量子信息科學基于奇特的量子現象,如疊加、糾纏、壓縮等,以精典理論未能實現的方法來獲取和處理信息,在傳感器與檢測、通信、仿真、高性能估算等領域擁有寬廣的應用前景,并有望在數學、化學、生物與材料科學等基礎科學領域帶來突破。
量子技術是新一輪科技革命和產業轉型的必爭領域之一。近些年來,加拿大、歐盟、澳大利亞、英國等國高度注重量子技術發展,通過頒布新政文件、成立研究機構、支持量子科技研究等方法加強對量子研制的投資,促使量子科技研制和產業發展。
1.日本
早在2002年,俄羅斯國防部中級研究計劃局(DARPA)制訂了《量子信息科學和技術發展規劃》,并于2004年發布2.0版,給出量子估算發展的主要步驟和時間表。目標是若干年內在核磁共振量子估算、中性原子量子估算、諧振量子電子動態估算、光量子估算、離子阱量子估算及固態量子估算等領域取得重大研究進展。
2007年,DARPA將量子科技作為核心技術基礎納入其戰略規劃,在2015年設定的戰略投資領域中,量子化學學成為DARPA的三大技術前沿之一。
2009年,新加坡國家科學與技術委員會(NSTC)發布了《量子信息科學的聯邦愿景》,建議政府加大量子技術的控制和借助。因此,國家科學基金會(NSF)構建了量子信息科學跨學科研究計劃。
2015年,俄羅斯空軍研究實驗室(ARL)發布《2015-2019年技術施行計劃》,提出2015-2030財年量子信息科學研制目標與基礎設施建設目標。從2016財年起,國防市長辦公室支持三軍量子科學與工程制造項目(QSEP)。
2016年7月,NSTC發布《推進量子信息科學發展:日本的挑戰與機遇》報告,報告總結了量子信息科學在多個領域的進展和未來發展潛力,強調了德國在目前研制進程中的障礙,調查了各聯邦機構在量子信息科學領域的主要項目及研制投入水平,并討論了未來的發展路徑。作為NSTC報告的補充,新加坡能源部(DOE)發布了《與基礎科學、量子信息科學和估算交匯的量子傳感》報告。
2018年6月,韓國國會科學委員會高票通過《國家量子呼吁法案》,計劃在10年內撥給能源部、國家標準與技術研究院、國家科學基金會12.75億歐元,用于舉辦量子信息科技研究。其中,印度國家標準與技術研究院負責制定量子技術發展所需標準,日本國家科學基金會支持人力資源建設,韓國能源部將組建5個量子信息科研中心,加速科技成果突破。
2018年9月,法國白宮科技新政辦公室(OSTP)、國家科學技術委員會(NSTC)發布《量子信息科學國家戰略概述》。白宮覺得,量子信息科技(QIS)將推動下一場技術革命,給國家安全、經濟發展、基礎科研等帶來重大改革。戰略概述系統性地總結了量子信息科學帶來的挑戰、機遇,以及為維持和擴大日本在QIS領域的領導地位應作出的努力。
2018年12月,特朗普簽訂《國家量子呼吁法案》,全方位加速量子科技的研制與應用,確保英國量子科技領先地位,開啟量子領域的“登月計劃”。按照法案,美將制定量子科技常年發展戰略,施行為期10年的“國家量子計劃”。政府未來5年內將耗資12.75億港元舉辦量子信息科技研究,其中法國國家標準與技術研究院獲資4億港元,制定量子科技發展標準;國家科學基金會獲資2.5億港元,支持量子科技人才建設;能源部獲資6.25億港元,創立量子信息科研中心,加速科技攻關。據悉,美將創立國家量子協調辦公室,協調政府機構、學術和產業界,產生發展合力。
2020年2月,英國白宮網站發布一份《美國量子網路戰略設想》,提出日本將開辟量子互聯網,確保量子信息科學(QIS)造福大眾。戰略設想強調,通過在量子網路領域的前驅開拓,日本預備革新國家和金融安全、患者隱私、藥物發覺以及新材料的設計和制造,同時降低人們對宇宙的科學認識。日本2021年度政府財政預算議案上將更多資金投入到量子信息科學。
2020年7月,新加坡能源部公布了一項旨在于塑造量子互聯網的計劃,目標是六年內建成與現有互聯網并行的第二互聯網——量子互聯網。量子互聯網是一種基于量子熱學原理構建上去的新型互聯網。紐約學院普利茨克分子工程大學院士、阿貢國家實驗室中級科學家大衛·奧沙布里稱互聯網項目是日本量子研究計劃的主導者。日本能源部及其17個國家實驗室將成為該項目的骨干。
2020財年預算議案中量子信息科學領域研制資金為4.35億港元,2020財年實際批準5.79億港元,2021財年預算懇求額為6.99億港元。2021財年量子信息科學領域研制預算懇求比2020財年預算懇求降低約60%。其中:NSF在量子信息科學領域研究投資額是2.26億港元,比2020財年降低了1.2億港元;能源部科學辦公室在量子信息科學領域研究的投資降低到2.37億港元,比2020財年預算降低約5800萬港元,主要是推動國家實驗室、學術界和工業界量子信息科學的發展。比2020財年預算降低約5800萬港元。其中2021財年預算中,能源部計劃投資250萬港元支持量子互聯網的初期研究。
2020年8月,俄羅斯白宮科學技術新政辦公室、國家科學基金會(NSF)和英國能源部宣布,撥款超過10億港元,在全省構建12個新的人工智能和量子信息科學(QIS)研究所——7個NSF牽頭的人工智能研究機構和5個能源部量子信息科學研究中心。其中量子信息科學研究中心包括:
①下一代量子科學與工程(阿貢國家實驗室)
②量子優勢聯合設計中心(布魯克海文國家實驗室)
③超導量子材料與系統中心(費米國家加速器實驗室)
④量子系統加速器(勞倫斯伯克利國家實驗室)
⑤量子科學中心(橡樹嶺國家實驗室)
2.歐共體
法國很早就意識到量子信息處理和通訊技術的巨大潛力。
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。
2016年3月,歐共體委員會發布《量子宣言(草案)》,號召歐共體成員國及歐共體委員會發起捐助額達10億美元的量子技術旗艦計劃,并實現如下目標:(1)構建極具競爭性的法國量子產業,確保法國在未來全球產業新藍圖中的領導地位;(2)提高亞洲在量子研究方面的科學領導力和卓越性;(3)面向量子技術的創新企業和投資,把法國塑造為一個有活力和吸引力的區域;(4)充分借助量子技術進展,更好地解決能源、健康、安全和環境等領域的重大挑戰。
2017年11月,“歐洲空間量子技術行動”()主席在歐空局第二屆量子技術研討會上向歐空局和歐共體委員會遞交了題為《空間量子技術》的戰略報告。報告剖析了法國和國際空間量子技術發展現況,提出歐共體須要制訂統一的空間量子技術發展戰略,以在國際競爭中爭取一定優勢,支撐未來產業的發展。在未來發展戰略和優先任務方面,確定了通過衛星傳輸的保密通訊、時間頻度的空間傳輸、遙感和對地觀測、基礎化學等四個重點發展方向。
2018年10月,由歐共體委員會捐助法國量子技術旗艦計劃開始實施,該計劃將長達六年,預算為10億美元。首批啟動19個科研類項目為:
來源:中國信通院《量子信息技術發展與應用研究報告》
2020年5月,歐共體“歐洲量子技術旗艦計劃”官網發布《戰略研究議題(SRA)》報告。報告表示,未來五年將加快建設亞洲范圍的量子通訊網路,建立和擴充現有數字基礎設施,為未來的“量子互聯網”遠景奠定基礎。為實現這一目標,歐共體將促使量子通訊與傳統的網路基礎設施和應用相結合,借助QKD合同和具有可信節點的網路開發用于全球安全秘鑰分發的基于衛星的量子密碼等。
3.美國
2020年5月,美國聯邦科學與工業研究組織CSIRO擬定并發布了《量子技術路線圖》,該路線圖確定了可以支持量子生態系統的行動,行動將通過美國新興高科技產業的發展,將美國的智力資本轉化為經濟價值。通過跨行業的持續投資和協作,在2040年為英國帶來16000個工作崗位和超過40億港元的利潤,按照CSIRO的數據剖析,到2040年量子計算和量子通訊,預計量子技術可以創造860億港元的全球產業。
4.美國
2014年開始施行國家量子技術計劃,第一階段施行周期為2014—2019年,構建4所新的研制中心。
2015年3月,法國政府發布名為《量子技術國家戰略——英國的一個新時代》報告,9月發布了《英國量子技術路線圖》,將量子技術發展提高至影響未來國家創新力和國際競爭力的重要戰略地位。美國量子技術國家戰略由德國量子技術戰略咨詢委員會擬定,借以指導美國未來20年與量子科技相關的發展與投資,推動產生一個常年、可持續、增長式的德國量子產業。
2016年12月,日本政府科學辦公室發布了《量子技術:時代機會》的報告,提出構建一個政府、產業、學界之間的量子技術共同體,使美國能在未來的量子技術市場中占據世界領先地位,實質性地提升美國產業的價值。并提出了德國量子技術應用的5大領域,分別是原子鐘、量子成像、量子傳感和檢測、量子估算和模擬,以及量子通訊。
2018年12月,俄羅斯下議院科學技術委員會發布了《量子技術》報告,剖析了量子技術給美國帶來經濟下降和社會效益的機會與潛在風險,提出下一步發展的新政建議。
2020年7月,美國國防科學與技術實驗室(Dstl)代表美國國防部、英國戰略司令部,聯合發布了《量子信息處理技術布局2020:日本防務與安全前景》研究報告。報告覺得,量子技術的進步才能有效提高軍事指揮官做出有效決策的高效性、準確性和果斷性。未來5-10年內,量子信息處理除了才能在防務體系中得到推廣應用,能夠廣泛應用于金融交易,客機、導彈、火控和防御武器的控制系統,傳感數據處理(如數據融合、導航、干擾環境下訊號解析),機器學習,人工智能場景理解,警告標志辨識量子計算和量子通訊,非可見環境下的模式剖析等多個領域。
5.中國
2016年2月,國家重點研制計劃中籌建“量子調控與量子信息”重點專項,目前已公示擬立項項目清單。國家重點研制計劃中籌建“量子調控與量子信息”重點專項。
同年7月發布的《“十三五”國家科技創新規劃》中也進一步明晰將籌建“量子通訊與量子計算機”重大科技項目,研制城域、城際、自由空間量子通訊技術,研發通用量子估算截擊機和實用化量子模擬機。根據《國家創新驅動發展戰略綱要》和國家“十三五”規劃綱要的要求,到2030年,我國力爭在民航底盤及煤氣輪機、深海空間站、量子通訊與量子估算、腦科學與類腦研究、國家網路空間安全、新一代人工智能等16個重點方向率先突破。
從2006年到2010年,中國“十一五”規劃撥款約1.5億歐元用于量子研究。科技部和中科院啟動了“遠程量子通訊”和“空間量子實驗關鍵技術研究與驗證”項目,以支持大規模的量子通訊研究。
從2011年到2015年,國家“十二五”規劃在量子控制(MOST)、科學研究儀器和設備開發(NSFC)、空間量子實驗(CAS)、量子系統一致控制以及原子系統計量化學(CAS)等領域將量子研制資金提高至4.9億港元,并繼續建設量子安全通訊(NDRC和CAS)。
據不完全統計,2016年至2019年,按照國家“十三五”規劃,我國的量子研究經費達到約3.37億歐元。在此期間啟動的明顯項目包括量子控制和量子信息國家重點研究開發項目。
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