量子技術國際前沿戰略

量子通信是事關國家資訊和國防安全的戰略性領域，且有可能改變未來資訊産業的發展格局，是以，其不可避免地成為世界主要發達國家及地區如美國、歐盟、日本等優先發展的資訊科技和産業高地。 一、美國：列入國家戰略 實作系列突破

在美國，對量子通信的理論和實驗研究開始得較早，并最先被列入到國家戰略、國防和安全的研發計劃。

1、提前布局搶占先機

上世紀末，美國政府便将量子資訊列為“保持國家競争力”計劃的重點支援課題。而隸屬于政府的美國國家标準與技術研究所（NIST）則将量子資訊作為三個重點研究方向之一。

随後，美國加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯合成立了量子資訊與計算研究所，直接歸美國軍隊研究部門管轄，從屬于美國國防部進階研究計劃司超大規模計算工程系統。體制上的規劃與布局，為各機構與部門間的研發鋪平了道路。

早在1989 年，美國IBM 公司在實驗室中以10 bit/s 的傳輸速率成功實作了世界上第一個量子資訊傳輸，雖然傳輸距離隻有32 公分，但卻拉開了量子通信實驗研究的序幕。

1994 年，美國國防進階研究計劃局便開始着手，用3~5 年的時間全面推進量子通信技術方面的研究，而且已經通過軍隊實施了相應方式的向戰場和向全球傳輸封包能力的量子通信計劃。

在大量科研資源與研發力量投入的情況下，美國在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000 年，LosAlamos 國家實驗室宣布，他們于全日照條件下實作了1.6 公裡自由空間的量子密鑰分發，使量子通信向實用工程化邁進了一大步。

2002 年，美國國家科學基金會投資5000 萬美元對量子通信進行研究。

2003 年，美國國防部進階研究計劃署又領銜建設了DARPA 量子通信技術試驗網絡。

2004 年，美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運作了世界上第一個量子密碼通信網絡，網絡傳輸距離約為10 公裡。

2006 年，Los Alamos 國家實驗室基于誘騙态（Decoy-state）方案實作了能保證絕對安全的107 公裡光纖量子通信實驗。

2007 年，美國科學家讓兩個獨立原子實作了量子糾纏和遠距離量子通信。

随後，美國國防部進階研究計劃署和 LosAlamos 國家實驗室于 2009年分别建成了兩個多節點量子通信網際網路絡，并與空軍合作進行了基于飛機平台的自由空間量子通信研究。

而由美國國防部進階研究計劃署支援，BBN 公司（具有很強的軍方特色）技術部聯合波士頓大學與哈佛大學，共同開展了量子保密通信與IP網際網路結合的五年試驗計劃。該計劃主要内容是以BBN 技術部、波士頓大學和哈佛大學作為三個節點，以建構融合現行光纖通信網、網際網路和量子光通信的量子網際網路，并在此基礎上實作保密通信。

2009 年，美國政府釋出的資訊科學白皮書中明确要求，各科研機構協調開展量子資訊技術研究。同年，美國國防部進階研究計劃署建成了城域量子通信示範網。與此同時，美國麻省理工學院科學家繼續在冷原子中量子存儲和波動研究領域做出新的突破，這方面的技術恰是設計量子資訊網絡的關鍵。

美國2010 年在量子源産出的單光子波長轉換、2011 年在單量子位處理量子資訊，以及2012 年法國和美國在驗證傳輸光的原子和粒子之量子行為關系等方面，成果卓著。

不僅如此，在美國國防部2013年至2017 年科技發展“五年計劃”中，“量子資訊與控制技術”已被列為未來重點關注的六大颠覆性研究領域，同時将IBM、美國國防部進階研究計劃署、中國科學技術大學、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領域的重要研究機構；美國國防部支援的“進階研究與發展活動”（ARDA）計劃到2014 年将量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網絡。

如今，量子技術已經成為美國軍方六大技術方向之一，即對未來美軍的戰略需求和軍事任務行動能産生長期、廣泛、深遠、重大的影響。

在這一路線規劃的指引下，2014年，美國國家航空航天局（NASA）正式提出了在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600公裡、光纖皮長1000 公裡左右的包含10 個骨幹節點的遠距離光纖量子通信幹線的計劃，并計劃拓展到星地量子通信。

同一年，全球最大的獨立科技研發機構美國Battelle公司也提出了商業化的廣域量子通信網絡規劃，計劃建造環美國的萬公裡量子通信骨幹網絡，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的資料中心之間提供量子通信服務。

2、未來發展前景廣闊

美國的量子通信發展注重技術研發和應用，量子通信産業已滲透到美國國家發展的各個層面，包括國防、外交、經濟、資訊、社會等不同領域的内容。

目前，以美國為代表的世界主要軍事強國關注的量子科技發展動向主要涉及量子通信、量子計算及量子密鑰等領域。美國國防部進階研究計劃署啟動了多項量子通信方面的相關研究計劃，對其開展了廣泛探索。可以說，量子通信技術在軍事應用方面有着無與倫比的廣闊前景。

在量子通信領域未來發展規劃下，美國LosAlamos 國家實驗室正在建立一套輻射狀的量子網際網路，同時美國非常重視量子計算機領域的技術拓展，谷歌、微軟、IBM都已投入研究量子計算機技術，以量子計算機技術研究為突破點，延伸到物質科學、生命科學、能源科學領域，形成規模優勢。

二、歐盟：聯合攻關 共建量子網際網路

為了確定歐洲在量子通信研究中處于技術領先地位，歐盟對量子通信的發展可謂“煞費苦心”。提前“操練”，打牢根基，政策法規護航，并貫穿到與國家利益、國家安全以及國家對内對外戰略影響相關的不同環節，這是歐盟在量子通信領域發展方面采取的主要手段。

目前，歐盟在量子通信領域已經掌握了相當一部分産業核心技術，憑借新興産業的支配地位，以新技術研發和新産品營銷為發展重點，力争獲得在技術創新方面的競争優勢。歐盟各國政府、國防部門、科技界和資訊産業界都将量子通信納入其國防科技發展戰略，投入大量人力物力，以量子計算機技術研究為靶點，以量子通信開發在資訊科學領域的推廣為突破口，積極建構和壯大産業鍊及産業群，以形成一定的創新體系與規模優勢，同時延伸到物質科學、生命科學、能源科學領域。

1、起步早 政策法規護航

早在20世紀90年代，歐洲就意識到量子資訊處理和通信技術的巨大潛力，充分認定其高風險性和長期應用前景，從歐盟第五研發架構計劃（FP5）開始，就持續對泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點支援。

緊接着，歐盟釋出了《歐洲研究與發展架構規劃》，專門提出了用于發展量子資訊技術的《歐洲量子科學技術》計劃以及《歐洲量子資訊處理與通信》計劃。與此同時，還專門成立了包括英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在内的量子資訊實體學研究網。

2008年，歐盟釋出了《量子資訊處理與通信戰略報告》，提出了歐洲在未來五年和十年的量子通信發展目标，包括實作地面量子通信網絡、星地量子通信、空地一體的千公裡級量子通信網絡等。

同年9月，歐盟釋出了關于量子密碼的商業白皮書，啟動量子通信技術标準化研究，并聯合了來自12個歐盟國家的41個夥伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”（SECOQC）工程。

這是繼歐洲核子中心和國際空間站後又一大規模的國際科技合作。随後，該工程還在維也納現場示範了一個基于商業網絡的包含6 個節點的量子通信網絡。

2、 聯合攻關 技術突飛猛進

自1993年開始，歐盟就加強了對量子通信技術領域的研究和開發，在理論研究和實驗技術上均取得了重大突破，涉及的領域包括量子密碼通信、量子遠端傳态和量子密集編碼等。早期主要集中在量子遠端傳态，後期開始向量子密碼通信和量子密集編碼發展。

利用歐盟國家的聯合技術力量，在多個研究機構之間形成有效的合作體制，是歐洲量子通信領域一直走在前列的“制勝法寶”。

在量子資訊實體學研究網的架構下，1993年至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典等國的科學家曾連續創造了量子密鑰分發、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子資訊及量子資訊存儲等一系列的根本性突破。

從1993年至2012年，歐盟量子遠端傳輸距離從10公裡光纖傳輸發展到143公裡的隐形傳輸。

2002年，歐盟多國科學家在歐洲空間局（ESA）的“General StudiesProgramme”架構下啟動了量子通信研究計劃。

2004 年，奧地利維也納大學Anton Zeilinger 小組向ESA 送出了名為“Space-QUEST”的計劃書，欲将量子通信推向空間應用……

以上種種的突破與成功，很大程度又是在為下一步量子網際網路的全面建設鋪平道路。

從2007年至2014年，歐盟開始緻力于量子密碼通信和量子密集編碼研究，實作了量子漫步、太空和地球之間的資訊傳輸，為衛星之間以及衛星與地面站之間進行量子通信提供了可能性。

3、着眼未來 合力建構量子網際網路

發展量子通信技術的終極目标就是為了建構廣域乃至全球範圍的絕對安全的量子通信網絡體系。通過光纖實作城域量子通信網絡連接配接一個中等城市内部的通信節點、通過量子中繼實作鄰近兩個城市之間的連接配接、通過衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平台的中轉實作遙遠兩個區域之間的連接配接，是實作全球廣域量子通信最理想的路線圖。

在這一路線圖的指引下，歐洲在過去數年中進行了戰略性部署，投入了大量的科研資源和開發力量，并對關鍵技術進行攻關。

2007年，來自德國、奧地利、荷蘭、新加坡和英國的聯合團隊在大西洋中兩個海島間實作了144公裡的基于BB84協定的誘騙态自由空間量子密鑰分發以及基于糾纏的自由空間量子密鑰分發。這個實驗的成功奠定了最終實作星地間量子通信的重要基石。

2008年以來，歐盟加緊推進星載量子通信計劃。歐洲包括AntonZeilinger 小組在内的27個研究組，向歐洲空間局的生命和實體科學部送出了“Space-QUEST”實驗方案，計劃在國際空間站歐洲哥倫布子產品的外部平台上部署糾纏光源，向地面發送糾纏光子對，這将開創超出地面上幾個量級測試距離的量子通信和基礎實體實驗。

然而從全球範圍來看，目前世界各國均積極涉足量子，不少國家都設有連貫的、大規模的國家範圍的量子技術項目。與之相比，盡管歐洲在量子通信領域起步較早，儲備充足，成果豐碩，但是在量子技術研發上仍然面臨着碎片化和被仿制的風險。

危機四伏，困難重重。一場世界範圍的技術與才智競賽已悄然拉開帷幕。歐洲不應落後，更不能讓人才和知識流失。

于是，就在今年4月19日，歐盟委員會正式宣布，計劃啟動總額10億歐元的量子技術旗艦項目，目标是建立極具競争性的歐洲量子産業，包括量子通信、量子計算及量子測量等，以增強歐洲在量子研究方面的科學上司力和卓越性。

“為了解鎖量子技術的全部潛力，為了加速技術的發展并把商業産品帶給公共和民營市場，我們需要一個雄心勃勃、長期的旗艦計劃，把全歐洲的教育、科學、工程和創新聯合起來。”《量子宣言》中如是寫道。

三、日本：緊跟大勢 有所作為

美國和歐盟在量子通信領域的一連串突飛猛進，使日本備感形勢緊迫。實際上，日本政府和科技界一貫重視量子科技領域的研發攻關，并将量子技術視為本國占據一定優勢的高新科技領域進行重點發展，重點引導。

1、制定長期發展路線圖

早在2000年，日本郵政省就将量子通信技術作為一項國家級高技術列入開發計劃，預備10年内投資400多億日元，主要緻力于研究光量子密碼及光量子資訊傳輸技術，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目标，計劃到2020年使保密通信網絡和量子通信網絡技術達到實用化水準，最終建成全國性高速量子通信網，實作通信技術應用上的飛躍，在競争中占據先機。

在當年題為“創造面向21世紀劃時代的量子資訊通信技術”的報告中曾明确指出，國家應該充實及完善該領域的研究開發體制, 并促進民間企業和大學等進行研究開發。

在接到該報告書後，郵政省正式啟動了研究和開發量子資訊通信的活動。該技術的實用化預計會發生在2030~2100年。

當時，郵政省官員曾表示，量子資訊技術開發單靠民間力量是難以推動的,應該由國家建立能夠使研究人員向同一方向、同一目标進行研究的體制。

事實上, 當時日本國内關于量子資訊通信的研究, 已經由各通信裝置制造商、大學及研究機構展開。不過當時的研究規模小，而且研究者之間并沒有建立橫向聯系。為此，郵政省成立了專門的“圓桌會議”來管理和協調整體的開發活動。

2000年以來，日本的一些著名大公司和高校，始終在堅持不懈地研發量子通信的高端技術與系統，即使是難度較大的量子密鑰生成攻關，亦進展顯著。

2002年，日本NTT公司曾研發出了差動移相量子密碼發送協定，并應用到試運作網絡上。

2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術傳送資訊獲得成功，傳遞距離可達87公裡。在這一年，日本NEC公司采用固化幹涉裝，并改進了單光子探測器信噪比，使得量子密碼傳輸距離達到150公裡。

随後的2005年，日本電氣公司開發出了一種即使氣溫與光纖長度等通信環境發生異常變化，其性能也不會降低的量子加密通信系統。同一年，日本松下電器産業和日本玉川大學利用光的量子擾動現象，試制出了一套防竊聽性能更高的光通信系統，傳輸距離為20公裡。

2007年，日本一研究團體開發的量子密鑰技術，在現實條件下實作了資訊經光纖的安全傳輸。

2008年，日本東芝公司研究人員在量子密碼通信中将密鑰的傳輸速度成功提高，使其更實用化。

2009年，日本日立公司和東京大學科學家又共同開發出了可利用下一代高速大容量光通信的“相位調制技術”。

2010年，由日本NICT主導，聯合當時歐洲和日本在量子通信技術上開發水準最高的公司和研究機構，在東京建成了6 節點城域量子通信網絡——“Tokyo QKD Network”。東京網在全網示範了視訊通話，并示範網絡監控。

2011年，日本研究小組将量子密碼技術應用于電視會議系統，充分實作了世界上最快的密鑰生成速度。

盡管日本對量子通信技術的研究晚于美國和歐盟，但相關研究發展迅速。在國家科技政策和戰略計劃的支援和引導下，日大學研機構的研發積極性高漲，投入了大量研發資本積極參與和承擔量子通信技術的研究工作，實際地介入到量子通信技術的研發和産業化開發當中。

2、專利量大質優

數年前，日本提出了以新一代量子通信技術為對象的長期研究戰略，并計劃在2020~2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網。

目前，日本每年投入2億美元，規劃在5至10年内建成全國性的高速量子通信網。不僅如此，日本的國家情報通信研究機構（NICT）也啟動了一個長期支援計劃。日本國立資訊通信研究院也計劃在2020 年實作量子中繼，到2040 年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

高強度的研發投入，“産官學”聯合攻關的方式極大推進了研究開發，推動了量子通信的關鍵技術如超高速計算機、光量子傳輸技術和無法破譯的光量子密碼技術的攻關和實用化、工程化探索，在量子通信專利申請上成績顯著。

比如NEC、東芝、日本國立資訊通信研究院、東京大學、玉川大學、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等，各大企業和科研機構在量子通信領域的專利申請量居全球領先，專利品質較高，技術水準突出。

就目前而言，在量子通信領域的研究優勢上，日本主要集中在延長量子通信傳輸距離、提高資訊傳輸速度和改進量子通訊的加密協定等方面。

由量子通信申請的專利來看，其主要特征表現為：量子通信的應用技術繁多，特定技術領域的專利占有率高，海外專利申請意識較強，且相關技術大多可直接根植于通信産品中，具有很強的實用性和市場推廣潛力。

此外，日本格外注重采用積極的專利保護政策，通過全面申請PCT專利對其持有的量子通信核心技術進行保護。

四、中國領跑量子太空競賽

在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在中國科學院院士潘建偉等的不懈努力下，目前中國在量子通信領域已經實作“彎道超車”，并成為首個将量子科學實驗送入太空的國家。

今年夏天，世界首顆量子科學實驗衛星（QUESS）帶着探索星地量子通信的使命升空。但早在數年前，星地量子通信的中國夢想就已經引發了世界的關注。

2012年8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志以封面标題形式發表了中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉團隊的研究成果：他們在國際上首次成功實作了百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發。

這一成果不僅重新整理世界紀錄，有望成為遠距離量子通信的“裡程碑”，而且為發射全球首顆“量子科學實驗衛星”奠定了技術基礎。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點”。

同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《資料隐形傳輸：量子太空競賽》，詳細報道了這場激烈的量子太空競賽。

原文釋出時間為：2015.09.22

本文作者：quantum-study

本文來源：

知乎

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