李文清，齊曉曼 ，趙三珊

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437)

“促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)?！睙o論是大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈還是量子科技，均是數(shù)字科技的核心內(nèi)容，也是推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的核心力量，其中最具顛覆性作用的當(dāng)屬量子科技[1]。

1 內(nèi)涵與演進(jìn)

量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的不可分割的最小單位，屬微觀物理世界研究范疇，本質(zhì)規(guī)則是區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)“世界是測得準(zhǔn)的”的觀念——“量子世界是測不準(zhǔn)的”。

量子科技V1.0：量子力學(xué)引導(dǎo)掌握微觀物質(zhì)世界的物理規(guī)律。20世紀(jì)在量子力學(xué)的指引下，興起了以現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)和凝聚態(tài)物理為代表的第一次量子科技浪潮，誕生了激光、半導(dǎo)體、原子能、超導(dǎo)、核磁共振成像等具有劃時(shí)代意義的重大科技突破，其應(yīng)用涵蓋了目前使用的幾乎每一個(gè)電子設(shè)備。

量子科技V2.0：對量子系統(tǒng)的精確觀測和操控推動形成量子信息技術(shù)領(lǐng)域。隨著微觀調(diào)控技術(shù)的突破和發(fā)展，以精確觀測和調(diào)控微觀粒子系統(tǒng)，利用其不可復(fù)制、不可測量、多態(tài)疊加、量子糾纏、量子霍爾效應(yīng)等特性研制出諸多量子器件，功能要遠(yuǎn)超經(jīng)典器件的物理極限，形成新時(shí)代的量子信息技術(shù)，其學(xué)科發(fā)展演進(jìn)脈絡(luò)見圖1。

圖1 量子學(xué)科發(fā)展演進(jìn)脈絡(luò)

第二次量子革命帶來信息領(lǐng)域顛覆性變革。區(qū)別于第一次量子革命對量子規(guī)律的被動觀測與應(yīng)用，第二次量子革命主動利用量子特性，操控量子狀態(tài)，開發(fā)出量子通信、量子計(jì)算和量子精密測量等創(chuàng)新應(yīng)用。量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子計(jì)算可以令人類的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長，比如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬年才能破解的復(fù)雜密碼，量子計(jì)算機(jī)幾秒鐘內(nèi)就能破解。傳統(tǒng)測量技術(shù)最小只能探測到微米量級，而量子測量可以進(jìn)一步精細(xì)千倍、萬倍達(dá)到原子量級。量子的諸多特征正被不斷地研究與發(fā)現(xiàn)，將量子特性應(yīng)用于各類學(xué)科帶來的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。

量子科技正進(jìn)入“產(chǎn)業(yè)化前夜”。展望未來，量子計(jì)算有望為藥物研發(fā)、能源勘探、金融分析、氣象預(yù)報(bào)等大規(guī)模計(jì)算提供全新方案；量子測量發(fā)揮測量精度、靈敏度優(yōu)勢，有望在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域大顯身手；量子通信融合量子計(jì)算技術(shù)，構(gòu)成高速、安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合，可為人類生活增添無限可能，最新研究預(yù)測，到2030年量子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達(dá)數(shù)十億美元。

2 發(fā)展競爭態(tài)勢

2.1 發(fā)展成熟度

量子基礎(chǔ)理論研究范圍廣。廣闊的量子物理研究范疇是量子科技的研究基礎(chǔ)，為量子科技的深入研究帶來源源不斷的動力。量子計(jì)算、量子通信和量子測量等新興領(lǐng)域均還未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。量子計(jì)算領(lǐng)域，我國研制的含76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，運(yùn)算速度超過現(xiàn)在最快量子計(jì)算機(jī)的100億倍，但目前還處于試驗(yàn)樣機(jī)階段。由Gartner發(fā)布《2019中國ICT技術(shù)成熟度曲線》，指出量子計(jì)算到達(dá)頂峰時(shí)間還需10年，如圖2所示。量子通信領(lǐng)域內(nèi)各類樣機(jī)研究和試點(diǎn)應(yīng)用加速發(fā)展，其中我國在星地量子通信方面處于領(lǐng)先，2016年8月發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。量子測量領(lǐng)域研究成果多集中于原理分析、理論模擬仿真、算法優(yōu)化等理論及試驗(yàn)方面研究。

圖2 Gartner發(fā)布的《2019中國ICT技術(shù)成熟度曲線》

2.2 各國競爭態(tài)勢

全球量子戰(zhàn)略數(shù)以億計(jì)的資金投入凸顯戰(zhàn)略價(jià)值。各國政府高度重視量子科學(xué)研究發(fā)展，以美國、歐盟、日本等為代表的國家及地區(qū)爭相啟動國家級量子科技戰(zhàn)略行動計(jì)劃，投入數(shù)以億計(jì)的戰(zhàn)略資金加強(qiáng)量子領(lǐng)域科技研發(fā)，推進(jìn)量子科技前沿技術(shù)研究以及創(chuàng)新成果應(yīng)用。隨著對量子科技的高度重視，過去十年我國以國家科技項(xiàng)目為載體，大量布局基礎(chǔ)科研和前沿應(yīng)用研究，取得了豐碩成果；今年中央政治局對量子科學(xué)的集體學(xué)習(xí)，指出要加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，一批戰(zhàn)略性重大科技項(xiàng)目將在“十四五”時(shí)期實(shí)施。國內(nèi)外量子科技主要政策見表1。

表1 國內(nèi)外量子科技主要政策

全球量子科技創(chuàng)新模式趨于多樣。各國立足自身實(shí)際，以不同類型的創(chuàng)新模式推動量子科技產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，通過聯(lián)合研究和成果共享，取得大量原創(chuàng)開拓性成果，形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的局面?？傮w來看可分為企業(yè)主導(dǎo)型、協(xié)議聯(lián)盟型、校企協(xié)作型和國家助推動這4類創(chuàng)新模式，具體見表2。

表2 量子科技創(chuàng)新模式

全球量子科技呈現(xiàn)中美領(lǐng)跑、各國爭相角逐的競爭格局。從科研投入看，各國在量子計(jì)算、量子通信及量子保密等領(lǐng)域均投入大量資源，力爭在量子科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)競爭優(yōu)勢，量子科技領(lǐng)域競爭態(tài)勢如圖3所示。

圖3 量子科技各領(lǐng)域競爭態(tài)勢

(1)中國引領(lǐng)全球量子保密通信領(lǐng)域前沿。我國初步形成包含基礎(chǔ)研究、設(shè)備研發(fā)、建設(shè)運(yùn)維和安全應(yīng)用為一體的產(chǎn)業(yè)鏈，項(xiàng)目數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模已處于全球領(lǐng)先，其中“京滬干線”與“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功對接，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。

(2)美國率先在能源行業(yè)成立量子計(jì)算的校企聯(lián)盟。美國丹佛大學(xué)發(fā)起成立了首個(gè)能源行業(yè)量子計(jì)算聯(lián)盟—量子未來電力系統(tǒng)升級計(jì)劃，結(jié)合量子信息和量子計(jì)算的力量，專注開發(fā)新的量子模型、方法和算法，主題包括提高客戶對電網(wǎng)的參與水平、分布式能源集成和利用的機(jī)會、電力質(zhì)量和可靠性的改進(jìn)以及資產(chǎn)管理和系統(tǒng)效率。

(3)歐盟所有成員國共建量子通信基礎(chǔ)設(shè)施。該項(xiàng)建設(shè)，用來保障歐盟成員國之間的敏感通信和數(shù)據(jù)，保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，例如，通過提供基于量子密鑰分發(fā)的服務(wù)，保護(hù)歐洲各國政府機(jī)構(gòu)、市政當(dāng)局和大使館之間以及醫(yī)院和電網(wǎng)等關(guān)鍵站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

(4)日本持續(xù)加強(qiáng)量子通信及保密領(lǐng)域科研投入。與歐洲聯(lián)合建立東京量子保密通信試驗(yàn)床網(wǎng)絡(luò)并持續(xù)開展現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。2015年日本NTT公司報(bào)道了102 km超低損光纖最遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

從量子科技成果產(chǎn)出看，全球各國爭相布局知識產(chǎn)權(quán)。

(1)專利申請持續(xù)加大。美國和日本早期專利申請量較多，隨著我國在量子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索的持續(xù)深入，我國專利申請逐漸超越美日，處于國際領(lǐng)先地位。

(2)標(biāo)準(zhǔn)制定廣泛開展。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛成立量子信息技術(shù)研究組和標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，在術(shù)語定義、性能評價(jià)、系統(tǒng)模塊、接口協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理運(yùn)維等方面開展項(xiàng)目研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。

(3)我國具備成熟的標(biāo)準(zhǔn)化研究基礎(chǔ)，在量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算和量子測量等領(lǐng)域成立標(biāo)委會，開展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作。

綜上所述，量子科技已經(jīng)成為全球科技競爭的戰(zhàn)略要地，各國不斷加大資金投入和政策支持，在基礎(chǔ)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證以及技術(shù)應(yīng)用等方面開展研究，并在量子計(jì)算、量子通信、量子測量等領(lǐng)域研發(fā)出顛覆性技術(shù)應(yīng)用。