世界主要大國和地區(qū)的量子科技政策沿革及軍民兩用應(yīng)用情況

游 桂 成陽志 楊雨珂 金英杰

作為當(dāng)今世界科技的最前沿領(lǐng)域，量子科技的發(fā)展引發(fā)了一系列顛覆人們認知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技發(fā)明，不斷改變著世界的面貌。其所催生出的新興技術(shù)逐漸成為經(jīng)濟社會跨越發(fā)展、軍事武器飛速進步的基石與動力。在科技革命這場“沒有硝煙的戰(zhàn)爭”中，量子科技研究已經(jīng)成為了“兵家必爭之地”，世界各國若想在下一輪發(fā)展中拔得頭籌，就必須迅速搶占這塊勝利的高地。

各國量子科技政策沿革

在量子科技重要性日益凸顯的背景下，以美國、日本、歐洲等為代表的世界主要大國和地區(qū)相繼啟動了量子科技發(fā)展計劃，加大量子科技發(fā)展的經(jīng)濟投入。各國立足于本國實際，出臺了一系列多樣的量子科技創(chuàng)新發(fā)展政策。

早在2002年，美國便率先制定了《量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，給出了美國量子科技發(fā)展的主要步驟與時間表。2007年，美國防部高級研究計劃局將量子科技作為主要核心技術(shù)列入了其戰(zhàn)略規(guī)劃。2016年，美國防部開始支持軍用量子科技技術(shù)發(fā)展，量子科技正式進入軍隊發(fā)展計劃之中。美國前總統(tǒng)特朗普在2018年簽署的《國家量子倡議法案》，正式開啟了美國量子領(lǐng)域的“登月計劃”。該法案是美國政府統(tǒng)籌推進國內(nèi)量子科技發(fā)展的法律基礎(chǔ)，也是美國謀求量子科技技術(shù)全球領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略規(guī)劃。根據(jù)法案，美國政府將在未來五年內(nèi)投入12.75億美元開展量子科技研究，并成立國家量子科技協(xié)調(diào)辦公室，以協(xié)調(diào)政府機構(gòu)、學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界，形成發(fā)展的合力。2020年，美國政府宣布撥款10億美元建立12個新的人工智能和量子信息科學(xué)研究所。至此，美國的量子科技發(fā)展模式基本確立。

世界各國量子技術(shù)頒布的政策

十幾年間，美國政府通過發(fā)布一系列戰(zhàn)略性文件提高量子科技在全國科研領(lǐng)域中的地位，為量子科技的發(fā)展做好了完備的政策支撐。如今，美國已經(jīng)形成了一套以美國政府為領(lǐng)導(dǎo)核心，12個國家量子科技研究所為發(fā)展支點，社會和學(xué)界協(xié)同發(fā)展的新型量子科技發(fā)展模式。在該模式下，政府、量子科技研究所、社會和學(xué)界協(xié)同發(fā)展，形成了一股強大的量子科技發(fā)展合力。

日本政府一貫重視量子科技研究，曾在量子科技領(lǐng)域內(nèi)大放異彩。但在近年來，日本卻后續(xù)乏力，逐步落后于其他國家。為應(yīng)對這一情況，日本政府發(fā)布了三項重要的量子科技發(fā)展戰(zhàn)略。一是2017年發(fā)布的《量子科學(xué)技術(shù)的新推進方案》，在該方案中，日本政府重點聚焦了量子信息處理、量子計算與傳感、極短脈沖激光、下一代激光機關(guān)4個領(lǐng)域，希望通過這些技術(shù)的攻關(guān)激發(fā)日本在量子科技領(lǐng)域的競爭力。二是2018年啟動的“光·量子躍遷旗艦計劃”，該計劃實施周期為2018-2027年，重點投資量子模擬和計算、量子傳感和超短脈沖激光器三大技術(shù)領(lǐng)域，是日本未來十年間量子科技發(fā)展的重要計劃。三是2020年發(fā)布的《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，該報告為日本量子科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展制訂了技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略、國家戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)新戰(zhàn)略、知識產(chǎn)權(quán)與國際標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略、人才戰(zhàn)略五大發(fā)展戰(zhàn)略。戰(zhàn)略從人才、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國際合作、國內(nèi)市場規(guī)范等多個方面為日本未來十到二十年間的量子科技發(fā)展做出了明確的計劃和戰(zhàn)略部署，構(gòu)建了日本量子科技發(fā)展藍圖基本的框架。

為應(yīng)對量子科技國家競爭激烈的局面，日本政府還在計劃聯(lián)合日企以共同打造日本國家量子技術(shù)競爭力。日本政府計劃與50家日企攜手成立一個量子研究團體。該團體囊括東芝公司、NEC等多個日本知名企業(yè)，有望在量子通信和量子計算等多個領(lǐng)域共同推動日本量子技術(shù)的發(fā)展。

在日本量子科技長期的發(fā)展之中，日本政府層層推進，制訂了科學(xué)有效的發(fā)展戰(zhàn)略，逐漸形成了分階段推進、各階段重點突出的發(fā)展模式。

歐洲方面很早就意識到了量子科技的巨大潛力。2008年，歐盟便發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，開始聯(lián)合歐洲各國發(fā)展量子通訊技術(shù)。2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，呼吁歐洲各國參與量子技術(shù)旗艦計劃，共同建立歐洲的量子科技產(chǎn)業(yè)。到了2018年，歐盟制定的量子技術(shù)旗艦計劃正式開始實行。該計劃將歷時十年，預(yù)算達10億歐元，涉及4個量子科技尖端領(lǐng)域，為整個歐洲的量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展在宏觀上奠定了戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

除了宏觀上的戰(zhàn)略布局之外，歐洲各國也制定了自己的發(fā)展計劃，在國家層面上推動著整個歐洲量子科技的發(fā)展。2014年，英國啟動了量子科技發(fā)展的第一個“五年計劃”，并于計劃期間建成了通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心。2018年，英國又通過了新的五年計劃，計劃投資3.15億英鎊建成一個國家量子計算中心和四個量子中心。2020年，英國防部發(fā)布文件開始推進量子科技在防務(wù)體系中的發(fā)展。英國在規(guī)劃量子科技發(fā)展上走在了整個歐洲的前列，為歐洲的量子科技發(fā)展增添了巨大的活力。

此外，德國和俄羅斯也制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略來規(guī)劃本國的量子科技發(fā)展。德國在2018年發(fā)布報告《量子技術(shù)：從基礎(chǔ)研究到市場》，為國家量子科技的發(fā)展定下了總體的框架。同樣在2018年，俄羅斯頒布了“數(shù)字經(jīng)濟國家項目”，將量子科技列為了九大重點發(fā)展對象之一，規(guī)劃了俄五年內(nèi)的量子科技研究工作。

歐盟和歐洲主要國家在量子科技領(lǐng)域內(nèi)積極布局，從宏觀、微觀層面出臺了一系列的量子科技發(fā)展計劃，形成了以歐盟為引領(lǐng)，各國持續(xù)跟進的多輪驅(qū)動發(fā)展態(tài)勢。

量子科技軍民兩用應(yīng)用情況

無論是在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，量子科技都展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景和強大的產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力。世界各國都在增加研發(fā)投入，加大專利申請，力爭在這場“軍備競賽”之中取得優(yōu)勢地位。總體而言，全球呈現(xiàn)出了美國領(lǐng)跑，世界各國爭相角逐的競爭格局。

量子計算機—鷹

美國的量子科學(xué)技術(shù)仍處于世界領(lǐng)先地位，特別是在量子計算機領(lǐng)域。2021年美國IBM公司研制出了一臺能運行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(dǎo)量子計算機。量子比特是量子計算機的基本信息單元，其數(shù)量是評估一臺量子計算機性能高低的一般性標(biāo)準(zhǔn)。在超導(dǎo)量子領(lǐng)域，每增加一個量子比特代表著計算機在計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，可以提供比當(dāng)今計算機更快的指數(shù)級運算速度。IBM表示，將在未來推出超過1000個量子比特的計算機。

據(jù)美國家科學(xué)院所述，量子計算機的使用前景十分廣闊，可以應(yīng)用于醫(yī)療技術(shù)、物流、氣候等方面，給藥物開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全、金融建模等領(lǐng)域帶來革命性的改變，處理經(jīng)典計算機無法解決的問題。一方面，量子計算機可以促進人工智能學(xué)習(xí)的發(fā)展，用于開發(fā)更精確的致命性自主武器系統(tǒng)。另一方面，量子計算機及量子傳感器還可以和人工智能技術(shù)結(jié)合發(fā)展，進一步升級美軍軍事情報、監(jiān)視與偵查系統(tǒng)。

除此之外，在量子技術(shù)研究方面，美國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所團隊于2021年發(fā)現(xiàn)宏觀量子糾纏直接證據(jù)，有助于其在量子網(wǎng)絡(luò)方面的研究；哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院開發(fā)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(xué)家在材料科學(xué)、通信技術(shù)等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

英國布里斯托大學(xué)研發(fā)出的量子成像儀

美陸軍研究實驗室通過量子信息技術(shù)為士兵提供便攜式的定位。量子技術(shù)可以顛覆傳統(tǒng)的天線測量電磁信號，成為一種新型的信息處理平臺。美國量子科學(xué)家Fredrik Fatemi說：“量子技術(shù)異常復(fù)雜，但是展開量子技術(shù)研究能夠得到巨大回報。通信、導(dǎo)航、定位、計算以及戰(zhàn)場探測是陸軍需要的重要作戰(zhàn)功能。”

歐洲先發(fā)制人，多點創(chuàng)新。作為量子理論的主要發(fā)源地，歐洲很早就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力，近年來更是在多個領(lǐng)域不斷取得突破，其中英國、法國和德國近年來取得的成果最為顯著。據(jù)報道，2021年格拉斯哥大學(xué)物理學(xué)家首次找到使用量子糾纏將信息編碼成全息圖的方法，對于進一步創(chuàng)造更高分辨率、更低噪聲的圖像有很大的助益；同時，英研究與創(chuàng)新機構(gòu)（UKRI）發(fā)布消息稱，布里斯托大學(xué)研發(fā)出一款新型的量子成像儀，這一技術(shù)在醫(yī)療保健、國防、安全、運輸和制造領(lǐng)域都可以得到廣泛運用。

2021年，法國索邦大學(xué)牽頭組成的量子研究團隊在量子儲存器的研究上取得新突破，在儲存器的儲存和檢索效率上創(chuàng)造了新的記錄，對未來歐洲建立大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了關(guān)鍵一步。而德國早在2019年就開始利用量子糾纏效應(yīng)打造量子網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)研究人員表示目前已經(jīng)實現(xiàn)第一個量子網(wǎng)絡(luò)原型。可以預(yù)見一個絕對安全的通信系統(tǒng)在不遠的將來就會逐漸投入使用，廣泛的應(yīng)用于軍事保密通信、政府機關(guān)、軍工企業(yè)和各類民用機構(gòu)，前景十分廣闊。此外，2022年1月，歐洲首臺超5000量子位元的量子計算機在德國正式啟用，該機器在采樣和處理問題上效率顯著，是歐洲量子計算機發(fā)展的一個里程碑式的突破。

位于德國于利希研究中心的D-Wave量子退火計算機是歐洲首臺超5000量子位元的量子計算機

日本夯實推進，穩(wěn)步前行。作為量子通信領(lǐng)域的先驅(qū)者，日本在這一領(lǐng)域的發(fā)展獨樹一幟。2021年6月，日本東芝公司通過實驗，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(shù)可用于組織安全通信，成為新一代數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，使信息能夠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密鑰分配（QKD）技術(shù)將傳輸數(shù)據(jù)進行加密，并構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，從而減少外部環(huán)境的影響，最大程度的確保信息通訊的安全性和有效性。這一項技術(shù)可以極大提高軍部內(nèi)部通信的保密性，在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

日本于2020年開始建立全球量子加密網(wǎng)絡(luò)，并大力推動單自旋器件、量子傳感器和量子中繼技術(shù)的發(fā)展。此外，為了下一代量子計算機與量子通信等技術(shù)早期落地使用，日本構(gòu)建產(chǎn)、學(xué)、研一體化研發(fā)機制，預(yù)計在2035年實現(xiàn)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。日本電信公司NTT和東京大學(xué)的科學(xué)家表示，通過量子態(tài)隱形傳輸是量子中繼的基礎(chǔ)技術(shù)，如果量子中繼器可以投入實際使用，有望實現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。

結(jié)語

量子科技發(fā)展方興未艾，各國新式量子科技發(fā)明和發(fā)現(xiàn)井噴式的呈現(xiàn)在人們的眼前，顛覆著人們的世界觀。無論是現(xiàn)代戰(zhàn)爭還是人們的日常生活，都將在這場量子科技革命之中發(fā)生翻天覆地的變化。