英國政府發布量子報告：人類正處在第二次量子革命的前夜

原子鐘商業應用

通信網路需要準確、穩定和可靠的時間源。信息通常被切割成很多部分，通過多個網路發送，最終在到達目的地時重新拼合在一起。如果不同網路不是以完全相同的速率傳輸數據，則數據容易丟失，或傳輸效率大打折扣。因此，相關國際標準規定了不同網路的傳輸速率差。

目前，使用衛星定時可以滿足當前的標準。然而，為了增加數據傳輸的可靠性和提升傳輸效率，地面時鐘的加入必不可少。

現在，移動電信網路的流量需求迅速增加，並且由於物聯網中感測器的大量使用，互聯網接入設備的數量呈指數增長。這對下一代5G網路及之後技術的定時和同步技術提出了更嚴格的要求。

電力傳輸網路也需要精確的定時，以確保不同電源在合并時保持同步，避免能量損耗。能源供應的安全、可靠和廉價都依賴於更加智能的基礎設施。在智能電網中，精確的時序和同步變得比以往任何時候都更加重要。

金融市場同樣需要精確的時間信號來同步交易系統，記錄每次交易發生的時間。基於計算機交易的快速擴張，同步性和可溯性日益重要。所有交易用戶都必須基於同一標準時間，才能有效防止不當交易，提供可靠的審計跟蹤。

在英國，基於光纖系統的NPLTime?服務為金融部門提供獨立於衛星的認證時間信號。荷蘭和美國也正在開發類似的系統。

很多基礎科學實驗也依賴於高度穩定性的時鐘。例如，目前世界上最大的無線電望遠鏡是在建的「平方公里陣列射電望遠鏡」項目。建成之後，該望遠鏡將有多達一百萬個天線，使得天文學家能夠以前所未有的解析度觀測宇宙。

為了使望遠鏡陣列正常工作，所有信號源都必須同步在同一精確的本地時間下。

海底石油勘探也需要精確的時間。在實際操作中，船舶向海底發射聲波，聲音從不同的岩石層反射回來，被船舶底部的感測器網檢測。通過記錄反射波到達感測器的時間，我們可以建立岩石和沉積物的三維圖片。

因此，圖片的質量和精確度取決於時間的精度。衛星定時的信號不能穿透水，因此實踐中通常使用石英晶體振蕩器。

然而，石英的定時精度隨時間變化較大，並且容易受海床和海面溫度差的影響。相比之下，微型原子鐘可以在更廣的溫度範圍下提供更穩定的定時。

各類空間應用的發展也離不開精準的時間。現在，通信和導航衛星的潛在市場十分巨大。根據歐洲委員會測算，伽利略全球導航衛星系統的開發預算為24億歐元，而精確的時鐘我這一導航系統的重要基礎支撐。

太空中的時鐘需要在保持穩定精確的同時具備低功耗和體積小的特徵，並且不需要頻繁的校正。原子鐘還可能推動深空導航的發展。利用飛船上穩定精確的時鐘，航天器可以計算自身的時間和導航數據，省去了和地球雙向數據鏈通的步驟，降低了任務成本，並提高了時間敏感性操縱（例如著陸或起飛）的能力。

事實上，空間授時要比地面授時困難的多。空間中的時鐘設備必須經受發射和入軌階段的巨大加速度和振動，溫度變化和宇宙輻射也要比地面劇烈的多。此外，因為很難進行地面維護，空間授時的可靠性要求要比地面要求嚴格很多。

軍事方面，配有原子鐘的雷達系統更加靈敏，更容易捕捉更小的目標。

攜帶型原子鐘的問世還將開拓其他新市場。例如，我們可以精確測量地球的重力勢以統一高度參考系。對重力勢的長期觀測將有助於我們了解環境和社會之間的相互作用，比如氣候變化是如何導致海平面的升降。

原子鐘的發展

用於國際標準計時的原子鐘有一間房屋大小，並且只限世界上少數幾個國家測量實驗室使用，例如英國國家物理實驗室（NPL）。基於這一標準原子鐘的衍生產品已經商業化，有不同尺寸、重量和功率等各個版本。然而，較小的原子鐘精度都有所降低。

為了解決這個問題，英國國家物理實驗室和世界其他實驗室都在開發新一代原子鐘。英國《國家量子技術計劃》旨在利用英國過去在這一領域的研究優勢，將新一代原子鐘商業化，在保持穩定性和精度的同時降低和減小原子鐘的尺寸、重量、消耗功率和成本，最終生產出低成本、可集成到當前和未來系統中的微型時鐘。

技術前瞻

當衛星定時不能正常發揮作用時，新一代時鐘應該充當起「應急電源」的作用。政府部門應該全面審視電力，通信和銀行等關鍵服務對於衛星系統的依賴，制定相關標準，指定這些服務在衛星定時失敗時需要正常運轉的時間。

應急裝置的性能也需要制定相關標準。電信運營商、金融機構、電力公司和其他關鍵服務商必須證明他們的時鐘系統符合相關標準。

此外，鋪設連接關鍵部門的光纖也有助於原子鐘的發展。這樣，每個原子鐘都能與國際標準時間進行比對，從而在早期識別問題並縮短提供服務需要的時間。這樣的網路也可以是用於諸如量子通信的新技術。

這一網路將全部由光纖組成，不同於現在常見的銅+光纖混合設施。網路還必須提供連續的信號，並且保證長期的安全性。這一網路的建成將為英國提供特有的資源，可用於研究、創新和高端製造領域。

最後，政府還可以通過支持示範項目來推動原子鐘的發展，甚至可以充當新一代原子鐘的首批客戶。例如，政府可以打造一個示範城市，展示原子鐘如何幫助實現新一代先進的電信基礎設施。

量子感測和測量

感測器在日常科技產品中的應用已經變得越來越廣泛了，諸如在動作、聲音和光線的監測領域，從數十億枚內置於手機中的低成本運動感測器到應用於醫療保健和地球衛星系統的高端產品，感測器的身影隨處可見。

而量子感測器相比於傳統產品則實現性能上的「大躍進」：在靈敏度、準確率和穩定性上都有了不止一個量級的提高。也正因此，它的應用場景也變得更加多樣，例如在航空航天、氣候監測、建築、國防、能源、生物醫療、安保、交通運輸和水資源利用等尖端領域都實現了量子感測器的商業化應用。

而量子感測器的發展並非是一項技術上的單點突破，它帶動的是整個生態系統的建立和完善，從工程測量到數據可視化解析，各領域即將湧現的大量工作機會都表明這一趨勢已經越來越清晰。

量子感測器的工作原理

一些量子感測器使用原子感知變化，這是因為原子可以被精確地控制和測量。在量子理論中，諸如原子一類的粒子的波狀運動特性，使得其可以進行空間擴展。而量子在疊加狀態下會表現的對周圍環境十分敏感，這一特徵是其被用作精密感測器的關鍵。

例如，在原子干涉儀中，原子被聚集為細小的雲狀物體。精準地激光脈衝控制這些雲狀物體的移動。原子的波狀特性使其相互進行干擾，猶如水面波紋的運動狀態，如果這些原子的運動只受重力影響的話，那麼它對重力的感知就會非常精確。

大多數磁場感測器使用的都是嵌入在諸如金剛石和或硅材料中的原子。而光子感測器因為利用光子，故可以檢測分子的光學性質以及測量微弱的化學痕迹。我們還可以使用量子技術來提高一些如MEMS（微電子機械系統）經典設備的讀出效率。

目前，我們已經可以利用量子感測器來測量加速度、重力、時間、壓力、溫度和磁場等精確性參數。而在未來，基於量子糾纏現象所開出來的感測器在有效性上可以做到更進一步。

市場應用

以英國為例，在感測器及相關設備領域的從業者已經超過73000人，對經濟的年均貢獻也超過140億英鎊。單單是一個感測器數據服務所衍生出來的價值就已經是天文數字了，所以整合全產業鏈的重要性也就不言自明了。

然而，有關量子感測器的想像力還不止於此：量子磁性感測器的發展將大幅降低磁腦成像的成本，有助於該項技術的推廣；而用於測量重力的量子感測器將有望改變人們對傳統地下勘測工作繁雜耗時的印象；即便在導航領域，往往導航衛星搜索不到的地區，就是量子感測器所提供的慣性導航的用武之地。

?土木工程

地下勘測通常是極其昂貴和耗時的，但在建造新的基礎設施時又是必要的，尤其是像高速鐵路、核電站這種大型項目在開建之前。實際上有很多地質構造未探明的地下環境都存在諸如下水道、礦井和沉坑之類的危險。

信息不足的代價往往是十分高昂的，工程延遲、超支和重新規劃都是家常便飯。英國進行基礎設施維護的方法就是每年花費50億英鎊在道路上挖400萬個洞，之所以這麼做竟然是因為人們不清楚地下設施的具體位置。

而在人們的普遍印象中，任何檢查都應該是在地面上進行的，而不需要挖掘坑洞。可現有的雷達、電子檢測儀和磁力儀的性能並不能達到理想效果，超過地下幾米的物體就很難被探測到了。

遇到這種情況，通常的解決方案就是使用重力感測技術，因為地下埋藏的任何物體的重力發生細微的變化都可以被記錄下來並繪製成重力圖。但傳統重力儀的問題是讀數不準確、耗時長且易於受到地面振動的影響。

但如果用量子感測器來進行重力測量就會有明顯的優勢：速度更快、讀數更精確、探測的更深且不受地面振動的影響。這一技術的廣泛應用勢必會對土木工程行業起到極大的推動作用。

?自然危害預防

在英國有超過500萬的家庭所處的位置都面臨坍塌和沉降的風險; 英國鐵路部門也需要對鐵軌周邊的積水情況進行實時監控，以防止山體滑坡災害的出現。而量子感測器就可以很好地在重力圖上標記處哪裡會有坍塌的風險、哪裡的積水過多。

此外，量子光子感測器還可以快捷地識別地表下諸如油料泄漏之類的危害。這一切都基於量子感測器快速掃描的特點，而這也使得常態化的檢查成為了可能。

?資源勘探

獲取石油和天然氣等自然資源的重點在於開採地點的確定，這在美國是一個價值30億美元的龐大市場。目前主流的勘探形式為地震探測，效果更佳，但更昂貴的重力測量方式只有在人們了解較少的地方才被採用。

但實際上，重力測量高昂成本的很大部分都來自於調整設備，而如今量子增強型MEMS感測器的出現就減少了設備調整的操作，使整個測量工作可以更快推進，連成本也降到了之前的十分之一。

?交通運輸和導航

交通運輸越發展就越需要了解各種交通工具的準確位置信息及狀況，這也就對汽車、火車和飛機所攜帶的感測器數量提出了要求，衛星導航設備、雷達感測器、超聲波感測器、光學感測器等都將逐漸成為標配。

然而有了這些還遠遠不夠，感測器技術的發展也將面對新的挑戰。自動駕駛汽車和火車的定位及導航精度被嚴格要求在10厘米以內; 下一代駕駛輔助系統必須可以隨時監測到當地厘米級的危險路況。使用基於冷原子的量子感測器，導航系統不但可以將位置信息精確到厘米，還必須具備在諸如水下、地下和建築群中等導航衛星觸及不到的地方工作的能力。

與此同時，其他類型的量子感測器也在不斷發展之中（例如工作在太赫茲波段的感測器），它們可以將道路評估的精度精確到毫米級。此外，最初為原子鐘而開發的基於激光的微波源也可以提升機場雷達系統的工作範圍和工作精度。

?重力測量

光線測量並不適用於所有的成像工作，作為新的替代補充手段，重力測量可以很好的反映出某一地方的細微變化，例如難以接近的老礦井、坑洞和深埋地下的水氣管。用此方法，油礦勘探和水位監測也會變得異常容易。

利用量子冷原子所開發的新型引力感測器和量子增強型MEMS（微電子機械系統）技術要比以前的設備有更高的性能，在商業上也會有更重要的應用。

而低成本MEMS裝置也在構想之中，預計它將會只有網球大小，敏感程度要比在智能手機中使用的運動感測器高一百萬倍。一旦這項技術成熟，那麼大面積的重力場圖像繪製也就將成為可能。

MEMS感測器在量子成像讀出上至少有幾個量級幅度上的進步。來自格拉斯哥大學和橋港大學的研究人員開發了一種Wee-g檢測器，可以利用量子光源來改善設備精度，即便是更小的物體也可以被檢測到——或有助於雪崩與地震災害中的救援行動。

冷原子感測器將具有最高的精度，性價比水平也是無出其右，目前尚未有更尖端的技術可以超過它。目前伯明翰大學正在研發RSK和e2v冷原子感測器，將用於日常重力測量。例如幫助建築行業確定地下的詳細狀況，減少由於意外危險造成的工程延誤，並擺脫對昂貴的勘探挖掘的依賴。

在太空中，冷原子感測器則可以通過檢測引力波及驗證愛因斯坦的理論來實現新的科學突破。當然了，常規性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現，監測的范包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。

在格拉斯哥大學，研究人員的也在創造一種新的變革性的太空技術，即使用MEMS感測器對航天器的高度進行精細控制，這將有助於增強英國小衛星技術在全世界範圍內的競爭力。

?醫療健康

痴呆病：根據阿爾茨海默病協會估計，全世界每年因痴呆病而造成的經濟損失約有5000億英鎊，這一數字還在不斷增加。而當前基於患者問卷的診斷形式通常會使治療手段的選擇可能性被嚴重限制，只有做好早期的診斷和干預才可以有更好的效果。

研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術（MEG）的技術可用於早期診斷。但問題是該技術目前需要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這使得技術推廣變得異常昂貴。而量子磁力儀則可以很好地彌補這方面的缺陷，它靈敏度更高、幾乎不需要冷卻和與屏蔽，更關鍵的是它的成本更低。

癌症：一種名為微波斷層成像的技術已應用於乳腺癌的早期檢測多年，而量子感測器則有助於提高這種技術的靈敏度與顯示解析度。與傳統的X光不同，微波成像不會將乳房直接暴露於電離輻射之下。

此外，基於金剛石的量子感測器也使得在原子層級上研究活體細胞內的溫度和磁場成為了可能，這為醫學研究提供了新的工具。

心臟疾病：心律失常通常被看作是發達國家的第一致死殺手，而該病症的病理特徵就是時快時慢的不規則心跳速度。目前正在開發中的磁感應斷層攝影技術被視作可以診斷纖維性顫動並研究其形成機制的工具，量子磁力儀的出現會大大提升這一技術的應用效果，在成像臨床應用、病患監測和手術規劃等方面都會大有益處。

技術前瞻

實驗已經證明量子感測器在針對重力、旋轉、電場和磁場等方面的靈敏度要遠遠超過常規技術。而我們現在努力的方向就是使它們更加耐用、便攜。

而在量子感測器商業化的過程中，有兩點值得注意：

? 在學術界和產業之間保持信息溝通順暢；

? 通過演示量子感測器如何解決現實世界中的問題，來強化商業供應鏈並建立市場信心。

這些都是英國國家量子技術計劃的目標。從結果來看，該項計劃在將基礎研究商業化的做法都很成功。然而，考慮到該項技術應用的潛在不穩定性，許多公司都不願進行完整的產品開發。

而英國政府應該建立起創新中心來測試量子感測器並開展相關的應用開發。一旦成形，這些設施將會為量子服務的開發提供肥沃的土壤，並形成一個深深植根於本區域的商業生態系統。

對工程師進行這些新技術的相關培訓也是十分必要的，不僅是為了他們能夠與用戶和市場開展互動，更重要的是清楚他們所面臨的挑戰。

當然，引導技術公司在公共項目上展開激烈競爭也十分有效，必要的時候可以將他們推向全球競爭的擂台，勝出者所收穫的將是巨額的經濟利益。一個典型的例子是量子導航器和量子重力成像器已經引發了美國、中國和歐洲的濃厚興趣，而類似的方案也可以在交通、醫療和災害預防等領域開展。

量子計算與模擬

近五十年來，硅晶元上的晶體管數量一直以每兩年翻一番的速度增長。這一「增長趨勢」就是廣為人知的摩爾定律。現如今，一塊計算機晶元上已經可以容納數十億的晶體管，每個晶體管的尺寸僅相當於100個原子的大小。

摩爾定律的發現如同火箭一樣推進了計算效率和IT行業的爆炸性增長。然而，由於晶元上組件的尺寸很難接近於「單個原子」的這一關鍵性限制，因此摩爾定律這一「迅速增長」的趨勢可能無法永遠保持下去。隨著人們受制於「它」這一原因，傳統的計算能力增長將會變慢許多。

量子計算機的出現為人們提供了一個全新的前進方向---- 其原因是量子計算機是以支配原子尺度的量子理論為基礎的，是一種完全不同的計算方式。對於某些特定的計算任務而言，量子計算機的潛在計算速度比常規超級計算機要快得多，因而這些新型計算機可以帶來非常龐大的商業利益。

據目前情況來看，實現全尺寸量子計算機的時代還處在「革命尚未成功，同志仍需努力」的狀況下，但這類計算機將使包括飛機設計，數據搜索，城市管理和醫療診斷在內的諸多方面獲益匪淺。而英國在實現量子計算這一目標的硬體和軟體方面均處於世界領先地位。

量子計算機是如何工作的

量子計算機中的這些裝置利用了量子信息的複雜性特質。常規計算機使用的是值為0或1的比特位，而量子計算機使用的則是量子位（或稱量子比特）。每個量子位可以是0，1或0和1。換句話說，人們可以通過輸入處於量子疊加態的量子比特的方式進行計算，例如：由75％的零與25％的一同時組成的數值。

由於量子比特可以在同一時間內被置於多種狀態，這也意味著量子計算機可以同時處理許多輸入，而無需像傳統計算機一樣逐個處理。對於某些特定類型的問題而言，這意味著人們能夠得到一個快得多的答案。

量子比特可以通過許多不同的技術手段實現並改變，包括：

· 超導體

· 光子

·離子阱

· 量子點（小型半導體設備）和金剛石納米顆粒

量子計算機可以做什麼？

據前文所述，我們已了解到：在某些計算問題上，量子計算機可以戰勝傳統計算機——其中包括大型資料庫搜索，以及大數因子分解等。

作為最為常見的一種加密方式，因子分解具有十分重要的意義，它被廣泛地用於保護財務以及其他敏感數據中。而一台足夠大的量子計算機可以輕易地破解這種加密方式，而我們將時刻需要為這個「加密末日」做好準備。

大量的商業活動離不開優化過程 ---- 舉個例子來說，在製造任何實際零件之前，生產商們常常利用計算機建模對汽車和飛機的模型進行優化。飛機機翼的設計就是一個尤為複雜的任務，而量子計算則有可能帶來更有效的設計，並最終設計出性能更優異的飛機。因此，幾家主要的航空公司都對量子計算表現出強烈的興趣。

人們現在正在積極尋找一些能夠為其他領域供量子加速的演算法，其中就包括機器學習和場景規劃領域。如今的機器學習正越來越多的用於決策、語音或面部識別、機器人以及自動車輛的圖像識別等諸多領域。

另一方面，智能城市計劃也催生了場景規劃領域日益增長的需求，而在這個領域每一天都在收集大量的數據。計算能力的增長可以幫助我們做出更好的實時決策。情景規劃在醫療診斷，國防，金融和許多其他諸多商業領域也具有極高的價值。

如前文所載，這些任務都需要一台大型量子計算機。而對於例如新材料，藥物以及其他分子設計等規模較小的問題，包含有50至100個量子位的小型量子計算機已經能夠滿足計算的要求——又被稱做「量子模擬器」的小型量子計算。其本質是相互作用的量子位陣列，它可以模擬另一個量子系統，因而能夠為當今非常棘手的物理過程建模提供新的見解。

目前，驗證性的量子模擬器已經面世，而英國的研究機構在光子模擬器領域處於領先地位。

量子編程

一旦人們打造出全尺寸的量子計算機，我們不僅需要新的演算法，我們還將需要全新的編程語言。這意味著人們需要開發出全新的技術，以用於程序規範（定義一個程序應該做什麼），驗證（證明該程序做我們想要的），調試以及測試。

在這一過程之中，程序的調試和測試尤其具有挑戰性，其原因是人們的觀察行為能夠影響到量子態 ---- 這意味著：當你在檢查計算機中發生的問題時，你也同時改變了計算機的狀態。而一個可能並且可行的解決方案，則是設計一個可以在程序編譯時即能捕獲錯誤的操作系統。

目前，全球眾多科研機構都在積極地從事量子演算法的開發以及量子編程等領域的研究。

量子計算機總體架構

量子計算機競賽

在十年內，人們或許能夠搭建出具有50到100個量子位的量子計算機。這些量子計算機將能夠以量子模擬器的身份發揮功用。而人們的一個長期的目標，則是建立一個可以運行任何量子演算法的大型量子計算機，即所謂的通用量子計算機。為了在性能上優於常規計算機，這樣的大型量子計算機將需要含有數千到數百萬個量子位。

與此同時，這一領域還擁有十分龐大的商業利益，尤其是小規模量子模擬器。例如，一家加拿大公司D-Wave已經開發出了兩種類型的量子模擬器，儘管這些模擬器還沒有顯示出量子加速的跡象，但是其中的一些硬體已經被一些大公司和一個美國國家研究所「搶購」。

谷歌、IBM和英特爾也紛紛推出了打造量子模擬器和全尺寸量子計算機的計劃，這些量子計算機的量子位均基於超導體。這些不懈的努力催生了越來越多，並專註於量子信息處理的初創公司。

量子通信

量子技術在通信領域最重要的應用就是加密，量子密鑰分發和量子破譯防禦技術是未來數據傳輸技術的核心。

量子通信保證了敏感數據傳輸的安全性。在可預見的未來，量子密鑰分發和將成為通信密碼學的重要組成部分，甚至有可能建成利用衛星和光纖覆蓋全球的保密通信網路。

量子通信也可以用於以下用途：傳輸量子計算機產生的大量數據；產生模擬和遊戲使用的大量隨機數；構建更可信的數字簽名。

加密問題

每台手機和每個網頁瀏覽器，都內嵌有加密模塊。這些模塊背後的加密技術是網路社會的基石。這些加密模塊用密鑰來加密和解密數據。

互聯網商務通信和其他高安全應用要求通信需要使用公鑰和私鑰。發送方用公鑰加密數據並送出，接收方用私鑰解密。目前，公鑰加密體制無法在可接受的時間內被黑客破解。

公鑰密碼演算法的數學基礎，是大素數分解目前沒有高效的演算法。然而，量子計算機能夠輕易破解大素數分解問題，因此目前的加密技術面臨重大挑戰。

量子密鑰分發

量子密鑰分發的基礎是量子力學原理，因此未來數學和計算機技術的發展，不可能動搖量子密鑰分發的安全性。

目前，光纖量子密鑰分發的最大距離是100千米，更長的光纖會吸收太多的光子。不過，可以通過量子密鑰網路和信任節點來擴大傳輸距離。未來，隨著量子技術的發展，有可能取消信任節點，直接構建完整的量子密鑰分發網路。當然，為了保證密鑰分發的安全性，還需要其他輔助手段，包括驗證發送者和接收者的身份。

量子密鑰分發的用途

用經典方法加密的，以現有的破解能力無法破譯的信息，隨著量子計算機的發展很可能不堪一擊。而用量子加密技術加密的信息，其安全性不受計算能力提升的威脅。一家日本公司已經提供對人體基因測序數據的量子加密服務。

隨著技術的發展和設備性價比的提高，量子密鑰分發可以被整合到現有的光纖網路，為企業、醫院和第三方數據中心服務，保護個人信息。量子密鑰分發還可以用來保護網路核心節點，防止其被黑客控制。

量子密鑰分發特別適用於這些領域：

大機構的財務和客戶個人信息保護。多家銀行已經開始試用量子加密技術；

醫療數據，如個人基因數據；

政府和軍方通信；

核電站和基礎通信網等國家基礎設施；

量子破譯防禦

量子破譯防禦技術是指能夠防禦量子計算機破解的加密技術。

政府、學術機構和工業界正在研發具有量子破譯防禦功能的加密演算法。目前已經有一種被稱為網格加密的加密演算法推出。谷歌正在Chrome瀏覽器中測試另一種稱為環容錯學習的加密演算法。

所有的量子破譯防禦加密演算法都有各自的優缺點，一般需要在密鑰大小和加密速度上做出折中。

美國國家標準與技術研究院和歐洲電信標準化研究院正在對各種量子破譯防禦加密演算法進行對比和測試，以建立標準。目前各界對各個應用領域各自適用什麼加密演算法還沒有一致意見。

無疑，量子密鑰分發和量子破譯防禦技術是未來數據傳輸安全的核心技術。未來的高可靠性通信網可以同時採用這兩種技術達到最高的安全性。

量子通信的未來

除了加密，量子通信技術還有以下的熱門應用：

?量子簽名

加密本身不能保證原始信息沒有在加密之前被篡改，而量子簽名技術可以比現有的數字簽名技術提供更高的安全性。

?地理位置標籤

基於量子通信的地理位置標識技術正在發展中。

?分布式量子計算

量子通信網路可以將許多量子處理器互聯，執行海量計算任務。

?隨機數產生器

加密、數值模擬和遊戲都需要大量的隨機數，而隨機數的質量在這些應用中非常重要。目前經典計算機產生的隨機數都是偽隨機數，其中的周期性規律會降低密碼的安全性。

量子物理過程從本質上是不可預測的，因此可以產生真隨機數。更具體地說，一個光子打在半反射鏡面上時，到底是透射過去還是被反射回來是不可預測的，因此可以構建1比特的量子隨機數。目前的技術可以在1秒內產生幾十億比特的二進位量子隨機數，並且價格不高。雲計算、身份認證、無線和光纖通信系統、網路遊戲、彩票和股市預測系統都可以使用量子隨機數產生技術。

?從量子點對點通信到量子通信網路

目前的量子密鑰分發網路基本上都是點對點網路。

為了構建大規模的量子密鑰分發網路，目前必須使用可信節點，這些節點承擔了密鑰交換的功能。英國的劍橋大學、布里斯托爾大學、倫敦大學學院、國家物理實驗室和英國廣播公司在阿達斯楚公園的研發中心已經組成了這樣一個密鑰交換網路。歐盟也公布了在歐洲主要城市之間建立量子分發網路的計劃。

理論上，黑客可以攻破可信節點，因此最佳的安全解決方案是取消可信節點，建立完全基於量子糾纏的密鑰分發網路。這樣，信息就不可能被除了發送者和接收者之外的任何第三者看到。

在技術上，允許相距遙遠的發送者和接收者之間共享量子糾纏的量子中繼器已經在研發中。

當然，基於量子糾纏，還可以構建另外一種被對測量器件不敏感的量子密鑰分發方法，這種方法能避免傳統量子密鑰分發方法的一個漏洞：黑客把自己的光子注入信道，從而劫持信息傳輸過程。傳統量子密鑰分發方法也可以避免這個漏洞，但是測量器件不敏感的方法可以通過去除帶來薄弱環節的收發器件來徹底封殺這個漏洞。

此外，為大規模量子網路服務的量子路由器也在研發中。

人造衛星對於大規模量子網路的信息同步非常重要。2016年8月中國發射的「墨子」號量子通信實驗衛星成功進行了量子糾纏態的分發實驗。傳統量子密鑰分發方法需要衛星自身是一個可信的節點。但是，對測量器件不敏感的量子密鑰分發方法可以去除這個限制，對衛星的可信性不加約束。

你可能無時無刻不在和量子技術接觸：它在我們的手腕上，它在我們的語音設備中，它在我們的屏幕里，它在我們的汽車內……量子技術是數字時代的基石。

第二次量子革命即將來臨，全新的量子技術正從實驗室走出來，這將使感測、通訊、信息處理等領域獲得前所未有的跨越式發展。但最大的挑戰還是在於如何將技術概念變為原型，以及如何成功將原型進行商業化。

量子技術到底是什麼？

我們現在已經有能力操控單個原子、電子或其他粒子，其帶來的好處是不言而喻的。比如，通過光子計數來製造3D相機、通過捕獲單個原子和離子建造最精確的光學計時器等。同時，那些看似違反常理的量子現象也將為我們所用，比如量子糾纏態和量子疊加態。

量子鍾：通過捕獲原子和離子，製造前所未有的高精度計時器。

量子成像：通過對單個光子進行探測和計數，來突破傳統相機的各種限制。全新的成像技術甚至可以穿過濃霧、看透牆壁。

量子感測器：可以超越以往任何設備的精度來測量光、電以、磁場，甚至引力的運動。

量子計算機：將完成傳統計算機所無法想像的任務。以IBM的超級計算機Blue Gene為例，它需要花費上百萬年才能破解某些普通的數據加密，而量子計算機只需要幾秒。此外，未來的量子計算機還將幫我們合成出各種具有全新性能的材料。

量子通訊：具有極高的通訊安全性，難以被侵入。此外，量子云計算網路將會最終實現。

量子技術的市場及其影響

量子技術的應用範圍之廣可能遠超你想像：

?石油與天然氣

通過量子感測器來進行引力觀測，將大大增加發現新資源的速度，從而增加石油與天然氣的產量。

?環境

2007年夏天的大洪水為整個英國造成了32億英鎊的損失。用量子感測器探測引力，將使我們精確的測量哪怕是最微小的海床運動，從而設法減輕自然災害對人類造成的影響。

?數據安全

現在互聯網上的加密信息越來越多。據估算，2016年全球公共雲計算服務的將增長16.5%，達到2000億美元。量子通訊在這個時代顯得更加重要，除了保障數據的安全性，更重要的是，量子通訊技術的安全性將大大增強人們對網路的信任，從而進一步促進相關產業的發展。

?國防與航空航天

國防與航空航天工業極大的依賴高精度的導航、計時及遙感。量子技術是目前提升精度的最有效方式。目前，英國國防部已計劃將一些主要研發項目的最新成果進行實際應用，包括小型原子鐘、陀螺儀、加速器、重力成像系統。

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全新的重力感測器還可用於地下結構的探測，比如地下管線和沉洞。

?無線通信

微型超高精度量子鍾能容納密度更高的通訊流量，使得諸如GPS定位、音視頻通話等不再受網路環境的影響。

?金融

金融數字化要求極其精確的時間戳，整個經融市場都將受益於新一代量子鍾。

?城市

量子感測器可以更加智能、更加精確的測控城市能耗、水消耗量、空氣質量、地質運動等指標，從而讓整個城市更安全高效的運行。

?娛樂、安保、工業

全新形態的光子相機將使這些行業收益頗多，甚至從工具層面完全改變這些行業的形態。

量子技術離市場還有多遠？

一些新的量子技術目前已經商業化，或接近商業化。比如，複雜原子鐘技術將很快被使用在通訊網路中來做信號同步。加密量子通訊系統也在銀行業中得到了實際應用。

量子感測器和量子成像技術離大規模商業化也不再遙遠，按目前的進展看，大約還需要5-10年。量子計算機可能是目前離商業化最遠的，需要10-15年，甚至更久，才能看見其商業化運用的前景。

全球投資狀況

- 中國正在量子科學和技術領域投入大量的資源。

- 美國則擁有全球最優秀的科研基礎，但在實用化方面做得還不夠。

- 歐盟剛剛發表了其量子計劃，準備於2018年在「地平線2020」（Horizon 2020）創新框架下，啟動量子技術研發旗艦計劃。

- 其他國家如新加坡、澳大利亞、加拿大等，也紛紛投資建立了各自的量子技術研發中心。

以下是2016年5月在歐洲量子技術研發旗艦計劃啟動會議上，由荷蘭政府所做的全球研發投入數據統計：

全球量子技術研發概況

量子技術目前還處於早期階段，雖然量子通訊和量子鍾技術已相對成熟，也有不少產品已經成功商業化。

量子感測和成像系統的性能可能在幾年內就會出現大幅提升，目前市場上已經有了一些早期產品和服務。

量子計算機是離市場最遠的，其商業化預計還需要十年以上的時間。

全球各主要國家在量子技術研發領域排名情況

在過去五年中，多國政府開始在量子科學研究領域加大投入，以搶佔先機。英國政府於2013年啟動的為期五年的2.7億英鎊（合23億人民幣）投資，是目前啟動最早、也是金額最大的項目。

2015年，荷蘭代爾夫特大學與微軟合作，啟動了耗資1.35億美元的量子項目。

2016年，美國擴大了其量子技術研發規模，白宮也發表了報告稱將協助研發資源的分配。

中國正在投資一個2000公里長的量子通訊網路，而且再2016年8月發射了首顆量子通訊衛星「墨子」號。與此同時，加拿大、澳大利亞、日本、韓國等，也都在加大對量子技術研發的投入。

量子成像

現代文明離不開成像技術，但是大多數照片只能捕捉可見光波段的信息，並且只能產生二維圖像。相反，現實世界是三維的，物體發射和反射的電磁波信息覆蓋整個電磁波段，從無線電波到可見光再到伽馬射線。在量子科學的推動下，成像技術將迎來新一輪革命。

量子相機可以拍攝3D照片，甚至可以捕捉到位於相機視野之外，但正向相機運動的物體發出的信號。這種「隔山有眼」式的技術不僅對無人駕駛汽車非常重要，也在醫療、軍事、公共安全、交通和製造業領域有廣闊的用武之地。

穿透障礙物成像

什麼是量子成像？

基於量子物理原理製造的相機不僅在性能上超越經典相機，而且能夠實現傳統相機無法實現的功能。量子成像技術可以分為兩大類：

1、基於單光子雪崩探測器的成像技術，該技術可以在短曝光時間內有效探測單光子，從而實現3D成像、繞牆成像和非可見光波段成像。

2、利用量子效應提高感光能力的成像技術，該技術可以拍攝出比傳統相機對比度更高的照片，並將照片中的雜訊降低到比經典物理學設定的理論下限還要低的程度。

不過，量子成像技術並非只能處理電磁波。目前，基於量子力學製造的高靈敏度重力感測器，可以通過探測不同區域重力場的細微變化以對地下成像，獲得石油蘊藏區域、地下空穴和地下管網的信息。

量子成像技術可提供的功能

?3D成像

基於單光子雪崩探測器的相機能精確測量單光子的到達時刻。如果使用短脈衝光源照射目標，計算光子從發射到返回的時間，就可以獲得距離信息，這種方法稱為3D成像。當然，必須使用弱激光以避免傷害人眼，相應地，必須採用能探測單光子的相機。

一個令人意外的事實是：儘管3D成像比2D成像提供的信息多，但目前的3D成像大多基於單像素光感測器，而不是傳統的光感測器陣列。即：使用更少的感測器提供了更多的信息。單像素光感測器的優勢在於，其遠比感光陣列便宜。）

?繞牆成像

如果有種技術，能使得你站在L形通道的一段，感知到通道的另一端有什麼東西，那麼它在避障、搜救等領域會大有用處。基於單光子雪崩探測器的相機就可以做到這一點。

這項技術的原理是：假定你在一條L形通道的一端，然後發射激光照射你正對著的牆壁。光子碰到牆會散射開來，碰到L形通道另一端的目標，然後一部分反射光子會被相機捕捉到，據此可以對目標成像。儘管原理不複雜，但是要探測這些多次反射後的微弱光子必須使用量子單光子感測器。

此外，從獲得的光子中重建圖像所需的計算量是傳統計算機幾乎不能承受的。

?夜視成像

基於感光陣列的紅外夜視成像設備成本很高，而單像素量子相機可以廉價地完成同樣的工作。工作在近紅外波段，物美價廉的量子夜視相機在不久的未來有望問世。此外，單像素感測器還可以集成在晶元上，成為光通信部件。

?清晰成像

任何相機都無法完全避免雜訊，即使是世界上最純凈的光——激光也一樣，這是因為光是由分立的光子組成的，不可能無限細分。但是，通過量子技術，可以在很大程度上抑制雜訊。

用晶體將激光分成兩束相互糾纏的光子，這樣兩束光中的雜訊成分相同。第1束光中的光子數目除以第2束光中的光子數目獲得的比值不受雜訊影響，而第1束光的輕微變化會影響這個比值，進而被探測到。如果不去除雜訊，這種高靈敏度的探測是不可能的。

另外一種獲得高質量圖片的方法是利用原始圖像和其他信息對圖像進行後期處理。當相機採集到的光子數量非常小的時候，雜訊光子很容易被分辨，進而被消除。

?變色成像

過去，你用什麼波段的光照射物體，就只能用工作在這個波段的相機拍照。然而，現在可以使用紅外光照射物體，而用工作在可見光波段的相機拍照。

變色成像的具體方法是：用晶體將紫外激光分成1束可見光和1束紅外激光。用紅外激光照射物體，而用工作在可見光波段的相機接收可見光束。利用可見光和紅外激光之間的量子糾纏特性，可以重建物體的圖像。工作在可見光波段的相機比工作在紅外波段的相機要靈敏得多，因此這種技術意義重大。

此外，變色成像還可以用於分析化學物質的組成，以提供分析的靈敏度。

?隱蔽測距

激光測距儀廣泛用於建築和軍事領域。不難想到，沒有任何一個軍人希望使用激光測距儀時被對手覺察到，而量子單光子成像可以達到這個目的——每次只發射1個光子而不是發射由無數光子組成的光束，即可完成測距。如此低的光強度幾乎不可能被對手發現。

市場應用

醫學領域是量子成像技術的最大潛在市場之一。X光機發射的電離輻射會傷害人體，而不久的將來，基於量子成像技術的X光成像設備有望極大降低發射功率，盡量避免電離輻射對人體的傷害。到2020年，這塊市場蛋糕有望達到334億美元。

紅外成像領域是另一個潛在市場。一個經典應用是：在存在氣體泄漏的火場中，消防員可以使用紅外成像設備，穿透煙霧，發現氣體的泄漏點。紅外成像市場在2022年的預期規模為112億美元。

3D成像也是一個大市場，2020年，3D成像市場的規模為166億美元。此外，微光成像和顯微成像市場也不可小視。機載量子成像儀對公共安全、軍事、農業、油氣和環境監測都很重要。

軍事上，量子成像技術可以提供隱蔽測距、水下成像、惡劣天氣穿透成像和視場外成像服務。量子重力成像儀將為市政工程、採油和掃雷提供幫助。此外，量子成像技術還有助於提高量子保密通信的帶寬。

量子鍾

精確的「時間」是現代生活的基石。我們認為理所當然的技術，如手機，互聯網和衛星導航系統，都依賴於原子鐘提供的時間。

原子鐘自1967年以來被用於國際計時，是目前最成熟的量子技術。英國在人類首個銫原子鐘的開發中發揮了主導作用，但是在隨後原子鐘商業化的進程中被美國搶佔了先機。近來，英國積極推動面向商業化的新一代原子鐘技術，希望再次成為這一領域的領導者。

現在，原子鐘的性能已經達到了前所未有的水平。最好的原子鐘精度可以達到每100年誤差只有幾納秒，並且突出小型化、便攜性，成本也大大降低。這些發展開拓了全新的潛在應用和市場。此外，新一代原子鐘還可以有效降低衛星定時信號中斷帶來的不便。

什麼是原子鐘？

所有時鐘都需要一定規律的節奏來標記時間的流逝。這它可以來自機械時鐘的鐘擺或手錶的石英晶體。而原子鐘則使用原子來實現這一功能：原子以非常精確的頻率吸收光或微波，並且這一頻率可以被測量。該頻率告訴我們在給定時間內完成了多少周期，而「周期」（光的振蕩周期）正是我們需要的節奏：一個規則、可重複的計時單元。

包括早期產品在內的許多原子鐘都工作在微波頻率下。最近，可見光或紫外光頻段的原子鐘也成功面世。雖然微波頻率下的技術在一直改進，較高頻率段的原子鐘具有提供更穩定時間信號的能力。

衛星定時的危機

我們越來越依賴於GPS和其他全球衛星導航系統。然而，這些系統容易受到故障或信號中斷的影響。錯誤的上傳數據、各種空間信號的干擾，以及太陽風暴都會干擾整個系統。

全球衛星導航系統的重要功能是提供時間信號。從導航、通信，到金融交易，甚至電力供應系統，都依賴於衛星提供的時間。然而，這些系統的大多數都沒有備份方案，衛星信號一旦中斷就傻眼了。

英國皇家工程院（RAE）已經警告過度依賴衛星定時帶來的風險。他們警告，衛星定時信號的中斷可能導致緊急情況下多種設施的同時中斷。因此，皇家工程院建議，諸如通信或安全系統等關鍵基礎設施應該保證極端情況下，在沒有衛星信號時至少運行三天。

最現實的解決方案是在每個網路中嵌入原子鐘。這也是英國《國家量子技術計劃》、歐盟和美國競相開發微型、低成本原子鐘的主要驅動力。

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