全球量子信息科学发展现状

来源：机工情报（ID：jg-info）

作者：金颖琦

当前，「第二次量子革命」正在进行中。「第一次量子革命」启动了基于量子力学原理的最初一轮技术，包括激光、半导体和磁共振成像（MRI）。

本轮革命看起来可能会创造出一系列颠覆性的量子技术，它们利用量子力学的矛盾原理，如叠加（即量子系统可以同时存在于所有可能的状态中）和纠缠（爱因斯坦称之为「遥远的鬼怪行为」）。

利用这些独特性能将为通信、计算、雷达、定时、传感、成像、计量和导航等量子应用提供前所未有的力量、精度、安全性和灵敏度。

寻求信息安全是发展量子技术的主要动力。未来的量子计算机可以在任何领域中使用。

由此，这种能力将为复杂的军事模拟和武器系统中提供优势。值得注意的是，量子计算也可能被用来加速人工智能的发展。随着量子技术的发展，将会产生一系列重要的商业和国防应用，从而带来利润丰厚的市场机会和具有破坏性的军事能力。

各国推动量子信息科学发展举措

当前全球量子信息科学发展迅猛。仅仅在过去的 2 年内，数个国家都已在已有研发投资的基础上，宣布了新的重大量子信息科学项目。

以政策或项目的方式推动

美国

美国国家科学与技术委员会：2009年，美国国家科学与技术委员会发布（NSTC）出版了《量子信息科学的联邦愿景》，建议政加强量子技术的控制和利用。为此，国家科学基金会（NSF）建立了「量子信息科学跨学科研究计划」。2016年7月，NSTC 发布《推进量子信息科学发展：美国的挑战与机遇》报告，分析美国在该领域发展所面临的挑战与应措施，以及美国联邦政府主要机构在量子信息科技发展领域的投资重点。作为 NSTC 报告的补充，之后美国能源部（DOE）发布了《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》报告。

美国国防部高级研究计划局：2002年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）制定「量子信息科学和技术发展规划」，并于2004年发布 2.0 版，给出量子计算发展的主要步骤和时间表。这也成为美国早在21世纪初期便已建立量子信息领域先发优势的重要原因。2007年，DARPA 将量子科技作为核心技术基础列入其战略规划，在2015年设定的战略投资领域中，量子物理学成为 DARPA 的三大技术前沿之一。

此外，2015年初，美国陆军研究实验室（ARL）发布《2015-2019年技术实施计划》，提出2015～2030财年量子信息科学研发目标与基础设施建设目标。2016财年起，国防部长办公室支持三军量子科学与工程制造项目（QSEP）。

2018年6月27日，美国众议院科学委员会于正式通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act）。这也标志着在接下来的 10 年内，联邦政府将全力推动量子科学发展。该法案拨给能源部（DOE）、国家标准与技术研究所（NIST）以及国家科学基金（NSF）共 12.75 亿美元，作为2019～2023年的量子研究经费。此外，美国白宫科技政策办公室近日设立量子信息科学小组委员会，负责在量子技术上协调形成国家的议事日程，帮助衔接联邦政府内的量子技术工作。

欧盟

早在上世纪90年代，欧洲就意识到量子信息处理和通信技术的巨大潜力。

2008年，欧盟发布《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标。同年9月，欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究。

2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言（草案）》，更加全面地包括了量子计算、量子通信等量子技术。

英国

2014年，为期5年的「英国国家量子技术计划」启动，包括组建 4 个新的专业技术中心。

2015年，英国先后发布《量子技术国家战略》和《英国量子技术路线图》，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位，并通过科学的顶层设计引导未来20年的量子技术研发与应用。

2016年12月，英国政府科学办公室发布量子技术报告《量子技术：时代机会》，提出建立一个政府、产业、学界之间的量子技术共同体，使英国能在未来的量子技术市场中抢占世界领先地位，实质性地提高英国产业的价值。

日本

自2001年起，日本邮政省开发量子通信技术，并将该技术作为国家级高技术研究开发计划之一。之后，日本提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略，并计划在 2020～2030 年间建成绝对安全保密的高速量子通信网。

2011年12月，日本在学术审议会尖端研究基础委员会下设「光·量子束研发作业委员会」。该机构立足于光·量子技术的研发现状与国内外的情况，针对当前课题以及今后推进的战略政策方针进行研讨。

2016年，日本内阁在《第五期科学技术基本计划(2016—2020)》中，将「光/量子技术」定位为创造核心价值的基础技术之一。

2017年2月，日本文部科学省基础前沿研究会下属的量子科技委员会发表了《关于量子科学技术的最新推动方向》的中期报告，提出了日本未来在该领域应重点发展的方向。

韩国

韩国集中精力聚焦在量子通信领域，并于2014年12月制订发布了《量子信息通信中长期推进战略》，计划到2020年进入全球量子通信领先国家行列。

2015年，韩国政府宣布投资电信运营商 SKT 开始分阶段建设覆盖全境的量子通信网络，并逐步在政府和商业网络中采用量子加密技术。

投入大量资金支持

一直以来，美国高度重视量子技术的相关研究，将量子技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。美国联邦机构在过去的 20 年中，已经对量子信息科学给予了很多支持。目前，联邦政府机构每年资助量子信息科学领域 2 亿美元。

欧盟委员会发布的《量子宣言（草案）》中计划于2018年启动总额 10 亿欧元的量子技术旗舰项目。

英国曾在2013年财政拨款 2.7 亿英镑，支持量子产业发展。「英国国家量子技术计划」5 年计划投入 7000 万英镑。

日本决定自2001年起的 10 年内投资约 400 亿日元，采取产学官联合攻关的方式推进量子信息技术研发。

关注方向各有不同

美国《国家量子倡议法案》将科研力量集中于三个方向：用于生物医学、导航的超精密量子传感器、能有效防止黑客侵入的量子通信，以及量子计算机。

欧盟量子技术旗舰项目聚焦在量子通信、量子模拟器、量子传感器和量子计算机这四个细分领域，分别开展短期、中期和长期研究。

英国《量子技术：时代机会》提出重视量子应用五大领域，分别是原子钟、量子成像、量子传感和测量、量子计算和模拟以及量子通信。

日本计划在 2020-2030 年建成绝对安全保密的高速量子通信网，从而实现通信技术应用上质的飞跃。日本国家信息通信技术研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

韩国在推进量子技术的研发及商业化方面，重点提高基于有线通信量子密钥通信的技术成熟度，攻克量子计算机的核心关键技术，开发量子元部件。

中国「弯道超车」

进入量子信息科学前沿阵地

中国目前已经认识到量子技术提高国家实力的潜力，因此希望在这个新领域的研究和发展中处于领先地位。中国国家科技计划优先考虑量子通信和计算，军民融合战略也将强调这些技术。当前，中国已经建立了量子信息科学国家实验室。它可能成为世界上最大的量子研究机构，并获得了 70 亿元的初始投资。中国政府关注和努力推进量子通信领域的技术，特别是量子密钥分配。

2016年8月，中国发射了世界上第一颗量子卫星「墨子号」，并用它开展了突破性的实验，甚至可以与维也纳进行量子保密的视频通话。与此同时，中国通过光缆正在构建国家量子网络，可以与未来的量子卫星相结合，形成「量子互联网」。

2016年9月，中国电子科技集团公司成功研制中国首部基于单光子检测的量子雷达系统，可以探测到 100 公里以外的目标。中国科学院量子光学重点实验室正在建造一个「鬼成像（量子成像）」装置，用于未来中国卫星的使用，并计划到2025年将在太空中进行测试。

2017年4月，中国科学技术大学的一个研究小组声称，已经打破了谷歌之前的记录，实现了纠缠 10 个超导量子比特，这是量子计算机扩展的关键一步。中国科技巨头阿里巴巴与中国科学院合作，最近成为继 IBM 之后的第二家通过云提供量子计算服务的公司。

2018年1月，中科院潘建伟团队发表了一份论文，证明了一种有效的量子算法，通过使用六光子量子处理器从嘈杂的非结构化数据中提取有用的信息。这一关键突破的特点是提供「对量子计算时代数据分析」的新见解。

2018年7月，中国科大潘建伟教授及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控 6 个光子的偏振、路径和轨道角动量 3 个自由度，在国际上首次实现 18 个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

警惕量子信息科学带来的安全威胁

展望未来，量子信息科学前沿的发展将以国际合作和日益激烈的竞争为特征。这些技术的进一步发展将带来巨大的机会，但也可能带来一系列的风险。不难想象，对量子计算机的追求可能会导致对非法技术转移和通过网络和人类间谍活动窃取知识产权的强烈动机。一旦量子计算机变得更加实用，其破解密码的能力将产生一种进攻优势，从而加剧全球的信息不安全性和不稳定性。