第二次量子革命序幕拉开 各国抢占技术制高点

2016年10月09日 11:27:44 来源: 光明日报
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第二次量子革命序幕拉开 各国抢占技术制高点

    量子科学是20世纪最为重要的科学发现之一。进入21世纪,随着第二次量子革命的到来,量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点。国际社会纷纷加大研发力度和投入,力争抢占技术制高点。

    英国:将量子技术提升至重要战略地位

    英国是量子技术研究的全球领先国家。英国政府将量子技术提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。

    早在《2013年秋季声明》中,英国政府即宣布将投资2.7亿英镑设立英国国家量子技术计划,同时成立量子技术战略顾问委员会。国家量子技术计划已经为英国带来了一些巨大变化,包括工程和物理科学研究理事会投资建立了国家量子技术网络中心;英国国防部投资建造了量子导航和重力成像仪的样机;英国创新委员会开展了一系列活动,推动企业探寻量子技术可能为英国带来的商业机遇;工程和物理科学研究理事会也投资建立了一些博士培训中心,为将来的劳动力提供高级技能。

    英国是世界上量子研究的主要投资国之一。目前的投资是使量子技术行业植根英国的第一步,为早期的创新和产品发展创造环境、提供技能。随后的投资将进一步促进这一新兴行业的增长。为充分实现量子技术能够带来的利益,英国必须成功地将世界领先的研究转化为适于市场的创新产品。这需要一个国家战略,量子技术战略顾问委员会已经代表英国量子团体拟定了这一战略。

    这一战略的目的是在接下来的20年里对于新的量子工作和投资予以指导,帮助量子行业扎根英国,并带来盈利、增长和可持续发展。这一愿景旨在协调政府、行业和学术团体等各方力量,使英国在量子技术这一价值达数十亿英镑的新兴市场中获得世界领先地位。该愿景不仅仅是扩大和发展量子技术行业,还要确保其蓬勃地生长在英国,从总体上为社会输送长期利益。

    为此,英国拟定了量子技术国家战略的五项重点任务:一是构建坚实的能力基础,二是促进量子技术在英国的应用,三是培育量子技术领域的高技能人才,四是创造合适的社会和管理环境,五是通过国际参与使英国利益最大化。

    欧盟:10亿欧元大力布局量子技术项目

    继石墨烯和脑科学项目之后,欧盟在科研领域再次发力。3月,欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》,计划于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目,希望借此促进包括安全的通信网络和通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。

    欧盟委员会发言人娜塔丽·范迪斯塔特表示,尽管这一项目的开展方式还未敲定,但其在规模、时间跨度以及目标等方面,与欧洲目前的两大旗舰项目——石墨烯旗舰项目和人类大脑工程相当,资金将来自欧盟和其他欧洲国家。

    德国乌尔姆大学与斯图加特大学的整合量子科学和技术中心负责人托马索·卡拉尔科表示,欧盟委员会很可能在资助这一旗舰项目方面起“实质性作用”。卡拉尔科是这一计划背后蓝图《量子宣言》的联合起草人之一。他表示,目前世界各国积极涉足量子技术,如果没有这一计划,欧盟可能会沦为“二线玩家”。

    欧盟委员会认为,这一旗舰项目将刺激欧洲量子技术的发展,这些技术是“第二次量子革命”的一部分。第一次量子革命揭示了量子力学的基本原理,激光和晶体管等设备因此问世。

    《宣言》建议量子技术旗舰计划投入10亿欧元,其目标与《地平线2020计划》的三大支柱相符。在科学卓越方面,增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性;在工业引领方面,要建立极具竞争性的量子产业,确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位,把欧洲打造为一个有活力和吸引力的区域。在社会挑战方面,充分利用量子技术的发展,更好地解决健康、能源、环境和安全等领域的重大挑战。

    美国:视量子技术为增强国家安全的突破性技术

    DARPA(美国国防部先进研究项目局)始终站在美国国防科学研究最前沿。2015年3月,DARPA发布《增强国家安全的突破性技术》报告,确定了九大核心技术领域,量子科学是其中之一。DARPA将这些核心技术作为研发重点,努力使美国军事能力不断产生新的飞跃。

    DARPA在报告中指出,DARPA当前正在着手构建新能力,要“掌握并利用量子物理学”,随着对集体量子行为的深入了解及在光与物质系统精密工程方面取得的新进展,可以对新型材料和设备进行深度控制。DARPA正在快速推进量子技术,包括纳米/量子的光-电-机械结构工程,通过光冷技术实现对冷原子的精确控制等。这些技术为生化探测、通信和信息处理、计量、电磁频谱的深度控制等带来了新生力量。

    2015年4月,麻省理工学院发布研究报告,提出了联邦政府需要加强投入的15个关键领域,其中之一为量子信息技术,其基础研究重点包括:开发结合多个量子位之间的信息交换方法、测量和控制技术,以及设计实际应用的量子系统架构。报告指出,这些技术对于美国国家安全、社会经济发展和人类福祉至关重要。

    美国国家科学技术委员会在今年7月发布了《推进量子信息科学:国家的挑战与机遇》的报告。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理的发展,未来可能最终会颠覆众多科学领域。美国政府随即在官网发文,督促学术界、工业界和政府相关部门尽快就量子信息科学议题进行交流,以保证量子信息研发的关键需求得到满足。目前,美国科技公司谷歌、IBM等已经在量子计算机领域有所投入。

    日本:积极推进光·量子技术的研发与应用

    光·量子技术(光科学技术与量子束技术)是支撑包含产业技术、社会基础设施技术在内的诸多领域技术革新的重要基础技术,可以说是科学技术的“基础设施”。日本在“量子束技术”与“光科学技术”领域处于世界领先地位。早在2011年12月,日本便在学术审议会尖端研究基础委员会下设“光·量子束研发作业委员会”。该机构立足于光·量子技术的研发现状与国内外的情况,针对现在的课题以及今后推进的战略政策方针进行研讨。日本还将其运用到新素材的开发以及品种改良、研制新药品等诸多领域,促进了产业领域的高度化发展,增强了日本的国际竞争力。

    在光科学技术领域,日本拥有成熟的半导体电子技术、光纤技术等激光技术。最先进的激光技术具有高精度、高能量密度以及高效率能源转换性能等特征,是被广泛应用于各尖端科技领域的先导基础技术。日本拥有众多开展光科学尖端研究的基地,比如光科学中心、电气通信大学的激光新一代研究中心、物理化学研究所等。此外,日本在信息通信、太阳能电池以及产品评估技术等领域,也具有较高的国际竞争力。

    量子束技术作为一项基础技术,已经广泛应用于从基础科学到产业应用的诸多领域。例如,日本拥有光子工厂等放射光设施以及多种量子束设施,量子束研发已经进入了一个新时代。尤其,X射线自由电子激光设施SACRA是量子束技术衍生出来的相干光源技术,今后,如果能够与光科学技术融合,将成为取得飞跃式发展的重要技术。

    中国:量子通信处于国际领先地位

    在量子技术研发方面,我国在全球的排位比较靠前,有很好的科研积淀。2016年3月《第十三个五年规划纲要》发布,其中量子通信和天地一体化信息网成为十大重点推进项目,预计两大专项基金支持力度接近千亿,极大推动量子通信军用、民用大规模建设和应用。量子通信的安全、高效以及国家在量子通信领域的逐步推进,也让市场对于量子通信的前景充满了期待。

    2016年8月16日,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子卫星的成功发射和在轨运行,有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。首颗量子卫星发射后,我国还将发射更多卫星,到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,届时连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右,中国将建成全球化的广域量子通信网络。

    此外,我国在量子探测技术、量子点显示技术、量子存储技术、量子计算技术等领域都拥有广阔的发展及应用前景。(作者:张翼燕 中国科学技术信息研究所)

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