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英政府发布量子报告:五大方向,原子钟优先,量子通信排第五

英政府发布量子报告:五大方向,原子钟优先,量子通信排第五

澎湃新闻网 丨 科技快讯

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2016-12-26

贾聪聪

Xtecher特稿作者

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澎湃新闻记者 王心馨 虞涵棋


科学技术是第一生产力。尤其是前沿科技,向来是各个国家关注的重点之一。除了人工智能外,英国政府科学办公室近期还发布了一份量子技术报告《量子时代:技术机会》(The Quantum Age:technological opportunity,以下简称“《报告》”)。


在这份报告中,英国政府科学办公室(the government office for science)阐述了英国如何能从量子技术中获益,并指出了英国能领先以及能增加优势的领域。

英国政府首席科学顾问,也是此报告的撰写人之一Mark Walport爵士表示:“英国在量子技术的研究和开发中发挥着主导作用。量子计时、成像、传感、通信和计算等领域,具有产生新产品和服务的潜力和价值。我们必须确保继续将我们优秀的研究成果商业化。 我们有机会发展一个世界级的工业,有熟练的劳动力支持,并受到全球需求的刺激。”


英政府发布量子报告:原子钟优先 量子通信排第五

各国量子科学和技术排名


早在2013年的政府秋季预算报告里,英国就宣布,将在此后的五年间为国家量子技术项目投资2.7亿英镑,以加速量子技术的商业化进程。


“中国已经在量子科学和技术中投入巨大的资金;尽管应用还不多,但美国也拥有许多的研究机构。欧盟近期也发布了量子计划,计划于2018年启动。意识到这些竞争,我们必须开放国家项目,促进英国的量子技术发展,并鼓励投资。”《报告》在前言章指出。


基于英国国家量子技术项目取得的进展,英国政府部门强调,未来会与国内和国际私营部门加强协调,建立伙伴关系。除此之外,英国还会建立创新中心,联合学术界和工业界,让量子技术商业化。建立英国量子技术产业的基础也成为英国未来的重点之一。


英政府发布量子报告:原子钟优先 量子通信排第五

对英国来说,未来量子技术是价值10亿英镑的产业


重视五大量子技术应用


在《报告》的执行摘要中提到,“你不需要了解和掌握量子技术的细节、物理基础,但它会对我们每天的生活产生影响,做到我们今天不能做到的事情。”例如,量子设备能让我们看到隐蔽的角落,地图上未标明的隐藏危险,以及更容易地解决当前计算机无法做到的问题。


为此,《报告》提出了英国量子技术应用的5大领域。分别是原子钟、量子成像、量子传感和测量、量子计算和模拟以及量子通信。


1、原子钟,它是量子技术的一种。英国政府部门认为,英国曾在这一领域领先全球,当时与美国竞争开发第一台铯原子钟,但因为商业化推进不足,后来逐渐被美国赶超。《报告》认为,精准的计时支撑着我们的日常生活。许多我们生活中依赖的技术比如手机、互联网、卫星导航系统都需要依赖于原子钟精准的计时。


原子钟的应用领域广阔,英国政府在报告中提到了这个技术应用的5个场景,包括远程通信网络、电力输配网络、金融市场、雷达系统、新闻市场。举例来说,在金融市场,时间信号是同步交易和产生交易记录的关键。基于量子技术的计时可以满足金融市场同步的要求。


2、量子成像。尽管,照相机和图片修改技术已经非常普遍,但大多数的照片拍摄仍受制于灯光的有无,且是二维的。但真实的世界应该是三维和多光谱的。

量子成像是利用量子纠缠现象发展起来的一种新的成像技术。与经典光学成像只能在同一光路得到该物体的图像不同,量子成像可以在另一条并未放置物体的光路上再现该物体的空间分布信息。


量子成像技术可以使用几乎任何光源——荧光灯泡、激光甚至太阳,从而避免云、雾和烟等使常规成像技术无能为力的气象条件的干扰,获得更为清晰的图像。

《报告》认为,如果将这种技术运用好,能让我们看到原先看不到的世界。例如,使用量子成像技术,可以拍3D照片,能识别接近物体的光。这一技术的应用领域也非常广阔,可以给无人驾驶汽车提供独有的数据,在医疗保健、国防、安全、运输和制造领域得到应用。例如,可以帮助消防员在浓烟的灾难现场救灾,帮助工程师拍摄天然气泄漏等。


3、量子传感和测量。传感器对于构建万物互联的世界至关重要。相比现有的传感器,量子传感器的优势在于,它的技术能让传感器的敏感性、准确性和稳定性都提升多个数量级。这样一来,就可以将应用扩大到航空、气候、建筑、国防、能源、医疗保健、安全、运输和水域中。


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量子传感和测量的应用场景


《报告》认为,英国可以从制造高端的量子传感器中受益,从而让测量的数据可视化。英国当前的传感器和仪表行业雇佣了73000人,每年贡献140亿英镑的价值。未来,基于传感数据服务会产生更多的价值,所以必须重视整个价值链。


在这一章节中,还着重介绍了量子传感领域中的重要应用——量子磁力仪在医疗保健中的应用。《报告》指出,因为量子磁力仪能提供更高灵敏度的测试,所需的基础设备数量又少,所以未来能在某些医疗保健领域发挥节约成本,提高功效的作用。比如用来治疗痴呆症、癌症、心脏疾病等。


4、量子计算和模拟。比起常规的计算机,量子计算机的计算处理能力能提升百亿亿倍。目前,各国在量子计算领域已经展开竞争。谷歌公布的量子计算机研究报告中称,它们计划明年增加至49量子比特。这是一个极为关键的门槛。有学者预计,在50量子比特左右,量子计算机就能达到“量子霸权”(quantum supremacy)。


《报告》称,英国在这一领域的长期目标是建立一个可以运行的大型通用量子计算机。


但目前量子计算机所能达到的量子比特数量有限,并且运行也不稳定。英国政府认为持续投入后,未来10年,人类能让量子计算机达到50-100量子比特的水平。


5、量子通信。人们从古代就希望己方的军情可以完全保密,直至今日,我们依旧渴望实现绝对的通信安全。作为世界顶尖的前沿科学技术,量子通信技术就能够非常完美的实现这一梦想。


英政府发布量子报告:原子钟优先 量子通信排第五

量子通信技术应用随时间推进将会增长


一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子,它们都是量子的一种表现形态。世界本身都是由微观粒子组成的。所以,某种意义而言,我们身处的这个世界就是由量子组成的。


量子的两个特性不容忽视,量子叠加原理和由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。基于这两个特性,才有了量子通信,你不可能实现对一个未知量子比特的精确复制。因为一旦信息被人挟持,量子会自动发生变化,接收者也因此能察觉,而偷窥者也看不到原貌。


《报告》认为,量子通信能保证高敏感信息的传送安全。短期内,量子通信能提供密钥和随机数字保证信息不被复制,最终量子通信能通过卫星和远距离光纤用在全球通信网络。


《报告》在这一章的结论中指出,量子通信会在未来形成全球市场和网络,保证英国工业和政府网络的安全。英国在这一领域的大量投入将保证英国在这一领域的领先地位。


量子技术的商业化


为了保证量子技术能在未来更好地商业化,给英国经济带来促进作用。英国政府在《报告》的“商业化”这一章节介绍了英国实现这一目标的计划。除了在2013年财政拨款2.7亿英镑,支持量子产业发展外,英国还有一个“量子技术项目”。


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英国当前量子技术生态


此举旨在建立一个政府、产业、学界之间的量子技术共同体,使英国能在未来的量子技术市场中抢占世界领先地位,实质性地提高英国产业的价值。


首先,英国产业界会为国防、保密通讯、信息技术、油气等小众用户生产设备,接着进入更主流的消费者市场。为此,相关企业会得到国家量子技术项目的资金支持。


英国还会建立一个名为 “枢纽”的全国性量子技术网络,为有意向打开量子技术市场的企业提供快捷入口。


2015年4月,政府组织“创新英国”(Innovate UK)、英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)、英国国防科学技术实验室(Dstl)成功为产业导向项目进行了第一轮资金支持。这些项目有些是为了了解量子技术的市场化运用,有些是为了将量子技术产品推向市场。


除此之外,量子技术博士培训中心会保证这个领域的新生研究力量,国家物理实验室(NPL)也会开设一个量子计量学院。国家量子技术项目会加强与英国国防科学技术实验室和国防部的合作,在3到5年内研发量子计时、导航和引力成像设备。


英国已经在报告中阐述了量子技术的重要性,还提到了来自其他国家的竞争。


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英国并非是唯一一个认识到量子技术潜力的国家


今年7月份,美国白宫发布了《推进量子信息科学:国家的挑战与机遇》。报告中,美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性,前瞻性进行了阐述,还介绍了美国在量子信息科学的研究发展状况。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理发展,未来可能最终会颠覆众多科学领域,人工智能也当属其中之一。


美国联邦机构在过去的20年中,已经对量子信息科学给予了很多支持。这些支持起到了显著的作用,让美国的科学家在该领域里处在领先位置。目前,联邦政府机构每年资助量子信息科学领域2亿美元。


中国也在量子技术领域里努力推进,尤其是在量子通信领域。今年9月份,中国量子实验卫星“墨子”号的升空,意味着世界上将首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。这也意味着经过近十年的发展,中国在量子通信领域已经实现了弯道超车,走在了全球发展的前列。

“中国在量子通信领域比起其他国家更早地布局,这让我们取得了一定的领先优势。但量子技术并不是只有量子通信,还有量子计算和量子精密测量等,这些领域里,中国还需要大量地投入。”量子卫星首席科学家潘建伟院士在一次论坛上告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)。


根据英国政府发布的《报告》,中国在量子技术的论文发表上排在全球第一,美国则在量子技术的资金投入和专利申请上排在全球第一。英国的综合排名处在全球第三位。


来源:澎湃新闻网。

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