一量子科學技術是打開下一個信息時代大門的關鍵所在
英國作家Arthur C. Clarke表示：“任何足夠先進的技術都與魔法無異”，用這句話來形容信息時代的下一個前沿——量子信息技術再合適不過。隨著人類科學的快速發展，操控並利用光子、電子、原子等微觀粒子及其量子態的疊加、糾纏、測不準、不可克隆等特異屬性，來進行信息產生、傳輸和處理的技術正在快速地成為現實。2020年2月，美國白宮發表《美國量子網絡戰略構想》，表示繼1969年美國推動了現行互聯網的誕生後，也理所應當成為量子信息科學研究與技術的推動者，這份雄心勃勃的戰略構想表達了美國對於量子信息技術的高度重視。
量子信息學是介於量子力學和信息科學之間的交叉學科，包括量子計算、量子通信和量子傳感與測量等眾多技術領域。它的誕生將為未來的信息安全、國防軍事、人工智能、空間探測、生命科學等多個領域帶來顛覆性的改變，美國哈德遜研究所認為，量子信息技術的重要性可以和二戰中確保美國製造第一顆原子彈的曼哈頓計劃類比。
量子信息技術拉開了第二次量子革命的序幕，也因此成為各國科技發展的重要方向，一場地區性的技術競賽正在展開。1.量子技術的發展將打破傳統，為國家安全問題帶來全新挑戰
傳統計算機使用電信號來處理二進制“線性”序列系統，而基於物理光子的量子計算機運行時使用的量子比特，可以並行開展兩次或更多次的計算，由此帶來的計算速度的提升可以達到現有超級計算機的幾千倍。呈指數方式增加的計算能力給非對稱加密帶來了前所未有的挑戰，而非對稱加密正是當今幾乎所有電子數據安全的保護盾，銀行和信用卡信息、電子郵件通信、軍事網絡和武器系統、自動駕駛汽車、電網、人工智能（AI）等等。此外，由於幾乎無法感知的、無法預防，在電力、交通、醫療、金融等信息全面電子化的今天，來自量子計算機的攻擊相當於一場量子珍珠港事件，嚴重挑戰著國家權威，威脅國家安全。
在數據網絡全面覆蓋的時代，尊重數據、尊重安全已成為世界共識。然而，2017年WannaCrypt病毒攻陷全球超10萬家銀行、醫療等公共服務機構，受此影響英國的醫療系統一時間陷入混亂；2018年Facebook數千萬用戶的數據洩露並被違規濫用，約有8700萬的用戶受到影響。現行網絡系統下引發的安全事件，所帶來的影響已十分沉重，而未來由量子技術所引發的國家安全問題將有加無已。強大的量子信息系統可隨時破解國家、集團或個人的任何機密，頃刻間致使關鍵基礎設施和國家金融體系等陷入癱瘓。因此，量子計算技術的壟斷性發展一旦形成，技術匱乏的國家極有可能遭受“技術霸凌”，隨時面臨著經濟、社會等問題上被“降維打擊”的風險。
2.一時領先不代表一直領先，國防信息安全正在接受考驗
量子通信技術充分利用了微觀粒子的量子態和糾纏效應進行信息和密鑰傳輸，不僅保持了量子技術的高度時效性，還具有抗干擾、隱蔽性、保密性等特點，解決了經典密碼學的一些難題，使如今最高端的隱形技術等保密措施無處遁形。理論上說，利用量子保密通信技術進行的信息傳遞是“絕對安全”的，因此量子密鑰分發技術極有可能成為未來軍事情報傳送的主要方式，在軍事活動中擔任重要角色。
軍事力量是歷史的塑造者，而先端技術往往是軍事行動中的重要武器。如二戰中幾乎破解德軍全部軍事密碼的圖靈機，它的出現使得盟軍儘快取得戰爭勝利，挽救了無數人的生命。隨著傳統信息時代的結束，一個依託人工智能、高度信息化的時代即將到來，而軍事行動也將被賦予濃重的科技色彩，安全可靠的量子密碼通信技術便是如此。
目前來看，我國的量子密碼通信技術取得了世界級的進展，發射全球首顆量子衛星、完成地面量子纏繞實驗等等，但就目前來看，該項技術在我國的應用領域還僅限於政務、交通、金融等領域，相關軍事領域的應用尚未可知。而歷史告訴我們，技術研究的優勢並不一定延續到應用階段：德國最先開展了核武器研製，但美國卻率先製作出了原子彈；前蘇聯最先進入太空，而美國卻是最早實現登月的國家。因此，一時的領先並不代表一直的領先，現有的成果並不能讓我們鬆懈下來，乘勝追擊，持續引領才是應有的姿態，才能有力保障軍事國防的安全。
3.緊跟量子技術發展的浪潮，是擺脫發展“桎梏”的良好契機
信息科學時代，顛覆性技術的不斷湧現已經成為新一輪產業變革、社會發展的強力引擎，並以其高度的前瞻性、創新性和對傳統模式的顛覆性，帶動了人類發展過程中的一次次飛躍。各國都將新型顛覆性技術的發展上升為國家戰略，從資金、政策、人才等多個角度給予巨大支持。
然而顛覆性技術在為領先者帶來優勢的同時，也為後來者造成了巨大的發展障礙。我國是發展中國家，在現行發展模式與技術領域內，往往由於起步晚而長期處於不利地位：半導體產業中，我國一直處於奮力追趕的狀態，在國家、企業和科研人員的共同努力下，終於在芯片設計以及封裝測試領域內大幅縮小了與美國等先進國家的差距,然而在芯片製造、光刻機等核心技術及設備方面差距仍然較大；碳纖維憑藉其高強高模等特性被廣泛應用於軍工、高端製造產品，曾一度被列為對我國的禁售產品，時至今日我國多個品級的產品生產依然存在瓶頸，高性能產品的生產技術仍待突破；此外，生物醫藥、航空發動機、高端醫療和實驗設備、特種鋼材、特種化工材料等領域，我國仍然要面臨著受制於人的局面。
量子技術的研究與發展是對未來科技競爭、產業創新、國防與經濟建設具有深遠意義的長遠佈局，是脫離現有技術代差限制，在一個全新領域有望實現“直道超車”的關鍵所在。應不遺餘力地加大發展力度，確保這項顛覆性技術長期處於領先地位。
二全球量子技術發展日趨繁榮，中美兩國脫穎而出成為“種子選手”
1.美國量子計算技術首屈一指，全方位量子技術的發展正逐步展開
美國量子信息技術的理論研究開始較早，從上個世紀80年代起，就受到國防部等機構的關注，將其視為提升國防和信息安全的戰略機遇進行技術儲備。進入二十一世紀，隨著量子技術在更多領域的優越性不斷被驗證，美國政府將量子技術的發展上升至國家戰略層面，視其為國家競爭力的重要保證,不斷推動著該項技術的革新。近兩年，美國政府在量子領域的佈局更加頻繁：2018年９月國家標準與技術研究所發佈《量子信息科學國家戰略概述》，將量子技術作為引領下一場科技與產業革命的顛覆性技術，制定多項發展舉措；同年12月美國兩黨一致通過了《國家量子計劃法案》，旨在加速量子科技的研發與應用，為領域發展提供了制度保障；2021財年的總統預算當中，將量子技術與人工智能並列為兩大“未來產業”之一，預計未來還將逐年增加量子領域研發支出。此外，從跨學科合作研究及人才培養、跨領域的產業合作及技術轉移、加強基礎建設和國際合作等幾方面進一步完善了發展戰略。
在量子技術的發展方向上，美國顯示出自己獨特的制度特色。在量子技術眾多潛在應用中，美國早期重點關注的是國防與信息安全領域，因此通過國防部與情報部門對高校、國家實驗室及企業中的研究機構進行資助，推動理論研究與基礎研發，在量子計算、量子通信及傳感等領域都取得了一定的進展。
量子計算領域，美國可謂獨佔鰲頭，其戰略佈局已經基本完成，具體體現在以下幾個方面。（1）相對完善的基礎研究學科建設，使得全球SCI論文發表量排名前20的頂尖研究機構中美國獨佔七席。（2）領先全球的量子計算技術成果不斷湧現，全球量子計算SCI論文中30%來自美國，更以600餘件專利申請量高居同領域專利申請數量榜首。（3）利於技術成果轉化的產業環境逐漸形成，孕育了美國量子計算多項產業成果：Gloogle於2018年推出72量子位的Bristlecone量子處理器，隨後2019年53量子位的Sycamore量子處理器的出現，使得谷歌公司用“量子霸權”來形容這一突破；另一家巨頭企業Intel也於今年曝光了其首款128量子位的低溫量子控制芯片Horse Ridge，加快了其全棧量子計算系統的開發步伐；此外，初創公司Rigetti也正著手推出128量子位的處理器。（4）上層應用產品的開發及企業間合作提上日程：IBM率先推出了全球首款商用量子計算機Q System One，讓量子計算的商業化運營往前邁了一大步。甚至戴姆勒、波音等傳統制造業企業也紛紛加入到量子計算的研發大軍中來，為量子計算下一步的實際應用鋪平道路。
量子通信與傳感領域，早期的研發工作始終由美國軍方主導，導致其在民用領域落後於同時期的歐洲與亞洲國家。而近年來，隨著世界各國量子技術的迅猛發展，美國也意識到量子通信與傳感技術在未來信息技術中的重要地位，企圖重構國家量子技術發展戰略，開發涵蓋傳感、通信網絡和計算的三大類新型信息處理系統。傳感領域重視量子測量、導航器件在量子計算和通信中的基礎作用以及在國防、航天、核工業等領域的潛在應用；通信領域則關注量子糾纏分發技術，開發量子儲存器，構建分佈式量子計算機網絡；除了上述兩個領域外，優勢明顯的量子計算領域，美國將關注高保真和長相干時間的量子比特、具備糾錯能力的邏輯比特以及適用範圍更加廣泛的算法等技術的開發，加速商用量子計算機、量子計算雲服務等專用量子計算機或模擬器的發展。
2.歐洲是量子理論的發源地，也是量子技術競爭的重要戰場之一
作為量子理論的發源地，歐洲是西方世界中量子科學理論研究和技術開發的另一主戰場。歐盟從第五研發框架計劃（2000-2006）開始就對量子技術研究予以重點支持，第七框架（2007-2013）下提出《歐洲量子科學技術》，第八框架（2014-2020）下斥資10億開展“量子技術旗艦計劃”，在第九框架（2021-2027）規劃下，還將就建立和完善量子通信基礎設施（QCI）和量子計算基礎設施展開廣泛的國際合作。
歐盟量子信息技術研究的最終目標是建成分佈式量子計算機和量子傳感器的互聯量子網絡。因此通信技術中量子存儲器、中繼器成為量子通信技術首要問題，在此基礎上，逐步開發量子鏈路、城域量子網絡、融合量子通信和經典通信的安全泛歐互聯網。量子計算及模擬方向，同樣以開發通用量子計算機為最終目的，期望的應用包括材料和藥物的研發設計。傳感方面，重點開發原子鐘、成像及導航技術，支持未來網絡、醫療及消費電子等領域的發展。
除在歐盟體系下聯合推動的量子技術研發計劃以外，英國、德國和荷蘭等各國也都對量子技術進行了國家層面的部署和規劃。英國於2015年發佈《量子技術國家戰略》和《英國量子技術路線圖》，支持量子通信、傳感、成像和計算技術的研發；德國於2018年提出“量子技術——從基礎到市場”框架計劃，促進量子技術的產業化發展；荷蘭最近也發佈了為期十年的量子計算發展規劃。
歐洲在量子技術的基礎研究方面實力雄厚，眾多高校團隊及德國馬克斯•普朗克量子科學研究所、荷蘭量子技術高級研究中心（Qu-Tech）等科研機構，突破了量子密鑰分發、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技術。這不僅得益於歐洲地區悠久的量子物理研究史，更與歐盟及各國目的明確、連續性強的政策支持有著密切聯繫。此外，在跨國的多個研究機構之間形成有效的合作體制，並鼓勵產業化轉移，也是歐洲諸國能夠在量子技術領域獲得豐碩成果的原因之一。
3.亞太地區部分國家在量子技術領域也不甘示弱，技術側重點各有不同
日本、韓國、澳大利亞作為亞太地區的技術強國，在量子技術領域上述各國也均發佈了自己的“量子信息科學發展計劃”。
日本 自2001年將量子通信技術列入國家級高技術研究開發計劃以來，專注於研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術，並於2016年將其列入《第五期科學技術基本計劃（2016-2020）》。此外，日本在量子退火、量子神經網絡、量子計算糾錯等量子計算技術領域也都有一定的研究基礎。目前，日本在量子技術領域的專利申請總數僅次於中美，居世界第三位，東京大學，東芝、國家情報通信研究機構都是技術產出的主力，且海外專利申請意識較強，專利技術具有很強的實用性和市場推廣潛力。
相比之下，韓國量子技術起步較晚，2014年才發佈《量子信息通信中長期推進戰略》，力圖在2020年成為全球量子通信領先國家。目前，韓國電信運營商SKT通過收購瑞士ID Quantique（IDQ）介入到量子密鑰分發（QKD）技術領域，並著手建設境內量子通信網絡。
澳大利亞新南威爾士大學於2014年獲得了退相干時間高達120微秒、保真度達到99.6%的自旋量子比特，又於2017年開發出了操作時間比現有技術快200倍的硅基雙原子量子比特門。這一系列研究確立了澳大利亞在硅量子點領域的國際領先地位。澳政府隨即聯合聯邦銀行、電信公司和新南威爾士大學共同推動該項技術成果的商業化，三方共同出資8300萬澳元成立量子計算公司，並計劃到2022年研製出10量子比特的硅基集成電路芯片，2032年開發出100量子比特的系統。
4.我國量子技術成果與不足共存，未來發展道路挑戰與機遇同在
我國量子信息技術領域的研究與應用雖然起步稍晚，但目前與國際先進水平相比沒有明顯差距。“十三五”期間發佈的多項政策文件中，都對量子信息技術的發展給予了高度重視。其中，2016年2月，中國科學技術部還特地啟動了“量子調控與量子信息”重點專項。隨著多重政策的不斷推動，科研經費的持續投入，我國在量子信息技術取得了豐碩成果，科研水平躋身世界前列，專利申請佈局廣泛深入，應用探索與技術延伸也得以有效開展。我國已經成為量子技術的主要推動者，在量子通信領域躋身國際前列。
量子通信領域內，我國是當之無愧的領導者，實現了從科研探索到實踐應用的多項技術突破。科研水平上，中國科學技術大學、中國科學院、濟南量子技術研究院等科研院所是我國量子通信技術研究的重要力量，2007年的國際首次百公里量級量子秘鑰分發；2017年首次千公里量級的量子纏繞分佈；2020年50公里遠距離量子存儲器間連接實驗的成功，都證明了我國量子通信技術發展日新月異的變化。技術應用上，2016年，我國“墨子號”量子衛星的發射首先打破僵局，讓量子糾纏邁出了從實驗到應用的第一步。與此同時，國科量子、科大國盾、安徽盾天、上海循態等企業也構建起了我國量子保密通信產業生態，積極推進科技成果落地應用。以2017年濟南黨政機關量子通信專網和“京滬幹線”保密幹線開通為起點，我國目前的量子保密通信已成功應用於我國政府機關、銀行系統、基建系統等多項應用領域。
量子計算領域，我國雖然發展迅速，但由於傳統信息時代相關技術積累不足、技術薄弱，導致我國在量子計算機硬件、軟件等多方面仍存在很大的技術障礙。浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等一批代表性的科研機構，相關研究還多處於原理驗證和實驗演示階段。值得一提的是在多光子纏繞領域，我國實現了20個超導量子比特的全局纏繞，領先國際水平5倍。但是在軟件研發能力、量子算法編寫與糾錯、量子計算與人工智能等技術的融合等方面技術的嚴重滯後還需保持警醒。處理器技術上，相比於谷歌於2018年推出的72位超導量子比特處理器，我國目前的最高水平是於2019年推出的24位超導量子比特處理器，差距也較為明顯。產業應用方面，阿里雲、華為、本源量子等企業都相繼發佈了自己的雲計算平臺，目前本源量子已成功仿真64位量子電路。
量子傳感與測量等技術領域，部分領域的科研成果與歐美國家仍存有一定差距，但總的發展趨勢相對平穩。科研方面，我國諸多科研機構在量子陀螺、重力儀、磁力計、時間基準等領域開展了大量研究。2019年，我國中科大團隊成功地實現了50納米空間分辨率高精度多功能量子傳感，該技術可大幅度提高醫學檢測、自然災害預警等系統的靈敏度。產業發展上，目前國內研發最多且發展最快的是量子時鐘源技術，也有少數企業將目光聚焦在量子目標識別、量子態操控與讀取等技術研發。如國耀量子雷達利用激光技術和室溫下高靈敏度的高探測技術，實現了基於量子單光子探測器激光雷達的產業化；國儀量子公司則致力於顯微鏡、波譜儀等多種精密儀器的技術研發與產業實現。
三增強補弱全面發展，為我國量子技術及產業發展打下堅實基礎
在我國強有力的政策支持和科研工作者辛勤耕耘之下，我國在量子信息技術領域取得了豐碩的成果。然而，在我國量子技術的發展道路上，仍有一些問題影響著量子技術由基礎研究向實際應用的發展，削弱了我國量子領域技術優勢，阻礙著我國信息技術綜合實力的提升。現對我國全面發展量子技術提出如下建議：
1.儘快補齊短板，加速多種技術融合
經過十餘年的努力，我國在量子通信技術領域的研究成果舉世共睹。與之相對，量子計算領域卻並沒有得到同步的發展。而量子傳感與測量技術作為量子計算和通信技術的基礎交叉環節，起步較晚，基礎尚顯薄弱。我國傳統信息技術基礎薄弱，雖然近年來在超算和雲計算等領域取得了一定成果，但在電磁信息中的其它領域與國際先進水平還有一定差距，量子計算正是我國“直道超車”的好機會。另外一方面，無論是建設通信網絡還是開發通用型計算機，都需要量子計算和傳感技術支持。縱觀世界各國近年來的量子技術發展規劃，也不難發現量子領域計算、通信、傳感三大技術必須齊頭並進。因此，補齊量子計算和傳感短板，加速多種技術融合，是我國量子信息領域發展的必由之路。為此，不僅要繼續發揮我國制度優勢，為技術發展提供資金和政策的保障，還應不斷拓展技術開發渠道，鼓勵大型科技企業加入，扶持初創企業發展，協調優勢資源進行技術融合於專用技術的開發。
2.完善配套設備開發，配合實現量子技術的全面優勢
我國目前在量子通訊領域霸主地位毋庸置疑，用於量子通信網絡建設的不僅有“墨子號”衛星，基礎設施方面也已開發出了量子網絡終端設備、微光探測設備、網控設備等系列設備。然而，目前技術水平下的量子通訊信號處理依然有賴於經典半導體處理器，在這方面，我國無論是技術進展還是產業化水平都與歐美有明顯差距，為量子通訊安全留下隱患。對於此，一方面要直面問題，盡力彌補我國在傳統科技領域的不足；另一方面，量子芯片、儲存器件等技術創新有助於規避這些問題。此外，隨著我國在量子技術領域的崛起，美國等將我國量子技術的發展視作一大威脅，對量子密碼類硬件或軟件、量子計算系統製冷設備等諸多信息安全類商品的出口加以限制，在這種背景下，實現相關產品國產化的工作意義更加重大。
3.促進多領域融合，擴大量子領域優勢
我國近年來大力推動量子技術研究及應用，也取得了相當大的進展，但為了保持並進一步擴大優勢，也應從國外量子領域發展的汲取經驗。政策制定上，要明確發展方向並貫徹執行，切忌左右搖擺和虎頭蛇尾，貽誤發展時機。基礎研究上，要以科學優先，厚積薄發，同時注重技術積累的深度和廣度，不斷拓展量子技術在國防軍事、信息安全、國民經濟、人工智能、生物醫療以及科學研究等領域的應用。技術發展上，要促進產學研的深度融合，優化行政資源配置，鼓勵社會資本進入。以技術和需求推動產業發展，多方協同，助力我國在量子領域持續快速發展。
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