我國量子信息技術(shù)發(fā)展存在的問題與對策研究

李剛

【摘要】? ? 量子信息技術(shù)是量子力學(xué)與信息科學(xué)融合的新興交叉學(xué)科， 它的誕生標(biāo)志著人類社會(huì)將從經(jīng)典技術(shù)邁進(jìn)到量子技術(shù)的新時(shí)代， 量子信息技術(shù)突破了經(jīng)典技術(shù)的物理極限， 也開拓了信息技術(shù)發(fā)展的新方向.本文闡述了各國量子信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析我國量子信息技術(shù)發(fā)展存在的問題并提出了對策建議。

【關(guān)鍵詞】? ? 量子信息? ? 量子計(jì)算? ? 發(fā)展建議

引言：

20 世紀(jì)80 年代， 科學(xué)家們將量子力學(xué)投射到信息領(lǐng)域， 量子信息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。量子信息技術(shù)成為信息技術(shù)與量子物理相結(jié)合的戰(zhàn)略性前沿科技，是用量子態(tài)來進(jìn)行編碼，后經(jīng)過傳輸和處理，最后存儲(chǔ)的一類前沿理論技術(shù)總稱。量子的多維度、不可分割以及不可復(fù)制的特點(diǎn)使得它突破了現(xiàn)有信息技術(shù)在物理和運(yùn)算速度上的極限，并且在實(shí)現(xiàn)通信安全、加密/解密、金融計(jì)算等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。量子信息技術(shù)正成為現(xiàn)在以及未來科技創(chuàng)新的聚焦點(diǎn)，一旦量子技術(shù)得到廣泛的實(shí)踐應(yīng)用，人類社會(huì)正在步入“量子信息技術(shù)”時(shí)代。

一、世界主要國家在量子信息技術(shù)方面的發(fā)展概覽

近年來，量子信息技術(shù)背后所蘊(yùn)藏的的巨大潛力逐漸突顯，它在其所屬的細(xì)分領(lǐng)域也有了重大進(jìn)展，主要國家在該領(lǐng)域的競爭也慢慢走向白熱化，部分國家還將量子信息技術(shù)提升到了國家戰(zhàn)略的高度，并制定了量子信息技術(shù)發(fā)展“戰(zhàn)略規(guī)劃”。

各國以及科技引領(lǐng)企業(yè)都在加大力度研究量子信息技術(shù)以及應(yīng)用架構(gòu)，競爭態(tài)勢愈發(fā)明顯。

1.1美國量子信息技術(shù)概覽

近幾年來，美國每年投入2億美元來支持量子信息各領(lǐng)域的發(fā)展，還頒布了《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，目標(biāo)是繼續(xù)保持并且繼續(xù)擴(kuò)大本國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的影響力，2019年9月，谷歌宣布完成“量子霸權(quán)”，2.5分鐘內(nèi)完成的計(jì)算量相當(dāng)于超級計(jì)算機(jī)1000年的計(jì)算量，這是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。

美國白宮總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)專門成立了涉及量子信息科學(xué)的跨機(jī)構(gòu)工作小組，專門進(jìn)行量子信息科學(xué)基礎(chǔ)研究、涉及基礎(chǔ)設(shè)施、專業(yè)技術(shù)人才和知識產(chǎn)權(quán)一系列問題，并且將量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，美國還將量子計(jì)算列入出口管制框架。

1.2歐洲量子信息技術(shù)概覽

歐洲聯(lián)盟運(yùn)行“量子旗艦”項(xiàng)目，涉及規(guī)模10億歐元，重點(diǎn)支持量子信息技術(shù)在計(jì)算，模擬，通信和傳感等領(lǐng)域的中長期發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)原子量子時(shí)鐘、城際量子網(wǎng)絡(luò)、量子模擬器、量子傳感器、通用量子計(jì)算機(jī)等重大技術(shù)的突破與應(yīng)用。

《量子科學(xué)：混合戰(zhàn)中的顛覆性創(chuàng)新》文章也深度剖析了量子技術(shù)在未來的混合戰(zhàn)中可能發(fā)揮的重要作用。英國宣布創(chuàng)立量子技術(shù)樞紐網(wǎng)絡(luò)來推動(dòng)新的、具有商業(yè)可行性的量子技術(shù)，該網(wǎng)絡(luò)價(jià)值1.2億英鎊，包括17所大學(xué)、132家公司，同時(shí)英國還發(fā)布《量子時(shí)代：技術(shù)機(jī)遇》報(bào)告，進(jìn)一步確定將推動(dòng)原子鐘、量子成像、量子傳感和測量、量子計(jì)算和模擬以及量子通信領(lǐng)域的研發(fā)與商業(yè)化。

1.3其他國家

2017年日本推出的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝置（QNN）實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間且穩(wěn)定工作，日本還對外推出了首款國產(chǎn)QNN原型機(jī)，日本電器公司計(jì)劃在2023年之前投入數(shù)十億日元研發(fā)實(shí)體機(jī)。

2019年1月，德國尤利希研究中心將3600萬歐元投資用在有關(guān)量子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)的研究上;2月，韓國宣布在量子計(jì)算研究上投資445億韓元;同月澳大利亞研究委員會(huì)的量子計(jì)算和通信技術(shù)卓越中心將3370萬澳元的資助投入到量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)上。

同年4月，滑鐵盧量子谷創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室獲得了加拿大政府提供的4100萬加元的撥款[1]。

二、中國在量子信息技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r

2.1中國量子信息技術(shù)發(fā)展基本情況

中國在量子信息技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)儆谳^早進(jìn)入的國家，多年來在各個(gè)方面都有進(jìn)展，尤其量子通信和量子調(diào)控方面。目前中國在量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化部分已位居世界前列，論文產(chǎn)出上躋身第一，研發(fā)投入額與專利申請量方面也位居第二。

2015 年10 月，量子加密通信產(chǎn)品的發(fā)布標(biāo)志著全球互聯(lián)網(wǎng)邁入了量子時(shí)代;2016年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)設(shè)立，量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室也開始籌建。

同年8月，世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的順利發(fā)射第一次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與地面之間的量子通信，搭建了“天地一體化”的量子保密通信及科學(xué)實(shí)驗(yàn)框架。

2016 年底，量子保密通信京滬干線初步全線貫通，該線總長約2000公里、連接北京上海等多個(gè)城市，是世界第一條量子通信保密干線。所有的突破與成果都意味著量子技術(shù)時(shí)代的到來。

2.2我國量子信息技術(shù)發(fā)展存在的問題

1.期望膨脹期依然是現(xiàn)階段的主要特點(diǎn)

雖然在量子信息技術(shù)的個(gè)別領(lǐng)域已有很大突破，但相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用場景還不能落地，距離商用化階段還有很長的一段路[2]。盡管中國量子信息技術(shù)專利的申請數(shù)僅次于美國，專利授權(quán)量也在不斷的增加，但是授權(quán)率較以往總體持平。在未來，要想發(fā)掘國家在科技競爭、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和國防經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面的潛力，必須依靠量子技術(shù)，只有加速布局該技術(shù)，我們才有可能實(shí)現(xiàn)彎道超車。

2.資源投入不足

一般說來，我們需要花費(fèi)大量的成本來進(jìn)行量子信息技術(shù)研究探索，但是根據(jù)我國以往的調(diào)查顯示長期存在研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入不夠，研發(fā)力度不強(qiáng)，穩(wěn)定性較差現(xiàn)象。雖然政府對量子信息技術(shù)的重視程度越來越高，但是量子信息技術(shù)多學(xué)科交叉性、快速發(fā)展性對該技術(shù)的研究提出了更高的要求，尤其需要多首席科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)以及經(jīng)費(fèi)上的長期資助，然而目前大部分的資助經(jīng)費(fèi)都無法進(jìn)行最優(yōu)的資源匹配。

此外，致力于量子信息技術(shù)研究的學(xué)者大多分布在物理，數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)或者工程等不同的院系，人員的分散性使得有限的資源難以實(shí)現(xiàn)集中，進(jìn)而阻礙了量子信息技術(shù)的快速發(fā)展。

3.相關(guān)制度以及配套機(jī)制還不夠完善

因?yàn)榱孔有畔⒓夹g(shù)屬于新興產(chǎn)業(yè)，并且是一門新興的交叉學(xué)科，所涉及的學(xué)科知識較廣，領(lǐng)域和技術(shù)背景差異大，這就使得研究人員并不能把它當(dāng)做一門獨(dú)立的學(xué)科進(jìn)行探索，也很難做到兼顧多個(gè)領(lǐng)域的體系化和持續(xù)性。當(dāng)下，研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)企業(yè)之間合作交流十分有限，根本原因在于沒有建立溝通合作的平臺以及相應(yīng)機(jī)制。在產(chǎn)-學(xué)-研合作項(xiàng)目中，對相關(guān)的配套設(shè)施及環(huán)境的重視不足，不能產(chǎn)業(yè)化研究成果。

此外，技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用機(jī)制尚不成熟，科研項(xiàng)目主要集中在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，常常采用發(fā)表論文考評和原理樣機(jī)驗(yàn)證等方式進(jìn)行考核驗(yàn)收，來自于政府和企業(yè)的實(shí)踐研究相對較少，科研項(xiàng)目在資金投入上與實(shí)踐上的工程化應(yīng)用上沒有形成有效的鏈接，不易生成科技產(chǎn)品，也缺少有效制度機(jī)制提供支持。

三、解決量子信息技術(shù)發(fā)展問題的對策建議

1.從國家層面來說，應(yīng)明確發(fā)展方向、部署發(fā)展路線，制定國家戰(zhàn)略作為風(fēng)向標(biāo)來從宏觀上指導(dǎo)協(xié)調(diào)各方的行動(dòng)，為科研成果轉(zhuǎn)化建立體制機(jī)制保障[3]。從宏觀層面大力支持量子信息技術(shù)發(fā)展，出臺相應(yīng)的激勵(lì)政策，加快推進(jìn)量子信息技術(shù)在天氣預(yù)報(bào)、密碼分析、能源、金融、交通、人工智能等領(lǐng)域開展應(yīng)用，以全面完善各領(lǐng)域信息化建設(shè)，提升信息安全。

2.進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)各方力量團(tuán)隊(duì)合作，重點(diǎn)是要加強(qiáng)各地政府與科研機(jī)構(gòu)、各地政府與行業(yè)企業(yè)，科研機(jī)構(gòu)與行業(yè)企業(yè)之間的合作攻關(guān)，增強(qiáng)三者之間的有效互動(dòng)轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化重點(diǎn)方向的科研布局，共同促進(jìn)量子信息技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。同時(shí)應(yīng)該為科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)企業(yè)之間交流合作提供平臺，重視“引育”優(yōu)秀人才，在高等教育中提高量子信息所需的跨學(xué)科、復(fù)合型人才的培養(yǎng)比例，多專業(yè)開設(shè)量子信息課程，尤其對量子物理和計(jì)算科學(xué)等學(xué)科進(jìn)行聯(lián)合，采取多種途徑、多種方式培養(yǎng)該方面的人才，優(yōu)化人才隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，使它變得更為科學(xué)合理，為量子信息技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的空間[5]。

3.加大投融資機(jī)構(gòu)的投資力度以及國際合作的水平。我國量子信息技術(shù)具有良好的研究基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用空間，因此應(yīng)促進(jìn)優(yōu)勢資源形成合力，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)短板，重點(diǎn)關(guān)注擁有關(guān)鍵技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的企業(yè)，在量子計(jì)算研究領(lǐng)域大力鼓勵(lì)私營企業(yè)和資本進(jìn)入，調(diào)動(dòng)各方力量來共同攻克我們在量子計(jì)算上的各個(gè)難關(guān)，在量子科技領(lǐng)域加強(qiáng)國際合作，提升國際合作的層次和水平，構(gòu)建學(xué)術(shù)交流、創(chuàng)業(yè)投資、技術(shù)合作和標(biāo)準(zhǔn)制定等方面的聯(lián)盟優(yōu)勢。還應(yīng)加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研制步伐，密集標(biāo)準(zhǔn)專利布局[6]。同時(shí)，在加快量子信息技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)的過程中，應(yīng)重視知識產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)的布局以及對創(chuàng)新成果的保護(hù)和運(yùn)用，中國市場龐大，預(yù)計(jì)在未來5年，新的專利將大量涌現(xiàn)，因此應(yīng)加強(qiáng)對專利權(quán)人合法權(quán)益的保護(hù)，加大對侵犯專利權(quán)的賠償力度。

我們還需要結(jié)合本國實(shí)際和現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，出臺符合本國國情量子信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，統(tǒng)籌指導(dǎo)量子信息技術(shù)，關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增加投資，多方聯(lián)動(dòng)，協(xié)同創(chuàng)作，標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)管機(jī)制，攻克量子關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，加快轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)程。未來，量子計(jì)算所能輻射的領(lǐng)域會(huì)擴(kuò)展到人工智能（AI）、生物醫(yī)藥、氣象海洋、材料能源、金融分析、航空航天等等，這些都表明量子信息技術(shù)擁有巨大的市場前景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]董立勇，馬少維.世界主要國家大力推進(jìn)量子信息技術(shù)發(fā)展[J].軍事文摘，2020，05

[2]張桂紅.基于量子信息領(lǐng)域?qū)＠季旨凹夹g(shù)發(fā)展趨勢分析[J].信息技術(shù)與信息化，2020，07

[3]唐川，房俊民，王立娜，張娟.量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢與規(guī)劃分析[J].世界科技研究與發(fā)展，2017，10

[4]關(guān)志勇.量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢與規(guī)劃分析[J].通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2018，03

[5]陳健，李逸豪.量子信息技術(shù)發(fā)展掃描[J].軍事文摘，2020，05

[6]張倩，李文宇.全球量子信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究[J].信息通信技術(shù)與政策，2020，12