科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。尤其是前沿科技，向來是各個國家關(guān)注的重點之一。除了人工智能外，英國政府科學(xué)辦公室近期還發(fā)布了一份量子技術(shù)報告《量子時代：技術(shù)機會》(The Quantum Age：technological opportunity，以下簡稱“《報告》”)。

在這份報告中，英國政府科學(xué)辦公室(the government office for science)闡述了英國如何能從量子技術(shù)中獲益，并指出了英國能領(lǐng)先以及能增加優(yōu)勢的領(lǐng)域。

英國政府首席科學(xué)顧問，也是此報告的撰寫人之一Mark Walport爵士表示：“英國在量子技術(shù)的研究和開發(fā)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。量子計時、成像、傳感、通信和計算等領(lǐng)域，具有產(chǎn)生新產(chǎn)品和服務(wù)的潛力和價值。我們必須確保繼續(xù)將我們優(yōu)秀的研究成果商業(yè)化。 我們有機會發(fā)展一個世界級的工業(yè)，有熟練的勞動力支持，并受到全球需求的刺激。”

各國量子科學(xué)和技術(shù)排名

早在2013年的政府秋季預(yù)算報告里，英國就宣布，將在此后的五年間為國家量子技術(shù)項目投資2.7億英鎊，以加速量子技術(shù)的商業(yè)化進程。

“中國已經(jīng)在量子科學(xué)和技術(shù)中投入巨大的資金;盡管應(yīng)用還不多，但美國也擁有許多的研究機構(gòu)。歐盟近期也發(fā)布了量子計劃，計劃于2018年啟動。意識到這些競爭，我們必須開放國家項目，促進英國的量子技術(shù)發(fā)展，并鼓勵投資。”《報告》在前言章指出。

基于英國國家量子技術(shù)項目取得的進展，英國政府部門強調(diào)，未來會與國內(nèi)和國際私營部門加強協(xié)調(diào)，建立伙伴關(guān)系。除此之外，英國還會建立創(chuàng)新中心，聯(lián)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，讓量子技術(shù)商業(yè)化。建立英國量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)也成為英國未來的重點之一。

對英國來說，未來量子技術(shù)是價值10億英鎊的產(chǎn)業(yè)

重視五大量子技術(shù)應(yīng)用

在《報告》的執(zhí)行摘要中提到，“你不需要了解和掌握量子技術(shù)的細節(jié)、物理基礎(chǔ)，但它會對我們每天的生活產(chǎn)生影響，做到我們今天不能做到的事情。”例如，量子設(shè)備能讓我們看到隱蔽的角落，地圖上未標明的隱藏危險，以及更容易地解決當(dāng)前計算機無法做到的問題。

為此，《報告》提出了英國量子技術(shù)應(yīng)用的5大領(lǐng)域。分別是原子鐘、量子成像、量子傳感和測量、量子計算和模擬以及量子通信。

1.原子鐘，它是量子技術(shù)的一種。英國政府部門認為，英國曾在這一領(lǐng)域領(lǐng)先全球，當(dāng)時與美國競爭開發(fā)第一臺銫原子鐘，但因為商業(yè)化推進不足，后來逐漸被美國趕超?！秷蟾妗氛J為，精準的計時支撐著我們的日常生活。許多我們生活中依賴的技術(shù)比如手機、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都需要依賴于原子鐘精準的計時。

原子鐘的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，英國政府在報告中提到了這個技術(shù)應(yīng)用的5個場景，包括遠程通信網(wǎng)絡(luò)、電力輸配網(wǎng)絡(luò)、金融市場、雷達系統(tǒng)、新聞市場。舉例來說，在金融市場，時間信號是同步交易和產(chǎn)生交易記錄的關(guān)鍵?；诹孔蛹夹g(shù)的計時可以滿足金融市場同步的要求。

2.量子成像。盡管，照相機和圖片修改技術(shù)已經(jīng)非常普遍，但大多數(shù)的照片拍攝仍受制于燈光的有無，且是二維的。但真實的世界應(yīng)該是三維和多光譜的。

量子成像是利用量子糾纏現(xiàn)象發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)。與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路得到該物體的圖像不同，量子成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的空間分布信息。

量子成像技術(shù)可以使用幾乎任何光源——熒光燈泡、激光甚至太陽，從而避免云、霧和煙等使常規(guī)成像技術(shù)無能為力的氣象條件的干擾，獲得更為清晰的圖像。

《報告》認為，如果將這種技術(shù)運用好，能讓我們看到原先看不到的世界。例如，使用量子成像技術(shù)，可以拍3D照片，能識別接近物體的光。這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣闊，可以給無人駕駛汽車提供獨有的數(shù)據(jù)，在醫(yī)療保健、國防、安全、運輸和制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，可以幫助消防員在濃煙的災(zāi)難現(xiàn)場救災(zāi)，幫助工程師拍攝天然氣泄漏等。

3.量子傳感和測量。傳感器對于構(gòu)建萬物互聯(lián)的世界至關(guān)重要。相比現(xiàn)有的傳感器，量子傳感器的優(yōu)勢在于，它的技術(shù)能讓傳感器的敏感性、準確性和穩(wěn)定性都提升多個數(shù)量級。這樣一來，就可以將應(yīng)用擴大到航空、氣候、建筑、國防、能源、醫(yī)療保健、安全、運輸和水域中。

量子傳感和測量的應(yīng)用場景

《報告》認為，英國可以從制造高端的量子傳感器中受益，從而讓測量的數(shù)據(jù)可視化。英國當(dāng)前的傳感器和儀表行業(yè)雇傭了73000人，每年貢獻140億英鎊的價值。未來，基于傳感數(shù)據(jù)服務(wù)會產(chǎn)生更多的價值，所以必須重視整個價值鏈。

在這一章節(jié)中，還著重介紹了量子傳感領(lǐng)域中的重要應(yīng)用——量子磁力儀在醫(yī)療保健中的應(yīng)用?！秷蟾妗分赋?，因為量子磁力儀能提供更高靈敏度的測試，所需的基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)量又少，所以未來能在某些醫(yī)療保健領(lǐng)域發(fā)揮節(jié)約成本，提高功效的作用。比如用來治療癡呆癥、癌癥、心臟疾病等。

4.量子計算和模擬。比起常規(guī)的計算機，量子計算機的計算處理能力能提升百億億倍。目前，各國在量子計算領(lǐng)域已經(jīng)展開競爭。谷歌公布的量子計算機研究報告中稱，它們計劃明年增加至49量子比特。這是一個極為關(guān)鍵的門檻。有學(xué)者預(yù)計，在50量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權(quán)”(quantum supremacy)。

《報告》稱，英國在這一領(lǐng)域的長期目標是建立一個可以運行的大型通用量子計算機。

但目前量子計算機所能達到的量子比特數(shù)量有限，并且運行也不穩(wěn)定。英國政府認為持續(xù)投入后，未來10年，人類能讓量子計算機達到50-100量子比特的水平。

5.量子通信。人們從古代就希望己方的軍情可以完全保密，直至今日，我們依舊渴望實現(xiàn)絕對的通信安全。作為世界頂尖的前沿科學(xué)技術(shù)，量子通信技術(shù)就能夠非常完美的實現(xiàn)這一夢想。

量子通信技術(shù)應(yīng)用隨時間推進將會增長

一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個世界就是由量子組成的。

量子的兩個特性不容忽視，量子疊加原理和由量子疊加原理引申出來的量子糾纏?；谶@兩個特性，才有了量子通信，你不可能實現(xiàn)對一個未知量子比特的精確復(fù)制。因為一旦信息被人挾持，量子會自動發(fā)生變化，接收者也因此能察覺，而偷窺者也看不到原貌。

《報告》認為，量子通信能保證高敏感信息的傳送安全。短期內(nèi)，量子通信能提供密鑰和隨機數(shù)字保證信息不被復(fù)制，最終量子通信能通過衛(wèi)星和遠距離光纖用在全球通信網(wǎng)絡(luò)。

《報告》在這一章的結(jié)論中指出，量子通信會在未來形成全球市場和網(wǎng)絡(luò)，保證英國工業(yè)和政府網(wǎng)絡(luò)的安全。英國在這一領(lǐng)域的大量投入將保證英國在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

量子技術(shù)的商業(yè)化

為了保證量子技術(shù)能在未來更好地商業(yè)化，給英國經(jīng)濟帶來促進作用。英國政府在《報告》的“商業(yè)化”這一章節(jié)介紹了英國實現(xiàn)這一目標的計劃。除了在2013年財政撥款2.7億英鎊，支持量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展外，英國還有一個“量子技術(shù)項目”。

英國當(dāng)前量子技術(shù)生態(tài)

此舉旨在建立一個政府、產(chǎn)業(yè)、學(xué)界之間的量子技術(shù)共同體，使英國能在未來的量子技術(shù)市場中搶占世界領(lǐng)先地位，實質(zhì)性地提高英國產(chǎn)業(yè)的價值。

首先，英國產(chǎn)業(yè)界會為國防、保密通訊、信息技術(shù)、油氣等小眾用戶生產(chǎn)設(shè)備，接著進入更主流的消費者市場。為此，相關(guān)企業(yè)會得到國家量子技術(shù)項目的資金支持。

英國還會建立一個名為 “樞紐”的全國性量子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，為有意向打開量子技術(shù)市場的企業(yè)提供快捷入口。

2015年4月，政府組織“創(chuàng)新英國”(Innovate UK)、英國工程和自然科學(xué)研究委員會(EPSRC)、英國國防科學(xué)技術(shù)實驗室(Dstl)成功為產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向項目進行了第一輪資金支持。這些項目有些是為了了解量子技術(shù)的市場化運用，有些是為了將量子技術(shù)產(chǎn)品推向市場。

除此之外，量子技術(shù)博士培訓(xùn)中心會保證這個領(lǐng)域的新生研究力量，國家物理實驗室(NPL)也會開設(shè)一個量子計量學(xué)院。國家量子技術(shù)項目會加強與英國國防科學(xué)技術(shù)實驗室和國防部的合作，在3到5年內(nèi)研發(fā)量子計時、導(dǎo)航和引力成像設(shè)備。

英國已經(jīng)在報告中闡述了量子技術(shù)的重要性，還提到了來自其他國家的競爭。

英國并非是唯一一個認識到量子技術(shù)潛力的國家

今年7月份，美國白宮發(fā)布了《推進量子信息科學(xué)：國家的挑戰(zhàn)與機遇》。報告中，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會對量子信息科學(xué)的重要性，前瞻性進行了闡述，還介紹了美國在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會認為量子計算能有效推動化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理發(fā)展，未來可能最終會顛覆眾多科學(xué)領(lǐng)域，人工智能也當(dāng)屬其中之一。

美國聯(lián)邦機構(gòu)在過去的20年中，已經(jīng)對量子信息科學(xué)給予了很多支持。這些支持起到了顯著的作用，讓美國的科學(xué)家在該領(lǐng)域里處在領(lǐng)先位置。目前，聯(lián)邦政府機構(gòu)每年資助量子信息科學(xué)領(lǐng)域2億美元。

中國也在量子技術(shù)領(lǐng)域里努力推進，尤其是在量子通信領(lǐng)域。今年9月份，中國量子實驗衛(wèi)星“墨子”號的升空，意味著世界上將首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建一個天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系。這也意味著經(jīng)過近十年的發(fā)展，中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了彎道超車，走在了全球發(fā)展的前列。

“中國在量子通信領(lǐng)域比起其他國家更早地布局，這讓我們?nèi)〉昧艘欢ǖ念I(lǐng)先優(yōu)勢。但量子技術(shù)并不是只有量子通信，還有量子計算和量子精密測量等，這些領(lǐng)域里，中國還需要大量地投入。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士在一次論壇上說道。

根據(jù)英國政府發(fā)布的《報告》，中國在量子技術(shù)的論文發(fā)表上排在全球第一，美國則在量子技術(shù)的資金投入和專利申請上排在全球第一。英國的綜合排名處在全球第三位。