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国外量子行业发展及对我国的启示

时间:2021年03月23日 分类:电子论文 次数:

量子计算技术所带来的算力飞跃,给复杂度较高的物理化学、新型材料研发、医药、能源勘探、人工智能等行业发展带来强大助力。 美国、英国、欧盟等国家和地区出台了一系列支持量子信息技术的发展战略,并下拨大量资金用于研究。 这些或对我国量子产业的发展有

  量子计算技术所带来的算力飞跃,给复杂度较高的物理化学、新型材料研发、医药、能源勘探、人工智能等行业发展带来强大助力‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 美国、英国、欧盟等国家和地区出台了一系列支持量子信息技术的发展战略,并下拨大量资金用于研究‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 这些或对我国量子产业的发展有所启发‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

量子电子学报

  量子计算是一种新型计算方式,以微观粒子构成的量子比特为基本处理和存储单元,量子计算的计算和存储能力可随量子比特数量的增加而呈指数级规模扩展,量子计算在理论上具有攻克经典计算无解难题的巨大潜力。

  根据波士顿咨询公司预测,截至2030年,量子计算应用市场规模将达到500亿美元,其发展前景被业界看好。 近年来,美国、欧洲、英国、加拿大、澳大利亚等国家和地区普遍重视量子计算技术与产业发展,全球科技巨头、科研机构亦展开量子计算领域研究与行业应用,量子计算研究与产业发展呈现良好态势。

  国外量子行业发展现状

  从全球范围来看,多国政府纷纷出台支持量子信息技术的发展战略,下拨大量资金用于以量子计算为主的量子信息技术研究。 美国近年来持续投入,政府部门、高校及科研院所、科技巨头和初创企业等形成合力协同发展,在基础理论研究、量子处理器研制和应用探索等方面占据领先地位; 日本、加拿大、澳大利亚和欧洲等国家和地区紧密跟随,通过联合攻关和成果共享等方式,正在形成联盟并不断加强合作优势; 印度、韩国、俄罗斯、以色列等国家也开始重视量子计算技术的发展,并相继将其列入国家技术计划,加大研发投入。

  美国

  早在2002年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)就制定了《量子信息科学和技术发展规划》,目标是若干年内在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。 2007年,DARPA将量子科技作为核心技术基础列入其战略规划,在2015年设定的战略投资领域中,量子物理学成为DARPA的三大前沿技术之一。

  2009年,美国国家科学与技术委员会(NSTC)发布了《量子信息科学的联邦愿景》,建议政府加强量子技术的控制和利用。 国家科学基金会(NSF)提出了量子信息科学跨学科研究计划。

  2015年,美国陆军研究实验室(ARL)发布《2015—2019年技术实施计划》,提出2015财年至2030财年量子信息科学研发目标与基础设施建设目标。 从2016财年起,国防部长办公室支持三军量子科学与工程制造项目(QSEP)。

  2016年7月,NSTC发布《推进量子信息科学发展:美国的挑战与机遇》报告,报告总结了量子信息科学在多个领域的进展和未来发展潜力,指出了美国在目前研发进程中的障碍,调查了各联邦机构在量子信息科学领域的主要项目及研发投入水平。 同年,美国能源部(DOE)发布了《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》报告。

  2018年6月,美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》,计划在10年内拨给能源部、国家标准与技术研究院、国家科学基金会(NSF)12.75亿美元,用于开展量子信息科技研究。 9月,美国白宫科技政策办公室(OSTP)、国家科学技术委员会(NSTC)发布《量子信息科学国家战略概述》,系统性地总结了量子信息科学带来的挑战、机遇,以及为维持和扩大美国在该领域的领导地位所应做出的努力。 12月,美国总统特朗普签署《国家量子倡议法案》,全方位加速量子科技的研发与应用,确保美国量子科技领先地位,开启量子领域的“登月计划”。

  2020年2月,美国白宫网站发布《美国量子网络战略构想》,提出美国将开辟量子互联网,确保量子信息科学惠及大众。 《战略构想》指出,通过在量子网络领域的前驱开拓,美国预备革新国家和金融安全、患者隐私、药物发现以及新材料的设计和制造,同时增加人们对宇宙的科学认识。 7月,美国能源部公布了一项致力于打造量子互联网的计划,目标是十年内建成与现有互联网并行的第二互联网——量子互联网。 8月,美国白宫科学技术政策办公室、国家科学基金会和美国能源部宣布,拨款超过10亿美元,在全国建立12个新的人工智能和量子信息科学研究所——7个国家科学基金会牵头的人工智能研究机构和5个能源部量子信息科学研究中心。

  欧盟

  2008年,欧盟发布《量子信息处理与通信战略报告》,提出了欧洲在未来五年和十年的量子通信发展目标,包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。 同年9月,欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书,启动量子通信技术标准化研究,并联合来自12个欧盟国家的41个伙伴小组开启了“基于量子密码的安全通信”(SECOQC)项目。

  2016年3月,欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》,呼吁欧盟成员国及欧盟委员会发起资助额达10亿欧元的“欧洲量子技术旗舰计划”,并实现如下目标:建立极具竞争性的欧洲量子产业,确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位; 增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性; 面向量子技术创新企业加大投资,把欧洲打造为一个有活力和吸引力的区域; 充分利用量子技术进展,更好地应对能源、健康、安全和环境等领域的重大挑战。

  2017年11月,“欧洲空间量子技术行动”(QTSpace)主席在欧洲空间局(ESA)第二届量子技术研讨会上向ESA和欧盟委员会提交了题为《空间量子技术》的战略报告,在未来发展战略和优先任务方面,确定了通过卫星传输的保密通信、时间频率的空间传输、遥感和对地观测、基础物理四个重点发展方向。

  2018年10月,由欧盟委员会资助的“欧洲量子技术旗舰计划”开始施行,该计划将历时十年,预算为10亿欧元,首批启动19个科研类项目。

  2020年5月,欧盟“欧洲量子技术旗舰计划”官网发布《战略研究议程(SRA)》报告。 报告表示,未来三年将推动建设欧洲范围的量子通信网络,完善和扩展现有数字基础设施,为未来的“量子互联网”远景奠定基础。 为实现这一目标,欧盟将推动量子通信与传统的网络基础设施和应用相结合,利用QKD(量子密钥分发)协议和具有可信节点的网络,开发用于全球安全密钥分发的基于卫星的量子密码等。

  英国

  2015年3月,英国政府发布《量子技术国家战略——英国的一个新时代》报告,同年9月发布《英国量子技术路线图》,将量子技术发展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。 英国量子技术国家战略由英国量子技术战略咨询委员会制定,旨在指导英国未来20年与量子科技相关的发展与投资,促进形成一个长期、可持续、增长式的英国量子产业。

  2016年12月,英国政府科学办公室发布《量子技术:时代机会》报告,提出建立一个集政府、产业、学界力量为一体的量子技术共同体,使英国能在未来的量子技术市场中抢占世界领先地位,实质性地提高产业价值。 同时,其还提出了英国量子技术应用的五大领域,分别是原子钟、量子成像、量子传感和测量、量子计算和模拟以及量子通信。

  2018年12月,英国下议院科学技术委员会发布《量子技术》报告,分析了量子技术给英国带来经济增长和社会效益的机会与潜在风险,提出下一步发展的政策建议。

  2020年7月,英国国防科学与技术实验室(Dstl)代表英国国防部、英国战略司令部,联合发布了《量子信息处理技术布局2020:英国防务与安全前景》研究报告。 报告认为,量子技术的进步能够有效帮助军事指挥官提升决策的高效性、准确性和果断性。 未来5~10年内,量子信息处理不仅能够在防务体系中得到推广应用,还能广泛应用于金融交易,飞机、导弹、火控和防御装备的控制系统,传感器数据处理(如数据融合、导航、干扰环境下信号解析),机器学习,人工智能场景理解,警告标志识别,非可见环境下的模式分析等多个领域。

  对我国量子行业发展的启示

  为抢占量子技术革命的制高点,我国先后启动“自然科学基金”“863计划”和重大专项,支持量子计算的技术研发和产业化落地。 目前,我国主要以科研机构、高校开展的理论研究为主,核心论文数量、研究机构数处于世界前列,基础研究能力仅次于美国。 尤其在多光子纠缠领域,一直保持国际领先地位,已经实现18个光量子的纠缠,国内第一台“玻色取样”在特定任务上超越最早期两台经典光量子计算原型机。 阿里巴巴、腾讯、百度和部分ICT企业也积极参与产业生态建设,纷纷建立相关实验室。 借鉴国外量子产业发展的先进经验,对我国的启示如下:

  夯实量子技术科研基础

  在量子计算领域,建立研究机构与信息通信、化工制药、人工智能等行业的合作平台与机制,依托实际需求,进行复杂计算问题在量子计算处理器和云平台的建模解析、算法映射和协同研发; 在量子通信领域,对于已经进入实用化的量子密钥分发和量子保密通信,依托现有试点项目和网络建设,进一步促进商用化推广和产业发展成熟; 在量子测量领域,加强科研项目布局中的工程化和实用化指标考核,推动研究成果落地转化,以及研究机构和行业应用部门的沟通交流合作。

  落实科学规划

  实施科技创新驱动发展战略,编制量子科技发展的“十四五”规划,布局量子科技的科研、人才培养和产业发展; 进一步完善政府统筹协调和决策机制,强化科研项目和资金管理,提升科技成果转化激励机制成效,提高科研人员成果转化效益,促进地方科技体制机制改革; 制定推进量子应用商业发展所必需的指标和标准,完善量子通信行业的评测技术与相关规章制度。

  以市场需求驱动产业应用

  发挥产学研合作优势,采取政府和社会资本合作的模式推动建设创新中心、研究院; 支持量子科技领域海外公司在我国设立全创新中心和平台,构建跨国公司与本土企业创新合作服务平台,推动量子科技加快发展; 量子信息技术研究和应用涉及诸多工业基础配套和工程研究环节,加强对材料工艺、核心器件和测控系统等瓶颈环节的攻关突破,对于产业应用和可持续发展具有重大意义。

  科学技术论文投稿刊物:《量子电子学报》由中国科学院主管,中国光学学会基础光学专业委员会主办,科学出版社出版的学术期刊。国内刊号CN:34-1163/TN,国际刊号ISSN:1007-5461。

  人才队伍与平台建设

  加大专业人才引进培养。 成立量子科技学院或学校,为量子科技开发应用培养、储备人才; 制定量子科技高精尖人才培养计划,加强高校和科研院所技术转移机构的建设和人才培养,促进知识的双向流动; 遴选量子科技重大战略领域,积极开展基础性、战略性、前沿性科学研究和共性技术研究,构建开放、协同、高效的共性技术研发平台。

  作者:王林

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