《2020年量子信息处理前景:英国国防与安全展望》

  • 来源专题:计量基标准与精密测量
  • 发布时间:2023-04-19
  • 在晶体管和后来的集成电路的推动下,属于“第一次量子革命”的技术来自于对量子力学本质的理解。这些设备无处不在,对日常生活至关重要:我们戴着它们,通过它们访问和处理信息,它们使我们能够交流。“第二次量子革命”将引入利用更微妙量子效应的技术,预计将产生更大的影响。

    许多人将开发量子计算的热潮视为一场新的“太空竞赛”。通过量子纠缠和量子叠加等违反直觉的现象,大规模量子计算机有望超越最好的数字超级计算机几个数量级,并使我们能够前所未有地模拟自然世界的复杂性。在全球范围内,过去5年的进展是显著的,2019年10月,谷歌声称已经实现了“量子霸权”——也就是说,一台可编程量子计算机能够解决经典计算机实际上无法解决的问题。

    2014年,英国计划实施一项连贯的国家计划,并在秋季声明中宣布了为期五年的第一阶段政府对转化研发的支持(利用数十年来大学公共资助的基础研究),以建立主权量子技术产业部门。2019年秋季声明中宣布,政府将为国家量子技术计划(NQTP)再提供五年的支持,该计划涵盖量子计时、传感、通信、计算和模拟,包括创建国家量子计算中心。与此同时,国防科学技术实验室(Dstl)于2014年启动了一个类似DARPA的项目1,以开发量子技术,主要集中在位置、导航和定时(PNT)的量子传感器,包括时钟、重力传感器和惯性力传感器。该项目补充了NQTP和Dstl的工作,自国家计划启动以来,英国国防部一直是NQTP的合作伙伴。

    2014年,量子信息处理(QIP)被认为太不成熟,不利于近期的国防和安全利益,只进行了技术观察活动(重点是量子算法)。然而,国家和全球取得的进展超出了早期的预期,技术观察立场不再适合国防部。因此,Dstl和MOD已经调查了QIP在国家和全球的地位,本景观报告是生产的产品之一。预定读者包括国防和安全领域的高级政策制定者和决策者。

    本文件对英国在QIP硬件和软件方面的研发进行了批判性调查,以告知国防部应考虑哪些投资,以在近期(2020-2025年第一阶段)、中期(2025-2030年第二阶段)和未来(2030年第三阶段及以后)从QIP中获得国防和安全利益。特别关注第一时代早期采用这一新兴技术可能带来的任何破坏性好处。

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    • Resonance的《量子内情》已发布其2024年度报告,报告显示全球量子领域投资高达490亿美元,并预计到2030年量子领域经济规模将超过2000亿美元。目前价值20亿美元的量子经济规模,预计到2030年将超过50亿美元,尽管在可扩展性和错误率方面存在障碍,但量子计算即服务(QCaaS)和量子安全将推动其迅速发展。到2030年,量子行业预计创造25万个全球工作岗位,区域创新中心将在商业化和人才培养中将发挥关键作用。量子技术已从探索性研究转向商业应用和区域创新中心,这种快速的发展标志着该技术正在重新定义量子市场的格局,世界各国政府已承诺为量子计划提供超过400亿美元的资金,其中美国、英国和德国等主要贡献者位居投资前列。这些国家几乎占据了所有量子资金的一半,并试图利用先发优势来获得量子技术所带来的经济和就业方面的利益,并为应对该技术可能带来的国家安全威胁做好准备。私人风险投资方面,资金也在激增,2024年已超过24亿美元,其中PsiQuantum的6.17亿美元融资尤为引人注目。量子研发是一个重要的——也可以说是显而易见的——重点领域,每年13亿美元的私人研发资金推动了门保真度、可扩展性和纠错方面的创新。IBM和D-Wave在专利效率方面脱颖而出,展现出超高的研发投入产出比。然而,市场在实现可行的含噪声中等规模量子(NISQ)系统方面仍面临挑战,保真度率直到最近才接近实现更广泛应用所需的99.9%阈值。量子市场预计将从目前的20亿美元估值增长到2030年的超过50亿美元,并由硬件和量子计算即服务(QCaaS)引领。QCaaS是增长最快的细分市场,展现出每年62%的年复合增长率(CAGR),预计到本世纪末将有2800家公司采用该服务。尽管前景乐观,但量子硬件交易已趋于平稳,由于新进入者专注于较小的系统,平均交易规模有所下降。量子安全和传感也带来了重大机遇。在采用后量子密码学(PQC)的推动下,量子安全市场预计将实现以54%的年复合增长率,到2030年将达到90亿美元。与此同时,量子传感在医疗保健、国防和环境监测中的应用预计将在同一时期翻一番,达到8亿美元。该报告强调了区域量子创新中心的增长趋势,这些中心整合了政府、学术界和企业的利益相关者,以推动本地化的经济影响。例如,美国已经发起了州级倡议——例如在南卡罗来纳州和科罗拉多州——这些倡议通常会得到联邦资金的支持。在国际上,韩国和日本等国家正在追求雄心勃勃的量子战略,强调国内能力和全球合作伙伴关系。这些中心被视为培养人才和促进长期商业化的关键。到2030年,量子经济预计将在全球范围内创造25万个工作岗位,重点关注涵盖研究、工程和商业开发等领域的职位。虽然量子领域充满潜力,但可扩展性和高错误率仍然是重大的技术障碍。大型硬件交易的停滞和对探索性项目的依赖也给供应商未来的收入带来更多不确定性。尽管存在这些障碍,但混合量子和经典系统,以及协同设计方法的进步正在为生产级应用铺平道路。展望未来,该报告强调了量子技术在金融和医疗保健、能源和制造业等各个行业的变革潜力。随着区域生态系统的成熟和商业化的加速,量子有望成为下一次技术革命的基石。
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
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    • 人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV),即艾滋病(AIDS,获得性免疫缺陷综合征)病毒,是造成人类免疫系统缺陷的一种病毒。1983年,HIV在美国首次发现。它是一种感染人类免疫系统细胞的慢病毒(lentivirus),属逆转录病毒的一种。HIV通过破坏人体的T淋巴细胞,进而阻断细胞免疫和体液免疫过程,导致免疫系统瘫痪,从而致使各种疾病在人体内蔓延,最终导致艾滋病。由于HIV的变异极其迅速,难以生产特异性疫苗,至今无有效治疗方法,对人类健康造成极大威胁。 自上世纪八十年代以来,艾滋病的流行已经夺去超过3400万人的生命。据世界卫生组织(WHO)统计,据估计,2017年,全世界有3690万人感染上HIV,其中仅59%的HIV感染者接受抗逆转录病毒疗法(ART)治疗。目前为止HIV仍然是全球最大的公共卫生挑战之一,因此急需深入研究HIV的功能,以帮助研究人员开发出可以有效对抗这种疾病的新疗法。为阻止病毒大量复制对免疫系统造成损害,HIV感染者需要每天甚至终身服用ART。虽然服用ART已被证明能有效抑制艾滋病发作,但这类药物价格昂贵、耗时耗力且副作用严重。人们急需找到治愈HIV感染的方法。 即将过去的11月份,有哪些重大的HIV研究或发现呢?生物谷小编梳理了一下这个月生物谷报道的HIV研究方面的新闻,供大家阅读。 1.Nature论文解读:重大进展!利用纳米金刚石的量子特性进行试纸横向流动测试,可将灵敏度提高10万倍 doi:10.1038/s41586-020-2917-1 在一项新的研究中,来自英国伦敦大学学院和牛津大学的研究人员发现纳米金刚石(nanodiamond)的量子传感能力可用于提高基于试纸的诊断测试的灵敏度,从而有可能允许更早地检测HIV感染等疾病。相关研究结果发表在2020年11月26日的Nature期刊上,论文标题为“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”。 基于试条的横向流动测试的工作方式与妊娠测试相同,即将试条浸泡在液体样本中,颜色或荧光信号的变化表示阳性结果,并可检测病毒蛋白或DNA。它们被广泛用于检测从HIV到SARS-CoV-2等病毒(目前针对COVID-19的横向流动测试正在英格兰各地进行试点),并且可以提供快速诊断,这是因为测试结果不必在实验室处理。 McKendry团队利用了含有缺陷的纳米金刚石的量子特性。金刚石高度规则结构中的这种缺陷会产生所谓的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)中心。NV中心有许多潜在的应用,从用于超灵敏成像的荧光生物标记到量子计算中的信息处理量子位。 NV中心可以通过发射明亮的荧光来产生指示抗原或其他靶分子存在的信号。在过去,荧光标记受到来自样品或试条的背景荧光的限制,使得难以检测到低浓度的病毒蛋白或DNA。然而,荧光纳米金刚石的量子特性使它们的光发射可以被选择性调制,这意味着可以利用微波场将光信号固定在一个设定的频率上,并可以有效地从背景荧光中分离出来,从而解决了这一局限性。 这些光学结果显示,与金纳米颗粒相比,这种纳米金刚石技术的灵敏度提高了多达5个数量级(10万倍)(即产生可检测的信号仅需更低数量的纳米颗粒)。由于加入了一个短短10分钟的RNA拷贝发生倍增的恒温扩增步骤,McKendry团队能够在模型样品中在单分子的水平下检测HIV RNA。 2.Sci Adv:关键分子IP6对于HIV病毒衣壳的形成过程至关重要 doi:10.1126/sciadv.abc6465 近日,一项刊登在国际杂志Science Advances上的研究报告中,来自芝加哥大学等机构的科学家们通过研究揭示了名为IP6的小分子在建立HIV病毒衣壳过程所扮演的关键角色。HIV的遗传信息被称之为衣壳的蛋白层所包围,衣壳能作为保护HIV的盔甲,阐明衣壳的形成过程和机制或有望帮助研究人员开发治疗HIV感染的新型疗法,然而近十年来,科学家们还并未在实验室中成功重建HIV的衣壳结构。 研究者Alvin Yu表示,HIV的衣壳有着非常特殊的圆锥形状,其需要被关闭来包含纳入病毒的遗传物质;而组装衣壳的部分奥秘则是将缺陷合并到晶格中,衣壳的大部分结构都是由六聚体蛋白排列而成,六聚体蛋白则是由6个亚单位组成,然而,HIV衣壳上有12个点是由5个蛋白亚单位组成的五聚体;如果没有这些五聚体,HIV的衣壳蛋白仅仅会组装成为两端开放的长管状结构。 3.J Infect Dis: 研究揭示HIV患者炎症反应的原因 doi:10.1093/infdis/jiaa657 尽管当前针对艾滋病毒的抗逆转录病毒疗法非常有效,但数据显示,与没有艾滋病毒的人相比,艾滋病毒感染者似乎经历了加速的衰老,寿命缩短了五到十年。这些结果与慢性炎症有关,慢性炎症可能导致与年龄相关的疾病(如动脉粥样硬化,癌症或神经认知功能下降)的早期发作。 由波士顿医学中心的研究人员领导的一项新研究调查了可能导致这种炎症的因素,他们发现无法控制现有HIV DNA产生的HIV RNA的产生是导致炎症的潜在关键因素。该结果发表在《Journal of Infectious Diseases》杂志上,强调需要开发针对艾滋病毒感染者持续发炎的新疗法以改善治疗效果。 4.JAMA:2020年IAS-USA指南更新了针对HIV治疗和预防的建议 doi:10.1001/jama.2020.17025 国际抗病毒学会-USA(IAS-USA)发布的2020年指南更新了针对HIV病毒治疗和预防的建议。相关结果于2020年10月14日在线发表在JAMA期刊上,标题为“Antiretroviral Drugs for Treatment and Prevention of HIV Infection in Adults---2020 Recommendations of the International Antiviral Society–USA Panel”。 美国阿拉巴马大学伯明翰分校的Michael S. Saag医学博士及其同事们收集了自2018年发布上一份IAS-USA建议以来的新证据,研究了新的数据,并将它们纳入到当前的建议中。 这些作者收录了549份引文,作为提出这些新建议的证据基础。对于所有检测到病毒血症的HIV感染者,建议尽快进行抗逆转录病毒治疗。大多数患者可以从纳入一种整合酶链转移抑制剂的三药物或两药物治疗方案开始治疗。对于可能怀孕的患者、有特殊临床症状的患者、患有机会性疾病的患者或有医疗保健获得问题的患者,可以选择有效的治疗方案。在等待监管机构批准和药物供应期间,建议首次使用长效抗逆转录病毒治疗方案,每4周或每8周注射1次进行治疗。对于有感染HIV风险的人,建议采用口服方案进行暴露前预防(preexposure prophylaxis)。建议在治疗前和治疗期间监测有效性和安全性。目前,因病毒学失败而转换治疗的情况比较少见。 5.JAHA:HIV感染者社区获得性肺炎与心血管事件风险 doi:10.1161/JAHA.120.017645 未感染HIV的患者因社区获得性肺炎(CAP)住院治疗会增加心血管疾病(CVD)事件的风险。近日,心血管疾病领域权威杂志JAHA上发表了一篇研究文章,研究人员旨在评估CAP住院后,HIV感染者(PLWH)是否比未感染HIV的个体具有更高的CVD或死亡风险。 研究人员分析了美国退伍军人老龄化队列研究2003年4月至2014年12月期间的数据 ,并使用Cox回归分析确定从入院之日起至出院后30天(30天死亡率)期间HIV感染状况是否与CVD事件和死亡率相关,并调整了已知的CVD危险因素。 研究人员纳入了4384例患者(67%[n=2951]PLWH)。与未感染HIV的CAP患者相比,因CAP住院的PLWH较年轻,CAP严重程度较低且CVD危险因素较少。在多变量校正分析中,与未感染HIV相比,PLWH个体的CVD风险相似(风险比[HR]为0.89;95%CI为0.70-1.12),但HIV感染与更高的死亡风险相关(HR为1.49;95%CI为1.16-1.90)。在按HIV状况分层的模型中,CAP严重程度与PLWH和未感染HIV的患者的CVD和30天死亡率显著相关。 6.DCR:CD4/CD8比值可以作为HIV 阳性患者高级别肛门异型增生和肛门癌风险的新标志物 doi: 10.1097/DCR.0000000000001763 艾滋病毒感染者有肛门发育不良或癌变的风险,因此,需要针对肛门癌发生风险增加客观标志物。CD4/CD8比率低与艾滋病毒感染者的整体癌症风险增加有关,但尚未进行量化肛门癌风险的检查。因此,本项研究假设低的CD4 / CD8比值与发生高度肛门发育异常和癌症的风险增加相关。 本项研究对美国威斯康星州2002年至2018年间艾滋病毒感染者进行了回顾性研究。将晚期疾病(高度肛门发育不良和/或肛门癌)患者与肛门细胞学检查阴性的患者进行比较。主要观察结局是CD4 / CD8的比值与艾滋病患者肛门发育不良或癌变的相关性。 研究人员共检查了377名艾滋病毒携带者:266名细胞学检查阴性和111名处于疾病晚期(16例癌症,95例高级肛门发育不良)。晚期疾病患者的平均CD4 / CD8比率低于阴性筛查的患者(0.26 vs 0.47,p <0.001)。在调整后分析中,最低比率或最接近的比率增加1个单位可降低晚期疾病的发生风险(OR,0.10; 95%CI,0.02-0.45;p = 0.002)和(OR,0.31; 95%CI,0.12-0.83 ;p= 0.02)。使用CD4 / CD8比值作为晚期疾病危险因素的最佳阈值的最低点比值为0.47(敏感性0.59和特异性0.91),最接近比值为0.95(敏感性0.56和特异性0.92)。