近日，美国技术产业委员会（ITI）发布《量子技术政策指南》，概述了应对量子计算、量子通信和量子传感带来的机遇和风险的战略建议。其中，指南重点介绍了量子技术用于加速药物研发、财务建模、供应链优化和安全通信的案例，并对量子计算、人工智能和高性能计算的融合进行了探讨，以及三大技术驱动的混合系统对于加速气候研究、材料科学和国防领域突破的作用。
量子信息科学（QIS）通过将量子力学原理与信息科学相结合，代表了计算和数据处理领域的发展。通过利用量子物理学进行信息存储、传输、计算或测量，该领域的创新有可能给各行各业带来革命性的变化。在取得技术进步的同时，各行各业也蕴藏着巨大的经济潜力。与此同时，量子技术标志着组织对安全的思考模式发生了转变，因为这些技术既带来了新的网络安全威胁，也带来了防御能力。
量子技术对公共政策有着深远的影响，涉及国家安全、经济竞争力、网络安全和数据隐私。因此，决策者正密切关注这些技术带来的颠覆性潜力。全球各国都将量子技术的领先地位视为未来经济增长的引擎，并竞相在新兴的量子经济中占据一席之地。
在量子技术（尤其是量子计算）领域获得先发优势，可以为国家和私营公司带来巨大的战略利益。然而，这些战略进步也伴随着风险，如高昂的研发成本、供应链挑战、技术不可预测性以及建立一支熟练劳动力队伍的挑战。
ITI的《量子技术政策指南》旨在为政策制定者、行业合作伙伴和其他利益相关者提供有关量子技术现状、其潜力和对全球经济的现实影响的基础知识，以及如何培育量子技术蓬勃发展所需的有利于创新的生态系统的建议。
一、量子技术101
量子信息科学（QIS）将量子力学原理与信息科学融为一体，代表着计算和数据处理领域的发展。量子物理学研究（亚）原子粒子的独特行为方式。当应用到信息科学中时，这些独特的行为和模式可以用来开启新的信息处理模式。
与严格意义上的0 和 1的经典比特不同，量子比特（qubit）利用了叠加和纠缠等量子特性，使计算能力、超安全通信和前所未有的传感精度实现了指数级飞跃。有许多量子力学系统都有可能成为量子比特，即所谓的量子比特模式。量子"一词本身指的是电磁能的离散量，其大小与其所代表的辐射频率成正比。
量子信息服务领域包括一系列成熟度不同的技术。美国的《国家量子计划法案》（NQI法案）将量子信息科学定义为 “利用量子物理定律来存储、传输、操纵、计算或测量信息”。
量子技术分类
量子计算：量子计算是一种利用量子态的集合特性（如叠加、干涉和纠缠）进行计算的计算类型。量子计算机的优势在于能够在多项式时间内解决指数级复杂问题，即所谓的 “量子优势”。这意味着量子计算机特别适合解决 “大海捞针 ”的问题。随着量子计算的进一步成熟，私营部门实体和研究人员正在开发可在量子计算机上运行的新算法，以充分利用 “量子优势”。
量子传感：量子特性可用于显著增强传感和测量技术，实现超越经典物理学的精确测量。
量子通信：量子通信是指利用量子态确保数字选择的真正随机性，向其他方传递加密密钥，以及利用量子效应对信息进行编码。
量子技术包括量子信息服务的实际应用，体现在各种技术、产品和服务中。量子技术大致可分为三类：量子计算、量子传感和量子通信。
量子技术、高性能计算和人工智能
量子计算、人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的融合正在彻底改变包括科学研究、工业应用和商业创新在内的各个领域。通过结合每个领域的优势，我们可以加速科学发现、优化复杂模拟，并为未来的计算突破做好准备。
后量子密码学
后量子密码学（PQC），有时也称为量子安全加密或量子安全，是一门独立于量子信息学的学科。PQC描述了一套算法和流程，旨在保护数据免受量子计算机解密的风险。这种风险源于广泛使用的公钥加密算法中一个已被证实的漏洞。将脆弱的加密系统迁移到PQC 是一个长期的过程，必须驾驭复杂的相互依存关系。虽然PQC目前是美国解决量子风险的首选方法，但一些国家目前正在优先考虑植根于量子通信或混合方法的其他风险管理解决方案。
利用量子计算进行人工智能驱动的科学发现
基于云的平台正在出现，这些平台整合了量子计算、人工智能和高性能计算，以推动材料科学和化学研究等领域的发展。这些平台使研究人员能够进行大规模模拟，并利用人工智能提高科学研究的效率。这些平台的主要特点包括：
人工智能辅助工作流程自动化；
用于精确模拟的混合量子经典算法；
量子启发优化，提高解决问题的能力。
二、量子技术的政策影响
量子技术对公共政策有着深远的影响，涉及国家安全、经济竞争力、网络安全和数据隐私等一系列问题。由于这些技术具有颠覆性的潜力，政策制定者正在密切关注。
量子技术的创新有望利用量子物理学进行信息存储、传输、计算或测量，从而为各行各业带来变革。通过利用传统计算和人工智能，企业在将量子物理学原理应用于量子计算、纠错、流程优化、信息存储和计量等领域方面取得了重大进展。随着量子计算的进一步成熟，研究人员将能够运行新的算法来解决与网络安全、材料科学、药物开发和机器学习等领域相关的 “大海捞针 ”式的问题。
与技术进步相伴的是巨大的经济潜力。量子计算机在优化金融、物流和电网管理等复杂系统方面取得了初步成功。量子传感设备可改善医疗成像和导航系统，对医疗保健、采矿和运输等行业产生影响。由于应用范围广泛，预计到2035 年，仅量子计算一项每年就将产生4500 亿美元的收入，而量子传感和量子通信预计每年将分别产生1000 亿至 2000亿美元和 500亿至 1000亿美元的收入。
各国认识到这一潜力，将量子技术的领先地位视为未来经济增长的引擎，并竞相在新兴的量子经济中占据一席之地。一些国家已经发挥了核心作用，并正在通过启动国家战略、专项资金计划和建立国际合作伙伴关系来分配大量资源。私人投资者面临的高风险进一步激励各国政府在培育量子技术生态系统方面发挥核心作用。截至2023 年12 月，有24个国家制定了某种形式的量子信息科学国家倡议或战略，预计到2024 年，全球公共投资将达到420亿美元。这些努力共同反映了全球认识到，量子技术的领先地位是国家安全和经济竞争力的战略需要。
量子技术，尤其是量子计算的先发优势可以为各国和私营部门公司提供重要的战略机遇，包括技术领先、竞争优势和经济影响。然而，这些战略进步也蕴含着风险，如高昂的研发成本、供应链挑战、技术不可预测性以及建立一支熟练劳动力队伍的挑战。
三、政策方针
1.释放量子技术的创新和投资活力
量子技术能够促进创新并带来巨大的经济潜力。量子技术的创新和投资对于促进量子技术的开发、部署和吸收至关重要。虽然许多国家的政府已经认识到投资量子技术的战略利益，但它们应考虑制定国家战略，利用学术界和私营部门的创新，重点是为全社会的利益相关者释放利益。
制定和支持激励私营和公共部门投资量子技术研发的政策
鼓励政府提供强有力的支持，通过激励措施、增加对量子技术基础科学的资助和支持，以及重点关注商业用途的计划，促进量子技术的研发创新。政府仍然是量子技术长期高风险/高回报项目的主要资金来源。我们认识到，各国政府已经启动了主要支持量子技术基础研究的项目。各国政府应继续与主要利益相关方合作，完善以创新、商业化和劳动力发展为重点的项目。通过与私营部门和学术界的长期合作，可以实现有效的协作。美国的量子经济发展联盟（QED-C）就是这种合作关系的一个很好的例子。QED-C是一个公私合作的伙伴关系，它汇集了政府、机构、行业领袖和经济专家，以加速量子技术的开发和商业化。通过汇集资源和专业知识，QED-C旨在促进量子技术领域的创新、制定行业标准和先进的劳动力发展计划。
各国政府还应考虑针对具体成果进行投资，如量子技术测试平台，这有助于弥合学术研究与硬件等物理资源之间的差距。政府还应与私营部门和学术界合作，投资于以量子为重点的技术中心，支持解决具体技术难题的重大挑战。
支持和促进量子技术与传统计算（包括超大规模计算、高性能计算和超级计算）相结合的政策
混合系统可以充分利用经典计算和量子计算的优势。经典系统擅长大型数据处理，而量子计算则有可能在多项式时间内解决某些复杂问题。混合系统允许设计更高效的工作流程，其中传统计算解决方案专注于数据的前处理和后处理，而有限的量子计算资源则保留给那些具有量子优势的问题。因此，促进混合系统的政府政策可以通过刺激新产业和新应用来支持经济增长。
支持为量子创新建设可持续数据中心的政策
为帮助支持量子技术的发展，政策制定者应优先发展高能效、高弹性的数据中心基础设施。量子计算需要极低的温度才能运行。混合量子工作流对于建设基础设施也至关重要。对高能效供电数据中心、人工智能优化能源管理和先进冷却方法的投资，将确保量子计算以对环境负责和商业上可行的方式发展。
2.支持弹性量子技术供应链的发展
支持促进而不是阻碍弹性量子技术供应链的政策
弹性供应链不仅是客户和公司的业务需要，而且对国家安全至关重要。许多基础技术，如半导体，都是几十年来在多个国家建立的复杂供应链的一部分。量子技术供应链也不例外--它同样是全球性的、高度专业化的，对国家和经济安全至关重要。
量子技术依赖于从世界各地采购的可靠元件管道。例如，量子光子芯片组在美国设计；特种光纤电缆在德国制造；稀释冰箱在芬兰制造。
除其他因素外，量子技术的成功开发和应用将取决于采购和生产必要组件的能力。随着量子技术的发展，各国政府可以通过确定供应链缺口、扩大量子技术制造设施和加强现有半导体工厂以开发量子芯片来帮助降低风险。各国政府可遵循现有的操作指南和框架（如NIST系统和组织网络安全供应链风险管理实践）来管理风险，同时采用量子技术供应链特有的方法。
3.考虑量子技术对网络安全和隐私的影响
后量子密码学（PQC）又称量子安全加密，是一个重要领域，致力于开发保护数据不被量子计算机解密的算法和流程。PQC的紧迫性源于广泛使用的公钥加密算法（如RSA）的脆弱性，量子计算机可以在实际时间内对其进行解密。相比之下，经典计算机需要数百万年甚至数十亿年的时间才能计算出支撑这些传统加密方法的大素数。由于强大的量子计算机所带来的威胁，有必要开发抗量子算法，并重新评估当前的安全协议，以确保数据的长期安全。
利用现有的量子安全解决方案，特别是PQC。
量子技术既带来了新的网络安全威胁，也带来了防御能力。足够先进的量子计算机可以解密广泛采用的公钥加密算法，对数据安全构成重大威胁。此外，当部署了功能强大的量子计算机后，对手现在就可能获取加密数据，并在以后进行解密。为了应对这些风险，美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头开发了PQC算法。这些算法旨在确保数据免受量子攻击，并通过更有效地识别庞大数据集中的模式来加强威胁检测。不过，值得注意的是，这些新开发的PQC算法并不具有可证明的安全性，这意味着企业必须就如何处理任何残余风险做出战略决策。
支持开发根植于量子通信的可证明的安全解决方案
另一方面，量子通信技术，如量子随机数发生器（QRNG）和量子密钥分发（QKD），通过利用物理定律检测窃听，为实现牢不可破的加密提供了可能。然而，这些技术尚未大规模部署，而且实施这些技术需要新的专用设备。
将量子安全战略纳入基于风险承受能力的混合方法中
各国政府应制定灵活的政策，以适应网络威胁形势的变化。将脆弱的密码系统迁移到PQC是一个长期的过程，必须驾驭复杂的相互依存关系。虽然PQC目前是美国解决量子风险的首选方法，但许多国家目前正在优先考虑植根于量子通信或混合方法的其他风险管理解决方案。各国政府需要根据其威胁承受能力和其他因素，就如何最好地保护其网络安全做出明智的决定。
量子时代成功的网络安全和隐私政策应鼓励公共和私营部门的利益相关者将量子技术的威胁纳入威胁建模、事件响应和信息安全风险管理中。与主要利益相关者的合作对于规划和实施向新加密标准的过渡至关重要。积极主动地解决这些问题对于维护量子时代数字通信的完整性和保密性至关重要。
4.培养一支熟练的量子人才队伍
支持有助于培养一支熟练的量子技术人才队伍的政策
政府应支持培养技术熟练、装备精良的量子人才队伍的政策。量子技术生态系统需要一支具备不同技能、熟练程度各异的劳动力队伍。量子理论、量子信息安全和量子硬件等核心量子信息科学往往需要高技能的专业人才（从硕士到博士），政府可以通过资助基础研究和开发项目来支持这些人才。同时，更广泛的量子技术生态系统需要一系列技能，包括工程师、技术人员、应用研究人员和理论物理学家。为了帮助培养具备这些技能的人才队伍，各国政府应继续推行相关政策，推进K-12及更高层次的STEM领域的教育和培训。
开展研究，了解量子人才需求
由于大多数量子技术还处于早期开发阶段，仍取决于技术的不断突破，因此各国政府应开展研究，更全面地了解劳动力需求。私营部门和大学可与政府合作，更好地了解教育和培训情况，促进量子技术人才的培养。
5.采取平衡的量子技术治理方法
我们建议，政府在考虑对量子技术进行监管时，应在减轻和预防特定危害与允许创新之间取得平衡。量子技术并非单一技术，它包括计算、传感和通信等不同领域。每个领域都有其独特的优势和风险。下面，我们将提出三项建议，作为量子监管和治理的平衡方法：
采用基于风险、针对具体情况的方法管理量子技术
与量子技术相关的风险需要根据具体的量子技术用途加以识别和缓解。与量子计算相比，量子传感可能会带来不同的风险，政策制定者在强加可能会扼杀创新的规范性方法之前，必须了解这种区别。例如，量子传感设备可以更精确地探测电磁、声学和引力信号，从而可以通过透视材料监控活动。基于风险、针对具体情况的方法将是解决与量子技术的某些用途相关的问题的最有效手段，因为这种方法既能最好地识别具体风险，又能允许创新。
我们建议决策者咨询行业和其他利益相关者，以确定量子技术的高风险使用案例。与ITI对人工智能技术高风险的立场类似，当负面结果可能对个人或群体的健康、安全、自由或其他基本人权产生重大影响时，我们认为量子技术的使用属于高风险。
随着量子技术的用例、效益和风险不断涌现，政策制定者应考虑经合组织的《新兴技术预期治理框架》，以了解和降低风险，促进量子技术的创新。
评估现有法律法规，确定量子技术是否需要新规则
量子特性和原理可应用于各种技术和领域，利益相关者应根据具体应用评估其使用和影响。各国政府应评估消费者保护、网络安全和隐私/数据保护方面的现行法律是否解决了可能存在的问题。针对量子的法律有可能过于宽泛，可能与解决已发现的风险不相称。政府应与产业界、学术界和其他利益相关者合作，重点制定潜在的规则和法规，以解决量子技术特定用途所产生的明显危害。在起草立法或法规之前，政策制定者应考虑支持行业制定、采用和推广国际标准，这些标准可为推进有效的法律和法规提供依据。
围绕量子技术的共同定义和范围进行调整
政府应努力就有关量子技术的技术术语达成共同和一致的定义。
6.优先考虑全球参与与合作
世界各国都在考虑开发和部署量子技术。协作与合作是确保各种方法在最大程度上具有互操作性和一致性的关键。我们建议各国政府考虑以下几点：
认识到全球合作与协调的必要性
最近的国际科技合作趋势表明，在保持战略自主性和促进全球合作之间需要取得平衡。多年来，各国政府一直在投资量子科学，这在很大程度上是受潜在的数字安全风险和军事应用的驱动。虽然业界认识到各国有必要为量子及其他关键和新兴技术增加安全保障措施，但实现有益用途和降低风险是一个全球性和相互依存的合作过程。协调各国的资助倡议有助于减少研发活动的重复，并有助于加速必要的突破。
量子科技领域的国际合作对于创新和降低风险都非常重要。志同道合国家之间的结构化合作框架应强调联合软件开发，以确保互操作性。这样的倡议不仅能推动各国的量子应用，还能通过促进知识交流和最佳实践标准化来加强劳动力发展。
世界经济论坛（WEF）量子经济网络、量子发展小组和量子多边对话等组织可以在协调政策制定者、技术专家、学术界和产业界的工作方面发挥重要作用。经合组织也可以发挥重要的召集人作用，通过其技术和数字政策委员会全球论坛编制有关量子技术的报告。
支持全球自愿统一标准
标准在提高量子技术的信任度和促进统一方面发挥着重要作用。它们可以为潜在的法规提供信息，为治理提供指导，并支持技术要求。各国政府应努力支持全球、自愿、行业主导的标准，并保障国际标准制定机构的工作和进程。
国际电工委员会(IEC)和国际标准化组织(ISO)认识到量子技术需要一个协调的标准方法，于2024年1月宣布成立量子技术联合委员会(ISO/IEC JTC 3，量子技术)7。这个ISO/IEC联合技术委员会的工作范围是制定量子计算、量子模拟、量子源、量子计量、量子探测器和量子通信方面的标准。
制定共同推进国家安全、经济安全和量子竞争力的政策
出口管制、技术转让准则、投资筛选和其他经济安全措施是管理量子技术双重用途性质的关键政策工具。各国政府应支持在国内创新与保护具有潜在军事用途的敏感技术能力之间达成微妙平衡的政策。为了平衡创新与安全，各国政府应考虑采取政策，允许可信赖的盟友和机构之间开展合作，并采取强有力的安全措施，而不是施加阻碍科学进步的全面限制。政策制定者和监管者还应为可能受到出口管制的量子技术建立透明、可预测的许可流程。
五、量子技术应用案例
量子技术虽然仍处于不同的成熟阶段，但已被日常使用。量子技术能力不断取得里程碑式的进展，一些技术已经取得了初步的商业成功，而另一些技术在大规模商业应用方面仍不成熟。公司利用量子物理学进行信息存储、传输、计算或测量。通过利用传统计算和人工智能，公司在将量子物理学原理应用于量子计算、纠错、流程优化、信息存储和计量等领域方面取得了重大进展。
药物研究
量子计算机已被部署到医疗保健研究领域，旨在帮助加速生物医学发现。量子计算、人工智能和混合云技术也被用于加速生物医学研究。这些举措包括开发用于药物筛选和优化的量子计算管道，增强量子辅助心血管风险预测模型，以及应用人工智能分析基因组测序数据和药物靶标数据库，以确定阿尔茨海默氏症等疾病的潜在治疗方法。
材料科学
商用飞机采用先进的层状复合材料制造，这种材料重量轻、强度高且省油。然而，使用这些材料设计飞机部件是非常复杂的，因为每个部件都由数以千计的层状复合材料组成，每个复合材料都有特定的方向，以最大限度地提高强度。确定最佳排列方式可能需要管理多达10万个变量--对于传统计算机来说，一次解决的变量太多了。目前，工程师将问题分解成更小的部分，在整合之前分别解决，这一过程确保了安全性，但增加了时间和成本。
量子计算为解决这一难题提供了潜在的突破口。虽然目前的量子系统还不够强大，无法优化整个飞机部件，但随着量子硬件的发展，它可以让工程师更高效地解决大规模优化问题，从而实现更快、更安全、更具成本效益的飞机设计。
提高政府效率
量子计算有可能通过解决传统计算机经常难以解决的复杂问题来改善政府运作。许多政府职能，如交通管理、供应链物流和资源分配，都需要分析大量数据并同时优化多个变量。量子计算机有可能以比传统系统快数倍的速度处理这些复杂的计算，使政府能够制定更高效的城市规划、优化能源网并加强网络安全协议。这些领域的量子创新可带来更智能的基础设施、更低的成本和更好的公共服务。
后量子加密技术
各行各业的公司已开始部署PQC算法，以实现密码系统的现代化，并保护关键信息和通信系统。为了准备和调整加密方法，企业需要调查、清点和重新评估当前的安全协议。在量子时代，积极主动地解决相关问题对于维护数字通信的完整性和保密性至关重要。金融组织正在向PQC迁移，以确保支付、与客户的数字互动以及与市场基础设施的通信等基本流程的安全。各组织还利用PQC成功确保了多轨道通信的安全，在这种情况下，他们将具有加密敏捷性的量子弹性信道从地球传送到低地球轨道（LEO）卫星，再传送到地球同步轨道（GEO）卫星，然后再返回地球。这种方法可以在单一轨道上的卫星受到破坏、故障或威胁时建立冗余。
量子计算、高性能计算和人工智能在催化研究中的协同潜力
最近的研究表明，人工智能、高性能计算和量子计算在分析催化反应方面具有协同潜力。通过利用逻辑量子比特增强量子模拟并进行大规模密度泛函理论（DFT）计算，研究人员可以更精确地模拟化学相互作用。主要研究成果包括：
为反应网络绘制数千种分子构型图
成功实施量子：经典混合工作流程
在药物开发和工业催化中的潜在应用
这项研究凸显了人工智能驱动的量子化学在发现新材料和新反应途径方面的前景，而以前仅靠经典方法是无法发现这些新材料和新反应途径的。
六、术语表
经典计算机 经典计算机是一种利用经典物理学原理处理信息的设备，采用比特作为数据的基本单位，每个比特代表 0 或 1 的状态。
纠缠： 当两个量子物体相关性很强，以至于它们被同一个波函数描述时，就会产生纠缠。多个量子对象（如电子对或光子对）的叠加态如果不能分离成两个单独的波函数，就会发生纠缠。
迪文森佐标准： 指量子比特技术必须具备的五项最低要求，才能被视为量子计算的可行候选技术。标准包括可扩展性、初始化量子比特状态的能力、量子比特相干时间、通用门集和量子比特测量。
高性能计算机： 高性能计算机（HPC）是先进的计算系统，旨在以极高的速度执行复杂的计算。它们用于需要强大计算能力的任务，如科学模拟、天气预报、分子建模和大规模数据分析。高性能计算机通常由多个并行工作的处理器、高速互连以及大量内存和存储组成，可高效处理密集型工作负载。
量子计算： 量子计算利用原子、分子和纳米电子电路的量子行为，是一种完全不同的、更强大的计算方式。
量子干涉： 当两个或两个以上的波相遇时，就会产生干涉。它们的高点和低点可以相互叠加（建设性干涉）或相互抵消（破坏性干涉）
量子信息科学（QIS）： 量子信息科学是指将量子物理学原理应用于信息的存储、传输、操作、计算或测量。
量子密钥分发（QKD）： QKD 是指以安全方式为两方或多方生成秘密密钥的一系列协议。从理论上讲，量子力学定律保证了密钥分发的安全性。
量子并行： 量子并行是量子计算的一个基本概念，它利用量子叠加和纠缠原理同时执行多个计算，从而成倍地提高计算能力。
量子随机数发生器（QRNG）： QRNG 是一种利用量子力学原理生成真正随机数的技术，对于创建安全加密密钥至关重要。与传统的随机数生成器不同，QRNG 利用量子现象确保生成的随机数完全不可预测。
量子传感： 量子传感利用叠加和纠缠等量子力学原理，实现对物理量的高灵敏度和精确测量。
量子叠加： 量子叠加描述了同时具有 0 和 1 特性的单一量子态。与经典计算机相反，量子计算机不再受制于二进制逻辑。叠加态通常使用布洛赫球来形象化--量子系统在测量前的状态，以了解实验结果。叠加态允许量子计算机以量子概率进行计算。
量子比特（qubit）或量子位（quantum bit）是由量子系统（如电子或光子）构成的任何比特。与经典比特一样，量子比特必须有两个不同的状态：一个代表 “0”，一个代表 “1”。与经典比特不同的是，量子比特还可以以叠加态存在，接受不相容的测量，甚至与其他量子比特纠缠在一起。
量子比特模式： 有几种量子力学两级系统可以作为量子比特。每个系统都有自己独特的特点，公司会根据各自的目的选择不同的模式。一些最著名的量子比特模式包括超导量子比特、陷落离子量子比特、量子点量子比特、拓扑量子比特、金刚石氮隙中心量子比特、核磁共振量子比特、光子量子比特和中性原子量子比特。
不确定性： 不确定性告诉我们，一对属性（如位置和动量）不可能同时为人所知，其精确度不可能超过任意水平。测量行为本质上改变了粒子的属性。因此，结果只能是可能性的概率表达。例如，我们只能知道粒子的位置或移动方向，而不能同时知道两者。测量粒子的位置会改变其动量，反之亦然。
参考文献
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https://newsroom.ibm.com/2023-03-20-Cleveland-Clinic-and-IBM-Unveil-First-Quantum-Computer-Dedicated-to-HealthcareResearch
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