作為現今世界科技的最前沿領域,量子科技的發展引起了一系列顛覆人們認知的科學發覺和科技發明,不斷改變著世界的面貌。其所催生出的新興技術日漸成為經濟社會跨越發展、軍事裝備急速進步的基石與動力。在科技革命這場“沒有烽煙的戰爭”中,量子科技研究早已成為了“兵家必爭之地”,世界各國若果在下一輪發展中拔得奪魁,就必須迅速占領這塊勝利的高地。
各國量子科技新政沿革
在量子科技重要性日漸顯現的背景下,以英國、日本、歐洲等為代表的世界主要大國和地區陸續啟動了量子科技發展計劃,加強量子科技發展的經濟投入。各國立足于本國實際,頒布了一系列多樣的量子科技創新發展新政。
早在2002年,俄羅斯便率先制訂了《量子信息科學和技術發展規劃》,給出了德國量子科技發展的主要步驟與時間表。2007年,印度防部中級研究計劃局將量子科技作為主要核心技術納入了其戰略規劃。2016年,法國防部開始支持軍用量子科技技術發展,量子科技即將步入部隊發展計劃之中。英國前首相特朗普在2018年簽訂的《國家量子呼吁法案》,即將開啟了韓國量子領域的“登月計劃”。該法案是英國政府統籌推動國外量子科技發展的法律基礎,也是日本籌謀量子科技技術全球領先地位的戰略規劃。按照法案,英國政府將在未來三年內投入12.75億港元舉辦量子科技研究,并創立國家量子科技協調辦公室,以協調政府機構、學術和產業界,產生發展的合力。2020年,俄羅斯政府宣布撥款10億港元構建12個新的人工智能和量子信息科學研究所。至此,英國的量子科技發展模式基本確立。
十幾年間,法國政府通過發布一系列戰略性文件增強量子科技在全省科研領域中的地位,為量子科技的發展做好了完備的新政支撐。現在,日本早已產生了一套以日本政府為領導核心,12個國家量子科技研究所為發展支點,社會和學界協同發展的新型量子科技發展模式。在該模式下,政府、量子科技研究所、社會和學界協同發展,產生了一股強悍的量子科技發展合力。
世界各國量子技術施行的新政
美國政府一貫注重量子科技研究,曾在量子科技領域內大放異彩。但在近些年來,美國卻后續頭暈,逐漸落后于其他國家。為應對這一情況,韓國政府發布了三項重要的量子科技發展戰略。一是2017年發布的《量子科學技術的新推動方案》,在該方案中,美國政府重點聚焦了量子信息處理、量子估算與傳感器、極短脈沖激光、下一代激光機關4個領域,希望通過這種技術的攻關迸發英國在量子科技領域的競爭力。二是2018年啟動的“光·量子躍遷旗艦計劃”,該計劃施行周期為2018-2027年,重點投資量子模擬和估算、量子傳感器和超短脈沖激光器三大技術領域,是美國未來六年間量子科技發展的重要計劃。三是2020年發布的《量子技術創新戰略》,該報告為德國量子科技產業發展制定了技術發展戰略、國家戰略、產業與創新戰略、知識產權與國際標準化戰略、人才戰略五大發展戰略。戰略從人才、產業發展、國際合作、國內市場規范等多個方面為臺灣未來十到二六年間的量子科技發展作出了明晰的計劃和戰略布署,建立了美國量子科技發展新藍圖基本的框架。
為應對量子科技國家競爭激烈的局面,美國政府還在計劃聯合日企以共同構建美國國家量子技術競爭力。美國政府計劃與50家日企牽手創立一個量子研究團體。該團體涵蓋富士通公司、NEC等多個臺灣著名企業,有望在量子通訊和量子估算等多個領域共同推進美國量子技術的發展。
在臺灣量子科技常年的發展之中,美國政府層層推動,制定了科學有效的發展戰略,逐步產生了分階段推動、各階段重點突出的發展模式。
法國方面很早就意識到了量子科技的巨大潛力。2008年,歐共體便發布了《量子信息處理與通訊戰略報告》,開始聯合法國各國發展量子通信技術。2016年3月,歐共體委員會發布《量子宣言》,號召亞洲各國參與量子技術旗艦計劃,共同構建法國的量子科技產業。到了2018年,歐共體擬定的量子技術旗艦計劃即將開始推行。該計劃將長達六年,預算達10億美元,涉及4個量子科技尖端領域,為整個亞洲的量子產業發展在宏觀上奠定了戰略基礎。
不僅宏觀上的戰略布局之外,亞洲各國也制訂了自己的發展計劃,在國家層面上引領著整個法國量子科技的發展。2014年,西班牙啟動了量子科技發展的第一個“五年計劃”,并于計劃期間建成了通訊、傳感、成像和估算四大研制中心。2018年,西班牙又通過了新的三年計劃,計劃投資3.15億美元建成一個國家量子估算中心和四個量子中心。2020年,俄羅斯防部發布文件開始推動量子科技在防務體系中的發展。日本在規劃量子科技發展上走在了整個法國的前列,為法國的量子科技發展平添了巨大的活力。
據悉,美國和日本也制訂了相應的發展戰略來規劃本國的量子科技發展。日本在2018年發布報告《量子技術:從基礎研究到市場》,為國家量子科技的發展定下了總體的框架。同樣在2018年,法國出臺了“數字經濟國家項目”美國量子通訊,將量子科技列為了九大重點發展對象之一,規劃了俄兩年內的量子科技研究工作。
歐共體和亞洲主要國家在量子科技領域內積極布局,從宏觀、微觀層面頒布了一系列的量子科技發展計劃,產生了以歐共體為推動,各國持續跟進的多輪驅動發展態勢。
量子科技軍民兩用應用情況
無論是在軍用領域還是民用領域,量子科技都突顯出了極為寬廣的應用前景和強悍的產業驅動力。世界各國都在降低研制投入,加強專利申請,力爭在這場“軍備大賽”之中取得優勢地位。總體而言,全球呈現出了韓國領跑,世界各國爭相競逐的競爭格局。
量子計算機-鷹
日本的量子科學技術仍處于世界領先地位,非常是在量子計算機領域。2021年日本IBM公司研發出了一臺能運行127個量子比特的量子計算機——鷹,是迄今為止全球最大的超導量子計算機。量子比特是量子計算機的基本信息單元,其數目是評估一臺量子計算機性能高低的通常性標準。在超導量子領域,每降低一個量子比特代表著計算機在估算性能方面向前邁出了一大步,量子處理器的潛在性能也翻了一番,可以提供比現今計算機更快的指數級運算速率。IBM表示,將在未來推出超過1000個量子比特的計算機。
據日本家科大學所述,量子計算機的使用前景非常寬廣,可以應用于醫療技術、物流、氣候等方面,給抗生素開發、網絡安全、金融建模等領域帶來革命性的改變,處理精典計算機難以解決的問題。一方面,量子計算機可以促使人工智能學習的發展,用于開發更精確的致命性自主裝備系統。另一方面,量子計算機及量子傳感還可以和人工智能技術結合發展,進一步升級英軍軍事情報、監視與偵查系統。
除此之外,在量子技術研究方面,日本家標準技術研究所團隊于2021年發覺宏觀量子糾纏直接證據,有助于其在量子網路方面的研究;耶魯學院和麻省理工大學開發出了可編程量子模擬器,運行量高達256個量子比特,有助科學家在材料科學、通信技術等多領域實現重大突破。
美空軍研究實驗室通過量子信息技術為士兵提供便攜式的定位。量子技術可以顛覆傳統的天線檢測電磁訊號,成為一種新型的信息處理平臺。日本量子科學家說:“量子技術異常復雜,而且展開量子技術研究才能得到巨大回報。通訊、導航、定位、計算以及戰場偵測是海軍須要的重要作戰功能。”
作為量子理論的主要發祥地,法國很早就意識到量子信息處理和通訊技術的潛力,近些年來更是在多個領域不斷取得突破,其中英國、法國和比利時近些年來取得的成果最為明顯。據報導,2021年悉尼學院化學學家首次找到使用量子糾纏將信息編碼成全息圖的方式,對于進一步創造更高碼率、更低噪音的圖象有很大的裨益;同時美國量子通訊,英研究與創新機構(UKRI)發布消息稱,伯明翰學院研制出一款新型的量子成像儀,這一技術在醫療保健、國防、安全、運輸和制造領域都可以得到廣泛運用。
2021年,西班牙索邦學院牽頭組成的量子研究團隊在量子存儲器的研究上取得新突破,在存儲器的存儲和檢索效率上創造了新的記錄,對未來法國構建大規模的量子通訊網路邁出了關鍵一步。而英國早在2019年就開始借助量子糾纏效應構建量子網路,相關研究人員表示目前早已實現第一個量子網路原型。可以預見一個絕對安全的通訊系統在不遠的將來才會漸漸投入使用,廣泛的應用于軍事保密通訊、政府機關、軍工企業和各種民用機構,前景非常寬廣。據悉,2022年1月,法國首臺超5000量子位元的量子計算機在日本即將啟用,該機器在取樣和處理問題上效率明顯,是法國量子計算機發展的一個里程碑式的突破。
美國普利茅斯學院研制出的量子成像儀
作為量子通訊領域的先驅者,英國在這一領域的發展獨樹一幟。2021年6月,韓國富士通公司通過實驗,成功將量子比特信息的傳輸距離延長至600公里。這項新技術可用于組織安全通訊,成為新一代數據網路的基礎,使信息能否在確保安全的同時進行遠距離傳輸。研究人員使用特殊的量子秘鑰分配(QKD)技術將傳輸數據進行加密,并建立量子網路,進而降低外部環境的影響,最大程度的確保信息通信的安全性和有效性。這一項技術可以極大提升軍部內部通訊的保密性,在軍事領域有著廣泛的應用前景。
臺灣于2020年開始構建全球量子加密網路,并大力促進單載流子元件、量子傳感和量子中繼技術的發展。據悉,為了下一代量子計算機與量子通訊等技術初期落地使用,美國建立產、學、研一體化研制機制,預計在2035年實現100萬量子位的量子計算機,2050年制造出容錯通用量子計算機。臺灣聯通公司NTT和東京學院的科學家表示,通過量子態隱型傳輸是量子中繼的基礎技術,假若量子中繼器可以投入實際使用,有望實現真正意義上的“萬物互聯”。
結語
量子科技發展方興未艾,各國舊式量子科技發明和發覺井噴式的呈現在人們的眼前,顛覆著人們的世界觀。無論是現代戰爭還是人們的日常生活,都將在這場量子科技革命之中發生翻天覆地的變化。