游 桂 成陽志 楊雨珂 金英杰

作為當(dāng)今世界科技的最前沿領(lǐng)域，量子科技的發(fā)展引發(fā)了一系列顛覆人們認(rèn)知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技發(fā)明，不斷改變著世界的面貌。其所催生出的新興技術(shù)逐漸成為經(jīng)濟(jì)社會跨越發(fā)展、軍事武器飛速進(jìn)步的基石與動力。在科技革命這場“沒有硝煙的戰(zhàn)爭”中，量子科技研究已經(jīng)成為了“兵家必爭之地”，世界各國若想在下一輪發(fā)展中拔得頭籌，就必須迅速搶占這塊勝利的高地。

各國量子科技政策沿革

在量子科技重要性日益凸顯的背景下，以美國、日本、歐洲等為代表的世界主要大國和地區(qū)相繼啟動了量子科技發(fā)展計(jì)劃，加大量子科技發(fā)展的經(jīng)濟(jì)投入。各國立足于本國實(shí)際，出臺了一系列多樣的量子科技創(chuàng)新發(fā)展政策。

早在2002年，美國便率先制定了《量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，給出了美國量子科技發(fā)展的主要步驟與時(shí)間表。2007年，美國防部高級研究計(jì)劃局將量子科技作為主要核心技術(shù)列入了其戰(zhàn)略規(guī)劃。2016年，美國防部開始支持軍用量子科技技術(shù)發(fā)展，量子科技正式進(jìn)入軍隊(duì)發(fā)展計(jì)劃之中。美國前總統(tǒng)特朗普在2018年簽署的《國家量子倡議法案》，正式開啟了美國量子領(lǐng)域的“登月計(jì)劃”。該法案是美國政府統(tǒng)籌推進(jìn)國內(nèi)量子科技發(fā)展的法律基礎(chǔ)，也是美國謀求量子科技技術(shù)全球領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略規(guī)劃。根據(jù)法案，美國政府將在未來五年內(nèi)投入12.75億美元開展量子科技研究，并成立國家量子科技協(xié)調(diào)辦公室，以協(xié)調(diào)政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界，形成發(fā)展的合力。2020年，美國政府宣布撥款10億美元建立12個(gè)新的人工智能和量子信息科學(xué)研究所。至此，美國的量子科技發(fā)展模式基本確立。

世界各國量子技術(shù)頒布的政策

十幾年間，美國政府通過發(fā)布一系列戰(zhàn)略性文件提高量子科技在全國科研領(lǐng)域中的地位，為量子科技的發(fā)展做好了完備的政策支撐。如今，美國已經(jīng)形成了一套以美國政府為領(lǐng)導(dǎo)核心，12個(gè)國家量子科技研究所為發(fā)展支點(diǎn)，社會和學(xué)界協(xié)同發(fā)展的新型量子科技發(fā)展模式。在該模式下，政府、量子科技研究所、社會和學(xué)界協(xié)同發(fā)展，形成了一股強(qiáng)大的量子科技發(fā)展合力。

日本政府一貫重視量子科技研究，曾在量子科技領(lǐng)域內(nèi)大放異彩。但在近年來，日本卻后續(xù)乏力，逐步落后于其他國家。為應(yīng)對這一情況，日本政府發(fā)布了三項(xiàng)重要的量子科技發(fā)展戰(zhàn)略。一是2017年發(fā)布的《量子科學(xué)技術(shù)的新推進(jìn)方案》，在該方案中，日本政府重點(diǎn)聚焦了量子信息處理、量子計(jì)算與傳感、極短脈沖激光、下一代激光機(jī)關(guān)4個(gè)領(lǐng)域，希望通過這些技術(shù)的攻關(guān)激發(fā)日本在量子科技領(lǐng)域的競爭力。二是2018年啟動的“光·量子躍遷旗艦計(jì)劃”，該計(jì)劃實(shí)施周期為2018-2027年，重點(diǎn)投資量子模擬和計(jì)算、量子傳感和超短脈沖激光器三大技術(shù)領(lǐng)域，是日本未來十年間量子科技發(fā)展的重要計(jì)劃。三是2020年發(fā)布的《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，該報(bào)告為日本量子科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展制訂了技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略、國家戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)新戰(zhàn)略、知識產(chǎn)權(quán)與國際標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略、人才戰(zhàn)略五大發(fā)展戰(zhàn)略。戰(zhàn)略從人才、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國際合作、國內(nèi)市場規(guī)范等多個(gè)方面為日本未來十到二十年間的量子科技發(fā)展做出了明確的計(jì)劃和戰(zhàn)略部署，構(gòu)建了日本量子科技發(fā)展藍(lán)圖基本的框架。

為應(yīng)對量子科技國家競爭激烈的局面，日本政府還在計(jì)劃聯(lián)合日企以共同打造日本國家量子技術(shù)競爭力。日本政府計(jì)劃與50家日企攜手成立一個(gè)量子研究團(tuán)體。該團(tuán)體囊括東芝公司、NEC等多個(gè)日本知名企業(yè)，有望在量子通信和量子計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域共同推動日本量子技術(shù)的發(fā)展。

在日本量子科技長期的發(fā)展之中，日本政府層層推進(jìn)，制訂了科學(xué)有效的發(fā)展戰(zhàn)略，逐漸形成了分階段推進(jìn)、各階段重點(diǎn)突出的發(fā)展模式。

歐洲方面很早就意識到了量子科技的巨大潛力。2008年，歐盟便發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》，開始聯(lián)合歐洲各國發(fā)展量子通訊技術(shù)。2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，呼吁歐洲各國參與量子技術(shù)旗艦計(jì)劃，共同建立歐洲的量子科技產(chǎn)業(yè)。到了2018年，歐盟制定的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃正式開始實(shí)行。該計(jì)劃將歷時(shí)十年，預(yù)算達(dá)10億歐元，涉及4個(gè)量子科技尖端領(lǐng)域，為整個(gè)歐洲的量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展在宏觀上奠定了戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

除了宏觀上的戰(zhàn)略布局之外，歐洲各國也制定了自己的發(fā)展計(jì)劃，在國家層面上推動著整個(gè)歐洲量子科技的發(fā)展。2014年，英國啟動了量子科技發(fā)展的第一個(gè)“五年計(jì)劃”，并于計(jì)劃期間建成了通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心。2018年，英國又通過了新的五年計(jì)劃，計(jì)劃投資3.15億英鎊建成一個(gè)國家量子計(jì)算中心和四個(gè)量子中心。2020年，英國防部發(fā)布文件開始推進(jìn)量子科技在防務(wù)體系中的發(fā)展。英國在規(guī)劃量子科技發(fā)展上走在了整個(gè)歐洲的前列，為歐洲的量子科技發(fā)展增添了巨大的活力。

此外，德國和俄羅斯也制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略來規(guī)劃本國的量子科技發(fā)展。德國在2018年發(fā)布報(bào)告《量子技術(shù)：從基礎(chǔ)研究到市場》，為國家量子科技的發(fā)展定下了總體的框架。同樣在2018年，俄羅斯頒布了“數(shù)字經(jīng)濟(jì)國家項(xiàng)目”，將量子科技列為了九大重點(diǎn)發(fā)展對象之一，規(guī)劃了俄五年內(nèi)的量子科技研究工作。

歐盟和歐洲主要國家在量子科技領(lǐng)域內(nèi)積極布局，從宏觀、微觀層面出臺了一系列的量子科技發(fā)展計(jì)劃，形成了以歐盟為引領(lǐng)，各國持續(xù)跟進(jìn)的多輪驅(qū)動發(fā)展態(tài)勢。

量子科技軍民兩用應(yīng)用情況

無論是在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，量子科技都展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力。世界各國都在增加研發(fā)投入，加大專利申請，力爭在這場“軍備競賽”之中取得優(yōu)勢地位?？傮w而言，全球呈現(xiàn)出了美國領(lǐng)跑，世界各國爭相角逐的競爭格局。

量子計(jì)算機(jī)—鷹

美國的量子科學(xué)技術(shù)仍處于世界領(lǐng)先地位，特別是在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。2021年美國IBM公司研制出了一臺能運(yùn)行127個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)——鷹，是迄今為止全球最大的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元，其數(shù)量是評估一臺量子計(jì)算機(jī)性能高低的一般性標(biāo)準(zhǔn)。在超導(dǎo)量子領(lǐng)域，每增加一個(gè)量子比特代表著計(jì)算機(jī)在計(jì)算性能方面向前邁出了一大步，量子處理器的潛在性能也翻了一番，可以提供比當(dāng)今計(jì)算機(jī)更快的指數(shù)級運(yùn)算速度。IBM表示，將在未來推出超過1000個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)。

據(jù)美國家科學(xué)院所述，量子計(jì)算機(jī)的使用前景十分廣闊，可以應(yīng)用于醫(yī)療技術(shù)、物流、氣候等方面，給藥物開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全、金融建模等領(lǐng)域帶來革命性的改變，處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。一方面，量子計(jì)算機(jī)可以促進(jìn)人工智能學(xué)習(xí)的發(fā)展，用于開發(fā)更精確的致命性自主武器系統(tǒng)。另一方面，量子計(jì)算機(jī)及量子傳感器還可以和人工智能技術(shù)結(jié)合發(fā)展，進(jìn)一步升級美軍軍事情報(bào)、監(jiān)視與偵查系統(tǒng)。

除此之外，在量子技術(shù)研究方面，美國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)于2021年發(fā)現(xiàn)宏觀量子糾纏直接證據(jù)，有助于其在量子網(wǎng)絡(luò)方面的研究；哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院開發(fā)出了可編程量子模擬器，運(yùn)行量高達(dá)256個(gè)量子比特，有助科學(xué)家在材料科學(xué)、通信技術(shù)等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

英國布里斯托大學(xué)研發(fā)出的量子成像儀

美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室通過量子信息技術(shù)為士兵提供便攜式的定位。量子技術(shù)可以顛覆傳統(tǒng)的天線測量電磁信號，成為一種新型的信息處理平臺。美國量子科學(xué)家Fredrik Fatemi說：“量子技術(shù)異常復(fù)雜，但是展開量子技術(shù)研究能夠得到巨大回報(bào)。通信、導(dǎo)航、定位、計(jì)算以及戰(zhàn)場探測是陸軍需要的重要作戰(zhàn)功能?！?/p>

歐洲先發(fā)制人，多點(diǎn)創(chuàng)新。作為量子理論的主要發(fā)源地，歐洲很早就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力，近年來更是在多個(gè)領(lǐng)域不斷取得突破，其中英國、法國和德國近年來取得的成果最為顯著。據(jù)報(bào)道，2021年格拉斯哥大學(xué)物理學(xué)家首次找到使用量子糾纏將信息編碼成全息圖的方法，對于進(jìn)一步創(chuàng)造更高分辨率、更低噪聲的圖像有很大的助益；同時(shí)，英研究與創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（UKRI）發(fā)布消息稱，布里斯托大學(xué)研發(fā)出一款新型的量子成像儀，這一技術(shù)在醫(yī)療保健、國防、安全、運(yùn)輸和制造領(lǐng)域都可以得到廣泛運(yùn)用。

2021年，法國索邦大學(xué)牽頭組成的量子研究團(tuán)隊(duì)在量子儲存器的研究上取得新突破，在儲存器的儲存和檢索效率上創(chuàng)造了新的記錄，對未來歐洲建立大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了關(guān)鍵一步。而德國早在2019年就開始利用量子糾纏效應(yīng)打造量子網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)研究人員表示目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型。可以預(yù)見一個(gè)絕對安全的通信系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來就會逐漸投入使用，廣泛的應(yīng)用于軍事保密通信、政府機(jī)關(guān)、軍工企業(yè)和各類民用機(jī)構(gòu)，前景十分廣闊。此外，2022年1月，歐洲首臺超5000量子位元的量子計(jì)算機(jī)在德國正式啟用，該機(jī)器在采樣和處理問題上效率顯著，是歐洲量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)里程碑式的突破。

位于德國于利希研究中心的D-Wave量子退火計(jì)算機(jī)是歐洲首臺超5000量子位元的量子計(jì)算機(jī)

日本夯實(shí)推進(jìn)，穩(wěn)步前行。作為量子通信領(lǐng)域的先驅(qū)者，日本在這一領(lǐng)域的發(fā)展獨(dú)樹一幟。2021年6月，日本東芝公司通過實(shí)驗(yàn)，成功將量子比特信息的傳輸距離延長至600公里。這項(xiàng)新技術(shù)可用于組織安全通信，成為新一代數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，使信息能夠在確保安全的同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。研究人員使用特殊的量子密鑰分配（QKD）技術(shù)將傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，從而減少外部環(huán)境的影響，最大程度的確保信息通訊的安全性和有效性。這一項(xiàng)技術(shù)可以極大提高軍部內(nèi)部通信的保密性，在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

日本于2020年開始建立全球量子加密網(wǎng)絡(luò)，并大力推動單自旋器件、量子傳感器和量子中繼技術(shù)的發(fā)展。此外，為了下一代量子計(jì)算機(jī)與量子通信等技術(shù)早期落地使用，日本構(gòu)建產(chǎn)、學(xué)、研一體化研發(fā)機(jī)制，預(yù)計(jì)在2035年實(shí)現(xiàn)100萬量子位的量子計(jì)算機(jī)，2050年制造出容錯通用量子計(jì)算機(jī)。日本電信公司NTT和東京大學(xué)的科學(xué)家表示，通過量子態(tài)隱形傳輸是量子中繼的基礎(chǔ)技術(shù)，如果量子中繼器可以投入實(shí)際使用，有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。

結(jié)語

量子科技發(fā)展方興未艾，各國新式量子科技發(fā)明和發(fā)現(xiàn)井噴式的呈現(xiàn)在人們的眼前，顛覆著人們的世界觀。無論是現(xiàn)代戰(zhàn)爭還是人們的日常生活，都將在這場量子科技革命之中發(fā)生翻天覆地的變化。