量子通訊是事關國家信息和國防安全的戰略性領域,且有可能改變未來信息產業的發展格局,因而,其不可防止地成為世界主要發達國家及地區如日本、歐盟、日本等優先發展的信息科技和產業高地。
一、美國:納入國家戰略實現系列突破
在英國,對量子通訊的理論和實驗研究開始得較早,并最先被納入到國家戰略、國防和安全的研制計劃。
1、提前布局占據先機
上世紀末,印度政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題。而隸屬于政府的印度國家標準與技術研究所(NIST)則將量子信息作為三個重點研究方向之一。
隨即,法國加洲理工學院、麻省理工大學和南加洲學院聯合組建了量子信息與估算研究所,直接歸英國部隊研究部門管轄,從屬于俄羅斯國防部中級研究計劃司超大規模估算工程系統。體制上的規劃與布局,為各機構與部門間的研制鋪平了公路。
早在1989年,瑞典IBM公司在實驗室中以10bit/s的傳輸速度成功實現了世界上第一個量子信息傳輸,即使傳輸距離只有32公分,但卻拉開了量子通訊實驗研究的帷幕。
1994年量子傳輸技術,法國國防中級研究計劃局便開始著手,用3~5年的時間全面深化量子通訊技術方面的研究,并且早已通過部隊施行了相應方法的向戰場和向全球傳輸報文能力的量子通訊計劃。
在大量科研資源與研制力量投入的情況下,日本在量子通訊研究方面取得了一系列的突破。2000年,國家實驗室宣布,她們于全泰安條件下實現了1.6公里自由空間的量子秘鑰分發,使量子通訊向實用工程化邁入了一大步。
2002年,新加坡國家科學基金會投資5000萬港元對量子通訊進行研究。
2003年,加拿大國防部中級研究計劃署又領銜建設了DARPA量子通訊技術試驗網路。
2004年,印度馬薩諸塞州劍橋城即將投入運行了世界上第一個量子密碼通訊網路,網路傳輸距離約為10公里。
2006年,Los國家實驗室基于引誘態(Decoy-state)方案實現了能保證絕對安全的107公里光纖量子通訊實驗。
2007年,加拿大科學家讓兩個獨立原子實現了量子糾纏和遠距離量子通訊。
隨即,法國國防部中級研究計劃署和國家實驗室于2009年分別建成了兩個多節點量子通訊互聯網絡,并與海軍合作進行了基于客機平臺的自由空間量子通訊研究。
而由英國國防部中級研究計劃署支持,BBN公司(具有很強的美軍特色)技術部聯合波士頓學院與耶魯學院,共同舉辦了量子保密通訊與IP互聯網結合的三年試驗計劃。該計劃主要內容是以BBN技術部、波士頓學院和耶魯學院作為三個節點,以建立融合現行光纖通訊網、互聯網和量子光通訊的量子互聯網,并在此基礎上實現保密通訊。
2009年,加拿大政府發布的信息科學藍皮書中明晰要求,各科研機構協調舉辦量子信息技術研究。同年,加拿大國防部中級研究計劃署建成了城域量子通訊演示網。與此同時,韓國麻省理工大學科學家繼續在冷原子中量子儲存和波動研究領域作出新的突破,這方面的技術恰是設計量子信息網路的關鍵。
日本2010年在量子源產出的單光子波長轉換、2011年在單量子位處理量子信息,以及2012年日本和印度在驗證傳輸光的原子和粒子之量子行為關系等方面,成果斐然。
除了這么,在日本國防部2013年至2017年科技發展“五年計劃”中,“量子信息與控制技術”已被列為未來重點關注的六大顛覆性研究領域,同時將IBM、美國國防部中級研究計劃署、中國科學技術學院、美國洛克希德馬丁公司和美國NTT公司列為該領域的重要研究機構;日本國防部支持的“高級研究與發展活動”(ARDA)計劃到2014年將量子通訊應用拓展到衛星通訊、城域以及長距離光纖網路。
現在,量子技術早已成為印度美軍六大技術方向之一,即對未來英軍的戰略需求和軍事任務行動能形成常年、廣泛、深遠、重大的影響。
在這一路線規劃的指引下,2014年,意大利國家民航航天局(NASA)即將提出了在其總部與噴氣助推實驗室(JPL)之間構建一個直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個骨干節點的遠距離光纖量子通訊干線的計劃,并計劃拓展到星地量子通訊。
同一年,全球最大的獨立科技研制機構英國公司也提出了商業化的廣域量子通訊網路規劃,計劃建造環加拿大的萬公里量子通訊骨干網路,為微軟、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心之間提供量子通訊服務。
2、未來發展前景寬廣
日本的量子通訊發展重視技術研制和應用,量子通訊產業已滲透到韓國國家發展的各個層面,包括國防、外交、經濟、信息、社會等不同領域的內容。
當前,以日本為代表的世界主要軍事強國關注的量子科技發展動向主要涉及量子通訊、量子估算及量子秘鑰等領域。印度國防部中級研究計劃署啟動了多項量子通訊方面的相關研究計劃,對其舉辦了廣泛探求。可以說,量子通訊技術在軍事應用方面有著無與倫比的寬廣前景。
在量子通訊領域未來發展規劃下,法國國家實驗室正在創建一套幅射狀的量子互聯網,同時日本特別注重量子計算機領域的技術拓展,微軟、微軟、IBM都已投入研究量子計算機技術,以量子計算機技術研究為突破點,延展到物質科學、生命科學、能源科學領域,產生規模優勢。
二、歐盟:聯合攻關共建量子互聯網
為了確保法國在量子通訊研究中處于技術領先地位,歐共體對量子通訊的發展堪稱“煞費苦心”。提早“操練”,打牢根基,新政法規護航,并貫串到與國家利益、國家安全以及國家對內對外戰略影響相關的不同環節,這是歐共體在量子通訊領域發展方面采取的主要手段。
目前,歐共體在量子通訊領域早已把握了相當一部份產業核心技術,憑著新興產業的支配地位,以新技術研制和新產品營銷為發展重點,力爭獲得在技術創新方面的競爭優勢。歐共體各國政府、國防部門、科技界和信息產業界都將量子通訊列入其國防科技發展戰略,投入大量人力物力,以量子計算機技術研究為靶向,以量子通訊開發在信息科學領域的推廣為突破口,積極建立和壯大產業鏈及產業群,以產生一定的創新體系與規模優勢,同時延展到物質科學、生命科學、能源科學領域。
1、起步早新政法規護航
早在20世紀90年代,法國就意識到量子信息處理和通訊技術的巨大潛力,充分認定其高風險性和常年應用前景,從歐共體第五研制框架計劃(FP5)開始,就持續對泛歐洲乃至全球的量子通訊研究給與重點支持。
緊接著,歐共體發布了《歐洲研究與發展框架規劃》,專門提出了用于發展量子信息技術的《歐洲量子科學技術》計劃以及《歐洲量子信息處理與通訊》計劃。與此同時,還專門組建了包括西班牙、法國、德國、意大利、奧地利和瑞士等國在內的量子信息數學學研究網。
2008年,歐共體發布了《量子信息處理與通訊戰略報告》,提出了法國在未來兩年和六年的量子通訊發展目標,包括實現地面量子通訊網路、星地量子通訊、空地一體的千公里級量子通訊網路等。
同年9月,歐共體發布了關于量子密碼的商業藍皮書,啟動量子通訊技術標準化研究,并聯合了來自12個歐共體國家的41個伙伴小組創立了“基于量子密碼的安全通訊”()工程。
這是繼法國核子中心和國際空間站后又一大規模的國際科技合作。此后,該工程還在維也納現場演示了一個基于商業網路的包含6個節點的量子通訊網路。
2、聯合攻關技術突飛猛進
自1993年開始,歐共體就加大了對量子通訊技術領域的研究和開發,在理論研究和實驗技術上均取得了重大突破,涉及的領域包括量子密碼通訊、量子遠程傳態和量子密集編碼等。初期主要集中在量子遠程傳態,后期開始向量子密碼通訊和量子密集編碼發展。
借助歐共體國家的聯合技術力量,在多個研究機構之間產生有效的合作體制,是法國量子通訊領域仍然走在前列的“制勝法寶”。
在量子信息數學學研究網的框架下,1993年至2011年期間,德國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典等國的科學家曾連續創造了量子秘鑰分發、量子密碼通訊、太空機密傳輸量子信息及量子信息儲存等一系列的根本性突破。
從1993年至2012年,歐共體量子遠程傳輸距離從10公里光纖傳輸發展到143公里的隱型傳輸。
2002年,歐共體多國科學家在法國空間局(ESA)的“”框架下啟動了量子通訊研究計劃。
2004年,法國維也納學院Anton小組向ESA遞交了名為“Space-QUEST”的計劃書,欲將量子通訊推向空間應用……
以上種種的突破與成功,很大程度又是在為下一步量子互聯網的全面建設鋪平公路。
從2007年至2014年,歐共體開始旨在于量子密碼通訊和量子密集編碼研究,實現了量子徜徉、太空和月球之間的信息傳輸,為衛星之間以及衛星與地面站之間進行量子通訊提供了可能性。
3、著眼未來合力建立量子互聯網
發展量子通訊技術的終極目標就是為了建立廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通訊網路體系。通過光纖實現城域量子通訊網路聯接一個中等城市內部的通訊節點、通過量子中繼實現緊鄰兩個城市之間的聯接、通過衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平臺的中轉實現遙遠兩個區域之間的聯接,是實現全球廣域量子通訊最理想的路線圖。
在這一路線圖的指引下,法國在過去數年中進行了戰略性布署,投入了大量的科研資源和開發力量,并對關鍵技術進行攻關。
2007年,來自美國、奧地利、荷蘭、新加坡和美國的聯合團隊在大西洋中兩個海島間實現了144公里的基于BB84合同的引誘態自由空間量子秘鑰分發以及基于糾纏的自由空間量子秘鑰分發。這個實驗的成功奠定了最終實現星地間量子通訊的重要基石。
2008年以來,歐共體加緊推動星載量子通訊計劃。亞洲包括小組在內的27個研究組,向法國空間局的生命和化學科學部遞交了“Space-QUEST”實驗方案,計劃在國際空間站法國哥倫布模塊的外部平臺上布署糾纏光源,向地面發送糾纏光子對,這將開創超出地面上幾個量級測試距離的量子通訊和基礎數學實驗。
但是從全球范圍來看,目前世界各國均積極投身量子,不少國家都設有連貫的、大規模的國家范圍的量子技術項目。與之相比,雖然法國在量子通訊領域起步較早,儲備充足,成果豐碩,然而在量子技術研制上始終面臨著碎片化和被仿造的風險。
危機四伏,困難重重。一場世界范圍的技術與才智大賽已漸次拉開序幕。法國不應落后,更不能讓人才和知識流失。
于是,就在明年4月19日,歐共體委員會即將宣布,計劃啟動總值10億英鎊的量子技術旗艦項目,目標是構建極具競爭性的法國量子產業,包括量子通訊、量子估算及量子檢測等,以提高亞洲在量子研究方面的科學領導力和卓越性。
“為了解鎖量子技術的全部潛力,為了加速技術的發展并把商業產品帶給公共和民營市場,我們須要一個雄心勃勃、長期的旗艦計劃,把全亞洲的教育、科學、工程和創新聯合上去。”《量子宣言》中如是寫道。
三、日本:緊隨大勢有所作為
日本和歐共體在量子通訊領域的一連串突飛猛進,使臺灣備感形勢急迫。實際上,法國政府和科技界一貫注重量子科技領域的研制攻關,并將量子技術視為本國搶占一定優勢的高新科技領域進行重點發展,重點引導。
1、制定常年發展路線圖
早在2000年,美國郵政省就將量子通訊技術作為一項國家級高技術納入開發計劃,預備10年內投資400多億美元,主要旨在于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術,并專門制定了跨徑為10年的中常年定向研究目標,計劃到2020年使保密通訊網路和量子通訊網路技術達到實用化水平,最終建成全省性高速量子通訊網,實現通訊技術應用上的飛越,在競爭中搶占先機。
在當初題為“創造面向21世紀劃時代的量子信息通訊技術”的報告中曾明晰強調,國家應當充實及建立該領域的研究開發體制,并推動民間企業和學院等進行研究開發。
在接到該報告書后,郵政省即將啟動了研究和開發量子信息通訊的活動。該技術的實用化預計會發生在2030~2100年。
當時,郵政省高官曾表示,量子信息技術開發單靠民間力量是無法推進的,應當由國家完善才能使研究人員向同一方向、同一目標進行研究的體制。
事實上,當時法國國外關于量子信息通訊的研究,早已由各通訊設備制造商、大學及研究機構展開。不過當時的研究規模小,但是研究者之間并沒有完善縱向聯系。因此,郵政省組建了專門的“圓桌大會”來管理和協調整體的開發活動。
2000年以來,美國的一些知名大公司和院校,一直在堅持不懈地研制量子通訊的低端技術與系統,就算是難度較大的量子秘鑰生成攻關,亦進展明顯。
2002年,瑞典NTT公司曾研制出了差動混頻量子密碼發送合同,并應用到試運行網路上。
2004年,美國研究人員用防盜量子密碼技術傳送信息獲得成功,傳遞距離可達87公里。在這一年,加拿大NEC公司采用固化干涉裝,并改進了單光子偵測器雜訊,促使量子密碼傳輸距離達到150公里。
此后的2005年,美國電氣公司開發出了一種即便溫度與光纖厚度等通訊環境發生異常變化,其性能也不會增加的量子加密通訊系統。同一年,英國三洋家電產業和美國玉川學院借助光的量子擾動現象,試制出了一套防監聽性能更高的光通訊系統,傳輸距離為20公里。
2007年,臺灣一研究團體開發的量子秘鑰技術,在現實條件下實現了信息經光纖的安全傳輸。
2008年,加拿大富士通公司研究人員在量子密碼通訊上將秘鑰的傳輸速率成功提升,使其更實用化。
2009年量子傳輸技術,加拿大日立公司和東京學院科學家又共同開發出了可借助下一代高速大容量光通訊的“相位調制技術”。
2010年,由美國NICT主導,聯合當時法國和英國在量子通訊技術上開發水平最高的公司和研究機構,在東京建成了6節點城域量子通訊網路——“TokyoQKD”。東京網在全網演示了視頻通話,并演示網路監控。
2011年,美國研究小組將量子密碼技術應用于電視大會系統,充分實現了世界上最快的秘鑰生成速率。
雖然美國對量子通訊技術的研究晚于日本和歐共體,但相關研究發展迅速。在國家科技新政和戰略計劃的支持和引導下,法國科研機構的研制積極性激增,投入了大量研制資本積極參與和承當量子通訊技術的研究工作,實際地介入到量子通訊技術的研制和產業化開發當中。
2、專利量大質優
數年前,英國提出了以新一代量子通訊技術為對象的常年研究戰略,并計劃在2020~2030年間建成絕對安全保密的高速量子通訊網。
目前,美國每年投入2億歐元,規劃在5至10年內建成全省性的高速量子通訊網。除了這般,美國的國家情報通訊研究機構(NICT)也啟動了一個常年支持計劃。俄羅斯國立信息通訊研究院也計劃在2020年實現量子中繼,到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通訊網路。
高硬度的研制投入,“產官學”聯合攻關的方法極大推動了研究開發,促進了量子通訊的關鍵技術如超高速計算機、光量子傳輸技術和難以破譯的光量子密碼技術的攻關和實用化、工程化探求,在量子通訊專利申請上成績明顯。
例如NEC、東芝、日本國立信息通訊研究院、東京學院、玉川學院、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等,各大企業和科研機構在量子通訊領域的專利申請量居全球領先,專利質量較高,技術水平突出。
就目前而言,在量子通訊領域的研究優勢上,臺灣主要集中在延長量子通訊傳輸距離、提高信息傳輸速率和改進量子通信的加密合同等方面。
由量子通訊申請的專利來看,其主要特點表現為:量子通訊的應用技術繁雜,特定技術領域的專利占有率高,海外專利申請意識較強,且相關技術大多可直接根植于通訊產品中,具有很強的實用性和市場推廣潛力。
據悉,臺灣愈發重視采用積極的專利保護策略,通過全面申請PCT專利對其持有的量子通訊核心技術進行保護。
四、中國領跑量子太空大賽
在全球的量子通訊大賽中,中國其實并不是起步最早的,并且在中國科大學教授潘建偉等的不懈努力下,目前中國在量子通訊領域早已實現“彎道會車”,并成為首個將量子科學實驗送入太空的國家。
去年秋天,世界首顆量子科學實驗衛星(QUESS)帶著探求星地量子通訊的使命升空。但早在數年前,星地量子通訊的中國夢想就早已引起了世界的關注。
2012年8月9日,國際權威學術刊物《自然》雜志以封面標題方式發表了中國科學技術學院揚州微尺度物質科學國家實驗室潘建偉團隊的研究成果:她們在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱型傳態和糾纏分發。
這一成果除了刷新世界紀錄,有望成為遠距離量子通訊的“里程碑”,并且為發射全球首顆“量子科學實驗衛星”奠定了技術基礎。該成果榮獲《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點”。
同年12月6日,《自然》雜志為該成果專門撰寫了短篇新聞特稿《數據隱型傳輸:量子太空大賽》,詳盡報導了這場激烈的量子太空大賽。
原文發布時間為:2015.09.22