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我们正生活在激动人心的时代。今天我们特邀的演讲嘉宾是马可·兰扎·戈尔达博士。马可博士是海军研究实验室的研究物理学家，他在英国牛津大学获得了博士学位。他是百余篇出版物的作者，其中包括我自己的图书馆里收藏的几本信息量丰富的书籍，我曾研读过它们，虽然没有他希望的那么勤奋，但你知道，尽力而为。说实话，马可是今天学术讨论会的智力核心，他也是我十多年来的物理学导师。所以，在开始他的演讲时，他的主题将是设想量子传感和通信的未来。我想提醒大家，这是一个非保密演示，所以可以尽情记笔记。谢谢。
首先，我要感谢大家给我这个机会来到这里。我将谈谈我如何看待量子传感和通信的未来。但在我们展望未来之前，我想快速回顾一下过去。我认为这些图像本身就说明了一切。可以说，在第二次世界大战中，日本在科学和技术发展方面受到了战略性的意外打击。例如，对于中途岛海战，我们可以说我们的部分优势在于我们新的密码学方法和信息论的新思想。当然，日本的最终战败得益于来自物理学的新思想和技术。
所以，正如乔之前提到的，今天我们正处于这场令人难以置信的科学技术革命之中，它实际上结合了信息科学和亚原子物理学这两个研究领域。这就是我们所说的量子信息科学，它基本上是如何利用量子现象，特别是像乔提到的纠缠。这样，我们就可以比经典方法更有效地获取、表示、处理和传输信息。
正如有些人可能已经知道的，几年前，中国人发射了一颗名为“量子实验空间尺度”的卫星。有了这颗卫星，他们就能够进行量子隐形传态，传输纠缠。稍后，乔会详细介绍纠缠的含义。此外，他们还可以在两个地面站之间进行无条件安全的通信。所以，这无疑是量子信息技术在科学和技术方面的一大飞跃。
有些人可能会说这相当于斯普特尼克号，但我会说它更像是这个，它不是面包店或别的什么，因为你可以看到刹车片，但它实际上是曼哈顿计划期间的CP1聚变链式反应。我们有理由相信，量子信息可能是信息时代的原子弹。尽管这颗卫星只进行非常简单的，嗯，可以说是通信和纠缠分发，但实际上我们拥有的是一个平台，他们一直在开发和测试关键的量子技术，这些技术可以很容易地过渡到潜在的颠覆性情报和军事系统。
正如乔曾经对我说过的，量子传感和量子通信的吸引力在于它们是两种可以轻易武器化的技术，相比之下，例如量子计算。所以，在这次演讲中，我并不想讨论我们今天可以构建的量子信息技术，因为今天的晚些时候的演讲者将谈论今天已经完成的工作。相反，我想做的是探索地平线之外的未来，特别是可能的极限，做出合理的研发假设，当然，前提是不违反物理定律。
这种探索之所以有价值，是因为我们可以避免被对手在未来产生任何战略性意外。所以，前进的方式是遵循克拉克的定律，这是一套帮助定义如何考虑科学发展未来主张的定律。它们是由著名的科幻作家阿瑟·C·克拉克制定的，他更出名的是《2001太空漫游》的作者，这部电影被认为是史上最伟大的科幻电影之一。他还提出了卫星通信的最初想法，这表明有时拥有想象力会在你试图设想未来时得到回报。
克拉克的第二定律说：“发现可能性的唯一方法是冒险进入不可能的领域。”而我最喜欢的第三定律是：“任何足够先进的技术都与魔法无法区分。”
所以，想象一下地平线上的景象。大多数人可能在量子计算的背景下了解量子信息，例如量子计算机如何能比经典计算机指数级地更快地破解RSA。但我们想要避免这种密码分析的优势。量子信息科学将为未来的战场带来什么，特别是在传感和通信领域？
在这次演讲中，我将描述我们最近进行的一些理论研究，这些研究表明，在某些条件下，量子信息科学和技术可以改进雷达、水下声呐和水下成像、通信以及重力测量技术。现在，我谈论的是未来，还有许多科学和技术挑战需要解决，这些想法才能成为现实。在所有这些想法真正实现之前，还有大量的理论和实验研究要做。但我认为开始思考这些事情很重要。
所以，我将谈论的是：近距离电磁量子传感、水下通信、量子重力测量，最后是我的结论。
所以，这是泰勒，稍后他会更详细地介绍纠缠，但这是量子纠缠的主要观点。让我们来定义一下，这是我整个演讲中唯一会用到的两个方程。让我们将两个变量 A 和 B 的互信息定义为通过测量变量 B 可以从变量 A 获得的多少信息。现在，假设你有两个系统，它们是完美相关的，对吧？这意味着互信息等于一。但真正令人惊叹的是，当你使用量子系统，特别是当你拥有完美纠缠的量子系统时，互信息是二。我知道这听起来很奇怪，但这是量子力学奇特之处的一部分，并且已经通过实验证明，纠缠态的互信息实际上是二。它比经典方法所能达到的最佳效果要高一倍。
这意味着我们可以利用这种额外的相关性来更好地区分，例如，区分一个信号光子和一个噪声光子。所以我们有这个额外的自由度，这个额外的相关性，可以告诉我们何时有信号光子返回，例如在雷达的情况下，或者我们只是在测量噪声光子。或者，你可以认为我们可以将信号光子隐藏在环境中，而纠缠相关性是检测它们的关键。
现在，我想用一个类比来解释，使用纠缠就像在扑克游戏中作弊，因为你在使用记号牌，对吧？这些记号牌就是纠缠相关性，而你的牌就是光子。因为它们被做了标记，拥有量子纠缠的特殊标记，所以你可以区分哪些是好牌。
这就是我们对量子雷达的理论概念。基本上，它是一个产生纠缠光子对的系统，正如我之前提到的，它们是完美相关的，并且实际上具有比经典相关性高一倍的互信息。其中一个光子被存储在量子存储器中，另一个被发送到目标。这个光子必须穿越不友好的环境，所以它可能会被吸收，可能会被散射。所以，如果只做一次，用一个纠缠光子对，很可能什么也得不到，那个光子会丢失，你再也见不到它了。所以你必须重复这个过程很多次。我们估计你必须这样做大约 10 的 9 次，这需要大量的时间，例如在 1 毫秒内完成。这是实现量子雷达的一大挑战。
但是，一旦你发送了你的纠缠光子，你保留另一个，然后发送出去，如果它设法返回，你就可以利用纠缠相关性来帮助区分你在这里测量的东西，知道你在这里测量的是信号光子还是噪声光子。然后你可以利用这种额外的相关性来获取更多关于目标的信息。这就是使用量子雷达的真正优势。
这里我们绘制的是探测概率。探测概率为一，表示你完全确定探测到了目标。探测概率为零，我们将其定义为探测到目标与抛硬币几率相同的概率。这是信噪比。你可以看到蓝线是经典雷达，红线是量子雷达。使用纠缠，你可以看到，如果信噪比非常高，两者表现几乎相同，你就能确定探测到目标。如果信噪比非常高，意味着信号很强或噪声很小。另一方面，如果噪声很大或信号很弱，两者都会导致探测概率为零，这意味着你根本得不到任何信息。
然而，你可以看到优势在这里，大约三分贝，量子雷达可以获得显著的优势，因为这种额外的相关性。例如，即使在零分贝时，你也有 0.6 的显著探测概率，而使用经典雷达时，探测概率几乎为零。这就是纠缠的真正优势。即使在零分贝时，我们也能探测到东西。这意味着你可以探测到更远的东西，或者在更恶劣的环境中，你的对手将更难探测到你的传感信号，或者你的对手需要使用更多的能量来干扰你的系统。
这些是拥有量子雷达的优势，在信噪比较低（-5 到 10 分贝）的区域，如我之前提到的，你将拥有更高的目标探测概率。即使在零分贝时，对手也更难探测到，所以你可以实现隐形传感。它对干扰的抵抗力更强。你可以获得改进的合成孔径雷达成像质量。你可以改进穿透杂波的探测能力。令人惊讶的是，目标会呈现更大的散射截面，这意味着当目标被量子雷达照射时，它看起来会更大。
几年前，在 2014 年，我组织了一个研讨会，因为我意识到量子雷达并非遥不可及。尽管它涉及大量的复杂技术，如量子存储器、纠缠的产生，但我知道世界上有人在研究这个特定问题，即使他们当时不知道他们所做的事情可以用于开发量子雷达。所以，这一切的重点是，这不是遥不可及的，我没有使用虚构的组件，一切都存在。它还没有足够成熟，例如，要实现量子雷达，从微波频段产生的 the photons 数量非常有限。但我们相信所有这些技术在未来都可以发展和成熟。
另一个类似于量子雷达的应用是使用微波光子的系统。我们使用蓝绿色区域的光子，这是海水的光学窗口。所以我们已经证明，例如，一艘潜艇在北极航行时，它有主动声呐来探测冰的存在。这显然是一种非隐形的导航或防撞系统，因为它必须开始发出声呐信号来了解冰的位置。
我们去年获得专利的一种方法是用这种水下量子雷达取代主动声呐。它基本上与量子雷达的工作原理相同，你产生一对纠缠光子，其中一个进入水下环境，它可能会回来，也可能不会。你必须重复几次，然后利用纠缠相关性来确定是否存在目标。
另一个非常有趣的技术叫做鬼成像。这既可以用经典相关光实现，也可以用量子相关光实现，但当然，使用量子光时性能要好得多。这是一个非常非常疯狂的想法，因为你产生这些纠缠的光束，大部分光束在这里进入 CCD 相机，只有一束光子在这里发送到某个目标，并在单光子探测器中收集。然后你在这里使用一些东西来关联这些信息，然后你在这里得到一个目标的图像。这里的图像来自 CCD 相机，它拍摄的是一个从未在相机视野中的目标的图像。仅仅通过与目标相互作用的几个光子，你就可以得到目标的动画。这就是为什么它被称为鬼成像，因为相机实际上从未看向物体。
我们已经探索了如何在例如海洋环境中利用这一点，当你想要探测海洋中的物体，比如鲸鱼或其他东西，而你受到光吸收的限制，并且你的传感器数量有限。我们通过进行一些数值实验，利用这种相关性，发现如果我们有这个图像，这是一个著名的图像处理研究图像，当我们使用这种鬼成像技术和一些重建技术时，我们得到这个图像。我们得到这个图像，只用了几个光子。你可能看不到原始图像的完美表示，但如果你只想知道是否存在目标，这项技术效果相对较好。当然，我们的实验只假设了经典相关光，但我们目前正在研究纠缠光的情况。在这种情况下，正如我之前提到的，与经典相关性相比，使用量子纠缠可以带来某些优势。
所以，稍后杰夫和杰里会更详细地谈论量子通信。但这是我们几年前开发的一个想法。与潜艇通信的一个问题是，无线电频率的电磁波无法穿透水。所以我们目前与它们通信的方式是使用甚低频（VLF）和极低频（ELF）。但现在这已经是一种技术了，因为它需要巨大的天线进行传输和接收，而且问题在于其带宽受到严重限制。对于 VLF，你可以传输大约 300 比特/秒，如果潜艇在 100 米深处，而对于 ELF，每秒只能传输几个字符。你需要非常笨重的浮标和拖曳天线阵列，并且需要潜艇采取特定的航线和速度调整。这是一种非常复杂的水下通信方式。
然而，如果我们使用光学通道，我们相对于笨重且带宽受限的 VLF 和已停产的通信方式具有一定的优势。特别是我们证明，如果我们使用受生物启发的量子光电探测器，基本上是受光合作用量子过程启发的，我们可以实现高效的经典和量子通信，在海水的光学窗口中，穿过 100 米的水柱，然后到达空中平台。我们的理论模型预测，在 100 米深处的 1 型水（即清水）中，你可以实现每秒 170 千比特的无条件安全密钥生成率，这比 VLF 提高了约 600 倍。无条件安全，杰夫稍后会谈到这意味着什么，它完全独立于你对手的计算资源，无论你的对手拥有多少计算能力或理论模型，他都无法破解你的密钥，至少在理论上是这样。
最后，我将谈论量子重力测量。只需考虑一个量子比特，即一个量子信息单位。它通常用其内在自旋来表示。一种描述自旋的错误方式是说自旋是粒子的内在角动量，这是形式上不正确的，但Nonetheless，它能很好地说明自旋是什么。你可以想象一个电子在旋转，当然，这种想法在形式上是错误的，你必须形式化它，并且只有在相对论量子场论的背景下才有意义。然后你会发现自旋与狭义相对论有着内在的联系，一旦自旋与狭义相对论有着内在的联系，那么自旋显然也与爱因斯坦的广义相对论有着联系，它定义了如何理解引力作为时空曲率。
底线是，这些量子比特可以被理解为，或者它们表现得好像它们是陀螺仪，在引力场存在的情况下。所以，一个量子计算机基本上是这一组小的量子陀螺仪，你可以独立地操纵它们并进行复杂的运算。特别是，你可以使用这个量子计算机来放大引力相互作用的影响。已经证明，如果你有一个在轨道上的量子比特，一个量子信息单位，泰勒会更详细地描述什么是量子比特，这个量子比特会发生微小的旋转，发生微小的变化，而且非常小，但在量子计算机内部，可以放大这个信号。
这是我们称之为“大神经成像”的想法，基本上是使用通用量子计算机来测量引力场。一个疯狂的应用是想象一下，我们有一个无噪声的量子计算机，这是一个很大的假设，一个无噪声的量子计算机。所以你有完美的扩展性和通用门模型。现在，假设我们有一个非常简单的潜艇引力模型，在这种情况下是弗吉尼亚级潜艇。你可以看到潜艇的质量分布是不均匀的，它在后部较重，因为你有发动机和反应堆，它在前部较重，因为你有导弹和声呐。但就在中间，大部分是空气。我们可以用一种非常粗糙的方式将这些东西建模，就像一个不对称的哑铃。
有趣的是，当你有这种不均匀的质量分布时，你会有一个非零的四极矩。所以单极矩，就像在电动力学中一样，中性浮力的潜艇的单极矩被阿基米德原理提供的力所补偿。所以，从某种意义上说，潜艇是中性浮力的这一事实意味着它的单极引力信号被阿基米德原理所隐藏。然而，四极矩的贡献没有被阿基米德原理补偿，原则上是可以探测到的。
当然，因为它是四极矩，它比单极矩小得多。这里我们显示的是潜艇产生的引力场的强度，这是距离。这是单极矩，这是四极矩。你可以看到四极矩比单极矩弱得多。如果我们使用今天已知的最好的重力测量技术，即原子干涉仪，极限大约在这里。你可以看到，你只能在大约 50 米处探测到这个东西。所以，这项技术对于探测距离你至少 100 米的潜艇来说用处不大。
但是，如果我们使用这种大神经成像重力测量技术，并且你有 100 个无噪声的量子比特，正如我之前提到的，这是一个很大的假设，那么原则上你可以在大约 200 米处探测到潜艇。然后这是指数级的扩展，通过增加你的量子比特数量，你可以非常快地达到很远的距离。所以，100 个无噪声的量子比特在现实中非常难以实现。如果我们有一个有噪声的量子比特，当然这个计数会出错，但它能让你了解量子传感和量子计算的力量。
所以，这些是所有这些想法成为现实之前需要解决的主要挑战。首先，我们需要改进数学框架来描述量子信息，使其更容易被非量子专家理解。安东尼稍后将详细讨论这些问题。然后，对于量子雷达和激光雷达，例如，我们需要快速有效地生成纠缠量子比特，无论是微波频率还是光学频率。我们需要改进微波单量子比特探测器，我们在光学窗口有很好的探测器，但在微波领域没有。我们需要非常可靠的量子存储器，这些存储器实际上是在量子计算的背景下开发的。我们需要高效且容错的量子硬件，能够执行所有必要的操作，以便你可以进行传感和通信。
需要改进信号处理技术，这显然是一个全新的范式，需要新的信号处理方法。同样，你需要新的数据高效技术，并且需要更好地理解量子比特-目标-量子比特环境的相互作用。这些只是其中的几个例子。
请注意，所有这些挑战都与具有明确军事情报应用的事务有关，如雷达、激光雷达、重力测量。所有这些挑战实际上都是中国人通过他们的太空卫星项目开发的。所以，尽管这颗卫星只是为了进行量子密钥分发（QKD）而设计，但许多技术正在那里开发，这些技术可以过渡到更具颠覆性的东西，如量子雷达或其他东西。
这是我的个人经历，关于我们国家和中国之间在开发新型量子信息技术方面的竞赛。几年前，我出版了我的书《量子雷达》。你们中的一些人已经拥有了，如果你们还没有，你们就错过了。斯蒂芬·金希望他写了这本书。所以，我写了这本书。几年后，中国人联系了出版商，他们没有制作盗版副本，而是购买了版权，并制作了官方翻译。我的出版商非常惊讶，他告诉我这非常非常独特，因为通常情况下，中国人购买书籍的出版权，作者都是中国人。在此我澄清一下，我不是中国人。如果有人对此有疑问。
他说，也许他们有一个正在开发的项目，并且希望很多人从这本书中学习。Anyway，几年后，我写了我的书《水下通信》，在这本书中，我基本上提出了水下量子密钥分发、潜艇通信等量子信道的想法。猜猜怎么着？几年后，中国人购买了版权，并出版了这本书，故事也是一样的。
几年后，我写了我的书《量子信息与引力场》，你可以看到一个模式。几年后，中国的顶尖科学家表示，引力对量子信息技术非常重要。他们仍然拥有这本书的版权，但你可以看到这里的模式。
现在，让我们看看中国人实际在做什么，以及他们是如何实验性地开发技术的。他们参与了长距离纠缠实验，当时是开创性的，在加那利群岛的拉帕尔马岛和特内里费岛之间进行了纠缠。他们参与了这个实验。几年后，正如我提到的，他们开发了卫星。现在他们正在进行两个地面站之间的 QKD。最近，中国国防部的官方国防承包商宣布他们已经建造了一个量子雷达，并且能够探测隐形飞机。我对此表示怀疑，但他们是这么说的。这意味着他们也在从事这个课题的研究。
另外，供你参考，不仅是中国人在进行量子雷达的实验工作，欧洲人也有一个大型项目，他们刚刚开始进行量子雷达的研究，加拿大人也是如此。他们提出了这些说法，我们不知道它们是否属实。
几年后，或者几个月后，他们开始进行水下量子通信的实验。所有这些显然都基于我的书，因为至少在公开文献中，我首先提出了这些想法。所以，他们正在进行一些水下量子通信的实验。我不会惊讶于他们很快就会用一辆水下航行器进行真正的 QKD，也许在未来，我不相信他们声称拥有一个功能齐全的量子雷达巡逻队。在未来，他们可能会拥有一个。谁知道呢？在未来，他们也可能能够对我们的潜艇进行引力探测。
所以，总而言之，我们有理由相信，量子信息可能是信息时代的原子弹。现在，我展示了一系列我们一直在研究的例子。正如我之前提到的，这只是理论，在这些技术成为现实之前，还有许多理论和实验挑战需要解决。但我认为这些是高风险、高回报的努力。它们是高风险的，因为是的，也许它行不通，我们不知道。但它们是高回报的，因为如果我们能做到，并且例如在未来能够建造量子雷达，那么这意味着我们可以在零分贝时进行雷达探测。所以，想想在零分贝时进行传感的含义。
我们当然认为它们值得进一步的科学和工程考虑、研究和讨论。现在，我一直在谈论量子雷达、量子激光雷达、量子通信、量子重力测量，对吧？这基本上只是我经典的头脑试图将经典概念翻译到量子世界。当我曾经研究量子雷达时，我的一位上级来找我，他说：“马克，你只是在翻阅经典的雷达，对吧？”答案是肯定的。我只是在翻阅经典技术，看看它们如何能够过渡到量子。但我们显然只是触及了所有这些的表面。正如乔提到的，想象一下晶体管发展初期，仅仅想到这项技术发展有一天会导致互联网，这可能是当时没有人能想象到的。我相信还有许多我们现在无法想象的激进概念。
现在，这有待争论，但可能我们在量子信息领域并不处于领先地位。中国人显然在我们前面，至少在卫星纠缠传输和 QKD 方面。正如我之前提到的，所有这些技术，即使他们只是在做非常无害的 QKD，它们也可以轻易地被武器化，并迅速过渡到更具颠覆性的军事技术。
所以问题是，鉴于我所说的一切，我们能否冒着在未来遭受战略性意外的风险？这是留给你们思考的问题。谢谢！
[掌声]
你好，我叫希瑟·斯宾塞，是能源部水力发电技术办公室的特级研究员。我只是想知道，你认为这些水下技术的实施在多大程度上受到电力或能源的限制？
哦，这是一个非常好的问题。而且，根据你使用的纠缠技术的类型，可以证明你可以节省电力。你可以减少你的电力消耗，并与经典方法进行相同类型的传感。所以，换一种说法，你可以说你可以使用相同的功率获得更大的范围，或者你可以使用更少的功率获得相同的范围。所以，是的，它可以节省能源。
我和杰夫几年前一起研究过一些关于空间量子雷达的想法。它的优势在于，卫星上载荷的关键决定因素之一与重量和它消耗的能量有关。我们估计，使用基于纠缠的量子雷达，在能量方面可以获得二次方的改进。谢谢。
谢谢！
[掌声]