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量子技术国际前沿战略

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量子技术国际前沿战略

雪花又一年 2018-05-17 16:02:42 浏览236 评论0

摘要: 量子通信是事关国家信息和国防安全的战略性领域,且有可能改变未来信息产业的发展格局,因此,其不可避免地成为世界主要发达国家及地区如美国、欧盟、日本等优先发展的信息科技和产业高地。 一、美国:列入国家战略 实现系列突破 在美国,对量子通信的理论和实验研究开始得较早,并最先被列入到国家战略、国防和安全的研发计划。

量子通信是事关国家信息和国防安全的战略性领域,且有可能改变未来信息产业的发展格局,因此,其不可避免地成为世界主要发达国家及地区如美国、欧盟、日本等优先发展的信息科技和产业高地。


一、美国:列入国家战略 实现系列突破


在美国,对量子通信的理论和实验研究开始得较早,并最先被列入到国家战略、国防和安全的研发计划。


1、提前布局抢占先机


上世纪末,美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。而隶属于政府的美国国家标准与技术研究所(NIST)则将量子信息作为三个重点研究方向之一。


随后,美国加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息与计算研究所,直接归美国军队研究部门管辖,从属于美国国防部高级研究计划司超大规模计算工程系统。体制上的规划与布局,为各机构与部门间的研发铺平了道路。


早在1989 年,美国IBM 公司在实验室中以10 bit/s 的传输速率成功实现了世界上第一个量子信息传输,虽然传输距离只有32 公分,但却拉开了量子通信实验研究的序幕。


1994 年,美国国防高级研究计划局便开始着手,用3~5 年的时间全面推进量子通信技术方面的研究,而且已经通过军队实施了相应方式的向战场和向全球传输报文能力的量子通信计划。


在大量科研资源与研发力量投入的情况下,美国在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000 年,LosAlamos 国家实验室宣布,他们于全日照条件下实现了1.6 公里自由空间的量子密钥分发,使量子通信向实用工程化迈进了一大步。


2002 年,美国国家科学基金会投资5000 万美元对量子通信进行研究。


2003 年,美国国防部高级研究计划署又领衔建设了DARPA 量子通信技术试验网络。


2004 年,美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行了世界上第一个量子密码通信网络,网络传输距离约为10 公里。


2006 年,Los Alamos 国家实验室基于诱骗态(Decoy-state)方案实现了能保证绝对安全的107 公里光纤量子通信实验。


2007 年,美国科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。


随后,美国国防部高级研究计划署和 LosAlamos 国家实验室于 2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络,并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。


而由美国国防部高级研究计划署支持,BBN 公司(具有很强的军方特色)技术部联合波士顿大学与哈佛大学,共同开展了量子保密通信与IP互联网结合的五年试验计划。该计划主要内容是以BBN 技术部、波士顿大学和哈佛大学作为三个节点,以构建融合现行光纤通信网、互联网和量子光通信的量子互联网,并在此基础上实现保密通信。


2009 年,美国政府发布的信息科学白皮书中明确要求,各科研机构协调开展量子信息技术研究。同年,美国国防部高级研究计划署建成了城域量子通信演示网。与此同时,美国麻省理工学院科学家继续在冷原子中量子存储和波动研究领域做出新的突破,这方面的技术恰是设计量子信息网络的关键。


美国2010 年在量子源产出的单光子波长转换、2011 年在单量子位处理量子信息,以及2012 年法国和美国在验证传输光的原子和粒子之量子行为关系等方面,成果卓著。


不仅如此,在美国国防部2013年至2017 年科技发展“五年计划”中,“量子信息与控制技术”已被列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域,同时将IBM、美国国防部高级研究计划署、中国科学技术大学、美国洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域的重要研究机构;美国国防部支持的“高级研究与发展活动”(ARDA)计划到2014 年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。


如今,量子技术已经成为美国军方六大技术方向之一,即对未来美军的战略需求和军事任务行动能产生长期、广泛、深远、重大的影响。


在这一路线规划的指引下,2014年,美国国家航空航天局(NASA)正式提出了在其总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长1000 公里左右的包含10 个骨干节点的远距离光纤量子通信干线的计划,并计划拓展到星地量子通信。


同一年,全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司也提出了商业化的广域量子通信网络规划,计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。


2、未来发展前景广阔


美国的量子通信发展注重技术研发和应用,量子通信产业已渗透到美国国家发展的各个层面,包括国防、外交、经济、信息、社会等不同领域的内容。


当前,以美国为代表的世界主要军事强国关注的量子科技发展动向主要涉及量子通信、量子计算及量子密钥等领域。美国国防部高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划,对其开展了广泛探索。可以说,量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景。


在量子通信领域未来发展规划下,美国LosAlamos 国家实验室正在创建一套辐射状的量子互联网,同时美国非常重视量子计算机领域的技术拓展,谷歌、微软、IBM都已投入研究量子计算机技术,以量子计算机技术研究为突破点,延伸到物质科学、生命科学、能源科学领域,形成规模优势。


二、欧盟:联合攻关 共建量子互联网


为了确保欧洲在量子通信研究中处于技术领先地位,欧盟对量子通信的发展可谓“煞费苦心”。提前“操练”,打牢根基,政策法规护航,并贯穿到与国家利益、国家安全以及国家对内对外战略影响相关的不同环节,这是欧盟在量子通信领域发展方面采取的主要手段。


目前,欧盟在量子通信领域已经掌握了相当一部分产业核心技术,凭借新兴产业的支配地位,以新技术研发和新产品营销为发展重点,力争获得在技术创新方面的竞争优势。欧盟各国政府、国防部门、科技界和信息产业界都将量子通信纳入其国防科技发展战略,投入大量人力物力,以量子计算机技术研究为靶点,以量子通信开发在信息科学领域的推广为突破口,积极构建和壮大产业链及产业群,以形成一定的创新体系与规模优势,同时延伸到物质科学、生命科学、能源科学领域。


1、起步早 政策法规护航


早在20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,充分认定其高风险性和长期应用前景,从欧盟第五研发框架计划(FP5)开始,就持续对泛欧洲乃至全球的量子通信研究给予重点支持。


紧接着,欧盟发布了《欧洲研究与发展框架规划》,专门提出了用于发展量子信息技术的《欧洲量子科学技术》计划以及《欧洲量子信息处理与通信》计划。与此同时,还专门成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网。


2008年,欧盟发布了《量子信息处理与通信战略报告》,提出了欧洲在未来五年和十年的量子通信发展目标,包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。


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,并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了“基于量子密码的安全通信”(SECOQC)工程。


这是继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。随后,该工程还在维也纳现场演示了一个基于商业网络的包含6 个节点的量子通信网络。


2、 联合攻关 技术突飞猛进


自1993年开始,欧盟就加强了对量子通信技术领域的研究和开发,在理论研究和实验技术上均取得了重大突破,涉及的领域包括量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。早期主要集中在量子远程传态,后期开始向量子密码通信和量子密集编码发展。


利用欧盟国家的联合技术力量,在多个研究机构之间形成有效的合作体制,是欧洲量子通信领域一直走在前列的“制胜法宝”。


在量子信息物理学研究网的框架下,1993年至2011年期间,英国、瑞士、奥地利、德国、法国、瑞典等国的科学家曾连续创造了量子密钥分发、量子密码通信、太空绝密传输量子信息及量子信息存储等一系列的根本性突破。


从1993年至2012年,欧盟量子远程传输距离从10公里光纤传输发展到143公里的隐形传输。


2002年,欧盟多国科学家在欧洲空间局(ESA)的“General StudiesProgramme”框架下启动了量子通信研究计划。


2004 年,奥地利维也纳大学Anton Zeilinger 小组向ESA 提交了名为“Space-QUEST”的计划书,欲将量子通信推向空间应用……


以上种种的突破与成功,很大程度又是在为下一步量子互联网的全面建设铺平道路。


从2007年至2014年,欧盟开始致力于量子密码通信和量子密集编码研究,实现了量子漫步、太空和地球之间的信息传输,为卫星之间以及卫星与地面站之间进行量子通信提供了可能性。


3、着眼未来 合力构建量子互联网


发展量子通信技术的终极目标就是为了构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接,是实现全球广域量子通信最理想的路线图。


在这一路线图的指引下,欧洲在过去数年中进行了战略性部署,投入了大量的科研资源和开发力量,并对关键技术进行攻关。


2007年,来自德国、奥地利、荷兰、新加坡和英国的联合团队在大西洋中两个海岛间实现了144公里的基于BB84协议的诱骗态自由空间量子密钥分发以及基于纠缠的自由空间量子密钥分发。这个实验的成功奠定了最终实现星地间量子通信的重要基石。


2008年以来,欧盟加紧推进星载量子通信计划。欧洲包括AntonZeilinger 小组在内的27个研究组,向欧洲空间局的生命和物理科学部提交了“Space-QUEST”实验方案,计划在国际空间站欧洲哥伦布模块的外部平台上部署纠缠光源,向地面发送纠缠光子对,这将开创超出地面上几个量级测试距离的量子通信和基础物理实验。


然而从全球范围来看,目前世界各国均积极涉足量子,不少国家都设有连贯的、大规模的国家范围的量子技术项目。与之相比,尽管欧洲在量子通信领域起步较早,储备充足,成果丰硕,但是在量子技术研发上仍然面临着碎片化和被仿制的风险。


危机四伏,困难重重。一场世界范围的技术与才智竞赛已悄然拉开帷幕。欧洲不应落后,更不能让人才和知识流失。


于是,就在今年4月19日,欧盟委员会正式宣布,计划启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项目,目标是建立极具竞争性的欧洲量子产业,包括量子通信、量子计算及量子测量等,以增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性。


“为了解锁量子技术的全部潜力,为了加速技术的发展并把商业产品带给公共和民营市场,我们需要一个雄心勃勃、长期的旗舰计划,把全欧洲的教育、科学、工程和创新联合起来。”《量子宣言》中如是写道。


三、日本:紧跟大势 有所作为


美国和欧盟在量子通信领域的一连串突飞猛进,使日本备感形势紧迫。实际上,日本政府和科技界一贯重视量子科技领域的研发攻关,并将量子技术视为本国占据一定优势的高新科技领域进行重点发展,重点引导。


1、制定长期发展路线图


早在2000年,日本邮政省就将量子通信技术作为一项国家级高技术列入开发计划,预备10年内投资400多亿日元,主要致力于研究光量子密码及光量子信息传输技术,并专门制订了跨度为10年的中长期定向研究目标,计划到2020年使保密通信网络和量子通信网络技术达到实用化水平,最终建成全国性高速量子通信网,实现通信技术应用上的飞跃,在竞争中占据先机。


在当年题为“创造面向21世纪划时代的量子信息通信技术”的报告中曾明确指出,国家应该充实及完善该领域的研究开发体制, 并促进民间企业和大学等进行研究开发。


在接到该报告书后,邮政省正式启动了研究和开发量子信息通信的活动。该技术的实用化预计会发生在2030~2100年。


当时,邮政省官员曾表示,量子信息技术开发单靠民间力量是难以推动的,应该由国家建立能够使研究人员向同一方向、同一目标进行研究的体制。


事实上, 当时日本国内关于量子信息通信的研究, 已经由各通信设备制造商、大学及研究机构展开。不过当时的研究规模小,而且研究者之间并没有建立横向联系。为此,邮政省成立了专门的“圆桌会议”来管理和协调整体的开发活动。


2000年以来,日本的一些著名大公司和高校,始终在坚持不懈地研发量子通信的高端技术与系统,即使是难度较大的量子密钥生成攻关,亦进展显著。


2002年,日本NTT公司曾研发出了差动移相量子密码发送协议,并应用到试运行网络上。


2004年,日本研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功,传递距离可达87公里。在这一年,日本NEC公司采用固化干涉装,并改进了单光子探测器信噪比,使得量子密码传输距离达到150公里。


随后的2005年,日本电气公司开发出了一种即使气温与光纤长度等通信环境发生异常变化,其性能也不会降低的量子加密通信系统。同一年,日本松下电器产业和日本玉川大学利用光的量子扰动现象,试制出了一套防窃听性能更高的光通信系统,传输距离为20公里。


2007年,日本一研究团体开发的量子密钥技术,在现实条件下实现了信息经光纤的安全传输。


2008年,日本东芝公司研究人员在量子密码通信中将密钥的传输速度成功提高,使其更实用化。


2009年,日本日立公司和东京大学科学家又共同开发出了可利用下一代高速大容量光通信的“相位调制技术”。


2010年,由日本NICT主导,联合当时欧洲和日本在量子通信技术上开发水平最高的公司和研究机构,在东京建成了6 节点城域量子通信网络——“Tokyo QKD Network”。东京网在全网演示了视频通话,并演示网络监控。


2011年,日本研究小组将量子密码技术应用于电视会议系统,充分实现了世界上最快的密钥生成速度。


尽管日本对量子通信技术的研究晚于美国和欧盟,但相关研究发展迅速。在国家科技政策和战略计划的支持和引导下,日本科研机构的研发积极性高涨,投入了大量研发资本积极参与和承担量子通信技术的研究工作,实际地介入到量子通信技术的研发和产业化开发当中。


2、专利量大质优


数年前,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。


目前,日本每年投入2亿美元,规划在5至10年内建成全国性的高速量子通信网。不仅如此,日本的国家情报通信研究机构(NICT)也启动了一个长期支持计划。日本国立信息通信研究院也计划在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。


高强度的研发投入,“产官学”联合攻关的方式极大推进了研究开发,推动了量子通信的关键技术如超高速计算机、光量子传输技术和无法破译的光量子密码技术的攻关和实用化、工程化探索,在量子通信专利申请上成绩显著。


比如NEC、东芝、日本国立信息通信研究院、东京大学、玉川大学、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等,各大企业和科研机构在量子通信领域的专利申请量居全球领先,专利质量较高,技术水平突出。


就目前而言,在量子通信领域的研究优势上,日本主要集中在延长量子通信传输距离、提高信息传输速度和改进量子通讯的加密协议等方面。


由量子通信申请的专利来看,其主要特征表现为:量子通信的应用技术繁多,特定技术领域的专利占有率高,海外专利申请意识较强,且相关技术大多可直接根植于通信产品中,具有很强的实用性和市场推广潜力。


此外,日本格外注重采用积极的专利保护策略,通过全面申请PCT专利对其持有的量子通信核心技术进行保护。


四、中国领跑量子太空竞赛


在全球的量子通信竞赛中,中国虽然并不是起步最早的,但是在中国科学院院士潘建伟等的不懈努力下,目前中国在量子通信领域已经实现“弯道超车”,并成为首个将量子科学实验送入太空的国家。


今年夏天,世界首颗量子科学实验卫星(QUESS)带着探索星地量子通信的使命升空。但早在数年前,星地量子通信的中国梦想就已经引发了世界的关注。


2012年8月9日,国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究成果:他们在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。


这一成果不仅刷新世界纪录,有望成为远距离量子通信的“里程碑”,而且为发射全球首颗“量子科学实验卫星”奠定了技术基础。该成果入选《自然》杂志公布的“2012年度全球十大新闻亮点”。


同年12月6日,《自然》杂志为该成果专门撰写了长篇新闻特稿《数据隐形传输:量子太空竞赛》,详细报道了这场激烈的量子太空竞赛。


原文发布时间为:2015.09.22
本文作者:quantum-study
本文来源:知乎,如需转载请联系原作者。

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