1　前言

當前，在新時(shí)期，全球涌現“量子科技”潮。世界多國量子通信研究與應用的政策支持與項目布局全面展開(kāi)，競爭態(tài)勢日益明顯。

出現這一潮流的背景是：量子技術(shù)正從實(shí)驗室走出來(lái)，在傳感、通訊、信息處理、信息安全等領(lǐng)域實(shí)現前所未有的跨越式發(fā)展。量子時(shí)代正成為近期科技創(chuàng )新的聚焦點(diǎn)。人類(lèi)社會(huì )正在進(jìn)入“量子技術(shù)”時(shí)代。

量子力學(xué)和相對論是20世紀物理學(xué)的兩大支柱，相對論隨著(zhù)愛(ài)因斯坦的名字不斷地出現在各種場(chǎng)合，為世人普遍知曉，量子力學(xué)則似乎一直居于學(xué)術(shù)象牙塔中，較少為人們所熟悉。其實(shí)，量子力學(xué)這一研究微觀(guān)粒子運動(dòng)規律的物理學(xué)分支學(xué)科，與相對論一起奠定了現代物理學(xué)的基石。如果說(shuō)牛頓力學(xué)是宏觀(guān)物理世界的理論基礎，那么量子力學(xué)毫無(wú)疑問(wèn)是微觀(guān)物理世界的理論基礎。

量子力學(xué)在基礎與應用各方面取得了一個(gè)又一個(gè)成功，同時(shí)也使人類(lèi)生產(chǎn)生活發(fā)生深刻變革。諾貝爾獎得主萊德曼在20世紀90年代曾說(shuō)過(guò)，量子力學(xué)貢獻了當時(shí)美國國內生產(chǎn)總值的三分之一。量子計算、量子通信、量子控制、量子密碼、量子傳感……創(chuàng )造出新一代的產(chǎn)品與技術(shù)，將成為“第四次工業(yè)革命的引擎?！币虼?，引起世界范圍各國的爭相共鳴，并投入巨大的財力、物力、人力進(jìn)行研究。形成了一股洶涌澎湃、振蕩全球的“量子科技”潮流。

近年來(lái)全球量子技術(shù)的競爭，已不僅局限于谷歌等巨型公司之間，英美政府和歐盟也紛紛加入角逐?！捌涓驹蚴橇孔蛹夹g(shù)有望成為未來(lái)各國競爭的制高點(diǎn)。2018年，“量子霸權”成為一個(gè)熱詞，頻頻見(jiàn)諸報端。其實(shí)，此“霸權”非彼霸權，“量子霸權”是一個(gè)量子計算發(fā)展程度的標志，意思是指當量子計算機發(fā)展到50個(gè)左右量子比特時(shí)，其計算能力將超越世界上最快的傳統計算機，從而“稱(chēng)霸”于計算領(lǐng)域?？梢哉f(shuō)，其對推動(dòng)信息科技跨越式發(fā)展、維護國家安全等都具有非同尋常的意義。

基于此，控制理論與工程領(lǐng)域必然的發(fā)展趨勢是會(huì )出現與“量子科技”相互融合交叉的科學(xué)，這是值得關(guān)注的大事情。

2　中國在量子技術(shù)方面的成績(jì)

量子通信技術(shù)作為一種量子力學(xué)和通信技術(shù)相結合的產(chǎn)物，對于我國統計技術(shù)和電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有著(zhù)十分重要的作用。早在2006年出臺的《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要（2006-2020年）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綱要》）將量子技術(shù)的地位提到了新的高度，通過(guò)將“量子調控研究”列入重大基礎科學(xué)研究計劃的方式來(lái)突出量子通信相關(guān)技術(shù)與原理研究的重要性，《綱要》明確指出“以微電子為基礎的信息技術(shù)將達到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴峻的挑戰，人類(lèi)必須尋求新出路，而以量子效應為基礎的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達國家激烈競爭的焦點(diǎn)”。

一直到20世紀90年代，我國在量子領(lǐng)域的實(shí)驗研究還幾乎是一片空白。2017年6月，科技部聯(lián)合教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )共同制定了《“十三五”國家基礎研究專(zhuān)項規劃》，著(zhù)眼于更長(cháng)遠的國家重大戰略需求，提出在“十三五”期間，將量子通信與量子計算機列入重大科技項目。由此可見(jiàn)，中國政府對量子信息的發(fā)展支持力度非常大。雖然中國量子技術(shù)研究起步較晚，但近幾年發(fā)展卻非常迅速，在國際也上有了一定地位，目前中國已經(jīng)做到了3個(gè)量子比特，4個(gè)比特的也正在做。

2016年8月16日，我國首顆量子實(shí)驗衛星“墨子號科學(xué)實(shí)驗衛星在酒泉衛星發(fā)射中心用長(cháng)征二號運載火箭成功發(fā)射，接著(zhù)進(jìn)行了成功的遠距離保密通信，這是世界上首次實(shí)現衛星和地面之間的量子通信，構建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗體系，這意味著(zhù)世界將從電子信息技術(shù)走向量子信息技術(shù)，這是科技革命的偉大創(chuàng )舉。十九大報告點(diǎn)贊了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”。這充分表明中國在量子技術(shù)方面的卓越成就。

時(shí)過(guò)不到一年，我國又創(chuàng )造出世界首臺光量子計算機并于2017年5月3日在上海亮相，其未來(lái)的萬(wàn)億次光量子計算機求解一個(gè)億億億次（1024）變量方程組，利用目前最快的超級計算機（“神威·太湖之光”的峰值計算速度為12.54億億次/秒）求解大約需要100年，如果采用萬(wàn)億次光量子計算機，只需0.01秒。這將推開(kāi)神秘量子應用（速度革命）時(shí)代的一扇大門(mén)，必然會(huì )帶來(lái)“速度革命”的新飛躍。這是科技中國夢(mèng)的偉大創(chuàng )舉和應用。

我國在2016年發(fā)布的“十三五”規劃綱要中提出著(zhù)力構建量子通信和泛在安全物聯(lián)網(wǎng)，并在多項科技與信息產(chǎn)業(yè)規劃中將量子通信列為戰略性新興產(chǎn)業(yè)。同年，科技部設立“量子調控與量子信息”重點(diǎn)專(zhuān)項，部署量子通信和計算等領(lǐng)域的戰略性前沿研究。

與此同時(shí)，中國的量子儲存器的各種性能，如保真度、儲存模式等很多指標都在國際上處于領(lǐng)先地位?！笆濉逼陂g，量子通信也被劃定為未來(lái)5年國家重點(diǎn)戰略項目。

中科院院士潘建偉表示，目前中國量子通信技術(shù)領(lǐng)先國際相關(guān)技術(shù)水平5年，并將在未來(lái)10到15年持續保持領(lǐng)先。潘建偉表示，目前日本、歐洲都已啟動(dòng)量子通信研究計劃，但在數量級、時(shí)間、空間等層面，中國量子通信技術(shù)均領(lǐng)先國際相關(guān)研究四五年，并將在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內繼續保持領(lǐng)先。

國際上普遍認為，量子技術(shù)是下一次技術(shù)革命的驅動(dòng)力。中國在量子通信技術(shù)與量子通信產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域目前處于全面領(lǐng)先地位。英國《自然》雜志撰文稱(chēng)，“中國在量子通信領(lǐng)域已發(fā)展為世界勁旅，領(lǐng)先北美、歐洲和日本?！?/p>

對于量子時(shí)代的科研與應用，我國科學(xué)家有著(zhù)清晰的路線(xiàn)圖：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現遠程量子通信網(wǎng)，到實(shí)現多橫多縱的全球量子通信網(wǎng)絡(luò )；通過(guò)量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實(shí)現大數據時(shí)代的信息有效挖掘；通過(guò)量子精密測量研究，實(shí)現新一代定位導航、激光制導、水下定位、醫學(xué)檢測等。

3　美國在量子技術(shù)方面的成績(jì)

美國作為世界上唯一的科技超級大國，基于其“美國優(yōu)先”的理念，美國政府于2018年相繼推出太空、生物、網(wǎng)絡(luò )等多項科技戰略，包括簽署國家量子法案等，力圖繼續鞏固美國科技優(yōu)勢地位。一直以來(lái)，美國高度重視量子信息技術(shù)的相關(guān)研究，將量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來(lái)軍事革命的顛覆性、戰略性技術(shù)。特別是，美國將量子芯片相關(guān)研究計劃命名為“微型曼哈頓計劃”，將其提升至與原子彈研制同等重要的高度。

在具體科研項目上，美政府推出了一系列政策。如12月發(fā)布的國家量子法案，全方位加速量子科技的研發(fā)與應用，力圖確保美在量子信息科學(xué)這一“下一場(chǎng)技術(shù)革命”中的全球領(lǐng)導地位；美國總統特朗普日前正式簽署國家量子法案，全方位加速量子科技的研發(fā)與應用，確保美國量子科技領(lǐng)先地位，開(kāi)啟量子領(lǐng)域的“登月計劃”。

布局量子信息風(fēng)口，美國發(fā)布國家級戰略。美國近期發(fā)布《國家量子信息科學(xué)戰略概覽》，以持續拓展量子信息科學(xué)應用，并維持和提升美國在量子信息科學(xué)中的地位。

根據全國性的量子信息戰略方案，美國將創(chuàng )建一個(gè)可見(jiàn)、系統、全國性的量子信息研發(fā)方案，由NSTC的SCQIS協(xié)調。這些工作將利用現有的方案，適應不斷變化和改進(jìn)的科學(xué)和技術(shù)知識，反映對國家量子信息科學(xué)的機遇和挑戰的最佳理解，并在適當的情況下采取新步驟。

美國將采取如下措施：

一是專(zhuān)注于以科學(xué)為先的方法，識別和解決重大挑戰，這些解決方案能夠推動(dòng)革命性的科學(xué)和工業(yè)進(jìn)步；

二是建立量子智能和多元化的員工隊伍，以滿(mǎn)足領(lǐng)域內不斷增長(cháng)的需求；

三是鼓勵行業(yè)參與，提供適當的公私合作機制；

四是提供關(guān)鍵的基礎設施和支持；

五是推動(dòng)經(jīng)濟增長(cháng)；

六是維護國家安全；

七是繼續發(fā)展國際交流合作。

同月，特朗普還簽署總統備忘錄，責成相關(guān)部門(mén)制定國家頻譜戰略，以引導美國未來(lái)幾年的5G網(wǎng)絡(luò )建設。根據法案，美將制定量子科技長(cháng)期發(fā)展戰略，實(shí)施為期10年的“國家量子計劃”。政府未來(lái)5年內將斥資12.75億美元開(kāi)展量子信息科技研究，其中美國國家標準與技術(shù)研究院獲資4億美元，制定量子科技發(fā)展標準；國家科學(xué)基金會(huì )獲資2.5億美元，支持量子科技人才建設；能源部獲資6.25億美元，成立量子信息科研中心，加速科技攻關(guān)。此外，美將成立國家量子協(xié)調辦公室，協(xié)調政府機構、學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界，形成發(fā)展合力。

美國率先起跑，最先將量子技術(shù)列入國家戰略、國防戰略、國防和安全研發(fā)計劃。相比其他國家，美國在量子技術(shù)方面比較注重量子計算機的硬件，20世紀末就由加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計算研究所。近年來(lái)，美國通過(guò)“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃”等項目，持續支持量子通信和量子計算等前沿研究和應用，每年的研究經(jīng)費投入達2億美元。

4　英國在量子技術(shù)方面的成績(jì)

英國歷來(lái)十分重視量子科學(xué)的基礎研究，基于前期研究成果近年來(lái)正逐步向基礎研究和規模應用并重轉變。2015年，英國先后發(fā)布《量子技術(shù)國家戰略》和《英國量子技術(shù)路線(xiàn)圖》，將量子技術(shù)發(fā)展提升至影響未來(lái)國家創(chuàng )新力和國際競爭力的重要戰略地位，并通過(guò)科學(xué)的頂層設計引導未來(lái)20年的量子技術(shù)研發(fā)與應用。

作為量子理論的發(fā)源地，歐洲希望通過(guò)量子技術(shù)旗艦計劃的實(shí)施，引領(lǐng)全球第二次量子革命。2016年3月，歐盟委員會(huì )發(fā)布《量子宣言（草案）》，呼吁建立10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃，意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(lái)全球產(chǎn)業(yè)藍圖中的領(lǐng)導地位。

英國引領(lǐng)歐盟量子技術(shù)研究。英國國家物理實(shí)驗室（NPL）郝玲教授介紹說(shuō)，英國政府早在2013年就宣布將在此后5年內投資2.7億英鎊，加速量子技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程；2015年9月發(fā)布了《英國量子技術(shù)路線(xiàn)圖》；2016年12月發(fā)布的《量子技術(shù)：時(shí)代機會(huì )》報告認為人類(lèi)正處在第二次量子革命的前夜，選定了原子鐘、量子成像、量子傳感器和測量、量子計算和模擬以及量子通信作為五大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。英政府首席科學(xué)顧問(wèn)馬克·沃爾帕特表示，這些領(lǐng)域“具有生產(chǎn)新產(chǎn)品和服務(wù)的潛力與價(jià)值”。英國發(fā)布“國家量子技術(shù)計劃”，投資2.7 億英鎊支持量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心。

據英國國家物理實(shí)驗室研究員郝玲教授說(shuō)：“英國是歐洲量子技術(shù)研究的先驅?zhuān)谡咄苿?dòng)方面也極富遠見(jiàn)。尤為重要的是，在自身重視量子標準研究的同時(shí)，它還以自己的經(jīng)驗和影響力，對歐盟量子技術(shù)旗艦計劃的醞釀、四大支柱領(lǐng)域的甄選都產(chǎn)生了重要影響?！?/p>

據郝玲教授介紹，2013年英國國家物理實(shí)驗室（NPL）專(zhuān)門(mén)成立了量子計量研究院，目前它正在進(jìn)一步擴建為先進(jìn)量子計量研究院——建立一批先進(jìn)實(shí)驗室，從固體物理和光學(xué)技術(shù)兩個(gè)技術(shù)線(xiàn)路，加強對量子標準和傳感器的研究。2016年4月歐盟發(fā)布了《量子宣言（草案）》，計劃于2018年啟動(dòng)歷時(shí)10年、投資規模為10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目。在該項目醞釀過(guò)程中，歐盟汲取了石墨烯旗艦項目沒(méi)有把“石墨烯標準”放在重要地位的教訓，借鑒了英國的經(jīng)驗。目前確定的四大支柱領(lǐng)域為：量子標準和傳感器、量子計算機、量子通訊以及量子模擬。

郝玲教授認為，量子標準和傳感器密不可分，只有使用基于量子原理的器件才能測定量子標準。量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要一套完整標準，依據標準把很多器件搭成一個(gè)系統；而每一個(gè)器件的組裝、每一步運行，都需要標準支撐，唯如此才能最終達到系統的完整性。她說(shuō)，歐盟甄選的四個(gè)領(lǐng)域具有代表性，對未來(lái)具有戰略意義，有助其在全球競爭中占據有利地位。前三個(gè)領(lǐng)域缺一不可，而量子模擬則是在前三項基礎上擴展到很多應用領(lǐng)域，如大數據管理、模擬新材料和化學(xué)反應過(guò)程，以及高溫超導機理等。即便量子計算機目前暫時(shí)無(wú)法實(shí)現“量子霸權”所需的量子比特數，其運算速度和效率也大大超出傳統計算機。

5　歐洲在量子技術(shù)方面的成績(jì)

歐盟公布“量子宣言”，投資10億歐元，支持量子計算、通信、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應用推廣。

《新聞周刊》刊登了一份來(lái)自歐洲的名為《量子宣言》的文件，宣言倡議：歐洲各國在量子技術(shù)領(lǐng)域建立一個(gè)雄心勃勃的項目，從而確保歐洲能夠在目前正在發(fā)生的技術(shù)革命中處于領(lǐng)先地位。這番話(huà)出自于托馬索·卡拉爾科（Tommaso Calarco），他是德國的量子科學(xué)技術(shù)集成組織總監和此宣言的作者之一。他預言：量子技術(shù)將帶給人們從安全和通訊行業(yè)到健康和測量技術(shù)方面的影響，他也承認量子計算機在未來(lái)十年還無(wú)法成熟進(jìn)入商品市場(chǎng)。

歐洲也不甘落后。歐洲較早意識到量子信息處理和量子通信技術(shù)的巨大潛力，從20世紀90年代歐盟第五研發(fā)框架計劃開(kāi)始，就持續對歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。為在新一輪量子革命中處于技術(shù)制高點(diǎn)，歐盟委員會(huì )于2016年發(fā)布了《量子宣言》，稱(chēng)將在2018年啟動(dòng)一項10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃。

6　日本在量子技術(shù)方面的成績(jì)

日本每年投入2億美元，規劃在5到10年內建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。日本也提出了以新一代量子通信技術(shù)為對象的長(cháng)期研究戰略，并計劃在2020~2030年建成絕對安全保密的高速量子通信網(wǎng)，從而實(shí)現通信技術(shù)應用上質(zhì)的飛躍。日本郵政省自2001年開(kāi)始開(kāi)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(kāi)發(fā)計劃之一，10年內投資約400億日元，采取產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合攻關(guān)的方式推進(jìn)其研發(fā)。日本國家信息與通信技術(shù)研究院的量子信息通信項目始于同期，主要任務(wù)是為構建無(wú)條件安全和超大容量通信基礎設施提供技術(shù)基礎，而作為該項目的組成部分，Tokyo QKD網(wǎng)絡(luò )已于2010年10月正式建立。日本國家信息通信技術(shù)研究院計劃在2020年實(shí)現量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò )。

日本還成立了量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì )，計劃十年內投資400億日元，支持量子通信和計算等領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)。

7　結語(yǔ)

量子理論與相對論被認為是20世紀物理學(xué)理論的兩大劃時(shí)代進(jìn)展，它對當今科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了無(wú)與倫比的影響。量子力學(xué)促進(jìn)了20世紀的科學(xué)技術(shù)，也引發(fā)了計算、傳感、計量、密碼等的技術(shù)革命?？梢哉f(shuō)，量子理論開(kāi)創(chuàng )了量子技術(shù)的新時(shí)代。

2018年以來(lái)，全球推動(dòng)量子科技發(fā)展熱情空前高漲。9月，美國白宮科技政策辦公室和國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì )發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰略概述》，指出量子科技將引領(lǐng)下一場(chǎng)科技革命，給國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、基礎科研等帶來(lái)重大變革，建議采取國家戰略推動(dòng)量子科技發(fā)展。10月，歐盟正式開(kāi)啟為期10年、耗資10億歐元的“量子旗艦”技術(shù)研究計劃，正式啟動(dòng)該計劃20個(gè)科研項目，首批投資1.32億歐元。目前，全球量子爭霸賽呈現出白熱化狀態(tài)，中國從事科學(xué)技術(shù)創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)的人們，必須高度關(guān)注。力爭上游，在量子革命中成為“弄潮爭先”的先鋒。

“加快建設創(chuàng )新型國家，瞄準世界科技前沿，實(shí)現前瞻性基礎研究、引領(lǐng)性原創(chuàng )成果重大突破，建設科技強國?！笔糯髨蟾鏋樾聲r(shí)期實(shí)現科技現代化作出了戰略部署，我們中國的科學(xué)界團隊也對于量子信息科技發(fā)展有了新的規劃。相信不久的將來(lái)，會(huì )有更多更好的量子信息科技的成果陸續問(wèn)世，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)更高質(zhì)量的量子產(chǎn)品與生活方式。

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作者簡(jiǎn)介：

孫柏林（1936-），男，湖北黃陂人，軍事科學(xué)院研究員，少將軍銜，我國自動(dòng)控制系統與軍事系統工程專(zhuān)家，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )專(zhuān)家咨詢(xún)工作委員會(huì )名譽(yù)主任。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年2月刊