量子技术实用领域的发展进展

量子技术早已成为现代基础技术的支撑，包括激光器、原子钟、晶体管和半导体设备等。如今，量子信息科学与技术（QIST）的进步正在解锁新的工具，用于利用、生成、操控和读取物质的量子态，特别是叠加和纠缠等量子现象，这对国家安全和经济繁荣具有重大潜在影响。

作为一项变革性的平台技术，量子技术的重要性可能与人工智能并驾齐驱。因此，了解当前的技术发展状况以及围绕QIST的全球政策和投资格局至关重要。QIST的研究、开发和商业化跨越多个领域和学科，根据不同领域或学科，其发展速度也各不相同。

量子技术的五大基础领域

本文概述了QIST的五个基础领域，并描述了每个领域的技术成熟度以及对国家安全和经济繁荣的战略意义。

1. 量子计算和量子中心超级计算

量子计算机有潜力解决经典计算机无法处理的问题。通过利用量子力学原理，研究人员和产业界致力于使用量子计算机实现所谓的”量子优势”。预计量子计算机将能够解决当前经典高性能计算机（即使是使用高性能图形处理器的计算机）无法解决的复杂问题。

量子计算机的计算能力随着量子比特数量的增加而呈指数级增长。量子比特是利用叠加原理来编码信息的高度敏感的计算单元。拥有更多量子比特的量子计算机能够准确执行更复杂的计算，帮助科学家解决化学领域的难题以及与供应链、金融和工程相关的优化挑战。

然而，研究人员在努力实现量子优势时面临着众多技术挑战。与通过小型化和3D集成取得进步的半导体行业不同，量子计算领域的新进展和量子技术的商业化努力将在很大程度上依赖于对量子物理原理的更深入理解。

目前，研究人员和产业界正在使用各种方法来创建高质量的量子比特，每种方法都有其优势和挑战。例如，超导量子比特由在极低温度下工作的超导材料制成，因其计算速度快和精确控制而受到青睐。虽然这种方法已经开发出更高质量的量子比特，但也出现了物理和工程挑战，包括需要越来越复杂的导线和更大的低温冷却系统来管理热量。

逻辑量子比特是使用一组物理量子比特编码的抽象概念，通过量子纠错技术来防止错误，是量子计算性能的一个重要指标。虽然确切比例取决于所使用的方法，但通常需要数万个物理量子比特才能创建1000个逻辑量子比特。截至2024年2月，至少有八家公司已经实现了逻辑量子比特（10-17个），无论使用何种方法。

高性能计算（HPC）与量子计算的集成预计将显著增强现有的量子计算能力。IBM表示，量子中心超级计算可能为某些问题提供指数级加速和比量子计算或经典计算单独提供的更强大的处理能力。

2. 量子通信

量子通信利用量子特性实现安全信息传输和分布式量子网络。目前的努力重点是部署后量子密码学和量子密钥分发，同时克服大规模量子网络的技术障碍。

量子通信的最终目标是通过光纤或自由空间信道构建量子网络。这些网络旨在通过光学量子比特连接地理分布的量子设备。连接分布式量子计算机可以指数级地增加计算能力。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

在这项先进技术的研究和开发过程中，更简单的量子链路已经成为可能。作为短期应用，将信息编码在量子态光子中并通过光纤和自由空间信道远距离传输，即使面对强大的量子计算机也能实现安全通信。

有两种方法可以保护通信免受强大量子计算机的威胁。第一种是后量子密码学（PQC），涉及使用基于高级数学模型的密码算法。第二种是量子密钥分发（QKD），这是一种基于硬件的量子密码学方法，使用量子力学原理。

美国国家安全局（NSA）发现，PQC目前是对抗量子计算机威胁的最佳缓解措施。随着美国国家标准与技术研究院（NIST）发布PQC标准和指导方针，预计联邦机构和各个部门最终将在全球范围内实施PQC。

3. 量子传感

量子传感器利用量子比特对外部环境的敏感性来创建高精度、高敏感度和高响应性的检测系统，能够进行比经典传感器更准确的测量。量子传感器目前在医疗、金融和国防行业得到应用，例如用于创建身体图像的磁共振成像（MRI）机器和用于精确计时的原子钟。

量子传感器可以以前所未有的精度测量温度、压力、频率、加速度、旋转、磁场、图像和电场。量子传感器将影响导航、地理勘探、化学和材料分析、情报和国防等各个行业。

在研究人员努力开发可靠的量子传感器时，他们面临着与量子硬件组件的尺寸、重量、功耗和成本相关的技术挑战。例如，量子传感器受到移动平台上微小噪声和环境干扰的影响。一旦传感器放置在移动平台上，由于电场和磁场、场梯度以及系统振动，量子传感器的性能就会下降。

不同类型的量子传感器处于不同的发展阶段。例如，测量磁场强度和方向的量子磁力计以及检测重力微妙变化的量子重力计已经被部署用于矿物勘探和地质调查。微波原子钟运行GPS系统，光学原子钟已经进行了海上试验。

4. 量子材料

量子材料表现出独特的量子特性，可能彻底改变电子学和量子设备。量子材料能够实现不同于传统金属和材料特性的量子力学功能。这些超越经典物理学的材料可能成为重新定义我们日常生活的技术基础。研究正在进行中，以稳定和控制这些材料的实际应用。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

拓扑绝缘体是表现出独特量子力学特性的量子材料的一个例子。与传统的金属、半导体和绝缘体不同，拓扑绝缘体在表面作为导体，而在内部作为绝缘体。未来，拓扑绝缘体可用于创造比现有晶体管消耗更少功率的新型晶体管。

目前，量子材料不稳定，容易受到环境热噪声的影响。研究人员已经证明，某些设备可以用来控制电子和自旋的量子态。研究人员的目标是创造能够更精确控制量子材料量子特性的设备。

2025年2月19日，微软的研究人员形成了一个准粒子（一种类似粒子的集体电子态），它可以作为拓扑量子比特发挥作用。准粒子有望实现量子计算的新方法。

5. 量子人工智能和量子数据中心

研究人员正在探索量子技术和人工智能如何相互补充，以提高计算效率并推进人工智能能力。专家们表达了探索新量子技术的兴趣，这些技术可以通过增强现有的人工智能应用（如机器学习和深度学习）为数据密集型任务提供更高效的解决方案。

随着人工智能的广泛使用和人工智能模型中使用的数据量的增长，这些人工智能子集将需要大量的数据处理和计算能力。量子机器学习（QML）是一个研究领域，探索量子技术如何增强机器学习（人工智能的一个子集）的速度、效率和准确性。

由于量子计算领域当前的技术挑战，QML的商业应用尚未开发。最近，”混合量子-经典机器学习”（QCML）的发展推动了旨在解决这些技术挑战的研究进展。混合QCML是一个过程，涉及在量子计算机上执行计算，然后通过在经典计算机上使用机器学习来优化这些计算的参数。

另一方面，人工智能也可以帮助加速量子技术的发展，包括改进量子硬件开发和设计，帮助研究人员创建更有效的算法来控制和优化量子设备，减轻和纠正计算错误，以及分析输出。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

研究人员还在探索建设量子数据中心的想法，这将把量子机器集成到数据中心或高性能计算设施中，以执行大规模量子计算和数据处理。英特尔前首席执行官帕特里克·P·盖尔辛格提到：”当我们在2030年进入数据中心时，我们将有一个量子角落、人工智能角落、通用角落，它们都将结合运行。”

量子技术对工业和国家安全的未来潜在影响怎么强调都不为过。本文讨论的QIST五个领域处于不同的研究和开发阶段，每个领域都有其独特的技术挑战和机遇，每个领域的商业化都在以不同的速度推进。

鉴于QIST技术对国家安全和经济繁荣的战略重要性，美国正密切监控每个领域的技术挑战和新兴应用，以确保有效高效的量子创新政策。美国需要在这场全球量子竞赛中保持领先地位，确保在这一变革性技术领域的战略优势。