【科技参考】德国《量子系统议程2030》规划未来量子技术发展道路
科情智库
编译：中国科学技术信息研究所 孙浩林
审校：中国科学技术信息研究所 程如烟
2021年3月，德国量子系统专家委员会向德国联邦教育与研究部提交《量子系统议程2030》，确定了德国未来发展量子技术的优先研究领域和主要挑战。《议程》确定了5大重点主题，分别为量子计算和量子仿真，量子通信，量子测量和传感器系统，集成量子平台和使能技术，教育、培训、科普、合作和连接等配套措施，涉及从基础研究到市场应用的整个创新链。
量子计算和量子仿真
量子计算机和量子模拟器是提升德国和欧洲竞争力的关键技术。量子计算机能够轻松解决传统计算机无法解决或需要耗费巨大成本解决的问题，未来能够应用在诸如新材料开发、新药设计及生产、物流、交通、能源供给等领域的流程优化，具有巨大发展潜力。德国的中期发展重点是基于逻辑门的有噪声中等规模量子计算机（NISQ计算机），在发展过程中需要不断降低错误率同时增加量子比特数量，最终实现制造通用容错量子计算机的长期目标。而能够模拟量子计算机的量子模拟器如今已被广泛应用于药品和材料化学特性建模等具体问题的解决过程中，且被证明大幅优于传统计算方法，德国在这一领域的研究水平已达到世界领先。
未来在量子计算和量子仿真领域应采取以下措施：第一，制定战略性长期重点资助措施，囊括多种具有未来潜力的技术平台，以清晰的应用和技术目标促进其发展，并建立起相关能力，且资助措施应尽可能促进研究和产业主体共同参与；第二，鼓励以建立衍生企业的方式促进研究成果向市场转化，加强研究界与产业界的联系；第三，使用户能够尽早安全灵活地使用NISQ系统；第四，培养更多高素质专业人才。
二
量子通信
量子通信领域的研究将为保证欧洲数字主权作出重要贡献。量子计算机的出现将使当前所有的信息加密手段失效，因此开发量子通信方法和量子通信网络对于未来保护银行、企业、政府机构、基础设施的敏感信息具有关键意义。
《议程》为德国量子通信发展确定了短期、中期和长期目标：短期内将建立起防窃听的点对点短程连接（50-100公里），初步实现数据中心之间及金融、卫生等安全相关领域的安全信息传输，其基础是开发和应用新一代量子光源；中期内将建立起100公里以上的量子通信网络；长期目标是为构建全球量子通信网络奠定基础。
为实现上述目标，《议程》认为应从研究、技术以及经济和社会三个方面采取措施。在研究方面，一是要继续推进量子密钥分发（QKD）和量子态传输领域的理论进步，同时使研究活动更具应用导向；二是要加快研究成果的实际应用，以建立研究联盟和设立产业联合项目的方式促进成果转化；三是要充分发挥协同效应，在技术研发过程中与大型网络运营商开展合作，并综合考虑量子通信与量子计算、量子存储和量子信息传输等各相关领域的需求。在技术方面，一是要在量子通信技术的整体发展目标上坚持平台和技术开放原则，特别要保证量子通信系统的鲁棒性和安全性；二是要拥有量子中继器、存储器、光源等关键技术的技术主权，以及低成本生产基础组件的能力；三是要关注量子通信系统层面的网络管理、标准化和多主体协调合作等重点问题。在经济和社会方面，一是要培训更多既懂量子技术原理、又有能力进行产业应用的量子工程师；二是要为产业界创造具有盈利潜力的市场，吸引更多最终用户；三是为更多陆地和太空的量子通信基础设施项目提供支持；四是对知识产权进行出口管控，防止高技术流失；五是提高公众和产业界对量子通信的社会认同和信任。
三
量子测量和传感器系统
量子传感器是新一代测量和诊断系统的基础。量子系统自身的特性使得基于量子技术的测量工具和传感器能够在收集物理数据时具有更高的敏感度、精确度和鲁棒性，在医学、地质学、考古学、建筑学等领域具有巨大应用潜力。德国在开发相关技术时要综合考虑技术竞争力、系统集成度以及用户需求，使量子传感器能够至少在某一方面优于现有的传统测量工具，进而促进研究成果向实际应用转化。
量子测量和传感器的发展需要以一系列基础技术研发为前提。这些技术包括：量子传感器的小型化和节能解决方案、基于纠缠的传感器网络、模块化的量子传感器控制软硬件、固态传感器、基于气室的传感器、量子增强成像、量子光刻、量子重力仪等。此外，学术界和产业界相关主体的紧密合作也至关重要，这包括降低相关主体使用大型基础设施进行量子技术研发的门槛、共同制定量子测量和传感器领域的标准、培训相关专业人才等。
集成量子平台和使能技术
为实现上述几大技术领域的发展目标，必须首先进行一系列基础技术和使能技术开发，特别是要构建量子系统的集成平台。在发展这些使能技术的过程中，除了要重视科学卓越性，还需加强技术领导力、技术应用能力以及加快技术部署速度，进而促进产品快速进入市场，同时保证技术的自主性和弹性。
未来需要在三个领域采取措施：第一，材料、组件和相应的制造技术是实现量子平台的基础，这一领域需遵循两大重要发展目标：一是技术解决方案必须做到集成、节能且具有鲁棒性，这可通过小型化设计实现；二是制造流程必须做到可靠、成本合理且可重复生产，这可通过具有扩展性的制造技术实现。第二，用于处理、探测、控制、操作和识别量子状态的组件和系统，在这一领域需要保证量子系统各功能模块间的兼容性以及模块自身的稳定性、可操作性和可扩展性。第三，用于设计、仿真、制造等环节的关键基础技术，其开发重点包括量子平台中的光电集成、最优数据处理，以及集成量子平台的建模、仿真和整体设计等。
五
配套措施
为促进量子技术这一新兴技术领域的发展，除了要重视技术本身的研发，也要做好教育、培训、科普、合作和连接等配套措施，这是保证量子技术领域的专业人才、社会认同和国际协调的前提和基础。
在教育、培训和科普方面，德国的目标包括：开发共同的教育和培训理念和标准化的教学内容；促进相关措施的协调和连接；提供培训材料和工具；支持最佳实践；与公众开展对话；激发全社会对量子技术的兴趣。不同主体要为此采取各自的措施，如高校应在量子技术领域设立新的跨专业学科，并增强实践导向，增设量子工程学教职，加强与产业界在培训方面的合作等；产业界主体应为员工提供量子技术相关培训计划，与高校就自身需求和兴趣充分交换意见，为身处国外的德国量子技术人员制定归国计划，让相关专家更容易实现学术界和产业界身份的转换等；中小学需要开发适合中小学生的量子技术学习课程和材料，开展“移动实验项目”等；在科普方面，则要设计面向公众的量子技术介绍材料，加强与公众的对话，了解公众对量子技术的需求和愿景，吸引更多中小学生在未来从事量子技术相关工作，为企业决策者开办讲座，向公众展示量子技术的实际应用场景等。
在合作方面，德国需要与欧洲伙伴采取协调一致的举措，建立起高效的合作网络。在这一过程中，一是要做到基础研究与问题导向研究并重；二是要在学术机构和产业界之间建立起务实的交流机制；三是要在合作过程中不断探索合作网络的最佳运作模式。具体措施包括：多方主体共同探讨技术发展中的实际问题；设立“灯塔”项目，让不同领域的相关主体共同参与公开的量子技术挑战赛；充分结合科学和经济的需求，设计联合研究项目。
来源：《科技参考》2021年第28期
推荐阅读 >