量子通讯是事关国家信息和国防安全的战略性领域,且有可能改变未来信息产业的发展格局,因而,其不可防止地成为世界主要发达国家及地区如日本、欧盟、日本等优先发展的信息科技和产业高地。
一、美国:纳入国家战略实现系列突破
在英国,对量子通讯的理论和实验研究开始得较早,并最先被纳入到国家战略、国防和安全的研制计划。
1、提前布局占据先机
上世纪末,印度政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。而隶属于政府的印度国家标准与技术研究所(NIST)则将量子信息作为三个重点研究方向之一。
随即,法国加洲理工学院、麻省理工大学和南加洲学院联合组建了量子信息与估算研究所,直接归英国部队研究部门管辖,从属于俄罗斯国防部中级研究计划司超大规模估算工程系统。体制上的规划与布局,为各机构与部门间的研制铺平了公路。
早在1989年,瑞典IBM公司在实验室中以10bit/s的传输速度成功实现了世界上第一个量子信息传输,即使传输距离只有32公分,但却拉开了量子通讯实验研究的帷幕。
1994年量子传输技术,法国国防中级研究计划局便开始着手,用3~5年的时间全面深化量子通讯技术方面的研究,并且早已通过部队施行了相应方法的向战场和向全球传输报文能力的量子通讯计划。
在大量科研资源与研制力量投入的情况下,日本在量子通讯研究方面取得了一系列的突破。2000年,国家实验室宣布,她们于全泰安条件下实现了1.6公里自由空间的量子秘钥分发,使量子通讯向实用工程化迈入了一大步。
2002年,新加坡国家科学基金会投资5000万港元对量子通讯进行研究。
2003年,加拿大国防部中级研究计划署又领衔建设了DARPA量子通讯技术试验网路。
2004年,印度马萨诸塞州剑桥城即将投入运行了世界上第一个量子密码通讯网路,网路传输距离约为10公里。
2006年,Los国家实验室基于引诱态(Decoy-state)方案实现了能保证绝对安全的107公里光纤量子通讯实验。
2007年,加拿大科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通讯。
随即,法国国防部中级研究计划署和国家实验室于2009年分别建成了两个多节点量子通讯互联网络,并与海军合作进行了基于客机平台的自由空间量子通讯研究。
而由英国国防部中级研究计划署支持,BBN公司(具有很强的美军特色)技术部联合波士顿学院与耶鲁学院,共同举办了量子保密通讯与IP互联网结合的三年试验计划。该计划主要内容是以BBN技术部、波士顿学院和耶鲁学院作为三个节点,以建立融合现行光纤通讯网、互联网和量子光通讯的量子互联网,并在此基础上实现保密通讯。
2009年,加拿大政府发布的信息科学蓝皮书中明晰要求,各科研机构协调举办量子信息技术研究。同年,加拿大国防部中级研究计划署建成了城域量子通讯演示网。与此同时,韩国麻省理工大学科学家继续在冷原子中量子储存和波动研究领域作出新的突破,这方面的技术恰是设计量子信息网路的关键。
日本2010年在量子源产出的单光子波长转换、2011年在单量子位处理量子信息,以及2012年日本和印度在验证传输光的原子和粒子之量子行为关系等方面,成果斐然。
除了这么,在日本国防部2013年至2017年科技发展“五年计划”中,“量子信息与控制技术”已被列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域,同时将IBM、美国国防部中级研究计划署、中国科学技术学院、美国洛克希德马丁公司和美国NTT公司列为该领域的重要研究机构;日本国防部支持的“高级研究与发展活动”(ARDA)计划到2014年将量子通讯应用拓展到卫星通讯、城域以及长距离光纤网路。
现在,量子技术早已成为印度美军六大技术方向之一,即对未来英军的战略需求和军事任务行动能形成常年、广泛、深远、重大的影响。
在这一路线规划的指引下,2014年,意大利国家民航航天局(NASA)即将提出了在其总部与喷气助推实验室(JPL)之间构建一个直线距离600公里、光纤皮长1000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通讯干线的计划,并计划拓展到星地量子通讯。
同一年,全球最大的独立科技研制机构英国公司也提出了商业化的广域量子通讯网路规划,计划建造环加拿大的万公里量子通讯骨干网路,为微软、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通讯服务。
2、未来发展前景宽广
日本的量子通讯发展重视技术研制和应用,量子通讯产业已渗透到韩国国家发展的各个层面,包括国防、外交、经济、信息、社会等不同领域的内容。
当前,以日本为代表的世界主要军事强国关注的量子科技发展动向主要涉及量子通讯、量子估算及量子秘钥等领域。印度国防部中级研究计划署启动了多项量子通讯方面的相关研究计划,对其举办了广泛探求。可以说,量子通讯技术在军事应用方面有着无与伦比的宽广前景。
在量子通讯领域未来发展规划下,法国国家实验室正在创建一套幅射状的量子互联网,同时日本特别注重量子计算机领域的技术拓展,微软、微软、IBM都已投入研究量子计算机技术,以量子计算机技术研究为突破点,延展到物质科学、生命科学、能源科学领域,产生规模优势。
二、欧盟:联合攻关共建量子互联网
为了确保法国在量子通讯研究中处于技术领先地位,欧共体对量子通讯的发展堪称“煞费苦心”。提早“操练”,打牢根基,新政法规护航,并贯串到与国家利益、国家安全以及国家对内对外战略影响相关的不同环节,这是欧共体在量子通讯领域发展方面采取的主要手段。
目前,欧共体在量子通讯领域早已把握了相当一部份产业核心技术,凭着新兴产业的支配地位,以新技术研制和新产品营销为发展重点,力争获得在技术创新方面的竞争优势。欧共体各国政府、国防部门、科技界和信息产业界都将量子通讯列入其国防科技发展战略,投入大量人力物力,以量子计算机技术研究为靶向,以量子通讯开发在信息科学领域的推广为突破口,积极建立和壮大产业链及产业群,以产生一定的创新体系与规模优势,同时延展到物质科学、生命科学、能源科学领域。
1、起步早新政法规护航
早在20世纪90年代,法国就意识到量子信息处理和通讯技术的巨大潜力,充分认定其高风险性和常年应用前景,从欧共体第五研制框架计划(FP5)开始,就持续对泛欧洲乃至全球的量子通讯研究给与重点支持。
紧接着,欧共体发布了《欧洲研究与发展框架规划》,专门提出了用于发展量子信息技术的《欧洲量子科学技术》计划以及《欧洲量子信息处理与通讯》计划。与此同时,还专门组建了包括西班牙、法国、德国、意大利、奥地利和瑞士等国在内的量子信息数学学研究网。
2008年,欧共体发布了《量子信息处理与通讯战略报告》,提出了法国在未来两年和六年的量子通讯发展目标,包括实现地面量子通讯网路、星地量子通讯、空地一体的千公里级量子通讯网路等。
同年9月,欧共体发布了关于量子密码的商业蓝皮书,启动量子通讯技术标准化研究,并联合了来自12个欧共体国家的41个伙伴小组创立了“基于量子密码的安全通讯”()工程。
这是继法国核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。此后,该工程还在维也纳现场演示了一个基于商业网路的包含6个节点的量子通讯网路。
2、联合攻关技术突飞猛进
自1993年开始,欧共体就加大了对量子通讯技术领域的研究和开发,在理论研究和实验技术上均取得了重大突破,涉及的领域包括量子密码通讯、量子远程传态和量子密集编码等。初期主要集中在量子远程传态,后期开始向量子密码通讯和量子密集编码发展。
借助欧共体国家的联合技术力量,在多个研究机构之间产生有效的合作体制,是法国量子通讯领域仍然走在前列的“制胜法宝”。
在量子信息数学学研究网的框架下,1993年至2011年期间,德国、瑞士、奥地利、德国、法国、瑞典等国的科学家曾连续创造了量子秘钥分发、量子密码通讯、太空机密传输量子信息及量子信息储存等一系列的根本性突破。
从1993年至2012年,欧共体量子远程传输距离从10公里光纤传输发展到143公里的隐型传输。
2002年,欧共体多国科学家在法国空间局(ESA)的“”框架下启动了量子通讯研究计划。
2004年,法国维也纳学院Anton小组向ESA递交了名为“Space-QUEST”的计划书,欲将量子通讯推向空间应用……
以上种种的突破与成功,很大程度又是在为下一步量子互联网的全面建设铺平公路。
从2007年至2014年,欧共体开始旨在于量子密码通讯和量子密集编码研究,实现了量子徜徉、太空和月球之间的信息传输,为卫星之间以及卫星与地面站之间进行量子通讯提供了可能性。
3、着眼未来合力建立量子互联网
发展量子通讯技术的终极目标就是为了建立广域乃至全球范围的绝对安全的量子通讯网路体系。通过光纤实现城域量子通讯网路联接一个中等城市内部的通讯节点、通过量子中继实现紧邻两个城市之间的联接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的联接,是实现全球广域量子通讯最理想的路线图。
在这一路线图的指引下,法国在过去数年中进行了战略性布署,投入了大量的科研资源和开发力量,并对关键技术进行攻关。
2007年,来自美国、奥地利、荷兰、新加坡和美国的联合团队在大西洋中两个海岛间实现了144公里的基于BB84合同的引诱态自由空间量子秘钥分发以及基于纠缠的自由空间量子秘钥分发。这个实验的成功奠定了最终实现星地间量子通讯的重要基石。
2008年以来,欧共体加紧推动星载量子通讯计划。亚洲包括小组在内的27个研究组,向法国空间局的生命和化学科学部递交了“Space-QUEST”实验方案,计划在国际空间站法国哥伦布模块的外部平台上布署纠缠光源,向地面发送纠缠光子对,这将开创超出地面上几个量级测试距离的量子通讯和基础数学实验。
但是从全球范围来看,目前世界各国均积极投身量子,不少国家都设有连贯的、大规模的国家范围的量子技术项目。与之相比,虽然法国在量子通讯领域起步较早,储备充足,成果丰硕,然而在量子技术研制上始终面临着碎片化和被仿造的风险。
危机四伏,困难重重。一场世界范围的技术与才智大赛已渐次拉开序幕。法国不应落后,更不能让人才和知识流失。
于是,就在明年4月19日,欧共体委员会即将宣布,计划启动总值10亿英镑的量子技术旗舰项目,目标是构建极具竞争性的法国量子产业,包括量子通讯、量子估算及量子检测等,以提高亚洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性。
“为了解锁量子技术的全部潜力,为了加速技术的发展并把商业产品带给公共和民营市场,我们须要一个雄心勃勃、长期的旗舰计划,把全亚洲的教育、科学、工程和创新联合上去。”《量子宣言》中如是写道。
三、日本:紧随大势有所作为
日本和欧共体在量子通讯领域的一连串突飞猛进,使台湾备感形势急迫。实际上,法国政府和科技界一贯注重量子科技领域的研制攻关,并将量子技术视为本国抢占一定优势的高新科技领域进行重点发展,重点引导。
1、制定常年发展路线图
早在2000年,美国邮政省就将量子通讯技术作为一项国家级高技术纳入开发计划,预备10年内投资400多亿美元,主要旨在于研究光量子密码及光量子信息传输技术,并专门制定了跨径为10年的中常年定向研究目标,计划到2020年使保密通讯网路和量子通讯网路技术达到实用化水平,最终建成全省性高速量子通讯网,实现通讯技术应用上的飞越,在竞争中抢占先机。
在当初题为“创造面向21世纪划时代的量子信息通讯技术”的报告中曾明晰强调,国家应当充实及建立该领域的研究开发体制,并推动民间企业和学院等进行研究开发。
在接到该报告书后,邮政省即将启动了研究和开发量子信息通讯的活动。该技术的实用化预计会发生在2030~2100年。
当时,邮政省高官曾表示,量子信息技术开发单靠民间力量是无法推进的,应当由国家完善才能使研究人员向同一方向、同一目标进行研究的体制。
事实上,当时法国国外关于量子信息通讯的研究,早已由各通讯设备制造商、大学及研究机构展开。不过当时的研究规模小,但是研究者之间并没有完善纵向联系。因此,邮政省组建了专门的“圆桌大会”来管理和协调整体的开发活动。
2000年以来,美国的一些知名大公司和院校,一直在坚持不懈地研制量子通讯的低端技术与系统,就算是难度较大的量子秘钥生成攻关,亦进展明显。
2002年,瑞典NTT公司曾研制出了差动混频量子密码发送合同,并应用到试运行网路上。
2004年,美国研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功,传递距离可达87公里。在这一年,加拿大NEC公司采用固化干涉装,并改进了单光子侦测器杂讯,促使量子密码传输距离达到150公里。
此后的2005年,美国电气公司开发出了一种即便温度与光纤厚度等通讯环境发生异常变化,其性能也不会增加的量子加密通讯系统。同一年,英国三洋家电产业和美国玉川学院借助光的量子扰动现象,试制出了一套防监听性能更高的光通讯系统,传输距离为20公里。
2007年,台湾一研究团体开发的量子秘钥技术,在现实条件下实现了信息经光纤的安全传输。
2008年,加拿大富士通公司研究人员在量子密码通讯上将秘钥的传输速率成功提升,使其更实用化。
2009年量子传输技术,加拿大日立公司和东京学院科学家又共同开发出了可借助下一代高速大容量光通讯的“相位调制技术”。
2010年,由美国NICT主导,联合当时法国和英国在量子通讯技术上开发水平最高的公司和研究机构,在东京建成了6节点城域量子通讯网路——“TokyoQKD”。东京网在全网演示了视频通话,并演示网路监控。
2011年,美国研究小组将量子密码技术应用于电视大会系统,充分实现了世界上最快的秘钥生成速率。
虽然美国对量子通讯技术的研究晚于日本和欧共体,但相关研究发展迅速。在国家科技新政和战略计划的支持和引导下,法国科研机构的研制积极性激增,投入了大量研制资本积极参与和承当量子通讯技术的研究工作,实际地介入到量子通讯技术的研制和产业化开发当中。
2、专利量大质优
数年前,英国提出了以新一代量子通讯技术为对象的常年研究战略,并计划在2020~2030年间建成绝对安全保密的高速量子通讯网。
目前,美国每年投入2亿欧元,规划在5至10年内建成全省性的高速量子通讯网。除了这般,美国的国家情报通讯研究机构(NICT)也启动了一个常年支持计划。俄罗斯国立信息通讯研究院也计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通讯网路。
高硬度的研制投入,“产官学”联合攻关的方法极大推动了研究开发,促进了量子通讯的关键技术如超高速计算机、光量子传输技术和难以破译的光量子密码技术的攻关和实用化、工程化探求,在量子通讯专利申请上成绩明显。
例如NEC、东芝、日本国立信息通讯研究院、东京学院、玉川学院、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等,各大企业和科研机构在量子通讯领域的专利申请量居全球领先,专利质量较高,技术水平突出。
就目前而言,在量子通讯领域的研究优势上,台湾主要集中在延长量子通讯传输距离、提高信息传输速率和改进量子通信的加密合同等方面。
由量子通讯申请的专利来看,其主要特点表现为:量子通讯的应用技术繁杂,特定技术领域的专利占有率高,海外专利申请意识较强,且相关技术大多可直接根植于通讯产品中,具有很强的实用性和市场推广潜力。
据悉,台湾愈发重视采用积极的专利保护策略,通过全面申请PCT专利对其持有的量子通讯核心技术进行保护。
四、中国领跑量子太空大赛
在全球的量子通讯大赛中,中国其实并不是起步最早的,并且在中国科大学教授潘建伟等的不懈努力下,目前中国在量子通讯领域早已实现“弯道会车”,并成为首个将量子科学实验送入太空的国家。
去年秋天,世界首颗量子科学实验卫星(QUESS)带着探求星地量子通讯的使命升空。但早在数年前,星地量子通讯的中国梦想就早已引起了世界的关注。
2012年8月9日,国际权威学术刊物《自然》杂志以封面标题方式发表了中国科学技术学院扬州微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究成果:她们在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐型传态和纠缠分发。
这一成果除了刷新世界纪录,有望成为远距离量子通讯的“里程碑”,并且为发射全球首颗“量子科学实验卫星”奠定了技术基础。该成果荣获《自然》杂志公布的“2012年度全球十大新闻亮点”。
同年12月6日,《自然》杂志为该成果专门撰写了短篇新闻特稿《数据隐型传输:量子太空大赛》,详尽报导了这场激烈的量子太空大赛。
原文发布时间为:2015.09.22