第二次量子革命序幕拉开

摘要：量子科学是20世纪最为重要的科学发现之一。进入21世纪，随着第二次量子革命的到来，量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点。2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言（草案）》，呼吁设立10亿欧元的量子技术旗舰计划，明确了量子通信、量子模拟器、量子传感器和量子计算机的短、中、长期发展目标。英国是量子技术的全球领先国家，设立了国家量子技术计划和量子技术中心网络项目，出台了《量子技术国家战略》和《英国量子技术发展路线图》。报告还介绍了美国和韩国在量子技术领域的研发项目。
关键字：量子科学;量子通信;欧盟;量子宣言;材料开发
一、欧盟欲引领第二次量子革命
2016年3月， 欧盟委员会发布《量子宣言（草案）》，呼吁欧委会及其成员国发起量子技术旗舰计划，集合教育、科学、工程以及创新能力，在量子通信、量子模拟器、量子传感器和量子计算机这四个方面，开展短、中和长期研究，充分释放量子技术的潜能。
1. 欧盟拥有坚实的量子技术研究基础
量子物理学诞生于二十世纪初的欧洲。一百年来，欧洲始终处于量子技术研发的领先地位，世界一半以上的量子技术科研论文产自欧盟及其成员国的研发团队。与世界其他国家和地区相比，欧洲拥有更多的研究人员，顶尖机构遍及欧洲，研究范围覆盖了从基础物理到电子学和计算机科学。过去20年来，欧洲层面已经投入了5亿欧元支持这一领域的开拓性研究。未来新兴技术旗舰计划（FET）将世界级的科学家和专业技术人才组织起来，形成了一个组织和运行良好的欧洲社会科学团体，为量子技术的发展提供了初期支持。一些成员国也加大了对量子技术的财政支持力度。如英国五年计划投入2.7亿英镑，荷兰十年计划投入1.46亿欧元，欧洲研究区网络（ERANet）下的量子欧洲研究区计划获得资助3000万欧元。
2.《量子宣言（草案）》的目标
《宣言》建议量子技术旗舰计划投入10亿欧元，其目标与《地平线2020计划》的三大支柱相符。在科学卓越方面，增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性；在工业引领方面，要建立极具竞争性的量子产业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位。同时面向量子技术的创新企业和投资，把欧洲打造为一个有活力和吸引力的区域。在社会挑战方面，充分利用量子技术的发展，更好地解决健康、能源、环境和安全等领域的重大挑战。
3.《量子宣言（草案）》的关键活动
《宣言》建议应采取的关键活动包括：（1）支持增加与量子技术相关的科学活动；（2）创造一个有利于量子技术创新和创业的生态系统；（3）推动学术界和产业界在新的层次上的协作，实现量子技术从实验室到产业的转移；（4）在欧洲培养新一代量子技术专业人员；（5）在欧洲层面上协调量子技术的公共投入和公共政策；（6）推动当前未有强大量子技术研究计划的成员国加入。
3.《量子宣言（草案）》的技术路线图
《宣言》中确定了量子技术与应用的发展目标。
在量子通信领域，短期目标（5年内，下同）是研发量子中继器核心技术，实现安全的点到点量子链接；中期目标（5-10年，下同）是实现远距离城市间的量子网络，开发量子信用卡；长期目标（10年以上）是研发出具有加密和窃听检测功能的量子中继器，实现量子通讯与传统通信相结合的泛欧安全互联网。
在量子模拟器领域，短期目标是开发材料中电子运动的模拟器，开发针对量子模拟器和网络的新算法；中期目标是开发有关量子磁性和电流的多样化模拟器，设计和研发新型复合材料；长期目标是开发有关量子动力学和化学反应机制的模拟器，以支持药物设计。
在量子传感器领域，短期目标是开发面向医疗护理、地理调研和安全等新型应用的量子传感器，为高额金融交易的时戳打造更准确的原子钟；中期目标是开发针对汽车、建筑等大规模应用的量子传感器，实现手持量子导航设备；长期目标是实现基于重力传感器的重力成像设备，将量子传感器集成到消费者应用中（包括移动设备）。
在量子计算机领域，短期目标是实现受纠错或拓扑学保护的逻辑量子位的运行，开发出针对量子计算机的新算法，开发出能执行技术相关算法的小型量子处理器；中期目标是利用专业型量子计算机解决化学和材料科学难题；长期目标是结合量子线路和低温传统实现对硬件的控制，开发出超越传统计算机能力的通用量子计算机。
二、英国抢占量子技术全球领先地位
英国是量子技术研究的全球领先国家。英国政府将量子技术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。
1.英国量子技术研究回顾
2013年秋，英国政府投资2.7亿英镑，设立为期5年的英国国家量子技术计划，同时成立量子技术战略顾问委员会。
2014年12月，英国投资1.2亿英镑开展量子技术中心网络项目研究。该网络由4个“量子技术枢纽”组成，分别由伯明翰大学、格拉斯哥大学、牛津大学和约克大学领衔。
2015年3月，英国政府发布《量子技术国家战略--英国的一个新时代》报告，旨在指导英国未来20年量子技术的发展与投资，促进形成一个长期、可持续、增长式的英国量子产业。
2015年10月，英国政府发布《英国量子技术发展路线图》。
2. 五大工作重点
在英国构建坚实的能力基础。具体举措包括：1）设立一个十年投资计划，使学术界、行业和其他合作伙伴共同促进英国量子技术生态系统的增长。2）保持对英国活跃的量子研究基地和设施的投资；3）允许产业界使用英国大学最先进的设备。
促进量子技术在英国的应用和市场机遇。量子技术可以带来巨大机遇，但需要巨大的投资，为此，英国将通过多种方式来激励私人部门投资，具体包括：资助示范项目,以更好地理解量子技术变革及其潜在市场价值；促进有效沟通、开展合作、制定路线图、进行市场分析和标准调查，以加大私人部门对量子技术的信心；利用政府采购对不同时期新技术的早期采纳者予以支持。英国技术战略委员会、工程和物理科学研究委员会以及国防科学技术实验室共同投资500万英镑，旨在探索和促进量子技术的商业化应用。这500万英镑资助中，300万用于可行性研究，用来支持量子技术的早期评估。200万用于合作研发，主要促进量子技术和组件的商业化应用。
培育量子技术领域的高技能人才。量子技术要转变为商业产品需要新一代量子工程师的支撑，包括物理学、工程学、光子学、电子学或计算机科学等跨学科的专家。英国政府要投资发展富有活力的劳动力，以满足量子技术产业的需要。同时，还要支持学术界、产业界和政府组织之间人员、创新和想法的自由流动。2015年3月23日，英国政府宣布投资1,500万英镑培育下一代量子工程师。2016年3月，宣布投资1.67亿英镑投资于博士培养伙伴计划。
创造合适的社会和管理环境。量子技术要充分实现其社会和经济价值，需要英国社会的早期和广泛参与。在早期阶段充分吸纳多种利益相关者参与进来，不仅有利于负责任地推动创新，而且能够确保其商业活力，并促进创建有效的管理和标准体制。
通过国际参与使英国利益最大化。英国支持与美国、中国、等国家在量子技术上的国际合作，吸引最好的人才，接触更大范围的客户和市场，保留英国作为全球量子设备、部件、系统和专业知识供应商的竞争优势，同时在全球量子技术的发展中继续扮演领导角色。
3. 技术发展路线图
《英国量子技术发展路线图》确定了短期和中期可能实现商业应用的技术，明确了未来长期发展技术。
短期重点技术（5年以内）：量子系统的组件、量子时钟、医学成像技术（电磁、重力成像，单光子成像）、量子安全通信（点对点安全通信）。
中期重点技术（5-10年）：医学影像技术、导航（高精度惯性导航）、二代元件（固态、微型化、自成一体的量子器件，例如加速度计）。
长期重点技术（10年以上）：量子安全通信（复杂的网络通信）、消费类应用量子技术、量子计算。
三、美国视量子技术为增强国家安全的突破性技术
DARPA始终站在美国国防科学研究最前沿。2015年3月，DARPA发布《增强国家安全的突破性技术》报告，确定了九大核心技术领域，量子科学是其中之一。DARPA将这些核心技术作为研发重点，努力使美国军事能力不断产生新的飞跃。
DARPA在报告中指出，DARPA当前正在着手构建新能力，要“掌握并利用量子物理学”，随着对集体量子行为的深入了解及在光与物质系统精密工程方面取得的新进展，可以对新型材料和设备进行深度控制。DARPA正在快速推进量子技术，包括纳米/量子的光-电-机械结构工程，通过光冷技术实现对冷原子的精确控制等。这些技术为导航/授时、生化探测、通信和信息处理、计量、电磁频谱的深度控制，电子战等带来了新生力量。
2015年4月麻省理工学院发布《未来延期：为什么基础研究投资下滑会威胁美国创新赤字》研究报告，提出了联邦政府需要加强投入的15个关键领域，其中之一为量子信息技术，其基础研究重点包括：开发结合多个量子位之间的信息交换方法、测量和控制技术，以及设计实际应用的量子系统架构。报告指出，这些技术对于美国国家安全、社会经济发展和人类福祉至关重要。
四、韩国致力于培育国家层面的量子通信产业
2014年12月，韩国未来创造科学部联合国防部、外交部、国家情报院等部门，制订了《量子信息通信中长期推进战略》。
战略中提出，到2020年，韩国要进入全球量子通信领先国家行列。战略确定了开发核心技术、营造研究基础和奠定可持续发展基础的三大战略。
首先，韩国政府计划推进量子通信技术的商用化及基础原创技术的研究开发。具体包括:提高基于有线通讯的量子密钥通信技术的成熟度;开发量子计算机领域的基础原创技术及应用技术;开发量子核心元件、部件，确保技术竞争力。
其次，韩国政府计划建设量子密钥通信产业化的研究基础，具体包括: 建设量子密钥通信试验通讯网；通过试验网络，建立提升量子通信技术可靠性的验证体系，在技术验证方面给予出口企业支持；试验网络经验证后，向公共机构及民间推广量子密钥通信技术。
最后，韩国计划营造量子通信产业的可持续发展环境，具体措施包括：开发相关的教育课程，通过产学研合作培养具有实务能力的高级人才；建立对接产学研的虚拟联合研究环境，提高研究效率；支持量子通信技术相关的国际合作活动等，提高韩国量子通信技术的国际地位。
（中国科学技术信息研究所 张翼燕 撰写）