了解量子技术最新应用进展《革新现代网络：人工智能、机器学习和区块链在量子卫星和量子无人机方面的进展》2023最新31页论文

量子通信是当今最安全的数据传输技术。光纤通信线路和卫星到地面的链路已经成为迄今为止开发最成功的量子网络基础。使用无人机、卫星或两者进行自由空间量子通信，可以减少对永久性地面连接的需求，并利用空间的低损耗限制，使其更有效率。这项工作调查了基于量子卫星和量子无人机网络的最新发展。在此，从网络的角度探讨了最新技术的重要性，包括量子人工智能、区块链量子机器学习、量子卫星和量子无人机。此外，这项工作还讨论了基于卫星的图像和人工智能的作用。

量子计算、通信、人工智能、机器学习、无人机和物联网等技术正在带来各种应用，如隧道或地下测量、交通监控、长距离密钥分配和安全通信等。量子计算为人工智能提供了各种支持[1]。例如，与传统算法[146][147]（如PRNGs、Middlesquare方法、BBS、LFSRs、XORshift等）相比，TRNGs的可行性要高得多。这是因为量子计算利用了量子力学现象，如光子的随机偏振或电子的量子隧道，来生成真正的随机数。量子支持的AI和ML算法可以通过分析数据中的模式并检测和消除偏见来帮助，这可以提高随机数生成过程的质量。量子区块链技术也可以通过利用区块链网络的去中心化特性来创建TRNG，允许根据密码学特性来生成随机数。最后，量子支持的物联网可以通过收集各种传感器和设备的数据来生成随机数，这些传感器和设备可以捕获随机事件，如温度波动或大气噪声。通过结合来自多个来源的数据，可以创建更加稳健、不太可能包含偏见或模式的TRNGs。真正的随机性支持各种密码学算法，随着非重复性数字的机会增加而变得更加强大。像密码学一样，量子计算支持其他各种概念，包括模拟退火、蒙特卡洛、随机漫步和各种类似的方法[148][149][150][151][152]。量子计算给人工智能领域带来各种优势，包括[62][63][64][146][147][148]：

• (i) 它有助于建立一个错误几率较小的量子计算系统，并提高计算能力的能力。量子比特，或称量子比特，可以对许多状态进行编码，并比传统比特更快、更准确地进行计算。量子计算机可以迅速和正确地分析大量的数据并进行复杂的计算，减少复杂的模拟、优化和其他应用中的错误。通过将重复的、容易出错的操作自动化，人工智能也可能将错误降到最低。人工智能系统可以检查巨大的数据量，并使用机器学习算法和深度神经网络找到人类可能错过的模式和联系。这可以减少数据分析、决策和其他错误。

• (ii) 它有助于建立开源的建模和训练框架，这些框架更加有用和强大。机器学习是通过使用新数据来完善模型的迭代过程，以提高其预测能力。由于涉及大量的数据和复杂的模型，这个过程可能很耗时。量子计算有可能加速传统上缓慢进行的特定计算，从而减少这一过程的费力性。因此，其适应性的几率要高得多。

• (iii) 这有助于开发一个重要的、以功能为中心的生态系统，以提高应用能力。例如，量子计算提供了处理海量数据，并以比经典计算机更高的速度和精度进行复杂的计算。这种能力可以被用来创建量子启发算法，它可以优化供应链管理、金融建模和其他大规模优化问题等任务。此外，量子计算可以促进量子模拟器的创建，这些模拟器可以非常精确地模拟复杂的化学反应和材料，有可能为新型药物和材料开发铺平道路。

• (iv) 与基于经典计算的基础设施相比，量子计算有能力大幅提升不同人工智能应用的性能。量子计算机被设计用来处理大量的数据，并以高效、并行的方式进行复杂的计算。这可以促进创建量子启发的算法，优化各种人工智能应用，提高其性能和效率。这些算法还可以解决大规模的优化问题，而这些问题通常对经典计算机来说是具有挑战性的。这种算法的一个主要例子是量子机器学习算法，可以用来解决金融和物流等领域复杂的优化问题，可能会带来更大的运营效率。

此外，AI、ML、区块链和物联网等技术可以帮助满足量子计算的要求，包括[62][63][64][149][152][153]：（i）高可扩展性，（ii）长相干时间，（iii）提供高容错能力，（iv）Qubit初始化，（v）支持提高Universal量子门的功能，以及（vi）Qubit测量和综合能力，（vii）在可信任的环境下安全传输qubits。

A. AI、ML和量子计算

QIP是量子物理学在信息处理方面的应用。具体来说，在经典处理中不存在镜像的三种量子资源是QIP潜在力量的来源。在QIP中，不可能高估多粒子量子态的意义，因为每个粒子都不能脱离其他粒子来描述[2]-[6]。在一系列领域，包括计算机科学、生物信息学、金融分析、机器人和其他感兴趣的领域，ML都有相当大的前景[2]。由于正在产生的数据量越来越大，传统的计算机可能无法跟上持续上升的 "大数据 "的步伐，最终可能变得无法解决。最近的几项研究[7]-[11]表明，量子ML算法比传统ML算法要好几个数量级甚至更多。

• TFQ是一个用于量子ML的开源工具箱[132]。它是由谷歌、滑铁卢大学、X公司和大众公司创建的。量子系统可以用这个项目的资源进行控制和建模[12][13]。涉及量子人工智能工作的重要步骤简要说明如下[13][14]。

• 根据Dilmegani[13]，量子数据可以表示为被称为量子张量的多维数字阵列，它被用来描述量子信息。这些数据由TensorFlow处理，建立一个数据集，可用于其他应用。

• 为了挑选量子神经网络模型，首先必须通过研究和实验建立对量子数据结构及其特点的完整把握。从被遮蔽的纠缠状态中恢复信息将通过使用量子处理技术来完成。

• 量子态的测量可以提供经典信息，这些信息可以以从经典分布中选择的样本形式获得，这些样本可以用来进一步完善测量。因此，在测量量子态时收集的信息被用来在未来生成新的量子态。有可能直接从它们所要代表的量子态中检索出每d个值。TFQ方法，可以在大量的运行中计算出一个平均值，由两个步骤组成，在第一步，张量或量子数据被移到一个专门调用量子电路的小工具的框架，这将导致生成一个量子数据集。随后，为张量流计算图生成一个量子神经网络的原型（第二步）。

• 在将量子信息转换为常规信息后，现在可以采用DL算法来发现不同类型数据之间的相关性。

• 最近为QML开发了几个库[201]-[228]。例如，PennyLane, Qiskit Machine Learning, TensorFlow, Cirq, Strawberry Fields, Forest SDK, ProjectQ, Pyquil, QuTiP, QMLT, Xanadu, Microsoft quantum development kit, Amazon braket, quasar、 qiskit nature, openFermion, Tequila, QMLjl, DWave ocean SDK, QFlow, QNNPACK, QGAN, QubitKit, Qulacs, Quantum circuit learning, quantum machine learning toolbox, Theano-QuTIP, and Quanlse. 表一显示了这些库和工具包的比较分析。

B. 区块链与量子网络

Kearney和Perez-Delgado[15]讨论说，与其他形式的密码系统不同，区块链系统旨在保护信息资产，而不是其他类型的密码系统[124][126][127][128][129][131]。由于它是交易记录，区块链本身在这个例子中充当了资产。除此之外，数据本身与密钥对是隔离的，而且在量子技术的改进下，加密货币区块链系统并不脆弱（量子技术正变得越来越普遍）[124][125] 。根据目前的预测，到2035年，量子计算机将能够有效地破解RSA2048加密方案，使其非常有可能做到这一点。总部位于美国的NIST正致力于开发和部署一个能抵抗量子攻击的公钥密码学标准。图1显示了重要的量子和区块链相关概念，包括量子ML、基于量子计算的AI实践、主要的量子算法类型、量子计算、量子AI和量子区块链。下面简要讨论一些显示区块链与量子计算的重要性的研究。

• Iovane[16]讨论说，区块链，顾名思义，是以信息块的形式记录所有交易的开放式账本。这些结构通过使用量子密码学技术连接起来。为了保持系统的机密性，需要一个高效和优化的密钥率，以及一个用于调制信号的加密载体。通过模拟QKD协议[157][158]来评估加密货币系统，该协议由六个状态组成。观察产生密钥的速度，以验证是否正在采取通往更好的加密货币系统的路线。为了构建一个线性连接，有必要采用一个数学模型来确定适当的限制。

• Sun等人[17]确定Logicontract基金会创建了LC，一个具有量子安全的许可区块链，可用于交易业务。Logicontract（LC）是一个经过许可的区块链，它使用量子技术来减轻量子计算带来的风险。该区块链采用了基于QKD机制的数字签名方案，而共识是通过基于投票的共识算法实现的。在这项工作中，LC被用作量子安全的、有许可的区块链，以防止量子计算的威胁。此外，它有一个基于逻辑的脚本语言，用于创建智能合约和一个抗量子的彩票协议，这说明了它的力量和用途。这个数字签名系统是基于QKD算法和基于投票的共识机制，被美国国会图书馆用来认证数字文件。大自然对这项研究做出了最重要的贡献，它建立了一个在任何情况下都能保证安全的LC签名系统。LC是一个经过量子安全处理的区块链，以确保其用户的数据得到安全保障。为了确保安全的签名，我们利用了基于QKD的签名技术，以及一个依赖于投票的共识程序。我们的长期目标是在LC平台上以合理的方式为智能合约开发一种基于逻辑的编程语言，这将使我们能够实现这一目标。作为这些演示的结果，有人建议可以利用LC创建一个假想的抗量子的彩票系统，它可以使用与LC兼容的玩具脚本语言来实现。最终，这项工作的结论是，鉴于目前的技术状况，LC在理论上是可行的。通过未来将进行的一系列测试，LC协议的安全性、可扩展性和适用性将得到进一步研究。应该指出的是，这项工作中提出的智能合约的形式化与在比特币区块链上可以找到的基本智能合约的形式化是相同的，在其他出版物中已经进行了深入研究。通过未来将进行的一系列测试，LC协议的安全性、可扩展性和适用性将得到进一步研究。为了在接下来的工作中取得成功，必须设计一个计划来克服迄今为止遇到的问题。

C. 本工作的目标

这项工作的主要目标简要说明如下：

• 了解量子计算机和计算基础设施的重要性、使用案例以及量子计算机和量子计算领域的最新发展。

• 探讨量子计算领域的应用，特别是在战区，战争物品是否可以相互连接，以支持和增加现有基础设施的能力。

• 研究和回顾量子人工智能和量子ML领域的最先进方法。

• 探讨区块链在量子网络中的可能性、用例和应用。这项研究准备分析有助于提高量子网络计算能力的区块链技术（如智能合约、工具、技术）。

研究如何使用人工智能和ML算法、数学模型和方法来分析基于卫星的图像

D. 论文组织

、 这项工作组织如下。第2节介绍了关于量子卫星、量子无人机的最新文献和基于量子计算研究的最新调查。第3节介绍了量子计算机和计算领域的最新发展。第4节介绍了量子计算在各种应用中的重要性。第5节展示了量子人工智能和量子机器学习在近代的重要性。第6节介绍了量子卫星和量子无人机。第7节展示了区块链在量子网络中的重要性。第8节介绍了量子技术、基于卫星和无人机的网络以及它们与先进技术的整合方面的公开研究挑战和未来方向。最后，第9节总结了这项工作。

图1：整合量子计算、机器学习、人工智能和区块链的重要概念。

各国在量子空间的贡献

• 美国政府已与NIST、NSF和DoE合作，开展为期5年、预算12亿美元的量子项目。超过20位工业和研究专家将密切关注量子计算项目的发展。

• 中国向世界宣布，到2035年，中国在国家量子通信基础设施领域的发展将引领中国走向世界。为了在量子卫星、无人机和其他计算设备领域开展工作，中国投资10亿美元。

• 加拿大D-Wave系统投资3300万美元，在量子计算领域取得了明显的成绩。

• 英国计划用10亿英镑的巨额投资实施量子战略，这将反映国家的GDP增长2.4个百分点。这些行业已经与一个专门的国家量子计算中心合作。

• 为了加入量子计算在各个应用领域的竞争，在四年内分配了6.5亿欧元的种子资金用于开发创新项目。

• 在一项国家战略中，法国已决定通过连续五年每年投资2亿欧元在量子计算领域推出创新理念，在量子领域完成世界。感受到研究团队的承诺，知名行业和创业投资者也承诺筹集8亿欧元的资金，以专注于成为与美国和中国一样的 "领先的量子三国 "的一部分。

• 俄罗斯成立了国家量子实验室，著名的科学家和研究人员一起努力利用7.9亿美元的政府资金，将量子概念转化为实际用途。

• 印度政府已决定投资8000亿卢比用于国家量子技术和应用任务，为期5年。