양자 물리학은 "가장 근본적인 수준에서 물질과 에너지에 대한 연구"임.
양자 기술은 양자 물리학에서 식별된 속성을 활용하여 컴퓨팅, 통신 및 감지에 새로운 기능을 제공함.
양자 현상은 수십 년 동안 연구되어 왔지만 이러한 현상을 기반으로 한 중요한 기술은 비교적 최근에야 등장함. 이러한 기술 중 일부는 비즈니스 및 국가 안보에 상당한 이점을 제공함. 다른 것들은 암호화 및 스텔스에 대한 새로운 위험을 초래할 것임. 이로 인해 양자는 정책 결정의 중요한 주제이자 미국과 동맹국 간의 협력을 위한 중요한 영역이 됨.
이 주제에 대한 일반 청중을 소개하기 위해 작성된 이 백서에서는 주요 양자 기술, 배포 일정 및 양자 혁신을 위한 국가 정책을 살펴봄.
양자 물리학의 원리는 양자 물리학의 작동 방식을 설명하는 데 사용되는 "으스스한" 또는 "얽힘"과 같은 용어로 인해 당혹스럽고 종종 직관에 반할 수 있음. 이러한 원칙에 대한 기본적인 이해는 진행 상황과 잠재력을 평가하는 데 중요하지만, 보다 즉각적인 정책 질문은 연구를 가속화하는 방법, 새로운 양자 기술을 개발하는 방법, 이러한 기술의 다양한 응용 프로그램을 사용(또는 경우에 따라 보호)하는 방법임.
양자 연구는 12개국 이상의 대학, 정부 연구소 및 기업에서 수행합니다. 연구 및 서비스를 위한 인프라에는 양자 컴퓨팅에 필요한 소프트웨어가 기존 컴퓨팅 소프트웨어와 매우 다르기 때문에 양자 컴퓨터와 그들이 사용하는 특수 칩, 새로운 종류의 센서, 양자 통신 장치 및 고유한 소프트웨어가 포함됩니다. Quantum은 컴퓨팅 그 이상이며 감지, 암호화 및 통신을 위한 애플리케이션도 갖추고 있습니다. 양자 기술과 서비스를 제공하는 기업의 수가 빠르게 증가하고 있음. 감지와 같은 일부 양자 응용 프로그램은 양자 컴퓨터보다 먼저 널리 사용되며 일부 양자 응용 프로그램은 다른 응용 프로그램보다 상업적으로 사용되는 데 더 가까움.
양자 컴퓨팅
양자 컴퓨팅은 종종 응용 프로그램 중에서 가장 주목을 받음. 양자 컴퓨팅은 양자 물리학을 사용하여 기존 컴퓨터로는 불가능한 속도로 문제를 해결함. 양자 컴퓨팅의 기본은 "큐비트"("양자 비트"의 줄임말)입니다. 기존 컴퓨터는 "1" 또는 "0"을 나타낼 수 있는 "비트"를 사용. 반대로 큐비트는 1, 0 또는 그 사이의 모든 값을 동시에 나타낼 수 있음. 이 속성("중첩"이라고 함)을 사용하면 양자 컴퓨터가 많은 작업을 동시에 병렬로 수행할 수 있으므로 기존 컴퓨터보다 수백만 배 빠른 계산이 가능.
이를 통해 양자 컴퓨팅은 모든 과학을 위한 탁월한 새로운 연구 도구가 될 것이며 양자 컴퓨팅은 데이터 분석을 개선하고 연구 및 비즈니스를 위한 기계 학습 알고리즘의 성능을 가속화함. 금융 서비스 회사는 파생 상품에 대한 투자 결정을 내리고 시장 위험을 계산하는 데 우위를 점할 수 있기 때문에 양자 컴퓨팅에 투자하고 있으며 양자 컴퓨팅의 보안 애플리케이션에는 보안 암호화를 "해제"하고, 복잡한 시뮬레이션을 수행하고, 위협 탐지 및 의사 결정을 개선하기 위해 대규모 데이터 세트를 분석할 수 있는 기능이 포함됨.
양자 컴퓨팅에는 기존 반도체와 다른 특수 칩이 필요합니다(현재 기존 실리콘 기반 칩에 사용되는 고급 기술을 사용하여 양자 칩을 만들 수 있도록 하는 연구가 진행 중임). 이 특수 칩은 양자 컴퓨터를 더 빠르고 유능하게 만듭니다. 양자 칩은 비싸고(한 추정치는 큐비트당 $10,000이며, 기존 칩의 경우 $200 미만임) 다양한 전문 지원 장비가 필요합니다. 최초의 양자 칩은 2009년 NIST(National Institutes of Standards and Technology)에서 만들었으며 현재 여러 양자 칩을 사용하는 컴퓨터를 개발하기 위한 경쟁이 있습니다. 칩이 많을수록 칩에 큐비트가 많을수록 데이터 처리 속도가 빨라짐. 가장 큰 양자 프로세서에는 이제 수백 개의 큐비트가 있음.
이 경쟁은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터가 할 수 없는 계산을 수행할 수 있는 "양자 우월성"을 추구하는 일종의 경쟁으로 이어졌습니다. 양자 우위가 달성되었는지 여부에 대한 논쟁이 있지만 성능을 식별하는 데 유용한 초기 임계값임.
양자 컴퓨팅의 한 가지 장애물은 무선 신호에서 지구 자기장의 교란에 이르기까지 무엇이든 될 수 있는 "노이즈"로 인한 계산 오류가 발생할 가능성을 줄이기 위해 큐비트를 개선해야 한다는 것임. 양자 칩을 노이즈로부터 보호하는 것이 도움이됨. 노이즈 문제에 대한 또 다른 해결책은 큐비트 오류를 수정할 수 있는 오류 수정 소프트웨어를 만드는 것인데 오류 수정에는 여러 큐비트를 동시에 사용할 수 있는 기능이 필요하기 때문에 복잡한 배선 없이 각 칩이 여러 큐비트를 포함할 수 있도록 양자 칩 자체를 단순화해야 함. 일부 전문가들은 이러한 문제를 해결할 수 없다고 생각하지만 다른 전문가들은 향후 10 년에서 15 년 내에 추가 연구가 문제를 극복 할 수 있다고 확신.
최초의 양자 칩은 2009년 NIST(National Institutes of Standards and Technology)에서 만들었으며 현재 여러 양자 칩을 사용하는 컴퓨터를 개발하기 위한 경쟁이 있으며 칩이 많을수록 칩에 큐비트가 많을수록 데이터 처리 속도가 빨라짐.
그럼에도 불구하고 양자 컴퓨팅은 현재 (주로 연구용으로) 사용되고 있음. 전문 지원 장비의 필요성과 큐비트의 취약성을 감안할 때 현재 모든 책상에 양자 컴퓨터를 설치하는 것은 불가능함. 그러나 인터넷이 가능한 컴퓨터를 사용하면 연구원이 물리적 액세스 없이 양자 컴퓨팅 기능을 사용할 수 있습니다. 이를 "서비스로서의 양자"라고도 하는데 양자 컴퓨터는 복잡하고 유지 관리가 많이 필요하며 비용이 많이 들기 때문에 Quantum-as-a-Service를 통해 연구원과 회사는 하드웨어를 소유할 필요 없이 다른 회사에서 소유, 운영 및 유지 관리하는 양자 컴퓨터(종종 클라우드 서비스 또는 인터넷을 사용)에 액세스할 수 있음. Quantum-as-a-Service는 이미 대학과 몇몇 국가 프로그램(예: 독일)에서 연구를 위해 사용하고 있음.
Quantum's Effect on Cryptography and Communications
암호화는 복잡한 수학 공식을 사용하여 데이터를 인코딩하고 디코딩할 때까지 읽을 수 없도록 만드는 프로세스임. 암호화는 온라인 상거래, 금융 및 국가 보안 시스템에서 널리 사용됩니다. 엄청나게 빠른 속도를 가진 양자 컴퓨터는 일단 안전하다고 여겨졌던 메시지를 신속하게 해독하기 위해 계산을 수행할 수 있고,또한 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 수학 방정식을 풀 수 있는 능력을 갖게 되어 암호화를 "해제"하여 기존 소프트웨어 및 서비스에 새로운 위협을 가할 수 있음.
상용 응용 프로그램에서 널리 사용되는 공개 키 암호화를 사용하는 모든 시스템은 양자 컴퓨터에 의한 암호 해독에 취약함. 지금은 불가능하지만 많은 국가에서 이 기능을 추구하고 있으며 중국과 같은 선진 적대국은 나중에 양자 컴퓨터를 사용할 수 있을 때 암호 해독을 위해 암호화된 데이터를 수집하고 저장할 가능성이 높음. 이 "지금 저장하고 나중에 해독" 위협은 일부 미국 정부 데이터가 수십 년 동안 민감하게 유지될 수 있기 때문에 특히 우려됨.
이러한 위험을 감안할 때 NIST는 PQC(포스트 퀀텀 암호화)를 만드는 프로세스를 주도했음. PQC 알고리즘은 상업적으로 이용 가능한 양자 내성 암호화의 기초를 제공하는데 2024년에는 표준화될 예정이다. PQC로의 전환은 암호화 표준의 변경이 구현된 첫 번째 사례가 아니고 1977년 NBS(National Bureau of Standards)는 DES(Data Encryption Standard)를 채택했지만 1990년대 후반까지 연구원들은 DES 암호화를 깰 수 있었음. 이로 인해 NIST는 2001년에 AES(Advanced Encryption Standard)를 개발했음. 이러한 경험을 통해 암호화 표준을 변경하는 것은 표준을 기반으로 하는 새로운 제품을 만든 다음 경제 전반에 배포해야 하고 유사한 프로세스가 PQC 전환을 형성하기 때문에 긴 프로세스라는 것을 보여주었음.
PQC의 구현은 또한 더 많은 장애물에 직면 해 있음. 채택될 가능성이 가장 높은 PQC 알고리즘은 다양한 키 길이 및 처리 시간을 포함하여 다양한 기술적 특성을 가지고 있는데 이러한 기능을 통해 DES에서 AES로의 이전 전환보다 PQC를 더 광범위하게 구현할 수 있음. NIST는 대규모 구현 계획이 없으면 취약한 공개 키 시스템의 대부분이 PQC를 통합하기까지 수십 년이 걸릴 수 있다고 예측됨. 국가안보국(National Security Agency)은 암호 해독 위협으로부터 보호하는 가장 좋은 방법으로 NIST의 포스트 퀀텀 암호화 알고리즘(표준화된 후)으로 전환할 것을 권장함.
중국과 같은 선진국은 나중에 양자 컴퓨터를 사용할 수 있을 때 암호 해독을 위해 암호화된 데이터를 수집하고 저장할 가능성이 높음. 이 "지금 저장하고 나중에 해독" 위협은 일부 미국 정부 데이터가 수십 년 동안 민감하게 유지될 수 있기 때문에 특히 우려됨.
양자 통신
양자 통신은 양자 물리학의 속성을 적용하여 더 나은 보안과 향상된 장거리 통신을 제공함. 양자 통신은 보안에 대한 두 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 종래의 디지털 통신에서는 키를 이용하여 메시지를 암호화하고 복호화하여 클래식 비트(0 또는 1)로 전송한다. QKD(양자 키 배포)를 사용하면 큐비트를 사용하여 인코딩 및 전송되는 암호화 키를 생성할 수 있으므로 해독하기가 더 어려움.
둘째, 큐비트는 매우 민감해서 큐비트를 방해하거나 관찰하려는 시도는 큐비트를 강제로 붕괴시킵니다. 즉, 외부 관찰자가 QKD를 사용하는 통신을 가로채거나 모니터링하려고 하면 메시지 수신자가 해당 활동을 즉시 알아차릴 수 있으며 따라서 양자 통신은 전송된 데이터를 보호하고 도청자가 탐지를 회피하는 것을 매우 어렵게 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
양자 통신 기술의 광범위한 배포는 아직 몇 년이 걸립니다. QKD는 광섬유 케이블, 라디오 및 위성 릴레이를 통해 시연되었습니다. 그러나 광섬유는 짧은 거리에서만 QKD를 전송할 수 있으며 공간 대 지상 시연은 결정적이지 않았습니다. 각 매체는 상업적으로 실행 가능하기 전에 추가 기술 개발이 필요합니다.
중국은 미시우스(Micius) 위성 프로그램(처음에는 오스트리아 대학과 협력하여 수행)과 같은 프로젝트를 사용하여 양자 통신을 개발하려고 시도하고 있습니다. 중국은 2016년 Micius를 출시했으며 2017년 세계 최초의 양자 암호화 원격 회의를 달성했다고 보고했습니다. 그러나 위성 자체에는 보안 문제가있었습니다. 2020 년 중국 연구원들은 위성과 협력하여 안전한 지상 기술에 더 의존하여 이러한 문제를 해결했다고 발표했으며 새로운 방법이 QKD의 보안을 "전례없는 수준"으로 향상 시켰다고 말했습니다.
양자 감지
양자 감지를 통해 매우 정밀한 측정이 가능합니다. 이 기술은 개별 원자 수준에서 고분해능 및 고감도 측정값을 캡처하여 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 양자 감지 기술은 의료 및 의료 연구, 환경 모니터링, 건설, 에너지, 내비게이션 및 방위를 포함한 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 전자기 간섭 및 재밍에 강합니다. 더 민감하고 정확한 측정은 기존 센서보다 더 높은 신뢰성을 제공합니다.
양자 감지는 보다 정확하고 안전한 탐색의 가능성을 제공합니다. 중요한 민간, 상업 및 군사 시스템은 GPS와 GPS가 제공하는 PNT(Precision Navigation and Timing) 데이터에 의존합니다. GPS는 종종 많은 중요한 인프라 시스템(금융 및 전력 포함)에 대한 PNT 데이터의 유일한 소스이므로 GPS 간섭의 잠재적 대상이 됩니다. 양자 감지를 사용하면 이러한 취약점을 제거할 수 있습니다. 양자 감지는 또한 GPS를 사용하지 않고도 고정밀 탐색을 가능하게 합니다. GPS와 달리 양자 내비게이션은 외부 신호에 의존하지 않으므로 방해 전파에 강합니다. 양자 센서는 지구의 중력장과 자기장을 측정하여 움직임과 전자기 충격의 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 민감한 중력계(지구의 중력장을 측정하는 기기)와 자력계는 이상 현상을 측정하고 기존 데이터와 비교할 수 있으며 위성 통신 없이도 정확한 탐색이 가능합니다.
신뢰할 수 있는 양자 탐색을 달성하는 데는 몇 가지 장애물이 있습니다., 필요한 센서의 복잡성과 섬세한 보정을 감안할 때. 여기에는 더 낮은 비용, 더 작은 크기와 무게, 개선된 전력 구성 요소가 포함됩니다. 소형화는 또한 센서 플랫폼을 소형화하면 감도가 감소하는 경향이 있어 효과적인 응용 분야에 대한 장벽을 높이는 경향이 있기 때문에 문제를 제기합니다.
양자 감지는 지능, 감시 및 정찰 기능에도 영향을 미칩니다. 미 육군 연구소는 약한 조명 빔을 사용하여 멀리 있는 물체를 감지하기 위해 빛의 양자 특성을 사용하는 "고스트 이미징"이라는 기술을 개발했습니다. 이 빔은 대기 조건을 투과할 수 있으며 많은 경우 이미지화된 표적의 탐지를 피할 수 있을 만큼 약하므로 은밀한 작전에 잠재적으로 유용한 도구가 됩니다. 양자 조명으로 알려진 또 다른 기술은 양자 레이더의 스텔스 탐지 기능을 향상시킬 수 있습니다. 이 기술은 비양자 센서보다 더 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있는 것으로 생각되며, 이는 비행 중 스텔스 폭격기와 같이 고잡음 배경에서 저반사율 표적을 탐지하는 데 이상적입니다. 중국 연구원들은 스텔스 항공기를 탐지할 수 있는 양자 레이더 시스템을 연구하고 있지만 일부 전문가들은 중국이 얼마나 성공적이었는지 의문을 제기합니다. 양자 센서는 또한 잠수함을 더 쉽게 탐지할 수 있으며 중국은 잠수함 탐지를 위한 강력한 양자 센서 개발에 진전을 이뤘다고 주장합니다.
생물 의학 연구는 양자 감지를 위한 또 다른 독특한 기회를 제공합니다. 뇌, 심장 또는 기타 기관의 전자기장을 측정하여 의학적 치료의 영향을 연구하는 능력은 보다 효과적인 약물 개발과 일부 질병에 대한 잠재적인 치료법으로 이어질 수 있습니다. 양자 센서를 통해 연구자들은 건강한 뇌와 비교할 수 있는 환자 뇌의 전자기장에서 데이터를 얻을 수 있어 특정 약물의 영향을 더 잘 이해할 수 있습니다.
양자 감지에는 의료 진단 영상에 대한 응용 프로그램도 있습니다. 한 가지 예는 기존의 감지 장치가 너무 커서 스캔하는 동안 피사체가 움직이지 않아야 하기 때문에 어린이에게 효과적이지 않다는 것입니다. 그러나 양자 감지의 돌파구는 환자가 가만히 있을 필요 없이 감지하고 진단할 수 있는 능력으로 이를 바꿀 수 있습니다. 일부 양자 장치는 이미 병원에 배포되고 있습니다.
퀀텀 타임라인
양자 기술에 대한 논의에서 항상 제기되는 한 가지 질문은 "얼마나 빨리?" 회의론자들은 양자 기술이 실현되기까지 수십 년이 걸린다고 말합니다. 이 회의론은 잘못된 것입니다. 첫째, 지난 10년 동안 혁신의 속도가 빨라졌는데, 이는 오늘날 연구 개발(R&D)을 지원하기 위해 사용할 수 있는 데이터 과학 및 컴퓨팅 도구를 고려할 때입니다. 둘째, 퀀텀의 도착 시간은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. 일부 센서 기술은 상용 배포에 가깝지만 고성능 양자 컴퓨팅 애플리케이션은 몇 년이 걸릴 것입니다. 컴퓨팅, 감지 및 통신 애플리케이션은 모두 양자 과학을 활용하지만 타임라인이 다른 서로 다른 기술이라는 점을 이해하는 것이 중요합니다.
양자 컴퓨팅의 경우 기존 컴퓨터를 능가하는 강력한 기술이 10년 이상 남았지만 지금은 덜 집약적인 컴퓨팅 애플리케이션이 사용되고 있습니다. 컴퓨팅에서 제공하는 가장 민감한 응용 프로그램 중 하나인 양자 컴퓨터를 사용한 암호 해독도 중국과 같은 경쟁업체가 어떤 진전을 이뤘는지 완전히 알지 못한다는 경고와 함께 배포까지 몇 년이 걸릴 것입니다. 양자 통신의 경우 관련 기술은 아직 개발 단계에 있습니다. 정부 회계 감사원은 QKD용 광섬유가 성숙하는 데 10년이 더 걸릴 것으로 추정하는 반면 위성 QKD 통신은 더 빨리 사용할 수 있을 것입니다. 대조적으로, 생물 의학 연구, 건설 또는 향상된 이미징을 위한 일부 양자 감지 응용 프로그램은 상업적으로 이용 가능하거나 (내비게이션의 경우와 같이) 몇 년 안에 그렇게 될 것입니다.
양자 연구는 글로벌합니다.
양자 기술은 양자 컴퓨터가 완전히 배포되기 전에도 글로벌 혁신을 위한 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 많은 국가에서 양자 기술의 잠재력을 인식하고 컴퓨팅, 통신 및 감지 기능을 개발하기 위해 투자하고 있습니다. 여기에는 정부 및 민간 부문 연구 투자가 모두 포함됩니다. 양자 기술은 여전히 연구 집약적이며 선도적인 과학 기술 강국은 R&D 자금을 조달하기 위해 수억 달러를 지출하고 있습니다. 2022년 현재 30개국과 유럽 연합은 양자 프로그램에 총 <>억 달러 이상을 지출한다고 발표했으며(부록 B 참조) 미국 민간 부문은 많은 국가보다 더 많은 지출을 하고 있습니다.
정부는 국가 R&D 프로그램과 그에 수반되는 자금을 통해 양자 기술을 장려할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 미국, 중국, 영국, 캐나다 등에서 양자 연구를 위한 다양한 국가 전략이 수립되었습니다(부록 A 참조).
양자 애플리케이션이 개발됨에 따라 정책 입안자는 추가 연구를 촉진하고, 글로벌 시장을 창출하고, 양자 기술이 제공하는 상업적 및 보안 이점을 활용하는 최선의 방법을 식별해야 합니다. 양자 기술에 대한 즉각적인 정책 문제 중 하나는 기술 이전입니다. 수출 통제는 바이든 행정부의 대중국 정책에서 중요한 도구입니다. 백악관은 파트너십을 통해 공급망에 대한 접근을 제한함으로써 핵심 기술 분야에서 중국의 발전을 늦추기를 희망합니다. 행정부는 양자를 포함한 신흥 기술에 대한 통제를 모색하고 있습니다. 미국의 양자 과학 발전이 중국의 군사력을 향상시킬 수 있다는 우려가 있는데, 상무부는 2021년 중국 조직 <>곳을 기업 목록에 올렸을 때 이를 언급했다.
그러나 양자 기술이 혁신을 손상시키지 않고 제한을 구현하기에는 너무 초기 단계에 있다는 우려도 있습니다. RAND의 최근 보고서는 양자 기술의 미국과 중국 산업 기반을 분석한 결과 "수출 통제가 과학적 아이디어의 교환을 조기에 제한하여 기술 발전을 늦출 것"이라는 결론에 도달했습니다. 이 분석은 초기 단계 개발에서 글로벌 양자 "생태계"의 중요성, 소규모 신생 기업에 대한 수출 통제의 해로운 영향, 규제 명확성 부족으로 인한 잠재적 피해에 주목합니다.
미국은 양자 기술에 대한 중국의 접근을 제한해야 하지만 파트너와의 협력도 확대해야 합니다. 양자에 대한 협력 약속은 Quad 및 AUKUS와 같은 이니셔티브와 연결되어 있습니다. 마찬가지로 중요한 것은 미국이 민간 부문의 개발과 혁신을 장려하기 위해 양자 응용 프로그램에 대한 글로벌 시장을 구축해야 한다는 것입니다. 중국을 넘어 연구 파트너와 협력하거나 양자 기술에 대한 새로운 시장을 개발하는 것을 어렵게 만드는 기술 이전에 대한 지나치게 제한적인 접근 방식은 지나치게 광범위한 수출 통제가 미국 기술 회사에 피해를 입혔던 위성 및 암호화 제어에 대한 초기 경험에서 알 수 있듯이 미국의 양자 노력에 득보다 실이 더 많을 것입니다.
앞으로 나아가기
양자 기술은 연구, 비즈니스 및 보안을 재편하고 혁신을 가속화하는 방식으로 엄청난 기회를 창출할 것입니다. 정책에 대한 7가지 광범위한 권장 사항이 있습니다.
- 연구에 대한 지원을 늘립니다. 이것은 단순한 추가 자금 조달 이상을 통해 달성될 수 있습니다(중국이 미국보다 지출할 수 있기 때문에 자금 조달을 무시할 수 없음). 지원은 또한 자율 주행 차량과 같은 관련 시장에서 세금 인센티브 및 지원 규정의 형태를 취할 수 있습니다. 이 지원에는 기초 연구를 위한 자금뿐만 아니라 스타트업 육성, 사용 사례 및 애플리케이션 개발, 공공 인프라 구축, 국내외 투자 협력 촉진을 위한 프로그램도 포함되어야 합니다.
- 동맹국 및 파트너와의 기술 협력을 강화합니다. 미국은 이미 양자 기술 및 그 구현에 대해 동맹국과 협력하고 있으며 양자 기술에 대한 정책 및 표준에 대한 적절한 합의와 함께 이를 동반해야 합니다. 미국은 또한 기술 이전에 관한 공통 정책을 개발하기 위해 동맹국들과 협력해야한다. 시기 적절하지 않거나 잘못 설계된 기술 이전 제한은 글로벌 양자 연구 커뮤니티에 대한 액세스를 차단하고 양자 응용 프로그램의 상업 시장과 양자 시장에 진입하려는 기업가의 의지를 교살함으로써 미국을 늦출 것입니다.
- PQC로의 전환을 가속화하여 양자 컴퓨터의 예상 타임라인을 유지합니다. DES에서 AES로 전환하는 데 거의 10년이 걸렸고, 암호화 시스템이 양자 컴퓨터에 취약해지기까지 <>년이 채 걸리지 않을 수 있기 때문에 지금 PQC로의 전환을 계획하지 않으면 매우 큰 피해를 입을 수 있습니다.
- 연방 기금을 사용하여 Quantum-as-a-Service(관련 연구원 포함)에 대한 연구원의 접근성을 높입니다. 에너지부 QUEST(Department of Energy Quantum User Expansion for Science and Technology) 프로그램은 동맹국을 포함하도록 확장할 수 있는 좋은 시작입니다. 양자 컴퓨팅은 접근성이 높아져 필요한 경험과 혁신을 제공할 만큼 충분히 다릅니다.
- 양자 기술의 안전하고 책임감 있는 개발 및 배포를 보장하기 위한 표준 및 규정을 개발합니다. 여기에는 양자 기술의 성능 및 신뢰성에 대한 표준과 금융, 운송, 에너지 및 통신과 같은 중요한 산업에서 이 기술의 사용을 규제하는 규정 수립이 포함됩니다. 이는 AUKU, 미국-EU 무역 및 기술 위원회 및 기타 메커니즘을 사용하여 동맹국 및 파트너와 협력하여 수행할 수 있습니다.
- 양자 컴퓨팅 세계에 적용하기 위한 기존 지적 재산권 규칙 및 규정을 검토합니다. 양자 컴퓨팅은 방대한 양의 데이터를 신속하게 처리할 수 있는 능력이 잠재적으로 신약, 재료 및 기타 과학적 혁신의 신속한 발견으로 이어질 수 있기 때문에 지적 재산권 보호에 상당한 문제를 제기할 수 있습니다.
- 양자 기술과 인력에 투자하십시오. 정부, 학술 기관 및 기업은 개인에게 이 흥미롭고 빠르게 진화하는 분야에서 일하는 데 필요한 기술과 지식을 제공하기 위해 교육 및 인력 프로그램에 투자해야 합니다. 양자 산업이 계속 성장함에 따라 숙련 노동자에 대한 수요가 크게 증가할 것입니다.
제임스 A. 루이스(James A. Lewis)는 수석 부사장이자 프리츠커 의장을 맡고 있으며 워싱턴 D.C.에 있는 전략 및 국제 연구 센터(CSIS)에서 전략 기술 프로그램을 이끌고 있습니다.
저자는 연구 지원을 해준 Shawn Rostker와 이 논문에 대한 의견을 제시해 준 Jonah Force Hill에게 감사를 표합니다.
이 보고서는 SandboxAQ의 자금 지원을 통해 가능합니다.
부록 A: 선택된 국가 전략
미국: 2018년 미국 의회는 양자 기술에 대한 정부 지출에 1억 달러를 할당하고 연방 정부 전체의 양자에 대한 노력을 조정하기 위해 백악관 내에 국가 양자 조정 사무소를 설립한 국가 양자 이니셔티브법을 통과시켰습니다. 국가 양자 이니셔티브법(National Quantum Initiative Act)은 양자에 대한 미국의 리더십을 높이고 R&D를 가속화하기 위한 범정부 접근 방식을 추진하고자 했습니다. 이 법안은 2년 재승인을 앞두고 있으며, 의회는 기초 과학 조항 확대, 사용 사례 R&D로 전환, 스타트업을 위한 테스트 베드 지원, 재승인 시 인력 개발 확대에 중점을 두고 있습니다.
백악관은 2022년 취약한 암호화 시스템에 대한 위험을 완화하면서 양자 컴퓨팅에서 미국의 리더십을 촉진하기 위한 국가 안보 각서를 발표했습니다. 이 각서는 양자 컴퓨팅에 대한 미국의 리더십을 가속화하는 동시에 잠재적인 암호화 위험으로부터 연방 네트워크를 보호하고자 합니다. 즉각적인 목표는 2035년까지 암호화에 대한 많은 위험을 완화하는 것입니다. 첫 번째 단계는 모든 연방 민간 행정부 기관의 장이 시스템 인벤토리를 완료하여 양자 컴퓨팅에 취약한 위치를 발견하는 것입니다.
이 각서에는 NIST가 QRC 표준(2024년 예상)을 확정한 후 QRC로의 전환에 대한 요구 사항이 명시되어 있습니다. Office of Management and Budget은 NIST가 작업을 완료한 후 2022년 이내에 기관에 대한 마이그레이션 계획을 제공합니다. NIST는 민간 부문과 협력하도록 지시 받았으며 사이버 보안 및 인프라 보안국은 부문 위험 관리 기관 및 주 및 지방 정부와 협력하여 전환해야합니다. 이러한 모든 작업에는 진행 상황에 대한 다양한보고 요구 사항이 수반됩니다. <>년 <>월에 통과된 양자 컴퓨팅 사이버 보안 대비법(Quantum Computing Cybersecurity Preparedness Act)은 각서의 많은 조항을 성문화했습니다.
이러한 노력에는 R&D 이니셔티브가 수반됩니다. 미국 정부는 적어도 2000년대 초반부터 양자 R&D에 자금을 지원해 왔으며, 양자 진흥 및 기술 보호를 위한 응집력 있는 국가 전략을 수립하기 위한 단계를 제시하고 있다. 여기에는 양자를 가속화하고 전 세계적으로 연구자와 전문가를 연결하기 위해 같은 생각을 가진 국가와의 파트너십인 Entanglement Exchange가 포함됩니다. 2022년 옴니버스 CHIPS 및 과학법에는 인력 개발에서 미국 연구원을 위한 양자 기술에 대한 접근성 개선에 이르기까지 여러 양자 관련 조항이 포함되었습니다.
중국: 중국은 양자를 14차 2017개년 계획의 핵심 우선 순위로 선언했습니다. 4년 정부는 추가 R&D 이니셔티브를 위해 국립 양자 과학 연구소 설립을 발표했으며 중국은 주로 정부 출처에서 양자에 상당한 투자를 하고 있으며 총 지출액은 최소 260억 달러입니다. 중국의 투자는 다양한 양자 기술에 걸쳐 있지만 주로 군사 애플리케이션(예: 감지, 암호 해독 및 보안 통신)에 중점을 둡니다. 특히 민간 부문 투자는 <>억 <>천만 달러로 미국, 캐나다 및 영국에 비해 뒤쳐져 있습니다.
영국: 2023년 10월, 정부는 향후 2년 동안 양자 R&D를 촉진하고 이러한 기술의 잠재력을 실현하기 위한 계획을 설명하는 국가 양자 전략을 발표했습니다. 이 전략은 5년에서 3년 사이에 양자 기술을 개발하는 데 2024억 파운드(2034억 달러 이상)를 투입합니다. 또한 영국이 시장 점유율, 사모펀드 투자 및 학술 성과에 대한 목표를 포함하여 양자 분야에서 성공을 거두기 위한 구체적인 지표를 설명합니다.
캐나다: 2023년 360월, 캐나다는 양자 컴퓨팅 분야의 세계적인 리더가 되고, 양자 기술의 잠재적 위험으로부터 보호하며, 양자 감지 채택을 가능하게 하기 위한 국가 양자 전략을 발표했습니다. 이러한 단계를 구현하기 위해 정부는 연구, 인재 개발 및 양자 제품의 상용화에 267억 <>,<>만 캐나다 달러(<>억 <>,<>만 달러)를 할당했습니다.
일본: 2020년 일본은 혁신을 가속화하고, 기초 연구를 수행하고, 국제 협력(특히 미국 및 유럽 연합)을 확대하는 세 가지 주요 목표를 가진 양자 기술 및 혁신 전략을 시작했습니다. 이 전략은 혁신을 위한 기술 로드맵을 만들고, 양자 허브를 구축하고, 양자에 대한 다자간 및 양자 간 합의를 늘리는 것을 목표로 합니다. 이를 바탕으로 2022년 일본은 양자 기술을 고전 시스템에 통합하여 사회적 과제를 해결하고, 산업 기회를 창출하며, 테스트베드를 통해 양자 사용을 촉진하는 비전을 발표했습니다. 이 전략은 양자 발전을 통해 경제 성장을 가능하게 하고 지속 가능성을 주도하며 회복력 있는 사회에 힘을 실어주기를 희망합니다.
유럽 연합: 2018년 유럽 연합은 학술 기관, 산업 및 공공 부문을 하나로 모아 EU의 리더십과 혁신을 가속화하는 것을 목표로 하는 연구 대기업인 Quantum Technologies Flagship을 발표했습니다. 이 그룹은 주로 컴퓨팅, 시뮬레이션, 통신 및 감지에 중점을 둔 연구원을 지원하기 위해 1 년 동안 1 억 유로 (1 억 달러)의 예산을 보유하고 있습니다. 유럽연합은 또한 10년에 새로운 유럽 고성능 컴퓨팅 공동 사업(EuroHPC JU) 설립에 관한 이사회 규정을 채택했으며, 이 이니셔티브는 고성능 컴퓨팅에 2021억 유로(7억 달러)의 투자를 창출하기 위해 EU 차원의 프로그램과 민간 부문에서 자금을 끌어올 것입니다. EuroHPC JU는 7년까지 양자 컴퓨터를 구축하기를 희망하며 유럽을 양자 컴퓨팅의 선두 주자로 만드는 것을 목표로 합니다.
인도: 2023년 인도 연합 내각은 인도를 글로벌 양자 리더로 자리매김하기 위한 R&D에 730억 2031천만 달러 이상의 자금을 제공하는 국가 양자 임무를 승인했습니다. 양자를 사용하여 국가 우선 순위(예: Digital India 및 Make in India)를 지원하는 것을 목표로 합니다. 이 이니셔티브는 <>년까지 양자 프로그램에 자금을 지원할 예정이며 대상 기술에는 양자 컴퓨팅, 감지 및 통신이 포함됩니다. 목표를 달성하기 위해 이 임무는 기초 및 응용 연구에 중점을 둔 대학 및 연구 기관에 <>개의 주제별 허브를 만들 것입니다.
러시아: 국내에서 첨단 기술 시장을 개발하려는 러시아의 광범위한 데이터 경제 프로그램의 일환으로 정부는 790-2019년에 2024억 2021천만 달러의 양자 투자를 발표했습니다. 이 자금은 러시아 연구자들에게 컴퓨팅 및 시뮬레이션, 통신 및 감지에 중점을 둔 실용적인 양자 응용 프로그램을 개발할 수 있는 도구를 제공하는 것을 목표로 합니다. 러시아는 2024년에 이니셔티브에 대한 진행 상황을 발표하면서 2019년까지 클라우드 액세스(Quantum-as-a-Service)가 가능한 양자 컴퓨터를 보유한다는 목표가 여전히 순조롭게 진행되고 있다고 밝혔습니다. 이 자금은 정부가 지원하는 러시아 양자 센터 및 관련 국가 지원 연구소를 포함한 이전 이니셔티브를 기반으로 합니다. 양자에 대한 러시아의 실제 작업의 대부분은 양자 통신에 중점을 두었습니다. <>년 러시아는 자사의 QKD 기술이 "산업 통합을 위한 준비가 되어 있다"고 주장했으며 러시아는 글로벌 QKD 네트워크를 구축하기 위해 국제 파트너와 협력하기를 원한다고 주장했습니다. 목표는 중국과 유럽 인프라를 연결하기 위해 러시아에 QKD 네트워크를 만드는 것입니다. 그러나 이러한 러시아의 주장은 과장된 것일 수 있습니다.
오스트레일리아: 2023년 2030월, 호주는 <>년까지 호주를 글로벌 양자 산업의 리더로 자리매김하기 위한 이니셔티브인 국가 양자 전략을 발표했습니다. 이 전략의 핵심 주제는 R&D 투자, 핵심 양자 인프라 접근, 인력 확대, 국익을 반영하는 표준 발전, 신뢰할 수 있고 포용적인 생태계 구축이라는 <>가지입니다. 이 전략은 추가 양자 자금을 직접 투입하지는 않지만 정부가 미래에 투자할 수 있는 영역을 시사한다는 점에 주목합니다.
Quantum Technology Applications and Implications By James A. Lewis and Georgia Wood
James Andrew Lewis and Georgia Wood
May 25, 2023
Introduction Quantum physics is the “study of matter and energy at the most fundamental level.” Quantum technologies exploit the properties identified by quantum physics to provide new capabilities in computing, communications, and sensing. While quantum phenomena have been studied for decades, important technologies based on those phenomena have only appeared relatively recently. Some of these technologies will offer significant advantages for business and national security. Others will create new risks for encryption and stealth. This makes quantum an important topic for policymaking and an important area for cooperation between the United States and its allies. This paper, written to introduce a general audience to the topic, looks at key quantum technologies, timelines for deployment, and national policies for quantum innovation. The principles of quantum physics can be perplexing and often counterintuitive, with terms like “spooky” or “entanglement” used to describe how quantum physics works. While a basic understanding of those principles is important for evaluating progress and potential, the more immediate policy questions are how to accelerate research, how to develop new quantum technologies, and how to use (or in some cases, protect against) these technologies’ different applications. Quantum research is carried out by universities, government labs, and companies in more than a dozen countries. The infrastructure for research and services includes quantum computers and the specialized chips they use, new kinds of sensors, quantum communication devices, and unique software, since the software needed for quantum computing is very different from conventional computing software. Quantum is more than computing, also having applications for sensing, encryption, and communications. The number of companies offering quantum technologies and services is growing rapidly. Some quantum applications, like sensing, will enter into widespread use before quantum computers do, and some 1. The authors would like to thank Shawn Rostker for his research assistance and Jonah Force Hill for his comments on this paper. Quantum Technology: Applications and Implications | 2 quantum applications are closer to entering commercial use than others. Quantum Computing Quantum computing often gets the most attention among the applications. Quantum computing uses quantum physics to solve problems at speeds not possible with classical computers. The basis of quantum computing is the “qubit” (short for “quantum bit”). Conventional computers use “bits,” which can represent either “1” or “0.” In contrast, qubits can simultaneously represent 1, 0, or any value in between. This property (called “superposition”) allows a quantum computer to perform many operations simultaneously and in parallel, allowing for computations millions of times faster than those of classical computers. This will make quantum computing an exceptional new research tool for all sciences. Quantum computing will improve data analysis and accelerate the performance of machine learning algorithms for research and business. While financial services companies are investing in quantum computing as it could give them an edge in making investment decisions for derivatives and calculating market risk. Quantum computing’s security applications include being able to “break” secure encryption, perform complex simulations, and allow the analysis of massive datasets for improved threat detection and decisionmaking. Quantum computing requires special chips that are different from conventional semiconductors (although there is research underway to allow quantum chips to be made using the advanced techniques used now for conventional silicon-based chips). These special chips are what make quantum computers faster and more capable. Quantum chips are expensive (one estimate is $10,000 a qubit, compared to under $200 for a conventional chip) and they require a host of specialized support equipment. The first quantum chip was made by the National Institutes of Standards and Technology (NIST) in 2009, and there is now a race to develop computers that use multiple quantum chips; the more chips and the more qubits on a chip, the faster the processing of data. The largest quantum processors now have a few hundred qubits. This race has led to a contest of sorts in the pursuit of “quantum supremacy,” where a quantum computer can perform calculations that no conventional computer could ever do. There are disputes over whether quantum supremacy has been achieved, but it is a useful initial threshold for identifying performance. One obstacle to quantum computing is the need to improve qubits so they are less prone to making calculation errors due to “noise,” which can be anything from radio signals to disturbances in the Earth’s magnetic field. Shielding a quantum chip from noise helps. Another solution to the noise problem is to create error correction software that can fix qubit errors. Quantum chips themselves need to be simplified to allow each chip to contain multiple qubits without the complex wiring now required, since error correction requires the ability to use multiple qubits simultaneously. While some experts believe these problems are insolvable, others are more confident that further research can overcome them in the next 10 to 15 years. The first quantum chip was made by the National Institutes of Standards and Technology (NIST) in 2009, and there is now a race to develop computers that use multiple quantum chips; James A. Lewis and Georgia Wood | 3 the more chips and the more qubits on a chip, the faster the processing of data. Despite this, quantum computing is in use now (primarily for research). Given the need for specialized support equipment and the fragility of qubits, it is not currently feasible to install a quantum computer on every desk; however, internet-enabled computers can allow researchers to use quantum computing capabilities without requiring physical access. This is also known as “quantum-as-a-service.” Since quantum computers are complex, high maintenance, and expensive, quantum-as-a-service allows researchers and companies to access quantum computers owned, operated, and maintained by another company—often using cloud services or over the internet—without needing to own the hardware. Quantum-as-a-service is already used by universities and a few national programs (like Germany) for research. Quantum’s Effect on Cryptography and Communications Cryptography is the process of using complex mathematical formulas to encode data and make it unreadable until it is decoded. Encryption is widely used in online commerce, finance, and national security systems. Quantum computers, with their immensely greater speeds, will be able to perform calculations to rapidly decrypt messages once considered secure. They will also have the ability to solve complex math equations at much faster rates than traditional computers, allowing them to “break” the encryption, creating a new threat to existing software and services. Any system using the public key cryptography found widely in commercial applications will be vulnerable to decryption by quantum computers. While this is not possible now, many countries are pursuing the capability, and it is likely that advanced adversaries like China are collecting and storing encrypted data now for decryption later, when quantum computers are available. This “store now, decrypt later” threat is particularly concerning as some U.S. government data can remain sensitive for decades. Given these risks, NIST has led a process to create post-quantum cryptography (PQC). PQC algorithms will provide the basis for commercially available quantum-resistant cryptography. They are expected to be standardized in 2024. Transitioning to PQC will not be the first time a change of encryption standards has been implemented. In 1977, the National Bureau of Standards (NBS) adopted the Data Encryption Standard (DES), but by the late 1990s, researchers were able to break DES encryption. This prompted NIST to develop the Advanced Encryption Standard (AES) in 2001. That experience showed that changing encryption standards is a lengthy process, since new products based on the standards have to be created and then deployed across the economy, and a similar process will shape the PQC transition. The implementation of PQC also faces further obstacles. The PQC algorithms most likely to be adopted have varying technical attributes, including different key lengths and processing times. These features make the implementation of PQC more extensive than the previous transition from DES to AES. NIST predicts that without large-scale implementation planning, it could be decades until most of the vulnerable public-key systems incorporate PQC. The National Security Agency has recommended Quantum Technology: Applications and Implications | 4 moving to NIST’s post-quantum cryptographic algorithms (once they are standardized) as the best way to secure against the decryption threat. It is likely that advanced adversaries like China are collecting and storing encrypted data now for decryption later, when quantum computers are available. This “store now, decrypt later” threat is particularly concerning as some U.S. government data can remain sensitive for decades. Quantum Communication Quantum communication applies the properties of quantum physics to provide better security and improved long-distance communications. Quantum communication provides two advantages for security. First, in conventional digital communication, messages are encrypted and decrypted using keys and transmitted as classical bits (zeros or ones). Quantum key distribution (QKD) allows the creation of encryption keys that are encoded and transmitted using qubits, making them more difficult to break. Second, qubits are incredibly sensitive. Any attempt to disrupt or even just observe them will force qubits to collapse. This means that if an outside observer tries to intercept or monitor communications that use QKD, their activity will be immediately noticed by the message recipient. Quantum communications therefore hold the potential to protect transmitted data and make it very difficult for eavesdroppers to evade detection. Wide deployment of quantum communications technology is still years away. QKD has been demonstrated over fiber optic cables, radio, and satellite relays. However, fiber optics can transmit QKD over only short distances, and space-to-ground demonstrations have been inconclusive. Each medium requires the development of additional technologies before it can be commercially viable. China is attempting to develop quantum communications using projects like the Micius satellite program (initially undertaken in cooperation with an Austrian university). China launched Micius in 2016 and reported that it achieved the world’s first quantum encrypted teleconference in 2017. However, there were security concerns with the satellite itself. In 2020, Chinese researchers announced they had resolved these problems, relying more on secure ground technology to work in collaboration with the satellite, and said their new method increases the security of QKD to an “unprecedented level.” Quantum Sensing Quantum sensing allows for extremely precise measurements. The technology can capture highresolution and highly sensitive measurements at the level of individual atoms, providing greatly improved accuracy. Quantum sensing technologies have a broad range of applications, including healthcare and medical research, environmental monitoring, construction, energy, navigation, and defense. They are resistant to electromagnetic interference and jamming. Their more sensitive and precise measurements provide greater reliability than conventional sensors. James A. Lewis and Georgia Wood | 5 Quantum sensing offers the possibility of more precise and secure navigation. Critical civilian, commercial, and military systems rely on GPS and the Precision Navigation and Timing (PNT) data it provides. GPS is often the only source of PNT data for many critical infrastructure systems (including finance and electrical power), making them potential targets for GPS interference. Using quantum sensing could eliminate these vulnerabilities. Quantum sensing also allows for high-precision navigation without the use of GPS. Unlike GPS, quantum navigation would not depend on an external signal, making it resistant to jamming. Quantum sensors can measure the Earth’s gravitational and magnetic fields to detect minute changes in motion and electromagnetic impulses. Sensitive gravitometers (instruments that measure the Earth’s gravitational field) and magnetometers can measure anomalies and compare them to existing data and allow precise navigation without the need for satellite communications. There are several hurdles to achieving reliable quantum navigation, given the complexity and delicate calibration of the necessary sensors. These include needing lower cost, smaller size and weight, and improved power components. Miniaturization also poses challenges, as miniaturizing sensor platforms tends to reduce their sensitivity, raising a barrier to effective applications. Quantum sensing also has implications for intelligence, surveillance, and reconnaissance capabilities. The U.S. Army Research Lab developed a technique known as “ghost imaging” that uses the quantum properties of light to detect distant objects through the use of weak illumination beams. These beams are capable of penetrating atmospheric conditions and are weak enough to avoid detection by the imaged target in many cases, making it a potentially useful tool for covert operations. Another technique known as quantum illumination could improve the stealth detection capabilities of quantum radar. This technique is thought to be able to obtain a higher signal-to-noise ratio than non-quantum sensors, which is ideal for detecting low-reflectivity targets amid high-noise backgrounds, such as stealth bombers during flight. Chinese researchers are working on a quantum radar system that can detect stealth aircraft, but some experts question how successful China has been. Quantum sensors could also make it easier to detect submarines and China claims to have made progress in developing powerful quantum sensors for submarine detection. Biomedical research provides further unique opportunities for quantum sensing. The ability to measure the electromagnetic fields of the brain, heart, or other organs to study the impact of medical treatments could lead to more effective drug development and to potential cures for some diseases. Quantum sensors will allow researchers to obtain data from the electromagnetic field of a patient’s brain that could be compared to a healthy brain, enabling them to better understand the impact of certain drugs. Quantum sensing also has applications for medical diagnostic imagery. One example is that traditional sensing devices are not effective on children because they are often too big and require the subject to remain still during the scan. However, breakthroughs in quantum sensing could change that, with the ability to detect and diagnose without requiring the patient to remain still. Some quantum devices are already being deployed in hospitals. Timelines for Quantum One question that always comes up in discussions of quantum technology is: “How soon?” Skeptics say that quantum technology is decades away from realization. This skepticism is misplaced. First, the pace of innovation has increased in the last decade, given the data science and computing tools Quantum Technology: Applications and Implications | 6 available today to assist research and development (R&D). Second, the arrival time for quantum varies by application. Some sensor technologies are close to commercial deployment, while high-performance quantum computing applications are likely years away. It is important to understand that while computing, sensing, and communications applications all leverage quantum science, they are different technologies with different timelines. When it comes to quantum computing, robust technology that will outperform conventional computers is more than a decade away, but less intensive computing applications are entering use now. Decryption using quantum computers, one of the most sensitive applications provided by computing, is also probably years away from deployment, with the caveat of not fully knowing what progress competitors such as China may have made. As for quantum communications, relevant technologies are still in the development phase. The Government Accountability Office estimates that fiber optics for QKD will require another decade to mature, while satellite QKD communications may be available sooner. In contrast, some quantum sensing applications for biomedical research, construction, or enhanced imaging are commercially available, or (as in the case of navigation) will be so in a few years. Quantum Research Is Global Quantum technology holds significant potential for global innovation, even before quantum computers are fully deployed. Many countries have recognized the potential of quantum technology and are investing in it to develop computing, communication, and sensing capabilities. This includes both government and private sector research investments. Quantum technologies are still research-intensive and leading science and technology powers are spending hundreds of millions of dollars to fund R&D. As of 2022, nine countries and the European Union have announced spending more than a combined $30 billion on quantum programs (see Appendix B), and the U.S. private sector spends more than many countries. Governments can encourage quantum technologies through national R&D programs and accompanying funding. A variety of national strategies for quantum research have been established in recent years by the United States, China, the United Kingdom, Canada, and others (see Appendix A). As quantum applications are developed, policymakers will need to identify how best to promote further research, create global markets, and take advantage of the commercial and security benefits quantum technologies provide. One immediate policy problem for quantum technology is technology transfer. Export controls are an important tool in the Biden administration’s policy against China. The White House hopes to slow Chinese advancements in critical technologies by limiting access to supply chains in partnership. The administration is exploring controls on emerging technologies, including quantum. There are concerns that U.S. advancements in quantum science could improve Chinese military capabilities—the Department of Commerce cited this when it placed three Chinese organizations on the Entities List in 2021. However, there are also concerns that quantum technology is at too early a stage to implement restrictions without damaging innovation. A recent report from RAND analyzed U.S. and Chinese industrial bases in quantum technology and came to the conclusion that “export controls would prematurely limit the exchange of scientific ideas, slowing down technological progress.” The analysis notes the importance of a global quantum “ecosystem” in early-stage development, the harmful impact of export controls on small startups, and the potential damage from a lack of regulatory clarity. James A. Lewis and Georgia Wood | 7 While the United States should limit China’s access to quantum technologies, it also needs to expand cooperation with partners. Commitments to collaborate on quantum are linked to initiatives like the Quad and AUKUS. Equally importantly, the United States needs to build a global market for quantum applications to incentivize private sector development and innovation. On balance, an overly restrictive approach to technology transfer that goes beyond China and makes it difficult to work with research partners or develop new markets for quantum technologies will do more harm than good to the quantum effort in the United States—as shown by earlier experience with satellite and encryption controls, where overly expansive export controls damaged U.S. technology companies. Moving Ahead Quantum technologies will create immense opportunities in ways that will reshape research, business, and security, as well as accelerate innovation. There are seven broad recommendations for policy: 1. Increase support for research. This can be accomplished through more than just additional funding (although, since China may outspend the United States, funding cannot be ignored). Support could also take the form of tax incentives and supportive regulations in associated markets, like autonomous vehicles. This support should include funds for basic research but also programs to nurture startups, develop use cases and applications, build public infrastructure, and promote investment collaboration domestically and overseas. 2. Bolster technological cooperation with allies and partners. The United States is already working collaboratively with allies on quantum technologies and their implementation and should accompany this with appropriate agreement on policies and standards for quantum technologies. The United States should also work with allies to develop common policies on technology transfer. Ill-timed or badly designed technology transfer restrictions will slow the United States by cutting off access to the global quantum research community and by strangling the commercial market for quantum applications and the willingness of entrepreneurs to enter the quantum market. 3. Accelerate the transition to PQC to stay on the projected timeline of quantum computers. It took almost a decade for the transition from DES to AES, and since it may not be 10 years before cryptographic systems are vulnerable to a quantum computer, a failure to plan now for transition to PQC could be exceptionally damaging. 4. Use federal funding to increase researcher access to quantum-as-a-service (including allied researchers). The Department of Energy Quantum User Expansion for Science and Technology (QUEST) program is a good start that can be expanded to include allies. Quantum computing is sufficiently different that increased access will provide necessary experience and innovation. 5. Develop standards and regulations to ensure the safe and responsible development and deployment of quantum technologies. This includes establishing standards for the performance and reliability of quantum tech, as well as regulations governing the use of this technology in critical industries such as finance, transportation, energy, and telecommunications. This can be done in partnership with allies and partners using AUKUS, U.S.-EU Trade and Technology Council, and other mechanisms. Quantum Technology: Applications and Implications | 8 6. Review existing intellectual property rules and regulations for their application to a quantum computing world. Quantum computing may pose significant challenges for intellectual property protection, since the ability to quickly process vast amounts of data could potentially lead to the rapid discovery of new drugs, materials, and other scientific breakthroughs. 7. Invest in quantum skills and workforce. Government, academic institutions, and corporations will need to invest in education and workforce programs to provide individuals with the skills and knowledge needed to work in this exciting and rapidly evolving field. As the quantum industry continues to grow, there will be a significant demand for skilled workers.
