量子那些事儿 关注
手机版

【行业看点】量子时代的技术机遇

  1. 云栖社区>
  2. 量子那些事儿>
  3. 博客>
  4. 正文

【行业看点】量子时代的技术机遇

雪花又一年 2018-05-03 14:23:00 浏览378 评论0

摘要: 你可能无时无刻不在和量子技术接触:它在我们的手腕上,它在我们的语音设备中,它在我们的屏幕里,它在我们的汽车内……量子技术是数字时代的基石。   第二次量子革命即将来临,全新的量子技术正从实验室走出来,这将使传感、通讯、信息处理等领域获得前所未有的跨越式发展。

你可能无时无刻不在和量子技术接触:它在我们的手腕上,它在我们的语音设备中,它在我们的屏幕里,它在我们的汽车内……量子技术是数字时代的基石。

 

第二次量子革命即将来临,全新的量子技术正从实验室走出来,这将使传感、通讯、信息处理等领域获得前所未有的跨越式发展。但最大的挑战还是在于如何将技术概念变为原型,以及如何成功将原型进行商业化。 


640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=



量子技术到底是什么?

 

我们现在已经有能力操控单个原子、电子或其他粒子,其带来的好处是不言而喻的。比如,通过光子计数来制造3D相机、通过捕获单个原子和离子建造最精确的光学计时器等。同时,那些看似违反常理的量子现象也将为我们所用,比如量子纠缠态和量子叠加态。

 

量子钟通过捕获原子和离子,制造前所未有的高精度计时器。

 

量子成像通过对单个光子进行探测和计数,来突破传统相机的各种限制。全新的成像技术甚至可以穿过浓雾、看透墙壁。

 

量子传感器可以超越以往任何设备的精度来测量光、电以、磁场,甚至引力的运动。

 

量子计算机:将完成传统计算机所无法想象的任务。以IBM的超级计算机Blue Gene为例,它需要花费上百万年才能破解某些普通的数据加密,而量子计算机只需要几秒。此外,未来的量子计算机还将帮我们合成出各种具有全新性能的材料。

 

量子通讯:具有极高的通讯安全性,难以被侵入。此外,量子云计算网络将会最终实现。

 640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=


量子技术的市场及其影响

 

量子技术的应用范围之广可能远超你想象:

 

▶ 石油与天然气


通过量子传感器来进行引力观测,将大大增加发现新资源的速度,从而增加石油与天然气的产量。


▶ 环境


2007年夏天的大洪水为整个英国造成了32亿英镑的损失。用量子传感器探测引力,将使我们精确的测量哪怕是最微小的海床运动,从而设法减轻自然灾害对人类造成的影响。


▶ 数据安全


现在互联网上的加密信息越来越多。据估算,2016年全球公共云计算服务的将增长16.5%,达到2000亿美元。量子通讯在这个时代显得更加重要,除了保障数据的安全性,更重要的是,量子通讯技术的安全性将大大增强人们对网络的信任,从而进一步促进相关产业的发展。


▶ 国防与航空航天


国防与航空航天工业极大的依赖高精度的导航、计时及遥感。量子技术是目前提升精度的最有效方式。目前,英国国防部已计划将一些主要研发项目的最新成果进行实际应用,包括小型原子钟、陀螺仪、加速器、重力成像系统。


▶ 土木工程


全新的重力传感器还可用于地下结构的探测,比如地下管线和沉洞。


▶ 无线通信


微型超高精度量子钟能容纳密度更高的通讯流量,使得诸如GPS定位、音视频通话等不再受网络环境的影响。


▶ 金融


金融数字化要求极其精确的时间戳,整个经融市场都将受益于新一代量子钟。


▶ 城市


量子传感器可以更加智能、更加精确的测控城市能耗、水消耗量、空气质量、地质运动等指标,从而让整个城市更安全高效的运行。


▶ 娱乐、安保、工业


全新形态的光子相机将使这些行业收益颇多,甚至从工具层面完全改变这些行业的形态。

 

量子技术离市场还有多远?

 

一些新的量子技术目前已经商业化,或接近商业化。比如,复杂原子钟技术将很快被使用在通讯网络中来做信号同步。加密量子通讯系统也在银行业中得到了实际应用。

 

量子传感器和量子成像技术离大规模商业化也不再遥远,按目前的进展看,大约还需要5-10年。量子计算机可能是目前离商业化最远的,需要10-15年,甚至更久,才能看见其商业化运用的前景。


640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=



全球投资状况

 

- 中国正在量子科学和技术领域投入大量的资源。

 

- 美国则拥有全球最优秀的科研基础,但在实用化方面做得还不够。

 

- 欧盟刚刚发表了其量子计划,准备于2018年在“地平线2020”(Horizon 2020)创新框架下,启动量子技术研发旗舰计划。

 

- 其他国家如新加坡、澳大利亚、加拿大等,也纷纷投资建立了各自的量子技术研发中心。

 

以下是2016年5月在欧洲量子技术研发旗舰计划启动会议上,由荷兰政府所做的全球研发投入数据统计:


gif;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAA


全球量子技术研发概况

 

量子技术目前还处于早期阶段,虽然量子通讯和量子钟技术已相对成熟,也有不少产品已经成功商业化。

 

量子传感和成像系统的性能可能在几年内就会出现大幅提升,目前市场上已经有了一些早期产品和服务。

 

量子计算机是离市场最远的,其商业化预计还需要十年以上的时间。

 

gif;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAA

全球各主要国家在量子技术研发领域排名情况


在过去五年中,多国政府开始在量子科学研究领域加大投入,以抢占先机。英国政府于2013年启动的为期五年的2.7亿英镑(合23亿人民币)投资,是目前启动最早、也是金额最大的项目。


2015年,荷兰代尔夫特大学与微软合作,启动了耗资1.35亿美元的量子项目。


2016年,美国扩大了其量子技术研发规模,白宫也发表了报告称将协助研发资源的分配。


中国正在投资一个2000公里长的量子通讯网络,而且再2016年8月发射了首颗量子通讯卫星“墨子”号。与此同时,加拿大、澳大利亚、日本、韩国等,也都在加大对量子技术研发的投入。


量子成像



现代文明离不开成像技术,但是大多数照片只能捕捉可见光波段的信息,并且只能产生二维图像。相反,现实世界是三维的,物体发射和反射的电磁波信息覆盖整个电磁波段,从无线电波到可见光再到伽马射线。在量子科学的推动下,成像技术将迎来新一轮革命。

 

量子相机可以拍摄3D照片,甚至可以捕捉到位于相机视野之外,但正向相机运动的物体发出的信号。这种“隔山有眼”式的技术不仅对无人驾驶汽车非常重要,也在医疗、军事、公共安全、交通和制造业领域有广阔的用武之地。

 

gif;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAA
穿透障碍物成像

 


什么是量子成像? 

 

基于量子物理原理制造的相机不仅在性能上超越经典相机,而且能够实现传统相机无法实现的功能。量子成像技术可以分为两大类:

 

1、基于单光子雪崩探测器的成像技术,该技术可以在短曝光时间内有效探测单光子,从而实现3D成像、绕墙成像和非可见光波段成像。


2、利用量子效应提高感光能力的成像技术,该技术可以拍摄出比传统相机对比度更高的照片,并将照片中的噪声降低到比经典物理学设定的理论下限还要低的程度。

 

不过,量子成像技术并非只能处理电磁波。目前,基于量子力学制造的高灵敏度重力传感器,可以通过探测不同区域重力场的细微变化以对地下成像,获得石油蕴藏区域、地下空穴和地下管网的信息。

 

 

量子成像技术可提供的功能

 

▶ 3D成像

 

基于单光子雪崩探测器的相机能精确测量单光子的到达时刻。如果使用短脉冲光源照射目标,计算光子从发射到返回的时间,就可以获得距离信息,这种方法称为3D成像。当然,必须使用弱激光以避免伤害人眼,相应地,必须采用能探测单光子的相机。

 

一个令人意外的事实是:尽管3D成像比2D成像提供的信息多,但目前的3D成像大多基于单像素光传感器,而不是传统的光传感器阵列。即:使用更少的传感器提供了更多的信息。单像素光传感器的优势在于,其远比感光阵列便宜。)

 

▶ 绕墙成像

 

如果有种技术,能使得你站在L形通道的一段,感知到通道的另一端有什么东西,那么它在避障、搜救等领域会大有用处。基于单光子雪崩探测器的相机就可以做到这一点。

 

这项技术的原理是:假定你在一条L形通道的一端,然后发射激光照射你正对着的墙壁。光子碰到墙会散射开来,碰到L形通道另一端的目标,然后一部分反射光子会被相机捕捉到,据此可以对目标成像。尽管原理不复杂,但是要探测这些多次反射后的微弱光子必须使用量子单光子传感器。


此外,从获得的光子中重建图像所需的计算量是传统计算机几乎不能承受的。

 

▶ 夜视成像

 

基于感光阵列的红外夜视成像设备成本很高,而单像素量子相机可以廉价地完成同样的工作。工作在近红外波段,物美价廉的量子夜视相机在不久的未来有望问世。此外,单像素传感器还可以集成在芯片上,成为光通信部件。

 

▶ 清晰成像

 

任何相机都无法完全避免噪声,即使是世界上最纯净的光——激光也一样,这是因为光是由分立的光子组成的,不可能无限细分。但是,通过量子技术,可以在很大程度上抑制噪声。

 

用晶体将激光分成两束相互纠缠的光子,这样两束光中的噪声成分相同。第1束光中的光子数目除以第2束光中的光子数目获得的比值不受噪声影响,而第1束光的轻微变化会影响这个比值,进而被探测到。如果不去除噪声,这种高灵敏度的探测是不可能的。

 

另外一种获得高质量图片的方法是利用原始图像和其他信息对图像进行后期处理。当相机采集到的光子数量非常小的时候,噪声光子很容易被分辨,进而被消除。

  

▶ 变色成像

 

过去,你用什么波段的光照射物体,就只能用工作在这个波段的相机拍照。然而,现在可以使用红外光照射物体,而用工作在可见光波段的相机拍照。

 

变色成像的具体方法是:用晶体将紫外激光分成1束可见光和1束红外激光。用红外激光照射物体,而用工作在可见光波段的相机接收可见光束。利用可见光和红外激光之间的量子纠缠特性,可以重建物体的图像。工作在可见光波段的相机比工作在红外波段的相机要灵敏得多,因此这种技术意义重大。

 

此外,变色成像还可以用于分析化学物质的组成,以提供分析的灵敏度。

 

▶ 隐蔽测距

 

激光测距仪广泛用于建筑和军事领域。不难想到,没有任何一个军人希望使用激光测距仪时被对手觉察到,而量子单光子成像可以达到这个目的——每次只发射1个光子而不是发射由无数光子组成的光束,即可完成测距。如此低的光强度几乎不可能被对手发现。

 640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


市场应用

 

医学领域是量子成像技术的最大潜在市场之一。X光机发射的电离辐射会伤害人体,而不久的将来,基于量子成像技术的X光成像设备有望极大降低发射功率,尽量避免电离辐射对人体的伤害。到2020年,这块市场蛋糕有望达到334亿美元。

 

红外成像领域是另一个潜在市场。一个经典应用是:在存在气体泄漏的火场中,消防员可以使用红外成像设备,穿透烟雾,发现气体的泄漏点。红外成像市场在2022年的预期规模为112亿美元。

 

3D成像也是一个大市场,2020年,3D成像市场的规模为166亿美元。此外,微光成像和显微成像市场也不可小视。机载量子成像仪对公共安全、军事、农业、油气和环境监测都很重要。


军事上,量子成像技术可以提供隐蔽测距、水下成像、恶劣天气穿透成像和视场外成像服务。量子重力成像仪将为市政工程、采油和扫雷提供帮助。此外,量子成像技术还有助于提高量子保密通信的带宽。



量子钟



精确的“时间”是现代生活的基石。我们认为理所当然的技术,如手机,互联网和卫星导航系统,都依赖于原子钟提供的时间。

 

原子钟自1967年以来被用于国际计时,是目前最成熟的量子技术。英国在人类首个铯原子钟的开发中发挥了主导作用,但是在随后原子钟商业化的进程中被美国抢占了先机。近来,英国积极推动面向商业化的新一代原子钟技术,希望再次成为这一领域的领导者。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


现在,原子钟的性能已经达到了前所未有的水平。最好的原子钟精度可以达到每100年误差只有几纳秒,并且突出小型化、便携性,成本也大大降低。这些发展开拓了全新的潜在应用和市场。此外,新一代原子钟还可以有效降低卫星定时信号中断带来的不便。


什么是原子钟?

 

所有时钟都需要一定规律的节奏来标记时间的流逝。这它可以来自机械时钟的钟摆或手表的石英晶体。而原子钟则使用原子来实现这一功能:原子以非常精确的频率吸收光或微波,并且这一频率可以被测量。该频率告诉我们在给定时间内完成了多少周期,而“周期”(光的振荡周期)正是我们需要的节奏:一个规则、可重复的计时单元。


包括早期产品在内的许多原子钟都工作在微波频率下。最近,可见光或紫外光频段的原子钟也成功面世。虽然微波频率下的技术在一直改进,较高频率段的原子钟具有提供更稳定时间信号的能力。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1
 

卫星定时的危机

 

我们越来越依赖于GPS和其他全球卫星导航系统。然而,这些系统容易受到故障或信号中断的影响。错误的上传数据、各种空间信号的干扰,以及太阳风暴都会干扰整个系统。

 

全球卫星导航系统的重要功能是提供时间信号。从导航、通信,到金融交易,甚至电力供应系统,都依赖于卫星提供的时间。然而,这些系统的大多数都没有备份方案,卫星信号一旦中断就傻眼了。

 

英国皇家工程院(RAE)已经警告过度依赖卫星定时带来的风险。他们警告,卫星定时信号的中断可能导致紧急情况下多种设施的同时中断。因此,皇家工程院建议,诸如通信或安全系统等关键基础设施应该保证极端情况下,在没有卫星信号时至少运行三天。

 

最现实的解决方案是在每个网络中嵌入原子钟。这也是英国《国家量子技术计划》、欧盟和美国竞相开发微型、低成本原子钟的主要驱动力。

 640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


原子钟商业应用

 

通信网络需要准确、稳定和可靠的时间源。信息通常被切割成很多部分,通过多个网络发送,最终在到达目的地时重新拼合在一起。如果不同网络不是以完全相同的速率传输数据,则数据容易丢失,或传输效率大打折扣。因此,相关国际标准规定了不同网络的传输速率差。


目前,使用卫星定时可以满足当前的标准。然而,为了增加数据传输的可靠性和提升传输效率,地面时钟的加入必不可少。


现在,移动电信网络的流量需求迅速增加,并且由于物联网中传感器的大量使用,互联网接入设备的数量呈指数增长。这对下一代5G网络及之后技术的定时和同步技术提出了更严格的要求。

 

电力传输网络也需要精确的定时,以确保不同电源在合并时保持同步,避免能量损耗。能源供应的安全、可靠和廉价都依赖于更加智能的基础设施。在智能电网中,精确的时序和同步变得比以往任何时候都更加重要。

 

金融市场同样需要精确的时间信号来同步交易系统,记录每次交易发生的时间。基于计算机交易的快速扩张,同步性和可溯性日益重要。所有交易用户都必须基于同一标准时间,才能有效防止不当交易,提供可靠的审计跟踪。


在英国,基于光纤系统的NPLTime®服务为金融部门提供独立于卫星的认证时间信号。荷兰和美国也正在开发类似的系统。

 

很多基础科学实验也依赖于高度稳定性的时钟。例如,目前世界上最大的无线电望远镜是在建的“平方公里阵列射电望远镜”项目。建成之后,该望远镜将有多达一百万个天线,使得天文学家能够以前所未有的分辨率观测宇宙。


为了使望远镜阵列正常工作,所有信号源都必须同步在同一精确的本地时间下。

 

640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


海底石油勘探也需要精确的时间。在实际操作中,船舶向海底发射声波,声音从不同的岩石层反射回来,被船舶底部的传感器网检测。通过记录反射波到达传感器的时间,我们可以建立岩石和沉积物的三维图片。


因此,图片的质量和精确度取决于时间的精度。卫星定时的信号不能穿透水,因此实践中通常使用石英晶体振荡器。


然而,石英的定时精度随时间变化较大,并且容易受海床和海面温度差的影响。相比之下,微型原子钟可以在更广的温度范围下提供更稳定的定时。

 

各类空间应用的发展也离不开精准的时间。现在,通信和导航卫星的潜在市场十分巨大。根据欧洲委员会测算,伽利略全球导航卫星系统的开发预算为24亿欧元,而精确的时钟我这一导航系统的重要基础支撑。


太空中的时钟需要在保持稳定精确的同时具备低功耗和体积小的特征,并且不需要频繁的校正。原子钟还可能推动深空导航的发展。利用飞船上稳定精确的时钟,航天器可以计算自身的时间和导航数据,省去了和地球双向数据链通的步骤,降低了任务成本,并提高了时间敏感性操纵(例如着陆或起飞)的能力。

 

事实上,空间授时要比地面授时困难的多。空间中的时钟设备必须经受发射和入轨阶段的巨大加速度和振动,温度变化和宇宙辐射也要比地面剧烈的多。此外,因为很难进行地面维护,空间授时的可靠性要求要比地面要求严格很多。

 

军事方面,配有原子钟的雷达系统更加灵敏,更容易捕捉更小的目标。

 

便携式原子钟的问世还将开拓其他新市场。例如,我们可以精确测量地球的重力势以统一高度参考系。对重力势的长期观测将有助于我们了解环境和社会之间的相互作用,比如气候变化是如何导致海平面的升降。

 

原子钟的发展

 

用于国际标准计时的原子钟有一间房屋大小,并且只限世界上少数几个国家测量实验室使用,例如英国国家物理实验室(NPL)。基于这一标准原子钟的衍生产品已经商业化,有不同尺寸、重量和功率等各个版本。然而,较小的原子钟精度都有所降低。

640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


为了解决这个问题,英国国家物理实验室和世界其他实验室都在开发新一代原子钟。英国《国家量子技术计划》旨在利用英国过去在这一领域的研究优势,将新一代原子钟商业化,在保持稳定性和精度的同时降低和减小原子钟的尺寸、重量、消耗功率和成本,最终生产出低成本、可集成到当前和未来系统中的微型时钟。

 

技术前瞻

 

当卫星定时不能正常发挥作用时,新一代时钟应该充当起“应急电源”的作用。政府部门应该全面审视电力,通信和银行等关键服务对于卫星系统的依赖,制定相关标准,指定这些服务在卫星定时失败时需要正常运转的时间。

 

应急装置的性能也需要制定相关标准。电信运营商、金融机构、电力公司和其他关键服务商必须证明他们的时钟系统符合相关标准。

 

此外,铺设连接关键部门的光纤也有助于原子钟的发展。这样,每个原子钟都能与国际标准时间进行比对,从而在早期识别问题并缩短提供服务需要的时间。这样的网络也可以是用于诸如量子通信的新技术。

 

这一网络将全部由光纤组成,不同于现在常见的铜+光纤混合设施。网络还必须提供连续的信号,并且保证长期的安全性。这一网络的建成将为英国提供特有的资源,可用于研究、创新和高端制造领域。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1

 

最后,政府还可以通过支持示范项目来推动原子钟的发展,甚至可以充当新一代原子钟的首批客户。例如,政府可以打造一个示范城市,展示原子钟如何帮助实现新一代先进的电信基础设施。



量子传感和测量



传感器在日常科技产品中的应用已经变得越来越广泛了,诸如在动作、声音和光线的监测领域,从数十亿枚内置于手机中的低成本运动传感器到应用于医疗保健和地球卫星系统的高端产品,传感器的身影随处可见。

 

而量子传感器相比于传统产品则实现性能上的“大跃进”:在灵敏度、准确率和稳定性上都有了不止一个量级的提高。也正因此,它的应用场景也变得更加多样,例如在航空航天、气候监测、建筑、国防、能源、生物医疗、安保、交通运输和水资源利用等尖端领域都实现了量子传感器的商业化应用。

 

而量子传感器的发展并非是一项技术上的单点突破,它带动的是整个生态系统的建立和完善,从工程测量到数据可视化解析,各领域即将涌现的大量工作机会都表明这一趋势已经越来越清晰。

 

640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


量子传感器的工作原理

 

一些量子传感器使用原子感知变化,这是因为原子可以被精确地控制和测量。在量子理论中,诸如原子一类的粒子的波状运动特性,使得其可以进行空间扩展。而量子在叠加状态下会表现的对周围环境十分敏感,这一特征是其被用作精密传感器的关键。

 

例如,在原子干涉仪中,原子被聚集为细小的云状物体。精准地激光脉冲控制这些云状物体的移动。原子的波状特性使其相互进行干扰,犹如水面波纹的运动状态,如果这些原子的运动只受重力影响的话,那么它对重力的感知就会非常精确。

 

大多数磁场传感器使用的都是嵌入在诸如金刚石和或硅材料中的原子。而光子传感器因为利用光子,故可以检测分子的光学性质以及测量微弱的化学痕迹。我们还可以使用量子技术来提高一些如MEMS(微电子机械系统)经典设备的读出效率。

 

目前,我们已经可以利用量子传感器来测量加速度、重力、时间、压力、温度和磁场等精确性参数。而在未来,基于量子纠缠现象所开出来的传感器在有效性上可以做到更进一步。

 

640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


市场应用

 

以英国为例,在传感器及相关设备领域的从业者已经超过73000人,对经济的年均贡献也超过140亿英镑。单单是一个传感器数据服务所衍生出来的价值就已经是天文数字了,所以整合全产业链的重要性也就不言自明了。

 

然而,有关量子传感器的想象力还不止于此:量子磁性传感器的发展将大幅降低磁脑成像的成本,有助于该项技术的推广;而用于测量重力的量子传感器将有望改变人们对传统地下勘测工作繁杂耗时的印象;即便在导航领域,往往导航卫星搜索不到的地区,就是量子传感器所提供的惯性导航的用武之地。

 

▶ 土木工程

 

地下勘测通常是极其昂贵和耗时的,但在建造新的基础设施时又是必要的,尤其是像高速铁路、核电站这种大型项目在开建之前。实际上有很多地质构造未探明的地下环境都存在诸如下水道、矿井和沉坑之类的危险。

 

信息不足的代价往往是十分高昂的,工程延迟、超支和重新规划都是家常便饭。英国进行基础设施维护的方法就是每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞,之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。

 

而在人们的普遍印象中,任何检查都应该是在地面上进行的,而不需要挖掘坑洞。可现有的雷达、电子检测仪和磁力仪的性能并不能达到理想效果,超过地下几米的物体就很难被探测到了。

 

遇到这种情况,通常的解决方案就是使用重力感测技术,因为地下埋藏的任何物体的重力发生细微的变化都可以被记录下来并绘制成重力图。但传统重力仪的问题是读数不准确、耗时长且易于受到地面振动的影响。

 

但如果用量子传感器来进行重力测量就会有明显的优势:速度更快、读数更精确、探测的更深且不受地面振动的影响。这一技术的广泛应用势必会对土木工程行业起到极大的推动作用。

 

▶ 自然危害预防

 

在英国有超过500万的家庭所处的位置都面临坍塌和沉降的风险; 英国铁路部门也需要对铁轨周边的积水情况进行实时监控,以防止山体滑坡灾害的出现。而量子传感器就可以很好地在重力图上标记处哪里会有坍塌的风险、哪里的积水过多。


此外,量子光子传感器还可以快捷地识别地表下诸如油料泄漏之类的危害。这一切都基于量子传感器快速扫描的特点,而这也使得常态化的检查成为了可能。

 

▶ 资源勘探

 

获取石油和天然气等自然资源的重点在于开采地点的确定,这在美国是一个价值30亿美元的庞大市场。目前主流的勘探形式为地震探测,效果更佳,但更昂贵的重力测量方式只有在人们了解较少的地方才被采用。


但实际上,重力测量高昂成本的很大部分都来自于调整设备,而如今量子增强型MEMS传感器的出现就减少了设备调整的操作,使整个测量工作可以更快推进,连成本也降到了之前的十分之一。

 

▶ 交通运输和导航

 

交通运输越发展就越需要了解各种交通工具的准确位置信息及状况,这也就对汽车、火车和飞机所携带的传感器数量提出了要求,卫星导航设备、雷达传感器、超声波传感器、光学传感器等都将逐渐成为标配。

 

然而有了这些还远远不够,传感器技术的发展也将面对新的挑战。自动驾驶汽车和火车的定位及导航精度被严格要求在10厘米以内; 下一代驾驶辅助系统必须可以随时监测到当地厘米级的危险路况。使用基于冷原子的量子传感器,导航系统不但可以将位置信息精确到厘米,还必须具备在诸如水下、地下和建筑群中等导航卫星触及不到的地方工作的能力。

 

与此同时,其他类型的量子传感器也在不断发展之中(例如工作在太赫兹波段的传感器),它们可以将道路评估的精度精确到毫米级。此外,最初为原子钟而开发的基于激光的微波源也可以提升机场雷达系统的工作范围和工作精度。

 

▶ 重力测量

 

光线测量并不适用于所有的成像工作,作为新的替代补充手段,重力测量可以很好的反映出某一地方的细微变化,例如难以接近的老矿井、坑洞和深埋地下的水气管。用此方法,油矿勘探和水位监测也会变得异常容易。

 

利用量子冷原子所开发的新型引力传感器和量子增强型MEMS(微电子机械系统)技术要比以前的设备有更高的性能,在商业上也会有更重要的应用。

 

而低成本MEMS装置也在构想之中,预计它将会只有网球大小,敏感程度要比在智能手机中使用的运动传感器高一百万倍。一旦这项技术成熟,那么大面积的重力场图像绘制也就将成为可能。

 

MEMS传感器在量子成像读出上至少有几个量级幅度上的进步。来自格拉斯哥大学和桥港大学的研究人员开发了一种Wee-g检测器,可以利用量子光源来改善设备精度,即便是更小的物体也可以被检测到——或有助于雪崩与地震灾害中的救援行动。

 

冷原子传感器将具有最高的精度,性价比水平也是无出其右,目前尚未有更尖端的技术可以超过它。目前伯明翰大学正在研发RSK和e2v冷原子传感器,将用于日常重力测量。例如帮助建筑行业确定地下的详细状况,减少由于意外危险造成的工程延误,并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


在太空中,冷原子传感器则可以通过检测引力波及验证爱因斯坦的理论来实现新的科学突破。当然了,常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现,监测的范包括地下水储量、冰川及冰盖的变化。


在格拉斯哥大学,研究人员的也在创造一种新的变革性的太空技术,即使用MEMS传感器对航天器的高度进行精细控制,这将有助于增强英国小卫星技术在全世界范围内的竞争力。

 

▶ 医疗健康

 

痴呆根据阿尔茨海默病协会估计,全世界每年因痴呆病而造成的经济损失约有5000亿英镑,这一数字还在不断增加。而当前基于患者问卷的诊断形式通常会使治疗手段的选择可能性被严重限制,只有做好早期的诊断和干预才可以有更好的效果。

 

研究人员正在研究一种称为脑磁图描记术(MEG)的技术可用于早期诊断。但问题是该技术目前需要磁屏蔽室和液氦冷却操作,这使得技术推广变得异常昂贵。而量子磁力仪则可以很好地弥补这方面的缺陷,它灵敏度更高、几乎不需要冷却和与屏蔽,更关键的是它的成本更低。

 

癌症:一种名为微波断层成像的技术已应用于乳腺癌的早期检测多年,而量子传感器则有助于提高这种技术的灵敏度与显示分辨率。与传统的X光不同,微波成像不会将乳房直接暴露于电离辐射之下。

 

此外,基于金刚石的量子传感器也使得在原子层级上研究活体细胞内的温度和磁场成为了可能,这为医学研究提供了新的工具。

 

心脏疾病:心律失常通常被看作是发达国家的第一致死杀手,而该病症的病理特征就是时快时慢的不规则心跳速度。目前正在开发中的磁感应断层摄影技术被视作可以诊断纤维性颤动并研究其形成机制的工具,量子磁力仪的出现会大大提升这一技术的应用效果,在成像临床应用、病患监测和手术规划等方面都会大有益处。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1



技术前瞻

 

实验已经证明量子传感器在针对重力、旋转、电场和磁场等方面的灵敏度要远远超过常规技术。而我们现在努力的方向就是使它们更加耐用、便携。


而在量子传感器商业化的过程中,有两点值得注意:


• 在学术界和产业之间保持信息沟通顺畅;

• 通过演示量子传感器如何解决现实世界中的问题,来强化商业供应链并建立市场信心。

 

这些都是英国国家量子技术计划的目标。从结果来看,该项计划在将基础研究商业化的做法都很成功。然而,考虑到该项技术应用的潜在不稳定性,许多公司都不愿进行完整的产品开发。

 

而英国政府应该建立起创新中心来测试量子传感器并开展相关的应用开发。一旦成形,这些设施将会为量子服务的开发提供肥沃的土壤,并形成一个深深植根于本区域的商业生态系统。


对工程师进行这些新技术的相关培训也是十分必要的,不仅是为了他们能够与用户和市场开展互动,更重要的是清楚他们所面临的挑战。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


当然,引导技术公司在公共项目上展开激烈竞争也十分有效,必要的时候可以将他们推向全球竞争的擂台,胜出者所收获的将是巨额的经济利益。一个典型的例子是量子导航器和量子重力成像器已经引发了美国、中国和欧洲的浓厚兴趣,而类似的方案也可以在交通、医疗和灾害预防等领域开展。


量子计算与模拟


近五十年来,硅芯片上的晶体管数量一直以每两年翻一番的速度增长。这一“增长趋势”就是广为人知的摩尔定律。现如今,一块计算机芯片上已经可以容纳数十亿的晶体管,每个晶体管的尺寸仅相当于100个原子的大小。


摩尔定律的发现如同火箭一样推进了计算效率和IT行业的爆炸性增长。然而,由于芯片上组件的尺寸很难接近于“单个原子”的这一关键性限制,因此摩尔定律这一“迅速增长”的趋势可能无法永远保持下去。随着人们受制于“它”这一原因,传统的计算能力增长将会变慢许多。

 

量子计算机的出现为人们提供了一个全新的前进方向---- 其原因是量子计算机是以支配原子尺度的量子理论为基础的,是一种完全不同的计算方式。对于某些特定的计算任务而言,量子计算机的潜在计算速度比常规超级计算机要快得多,因而这些新型计算机可以带来非常庞大的商业利益。


据目前情况来看,实现全尺寸量子计算机的时代还处在“革命尚未成功,同志仍需努力”的状况下,但这类计算机将使包括飞机设计,数据搜索,城市管理和医疗诊断在内的诸多方面获益匪浅。而英国在实现量子计算这一目标的硬件和软件方面均处于世界领先地位。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


量子计算机是如何工作的

 

量子计算机中的这些装置利用了量子信息的复杂性特质。常规计算机使用的是值为0或1的比特位,而量子计算机使用的则是量子位(或称量子比特)。每个量子位可以是0,1或0和 1。换句话说,人们可以通过输入处于量子叠加态的量子比特的方式进行计算,例如:由75%的零与25%的一同时组成的数值。

 

由于量子比特可以在同一时间内被置于多种状态,这也意味着量子计算机可以同时处理许多输入,而无需像传统计算机一样逐个处理。对于某些特定类型的问题而言,这意味着人们能够得到一个快得多的答案。

 

量子比特可以通过许多不同的技术手段实现并改变,包括:


· 超导体

· 光子

· 离子阱

· 量子点(小型半导体设备)和金刚石纳米颗粒

 

量子计算机可以做什么?

 

据前文所述,我们已了解到:在某些计算问题上,量子计算机可以战胜传统计算机——其中包括大型数据库搜索,以及大数因子分解等。

 

作为最为常见的一种加密方式,因子分解具有十分重要的意义,它被广泛地用于保护财务以及其他敏感数据中。而一台足够大的量子计算机可以轻易地破解这种加密方式,而我们将时刻需要为这个“加密末日”做好准备。

 

大量的商业活动离不开优化过程 ---- 举个例子来说,在制造任何实际零件之前,生产商们常常利用计算机建模对汽车和飞机的模型进行优化。飞机机翼的设计就是一个尤为复杂的任务,而量子计算则有可能带来更有效的设计,并最终设计出性能更优异的飞机。因此,几家主要的航空公司都对量子计算表现出强烈的兴趣。

 

人们现在正在积极寻找一些能够为其他领域供量子加速的算法,其中就包括机器学习和场景规划领域。如今的机器学习正越来越多的用于决策、语音或面部识别、机器人以及自动车辆的图像识别等诸多领域。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


另一方面,智能城市计划也催生了场景规划领域日益增长的需求,而在这个领域每一天都在收集大量的数据。计算能力的增长可以帮助我们做出更好的实时决策。情景规划在医疗诊断,国防,金融和许多其他诸多商业领域也具有极高的价值。

 

如前文所载,这些任务都需要一台大型量子计算机。而对于例如新材料,药物以及其他分子设计等规模较小的问题,包含有50至100个量子位的小型量子计算机已经能够满足计算的要求——又被称做“量子模拟器”的小型量子计算。其本质是相互作用的量子位阵列,它可以模拟另一个量子系统,因而能够为当今非常棘手的物理过程建模提供新的见解。


目前,验证性的量子模拟器已经面世,而英国的研究机构在光子模拟器领域处于领先地位。


量子编程

 

一旦人们打造出全尺寸的量子计算机,我们不仅需要新的算法,我们还将需要全新的编程语言。这意味着人们需要开发出全新的技术,以用于程序规范(定义一个程序应该做什么),验证(证明该程序做我们想要的),调试以及测试。


在这一过程之中,程序的调试和测试尤其具有挑战性,其原因是人们的观察行为能够影响到量子态 ---- 这意味着:当你在检查计算机中发生的问题时,你也同时改变了计算机的状态。而一个可能并且可行的解决方案,则是设计一个可以在程序编译时即能捕获错误的操作系统。

 

目前,全球众多科研机构都在积极地从事量子算法的开发以及量子编程等领域的研究。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1

量子计算机总体架构

 

量子计算机竞赛

 

在十年内,人们或许能够搭建出具有50到100个量子位的量子计算机。这些量子计算机将能够以量子模拟器的身份发挥功用。而人们的一个长期的目标,则是建立一个可以运行任何量子算法的大型量子计算机,即所谓的通用量子计算机。为了在性能上优于常规计算机,这样的大型量子计算机将需要含有数千到数百万个量子位。

 

与此同时,这一领域还拥有十分庞大的商业利益,尤其是小规模量子模拟器。例如,一家加拿大公司D-Wave已经开发出了两种类型的量子模拟器,尽管这些模拟器还没有显示出量子加速的迹象,但是其中的一些硬件已经被一些大公司和一个美国国家研究所“抢购”。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


谷歌、IBM和英特尔也纷纷推出了打造量子模拟器和全尺寸量子计算机的计划,这些量子计算机的量子位均基于超导体。这些不懈的努力催生了越来越多,并专注于量子信息处理的初创公司。


量子通信


量子技术在通信领域最重要的应用就是加密,量子密钥分发和量子破译防御技术是未来数据传输技术的核心。

 

量子通信保证了敏感数据传输的安全性。在可预见的未来,量子密钥分发和将成为通信密码学的重要组成部分,甚至有可能建成利用卫星和光纤覆盖全球的保密通信网络。

 

量子通信也可以用于以下用途:传输量子计算机产生的大量数据;产生仿真和游戏使用的大量随机数;构建更可信的数字签名。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1



加密问题

 

每台手机和每个网页浏览器,都内嵌有加密模块。这些模块背后的加密技术是网络社会的基石。这些加密模块用密钥来加密和解密数据。

 

互联网商务通信和其他高安全应用要求通信需要使用公钥和私钥。发送方用公钥加密数据并送出,接收方用私钥解密。目前,公钥加密体制无法在可接受的时间内被黑客破解。

 

公钥密码算法的数学基础,是大素数分解目前没有高效的算法。然而,量子计算机能够轻易破解大素数分解问题,因此目前的加密技术面临重大挑战。

 

量子密钥分发

 

量子密钥分发的基础是量子力学原理,因此未来数学和计算机技术的发展,不可能动摇量子密钥分发的安全性。

 

目前,光纤量子密钥分发的最大距离是100千米,更长的光纤会吸收太多的光子。不过,可以通过量子密钥网络和信任节点来扩大传输距离。未来,随着量子技术的发展,有可能取消信任节点,直接构建完整的量子密钥分发网络。当然,为了保证密钥分发的安全性,还需要其他辅助手段,包括验证发送者和接收者的身份。

 

640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


量子密钥分发的用途

 

用经典方法加密的,以现有的破解能力无法破译的信息,随着量子计算机的发展很可能不堪一击。而用量子加密技术加密的信息,其安全性不受计算能力提升的威胁。一家日本公司已经提供对人体基因测序数据的量子加密服务。

 

随着技术的发展和设备性价比的提高,量子密钥分发可以被整合到现有的光纤网络,为企业、医院和第三方数据中心服务,保护个人信息。量子密钥分发还可以用来保护网络核心节点,防止其被黑客控制。

 

量子密钥分发特别适用于这些领域:

 

● 大机构的财务和客户个人信息保护。多家银行已经开始试用量子加密技术;

● 医疗数据,如个人基因数据;

● 政府和军方通信;

● 核电站和基础通信网等国家基础设施;

 

量子破译防御

 

量子破译防御技术是指能够防御量子计算机破解的加密技术。

 

政府、学术机构和工业界正在研发具有量子破译防御功能的加密算法。目前已经有一种被称为网格加密的加密算法推出。谷歌正在Chrome浏览器中测试另一种称为环容错学习的加密算法。

 

所有的量子破译防御加密算法都有各自的优缺点,一般需要在密钥大小和加密速度上做出折中。

 

美国国家标准与技术研究院和欧洲电信标准化研究院正在对各种量子破译防御加密算法进行对比和测试,以建立标准。目前各界对各个应用领域各自适用什么加密算法还没有一致意见。

 

无疑,量子密钥分发和量子破译防御技术是未来数据传输安全的核心技术。未来的高可靠性通信网可以同时采用这两种技术达到最高的安全性。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


量子通信的未来

 

除了加密,量子通信技术还有以下的热门应用:

 

▶ 量子签名


加密本身不能保证原始信息没有在加密之前被篡改,而量子签名技术可以比现有的数字签名技术提供更高的安全性。

 

▶ 地理位置标签


基于量子通信的地理位置标识技术正在发展中。

 

▶ 分布式量子计算


量子通信网络可以将许多量子处理器互联,执行海量计算任务。

 

▶ 随机数产生器


加密、数值仿真和游戏都需要大量的随机数,而随机数的质量在这些应用中非常重要。目前经典计算机产生的随机数都是伪随机数,其中的周期性规律会降低密码的安全性。

 

量子物理过程从本质上是不可预测的,因此可以产生真随机数。更具体地说,一个光子打在半反射镜面上时,到底是透射过去还是被反射回来是不可预测的,因此可以构建1比特的量子随机数。目前的技术可以在1秒内产生几十亿比特的二进制量子随机数,并且价格不高。云计算、身份认证、无线和光纤通信系统、网络游戏、彩票和股市预测系统都可以使用量子随机数产生技术。

 

▶ 从量子点对点通信到量子通信网络


目前的量子密钥分发网络基本上都是点对点网络。

 

为了构建大规模的量子密钥分发网络,目前必须使用可信节点,这些节点承担了密钥交换的功能。英国的剑桥大学、布里斯托尔大学、伦敦大学学院、国家物理实验室和英国广播公司在阿达斯楚公园的研发中心已经组成了这样一个密钥交换网络。欧盟也公布了在欧洲主要城市之间建立量子分发网络的计划。


理论上,黑客可以攻破可信节点,因此最佳的安全解决方案是取消可信节点,建立完全基于量子纠缠的密钥分发网络。这样,信息就不可能被除了发送者和接收者之外的任何第三者看到。

 

在技术上,允许相距遥远的发送者和接收者之间共享量子纠缠的量子中继器已经在研发中。

 

当然,基于量子纠缠,还可以构建另外一种被对测量器件不敏感的量子密钥分发方法,这种方法能避免传统量子密钥分发方法的一个漏洞:黑客把自己的光子注入信道,从而劫持信息传输过程。传统量子密钥分发方法也可以避免这个漏洞,但是测量器件不敏感的方法可以通过去除带来薄弱环节的收发器件来彻底封杀这个漏洞。

 

此外,为大规模量子网络服务的量子路由器也在研发中。


640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


人造卫星对于大规模量子网络的信息同步非常重要。2016年8月中国发射的“墨子”号量子通信实验卫星成功进行了量子纠缠态的分发实验。传统量子密钥分发方法需要卫星自身是一个可信的节点。但是,对测量器件不敏感的量子密钥分发方法可以去除这个限制,对卫星的可信性不加约束。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:陶卿
本文来源:九州量子,如需转载请联系原作者。

【云栖快讯】你想见的Java技术专家都在这了,向大佬提问,有问题必答  详情请点击

网友评论

雪花又一年
文章1321篇 | 关注43
关注
服务底层使用经国家密码管理局检测认证的硬件密码机,通过虚拟化技术,帮助用户满足数据安全方面的... 查看详情
高速通道(ExpressConnect)是一款便捷高效的网络服务,用于在云上的不同网络环境间... 查看详情
用于实时预测用户对物品偏好,支持企业定制推荐算法,支持A/B Test效果对比 查看详情
为您提供简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务,帮助您快速构建更稳定、安全的应用,提升运维效... 查看详情
阿里云总监课正式启航

阿里云总监课正式启航