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英國量子技術發展簡介
作者:駐英科技組 現職:駐英科技組
文章來源:摘譯自英國國會科技辦公室出版品552
發佈時間:2017.07.31
一、背景
在極微小的層次上觀察物質時,古典物理學規則不再有用,而是遵守量子力學規則。科學家已能在原子層級改變物質和光,進而開發出現代雷射、成相和電腦技術。現在,測量和操縱單個原子和其他粒子的能力使現有技術不斷發展,將帶動新一代的量子技術。
英國政府科學辦公室(The Government Office for Science)表示,長遠來看,量子技術的市場規模可能與電子產業相當,全球每年估計價值約為2400億英鎊,新興的量子行業可能在英國創造數以百計的高價值工作。
量子技術是現在英國和國際科研的開發重點。 2013年,英國政府宣布投資2.7億英鎊發展五年國家量子技術計畫,另也有來自國防部(MoD)的3600萬英鎊補助,以及其他公部門和私人超過3.5億英鎊的投資。英國政府最近發表的產業策略綠皮書(Building our Industrial Strategy)中,也將量子技術列為發展重點之一。
英國2015年的量子技術國家發展策略中強調國際合作的重要性,以吸引最佳人才和外部投資,並擴大客層和市場。2018年,歐盟計劃推出一個十年10億歐元的歐洲旗艦計畫強化量子技術發展。英國在離開歐盟對該計畫的參與仍不確定,現有主要參與國中也包括非歐盟成員國,如土耳其、以色列和瑞士。
二、技術
以下簡介英國量子技術研發的主要部門:
1. 計時
一般時鐘使用周期性運動(例如鐘擺)來測量時間,而原子鐘則使用原子內的電子振盪作為其測量基準。1967年以來,這一直是世界標準時間(UTC)的來源,其測量受到世界通用,而載有原子鐘的衛星也是全球導航衛星系統的重要組成部分。在過去十年中出現了新的技術,提高了原子鐘的準確性,例如使用不同類型的原子或利用量子纏結(entanglement),現有最好的原子鐘每年時差不到百萬分之一秒。目前研究的重點是提高原子鐘性能,進一步降低微型原子鐘尺寸、重量和成本(目前約1200英鎊,火柴盒大小)。
2. 感應器
量子感應器比常規感應器更靈敏,能更精確和穩定地測量物體的重力、磁場、電場以及其加速和旋轉,因為這些與量子行為有關,例如疊加(superposition)或原子的波狀特性。量子重力感應器現正處於商業化早期階段,第一個模型已在2010年推出,可以用於追蹤地下隧道或管道的位置。與常規重力感應器相比,它們的測量時間較短,並且可以在目前可達深度的十倍處檢測和觀測物體。
3. 成像
成像技術的進步不斷提高相機對單個光子(光粒子)的反應能力,強化其靈敏度和圖像品質,也使以下技術成為可能:
• 3D成像:利用追踪光子到達物體不同部分並返回到相機的時間確定深度。
• 圍繞成像:利用從牆壁、地板或其他粗糙表面(如反射鏡)反射的光線追蹤障礙物後方物體。
• 跨波長成像:利用量子纏結並結合兩個不同光束,使其中一個光束(不接觸相機)照亮一個物體,同時使用另一個光束捕獲該物體的圖像(但不與物體直接接觸)。這與常規成像不同,不止利用單個光束照射物體並以相機捕捉其反射。如果每個光束具有不同的能量(顏色),則可以使用反射波長成像照射具有低能量光的生物採樣以避免其損傷,同時用較高能量且容易成像的光對此採樣進行高解析度成像。
4. 通訊
量子系統能使資訊發送更加安全,通常對單個光子中資訊進行編碼,產生常規光纖可發送的二進制數據序列。因為光子不能在不擾亂其量子狀態的情況下被測量,亦即任何竊聽者都將被發現。原則上,無論技術如何進步(例如使用量子電腦),被加密後的資訊都因為物理定律而受到妥善保護。量子密鑰分發(Quantum Key Distribution)即是一種於發送方加密(scramble)消息並由接收方解密(unscramble)所需密鑰的技術。相關研究重點包括確保其使用不會導入問題點,增加信號傳輸速度和距離,驗證用戶,發展洲際衛星通訊。中國於2016年發射了一顆衛星測試量子通訊,目的是於2030年前成立一全球量子加密網。
5. 計算
量子電腦可以解決傳統電腦需要花費數百萬年計算的問題,例如:
• 因式分解:尋找相乘後為一定結果的因子對(例如15的因子是1x15和3x5)對常規電腦而言非常耗時,因此許多依賴傳統電腦的加密過程(用於保護敏感數據)無法快速因式分解數據。
• 搜尋:量子計算機可以同時瀏覽大型未分類數據集中的所有條目,以顯著加快搜尋速度。
• 最佳化:許多計算問題需要尋找在某些限制下的最佳選擇,例如運輸車隊最有效的路線組合,而量子電腦可以解決這類型的複雜問題。
• 模擬:利用量子電腦的量子行為模擬系統(如分子)中的量子行為,從而提升建模的準確度。
三、應用
1. 基礎設施
• 網路時序:電信網路和電網高度依賴網路同步之微秒精度(百萬分之一秒)計時技術,此對金融工具也很重要,如歐盟市場為防止欺詐,其金融工具指令的修改將從2018年1月起使自動化交易電腦與微處理器的精度同步至世界標準時間。這些網路中的時鐘一般透過衛星同步,但是因為衛星信號較弱,易受干擾和犯罪破壞或偽造。如果衛星信號不可用,時間將逐漸漂移並需要頻繁的重新同步設定。英國國防部目前補助原子鐘開發計畫,可以在數毫秒內保持同步超過一年,無需衛星信號或其他同步設定。在失去衛星信號(例如被對手中斷)的情況下,將可增加其網路彈性,並提供關鍵軍事優勢。英國內閣辦公室和政府科學辦公室正在調查各種業務對衛星定時信號的依賴程度,確認在失去信號的情況下這些業務的運行時間。
• 安全發送數據:量子通信系統可用於提高基礎建設的韌性,例如日內瓦以此將中央點票站的聯邦和區域選舉投票資訊加密發送到政府數據中心,也被銀行和其他公司採用作為額外的安全保障。美國國家實驗室正在研發使用量子通信保護電網免遭網路攻擊,從而發送操作數據的方法。未來量子通信可能有助於使用量子電腦加密來保護軍事通信。
2. 導航
慣性導航系統的原理是根據起始位置測量車輛的旋轉和加速度以計算其當前位置,隨著時間的推移,錯誤累積,例如高性能海洋導航系統在海上每三天仍獲出現1.8公里的誤差。量子導航系統則可以保持準確時間更長,研究人員預測每月可能只出現幾百米的誤差。英國國防部現正補助量子導航系統開發,美國空軍科學諮詢委員會也表示,量子導航感應器的原型將可在5至10年中於實際工作環境中進入測試階段。
3. 診斷與醫學研究
量子系統可以測量大腦產生的磁場,以實時研究運作中大腦結構和功能。美國研究人員開發了一種能夠在室溫下運作的量子感應器,將帶動更多的攜帶式設備的開發,可以增進對癡呆症等疾病的了解。量子電腦在醫學研究中的潛在應用包括:
• 分析大量成像數據,例如腦內複雜的連結。
• 加快生物過程模擬速度(如蛋白質折疊),用以研究退行性疾病(如阿茲海默症)。
• 改進對新藥物性質的預測,加速藥物開發。
4. 地下追蹤成像
傳統的重力感應器可以追蹤地質密度變化,以檢測隧道或管道等空洞,常用於主要基礎設施、油氣勘探和衛星(例如監測含水層水位)。如果在衛星上使用量子感應器,可以以比目前高出10至100倍的解析度成像觀測地球表面,例如用於改善對河流集水區的監測,以應對洪水。目前的開發著重於改良重力傳感器,以檢測和追蹤地下軍事設施,目前一般認為無法屏蔽重力來保護設施受到監測。
四、社會意義
雖然英國政府正在採取各種措施以強化英國量子技術產業,但是其對於公眾態度幾乎沒有資料。工程暨物理科學研究委員會(EPSRC)於2017年開展關於量子技術的公開對話,歐盟委員會也在發展一個計畫,確認和解決量子技術可能面臨的挑戰。英國網路量子信息技術中心的報告指出這些技術(特別是量子電腦)可能帶來的問題:
1. 隱私和自動化
量子電腦將大幅增加數據分析能力,而量子感應器可以使數據收集更準確,例如個人的位置或健康資訊,可能會加劇現有關於數據收集和分析的擔憂,從而導致隱私權相關問題。量子電腦會增強人工智能發展,其使用可實現流程自動化,提高生產力,但可能會產生就業、隱私和責任歸屬等問題。
2. 貿易和技術使用
量子密鑰分配(QKD)和其他量子技術的具有民用和軍事的雙重應用,與許多技術一樣,將受到出口管制,例如瓦森納條約(Wassenaar Arrangement)可能限制英國開發產品的貿易。此外,量子技術開發初期可能帶來較高成本,其所需的基礎設施對於所有大型公司和政府來說都是極其昂貴。有人認為,使用量子技術的通路如不平等,可能影響或增加國家之間或公民之間的權力不平衡。
3. 加密
量子電腦能夠突破現在廣泛使用的加密技術,因為它能快速進行因式分解。這些現有技術是目前電子安全的基石,破壞它們可能造成財務、身份或國家安全數據的濫用。現在正在開發可以對抗QKD和量子阻抗計算法的量子電腦解密的新方法。歐洲電信標準協會(ETSI)正在製定QKD的標準,其與美國國家標準技術研究所都已開始制定量子抗擾度算法的標準,儘管最後可能需要5年時間完成。
第三方可能能攔截加密郵件,將其儲存直到可用量子電腦解密。ETSI建議遵守標準化組織推薦方案,以確保現有系統能夠切換至針對量子電腦的加密方法。同時也鼓勵立法,推動採用針對量子電腦加密通信,然而因為安全行業其已建立標準化技術,目前推動過程仍不夠快速。由於量子電腦面試時間仍具高度不確定性,一般仍缺乏相應的緊迫感。標準化組織將量子電腦的解密分類為高衝擊但低機率風險,並不會受到優先處理。
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