量子技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用 - 歐盟為何啟動10億歐元投資量子技術(shù)

　　量子技術(shù)領(lǐng)先領(lǐng)域的發(fā)展——如下圖所示——有望產(chǎn)生革命性應(yīng)用，這些應(yīng)用會對普通民眾生活產(chǎn)生切實影響。每一個領(lǐng)域都有自己的時間軸。比如，在不久的將來，新量子傳感器有望出現(xiàn)在商業(yè)市場，不過，量子計算機可能還要再等十年。為壟斷性應(yīng)用奠定基礎(chǔ)的科學(xué)、工程方面的里程碑技術(shù)，其發(fā)展軌跡是以歐洲領(lǐng)先科學(xué)家的預(yù)測為基礎(chǔ)的。下面的時間軸只是一種說明，并不完整。歷史已經(jīng)證明，很難預(yù)測一項顛覆性技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用；這些技術(shù)不避免地創(chuàng)造出他們自己的應(yīng)用方式。第三部分，我們會更加詳細地描述技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑技術(shù)。

　　通信（如上圖）：

　　0—5年：

　　A. 量子中繼器核心技術(shù)

　　B. 點對點安全量子通信

　　5—10 年

　　C. 遠距離量子網(wǎng)絡(luò)

　　D. 量子信用卡

　　E. 有加密和竊聽檢測功能的量子中繼器

　　F. 融合量子通信與經(jīng)典通信，保衛(wèi)歐洲互聯(lián)網(wǎng)安全

　　模擬器：

　　0—5年

　　A 材料中的電子運動模擬器

　　B 量子模擬器和網(wǎng)絡(luò)新算法

　　5—10年

　　C 新型復(fù)雜材料的研發(fā)和設(shè)計

　　D 量子磁電通用模擬器

　　E 支持藥物設(shè)計的量子力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)機制模擬器

　　傳感器：

　　0—5年

　　A. 小應(yīng)用程序中的量子傳感器（包括：健康監(jiān)測，地質(zhì)調(diào)查，安防設(shè)備中的重力和磁傳感器）

　　B. 針對高頻金融交易中進行時間戳操作的原子鐘將更加精準

　　5—10年

　　C 針對更大量應(yīng)用，包括汽車，建筑工程 的量子傳感器

　　D 量子導(dǎo)航手持設(shè)備

　　E 基于引力傳感器的重力成像設(shè)備

　　F 將量子傳感器集成到客戶端應(yīng)用中，如移動設(shè)備中

　　計算機 ：

　　0—5年

　　A. 有誤碼檢測保護或拓撲性保護的邏輯量子比特位操作

　　B. 量子計算機新算法

　　C. 與小量子處理器的執(zhí)行技術(shù)相關(guān)的算法

　　5—10年

　　D. 用大于100物理量子比特的，有特定用途量子計算機解決化學(xué)和材料科學(xué)難題

　　E. 集成量子電路和低溫經(jīng)典控制硬件

　　F. 通用量子計算機超過傳統(tǒng)計算機的計算能力

　　量子原子鐘（如上圖）：

　　量子原子鐘可與GPS時鐘同步，提供更高級別的定時穩(wěn)定性和可追溯性，在無法使用 GPS 惡劣環(huán)境中也可進行操作。這些定時方法也可用于金融機構(gòu)——管控高頻交易的時間，提升管控性能和金融市場穩(wěn)定性，同樣可用于電信，廣播，能源及安防設(shè)備中。

　　量子傳感器：

　　有建筑項目的公司和公共機構(gòu)會購買和使用利用了量子疊加或量子糾纏技術(shù)以實現(xiàn)更高程度敏感性和分辨率的量子傳感器。比如，用來測量地下空洞，探測礦藏，或遺留下來的基礎(chǔ)設(shè)施等。也將被用于提供非侵入性檢測診斷。

　　安全城際量子鏈路

　　一條連接不少歐洲國家首都的安全城際量子鏈路將使得無竊聽風(fēng)險傳輸高敏感數(shù)據(jù)成為可能。這條鏈路可能包括基于地面或衛(wèi)星的保護節(jié)點，這些節(jié)點源自原子可信任結(jié)點和量子中繼器。

　　量子模擬器

　　可以基于模擬材料或化學(xué)反應(yīng)等特定目標，創(chuàng)建量子模擬器。該模擬過程可探索新型處理過程或物質(zhì)特性，并生成新型物質(zhì)，作為設(shè)計多個領(lǐng)域（比如能源和交通）所需新材料的工具。

　　全球量子安全通信網(wǎng)絡(luò)

　　一個全球量子—安全通信網(wǎng)絡(luò)——將量子與傳統(tǒng)通信、加密技術(shù)結(jié)合后的量子網(wǎng)絡(luò)——可以保證互聯(lián)網(wǎng)交易的安全性，并可避免量子計算機完全打破傳統(tǒng)加密機制的風(fēng)險。

　　通用計算機

　　通用量子計算機的計算性能將會超過未來最強大的傳統(tǒng)計算機。量子計算機將會可重復(fù)編程，并可用來解決最復(fù)雜的計算難題，比如優(yōu)化任務(wù)，數(shù)據(jù)庫搜索，機器學(xué)習(xí)和圖像識別等，也會對歐洲智能行業(yè)做出貢獻，并有助于提高歐洲制造業(yè)的效率。

　　建立在歐洲科學(xué)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上

　　20世紀頭幾十年間，一批年輕的歐洲物理學(xué)家創(chuàng)建了量子物理，我們非常熟悉這些人的名字：波爾，普朗克，愛因斯坦，海森伯格，海森堡，薛定諤，泡利，狄拉克，居里，德布羅意等等。時間過去百年，在量子研究領(lǐng)域，歐洲仍然首屈一指。與其他地區(qū)相比，歐洲研發(fā)人員隊伍強大，研究范圍廣闊，并將基礎(chǔ)研究，應(yīng)用科學(xué)，工程學(xué)聯(lián)系在一起。歐洲有很多頂級研究機構(gòu)，囊括了量子科技的個個方面，包括基礎(chǔ)物理，電子，計算機科學(xué)等。過去20多年來，歐洲投入了5億歐元支持該領(lǐng)域前沿研究。來自歐盟未來和新興技術(shù)項目組織的早期支持，已經(jīng)幫助培育出一個組織良好、真正的歐洲科學(xué)界，在量子技術(shù)領(lǐng)域擁有享譽全球科學(xué)和技術(shù)專家。幾個成員國對量子技術(shù)的資金支持正在不斷增多，最名的是英國（2.7億英鎊給了一個五年的項目）和荷蘭（1.46億歐元的10年項目）以及 ERANet（QuantERA）的量子科技工程，資金3000萬歐元。

　　行業(yè)中對量子科技不斷增長的興趣。

　　歐洲如下公司表現(xiàn)出了興趣，包括 Airbus Defence and Space， Alcatel Lucent， ASML， Bosch， IBM， Nokia， IMEC， Safran， Siemens 和 Thales 等，且數(shù)量還在增長。小中型高科技企業(yè)，如 e2v， Gooch & Housego， ID Quantique， M Squared Lasers， Muquans， Single Quantum 和 Toptica 等，都在他們特定市場處于領(lǐng)先。

　　在半導(dǎo)體，電子，光產(chǎn)業(yè)的全球產(chǎn)業(yè)鏈中，歐洲所處的關(guān)鍵位置是能夠增進產(chǎn)業(yè)的吸收和接納。如果量子技術(shù)會產(chǎn)生經(jīng)濟 效應(yīng)，那么，公司的利益應(yīng)該在未來項目中得以重新認識，這一點非常重要。在商業(yè)環(huán)境中提供用于使用和制造設(shè)備的主體是公司。他們將驅(qū)動更高的生產(chǎn)量，降低成本，刺激新應(yīng)用和新市場的增長。世界其他國家，如美國，中國，日本等，也對開發(fā)量子科技潛力表現(xiàn)出越來越高的興趣，政府對此的戰(zhàn)略和經(jīng)濟雄心日漸增強，很多非歐企業(yè)在歐洲或其他國家的量子科技市場中，也進行了巨額的投資。

　　小知識：關(guān)于量子通信。對于客戶，企業(yè)，政府來說，通信安全具有重要戰(zhàn)略意義。目前，通過傳統(tǒng)計算機進行加密來保證安全，不過，這一傳統(tǒng)或許會被量子計算機打破?；诹孔蛹用芗夹g(shù)的安全解決方案沒有通信風(fēng)險，如今已經(jīng)可以商用。這源于量子隨機數(shù)（大多數(shù)密碼協(xié)議中的一個重要原始碼）產(chǎn)生過程的特點。但是，這種絕對安全只在300公里以內(nèi)距離的信息傳輸才有效：量子信息安全在于它的不可克隆性，同樣地，在傳統(tǒng)中繼器中，量子信息具有不可延遲性。中繼器基于信任節(jié)點或全量子設(shè)備，某些衛(wèi)星也有可能屬于中繼器，而我們需要這些中繼器能夠覆蓋全球范圍。信任節(jié)點機制的優(yōu)勢在于，該機制可提供合法攔截訪問，很多國家需要這一點，而且這一機制已經(jīng)施行。量子中繼器利用了多模態(tài)量子記憶，優(yōu)勢在于能夠擴展信任節(jié)點之間的距離。

　　全量子中繼器的組成部分有兩方面：一個小型的量子處理器，和一個將信息轉(zhuǎn)換成光子（與今天互聯(lián)網(wǎng)中的光電器件相似，但有量子功能）的量子接口。這些主要構(gòu)件在實驗室中已經(jīng)演示完畢，但是，投放市場之前仍需要多年研發(fā)。一旦研發(fā)完畢，真正的互聯(lián)網(wǎng)級別的量子安全通信將變成現(xiàn)實。