据介绍，量子动力FACEGOOD定位工业级3D表情动画软件，这也是元宇宙概念的核心底层技术。（鞭牛士）[2021/12/20 7:50:24]

公开文献中还没有大规模量子照明雷达的报道，但已经有桌面原型的演示。一个这样的原型成功地展示了比非量子设备可能更高的信噪比。7

与幽灵成像一样，量子照明的增强灵敏度可以允许使用比一般情况下更弱的信号束。因此，量子照明也可以应用于生物医学成像，在这种情况下，传统成像设备的强信号束会损害被研究的组织。

即使是量子雷达的理论设计也仍然处于极其早期的阶段，直到最近，量子雷达只能够改善对目标距离收发器的测量，而不能改善目标的方向。然而，2020年的一篇科学论文改进了理论设计，能够同时改善对目标的范围和方向的确定。当然，即使有了这种新的设计，也没有办法跟踪目标的速度或运动方向，因为现有的雷达可以通过多普勒效应来实现。因此，如果在设计上没有重大进展，量子雷达的军事用途仍然有限。

量子通信

量子通信技术近期的主要应用是防止窃听者，主要是通过一种被称为量子密钥分配的方法。在量子密钥分配中，加密密钥以被称为光子的量子粒子的形式在通信双方之间进行传输。由于这些粒子的量子性质，任何拦截它们的窃听者原则上都会在数据流本身留下签名；如果协议实施得当，那么在物理上不可能观察到光子，从而也无法对它们进行某种修改。如果通信双方交换一个未被破坏的加密密钥，那么就可以保证没有人截获他们的密钥传输，从而没有人可以解密相应的加密数据。由于这个原因，量子安全通信有时被称为“不可破解”。

然而，这个术语过度简化了量子密钥分配的安全性。在实践中，有一些技术上的细微差别会导致漏洞，而且量子密钥分配的商业实现已经被反复证明有安全漏洞。此外，即使通信信道对物理拦截的脆弱性得到保障，信号仍然需要由容易受到黑客攻击的计算机在端点进行编码和解码，因此保障数据流免受物理拦截并不足以确保通信安全。

IDhub将与于Qtum量子链共同构建依托于数字身份的可信数字生态体系:基于开放原则与区块链技术的数字身份应用平台IDHub官方宣布，将基于Qtum量子链开发，同时借助Qtum量子链丰富的开源社区资源以及技术优势，IDHub将与之共同构建依托于数字身份的可信数字生态体系。[2018/1/4]

量子密钥分配已经在三种不同的物理通信渠道上进行了演示：光缆、露天和卫星。光纤电缆是最常见的媒介，但传输端点必须固定，而且光子在衰减前只能传播几百千米。通过自由空间的传输允许可移动的端点，但它需要直接的视线传输，而大气干扰目前限制了最大距离，甚至更短的距离。82017年和2018年，中国的量子卫星“墨子”号从太空发射光子流，对中国和奥地利之间75分钟的电话会议进行了完全安全的加密，这是对量子密钥分配更引人注目的演示。到目前为止，“墨子”号是唯一一颗从太空展示量子密钥分配的卫星。

今天，通过光纤电缆的量子密钥分配已经有了有限的商业应用。一家名为IDQuantique的瑞士公司已经在荷兰电信数据中心之间、瑞士银行之间以及瑞士政府选举中心之间建立了量子密钥分配。中国已经建立了一个连接北京和上海的广泛网络，并且在2020年，日本东芝公司的研究人员通过量子密钥分配传输数百GB的人类基因组数据，创造了新的数据传输记录。

量子计算

量子计算是最广为人知的量子技术，但也可能是距离实际运用最远的一种技术。原则上，量子计算机可以比标准计算机从根本上更快地进行某些计算——以至于某些在标准计算机上完全不可行的问题在量子计算机上可能变得可行。尽管如此，针对具体应用的已知算法却少得令人惊讶。事实上，有许多计算问题，预计量子计算机不会比经典计算机有任何明显的改进。9此外，建造一个有用的量子计算机面临巨大的工程挑战，而且今天只存在小规模的原型。

两个最重要的量子算法是舒尔算法和格罗夫算法。舒尔算法可以用来对大数进行因式分解，其速度比任何已知的经典算法都要快。10几乎所有用于保护互联网流量的公钥加密算法都依赖于因式分解和类似计算的计算难度。11因此，舒尔的主要应用是对通过公开渠道传输的敏感信息进行解密，这对在线商业和国家安全有明显的影响。舒尔也可以用来破坏大多数区块链协议的安全性，包括比特币的协议。目前，已经有人提出了对量子攻击安全的区块链设计。

量子链市值创新高涨幅达74% 全球交易金额高达20亿美元:根据okex数据显示，18日上午9点半，量子链（QTUM）从低位25.2美元位置，开始呈现上涨的趋势，晚间9点45分，QTUM价格最高涨至43.99美元，涨幅达74%。全球交易金额高达20亿美元。现收于40.76美元。这一波上涨行情可能是由于现在众多的项目都是通过量子链募集资金，造成了大量的量子链被封锁，流通数量稀缺，流动性减少，推升价格上升，建议投资者时刻关注行情走势，谨防风险。[2017/12/18]

格罗夫算法提高了大型数据库粗暴搜索的速度，也提高了数值优化的速度。12然而，格罗夫算法的速度提升远没有舒尔算法那么显著。舒尔算法比最著名的经典算法有指数级的提速，而格罗夫的算法只给出了平方根的提速。13此外，这个速度已经在数学上被证明是粗暴搜索的最佳速度；没有任何可能的量子算法可以提供更好的速度。然而，即使在数据库搜索和数值优化方面有适度的改进，也可以在许多需要高性能计算的领域有重大应用，如工程和基础科学。一个非常不完整的潜在应用清单包括物流、供应链优化、交付路线、财务管理和复杂物理系统的建模。

第三种主要的算法被称为Harrow-Hassidim-Lloyd，该算法是最近发现的，其重要性仍然是一个积极研究的领域。HHL算法可以有效地进行某些线性代数计算，这有可能大大改善人工智能中使用的机器学习算法。HHL算法的发现引发了最近量子计算机可能应用于机器学习的研究热潮，但许多专家仍然怀疑量子计算机是否会在这个领域提供巨大的改进。

量子计算机最后一个鲜为人知的潜在应用是对先进材料和生物化学的科学模拟，包括药物发现和碳捕获。由于量子力学效应解释了这些材料的基础物理学原理，使用量子力学的计算机是独特的，非常适合对其进行计算模拟。为了给潜在的经济效益提供一个规模感，相关专家在2017年曾给出了一个详细的理论建议，即使用一个中等规模的量子计算机来提高工业氨生产的哈伯-博世工艺的效率，目前该工艺消耗了世界能源生产的2%。即使这个过程的效率只有一小部分的提高，也可以每年节省数十亿美元。

ThisresearchwascompletedinJuly2020.

TheenvironmentalconsultingfirmRSKhasestimatedthatuptoone-thirdofmajorconstructionprojectsexperiencemajordelaysbecauseofunexpectedundergroundconditions.

However,becauseoftheverylowlightlevels,thetabletopdemonstrationsdescribedinthesearticlesrequiredverylongexposuretimesof30secondsto30minutesforhighimagequality,whichmightlimittheutilityofthistechniqueforimagingmovingtargets.However,practicalapplicationsmightusehigherilluminationlevels,whichwoulddecreasetherequiredexposuretimeatthecostofanincreaseindetectability.Low-illuminationghostimaginghasbeendemonstratedatbothvisiblelightandinfraredwavelengths.

However,oneimportantcaveatisthatthebestcurrentlyknownreceiverdesigncanattainonly3dBofthistheoretical6dBimprovement.

A6dBimprovementinSNRcorrespondstoamultiplicationofSNRbyafactorof4.BecausetheradarrangeequationgivesthatSNRscalesasthefourthpowerofthemaximumradarrange,afourfoldimprovementinSNRchangesthemaximumradarrangebyafactorof41/4≈1.41,a41-percentimprovement.

Aswithquantumradar,someoftheinformationrequiredtoanalyzethereflectedsignalisstoredwithintheapparatus,soanexternaladversarycannoteasilyinterceptthereflectedsignal.

Strictlyspeaking,thislatterprototypewasaquantumlidarratherthanaquantumradar,becauseitssignalwastransmittedatvisiblefrequencies.

Moreprecisely,thespeedupfromShor’salgorithmscalesasexp,wherenisthenumberofdigitsofthenumbertobefactored.Thisspeedupistechnicallynotconsideredtobeexponentialbutisenormousandoftenlooselydescribedasexponential,evenbyexperts.

Forexample,threewidelyusedpublic-keyalgorithmsforencryption,keyexchange,anddigitalsignaturearetheRivest-Shamir-Adleman,Diffie-Hellman,andelliptic-curvealgorithms.Thefirstalgorithmdependsonthecomputationaldifficultyoffactoring,andthesecondtwodependonthecomputationaldifficultyofthediscretelogarithmproblem.Shor’salgorithmcanbeusedtoefficientlycalculatebothfactorsanddiscretelogarithms,soitdestroystheeffectivenessofallthreealgorithms.

Thisispossiblebecauseanyoptimizationproblemcanbereformulatedasasearchproblem.

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