量子技术 (QT) 的发展既有可能性,也有风险。我们需要开始考虑如何以及在何处嵌入量子技术。具体来说,需要解决安全性、访问权和不确定性问题。量子技术既可用于好事,也可用于坏事。例如,在安全领域,它带来了破解数据加密的手段,也带来了新的安全通信方式。由于量子技术的这种双重用途,所有权是一个重要话题。谁可以/应该访问这项技术既是安全性问题,也是可访问性问题。这些问题要求我们在道德和责任的背景下思考量子技术。为量子技术的未来做准备意味着为它将产生的影响做准备。虽然不确定性仍然存在,但其中一些影响是已知的。因此,我们可以开始将影响转化为可操作的过程。虽然安全性似乎是主要关注的方面,但也应该考虑对研究和教育领域的特定影响。量子如何影响现有的科学实践和规范,例如可重复性和开放性?将部分计算基础设施从经典技术迁移到量子技术需要新的知识和经验。我们需要教育或协助目前从事密码学和信息安全领域的人员,并为我们当前的系统做好迁移到不同加密形式的准备。总的来说,关于如何将量子技术融入社会,还有很多问题需要回答。幸运的是,有人和组织正在努力解决这些问题。慢慢地,这些组织的评估需要转化为具体的加密系统和计算基础设施。我们仍然不完全知道量子将如何融入社会、研究和教育,但我们正在为我们所知道的事情做准备。
在商业方面,德国在量子技术的量子传感器和激光器方面表现出色。 博世等公司正在与空客合作开发量子磁传感器,展示德国的能力。总部位于慕尼黑的 TOPTICA Photonics 及其子公司 TOPTICA Eagle Yard 是量子技术用高质量激光器制造领域的先驱,同时也为美国提供产品。总部位于雷根斯堡的欧司朗光电半导体公司通过战略性收购美国 Vixar 公司,巩固了其在德国的地位。
我们对大脑的理解和评估大脑健康的能力在很大程度上依赖于磁共振成像 (MRI) 和量子技术,这些技术依赖于物质或辐射的量子特性,如核自旋、纠缠或单个量子的检测。这些技术正在经历资金和研究的复兴,并导致了近年来一些非常令人兴奋的发展,例如,仅根据大脑活动和 fMRI 数据重建图像、视频 [1、2] 和整个句子的语义 [3]。本观点的目的是简要概述一些量子技术,这些技术可能会对这些读脑方法的可穿戴性、精度和成本等产生影响。磁共振成像 (MRI) 是一种非侵入性方法,它依赖于量子效应,带电粒子可以自旋,从而与外部磁场相互作用,提供有关自旋和我们正在探测的物质的构象的信息。一种称为功能性磁共振成像 (fMRI) 的磁共振成像技术通过检测脑内血流的微小变化来测量脑活动,现在可以实现亚毫米级的分辨率,尽管通常存在 5 到 10 秒的时间延迟,这是因为它测量的是血氧水平依赖性 (BOLD) 信号。另一种称为脑磁图 (MEG) 的非侵入性技术则测量细胞水平上随时间变化的电压信号产生的磁场。这里使用的量子技术不在于信号本身的物理特性,而在于检测,这通常是使用超导量子干涉装置 (SQUID) 的极高灵敏度来实现的。与 fMRI 相比,MEG 的空间分辨率较低,为 3 毫米量级,但没有 BOLD 时间延迟。显然,使用 fMRI 和 MEG 对脑部进行更精细的成像可以更深入地了解脑部的运作方式。然而,fMRI 的成本相对较高,严重限制了其普及性,实验范围也受到限制,因为躺在 MRI 扫描仪中并不是动物或人类操作的“自然”环境。基于 SQUID 的 MEG 可穿戴性略高,但仍然很昂贵,主要是因为实验需要放在特殊的房间内,以保护仪器不受干扰。
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量子计算是一个新兴领域,有可能极大地推动科学和技术领域的计算发展。1,2 它源于量子力学原理,通常通过叠加、干涉和纠缠的概念来解释,并使用与传统计算根本不同的方法。2,3 例如,在量子计算中,叠加允许量子比特或量子位同时存在于多种状态,而传统比特只能是 0 或 1。这意味着量子位可以同时表示 0 和 1,从而成倍增加潜在的计算能力。因此,算法可以比传统计算机更有效地处理大量数据。4 量子纠缠是一种现象,其中两个或多个量子位以某种方式互连,以至于一个量子位的状态会立即影响另一个量子位的状态,无论它们之间的距离如何。这种互联性允许以前所未有的速度和安全性传输信息。它是使量子计算机能够比传统计算机更有效地执行复杂计算的基本原理之一。5
QT 是一个充满活力且快速成熟的领域,其应用和开发正在迅速发展,涉及英国研究生态系统所有部分的合作。基础研究支持材料的发现、发明、创新以及将技术转化为商业用途。然而,这种新兴学科的技术采用仍处于早期阶段,我们必须对新的想法和机会保持响应。STFC 面临的挑战是利用其研究人员、实验室、设施和校园的能力,实现共同的国家战略,同时平衡其核心使命的其他部分。这将需要新的工作方式、建立新的合作伙伴关系,并在定义国家计划的未来阶段中发挥积极作用。