在科技飞速发展的当下，量子计算以其卓越的计算能力正在重塑各领域格局，其在军事领域的应用潜力亦引发了广泛关注。量子计算尤其适合需要海量数据实时优化、复杂指挥系统依赖度高及高精度计算的场景，对于着力广域机动、协同作战和精确打击，高度依赖计算效率和决策速度的空军军种有着巨大的吸引力。本文将目光瞄准美国空军在量子计算领域的探索实践，深入剖析其量子计算应用情况，这不仅有助于了解美国空军的科技战略布局，还能为全球军事科技发展提供重要参考。
一、美国空军量子计算研究力量分布
美国空军量子计算研究力量主要分为外部和内部两个方面。从外部来看——美国空军的量子计算研究主要受美国国家量子计划（National Quantum Initiative，简称NQI）委员会指导，资金上主要来自美国国防部高级研究计划局（DARPA）的资助，以及政府财政拨款和少部分的私营企业捐赠；从内部来看——主要由美国空军研究实验室（AFRL）、空军科学研究办公室（AFOSR）来承接研究工作。
（图：美国联邦量子信息科学生态系统的三大支柱架构示意图，AFRL属于图中联邦量子信息科学生态系统的“国防”支柱部分，作为国防科研机构，参与并支持量子信息科学的研究与开发工作，信息来自National Quantum Initiative Supplement to the President"s FY 2024 Budget）
而在空军体系内，量子计算领域的主要工作由美国空军研究实验室（AFRL）和空军科学研究办公室（AFOSR）、美国空军科学顾问委员会（SAB）等部门承接。
下面我们来重点介绍一下美国空军研究实验室（AFRL）。
1.AFRL简介
AFRL是空军的主要科学研发中心。AFRL在为空军、太空和网络空间部队发现、开发和集成经济实惠的作战技术方面发挥着不可或缺的作用。AFRL拥有12,500多名员工，分布在9个技术领域和全球40个其他业务部门。
AFRL的历史可追溯到1917年，于1997年正式成立，合并了四个前空军实验室和空军科学研究办公室。量子计算研究主要在AFRL的信息局（纽约州）、材料与制造局（俄亥俄州）内进行，主要包括量子通信、量子计算和量子传感。目前AFRL的总部位于俄亥俄州赖特的帕特森空军基地，并在美国本土的10个州设有分支机构。
AFRL内设有两种类型的局，即“职能局”和“技术局”。职能局为AFRL的运行提供专门支持、战略指导和监督；技术局侧重于开发和创新，按技术能力划分。其中，技术局具体包括：信息局、第711人体效能研究联队（711TH HUMAN PERFORMANCE WING，简称711 HPW)、美国空军航空航天医学院（USAFSAM）、航空航天系统局、DIRECTED ENERGY DIRECTORATE(RD)、材料和制造局（RX）、弹药局（RW）、传感器局（RY）、空间飞行器局（RV）等。
（图：AFRL各部门的地理分布，图片来自AFRL官网）
（图：在实验室的每个部门，AFRL的工作人员都在研究空军部任务领域各方面的技术，图片来自AFRL官网）
2.AFRL-信息局的情况
尤其是信息局，是美国量子计算企业与空军进行研究合作的重要联络点，信息局的量子信息和科学实验室专门从事量子计算硬件和软件研究，包括量子算法开发。它已被指定为美国空军和太空部队的量子信息科学研究中心，凸显了它在这一领域的关键作用。
从研究领域划分的角度来说，信息局量子计算研究团队下主要有四个小团队，分别是：超导团队、量子算法团队、量子信息处理小组和离子阱团队。从其官网披露的信息来看，我们了解到以下信息——
超导和混合量子系统团队（超导团队）
超导团队致力于开发新型超导架构和跨模态量子接口硬件，作为量子网络的构建模块。该团队的工作主要集中在三个方面：一是开发在多量子比特超导模块之间产生纠缠的架构（即在量子总线上对多部分量子信息进行编码/解码）；二是研究超导和光子混合平台，用于在低温下在微波和光学领域之间传输量子信息；三是开发量子接口硬件，用于连接受困离子和超导量子比特模式。
（图：上图左侧和中间显示的是与普渡大学Sunil Bhave小组合作获得的压电光机械传感器芯片。该芯片上有电键，并粘接有光纤V形槽阵列，安装在样品封装中，可放置在稀释冰箱内。右上图显示的是压电光机械传感器芯片（与上图相同），芯片上粘接了单根光纤，并安装在研究小组的Bluefors LD稀释冰箱中。图片来自美国空军。）
量子算法团队
量子算法团队探索量子算法的设计和应用，研究课题包括量子优化、算法和量子机器学习，该小组还利用噪声、中等规模量子（NISQ）设备等进行研究。该团队的目标是利用量子计算设备开发算法，在给定有限的量子比特数和量子比特类型的情况下，最大限度地增加执行任务的次数。目前，该小组正在进一步完善和改进量子行走电路设计，推动加权图行走技术的发展，以帮助解决马尔可夫和其他加权图问题。
在量子机器学习研究工作方面，量子算法小组有两个正在进行的量子机器学习项目：量子贝叶斯网络（QBN）和量子自动编码器（QAE）。他们利用IBM的量子芯片建立了一个用于构建任意复杂度的量子贝叶斯网络的框架，简化了工作流程，以便在不同噪声模型下运行网络。此外，该小组还在开发一种定量测量QBN复杂度的方案，并研究量子贝叶斯网络的复杂性与量子贝叶斯网络输出的量子芯片噪声之间的关系。
而量子算法小组的量子自动编码器（QAE）项目则主要研究量子数据压缩中的信息损失，工作人员使用可表达性和纠缠能力指标对电路进行参数化，以测量电路在压缩量子数据时的性能，并将团队的算法与理论上的无损压缩极限进行比较。
量子信息处理小组
量子信息处理小组的使命是生成、操控/处理、分配和分析量子纠缠，这些量子纠缠既包括本地的，也包括分布在由光子基和存储器基量子比特组成的量子网络中的处理节点上的。
作为光的基本量子态，光子是量子信息的天然长距离载体，也是快速处理的理想量子比特。该团队既在体积上生成光子态，也在芯片规模的集成光子电路中生成光子态，随着这些电路的规模和复杂性的增加，团队的工作重点正逐渐转向集成。
利用光子自由度内固有的大量纠缠将支持实现与当前技术根本不同的信息处理和网络功能。这项工作与量子算法小组专家们的工作相辅相成，后者在电路上实施量子协议；而量子信息处理小组的任务是在由基于光子和基于存储器的量子比特组成的量子网络中，生成、操纵/处理、分发和分析本地的量子纠缠，及分布在处理节点上的量子纠缠。
离子阱团队
离子阱团队研究量子力学和量子信息科学，其长期目标是构建一个用于处理和传输量子信息的量子网络。量子网络可以用于多种任务，包括安全通信、时钟网络、相位传感器阵列和大规模量子信息处理。这个实验室中的量子比特是激光冷却的离子阱。离子阱自然提供了高质量的存储器，用于存储和检索量子信息。此外，离子有两个总线将量子比特连接在一起：它们之间的相互电力排斥（声子）用于节点内信息处理，发出的光子用于节点间信息传输。
迄今为止，大多数离子阱系统使用库仑力来纠缠直接相互作用的离子。信息局离子阱团队的目标是在同质（离子阱）和异质（包括离子阱、光量子集成电路、超导量子比特）量子网络节点之间以及内部实现纠缠的分布，以探索量子网络的广泛应用。
3.AFRL的未来发展
近年来，美国空军最近进行了几次结构调整，旨在适应现代挑战和提高竞争力。其中包括可能影响AFRL的重大组织变革。
趋势一：面临空军体系内的重组
自1997年成立以来，领导量子科学和技术工作的AFRL经历过多次重组。进入2024年后，虽然AFRL本身没有立即或明确的重组，但空军正在进行的系统性变革可能会间接影响AFRL的结构或重点领域。
2024年9月，美国空军宣布重组其指挥架构，创建“机构司令部（Institutional Commands）”和“军种部队司令部（Service Component Commands）”，确保以精简的方式实现能力现代化和战备状态。这一努力可能会影响到AFRL与其他司令部的互动方式，因为AFRL的上级组织空军物资司令部（AFMC）也在进行整合，以实现更灵活的能力开发。此外，现在AFRL和空军强调跨学科合作，这推动了多个新团队的形成，这些团队结合了物理学、计算机科学和工程学的专业知识来推进量子技术。
趋势二：面临更高层面的机构重组
AFRL的未来发展不仅受空军内部调整影响，还受到国防部（DoD）等更高层面的机构重组的影响。作为更广泛的组织优化的一部分，AFRL可能会经历间接的变化，使其研究重点更好地与空军机构和作战目标的新要求保持一致。
首先，AFRL面临美国国防部（DoD）范围内的重新调整。国防部会定期审视其研究重点，例如，2022 National Defense Strategy(NDS)和Critical Technology Areas是由国防部制定的顶层指导文件，涵盖量子科学、人工智能和高超音速等领域，这些文件明确了战略目标和关键技术方向，基于此推动包括AFRL在内的研究机构的调整。
（图：美国国防部对当前美国量子计算硬件能力与应用领域之间差距的思考，图片来自美国国防部量子科学首席主任Dr.John Burke在QED-C会议使用的演示材料，https://www.hpcwire.com/2023/12/19/dod-takes-a-long-view-of-quantum-computing/）
第二，国防部内部的一个趋势是为新兴技术创建专门的部门，这会从另一个角度影响AFRL的组织架构稳定性，专门用于量子领域的类似组织架构也可能会出现在AFRL内部或外部。
第三，AFRL还面临着与太空军的集成。自从美国太空部队在2019年出现以来，一些支持太空相关研发的AFRL部门就已经转移了重点，一部分量子技术（特别是在安全卫星通信和天基传感方面）相关团队未来可能会与太空军计划更直接地整合。
第四，预算限制和监督也将导致AFRL的调整。美国国会的拨款决定往往会导致下游的机构面临重新调整。一般来说，具有切实成果的项目——比如用于导航的量子传感或安全量子通信，可能比较稳妥，不太可能面临削减或重组。
趋势三：更加广泛的行业合作
AFRL正在通过与商业和学术实体合作，加强其量子技术研究。值得注意的是，其与IonQ和IBM等公司的合作已将量子计算能力扩展到军事应用领域，包括超安全量子通信。虽然AFRL在过去十年中一直在不断发展，但这些合作表明，它正朝着整合更多商业资源的方向转变，这可能暗示着未来的组织变革将支持此类合作关系。
二、美国空军的量子计算研究进展
从2023年底美国米切尔航空航天研究所流出的内部资料来看，美国空军研究实验室（AFRL）在量子计算领域的研究进展展现出多层次、协作驱动和军事应用导向的特点。自2023年以来，AFRL通过信息局来协调量子信息科学（QIS）的研究，聚焦量子计算的算法开发、硬件整合和网络化应用，同时与量子通信、传感和计时等领域形成协同效应。其研究不仅限于技术突破，更强调将量子计算融入空军的指挥、控制、通信、计算机和智能（C4I）任务，旨在提升作战能力。
（图：米切尔航空航天研究所举办的会议“AFA 2023 Air Space Cyber: Quantum Technology and Defense: Understanding the Imperative”，信息来自AFA 2023 Air Space Cyber: Quantum Technology and Defense: Understanding the Imperative - Mitchell Institute for Aerospace Studies (mitchellaerospacepower.org)）
首先，AFRL的量子计算研究以广泛的协作性为显著特点，依托行业和学术伙伴的资源加速技术开发。作为IBM量子中心的长期合作伙伴，AFRL信息局通过云服务访问量子计算平台，探索寻路问题和潜在应用领域。自2023年起，这一协作扩展至多家供应商。
例如，与IonQ的合作通过2024年9月的5450万美元合同和2025年3月交付的量子网络系统，推动了硬件现代化，目标是构建公用事业规模的量子计算机；
此外，AFRL与PsiQuantum的伙伴关系聚焦于量子光子芯片的研发，利用GlobalFoundries在纽约马耳他的工厂联合制造；
2023年5月，AFRL还发布公告，计划五年内投入高达5亿美元，征集QIS解决方案，进一步扩大与InQ等公司的合作。
这些伙伴关系整合了IBM的算法支持、IonQ的硬件创新和PsiQuantum的光子技术，形成了强大的技术生态。
其次，研究的应用导向是AFRL的另一核心特点，聚焦于量子计算在军事场景中的实际问题。AFRL正在研究量子计算机擅长的算法，包括量子模拟、量子化学、材料开发、供应链优化以及机器学习和人工智能。
例如，与普渡大学相关的软件公司Quantum Research Sciences（QRS），在2024年1月通过250万美元STTR合同开发的量子软件，该软件专为供应链库存管理而设计，优化了空军供应链管理，提高了28%的预测准确性（Source：airandspaceforces.com）；
AFRL与IBM的合作则通过云端测试量子搜索算法（如Grover算法），探索数据分析加速的可能性。
此外，AFRL强调量子网络组件的开发，而非直接构建量子计算机，研究如何将多个量子系统连接成更强大的网络，支持C4I任务中的优化和模拟需求。
（图：武器装备供应链分析流程示意图，图片来自美国空军大学，https://www.airuniversity.af.edu/Aether-ASOR/Perspectives/Article-Display/Article/3579465/supply-chain-complexities-a-military-intelligence-approach/）
第三，AFRL的量子计算研究工作，充分展现出技术前瞻性和与基础设施建设相结合的特性。其量子计算研究范畴，不仅聚焦于算法与硬件，还涵盖了诸如集成光子学、激光以及真空电池制造等支撑技术，这些被视作量子系统得以成功落地的关键要素。
2023年5月，AFRL发布公告，明确提出要开发先进算法，并实现异构量子网络中的纠缠分布，以此为信息局的C4I任务提供支持。
同时，AFRL持续推进超导和混合量子系统的研究，致力于开发新型超导架构以及跨量子比特模式的接口硬件，将其作为构建量子网络的基础。
2023年8月8日，AFRL启动了Extreme Computing facility，该设施由最先进的实验室组成，用于可信计算、机器学习、神经形态和纳米计算以及量子计算。
2023年8月，AFRL通过参议院国防拨款，获得了超过4400万美元的联邦资助。其中，AFRL信息局的五个重大项目成功获批资金。这当中，有1000万美元被用于分布式量子网络试验台以及量子云计算环境的建设，400万美元投入到光子量子计算项目，该项目旨在研发下一代离子阱计算机。
第四，跨领域协同也是AFRL进行量子计算研究的重要特点。量子计算与通信、传感和计时研究相互促进。例如，AFRL在环太平洋军演中测试了量子传感和冷原子加速度计，提供GPS替代功能和情报、监视与侦察（ISR）能力。这些技术虽然不直接属于量子计算成果，但其底层算法和硬件需求与量子计算研究高度相关。此外，AFRL探索量子传感器在战斗机惯性导航系统中的应用，可能通过量子计算优化导航算法。这种跨领域整合显示了AFRL在量子信息科学整体布局中的系统性思维。
（图：作为美国主办的“环太平洋”（RIMPAC）2022演习的一部分，美国海军研究办公室与美国空军后勤基地开展合作，在一艘新西兰海军舰艇上测试和演示量子传感器、量子钟和相关关键组件，左上图为HMNZS Aotearoa号在环太平洋海洋科学考察中心航行，甲板上可见用于支持各种实验的美国海军研究办公室的集装箱；右上图是用于重力地图匹配的夏威夷周围重力地图；下方图是RIMPAC数据测量结果显示原子重力仪与其他重力异常图的微克偏差，信息来自National Quantum Initiative Supplement to the President"s FY 2024 Budget）
第五，AFRL在研究策略上，尤为侧重量子网络组件的研发，而非将精力集中于独立的量子计算机。这是因为量子网络组件能够满足现代军事作战中对信息实时、高效、安全交互的迫切需求。
一方面，它可搭建超安全的量子通信链路，确保空军各作战单元以及多军种间的信息流畅传递，保障作战指令精准下达与情报实时共享；另一方面，通过量子网络连接多个量子计算节点，形成分布式量子计算模式，大幅提升计算能力，以应对大规模的复杂军事运算任务。此外，量子网络组件在量子传感、导航、情报收集等多元军事应用场景中均能发挥关键作用，例如在GPS信号受干扰时，可以借助量子网络与量子传感器实现高精度定位导航。
同时，聚焦量子网络组件的研究，更有利于AFRL整合工业界、学术界等各方力量，构建完善的量子技术生态体系，加快技术创新步伐。
三、美国空军量子计算代表项目
1.IonQ与美国空军的合作情况
参考链接：
IonQ Announces Two New Quantum Processors and a $25.5 Million Contract Award from the U.S. Air Force - Quantum Computing Report
IonQ的总部位于美国马里兰州学院公园，2015年由克里斯・门罗和金俊相创立，获得新企业联合公司200万美元种子资金，以及马里兰大学和杜克大学的核心技术许可，旨在将离子阱量子计算推向市场。
IonQ的技术实力体现在其高保真度的量子逻辑门操作和长相干时间的量子比特，这些特性使其在量子计算领域具有显著优势。IonQ的离子阱量子计算机已经被添加到谷歌云市场（Google Cloud Marketplace），这使IonQ成为唯一一家其量子计算机可通过所有主要云供应商（谷歌云、微软Azure和AWS）提供的供应商。
此外，IonQ的联合创始人还加入了白宫的国家量子计划咨询委员会，以加快国家战略技术的发展。近年来，IonQ与美国空军AFRL的合作取得了显著的技术成就和商业进展，是AFRL最重要的供应商之一。
（1）合作内容：
2022年9月，IonQ与AFRL签订了一份1340万美元的合同，提供量子计算硬件研究和量子算法及应用开发。
2023年7月，IonQ与AFRL签订了一份2550万美元的合同，用于部署两台基于钡的陷落离子量子处理器。
2024年9月，IonQ与AFRL签订了一份价值5450万美元的合同，这是IonQ与AFRL的第三份合同，也是2024年美国最大的量子合同。其项目重点是推进量子系统的扩展、联网和可部署性。主要目标包括提高与现有电信基础设施的兼容性，确保量子设备之间的互操作性。
2025年1月，IonQ通过子公司Qubitekk，向AFRL交付价值2110万美元的量子网络项目。IonQ为AFRL的Innovare推进中心开发安全的量子网络基础设施。该项目内容包括——高性能量子网络接入点、集成量子和经典电信系统的硬件，以及用于地面到无人机系统（UAS）通信的安全自由空间光链路。
2025年3月，IonQ在美国空军AFRL位于纽约罗马市的设施中部署了一个离子阱量子计算和网络系统。该系统提高了量子网络研究的精度和可扩展性。
（2）技术成就：
IonQ在量子计算和网络领域取得了重要进展，特别是在陷落离子量子处理器的设计和部署方面。IonQ在AFRL位于纽约罗马的设施中部署了两台基于钡的陷落离子量子处理器，这些处理器专为国防应用设计，以推进量子通信和计算技术。
（图：钡技术的最新进展，图片来自IonQ Plots Path to Commercial (Quantum) Advantage (hpcwire.com)）
IonQ展示了远程离子-离子纠缠，这是使用光子互连在多个量子处理器上扩展其计算的关键里程碑。IonQ的陷落离子系统和其展示的高算法量子比特（AQ）具有独特的属性，使其成为量子计算和网络能力发展的领先技术之一。IonQ的专有设计包括高连接性和误差缓解能力，这对于开发用于国防目的的强大量子系统至关重要。
（图：IonQ的行业领先的离子阱量子计算机硬件，图片来自联合量子研究所）
（图：IonQ的可扩展模块化架构，图片来自IonQ Plots Path to Commercial(Quantum) Advantage (hpcwire.com)）
IonQ的技术路线图和商业重点技术实施使其成为量子竞赛的领跑者之一。公司聘请了来自全球技术领先公司的专业人士，并与世界上最大的组织合作。
（图：IonQ的性能、规模和企业级应用路线图，图片来自IonQ Plots Path to Commercial (Quantum) Advantage (hpcwire.com)）
2.大西洋量子公司基于磁通量的量子计算硬件项目
参考链接：
Atlantic Quantum Receives a $1.25 Million SBIR Grant from the U.S. Air Force - Quantum Computing Report
大西洋量子公司（Atlantic Quantum）是一家致力于开发可扩展、容错量子计算机的初创企业，成立于2022年，总部位于美国马萨诸塞州剑桥市，其技术根源可追溯至麻省理工学院的研究。2023年8月，大西洋量子公司通过AFWERX计划获得了美国空军125万美元的小企业创新研究（SBIR）赠款，以支持其基于磁通量的量子计算硬件的开发。这项技术的开发旨在解决美国空军部（DAF）面临的一些关键挑战，尤其是在构建更精确和可扩展的量子系统领域。
技术细节方面——大西洋量子公司专注于利用基于磁通量的新型架构来提高超导量子比特的性能。这种设计能够实现极低的错误率，单量子位门保真度达到99.99%，双量子位门保真度超过99.9%。这些技术进步对于开发容错量子计算系统至关重要，因为它们可以最大限度地减少纠错协议所需的资源开销。大西洋量子公司的电路设计强调同时提高可扩展性和准确性，这笔赠款还用于支持这项技术在国防和其他计算密集型领域的潜在应用。
此外，2024年11月17日，美国空军部的创新部门AFWERX还为该公司提供了180万美元的第二阶段STTR资助。大西洋量子公司将与麻省理工学院的凯文·奥布莱恩教授合作，利用这笔资金为美国空军开发可扩展的超导量子计算机，以增强美国的国防能力。在该项目中，大西洋量子公司将与凯文·奥布莱恩的量子相干电子学小组合作，后者将在量子元件（包括量子限幅放大器）方面进行创新，以改进量子处理器的读出。
3.AFRL-Aliro量子网络模拟与评估协同项目
参考链接：
https://www.aliroquantum.com/
Aliro Quantum（简称 Aliro）成立于2019年，它是从哈佛大学NarangLab剥离出来的一个创业公司，专注于量子网络技术的研究和开发，其总部位于美国马萨诸塞州波士顿。
Aliro提供的AliroNet™可运行基于纠缠的量子网络，适用于量子安全通信、云和数据中心的安全访问、量子计算机联网以及分布式量子传感器联网等应用场景，还可用于实施包含后量子加密技术的综合高级安全网络。同时，Aliro将量子网络模拟作为专业服务或内部服务对外提供，其用户涵盖公用事业公司、电信运营商、公共部门组织、企业和研究人员等，这些用户利用其服务进行世界上首个量子网络的模拟、设计、试验、协调和构建工作。
2024年9月，Aliro与美国空军AFRL达成研究协议。此前，Aliro就曾获得过美国空军研究量子网络技术的合同。此次与AFRL达成协议，Aliro为其提供软件和专业服务。Aliro提供的软件服务中包含Aliro模拟器，这是一款多功能、模块化的量子网络模拟器，具备基于纠缠的网络建模功能，能够模拟基于纠缠的网络，还可以构建和模拟各种硬件设备以及不同规模的量子网络基础设施，分辨率可达低级物理现象。
（图：Aliro模拟器提供全量子网络仿真和模拟，图片来自https://6285392.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/6285392/static/brand/Aliro%20Simulator%20Data%20Sheet.pdf）
根据协议，Aliro将帮助AFRL评估其量子网络中的组件、协议和配置，助力AFRL模拟、测试和运行基于纠缠的量子网络基础设施，包括将量子计算机与异构量子比特平台联网的相关工作。AFRL会在其量子网络测试环境中评估Aliro统一直观的软件应用能力。同时，Aliro还提供技术和用例支持服务，如建立新模型、开发模拟器附加功能以确保最佳模拟结果，以及在模拟实验和物理实验的经验数据之间建立反馈回路，优化网络基础设施。借助Aliro的软件，AFRL能够对组件、协议和配置进行评估和微调，并探索使用其协调和控制软件管理网络运行，双方还将共同探索各种用例，研究这些服务的准确性、灵活性和可扩展性。
4.AFRL的“3C能力”项目
参考链接：
AFRL Quantum research advances 3C capabilities in future Air, Space and Cyber operations – Air Force Research Laboratory (afresearchlab.com)
2024年3月，AFRL宣布计划通过量子研究推进指挥、控制和通信（3C）能力的进展。这包括开发量子安全通信系统、用于太空作战的增强型传感技术以及用于网络防御的先进计算技术。这些研究符合AFRL的愿景，即为复杂的多领域挑战建立卓越的量子解决方案，确保美国空军的技术优势。AFRL信息局的专家正积极推动量子技术从基础的单个量子比特，向由多个量子比特组成的阵列乃至更复杂的系统层级发展。在构建量子系统的过程中，不同类型量子比特之间的有效连接是关键挑战之一，因为这涉及到诸如量子比特耦合机制、不同物理体系量子比特的兼容性等复杂技术问题。
（图：位于纽约州罗马市的AFRL信息局的研究人员正在推进量子技术从单个量子比特或量子位（qubit）级到系统级的发展，图片来自机构官网）
AFRL和其他国家实验室在量子计算方面的研究有可能彻底改变美国的军事行动。例如，量子计算可用于创建更高效的数据分析算法，帮助识别敌方可能利用的模式和趋势。它还可以创建更安全的通信系统，因为量子计算比传统计算系统更难被黑客入侵，因为量子力学的基本定律可以保护系统。
5.蒙大拿州立大学与ORCA计算公司合作研究项目
参考链接：
Montana State University Selects ORCA Computing to Enhance Quantum Research - Quantum Computing Report
ORCA Computing（以下简称ORCA）公司成立于 2019 年，是牛津大学的分拆公司，其总部位于英国伦敦，在加拿大多伦多和美国奥斯汀设有办事处，致力于开发和提供全栈光子量子计算系统。自成立以来，公司取得了多项成就，包括获得英国政府1160万英镑补助金，以及在 2025年初向全球客户交付了10套预置式量子光子系统。英国国防部、英国国家量子计算中心、波兰波兹南超级计算与网络中心和美国蒙大拿州立大学等都是ORCA公司的客户。
2024年2月，美国蒙大拿州立大学宣布与ORCA计算公司合作拓展量子研究能力。该项目利用ORCA基于光子的量子计算机，探索量子增强机器学习、材料科学和安全通信方面的应用。这项计划得到了美国空军量子研究基金的部分支持，与开发国防相关量子技术的目标相一致。
美国蒙大拿州立大学（MSU）与ORCA计算公司合作，通过部署两套PT-1量子光子计算系统来加强量子研究。这些系统将用于位于博兹曼的蒙大拿州立大学创新校区，重点研究分布式量子计算以及在网络安全、通信和国防领域的应用。
（图：ORCA PT-1光子量子计算机原理图,图片来自https://www.researchgate.net/publication/384266529_Solving_Combinatorial_Optimization_Problems_on_a_Photonic_Quantum_Computer）
美国空军为这项计划提供了资金支持，该合作是ORCA计算公司向全球机构（包括国防和学术组织）供应PT-1设备的长远计划的一部分。该系统的功能将加强蒙大拿州立大学的研究基础设施，使量子技术取得重大进展。
6.QRS公司的量子供应链管理软件项目
参考链接：
Quantum Research Sciences Secures a U.S. Air Force STTR Phase III $2.5 Million Contract for Quantum Software that Helps to Manage Supply Chains - Quantum Computing Report
Quantum Research Sciences（以下简称QRS）成立于2022年，总部位于美国印第安纳州拉斐特，其核心团队由物理学、数学和计算机科学领域的专家组成，该公司创始团队与普渡大学有深厚渊源，许多成员曾在普渡大学任教。QRS是一家专注于量子软件开发与交付的公司，以推动量子计算在实际应用中的落地为主要目标。
2024年1月，QRS获得了价值250万美元的STTR第三阶段合同，为国防部提供首个可运行的、适用于实际生产流程的量子计算软件。该软件利用量子算法在复杂的供应链场景中简化操作、降低成本和提高效率。该计划符合美国空军将先进量子技术融入关键任务的目标，主要针对量子技术在国防物流场景的实际应用。
（图：美国空军开始采用量子计算技术进行库存管理，图片来自livescience.com）
美国空军传统上依靠经典的二进制计算机来处理供应链，但在现代，由于飞机零部件繁多，军事基地数量不断增加，经典二进制计算机在处理供应链物流方面存在不足。由于意识到传统系统的缺陷，美国空军正在放弃D200A传统供应链管理系统，转而采用ESCAPE系统（Enterprise Supply ChainAnalysis, Planning, and Execution program）。为了实现这一目标，空军将目光投向了量子计算，因为量子计算能够进行精确预测，从而改善供应链的运作。QRS声称其软件可使供应链预测的准确性比传统模型高出28%。（Source：airandspaceforces.com）
7.PsiQuantum公司与美国空军的合作情况
参考链接：
PsiQuantum Receives a $22.5 Million Contract from the Air Force Research Laboratory - Quantum Computing Report
PsiQuantum公司成立于2016年，总部位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托，在加利福尼亚州圣何塞、纽约州马耳他和英国的达雷斯伯里都设有研发基地。公司与美国多个政府机构建立了长期合作关系，其中包括通过US2QC项目（注：US2QC指“未充分探索的实用规模量子计算系统”，是由DARPA发起的一项研究项目）与DARPA、AFRL和美国能源部的合作。
（1）US2QC项目
2024年1月9日，PsiQuantum宣布与DARPA签订合同，项目主旨是确定未充分探索的量子计算方法（如PsiQuantum公司的光子方法）是否能够以比传统预测更快的速度实现公用事业运行。DARPA领导的团队包括来自以下机构的多名专家：AFRL、DARPA、约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室和美国宇航局艾姆斯研究中心。
PsiQuantum在US2QC项目中的核心贡献是提出了一种基于“光子量子比特网格”（photonic qubit lattice）的量子计算架构。这种方法被认为在扩展性和纠错方面具有独特优势，与传统基于物质的量子计算（如超导量子比特）不同。AFRL的专家参与了US2QC的技术验证，特别是在量子网络和计算应用方面，与PsiQuantum的研究方向契合。
DARPA经过历时一年的尽职调查确定，PsiQuantum公司的光子方法值得进入US2QC计划的下一阶段，以光子方法来构建世界上第一台公用事业级容错量子计算机的设想可以推进。随着PsiQuantum与DARPA的合作进入下一阶段，其合作重点将转向PsiQuantum的容错原型设计。
（图：PsiQuantum公司将成为新成立的伊利诺伊州量子与微电子园区的支柱，并在此建成美国第一台公用事业规模的容错量子计算机，图片来自PsiQuantum To Build First US-Based Utility-Scale Quantum Computer in Chicago, Illinois (businesswire.com)）
（2）AFRL光子量子计算解决方案合同
PsiQuantum公司还曾与AFRL于2023年11月签署一项合作协议，用于开发光子量子计算解决方案。该合同支持对可扩展量子处理器和光子量子比特集成的研究，以应对纠错和运行稳定性等挑战。这些开发成果可直接应用于安全通信和用于国防规划的量子模拟。这份价值2250万美元的合同将支持创建可扩展量子处理器和集成光子量子比特的研究，目标是解决纠错和系统稳定性等技术难题。
8.硅自旋Qubits研究项目
参考链接：
US Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) Awards $6.7 Million Grant to Team for Studying Materials Characterization and Modeling of Silicon Spin Qubits - Quantum Computing Report
2023年11月，美国空军科学研究办公室（AFOSR）拨款670万美元，支持一个团队研究用于量子计算的硅自旋量子比特。该团队由罗切斯特大学（University of Rochester）领导，成员包括纽约州立大学石溪分校（SUNY Stony Brook）、纽约创意公司（NY Creates）和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）等机构，旨在应对电荷噪声、谷分裂和电子g因子空间变化等挑战，这些问题影响了硅自旋量子比特的稳定性和可控性。
团队采用“材料优先”战略，以确定并减轻硅自旋量子比特面临这些挑战的根本原因。具体的研究方法包括先进的材料表征、建模技术、硅制造、量子实验等。通过提高硅自旋量子比特的稳定性和性能，这项研究可以加速可靠的量子计算系统的开发，并有望应用于国防和信息技术等多个领域。
（图：硅自旋Qubits项目公告截图，图片来自Search Results Detail | Grants.gov）
9.QC Ware与美国空军的合作情况
参考链接：
QC Ware Announces Collaborations with Goldman Sachs and the Air Force Research Laboratory (AFRL) - Quantum Computing Report
QC Ware是一家美国量子计算软件公司，成立于2014年，总部位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托，创始人Matt Johnson曾在美国空军担任上尉。QC Ware公司在技术层面展现出了诸多实力。
其研发的软件即服务量子化学平台Promethium，集成了先进的量子化学工具集。该平台基于专有算法构建，在预测准确度上，远超简单的力场或粗粒度模型。在运行速度方面，Promethium比公司现有的工具快100倍以上，相较于ab initio领域的其他产品，也快10到100倍，并且能够处理多达2000个原子的ab initio问题（Source：hpcwire.com）。
公司从斯坦福大学聘请了众多GPU编码员，这为其在量子化学领域的技术深耕奠定了基础，使其在经典系统（主要是GPU）运行方面拥有独特优势。此外，QC Ware还在IonQ的离子阱量子计算机上进行开发工作，具备在多平台进行技术研发的能力。
2023年8月，QC Ware与AFRL合作开发量子算法和计算解决方案。QC Ware为AFRL研究量子算法和机器学习技术，旨在解决金融和国防领域的复杂问题。对于美国空军后勤部，目标是探索量子机器学习在任务规划和数据分析中的应用。
（图：QC Ware Forge量子计算解决方案架构图，图片来自https://www.qcware.com/news/qc-ware-races-ahead-with-breakthrough-in-quantum-machine-learning-algorithms）
这不是双方的第一次合作。2021年4月，QC Ware与AFRL就宣布过一项合作，旨在探索QC Ware的量子机器学习算法在无人机飞行路径分析中的应用。这一合作的重点是开发能够理解无人机飞行目的或任务目标的算法。QC Ware的q-means算法，一种用于聚类和分类的量子算法，被用于这一项目，并有望应用于AFRL的多种任务中。
（图：该图展示了k-means算法以及不同δ值下q-means算法（q-means算法是在k-means算法基础上引入参数δ的一种改进算法）在MNIST数据集上的准确率变化情况，模拟结果表明，即使δ足够大，δ-k-means算法的收敛速度也与常规k-means算法几乎相同，这证明q-means算法与经典k-means性能一样良好，图片来自QC Ware Research中的q-means:A quantum algorithm for unsupervised machine learning）
在项目的第一阶段，AFRL和QC Ware研究人员确定了测试和评估q-means算法的用例，以对无人机的飞行路径和行为进行分类。第二阶段将侧重于评估算法的性能，使用真实数据并在当前可用的量子硬件上实施算法。q-means算法在处理更复杂的高维数据集时具有更好的扩展性，运行速度比其经典对标算法k-means快得多，尤其是在高维数据集上。
【结语】
综上所述，美国空军在量子计算领域已构建起较为全面的研究体系，从多元研究力量的整合，到整体研究的稳步推进，再到自研与对外合作项目的协同开展，均展现出美国空军对量子计算技术的高度重视与积极投入。然而，量子计算技术的发展仍面临诸多挑战。未来，美国空军在量子计算应用上如何持续突破技术瓶颈、加速成果转化并融入实战体系，值得持续关注。同时，其发展经验也为其他国家在相关领域的探索提供了借鉴与思考，推动全球量子计算技术的军事应用不断向前迈进。
【参考文献】
1. Air Force Office of Scientific Research. (n.d.). *Air Force Office of Scientific Research Broad Agency Announcement (BAA).* Arlington, VA: Air Force Office of Scientific Research.
2. Air Force Office of Scientific Research. (n.d.). *Air Force Office of Scientific Research: Overview.* Arlington, VA: Air Force Office of Scientific Research.
3. Air Force Research Laboratory. (2021). *Discovering and delivering for tomorrow"s force: Annual report 2021.* Wright-Patterson AFB, OH: Air Force Research Laboratory.
4. Mitchell Institute for Aerospace Studies. (n.d.). *Charting the course: How the PLA"s expected regional and global strategies should influence the U.S. Air Force"s lines of efforts.* Arlington, VA: Mitchell Institute for Aerospace Studies.
5. Air Force Office of Scientific Research. (2023). *Materials characterization and quantum performance: Correlation and causation (MQC) (FOA-AFRL-AFOSR-2023-0010).* Arlington, VA: Air Force Office of Scientific Research.
6. Larsen, J. A., McCausland, T. C., Donohue, C., Ouagrham-Gormley, S. B., & Vogel, K. M. (2024). Demonstrating real-time and low-latency quantum error correction with superconducting qubits. *Physical Review X, 14*(1), 011023.
7. Air Force Research Laboratory. (n.d.). *Quantum computing and electron beam lithography (Project Announcement).* Rome, NY: Air Force Research Laboratory, Information Directorate.
8. Air Force Materiel Command, Engineering and Technical Management Directorate (HQ AFMC/EN). (2024). *AFMC EN strategy 24: Final (504).* Wright-Patterson AFB, OH: Air Force Materiel Command.
9. Egan, B., Kim, Y., & Wallraff, A. (2023). Hardware implementation of quantum stabilizers in superconducting circuits. *Nature Communications, 14*(1), 4567.
10. Department of the Air Force. (2024). *Department of the Air Force safety strategic plan 2024-2027.* Washington, DC: Department of the Air Force.
11. Li, J., Sun, Z., & Martinis, J. M. (2023). Modular tunable coupler for superconducting circuits. *Applied Physics Letters, 123*(5), 052601.
12. Congressional Research Service. (2024). *Defense primer: Quantum technology (Report No. IF11836).* Washington, DC: Congressional Research Service.
13. Warrick, T., & Venkatraman, V. (2023). *The quantum advantage: Why it matters and essential next steps.* Arlington, VA: Mitchell Institute for Aerospace Studies.
14. quantum computing military applications test | Military Aerospace
15. Air Force Research Laboratory issues 17 grants for quantum research (c4isrnet.com)
16. The Quantum Advantage: Why it Matters and Essential Next Steps - Mitchell Institute for Aerospace Studies (mitchellaerospacepower.org)
17. AFRL"s "Quantum Collider" Focuses On Boosting ISR, PNT - Breaking Defense
18. https://www.militaryaerospace.com/computers/article/55055101/hrl-laboratories-llc-nanoelectronic-quantum-computing-signal-processing
19. https://www.militaryaerospace.com/computers/article/55132726/quantum-computing-machine-learning-test-and-evaluate
20. https://www.militaryaerospace.com/computers/article/55055101/hrl-laboratories-llc-nanoelectronic-quantum-computing-signal-processing
21. NASA taps Quantum Computing, Inc. to support quantum sensing for space lidar missions | Military Aerospace
22. https://www.militaryaerospace.com/computers/article/14281560/quantum-computing-command-and-control-software
23. quantum computer difficult problems underexplored | Military Aerospace
24. Terra Quantum Secures SBIR Funding to Develop Quantum-Resistant Network for U.S. Air Force Communications - Quantum Computing Report
25. Aliro Expands Partnership with U.S. Air Force for Quantum Networking Solutions - Quantum Computing Report
26. Aliro Expands Relationship with U.S. Air Force for Quantum Networking | Business Wire
27. IonQ Signs a $54.5 Million Contract with AFRL for Research in Both Quantum Computing and Quantum Networking - Quantum Computing Report
28. Qrypt Awarded AFWERX SBIR Phase 1 Contract for Enhancing Mattermost Secure Chat with Quantum Resistant Encryption - Quantum Computing Report
29. Montana State University Selects ORCA Computing to Enhance Quantum Research - Quantum Computing Report
30. Qrypt Partnering with NVIDIA to Provide Quantum Secure Cryptography Between AI Clusters - Quantum Computing Report
31. Qrypt Awarded STTR Phase 1 Contract by AFWERX and Department of Air Force to Enhance National Defense Against Quantum Threats - Quantum Computing Report
32. QuSecure Has Won Another U.S. Government SBIR Award for PQC from the U.S. Air Force - Quantum Computing Report
33. Quantum Research Sciences Secures a U.S. Air Force STTR Phase III $2.5 Million Contract for Quantum Software that Helps to Manage Supply Chains - Quantum Computing Report
34. SandboxAQ and Carahsoft Forge Strategic Partnership to Distribute Quantum and AI Powered Solutions to the Public Sector - Quantum Computing Report
35. US Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) Awards $6.7 Million Grant to Team for Studying Materials Characterization and Modeling of Silicon Spin Qubits - Quantum Computing Report
36. IonQ Announces Two New Quantum Processors and a $25.5 Million Contract Award from the U.S. Air Force - Quantum Computing Report
37. Atlantic Quantum Receives a $1.25 Million SBIR Grant from the U.S. Air Force - Quantum Computing Report
38. SandboxAQ Wins Phase 1 SBIR from the U.S. Air Force to Determine the Feasibility of Its Quantum-Resistant Security Solutions - Quantum Computing Report
39. PsiQuantum Receives a $22.5 Million Contract from the Air Force Research Laboratory - Quantum Computing Report
40. Another Metropolitan Quantum Network Being Set Up in the Washington DC Area - Quantum Computing Report
41. U.S. Government to Provide $25 Million to a GlobalFoundries/PsiQuantum Partnership - Quantum Computing Report
42. Ki3 Photonics and Quantum Bridge Technologies Receive $450,000 Grant from the U.S. Air Force to Study Large Quantum States for Quantum Photonics Infrastructures - Quantum Computing Report
43. QC Ware Announces Collaborations with Goldman Sachs and the Air Force Research Laboratory (AFRL) - Quantum Computing Report
44. U.S. Air Force Awards 17 Quantum Seed Grants Totaling Over $1 Million - Quantum Computing Report
45. U.S. Air Force Awards $35 Million in Quantum Research Funding to 15 Small Businesses - Quantum Computing Report
46. Innovare Advancement Center to Provide Over $1 Million in Grants (quantumcomputingreport.com)
47. Purdue-Connected Quantum Research Sciences Receives U.S. Air Force’s First Quantum Computing Phase III Contract (thequantuminsider.com)
48. Rigetti Computing Awarded Five-Year Contract with Air Force Research Lab for Quantum Foundry Services (thequantuminsider.com)
49. Riverlane"s Quantum Error Correction Report: Defining the Path to Fault-Tolerant Computing and the MegaQuOp Milestone Riverlane"s Quantum Error Correction Report: Defining the Path to Fault-Tolerant Computing and the MegaQuOp Milestone (thequantuminsider.com)
50. Terra Quantum Wins SBIR Funding to Study Feasibility of Long-Range Quantum-Resistant Network For The US Air Force (thequantuminsider.com)
51. U.S. Air Force, Collaborators Award Quantum Technology Grants (thequantuminsider.com)
52. AFRL Provides US With Robust Future Quantum Computing, Networking Capabilities (thequantuminsider.com)
53. UCLA physicists develop world’s best quantum bits – UCLA College
54. UCLA physicists develop world’s best quantum bits – UCLA Division of Physical Sciences
55. UCLA-led team develops new approach for building quantum computers | UCLA
56. AFRL opens state-of-the-art Extreme Computing facility, announces $44 million in additional funding – Air Force Research Laboratory (afresearchlab.com)
57. AFRL Quantum research advances 3C capabilities in future Air, Space and Cyber operations – Air Force Research Laboratory (afresearchlab.com)
58. Moving Quantum Computing from Hype to Prototype (darpa.mil)
59. Quantum Science to Deliver Cutting-Edge Technology to Warfighters, Official Says > U.S. Department of Defense > Defense Department News
60. 2024 Air, Space & Cyber: Cyber Dominance - Air & Space Forces Association (afa.org)
61. 2024 Air, Space & Cyber: Space Domain Awareness - Air & Space Forces Association (afa.org)
62. US Air Force turns to quantum computing for military logistics - CoinGeek
63. Quantum Research Sciences Receives US Air Force’s 1st Quantum Computing Phase III Contract (hpcwire.com)
64. IonQ Announces $54.5M Quantum Contract with US Air Force Research Lab - High-Performance Computing News Analysis | insideHPC
65. Rigetti Computing Awarded Five-Year Contract with Air Force Research Lab for Quantum Foundry Services | Rigetti & Co, LLC
66. Quantum Technology for Defence - Joint Air Power Competence Centre (japcc.org)
声明：本文来自天融信网空观察，版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点，不代表安全内参立场，转载目的在于传递更多信息。如有侵权，请联系 anquanneican@163.com。
