2023-2043年下一代量子技术发展趋势报告英文版

科学技术组织 科学与技术趋势2023-2043 跨越物理、生物和信息领域 北约科学技术组织第1卷：概述 免责声明 本报告的研究和分析及其结论是由北约S＆T组织（STO）在联盟国防S＆T社区，北约盟军司令部转型（ACT）和北约通信和信息局（NCIA）的支持下进行的。本报告不代表北约或个别政府的官方意见或立场，而是就重大科技问题向北约和国家领导人提供了深思熟虑的建议。 戴尔·F·雷丁·安杰洛 ·德卢西亚·阿尔瓦罗· 马丁·布兰科 上校LauraA.Regan，美国空军 ，博士DanielBayliss 北约科技组织首席科学家办公室北约总部B-1110布鲁 塞尔比利时http:\www.sto.nato.int 摘录可用于真正的教育和信息目的,但需归属于北约科技组织。 除非另有说明，否则所有非定量图形均在知识共享许可下使用，并通过使用稳定扩散2.1的文本到图像生成AI模型生成 。 版权所有©北约科学技术组织，2023年 首次发布，2023年3月 前言 北约继续努力在整个欧洲大西洋地区实现和平，安全与稳定。这项任务的核心是维护和加强我们的 技术优势。在开发和采用新技术的同时，我们还努力维护联盟的伦理、法律和道德原则。这就是我们区别于竞争对手的原因。我们希望塑造新兴和颠覆性技术的标准和规范，并引领这些技术在国防中的道德使用 。此外，我们必须积极应对现在和未来这种技术发展带来的威胁和挑战。要做到这一点，我们需要了解不断发展的科技环境。本报告构成了对未来科学和技术发展的基本和基于证据的理解，并将为我们未来的技术，国防和投资决策奠定基础。 MirceaGeoana™ 北约副秘书长 本报告对新兴和破坏性科学和技术进步联盟的状态、速度和潜在影响 next20years.Itupdatesandextendstheprevious-ous科技趋势：2020-2040，反映了过去几年发生的大量地 缘政治、技术和科学发展。这项评估是基于对科学与技术组织开展的选定的国家和国际科技展望和未来研究、多国研讨会和技术观察活动的审查。此外，我感谢联盟和合作伙伴国防研发社区，北约国际工作人员 ，盟军司令部转型（ACT）和北约通信与信息局（ NCIA）提供的合作和支持。 BryanWells博士北约首席科学家 目录 前言iii 执行摘要-第1卷vi 1Introduction1 1.1上下文1 1.2Purpose3 1.3进近3 1.4Overview5 2科技趋势7 2.1S&T发展7 2.1.1国防科技背景8 2.1.2Synergy15 2.2颠覆性技术16 2.2.1大数据、信息和通信技术16 2.2.2人工智能23 2.2.3机器人和自主系统30 2.2.4空间35 2.2.5Hypersonics41 2.2.6能源与推进45 2.2.7电子和电磁学51 2.3紧急技术57 2.3.1量子57 2.3.2生物和人类增强技术64 2.3.3（新）材料与先进制造71 2.4趋同、相互依赖和协同77 2.4.1数据-AI-自治77 2.4.2数据量子78 v 2.4.3空间-超音速-材料78 2.4.4空间-量子79 2.4.5数据-AI-生物技术79 2.4.6数据-AI-材料80 2.4.7能源-材料-AI81 2.5应对EDT威胁81 2.6Summary81 3上下文趋势83 3.1Introduction83 3.2地缘战略83 3.3创新与投资86 3.4战略驱动因素92 3.4.1运营环境（空间、信息圈、北极和城市）92 3.4.2文化、伦理与法律96 3.4.3环境96 3.4.4性别与技术97 3.4.5对科学的不信任99 3.4.6杂项100 3.5情境趋势-结论101 4Conclusion102 附录104 参考书目105 符号、缩写和首字母缩略词134 执行摘要-第1卷 科技趋势：2023-2043评估科学技术（S＆T）趋势及其对北约军事行动，防御能力，企业职能和政治决策空间的潜在影响。这项评估借鉴了北约科学技术组织（STO）的集体见解和研究活动，该组织由五千多名活跃的科学家，分析师，研究人员，工程师和相关研究机构组成的合作网络。这些见解与对开源科技文献， 选定的国家研究计划，北约STO技术观察活动，（严肃的）研究游戏，STOCPoW（合作工作计划）活动和北约创新努力的广泛审查相结合。该报告分为两卷，涵盖总体结论（第1卷）和详细分析（第2卷） 。 此报告构建、更新和扩展了以前发布的北约科技趋势：2020-2040，遵循相同的一般结构和重点。总的来说，该报告的结论和见解经受住了时间的考验。然而，在广泛的技术和地缘战略环境中出现了值得注意的发展，其中COVID-19、乌克兰、气候变化、新的战略概念和东南亚是值得注意的。这些变化反过来又推动了 相关的科技发展，并突出了它们对企业或军事行动的影响。 该报告旨在帮助当前和未来的军事和民用决策者了解新兴和颠覆性技术（EDT），从而指导北约的研发组合管理，创新活动和能力规划。它着重于以下内容：•为什么这样的EDT对未来的联盟活动很重要；•随着时间的推移，它们将如何发展；以及•从运营，组织和企业的角度来看，这对联盟意味着什么？ 在接下来的20年中，我们断言四个总体特征将定义先进的军事技术。技术发展将越来越智能、互联、分散和数字化。反过来，这些将导致越来越自主，网络化，多域和精确的军事能力。技术将越来越双重用途，我 。Procedres.从商业部门开发和提取。新兴的技术支持能力将通过启用北约作战顶峰概念的五个作战发展要求 （WDI）来提高联盟的作战和组织效力：认知优势；综合多域防御；跨领域指挥；分层弹性；以及广泛的影响力和力量投射。与此同时，这些技术将而且确实正在给联盟带来重大挑战，包括运营、互操作性、道德、法律和道德问题。 北约已经批准了一套既定的感兴趣的EDT，也称为优先技术领域。国防部长在2019年10月同意了前七个EDT。对于先前的S＆T趋势报告，STO增加了第八个领域（材料），以供将来考虑和开发。在2022年， vii 在马德里峰会上，这些EDT正式扩展到包括能源与推进以及新材料与制造。根据STO的任务，继续监测和评估更广泛的技术前景，本报告还考虑了电子和电磁学（E＆EM）技术的最新发展状况。这些科技领域目前要么处于发展的初级阶段，要么正在经历迅速的革命性增长。本报告中考虑的EDT的最终列表以及使用的常用缩写或简写（以粗体显示）是：。 •Data：大数据、信息与通信技术 •AI:人工智能 •RAS(或自主性)：机器人和自主系统 •空间:空间技术 •Hypersonics:高超音速技术 •量子:量子技术 •BHET(或生物技术)：生物和人类增强技术 •Materials：材料与先进制造 •能源：能源与推进 •E&EM：电子和电磁技术 人工智能，自治，空间，数据，能源和E＆EM的某些领域的技术发展被认为主要（但不完全）具有破坏性，因为这些领域的发展建立在支持科学和技术发展的悠久历史上。这些领域的行动重点围绕着它们的有效采用和对其他技术的影响。因此，军事能力的重大或革命性破坏已经在进行，或者将在未来五到十年产生相当大的影响。新兴领域存在于量子，BHET，材料和数据的某些方面（例如Procedre6G技术）。这样的发展也许可以更好地定义为重新出现，因为以前的开发周期对早期的技术革命产生了重大影响。这些将需要更多的发展时间（10至20年），才能将其破坏性本质完全实现为军事能力。 自上次报告以来，一些主要的EDT发展值得注意，包括： •Data：分布式账本技术的使用增加，高级分析和可视化以及新的网络和无线技术的开发（例如。Procedre6G）正在加速对连接分散式传感器和C2节点的深思熟虑的数字数据骨干的需求。反过来，这又推动了物联网(IoT)、边缘计算和新数据架构(例如。Procedre网眼、织物、湖面等.). •AI：颠覆性的AI应用以及AI作为其他EDT发展的S＆T推动者或催化剂的作用，一直是物理，信息和生物科学及相关技术重大发展的重要因素。与此同时，人工智能实践的局限性正在导致探索新的、更强大的和可信的方法，超越深度学习和AIoT（人工智能）的发展。 •RAS：AI和能源存储的发展正在推动越来越复杂和强大的自主系统的发展。但是，最重要和最有影响力的RAS发展是其对当前军事行动和计划的广泛应用和影响。成本降低，广泛可用性以及在战场上的创造性使用推动了RAS创新。 •空间商业企业和战略竞争对手正在加速发展空间技术。持续天基通信的影响(e.ProcedreStarLi）在敌对行动地区特别值得注意。与此同时，反卫星研究日益受到关注，而在轨修复能力承诺更便宜和更长时间的在轨操作。新的推进系统还承诺增加非近地空间的使用，并降低发射成本。 •Hypersonics：正在对用于广泛军事应用（例如载人飞机）的混合模式发动机进行研发，部署可操作的高超音速导弹系统并制定有效的对策。 viii •能源：能源的发展，应对气候变化和安全挑战，正在推动越来越多的军事探索和采用电力推进（空中，陆地和海上）和用于先进能源存储的新型电池化学。对大规模全球太阳能生产以及地面和地面空间小型核能 、钍和聚变反应堆的研究表明，在2030年下半年或2040年代初，安全和广泛可用的能源生产有望实现。值得注意的是，人工智能和新材料已经并将继续是这种发展的关键推动者。 •生物技术：疫苗（例如COVID-19）的近乎奇迹般的快速发展以及工程病原体的潜在发展尤其值得注意 。生物制造，合成生物学和3D生物打印的进展正在加速。 •Materials：对室温超导体的研究，石墨烯（和其他2D材料，如石墨烯）的新用途以及新的半导体材料为未来的技术带来了巨大的希望。增材制造和生物打印的应用正在爆炸，破坏了当前的医疗和物流系统 。 •E&EM新的非硅材料和半导体设计指向更快的芯片和专用处理器（例如AI的神经形态）。 真正的破坏性影响将通过EDT组合及其复杂关系驱动的技术融合而发生。预计以下协同作用和相互依赖关系将对未来军事能力的发展产生巨大影响: •数据-AI-自治自主，大数据和人工智能的协同组合，使用智能，广泛分布和廉价的传感器以及自主实体（物理或虚拟），将利用创新技术和方法来产生潜在的军事战略和作战决策优势。 •Data-AI-BHET：AI与大数据相结合，将有助于设计新药，有目的的遗传修饰，直接操纵生化反应 ，新的化学和生物威胁以及活体传感器。 •数据-AI-材料：AI与大数据相结合，将为具有独特物理特性的新材料的设计做出贡献。这将支持使用二维材料和新技术的进一步发展。 •数据量子在未来十年到十五年的时间里，量子技术将通过显著提高传感器能力、改进的PNT(定位、导航和定时)、安全通信和计算来扩展C4ISR数据收集、处理和开发能力。 •能源-材料-AI：由石墨烯和奇特的电池化学等新型材料以及更坚固的轻质材料和新颖的设计（e。Procedre大型铸件、超级电容器或3D打印)，将继续推动电气化或使用绿色燃料(例如。Procedre氢和生物燃料)在军事行动中。人工智能支持这些设计和材料开发以及优化能源使用将有助于北约部队的绿化。 •空间-超音速-材料：开发奇特的材料，新颖的设计，小型化，能量存储，制造方法和推进将是必要的，以通过降低成本，提高可靠性，提高性能并促进廉价的任务定制的生产来充分利用太空和高超音速环境按需系统。 •空间-量子：由量子密钥分发公报促进的基于空间的量子传感器将导致适合卫星部署的高精度传感器。由量子传感器实现的日益商业化，更小，更低功耗，更灵敏和分布式的基于空间的传感器网络将成为未来军事ISR体系结构的重要方面。 1.Introduction 未来 “不要为未来烦恼。如果需要的话，你会以同样的推理能力来到这里，就像你现在的生意一样。”——马库斯 ·奥雷利乌斯·安东尼努斯[1] 1.1上下文 自从上次科学与