近數十年量子科學與技術已成全球焦點並獲得高額的投資，量子技術透過操作原子或次原子粒子以利用量子糾纏(quantum entanglement)或量子疊加quantum superposition)的特性，讓具超高敏感度的裝置能被應用在國防、航太、工業、基礎設施、運輸與物流產業。本文摘要美國國防分析研究所(Institute for Defense Analyses, IDA)論述量子技術研究進展(包含量子感測、量子通訊與量子運算)與佈局建議，以及Frost & Sullivan論述量子技術未來趨勢與應用案例。

一、    量子感測與度量(Quantum Sensing and Metrology)

量子感測可較傳統感測器更精確地感知和測量如磁場、電場、光場、電磁場等許多能場，許多重要的應用也紛紛浮上檯面，相關技術與潛在應用可參考圖一。

(一)衡量量子感測器的關鍵指標：
訊噪比(signal-to-noise ratio)(比較所需訊號的強度與背景雜訊的強度)、去同調(鬆弛)時間、動態範圍、採樣率、操作溫度等。
(二)量子雷達(Quantum Radar)或量子照明(Quantum Illumination)應用：
量子雷達的訊噪比是傳統雷達的4倍，但是否足以讓隱形失效尚未實測，再加上應對隱形的戰術及科技本來就已經在發展中，故量子雷達未必能對現況造成太大的改變。但量子雷達在定位與即時的優勢可用於導彈或超音飛彈偵測，甚至是其它戰術應用，這是傳統雷達未及之處。
(三)原子蒸氣(Atomic Vapors)應用：
美國國防先進研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)於地球自然地形中的生物成像計畫(Biological Imaging In Earth’s Native Terrain, AMBIIENT)中採用此技術，預期將發展高精準度、低尺寸、重量和功率(size, weight ,and power, SWaP)的磁力計，預計將可應用於醫學影像及導航。
(四)離子阱(Trapped Ions)應用：
DARPA有一強化原子鐘穩定度(Atomic Clock with Enhanced Stability, ACES)計畫，預期發展出更小更精準，僅晶片尺寸的原子時鐘；量子重力儀(Quantum Gravimetry)是此領域中相對成熟的技術應用，目前已有商用量子重力儀，例如美國AOSense與太空總署NAS合作開發量子重力梯度儀(Quantum Gravity Gradiometer)，利用原子干涉儀(interferometry)繪製地球重力場(Gravitational Field)；英國M Squared Lasers與倫敦帝國理工學院於2018年展示一種可攜式量子加速器，利用雷射控制超低溫原子的方式，作為大型機具如船舶或火車的導航。
(五)雷得堡原子(Rydberg Atom)應用：
DARPA 在量子輔助感測和輸出計畫(Quantum-AssistedSensing and Readout, QuASAR)中導入相關技術，並持續改進而發展出全頻段全頻譜無線電信號接收器，預期將大幅縮小現有通訊設備的SWaP。

二、量子加密與通訊

量子通訊主要是利用量子的測不準原理(uncertainty principle)、不可複製性與糾纏等特性，使用量子中繼器(Quantum Repeater)進行的量子通訊和量子密鑰分發(Quantum Key Distribution, QKD)一直是非常活躍的研究和開發領域，迄今已有多家公司正在生產可用於「公里級」距離的QKD硬體。
(一)衡量量子通訊技術關鍵指標：
通道損失、通道雜訊、傳輸率或金鑰產生率。
(二)量子網路(Quantum Networking)：
利用量子網路技術達成高頻寬低損耗的發展目標，將受限於量子態的脆弱特性與不可複製性，目前有許多技術用來改善通道效率(Channel Efficiency)，包括量子遙傳(Quantum Teleportation)、糾纏互換(Entanglement Swapping)、糾纏純化(Entanglement Purification)以及超密編碼(Super-Dense Coding)，上述技術讓中間節點(又稱為量子中繼器)能維持量子保真度(fidelity)，從而實現長距離傳輸量子資訊。此外，通常是利用光子作為實際執行量子通道的方式，因此許多量子網路的推動性技術涉及低損耗介質(例如光纖)、有效率產生單光子(特別是糾纏對)、準確調控光子態、存取光量子資訊(即量子記憶體)、有效率且準確量測光子態，相關應用於量子通訊之光子技術如圖二。不同條件下的多維度量子資訊傳輸已得到初步驗證，然而，由於許多相關功能(如量子電腦)尚未實現，量子網路離實際應用仍相當遙遠。

(三)量子加密(Quantum Cryptography)、量子密鑰分發(QKD)：
QKD為目前該領域最廣泛的研究，量子加密泛指採用前述量子資訊理論下，使用量子通道來完成傳統加密機制，因為量子的不可複製性，第三方竊聽必然被發現，這類的加密協助已被研究證實為「資訊理論上安全」，其保密強度是依據資訊理論，而非像公鑰加密機制是依賴硬體運算難度來確保安全。目前已有幾家提供實施QKD協定的商業產品的公司，包括瑞士的ID Quantiquein、美國的MagiQ技術公司、澳大利亞QuintessenceLabs和法國的SeQureNet，最引人注目的莫過於中國量子科學實驗衛星(Quantum Experiments at Space Scale, QESS)，其發射的墨子號衛星與位於中國及奧地利的地面站成功示範QKD。
但是QKD在硬體實踐上仍有需多瓶頸，例如控制光子與身份驗證是，另一個實務上的困難是如何認證通道所需要的硬體品質符合需求，像是光源、中繼器、偵測器等。

三、量子運算與模擬(Quantum Computing and Simulation)

(一)量子運算模型(Quantum Computing Model)
1.量子電腦類型：IDA聚焦在符合量子圖靈機模型(quantum Turing machine model)的閘控(gate-based)量子電腦，其基於量子力學並經由不同的控制閘來操作量子態的運算，又稱之為數位量子電腦。相對於此，另一種類型的類比量子電腦，包括Coherent Ising Machine或是運用退火原理的D-wave機型，主要是處理最佳化問題。
2.數位量子電腦的發展進程：大致可以分為三階段，分別為元件量子運算(Component Quantum Computation, CQC)、嘈噪中型量子運算(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)以及容錯量子運算(Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC)。已經進入NISQ階段的技術有超導與離子阱，其它像是量子點還在CQC階段，多與FTQC階段有一段差距。
(二)目前可實現量子霸權(Quantum Supremacy)的量子運算類型有以下三類：
1.全容錯與誤差校正量子處理器(Fully Fault-Tolerant Error-Corrected Quantum Processor)：要應用到既有加密協定的量子容錯及誤差校正電腦至少要10年，目前沒有太大進展或投資，但可望先應用到目前非決定性多項式集合難題(Nondeterministic Polynomial Hard, NP-hard)或其它困難問題，美國與其它國家與企業都在這類型的處理器投資不少。
2.嘈噪中型量子處理器(Noisy Intermediate-Scale Quantum Processor)：這類處理器在近幾年就能完成，有人提出使用達到量子霸權的電腦來解決NP-hard最佳化問題(像是旅行業務員問題)，而其可應用的範圍尚未明朗。
3.絕熱量子運算與量子退火(Adiabatic Quantum Computing and Quantum Annealing)：量子退火可以達到數千個量子位元，但只能維持最低限度的糾纏，可用於解決全域最佳化問題，雖然不是通用型的量子電腦，但可做為糾誤與雜訊量子處理器的基礎設施。

四、量子科學與技術未來發展預測

Frost & Sullivan認為量子技術將被應用於製造靈敏度超高的電子設備器、原子鐘、量子電腦機、通訊與成像設備，這些設備將大幅改變國防、安全、工業與醫療市場，未來發展進程如圖三。

五、IDA對美國國防部(DoD)發展量子科學技術之建議

IDA建議 DoD 繼續投入量子資訊研究，特別是精密導航(時間和位置)、磁場、電場和電磁場感測，以及開發嘈噪中型和大規模量子處理器，找出現行處理器難以或無法解決的問題。
(一)量子感測是一個相對較為成熟的領域，預計在短期內(例如5年內)將有實現的機會，DoD應探索潛在應用案例，並協助將技術從實驗室導入實際應用以及開發與測試原型機。
(二)不建議將量子通訊作為DoD的優先順序。QKD仍有許多根本性的問題，像是身份驗證及尚有其他替代方案，且相較於非量子方案的優勢仍然未知的情況下，投入此領域所換取的價值不高，但鑒於其他國家，特別是中國，在這方面進行了大量投資，故建議DoD須審慎監測QKD的進展。
(三) DoD必須在量子運算方面發揮重要作用，特別是在NISQ過渡階段(約10年)，因為量子運算是一種足以大幅顛覆軍事武力平衡點的技術。為論證量子電腦演算法複雜性的優勢，透過標竿評估(benchmark)來改善初步分析，進而對實用量子運算進行根本性的了解，IDA認為DoD應長期投入量子運算的發展。