量子技术的关键应用 - 欧盟为何启动10亿欧元投资量子技术

欧盟在科研领域再次发力，计划于2018年启动规模相当、总额10亿欧元的量子技术项目，希望借此促进包括安全的通讯网络和通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。4月19日，欧盟委员会正式宣布，打算支持这一计划，将其置于欧洲开放科学云计划之下。欧盟委员会同时还表示，在2020年前，将在云计算领域投资20亿欧元。 欧盟委员会认为，这一旗舰项目将刺激欧洲量子技术的发展，这些技术是第二次量子革命的一部分。第一次量子革命揭示了量子力学的基本原理，激光和晶体管等设备因此问世。欧盟量子计划将包括支持更容易市场化的系统，比如量子通讯网络、超灵敏的照相机、能帮助设计新材料的量子模拟器等。

   量子技术的关键应用

    通信：

　　0—5年：

　　A. 量子中继器核心技术

　　B. 点对点安全量子通信

　　5—10 年

　　C. 远距离量子网络

　　D. 量子信用卡

　　E. 有加密和窃听检测功能的量子中继器

　　F. 融合量子通信与经典通信，保卫欧洲互联网安全

　　模拟器：

　　0—5年

　　A 材料中的电子运动模拟器

　　B 量子模拟器和网络新算法

　　5—10年

    C 新型复杂材料的研发和设计

　　D 量子磁电通用模拟器

　　E 支持药物设计的量子力学和化学反应机制模拟器

  　传感器：

　　0—5年

　　A. 小应用程序中的量子传感器（包括：健康监测，地质调查，安防设备中的重力和磁传感器）

　　B. 针对高频金融交易中进行时间戳操作的原子钟将更加精准

　　5—10年

　　C 针对更大量应用，包括汽车，建筑工程 的量子传感器

　　D 量子导航手持设备

　　E 基于引力传感器的重力成像设备

　　F 将量子传感器集成到客户端应用中，如移动设备中

    计算机 ：

　　0—5年

　　A. 有误码检测保护或拓扑性保护的逻辑量子比特位操作

　　B. 量子计算机新算法

　　C. 与小量子处理器的执行技术相关的算法

　　5—10年

　　D. 用大于100物理量子比特的，有特定用途量子计算机解决化学和材料科学难题

　　E. 集成量子电路和低温经典控制硬件

　　F. 通用量子计算机超过传统计算机的计算能力

    量子原子钟：

　　量子原子钟可与GPS时钟同步，提供更高级别的定时稳定性和可追溯性，在无法使用 GPS 恶劣环境中也可进行操作。这些定时方法也可用于金融机构——管控高频交易的时间，提升管控性能和金融市场稳定性，同样可用于电信，广播，能源及安防设备中。

　　量子传感器：

　　有建筑项目的公司和公共机构会购买和使用利用了量子叠加或量子纠缠技术以实现更高程度敏感性和分辨率的量子传感器。比如，用来测量地下空洞，探测矿藏，或遗留下来的基础设施等。也将被用于提供非侵入性检测诊断。

　　安全城际量子链路

　　一条连接不少欧洲国家首都的安全城际量子链路将使得无窃听风险传输高敏感数据成为可能。这条链路可能包括基于地面或卫星的保护节点，这些节点源自原子可信任结点和量子中继器。

　　量子模拟器

　　可以基于模拟材料或化学反应等特定目标，创建量子模拟器。该模拟过程可探索新型处理过程或物质特性，并生成新型物质，作为设计多个领域（比如能源和交通）所需新材料的工具。

　　全球量子安全通信网络

　　一个全球量子—安全通信网络——将量子与传统通信、加密技术结合后的量子网络——可以保证互联网交易的安全性，并可避免量子计算机完全打破传统加密机制的风险。

    通用计算机

　　通用量子计算机的计算性能将会超过未来最强大的传统计算机。量子计算机将会可重复编程，并可用来解决最复杂的计算难题，比如优化任务，数据库搜索，机器学习和图像识别等，也会对欧洲智能行业做出贡献，并有助于提高欧洲制造业的效率。

　　建立在欧洲科学优势的基础上

　　20世纪头几十年间，一批年轻的欧洲物理学家创建了量子物理，我们非常熟悉这些人的名字：波尔，普朗克，爱因斯坦，海森伯格，海森堡，薛定谔，泡利，狄拉克，居里，德布罗意等等。时间过去百年，在量子研究领域，欧洲仍然首屈一指。与其他地区相比，欧洲研发人员队伍强大，研究范围广阔，并将基础研究，应用科学，工程学联系在一起。欧洲有很多顶级研究机构，囊括了量子科技的个个方面，包括基础物理，电子，计算机科学等。过去20多年来，欧洲投入了5亿欧元支持该领域前沿研究。来自欧盟未来和新兴技术项目组织的早期支持，已经帮助培育出一个组织良好、真正的欧洲科学界，在量子技术领域拥有享誉全球科学和技术专家。几个成员国对量子技术的资金支持正在不断增多，最名的是英国（2.7亿英镑给了一个五年的项目）和荷兰（1.46亿欧元的10年项目）以及 ERANet（QuantERA）的量子科技工程，资金3000万欧元。

　　行业中对量子科技不断增长的兴趣。

　　欧洲如下公司表现出了兴趣，包括 Airbus Defence and Space， Alcatel Lucent， ASML， Bosch， IBM， Nokia， IMEC， Safran， Siemens 和 Thales 等，且数量还在增长。小中型高科技企业，如 e2v， Gooch & Housego， ID Quantique， M Squared Lasers， Muquans， Single Quantum 和 Toptica 等，都在他们特定市场处于领先。

   在半导体，电子，光产业的全球产业链中，欧洲所处的关键位置是能够增进产业的吸收和接纳。如果量子技术会产生经济 效应，那么，公司的利益应该在未来项目中得以重新认识，这一点非常重要。在商业环境中提供用于使用和制造设备的主体是公司。他们将驱动更高的生产量，降低成本，刺激新应用和新市场的增长。世界其他国家，如美国，中国，日本等，也对开发量子科技潜力表现出越来越高的兴趣，政府对此的战略和经济雄心日渐增强，很多非欧企业在欧洲或其他国家的量子科技市场中，也进行了巨额的投资。

　　小知识：关于量子通信。对于客户，企业，政府来说，通信安全具有重要战略意义。目前，通过传统计算机进行加密来保证安全，不过，这一传统或许会被量子计算机打破。基于量子加密技术的安全解决方案没有通信风险，如今已经可以商用。这源于量子随机数（大多数密码协议中的一个重要原始码）产生过程的特点。但是，这种绝对安全只在300公里以内距离的信息传输才有效：量子信息安全在于它的不可克隆性，同样地，在传统中继器中，量子信息具有不可延迟性。中继器基于信任节点或全量子设备，某些卫星也有可能属于中继器，而我们需要这些中继器能够覆盖全球范围。信任节点机制的优势在于，该机制可提供合法拦截访问，很多国家需要这一点，而且这一机制已经施行。量子中继器利用了多模态量子记忆，优势在于能够扩展信任节点之间的距离。

　　全量子中继器的组成部分有两方面：一个小型的量子处理器，和一个将信息转换成光子（与今天互联网中的光电器件相似，但有量子功能）的量子接口。这些主要构件在实验室中已经演示完毕，但是，投放市场之前仍需要多年研发。一旦研发完毕，真正的互联网级别的量子安全通信将变成现实。

   量子技术的研发目标

　　短期目标：（0-5年）

　　研发用于加密能力和窃听检测、长距离点对点量子安全连接的信号复示器的核心科技。

　　共建量子模拟器去处理化学工艺和材料设计的问题。

　　研发更多精确的能够被用于为高频率金融交易打时间印戳的原子钟，让国际市场有更好的法规和安全。

　　论证对指数保护和拓扑量子的控制。

　　整合高速冷冻传统控制硬件的功能性量子电路。

　　为特殊目的的应用研发量子感应器，例如，为防御，石油天然气和太空领域研发重力感应器，计时应用用途的量子钟，医学用途和图像领域的磁力感应器。

　　为量子模拟器、计算机和通讯网络，发掘新的算法、协议和领域应用，如，分析和设计有用的化学进程。

　　论证小的量子处理器，它可用以执行量子算法和在原子或者固态平台被量子误差校正保护的逻辑量子运算。

　　开发供应链组件，例如冷冻的或电子的放大器和组件或是激光资源。这些都是构建量子设备和众多副产品的基础。

    中期目标（5-10年）

　　实现对物质的磁性和超导性等电属性的模拟，以支持发展和设计具有新异特性的新材料。

　　简化量子感应器，从而让他们能够用于低成本、大批量的应用，如制造业、汽车业、建筑业和地质调查领域。

　　因为量子网络能够加强信息安全并让加密成为可能，从而让远距离城市间能够通过量子网络进行安全通信。

　　用能以超过一百物理量子比特的高速运行的特殊目的量子计算机运算解决化学和材料科学的问题

　　研发掌上型导航仪器，精确到 1毫米/天并能够在室内使用。

　　建造量子设备，用其提升工艺性和可依赖性，降低成本并让它们为主流市场所用。

　　论证星地量子密码学。