美國：列入國家戰(zhàn)略 實現(xiàn)系列突破

　　量子通信是事關(guān)國家信息和國防安全的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，且有可能改變未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局，因此，其不可避免地成為世界主要發(fā)達(dá)國家及地區(qū)如美國、歐盟、日本等優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。

　　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(zhàn)略、國防和安全的研發(fā)計劃。

　　提前布局 搶占先機

　　上世紀(jì)末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題。而隸屬于政府的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）則將量子信息作為三個重點研究方向之一。

　　隨后，美國加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計算研究所，直接歸美國軍隊研究部門管轄，從屬于美國國防部高級研究計劃司超大規(guī)模計算工程系統(tǒng)。體制上的規(guī)劃與布局，為各機構(gòu)與部門間的研發(fā)鋪平了道路。

　　早在1989 年，美國IBM 公司在實驗室中以10 bit/s 的傳輸速率成功實現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸，雖然傳輸距離只有32 公分，但卻拉開了量子通信實驗研究的序幕。

　　1994 年，美國國防高級研究計劃局便開始著手，用3~5 年的時間全面推進(jìn)量子通信技術(shù)方面的研究，而且已經(jīng)通過軍隊實施了相應(yīng)方式的向戰(zhàn)場和向全球傳輸報文能力的量子通信計劃。

　　在大量科研資源與研發(fā)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現(xiàn)了1.6 公里自由空間的量子密鑰分發(fā)，使量子通信向?qū)嵱霉こ袒~進(jìn)了一大步。

　　2002 年，美國國家科學(xué)基金會投資5000 萬美元對量子通信進(jìn)行研究。

　　2003 年，美國國防部高級研究計劃署又領(lǐng)銜建設(shè)了DARPA 量子通信技術(shù)試驗網(wǎng)絡(luò)。

　　2004 年，美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行了世界上第一個量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10 公里。

　　2006 年，Los Alamos 國家實驗室基于誘騙態(tài)（Decoy-state）方案實現(xiàn)了能保證絕對安全的107 公里光纖量子通信實驗。

　　2007 年，美國科學(xué)家讓兩個獨立原子實現(xiàn)了量子糾纏和遠(yuǎn)距離量子通信。

　　隨后，美國國防部高級研究計劃署和 Los Alamos 國家實驗室于 2009年分別建成了兩個多節(jié)點量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進(jìn)行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。

　　而由美國國防部高級研究計劃署支持，BBN 公司（具有很強的軍方特色）技術(shù)部聯(lián)合波士頓大學(xué)與哈佛大學(xué)，共同開展了量子保密通信與IP互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗計劃。該計劃主要內(nèi)容是以BBN 技術(shù)部、波士頓大學(xué)和哈佛大學(xué)作為三個節(jié)點，以構(gòu)建融合現(xiàn)行光纖通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和量子光通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)保密通信。

　　2009 年，美國政府發(fā)布的信息科學(xué)白皮書中明確要求，各科研機構(gòu)協(xié)調(diào)開展量子信息技術(shù)研究。同年，美國國防部高級研究計劃署建成了城域量子通信演示網(wǎng)。與此同時，美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家繼續(xù)在冷原子中量子存儲和波動研究領(lǐng)域做出新的突破，這方面的技術(shù)恰是設(shè)計量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

　　美國2010 年在量子源產(chǎn)出的單光子波長轉(zhuǎn)換、2011 年在單量子位處理量子信息，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(guān)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(fā)展“五年計劃”中，“量子信息與控制技術(shù)”已被列為未來重點關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域，同時將IBM、美國國防部高級研究計劃署、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機構(gòu)；美國國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”（ARDA）計劃到2014 年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)。

　　如今，量子技術(shù)已經(jīng)成為美國軍方六大技術(shù)方向之一，即對未來美軍的戰(zhàn)略需求和軍事任務(wù)行動能產(chǎn)生長期、廣泛、深遠(yuǎn)、重大的影響。

　　在這一路線規(guī)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(jìn)實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1000 公里左右的包含10 個骨干節(jié)點的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線的計劃，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(fā)機構(gòu)美國Battelle 公司也提出了商業(yè)化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，計劃建造環(huán)美國的萬公里量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數(shù)據(jù)中心之間提供量子通信服務(wù)。

　　未來發(fā)展 前景廣闊

　　美國的量子通信發(fā)展注重技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，量子通信產(chǎn)業(yè)已滲透到美國國家發(fā)展的各個層面，包括國防、外交、經(jīng)濟、信息、社會等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。

　　當(dāng)前，以美國為代表的世界主要軍事強國關(guān)注的量子科技發(fā)展動向主要涉及量子通信、量子計算及量子密鑰等領(lǐng)域。美國國防部高級研究計劃署啟動了多項量子通信方面的相關(guān)研究計劃，對其開展了廣泛探索。可以說，量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景。

　　在量子通信領(lǐng)域未來發(fā)展規(guī)劃下，美國Los Alamos 國家實驗室正在創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)，同時美國非常重視量子計算機領(lǐng)域的技術(shù)拓展，谷歌、微軟、IBM 都已投入研究量子計算機技術(shù)，以量子計算機技術(shù)研究為突破點，延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域，形成規(guī)模優(yōu)勢。

　　歐盟：聯(lián)合攻關(guān) 共建量子互聯(lián)網(wǎng)

　　為了確保歐洲在量子通信研究中處于技術(shù)領(lǐng)先地位，歐盟對量子通信的發(fā)展可謂“煞費苦心”。提前“操練”，打牢根基，政策法規(guī)護(hù)航，并貫穿到與國家利益、國家安全以及國家對內(nèi)對外戰(zhàn)略影響相關(guān)的不同環(huán)節(jié)，這是歐盟在量子通信領(lǐng)域發(fā)展方面采取的主要手段。

　　目前，歐盟在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)掌握了相當(dāng)一部分產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，憑借新興產(chǎn)業(yè)的支配地位，以新技術(shù)研發(fā)和新產(chǎn)品營銷為發(fā)展重點，力爭獲得在技術(shù)創(chuàng)新方面的競爭優(yōu)勢。歐盟各國政府、國防部門、科技界和信息產(chǎn)業(yè)界都將量子通信納入其國防科技發(fā)展戰(zhàn)略，投入大量人力物力，以量子計算機技術(shù)研究為靶點，以量子通信開發(fā)在信息科學(xué)領(lǐng)域的推廣為突破口，積極構(gòu)建和壯大產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)群，以形成一定的創(chuàng)新體系與規(guī)模優(yōu)勢，同時延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域。

　　起步早 政策法規(guī)護(hù)航

　　早在20世紀(jì)90年代，歐洲就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力，充分認(rèn)定其高風(fēng)險性和長期應(yīng)用前景，從歐盟第五研發(fā)框架計劃（FP5）開始，就持續(xù)對泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點支持。

　　緊接著，歐盟發(fā)布了《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》，專門提出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計劃以及《歐洲量子信息處理與通信》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內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。

　　2008年，歐盟發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出了歐洲在未來五年和十年的量子通信發(fā)展目標(biāo)，包括實現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網(wǎng)絡(luò)等。

　　同年9月，歐盟發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了“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后又一大規(guī)模的國際科技合作。隨后，該工程還在維也納現(xiàn)場演示了一個基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的包含6 個節(jié)點的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

　　聯(lián)合攻關(guān) 技術(shù)突飛猛進(jìn)

　　自1993年開始，歐盟就加強了對量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)，在理論研究和實驗技術(shù)上均取得了重大突破，涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。早期主要集中在量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，后期開始向量子密碼通信和量子密集編碼發(fā)展。

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

　　在量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)的框架下，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(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲等一系列的根本性突破。

　　從1993年至2012年，歐盟量子遠(yuǎn)程傳輸距離從10公里光纖傳輸發(fā)展到143公里的隱形傳輸。

　　2002年，歐盟多國科學(xué)家在歐洲空間局（ESA）的“General Studies Programme”框架下啟動了量子通信研究計劃。

　　2004 年，奧地利維也納大學(xué)Anton Zeilinger 小組向ESA 提交了名為“Space-QUEST”的計劃書，欲將量子通信推向空間應(yīng)用……

　　以上種種的突破與成功，很大程度又是在為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。

　　從2007年至2014年，歐盟開始致力于量子密碼通信和量子密集編碼研究，實現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸，為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信提供了可能性。

　　著眼未來 合力構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)

　　發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)就是為了構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點、通過量子中繼實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠(yuǎn)兩個區(qū)域之間的連接，是實現(xiàn)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(shù)年中進(jìn)行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開發(fā)力量，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

　　2007年，來自德國、奧地利、荷蘭、新加坡和英國的聯(lián)合團(tuán)隊在大西洋中兩個海島間實現(xiàn)了144公里的基于BB84協(xié)議的誘騙態(tài)自由空間量子密鑰分發(fā)以及基于糾纏的自由空間量子密鑰分發(fā)。這個實驗的成功奠定了最終實現(xiàn)星地間量子通信的重要基石。

　　2008年以來，歐盟加緊推進(jìn)星載量子通信計劃。歐洲包括AntonZeilinger 小組在內(nèi)的27個研究組，向歐洲空間局的生命和物理科學(xué)部提交了“Space-QUEST”實驗方案，計劃在國際空間站歐洲哥倫布模塊的外部平臺上部署糾纏光源，向地面發(fā)送糾纏光子對，這將開創(chuàng)超出地面上幾個量級測試距離的量子通信和基礎(chǔ)物理實驗。

　　然而從全球范圍來看，目前世界各國均積極涉足量子，不少國家都設(shè)有連貫的、大規(guī)模的國家范圍的量子技術(shù)項目。與之相比，盡管歐洲在量子通信領(lǐng)域起步較早，儲備充足，成果豐碩，但是在量子技術(shù)研發(fā)上仍然面臨著碎片化和被仿制的風(fēng)險。

　　危機四伏，困難重重。一場世界范圍的技術(shù)與才智競賽已悄然拉開帷幕。歐洲不應(yīng)落后，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(shù)旗艦項目，目標(biāo)是建立極具競爭性的歐洲量子產(chǎn)業(yè)，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(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性。

　　“為了解鎖量子技術(shù)的全部潛力，為了加速技術(shù)的發(fā)展并把商業(yè)產(chǎn)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(xué)、工程和創(chuàng)新聯(lián)合起來。”《量子宣言》中如是寫道。

　　日本：緊跟大勢 有所作為

　　美國和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進(jìn)，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(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)，并將量子技術(shù)視為本國占據(jù)一定優(yōu)勢的高新科技領(lǐng)域進(jìn)行重點發(fā)展，重點引導(dǎo)。

　　制定長期發(fā)展路線圖

　　早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項國家級高技術(shù)列入開發(fā)計劃，預(yù)備10年內(nèi)投資400多億日元，主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù)，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標(biāo)，計劃到2020年使保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到實用化水平，最終建成全國性高速量子通信網(wǎng)，實現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的飛躍，在競爭中占據(jù)先機。

　　在當(dāng)年題為“創(chuàng)造面向21世紀(jì)劃時代的量子信息通信技術(shù)”的報告中曾明確指出，國家應(yīng)該充實及完善該領(lǐng)域的研究開發(fā)體制, 并促進(jìn)民間企業(yè)和大學(xué)等進(jìn)行研究開發(fā)。

　　在接到該報告書后，郵政省正式啟動了研究和開發(fā)量子信息通信的活動。該技術(shù)的實用化預(yù)計會發(fā)生在2030~2100年。

　　當(dāng)時，郵政省官員曾表示，量子信息技術(shù)開發(fā)單靠民間力量是難以推動的,應(yīng)該由國家建立能夠使研究人員向同一方向、同一目標(biāo)進(jìn)行研究的體制。

　　事實上, 當(dāng)時日本國內(nèi)關(guān)于量子信息通信的研究, 已經(jīng)由各通信設(shè)備制造商、大學(xué)及研究機構(gòu)展開。不過當(dāng)時的研究規(guī)模小，而且研究者之間并沒有建立橫向聯(lián)系。為此，郵政省成立了專門的“圓桌會議”來管理和協(xié)調(diào)整體的開發(fā)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(fā)量子通信的高端技術(shù)與系統(tǒng)，即使是難度較大的量子密鑰生成攻關(guān)，亦進(jìn)展顯著。

　　2002年，日本NTT公司曾研發(fā)出了差動移相量子密碼發(fā)送協(xié)議，并應(yīng)用到試運行網(wǎng)絡(luò)上。

　　2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術(shù)傳送信息獲得成功，傳遞距離可達(dá)87公里。在這一年，日本NEC公司采用固化干涉裝，并改進(jìn)了單光子探測器信噪比，使得量子密碼傳輸距離達(dá)到150公里。

　　隨后的2005年，日本電氣公司開發(fā)出了一種即使氣溫與光纖長度等通信環(huán)境發(fā)生異常變化，其性能也不會降低的量子加密通信系統(tǒng)。同一年，日本松下電器產(chǎn)業(yè)和日本玉川大學(xué)利用光的量子擾動現(xiàn)象，試制出了一套防竊聽性能更高的光通信系統(tǒng)，傳輸距離為20公里。

　　2007年，日本一研究團(tuán)體開發(fā)的量子密鑰技術(shù)，在現(xiàn)實條件下實現(xiàn)了信息經(jīng)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將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(xué)科學(xué)家又共同開發(fā)出了可利用下一代高速大容量光通信的“相位調(diào)制技術(shù)”。

　　2010年，由日本NICT主導(dǎo)，聯(lián)合當(dāng)時歐洲和日本在量子通信技術(shù)上開發(fā)水平最高的公司和研究機構(gòu)，在東京建成了6 節(jié)點城域量子通信網(wǎng)絡(luò)——“Tokyo QKD Network”。東京網(wǎng)在全網(wǎng)演示了視頻通話，并演示網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

　　2011年，日本研究小組將量子密碼技術(shù)應(yīng)用于電視會議系統(tǒng)，充分實現(xiàn)了世界上最快的密鑰生成速度。

　　盡管日本對量子通信技術(shù)的研究晚于美國和歐盟，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。在國家科技政策和戰(zhàn)略計劃的支持和引導(dǎo)下，日本科研機構(gòu)的研發(fā)積極性高漲，投入了大量研發(fā)資本積極參與和承擔(dān)量子通信技術(shù)的研究工作，實際地介入到量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)當(dāng)中。

　　專利量大質(zhì)優(yōu)

　　數(shù)年前，日本提出了以新一代量子通信技術(shù)為對象的長期研究戰(zhàn)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(wǎng)。

　　目前，日本每年投入2億美元，規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。不僅如此，日本的國家情報通信研究機構(gòu)（NICT）也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院也計劃在2020 年實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。

　　高強度的研發(fā)投入，“產(chǎn)官學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)的方式極大推進(jìn)了研究開發(fā)，推動了量子通信的關(guān)鍵技術(shù)如超高速計算機、光量子傳輸技術(shù)和無法破譯的光量子密碼技術(shù)的攻關(guān)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、日本國立信息通信研究院、東京大學(xué)、玉川大學(xué)、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等，各大企業(yè)和科研機構(gòu)在量子通信領(lǐng)域的專利申請量居全球領(lǐng)先，專利質(zhì)量較高，技術(shù)水平突出。

　　就目前而言，在量子通信領(lǐng)域的研究優(yōu)勢上，日本主要集中在延長量子通信傳輸距離、提高信息傳輸速度和改進(jìn)量子通訊的加密協(xié)議等方面。

　　由量子通信申請的專利來看，其主要特征表現(xiàn)為：量子通信的應(yīng)用技術(shù)繁多，特定技術(shù)領(lǐng)域的專利占有率高，海外專利申請意識較強，且相關(guān)技術(shù)大多可直接根植于通信產(chǎn)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(hù)策略，通過全面申請PCT專利對其持有的量子通信核心技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。

（轉(zhuǎn)載請注明來源：科普中國-軍事科技前沿）

美歐日如何發(fā)展量子通信技術(shù)？

圖文簡介

量子通信是事關(guān)國家信息和國防安全的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，且有可能改變未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局，因此，其不可避免地成為世界主要發(fā)達(dá)國家及地區(qū)如美國、歐盟、日本等優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。