雖然長距離量子比特傳輸只能通過光子實現(xiàn),但是,仍然存在各種平臺可實現(xiàn)量子存儲器,在中繼器節(jié)點上儲存和處理存儲信息。目前,歐洲或成員國正在投資的主要內(nèi)容有被困離子,光學(xué)諧振腔中的原子,鉆石色心和量子點等。世界領(lǐng)先的中小企業(yè),如瑞士公司 ID Quantique,大公司,比如如東芝,等在歐洲量子科技領(lǐng)域也異常活躍,而且國有通信公司,如英國電信,也在加大參與力度,與此同時,多虧歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)的努力,該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化也在穩(wěn)步推進(jìn)中。
發(fā)起雄心勃勃的歐洲計劃
為長期的繁榮和安全創(chuàng)造出有競爭力的產(chǎn)業(yè)
為了讓歐洲從第二次量子革命中收獲到巨大的利益,并確保它的獨立與繁榮,我們需要協(xié)調(diào)歐洲各國的努力并將其規(guī)模化。一場世界范圍的技術(shù)和才智競賽已經(jīng)開啟,因為所涉的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)利益都極高。世界其他地區(qū)正在加速趕上,因此,歐洲不能讓自己落后,不能讓人才和知識流失。很重要的是我們應(yīng)認(rèn)識到,在歐洲上尚不存在能與美國和其他國家相比的連貫的、大規(guī)模的全歐范圍的量子技術(shù)項目。歐洲量子技術(shù)的研發(fā)面臨著碎片化和被仿制的風(fēng)險。歐盟成員國和委員會過去二十年的持續(xù)投資使得歐洲處于一個強有力的位置,能夠利用這些正在涌現(xiàn)的機(jī)遇。在發(fā)展技術(shù)方面的定向投資將充分利用在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的過往投資,從而獲得潛在的巨大優(yōu)勢。除了那些主要應(yīng)用之外,那些能為其他部門帶來經(jīng)濟(jì)和社會影響的派生性技術(shù)常常也會從那些改變游戲規(guī)則的新技術(shù)中產(chǎn)生。
為了解鎖量子技術(shù)的全部潛力,為了加速技術(shù)的發(fā)展并把商業(yè)產(chǎn)品帶給公共和民營市場,我們需要一個雄心勃勃、長期的、旗艦級的計劃,把全歐洲教育、科學(xué)、工程和創(chuàng)新聯(lián)合起來。一個包容廣闊的歐洲計劃將見證杰出的研究團(tuán)隊和相關(guān)產(chǎn)業(yè)主體在一幅雄心勃勃的線路圖上向著共同的目標(biāo)彼此協(xié)作,并平衡長期的量子技術(shù)研究和對短期項目的投資。必須讓公司們獲得對創(chuàng)新的公共支持,從而能啟動這些技術(shù)的供應(yīng)鏈,并將實驗室演示轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。歐洲計劃的各個要素展現(xiàn)在下面的圖表中。
歐洲量子技術(shù)計劃中的要素
量子技術(shù)計劃的構(gòu)架建立在教育和科學(xué)的強大基礎(chǔ)上。它采用致力于重點目標(biāo)的任務(wù)驅(qū)動型項目來把這一基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為能強烈吸引企業(yè)興趣的創(chuàng)新。
這一計劃是一個廣泛的、非中心化的、包含各重點創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的集簇和協(xié)作的項目,具有相應(yīng)的優(yōu)勢和靈活性。這個廣泛的項目可以利用來自全歐洲的多個學(xué)術(shù)和工業(yè)合作伙伴的種種不同的能力和思想,它同時也能提供資源來為那些公認(rèn)為最有潛力的概念提供加速。
這一項目中的工程部分,需要能理解對新技術(shù)的設(shè)計、建設(shè)和使用。大體來說,它是從概念、理論和一次性實驗向可應(yīng)用的產(chǎn)品裝置的轉(zhuǎn)變。
這一結(jié)構(gòu)中的每個要素都將處理歐洲未來的知識驅(qū)動產(chǎn)業(yè)中的一個重要方面,而這將為歐洲帶來繁榮、清潔能源、更好的健康和安全。為了讓效果最大化,關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)中的任何一部分都不能被疏漏掉。據(jù)估計,這一項目未來十年所需要的資助總額大約是十億歐元,以發(fā)展技術(shù)并投入應(yīng)用。
1. 教育
為新一代的量子技術(shù)技術(shù)人員、工程師、科學(xué)家和應(yīng)用研發(fā)者提供教育項目。
發(fā)起社會運動以讓歐洲人了解量子技術(shù),并廣泛參與公共活動以找出那些可能會對社會造成影響的問題。
2. 科學(xué)
從基礎(chǔ)科學(xué)到原理證明性實驗,投資全歐洲超棒的科學(xué)項目。為了吸引新的研究人員來到歐洲、進(jìn)入這些研究領(lǐng)域,持續(xù)的投資是有必要的。
主要標(biāo)準(zhǔn)是支持歐洲在量子科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域追求卓越的研究呼吁。
通過新的國際籌資機(jī)制,支持國際合作、大學(xué)與政府實驗室的合作。
3. 工程
建立重點項目維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),科學(xué)家、工程師、公司在共享的任務(wù)驅(qū)動技術(shù)路線上,對工具和軟件進(jìn)行開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。
支持工程中心,從而讓主要合作者的開放聯(lián)盟能與歐洲和世界的其他合作者通過開放性聯(lián)系共同工作。
在實現(xiàn)市場化之前就認(rèn)識到并支持對工程方法的需求。在這一高科技的領(lǐng)域,對基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步而言,廣泛的工程活動也是需要的。
4. 創(chuàng)新
建立一個歐洲范圍內(nèi)的量子創(chuàng)新基金,為各類將量子技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的公司提供資金支持。這些資金必須最大化地利用公司技能和專業(yè)知識培養(yǎng);它們被應(yīng)用的項目包括:公司領(lǐng)導(dǎo)的項目、公司內(nèi)部執(zhí)行的項目、與研究科技組織(RTOs)和學(xué)術(shù)界合作的項目。這些項目需要兼顧量子技術(shù)未來供應(yīng)鏈中所有的方面。
推動市場發(fā)現(xiàn)活動,尋求公共和私人應(yīng)用中最符合實際、最有益的量子技術(shù)應(yīng)用和類別。
建立孵化器,對小型、高潛力的量子科技公司提供技術(shù)轉(zhuǎn)移支持。為這些公司提供設(shè)備、技能、公募和私募資金以及幫其聯(lián)系允許他們成長的大型組織。
全歐洲項目相關(guān)活動的連貫性是成功的關(guān)鍵,為了加強合作、協(xié)調(diào),此項目將:
通過戰(zhàn)略平臺,協(xié)調(diào)各國戰(zhàn)略和活動。因為各國國家項目已經(jīng)存在,所有歐盟項目應(yīng)該以一致的方式建立在這些項目的基礎(chǔ)上。
推進(jìn)國際合作、交流,加強不同中心的人才網(wǎng)絡(luò)和信息交流合作,加強學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)的交流合作。增加流動性和知識交流。
整合各國的國家計量機(jī)構(gòu),從而為最成熟的量子技術(shù)發(fā)展基于量子的標(biāo)準(zhǔn)(例如量子秘鑰分發(fā)的標(biāo)準(zhǔn))。
組成一個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)小組,控制、指導(dǎo)那些從產(chǎn)業(yè)上將會產(chǎn)生、維持高水平利益的活動。
通過顧問團(tuán)逐漸灌輸強烈的目標(biāo)感和方向感,容納學(xué)術(shù)界、商界和政府的個人規(guī)劃。這將對此項目進(jìn)行監(jiān)督、推薦,保證它盡可能高效運行。
確定能由量子技術(shù)服務(wù)的政府需求。
推進(jìn)教育與科學(xué)間、工程與創(chuàng)新間的一體化和合作。
協(xié)助初期的量子科技項目,保證整個歐盟都有助于第二次量子革命,并從此獲得利益。
小知識:關(guān)于量子模擬器。對飛行器、建筑、汽車和許多其他復(fù)雜物體的設(shè)計都用到了超級計算機(jī)。與此形成對比的是,我們?nèi)圆荒茴A(yù)測一塊由數(shù)百個原子構(gòu)成的材料是否會導(dǎo)電或是否是磁體,以及是否會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。量子模擬器基于量子物理學(xué)定律,它將允許我們戰(zhàn)勝超級計算機(jī)的弱點,去模擬材料或化學(xué)化合物,或去解開其他領(lǐng)域,比如高能物理的方程。
量子模擬器可以被看作量子計算機(jī)的類比物,它特別擅長再現(xiàn)材料在極低溫度下的行為,這時量子現(xiàn)象會出現(xiàn)并產(chǎn)生非常(extraordinary)屬性。它相對于通用量子計算機(jī)的優(yōu)勢是,量子模擬器并不需要完全控制每個個體元件,因此更容易建造。
若干個量子模擬器平臺已在發(fā)展中,它們包括超冷原子光柵,離子阱,超導(dǎo)量子比特陣列或量子點、光子陣列。實際上,第一臺原型機(jī)已經(jīng)能夠在超出現(xiàn)有超級計算機(jī)的水平上進(jìn)行模擬了,盡管還只是針對某些具體的問題的模擬。
這一研究領(lǐng)域進(jìn)展迅速。量子模擬器將致力于解決材料科學(xué)中的一些突出的難題,并允許我們展開原先不可能進(jìn)行的計算。這些難題之一是高溫超導(dǎo)的由來問題。這個現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于三十年前,但在其由來方面仍然是個謎。對這一謎題的解決將開啟這樣的可能性:創(chuàng)造出一種能夠高溫?zé)o損導(dǎo)電材料,以應(yīng)用于能源儲存、分配和傳送。
結(jié)論
歐洲現(xiàn)在需要大膽的戰(zhàn)略性投資,從而去領(lǐng)導(dǎo)第二次量子革命。隨著歐洲建立它的科學(xué)卓越性,它還將擁有培育具有競爭力的量子科技工業(yè)、促進(jìn)長期繁榮和安全的機(jī)遇窗口。
為了這一目的,這份宣言號召成員國和歐盟委員會一起發(fā)布這個有雄心的、長期的、旗艦級的計劃,以便去聯(lián)合全歐洲教育,科學(xué),工程和企業(yè)領(lǐng)域。
為了獲得成功,一方面,這份提案應(yīng)該旨在鞏固歐洲在科研領(lǐng)域的卓越地位,保持其寬泛的范圍并給予它時間去取得基本成就。另一方面,它應(yīng)該與工業(yè)互動去激發(fā)量子科技的全部創(chuàng)新潛能,進(jìn)而加速它們的發(fā)展,拉動市場并全力實現(xiàn)蓬勃經(jīng)濟(jì)和社會效益。
這里必須提醒一下,圖一只是為了顯示未來項目的結(jié)構(gòu)。每一支柱的主題、數(shù)量、支柱各自的大小、四大構(gòu)成(教育、科學(xué)、工程、創(chuàng)新)攤分資金等這些細(xì)節(jié)在此報告接下來部分會看到。在這一項目的設(shè)計階段,將選擇一個合適的治理模型。
小知識。關(guān)于量子傳感器。疊加態(tài)天然地對環(huán)境非常敏感,因此可被用于制造非常精確的傳感器。材料質(zhì)量和控制上的穩(wěn)定進(jìn)步導(dǎo)致激光等組件的成本降低且越來越微型化。這些設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好被用于許多商業(yè)應(yīng)用中。
比如金剛石中的 NV 色心這樣的固態(tài)量子傳感器,已經(jīng)顯示在測量非常小的電磁場中有用。因此,這可能對生物傳感器、磁共振成像、金屬探傷等領(lǐng)域的多種應(yīng)用有幫助。一個早期的量子技術(shù)如今被廣泛應(yīng)用的例子是超導(dǎo)量子干涉元件,它們應(yīng)用在了腦成像、粒子探測等領(lǐng)域。
量子成像設(shè)備使用糾纏光束在成像過程中從光中提取更多信息。這能大幅度改善成像技術(shù)。比如,通過使用壓縮光獲得高分辨率的圖像、通過測量與另一個光子(這個光子具有不同的顏色和糾纏態(tài),被用于探測樣本)糾纏的單光子來創(chuàng)造成像能力。
原子和分子干涉儀使用疊加態(tài)精確測量加速度和旋轉(zhuǎn)。這些經(jīng)過處理的加速度和旋轉(zhuǎn)信號可用于慣性導(dǎo)航設(shè)備,在地下或建筑內(nèi)工作。這樣的設(shè)備也能測量重力場、磁力場、時間或基本物理常量的細(xì)微變化。
小知識。關(guān)于量子計算機(jī)。量子計算是量子科技中影響深遠(yuǎn)、最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)。基于能同時具有 0 和 1 兩態(tài)的量子位和設(shè)備的瞬時相關(guān)性,一臺量子計算機(jī)相當(dāng)于一個大型的并行設(shè)備,能夠同時處理指數(shù)級別的計算。已經(jīng)有很多算法利用了這一能力,從而讓我們得以解決一些最強力的超級計算機(jī)都解決不了的問題。
過去二十年中,出現(xiàn)了使用不同平臺的量子計算機(jī)。最先進(jìn)的是基于囚禁離子和超導(dǎo)回路的計算機(jī),一個提升到 10-15 個量子位的小型原型機(jī)已經(jīng)能運行基礎(chǔ)的算法和協(xié)議了。很多平臺和構(gòu)架都展示了基于固態(tài)系統(tǒng)(半導(dǎo)體中量子自旋、固體中核自旋、Majorana zero modes),原子和光系統(tǒng)(分子中核自旋、原子和光子中的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和里德伯態(tài))的基礎(chǔ)量子計算原則。
由于技術(shù)利益和現(xiàn)有方法那被稱為「墨菲法則的終結(jié)」的顯而易見的局限性,最近十年,全球 IT 公司已經(jīng)開始對量子計算提升了興趣。量子計算機(jī)的進(jìn)展、容錯算法以及新的制造工藝科技,現(xiàn)在正在將這一「圣杯」科技轉(zhuǎn)化為平衡地在某些應(yīng)用上超前經(jīng)典計算十年到二十年的現(xiàn)實編程。伴隨著這些新的發(fā)展,這些公司被問及的問題已經(jīng)不是將來有沒有量子計算機(jī),而是將由誰造出量子計算機(jī)并從中獲益。舉個例子,英特爾,HRL 實驗室和 NTT 正在贊助半導(dǎo)體領(lǐng)域的自旋量子項目;谷歌,IBM和英特爾在投資超導(dǎo)的量子研究;D-Wave正制造超導(dǎo)的量子退火爐;微軟正在將賭注押在拓?fù)涞牧孔颖忍厣?;Lockheed Martin 和 INFINEON 正在贊助研究囚禁離子和它們與光子互動技術(shù)。由于歐洲的量子計算世界領(lǐng)先,許多IT公司業(yè)也開始在歐洲為它們的研發(fā)工作選擇學(xué)術(shù)伙伴。
在歐洲共建量子計算能力已有十年了,這將需要工業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴們的協(xié)同共作,也要求來自研究機(jī)構(gòu)像 Fraunhofer, IMEC, VTT 和 LETI 等學(xué)術(shù)聯(lián)盟的工程師們的參與。這些硬件的努力還需要量子軟件的發(fā)展來補充,才能獲得能夠解決應(yīng)用問題的最優(yōu)量子算法。隨著大量領(lǐng)先的量子軟件團(tuán)體已經(jīng)活躍起來并和硬件團(tuán)隊互動,歐洲已成為經(jīng)典高性能計算應(yīng)用軟件的發(fā)展領(lǐng)袖,也在建立新出現(xiàn)的量子軟件工程方面名列前茅。
量子技術(shù)的研發(fā)目標(biāo)
短期目標(biāo):(0-5年)
研發(fā)用于加密能力和竊聽檢測、長距離點對點量子安全連接的信號復(fù)示器的核心科技。
共建量子模擬器去處理化學(xué)工藝和材料設(shè)計的問題。
研發(fā)更多精確的能夠被用于為高頻率金融交易打時間印戳的原子鐘,讓國際市場有更好的法規(guī)和安全。
論證對指數(shù)保護(hù)和拓?fù)淞孔拥目刂啤?/p>
整合高速冷凍傳統(tǒng)控制硬件的功能性量子電路。
為特殊目的的應(yīng)用研發(fā)量子感應(yīng)器,例如,為防御,石油天然氣和太空領(lǐng)域研發(fā)重力感應(yīng)器,計時應(yīng)用用途的量子鐘,醫(yī)學(xué)用途和圖像領(lǐng)域的磁力感應(yīng)器。
為量子模擬器、計算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò),發(fā)掘新的算法、協(xié)議和領(lǐng)域應(yīng)用,如,分析和設(shè)計有用的化學(xué)進(jìn)程。
論證小的量子處理器,它可用以執(zhí)行量子算法和在原子或者固態(tài)平臺被量子誤差校正保護(hù)的邏輯量子運算。
開發(fā)供應(yīng)鏈組件,例如冷凍的或電子的放大器和組件或是激光資源。這些都是構(gòu)建量子設(shè)備和眾多副產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
中期目標(biāo)(5-10年)
實現(xiàn)對物質(zhì)的磁性和超導(dǎo)性等電屬性的模擬,以支持發(fā)展和設(shè)計具有新異特性的新材料。
簡化量子感應(yīng)器,從而讓他們能夠用于低成本、大批量的應(yīng)用,如制造業(yè)、汽車業(yè)、建筑業(yè)和地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域。
因為量子網(wǎng)絡(luò)能夠加強信息安全并讓加密成為可能,從而讓遠(yuǎn)距離城市間能夠通過量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全通信。
用能以超過一百物理量子比特的高速運行的特殊目的量子計算機(jī)運算解決化學(xué)和材料科學(xué)的問題
研發(fā)掌上型導(dǎo)航儀器,精確到 1毫米/天并能夠在室內(nèi)使用。
建造量子設(shè)備,用其提升工藝性和可依賴性,降低成本并讓它們?yōu)橹髁魇袌鏊谩?/p>
論證星地量子密碼學(xué)。
長期目標(biāo)(10年以上)
打造一個安全、快速的量子互聯(lián)網(wǎng),使用運行量子通信協(xié)議的量子中繼器連接歐洲主要城市。
用具有特殊功能目的的量子硬件,設(shè)計出具有定制特性的新材料(比如,電導(dǎo)體或磁體)
建造一臺通用計算機(jī),它能證實一個問題的解決方案,而如果使用當(dāng)前超級計算機(jī)的技術(shù),同樣過程花費的時間可能要比宇宙年齡的還要久遠(yuǎn)。
研發(fā)量子計算機(jī)模擬物理和化學(xué)問題,并解決化學(xué)反應(yīng)問題,比最快的超級計算機(jī)還要快和準(zhǔn)確。比如,新的催化劑和藥物設(shè)計。
研發(fā)能夠整合在手機(jī)的芯片上的量子傳感裝置,例如,讓量子信息和傳感應(yīng)用在多用戶應(yīng)用間實現(xiàn)。
把從引力感應(yīng)器陣列中得到的測量關(guān)聯(lián)起來以創(chuàng)造引力圖像。
把量子傳感器整合到消費者應(yīng)用中,例如在移動設(shè)備中使用的整合的光子設(shè)備或固態(tài)設(shè)備。
研發(fā)其它應(yīng)用如量子信用卡,和量子鑰匙,還有其他未曾預(yù)期到的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
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