测试与测量和网络加密如何为新颖的量子技术应用提供支持

公共部门和私营企业在量子技术领域投入数十亿资金。媒体陆续报告量子里程碑。前景广阔的量子传感器技术、计算和通信应用似乎即将实现。罗德与施瓦茨提供高精度测试与测量 (T&M) 解决方案，支持科学界、行业和公共机构针对量子系统执行特定测试。公司的加密专家将基于量子技术的安全通信产品从实验室带到相关外场应用中。

量子计算、量子传感器技术和量子通信具有突出的发展潜力。量子技术的投资金额非常庞大，彰显出这一领域的巨大创新潜力。知名的风险投资基金在全球范围内大力投资，国家级和跨国研究基金也吸收了数十亿的公共资源。

德国联邦教育与研究部投入 26 亿欧元设立量子技术基金。欧盟量子旗舰计划的预算至少为 10 亿欧元，美国国家量子倡议法案的拨款高达 20 亿美元。

量子技术影响日常生活。现代智能手机集成数千亿个晶体管，其中大多数存储在闪存芯片中。根据半导体的量子力学特性，这些晶体管可以控制电流和电压。第一代量子技术利用自然量子效应。第二代量子技术则是设计和操控量子态。

快速、更快。尽在量子计算。

二进制代码操控整个世界。传统计算机将数据处理成 0 或 1、真或假、关或开序列。从简单的文本处理到元宇宙中的虚拟现实，均是如此。但是，我们生活和工作的世界变得越来越复杂。亟需处理的数据量急剧增加。2020 年产生的数字数据量是 2012 年的十倍，预计到 2025 年这一数字还将增加两倍。届时，数据量将超过 180 泽字节，即 180 万亿千兆字节。

因此，传统计算机面临两个无法逾越的障碍：时间和复杂程度。数据量越大，处理时间就越长。问题越复杂，只存在两种状态的二进制代码就越难以有效地计算出解决方案。量子计算机利用现代物理学，能够应对这两个挑战。

协调共存

和传统位一样，量子位 (qubit) 是量子力学存储单元。除了表示 0 和 1 之外，量子位还可以假设叠加态和混合态。这种同时性代表重要的技术范式转移。量子计算机现在能够同步运行传统的顺序计算方法，因此能够节省大量时间。

但更为重要的是，创新的量子力学方法能够处理更加复杂的新问题。不过，传统的处理功能和量子计算可以共存。根据任务情况，可以集成现有系统和量子系统。

物理和逻辑

量子世界中的粒子可以同时在两个地方出现。只有观测到粒子，才能通过测量缩小粒子的位置范围。粒子被观测到后，位置才会确定。正是由于这种异常特性，粒子非常不稳定。单独使用物理量子位非常容易出错，因此多个量子位会组成逻辑量子位。但是，挑战也随之出现：量子系统需具备一百万个逻辑量子位，以处理蛋白质折叠等实际问题。逻辑量子位至多可能包含 100 个物理量子位，但目前处理能力最大的系统仅有 127 个物理量子位。

苏黎世仪器是罗德与施瓦茨大家庭的新成员。量子计算的测试与测量市场更是为两家公司带来了巨大的发展潜力。操作和维护量子计算机需要利用各种特定的测试与测量解决方案，因此这需要非常准确地生成和测量射频信号，以便有效地创建和记录量子态。公司制造用于量子计算机的控制系统。

安全、更安全。尽在量子通信

量子计算机能够提升处理效率的极限。但这也带来了挑战，例如安全通信。20 世纪 90 年代初期，高性能量子计算机首次可以使用算法打破传统的加密算法，打开了潘多拉魔盒。

此后，各种替代加密方法层出不穷。这些加密方法主要有两种。第一种是后量子密码学，这种方法完全融合传统的加密方法，但关键的不同之处在于前者能够免受量子计算机的攻击。这种方法使用的算法基于一个理论假设：目前尚无使用量子或传统计算机的已知有效攻击。

另一种方法涉及到量子密钥分发 (QKD)。德国联邦信息安全办公室 (BSI) 和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 大力推动这一领域的技术创新。当今世界的数字化程度越来越高，私营企业和政府机构更是依赖于可靠的 IT 安全解决方案。安全通信网络已成为先进信息社会中的关键基础设施。

这些创新解决方案改变了密码学领域的研究重点。传统方法和新近开发的后量子方法基于数学假设，认为特定任务无法得到有效的计算。量子密钥分发则以物理原理为基础。

首批 QKD 设备主要由物理工作组开发出，而商业化部署已持续数年。Rohde & Schwarz Cybersecurity 在安全解决方案方面具备深厚的专业知识，并在构建和实现安全设备与系统方面经验丰富，积极参与多项研究项目。

合作助推创新

除了开发技术之外，与客户交流、积极参加研究组和行业协会同样非常重要。从一开始，罗德与施瓦茨便积极参与多个新兴项目和计划。以下仅列出部分项目：