内容摘要：中国在量子技术军备竞赛中超越美国的潜力对美国国家安全构成了严重威胁。过去十年中，中国已将量子科学确定为其经济和国家安全措施的关键技术，这引起了美国的强烈反应，如将多个中国量子计算公司列入出口黑名单。量子计算机使用量子物理学提高计算速度，使得中国等国能够进行量子计算，从而使得美国的几乎所有公共和私人部门的加密文件面临解密和被利用的风险。为了在量子技术方面领先，美国需要扩大与外国盟友和合作伙伴的国际合作，优先考虑后量子加密、国家安全系统的发展并保护量子知识产权，采取整个的政府和行业的应对方法。
友与敌的合作
1.1美印合作
印度国防研究与发展组织和印度理工学院的科学家成功地展示了两个相距100公里以上的北部城市之间的QKD链接。印度政府正继续扩大其量子生态系统，2020年拨出了11.2亿美元，以支持这些努力。量子技术的发展将为印度经济增加价值。拜登总统和印度总理莫迪已经讨论了扩大合作伙伴关系，包括与量子相关的项目。
1.2 美澳合作
澳大利亚向量子领域投入资金，拨款1.11亿美元支持前总理斯科特·莫里森提出的关键技术重点蓝图行动计划，并为一个量子商业化中心提供7,000万美元投资，以加速国家的量子计算发展。政府还将量子计算列为数字经济战略的重点新兴技术，因为量子行业预计将在2040年为澳大利亚经济增加40亿美元并创造16,000个新工作岗位。美澳量子科学与技术合作协议于2021年11月签署，双方将在量子领域开展合作、继续信息共享，建立一个可信赖的全球量子市场。AUKUS量子协定则在整体协议中添加了价值，首先联合开展“定位、导航和定时”量子能力的联合努力，并在未来三年内在试验和实验中“整合新兴的量子技术”。
1.3 美日合作
日本政府计划投入超过5.9亿美元的资金，建立一个国家级的量子计算机，以追赶美国和中国在全球计算领域的竞争。日本政府预计到未来十年后有1000万用户使用量子技术，政府支持的理化学研究所将增加两个新的研究站点，以探索工业应用。私营部门则通过“量子战略产业联盟”（Q-STAR）开展合作，旨在推广技术平台，包括丰田、日立和NTT等24家公司与产业、学术和政府合作。
1.4 中俄合作
中国和俄罗斯之间的科技合作是二者双边关系的重要方面，传统上是为了军事、核和空间计划。两国签署了多个合作协议，包括创新合作和中俄创新对话等。中俄两国已经通过联合投资和资金计划在AI、机器人技术、信息和通信技术、生物技术、航天技术等领域开展了密切合作。虽然两国在量子技术方面尚未公开合作，但他们在军事、通信和其他战略领域取得了进展。中俄两国之间的关系受到了乌克兰战争的影响，但共同敌人（美国）的推动使得合作关系得到了发展。
机遇、风险和挑战
2.1挑战：保持冷静并减少噪音
量子计算面临着技术和基础设施上的挑战，其中一个关键问题是要在接近绝对零度的温度下工作，因为任何温度干扰都会导致量子位的电压激增和翻转，需要数百万美元的制冷设备。中国掌握了全球约35%的稀土金属储量和约70%的稀土元素精炼产能，并通过“一带一路”倡议在非洲等地获得了稀土金属的独家采掘权，这可能使其在发展量子技术和其他军事、通讯和工业产品方面占据战略地位。美国需要在中国供应链之外实现多元化，以创造竞争性市场并满足科技产业的不断增长需求。除了采取增加稀土采掘和合同投资等措施外，美国陆军研究人员还发现了一种潜在的替代冷却量子电路的方法，使用光子电路和光学晶体可以不再需要量子电路在极低温度下运作。同时，麻省理工学院的研究人员还开发了一种通过高速太赫兹波与冰箱外部的电子设备进行无线通信的方法，这可以为大规模量子系统铺平道路。
2.2 对军事应用的潜在影响
美国国防部的科学顾问独立委员会——国防科学委员会（DSB）认为，量子传感、量子计算和量子通信对美国军方的应用前景广泛。其中，量子传感将显著提高潜艇侦测能力，为定位导航提供替代方案，帮助军事人员探测从地下结构到核材料再到电磁辐射的所有事物，并协助定位对手部队。量子计算将推进机器学习，通过协助自主武器的定位算法来增强动能战争系统，从而彻底改变战争空间。后量子加密（PQE）是美国国家安全局的首要任务之一，开发量子密钥分配和加密以保护军方和美国政府的通信和信息。PQE将能够抵抗传统的和量子加密解密软件。英国量子计算公司Majenta Solutions表示，通过“分片”数据将数据分成更小、更易管理的部分，可以延缓量子解密。最后，量子通信将实现量子军事传感器、计算机和其他系统的安全联网，从而提高其性能，胜过单个量子系统或传统通信网络。捷克理工大学核科学和物理工程系的研究员迈克尔·克雷利纳概述了未来量子战争的一系列可能应用，其中包括：、化学和生物模拟与检测；新材料设计；网络战；计算、定位、导航和计时（PNT）；情报、监视、目标获取和侦察（ISTAR）；近地轨道（LEO）与太空领域；成象；电子战（EW）；光探测和测距（Lidar）；水下能力；脑成像和人机界面。
时间是关键
美国近年来在量子技术领域取得了重要进展。特朗普和拜登政府以及国会通过推动《国家量子倡议》和设立科技政策办公室（OSTP），将量子信息科学作为重点。近期的国防授权法案要求联邦政府各机构提交量子报告和达成量子技术标准，同时推动与私营部门和盟友合作。尽管量子技术和应用的发展速度各异，美国必须在部分领域保持领先，并在政府和私营部门积极推进、准备和实施量子计划。对此美国需要：增加联邦机构和国防部的量子评估测试台的访问和使用；加快后量子密码学的研究，快速识别公钥密码学以及如何在政府机构中使用它；为21世纪的科学、技术、工程和数学（STEM），网络空间以及量子和信息科学技术（QIST）建立教育激励机制；扩大国际合作组织；增加对天基量子应用机遇和威胁的警惕性；保护量子IP；评估当前美国出口控制机制的有效性和与战略技术相关的境外投资控制的潜力；国防部加快应用量子计算。
发布时间｜2023年4月5日
文章来源｜美国传统基金会
原文标题｜Beating China in the Race for Quantum Supremacy
原文地址｜https://www.heritage.org/technology/report/beating-china-the-race-quantum-supremacy（46页）
Last modified: 2023年 5月 25日
