歐盟量子技術戰(zhàn)略研究及啟示

　　摘要：量子技術將對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響，歐盟啟動量子技術旗艦計劃，通過量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程制定詳細發(fā)展路線，加速量子研究成果的商業(yè)應用。本文研究了歐盟量子旗艦的發(fā)展歷程、四大應用領域的挑戰(zhàn)與發(fā)展路線、科技資源、創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，充分分析歐盟量子技術旗艦計劃的戰(zhàn)略部署。首先，梳理了量子技術旗艦計劃的發(fā)展歷程。其次，分析了歐洲在量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和測量等四個應用領域的挑戰(zhàn)及發(fā)展路線。隨后，分析了歐盟為支持量子技術旗艦計劃實施，對科學資源和技術資源的配置。然后，從確定量子技術用例和需求規(guī)范、提供基礎設施和供應鏈、促進新產(chǎn)品和服務發(fā)展和教育培訓四個方面分析了歐盟構建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與舉措。最后，提出歐盟量子技術旗艦計劃的實施為中國帶來的啟示。建議中國制定量子技術發(fā)展路線，優(yōu)化科技資源;構建量子創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，加速量子技術商業(yè)化應用;加快制定量子通信相關標準;加強量子相關教育與培訓。

　　關鍵詞：歐盟量子技術旗艦計劃;路線圖;科技資源;創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)

　　1量子技術是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭領域之一，它將對整個社會和經(jīng)濟產(chǎn)生根本性影響[1]。未來的量子技術將應用于多個領域，例如加速新藥開發(fā)、優(yōu)化交通，開發(fā)新材料，快速診斷疾病和進行安全通信等[2,3]。第一次量子革命催生了晶體管和激光器[4,5]等，當前第二次量子革命正在廣泛進行，科學家對量子效應的操縱能力增強，引發(fā)了重大技術進步，例如構建了量子計算機。

　　為了搶占未來科技發(fā)展高地，世界各國紛紛出臺了量子技術相關戰(zhàn)略規(guī)劃。歐洲是量子理論的發(fā)源地，20世紀初，歐洲的物理學家馬克斯普朗克和尼爾斯玻爾等提出了量子理論并創(chuàng)立了量子力學。2018年10月，歐盟啟動了量子技術旗艦計劃(簡稱為“量子旗艦”)[6]，促進歐洲量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強量子研究成果的商業(yè)應用，確保歐洲在全球第二次量子革命中走在前列。量子旗艦的長期愿景是建立“量子互聯(lián)網(wǎng)”，實現(xiàn)量子計算機、量子模擬器和量子傳感器等相互連接。

　　2020年3月，歐盟量子旗艦工作組發(fā)布了《量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程》[7]，為歐洲量子旗艦的未來發(fā)展明確了方向，制定了未來3年、以及6~10年的詳細發(fā)展路線。本文對量子旗艦的發(fā)展歷程、四大應用領域的挑戰(zhàn)與發(fā)展路線、科技資源、創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)進行梳理，充分分析歐盟量子技術的發(fā)展戰(zhàn)略和舉措，為中國量子技術的發(fā)展提出啟示。 技術的發(fā)展提出啟示。量子旗艦發(fā)展歷程2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》[8]，該宣言呼吁發(fā)起量子旗艦，啟動歐洲量子產(chǎn)業(yè)，擴大歐洲在量子研究領域的科學領導地位。該宣言圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量四個領域分別制定了短期目標(0~5年)、中期目標(5~10年)和長期目標(10年以上)。

　　2016年8月，歐盟委員會成立了量子旗艦專家組[9]，該專家組由13名來自洪堡大學、因斯布魯克大學、波蘭科學院、法國國家科學研究中心等機構的科學家，以及12名來自空客防御與太空、西門子股份公司和意法半導體等產(chǎn)業(yè)界成員組成，代表歐洲學術與產(chǎn)業(yè)的多方利益相關者，為量子旗艦提供建議。

　　2017年2月，該專家組發(fā)布了量子旗艦中期報告[10]，提出了量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程的首批建議以及一些實施建議，圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量四個領域分別制定了3年、6年和10年發(fā)展目標，明確了每個應用領域所需的使能工具和啟動階段的項目部署方向，同時，提出了相關基礎科學重點方向的發(fā)展目標。2017年6月，該專家組發(fā)布了量子旗艦最終報告[11]，并將根據(jù)量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程制定量子旗艦實施計劃。

　　2018年10月，歐盟啟動量子旗艦，確定將在十年內提供10億歐元，支持大規(guī)模和長期的研究與創(chuàng)新項目，其主要目標是將量子研究從實驗室轉移到市場，實現(xiàn)商業(yè)應用。在第一個三年中(2018年10月至2021年9月)，歐盟資助1.32億歐元部署了研究與創(chuàng)新項目。

　　在啟動量子旗艦的同時，歐盟成立了戰(zhàn)略咨詢委員會(StrategicAdvisoryBoard，SAB)[12]，為量子旗艦提供戰(zhàn)略決策建議。SAB指導了量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程的準備工作，并負責監(jiān)督量子旗艦的實施進展。該委員會成員由6個產(chǎn)業(yè)專家和10名科研專家組成。2020年3月，SAB發(fā)布了《量子技術旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程》，以公開透明的方式征求了歐洲2000多名量子專家的意見，為量子旗艦制定了未來的發(fā)展路線。該議程在量子旗艦最終報告的基礎上，圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量，詳細分析了歐盟在上述每個應用領域中的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)和研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)，進一步制定了每個應用領域更為詳細的未來3年、6~10年的發(fā)展路線。

　　同時，為解決四個應用領域中共同的基礎問題和挑戰(zhàn)，確保量子技術產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，該議程進一步明確了量子旗艦的科技資源。針對基礎研究資源，該議程在量子旗艦最終報告的基礎上，明確了更為詳細的發(fā)展目標，制定詳細的發(fā)展路線。針對技術資源，該議程從制造和包裝、使能技術、控制、軟件和理論五個方面分析了歐盟面臨的挑戰(zhàn)，制定詳細發(fā)展路線，確保量子旗艦能有效利用概念、工具、技術和人員。同時，歐盟通過“地平線2020”“地平線歐洲”和“數(shù)字歐洲”支持量子旗艦的研究創(chuàng)新項目和基礎設施等。

　　創(chuàng)新是量子旗艦的核心關注點，歐盟構建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，將量子技術從實驗室拓展到新產(chǎn)品及服務，實現(xiàn)量子商業(yè)化應用。量子旗艦應用領域的挑戰(zhàn)與發(fā)展路線針對量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量四個應用領域，本節(jié)梳理了歐盟在每個應用領域中的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)、研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)和未來發(fā)展路線。在量子通信領域，歐盟預計量子通信短期內將應用于密碼學，長遠來看，可能會在傳感器和時鐘網(wǎng)絡、定時和計算領域進行廣泛應用。

　　2歐洲量子通信的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)在于缺乏適當?shù)慕?jīng)濟和人力資源。開發(fā)可以部署量子通信的基礎設施所需要的投資是巨大的，為應對這一挑戰(zhàn)，歐盟促進歐洲量子通信行業(yè)的合作伙伴積極參與，促進初創(chuàng)企業(yè)發(fā)展量子密鑰分發(fā)(QuantumKeyDistribution，QKD)網(wǎng)絡服務、軟件、系統(tǒng)集成、認證服務以及量子光子組件供應鏈等。歐盟推出密鑰分配網(wǎng)絡測試平臺和量子通信基礎設施，為新系統(tǒng)和新產(chǎn)品開發(fā)提供平臺。歐洲量子通信的研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)在于量子安全、量子網(wǎng)絡和供應鏈三個方面，具體包括降低技術成本、改善網(wǎng)絡安全系統(tǒng)和通信性能、增加量子通信距離、并行尋求可替代技術改進供應鏈組件等。

　　在量子計算領域，歐盟目標是全面開發(fā)量子計算機，包括理論、系統(tǒng)軟件和解決特定任務的專用算法，并在量子計算機、通信系統(tǒng)和經(jīng)典計算機之間創(chuàng)建接口。歐洲量子計算的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)在于形成具有競爭力的完整生態(tài)系統(tǒng)。歐盟發(fā)揮研究機構、研究和技術組織(ResearchandTechnologyOrganisations，RTOs)、中小企業(yè)、大型公司的優(yōu)勢，促進量子硬件、系統(tǒng)開發(fā)和軟件的專家之間緊密協(xié)作。研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)包括三個方面，在技術、設備和平臺方面，需要開發(fā)候選量子計算平臺，探索改善系統(tǒng)性能的方法，改進材料和制造工藝，增強量子系統(tǒng)的相干性，開發(fā)量子控制系統(tǒng)和糾錯方法，開發(fā)新接口。在軟件和算法方面，需要研究量子算法理論及其復雜性，開發(fā)軟件堆棧。在供應鏈方面，需要依靠現(xiàn)有傳統(tǒng)技術形成可靠供應鏈，創(chuàng)建新生態(tài)系統(tǒng)。

　　在量子模擬領域，歐盟的目標是要達到更高的控制水平、保真度和可編程性、構建大型系統(tǒng)，未來將在量子化學、核物理、材料科學、流體力學和云服務等領域進行廣泛應用。歐洲量子模擬社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)在于需要與終端用戶建立更緊密的聯(lián)系以找到短期內最有希望的用例。研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)在于開發(fā)更強大的系統(tǒng)和平臺、開發(fā)僅需要少量操作的算法、研究新型光子組件、新型快速高效檢測器、超冷原子和離子操縱技術、大容量低溫技術和控制技術等。在量子傳感和計量領域，量子技術將以多種方式增強現(xiàn)有傳感器，未來將在物理、化學、生物學、地球物理學氣候科學、環(huán)境科學、流動性防御以及數(shù)據(jù)存儲和處理領域進行廣泛應用。

　　歐洲量子傳感和計量的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)在于需要通過標準和認證工作加快市場開發(fā)，發(fā)展健康競爭的生態(tài)系統(tǒng)，解決環(huán)境、醫(yī)療保健和地球感應與觀測中的問題。研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)在于需要實現(xiàn)對所有量子自由度的完全控制，保護其免受環(huán)境噪聲影響和惡意干預，確定相關量子態(tài)性能，提高靈敏度和分辨率等。

　　3科技資源

　　為了成功實現(xiàn)上述四個量子技術核心應用領域，使歐洲基于量子技術的相關產(chǎn)業(yè)能夠長期發(fā)展，歐盟通過開發(fā)科技資源進行輔助，包括科學資源和技術資源。盡管一些量子技術已經(jīng)達到相當成熟的水平，并準備過渡到工業(yè)應用，但繼續(xù)研究開放的基礎科學問題至關重要，這將有利于發(fā)展新的科學概念和工具。

　　因此，在科學方面，歐盟通過科學資源為量子技術提供新概念和新想法，從而激發(fā)更先進的技術。為了拓展量子技術更多的應用，使量子技術的產(chǎn)品具有靈活性，并產(chǎn)生長期的影響，在技術方面，歐盟通過技術資源發(fā)揮協(xié)同作用，實現(xiàn)資源共享，通過跨學科合作，匯集量子領域和傳統(tǒng)領域的綜合能力來開發(fā)新的工具、組件和材料等，從基礎組件到系統(tǒng)工程、基準測試驗證、理論、軟件和控制來確保量子技術在應用領域中高效長期發(fā)展所需的技術資源，全面促進量子技術應用。

　　3.1科學資源

　　歐盟科學資源的目標是在理論和實踐上探索和理解量子技術的基礎科學問題，探索新的量子效應，獲得新的見解。這種探索不僅支撐量子技術現(xiàn)有應用領域的發(fā)展，還將從長遠上有助于開發(fā)新的量子技術。

　　例如，歐盟將探索退相干的機制以及如何減輕或利用其影響，來解決量子技術在應用領域的共同基礎研究問題，將探索量子理論與經(jīng)典物理學的不同之處，為量子信息概念提供新的見解，以開發(fā)新的工具。歐盟科學資源涉及多個領域，例如生物學、熱力學和高能物理等，研究問題非常廣泛，比如探索生物過程是否利用了量子效應。歐盟通過科學資源與量子技術互動，不斷開發(fā)新的科學概念和工具，促進量子技術應用領域的實現(xiàn)。新科學資源將為量子技術提供了新的思路，反之，量子技術的發(fā)展將激發(fā)新的問題，由新科學資源來解決這些問題，并為新的理論發(fā)展提供指導。

　　4創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)

　　創(chuàng)新是量子旗艦的核心關注點，歐盟通過構建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，將量子技術從實驗室拓展到新產(chǎn)品及服務，吸引主要利益相關者共同實現(xiàn)量子商業(yè)化應用。構建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)主要的挑戰(zhàn)與舉措包括確定量子技術用例和需求規(guī)范、提供基礎設施和供應鏈、促進新產(chǎn)品和服務發(fā)展、教育培訓四個方面。

　　4.1確定量子技術用例和需求規(guī)范

　　將量子技術從研究轉入應用階段時，確定新產(chǎn)品和服務的用例是必不可少的步驟。歐盟通過組織業(yè)界的行業(yè)研討會和用例研討會，組織科學家、研發(fā)工程師和用戶討論確定新的用例。同時，歐盟將組織利益相關者進行會議討論，例如金融機構、政府組織、產(chǎn)品開發(fā)、安全機構和國防機構等從業(yè)人員探索新的用例。

　　4.2提供基礎設施和供應鏈

　　歐盟RTOs將在基礎設施和供應鏈中發(fā)揮重要作用。RTOs可進行重復制造，并且熟悉原型和產(chǎn)品的模塊化方法，為產(chǎn)業(yè)提供幫助。RTOs、大學和產(chǎn)業(yè)界將形成量子中心聯(lián)盟，便于交換產(chǎn)品設計。歐盟將創(chuàng)建平臺為中小型企業(yè)提供網(wǎng)頁，提供有關產(chǎn)品功能、服務和原型信息。同時，歐盟將列出中小型企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品所需的基礎設施和設備，包括測量和計量設施。RTOs還將協(xié)助開發(fā)人員確定可用的基礎設施，減少建設新生產(chǎn)設施所需時間。此外，歐盟將確定關鍵供應商清單，列出由哪些供應商開發(fā)新產(chǎn)品。

　　4.3促進新產(chǎn)品和服務發(fā)展

　　歐盟支持和促進新產(chǎn)品和服務發(fā)展的舉措包括加大投資、制定標準和加強知識產(chǎn)權保護。在加大投資方面，歐盟努力將投資者帶入量子技術領域，由于多數(shù)投資者并不了解量子技術的潛在應用，歐盟幫助公司和投資者之間建立聯(lián)系，支持初創(chuàng)企業(yè)與投資者互動，向風投公司充分展示量子技術的長期潛力，加強量子技術的投資。在標準方面，量子旗艦與歐洲委員會、歐洲標準組織共同成立標準小組，負責分析量子技術對標準的需求，起草技術規(guī)范或技術報告。

　　此外，歐洲電信標準協(xié)會成立了行業(yè)規(guī)范小組，制定了量子通信標準相關規(guī)范文檔，例如《QKD實施安全》白皮書、《量子安全密碼學和安全》白皮書[16]和QKD用例規(guī)范文檔，確保以安全的方式實施量子加密。在知識產(chǎn)權方面，歐盟通過代理機構幫助研究機構和中小企業(yè)申請專利，由技術轉讓辦公室提供最佳實踐指導，構建通用許可政策簡化許可過程，加強知識產(chǎn)權保護。

　　4.4教育培訓

　　為實現(xiàn)量子技術的可持續(xù)發(fā)展，歐盟建立量子物理學的教育生態(tài)系統(tǒng)，從學校到企業(yè)等各個環(huán)境中擴大教育和培訓，加強跨學科教育，加大對企業(yè)及社會需求的關注。歐盟針對學校和企業(yè)的不同受眾，設計了教育和培訓計劃。其中，大學教育的目標是開發(fā)面向未來量子技術人才的量子課程，通過聯(lián)合歐洲各地的教學資源，加強大學量子教育。大學教育的目標人群包括專科生、本科生、碩士、博士、崗前教師、研究人員，以及相關決策者。

　　目前歐洲所有大學物理課程中已納入了量子物理學，并將在計算機科學或定量業(yè)務分析等課程中教授量子相關內容，擴大量子技術未來應用范圍。高中教育的目標是為所有公民建立普遍的量子意識，培養(yǎng)未來的量子科學家和工程師。歐盟將根據(jù)教育研究確定量子課程建議和教學策略，部分成員國的高中課程中已納入了量子物理學。

　　未來，歐盟將會在小學系統(tǒng)中加強量子物理學教育。在產(chǎn)業(yè)人員培訓方面，歐盟將設置特殊的培訓課程，提高企業(yè)從事人員對量子技術及其潛力的認識，目標人群包括首席執(zhí)行官、首席技術官以及員工。歐盟量子教育未來三年發(fā)展路線包括綜合大學、高中、產(chǎn)業(yè)的量子教育需求制定措施，建立知識庫，評估量子技術課程的可行性，建立量子能力框架，建立網(wǎng)絡平臺定期召開國內和國際會議，設立量子技術和量子工程碩士學位試點計劃，制定博士及博士后暑期學校試點計劃等。未來六至十年發(fā)展路線包括設立成員國試點計劃，實施正式和非正式量子技術教育改革方法，建立自給自足的泛歐教育計劃，將網(wǎng)絡平臺和定期國際會議擴展到中小企業(yè)，對小學教育提出建議，提高公民對量子技術社會效益的認識等。

　　5啟示與建議

　　5.1制定量子技術發(fā)展路線，加大跨學科研究

　　量子技術顛覆性潛力突出，將對整個社會和經(jīng)濟產(chǎn)生根本性影響。歐盟啟動量子旗艦計劃，推動量子研究的商業(yè)應用。針對量子技術當前面臨的社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)和研究創(chuàng)新挑戰(zhàn)，歐盟圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量分別設定短期、中期發(fā)展目標和發(fā)展路線，推動量子技術產(chǎn)品與服務的商業(yè)化應用和大眾化應用，并通過開發(fā)科技資源拓展量子技術的基礎研究與應用。中國在2012年設立了《量子調控研究國家重大科學研究計劃“十二五”專項規(guī)劃》，重點部署量子信息、關聯(lián)電子體系、小量子體系和人工帶隙體系四個方面的任務，以保持中國在實用化量子密碼技術和量子通信技術等研究領域的領先水平。

　　2016年設立了量子調控與量子信息重點專項，圍繞量子調控與量子信息兩個領域的重大科學問題和瓶頸技術，積極推動原始創(chuàng)新和應用研究，2016年至2018年部署了6個重點任務，在“十二五”專項規(guī)劃的基礎上增加了量子計算與模擬、量子精密測量2個重點任務，2019年重點部署了關聯(lián)電子體系、小量子體系、量子計算與模擬3個重點任務，2020年主要圍繞關聯(lián)電子體系、量子通信兩方面繼續(xù)部署項目。

　　量子學論文范例： 更好推進我國量子科技發(fā)展

　　在未來發(fā)展路線上，借鑒歐盟量子技術發(fā)展舉措，中國可在保持量子通信優(yōu)勢領域的同時，加快量子計算、量子模擬與量子測量領域的應用研究，設計具體發(fā)展路線，加大量子領域和其他領域的跨學科研究，例如量子與化學、生物學和計算機科學的交叉研究，進一步開發(fā)新型量子技術，探索量子技術在所有領域的潛在應用。

　　參考文獻

　　[1]宋海剛.歐盟量子技術旗艦計劃的部署及組織管理研究[J].全球科技經(jīng)濟瞭望，2017，32(Z1)：5-10.SONGHaigang.ResearchonEU’sDeploymentandManagementofQuantumTechnologyFlagshipProject[J].GlobalScience,TechnologyandEconomyOutlook，2017，32(Z1)：5-10.

　　[2]余澤平.量子科技及其未來產(chǎn)業(yè)應用展望[J].中國工業(yè)和信息化，2020，(11)：20-26.YUZeping.QuantumTechnologyandItsFutureIndustrialApplicationProspect[J].ChinaIndustry&InformationTechnology，2020，(11)：20-26.

　　[3]方陵生.量子技術未來5年的商業(yè)化前景[J].世界科學，2017，(4)：4-6.FANGLingsheng.CommercializationProspectofQuantumTechnologyintheNextFiveYears[J].WorldScience，2017，(4)：4-6.

　　[4]金芳洲.物理學技術革命之第二次量子技術革命[J].現(xiàn)代物理知識，2019，31(6)：35-39.JINFangzhou.TheSecondQuantumTechnologyRevolutionofPhysicsTechnologyRevolution[J].ModernPhysics，2019，31(6)：35-39.

　　作者：鄒麗雪*,1,2劉艷麗1,2

轉載請注明來自發(fā)表學術論文網(wǎng)：http://www.zpfmc.com/jjlw/27963.html