世界主要國家大力推進(jìn)量子信息技術(shù)發(fā)展

董立勇 馬少維

量子信息技術(shù)對當(dāng)今及未來社會具有十分重要而廣泛的影響，是目前最引人矚目的前沿技術(shù)領(lǐng)域之一。量子信息技術(shù)的潛力早已引起了世界主要國家的高度重視，各國都在量子信息技術(shù)領(lǐng)域加快籌劃布局，投入大量資金力量推進(jìn)發(fā)展，形成了各自特點(diǎn)和優(yōu)勢。

世界主要國家量子信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今，量子信息技術(shù)正以前所未有的速度向前邁進(jìn)，美、歐、日等國紛紛把目光投向這一領(lǐng)域，加速推進(jìn)本國量子信息技術(shù)發(fā)展與運(yùn)用。

美國作為世界科技發(fā)展領(lǐng)先者，對量子信息技術(shù)十分關(guān)注，無論是國家政府，還是地方企業(yè)，都對量子信息技術(shù)緊密跟蹤，持續(xù)用力向前推進(jìn)。

美國是最早將量子信息技術(shù)列為國防與安全研發(fā)計(jì)劃的國家，早在2002年，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》，并于2004年發(fā)布2.0版，給出了量子計(jì)算發(fā)展的主要步驟和時間表。2008年，DARPA斥巨資啟動名為“微型曼哈頓計(jì)劃”的半導(dǎo)體量子芯片研究計(jì)劃。2016年7月，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》報(bào)告，認(rèn)為量子計(jì)算未來有望顛覆人工智能等諸多科學(xué)領(lǐng)域。2017年5月，美國高級情報(bào)研究計(jì)劃局（IARPA）啟動“增強(qiáng)型量子計(jì)算機(jī)”研發(fā)項(xiàng)目，旨在研發(fā)可用于加快機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練、支持較大電路故障診斷、加快多機(jī)器處理多任務(wù)優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)。2017年11月，美國能源部（DOE）科學(xué)辦公室為橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）量子信息科學(xué)研究組的兩個小組撥款1050萬美元，用于評估量子結(jié)構(gòu)在解決重大科學(xué)問題方面的可行性，并且開發(fā)能夠利用大功率量子計(jì)算的系統(tǒng)算法。2018年6月，美國眾議院科學(xué)委員會高票通過《國家量子倡議法案》，計(jì)劃在10年內(nèi)撥給能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、國家科學(xué)基金會12.75億美元，全力推動量子科學(xué)發(fā)展。2018年9月24日，美國又發(fā)布了《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，旨在維持和擴(kuò)大美國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力，并為美國日后的量子技術(shù)發(fā)展定下基調(diào)。2018年12月21日，美國總統(tǒng)特朗普正式簽署《國家量子計(jì)劃法案》并生效，計(jì)劃未來10年內(nèi)向量子研究注入12億美元資金，由美國能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、國家科學(xué)基金會配合聯(lián)邦政府共同落實(shí)量子計(jì)劃相關(guān)項(xiàng)目。

美國發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》

2018年初，谷歌展示了最新研制的72量子比特的量子處理器狐尾松，并稱利用量子糾錯對其進(jìn)行了優(yōu)化;微軟則專注于拓?fù)淞孔佑?jì)算，當(dāng)科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子的存在證據(jù)時，微軟計(jì)劃利用這種費(fèi)米子制備穩(wěn)定的量子比特;英特爾同時進(jìn)行超導(dǎo)量子計(jì)算和硅量子點(diǎn)研發(fā)，在2018年美國拉斯維加斯消費(fèi)電子展（CES）上發(fā)布了具有49量子比特的超導(dǎo)量子測試芯片;IBM在利用量子計(jì)算機(jī)幫助人類解決金融、物流、醫(yī)藥等行業(yè)問題方面，不斷發(fā)力推進(jìn)。此外，美國還有一眾初創(chuàng)公司在量子信息領(lǐng)域的表現(xiàn)也非常搶眼，其產(chǎn)品涵蓋了從基礎(chǔ)的真空系統(tǒng)、光學(xué)電學(xué)器件到成熟產(chǎn)品和解決方案等，其供貨單位不僅包括全球的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)，還包括NASA以及美國軍方等政府部門，為美國在量子計(jì)算、量子傳感領(lǐng)域的重要突破提供了支撐。值得一提的是，2019年9月20日，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，2分30秒內(nèi)完成了超級計(jì)算機(jī)1000年的計(jì)算量，成為量子計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)重要里程碑事件。

總的來說，美國已經(jīng)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域完成戰(zhàn)略布局，在理論研究方面推進(jìn)量子信息科學(xué)的學(xué)科建設(shè)，在應(yīng)用技術(shù)層面以研發(fā)高性能計(jì)算系統(tǒng)為牽引，重點(diǎn)突出量子計(jì)算硬件設(shè)備發(fā)展。目前，這些工作都被美國提升到了國家戰(zhàn)略層面，正處在加速推進(jìn)落實(shí)的進(jìn)程中，并已經(jīng)取得了若干階段性成果。

作為量子理論的發(fā)源地，歐洲高度重視量子信息技術(shù)對國家安全、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展等方面的影響，投入眾多資源大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。

早在2005年，歐盟就發(fā)布《歐洲研究與發(fā)展框架計(jì)劃》，并提出專門用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃和《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃，成為繼歐洲核子中心、航天技術(shù)后的又一次大規(guī)模國際合作。2008年9月，歐盟又發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個小組成立了SECOQC工程。2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言（草案）》。4月，歐盟委員會正式宣布啟動總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目，投資“量子旗艦”計(jì)劃，旨在培育形成具有國際競爭力的量子工業(yè)，確保歐洲在未來全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)導(dǎo)地位。歐盟還表示，此前已經(jīng)對量子技術(shù)提供了長達(dá)20年的大力支持與培植，總投資額度已達(dá)5.5億歐元。

英國是量子信息技術(shù)研究的全球領(lǐng)先國家，英國政府將量子技術(shù)提升至影響未來國家創(chuàng)新力和國際競爭力的重要戰(zhàn)略地位。早在《2013年秋季聲明》中，英國政府即宣布在此后5年內(nèi)投資2.7億英鎊設(shè)立英國國家量子技術(shù)計(jì)劃，同時成立量子技術(shù)戰(zhàn)略顧問委員會。2014年12月，英國又宣布創(chuàng)立價值1.2億英鎊、由4個量子技術(shù)樞紐組成的網(wǎng)絡(luò)——包括17所大學(xué)和132家公司，以推動具有商業(yè)可行性的新量子技術(shù)。2015年，英國政府正式發(fā)布《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》和《英國量子技術(shù)路線圖》，這兩項(xiàng)重大部署將引導(dǎo)英國未來20年在量子信息技術(shù)研發(fā)方面的工作與投資。2016年12月，英國政府科學(xué)辦公室發(fā)布了《量子技術(shù)：時代機(jī)會》報(bào)告，提出建立一個政府、產(chǎn)業(yè)、學(xué)界之間的量子技術(shù)共同體，實(shí)質(zhì)性地提高英國量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)價值。2018年11月9日，英國政府又發(fā)表聲明說，將撥款支持4個研發(fā)項(xiàng)目，以便基于最新的量子技術(shù)開發(fā)出適用于通信、測繪等領(lǐng)域的設(shè)備原型。據(jù)介紹，這4個項(xiàng)目將獲得總計(jì)2000萬英鎊的資金支持。此外，在英國政府的大力支持下，多個高校和公司成立量子技術(shù)中心，集中力量推動量子信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

自歐盟“量子旗艦”計(jì)劃相關(guān)項(xiàng)目啟動以來，德國、匈牙利、奧地利等國也已經(jīng)推出本國的量子信息技術(shù)計(jì)劃。德國的QUATGA量子計(jì)劃正處于試行狀態(tài)，10年內(nèi)其總值可能達(dá)到3億歐元左右。2018年11月，德國政府通過第一個系統(tǒng)推進(jìn)量子技術(shù)研究的框架計(jì)劃《量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場》，計(jì)劃在本屆政府任期內(nèi)投入6.5億歐元，重點(diǎn)研究量子衛(wèi)星、量子計(jì)算和用于高性能高安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的測量技術(shù)等領(lǐng)域，為量子信息技術(shù)發(fā)展打下牢固基礎(chǔ)。

日本作為現(xiàn)代科技發(fā)展的重要國家，對量子信息技術(shù)也十分關(guān)注，無論是政府部門還是私營企業(yè)，都在量子信息技術(shù)發(fā)展方面超前布局、大力發(fā)展。首先日本政府大力支持鼓勵。日本郵政省自2000年開始便開發(fā)量子通信技術(shù)，并將該技術(shù)作為國家級高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃之一，10年內(nèi)投資約400億日元，采取產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合攻關(guān)的方式向前推進(jìn)。2016年4月21日，日本內(nèi)閣府下屬綜合科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新會議決定在2018年啟動官民研究開發(fā)投資擴(kuò)大計(jì)劃（PRISM），并將包括光量子技術(shù)在內(nèi)的創(chuàng)新型物理空間基礎(chǔ)技術(shù)定為官民的研究開發(fā)投資目標(biāo)領(lǐng)域之一。2016年10月，日本政府科學(xué)技術(shù)廳聯(lián)合日本國立情報(bào)研究所、日本電報(bào)電話公司，宣布要發(fā)展量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等量子計(jì)算解決方案。2017年11月20日，在日本內(nèi)閣府“量子人工腦”項(xiàng)目的支持推動下，由日本相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與院所聯(lián)合宣布推出量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QNN）裝置，并實(shí)現(xiàn)了長時間穩(wěn)定工作，研究人員還成功開發(fā)出一種能夠在云端上體驗(yàn)新型計(jì)算機(jī)QNN的云系統(tǒng)，并于2017年11月27日對外推出日本首款國產(chǎn)QNN原型機(jī)。日本電氣公司（NEC）持續(xù)投入進(jìn)行研發(fā)相當(dāng)于“大腦”的基本回路，計(jì)劃在2023年之前投入數(shù)十億日元研發(fā)實(shí)體機(jī)。日本富士通公司計(jì)劃在3年時間里對相關(guān)技術(shù)投入500億日元（約合4.5億美元），推動量子信息技術(shù)研究。

2019年1月21日，德國尤利希研究中心獲得3600萬歐元（約2.81億人民幣）投資，用于量子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)研究;2月2日，韓國宣布投資445億韓元（約2.7億人民幣）用于量子計(jì)算研究;2月23日澳大利亞研究委員會的量子計(jì)算和通信技術(shù)卓越中心獲得3370萬澳元（約1.6億人民幣）資助，用于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)。

2019年4月20日，加拿大政府提供4100萬加元（約2.2億人民幣）給滑鐵盧量子谷創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室;3月29日，加拿大D-Wave科技公司的量子平臺進(jìn)行大升級，并宣布已將其Leap量子云服務(wù)擴(kuò)展到歐洲和日本等33個國家;5月16日該公司又開發(fā)了其D-Wave2000Q處理器的低噪聲版本，可通過其Leap量子云服務(wù)在線使用。

世界主要國家量子信息技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)美國總統(tǒng)特朗普簽署的《國家量子計(jì)劃法案》，在2019到2023財(cái)年，將授權(quán)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、美國國家科學(xué)基金會和美國能源部獲得12.75億美元預(yù)算，用于開展量子信息科技研究。其中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院負(fù)責(zé)制定量子技術(shù)發(fā)展所需標(biāo)準(zhǔn)，美國國家科學(xué)基金會支持人力資源建設(shè)，美國能源部將成立5個量子信息科研中心，加速科技成果突破。

除了國家層面的量子計(jì)劃外，大型科技巨頭也已開始在量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展布局。據(jù)摩根士丹利報(bào)告顯示，未來10年量子計(jì)算機(jī)將改變許多產(chǎn)業(yè)，預(yù)估高端的量子計(jì)算市場到2025年將達(dá)到百億美元規(guī)模，如微軟、IBM、Google等公司近年來大量投資研發(fā)相關(guān)技術(shù)，希望未來能夠達(dá)成“量子霸權(quán)”目標(biāo)。

美國已經(jīng)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域取得若干階段性成果

日本電氣公司持續(xù)投入進(jìn)行研發(fā)相當(dāng)于“大腦”的基本回路

歐洲希望通過“量子旗艦”計(jì)劃的實(shí)施，繼續(xù)推進(jìn)量子信息技術(shù)的研發(fā)與運(yùn)用，主要舉措包括：一是為量子科技有關(guān)科學(xué)活動的增長提供支撐;二是為量子技術(shù)發(fā)展打造良好的技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng);三是推動學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)的高效轉(zhuǎn)移;四是聚焦科學(xué)工程商業(yè)及交叉領(lǐng)域，培養(yǎng)新一代量子技術(shù)專家與專業(yè)人才;五是協(xié)調(diào)整個歐洲在量子技術(shù)上的公共投入和公共政策;六是促進(jìn)目前沒有強(qiáng)大量子技術(shù)研究計(jì)劃的成員國加入。但歐盟“量子旗艦”計(jì)劃還面臨一個現(xiàn)實(shí)難題即英國脫歐，這對該計(jì)劃的實(shí)施會產(chǎn)生重大影響。

英國是世界上量子信息技術(shù)研究的主要投資國之一，隨后的投資將進(jìn)一步促進(jìn)這一新興行業(yè)的增長。在2015年英國政府發(fā)布的《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》和《英國量子技術(shù)路線圖》中，高度強(qiáng)調(diào)未來量子技術(shù)的重要性，確定了英國未來發(fā)展量子信息技術(shù)的5項(xiàng)重點(diǎn)工作：一是打造堅(jiān)實(shí)的量子信息技術(shù)基礎(chǔ);二是推動量子信息技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用;三是培養(yǎng)專業(yè)的量子信息技術(shù)人才;四是創(chuàng)造良好的社會和監(jiān)管環(huán)境;五是鼓勵和支持國際合作。

日本在量子計(jì)算領(lǐng)域已由之前的“韜光養(yǎng)晦”開始走向“鋒芒畢露”的策略，研究方向也非常明確，將在當(dāng)下的退火之路上集中發(fā)力、爭取突破。在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的道路上，日本的產(chǎn)、官、學(xué)三方各司其職、相互促進(jìn)。同時，日本政府提出以新一代量子通信技術(shù)為研究對象的長期戰(zhàn)略，計(jì)劃在2020年—2030年建成絕對安全保密的高速量子通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上質(zhì)的飛躍。此外，日本國家信息通信技術(shù)研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)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信網(wǎng)絡(luò)。

2019年1月7日，印度宣布投入5.25億美元（約36億人民幣），將建立20個物理網(wǎng)絡(luò)中心，用于研究人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)和量子計(jì)算;12月3日，以色列計(jì)劃6年投資12億謝克爾（約24.3億人民幣）用于量子計(jì)算研究。此外，在2017年超級計(jì)算大會上，加拿大的D-wave公司與日本豐田通商簽署了一項(xiàng)協(xié)議，將共同推進(jìn)量子計(jì)算合作，主要是運(yùn)用量子計(jì)算技術(shù)開展高速優(yōu)化項(xiàng)目，不斷拓展量子計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

結(jié)??? 語

當(dāng)前，美、歐、日等國家在量子信息技術(shù)發(fā)展方面取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)和有益做法。對此，世界其他國家應(yīng)積極汲取，結(jié)合自身實(shí)際情況，采取綜合措施，全面推動本國量子信息技術(shù)發(fā)展與運(yùn)用效率水平提升。例如，結(jié)合本國已有的技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)，制定本國量子信息技術(shù)發(fā)展路線圖，研究梳理急需攻克的量子信息關(guān)鍵技術(shù)，研判量子信息技術(shù)各細(xì)分方向的商用化時間，對量子信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)籌指導(dǎo)，同時注重量子信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大實(shí)驗(yàn)資源與條件投資，并加強(qiáng)多方聯(lián)動、協(xié)同合作，創(chuàng)建有效的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，共同推進(jìn)量子信息技術(shù)的快速發(fā)展與轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)程。

責(zé)任編輯：張傳良