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美国:列入国家战略 实现系列突破

量子通信是事关国家信息和国防安全的战略性领域,且有可能改变未来信息产业的发展格局,因此,其不可避免地成为世界主要发达国家及地区如美国、欧盟、日本等优先发展的信息科技和产业高地。

在美国,对量子通信的理论和实验研究开始得较早,并最先被列入到国家战略、国防和安全的研发计划。

提前布局抢占先机

上世纪末,美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。而隶属于政府的美国国家标准与技术研究所(NIST)则将量子信息作为三个重点研究方向之一。

随后,美国加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息与计算研究所,直接归美国军队研究部门管辖,从属于美国国防部高级研究计划司超大规模计算工程系统。体制上的规划与布局,为各机构与部门间的研发铺平了道路。

早在1989 年,美国IBM 公司在实验室中以10 bit/s 的传输速率成功实现了世界上第一个量子信息传输,虽然传输距离只有32 公分,但却拉开了量子通信实验研究的序幕。

1994 年,美国国防高级研究计划局便开始着手,用3~5 年的时间全面推进量子通信技术方面的研究,而且已经通过军队实施了相应方式的向战场和向全球传输报文能力的量子通信计划。

在大量科研资源与研发力量投入的情况下,美国在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000 年,LosAlamos 国家实验室宣布,他们于全日照条件下实现了1.6 公里自由空间的量子密钥分发,使量子通信向实用工程化迈进了一大步。

2002 年,美国国家科学基金会投资5000 万美元对量子通信进行研究。

2003 年,美国国防部高级研究计划署又领衔建设了DARPA 量子通信技术试验网络。

2004 年,美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行了世界上第一个量子密码通信网络,网络传输距离约为10 公里。

2006 年,Los Alamos 国家实验室基于诱骗态(Decoy-state)方案实现了能保证绝对安全的107 公里光纤量子通信实验。

2007 年,美国科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。

随后,美国国防部高级研究计划署和 Los Alamos 国家实验室于 2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络,并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。

而由美国国防部高级研究计划署支持,BBN 公司(具有很强的军方特色)技术部联合波士顿大学与哈佛大学,共同开展了量子保密通信与IP互联网结合的五年试验计划。该计划主要内容是以BBN 技术部、波士顿大学和哈佛大学作为三个节点,以构建融合现行光纤通信网、互联网和量子光通信的量子互联网,并在此基础上实现保密通信。

2009 年,美国政府发布的信息科学白皮书中明确要求,各科研机构协调开展量子信息技术研究。同年,美国国防部高级研究计划署建成了城域量子通信演示网。与此同时,美国麻省理工学院科学家继续在冷原子中量子存储和波动研究领域做出新的突破,这方面的技术恰是设计量子信息网络的关键。

美国2010 年在量子源产出的单光子波长转换、2011 年在单量子位处理量子信息,以及2012 年法国和美国在验证传输光的原子和粒子之量子行为关系等方面,成果卓著。

不仅如此,在美国国防部2013年至2017 年科技发展“五年计划”中,“量子信息与控制技术”已被列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域,同时将IBM、美国国防部高级研究计划署、中国科学技术大学、美国洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域的重要研究机构;美国国防部支持的“高级研究与发展活动”(ARDA)计划到2014 年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。

如今,量子技术已经成为美国军方六大技术方向之一,即对未来美军的战略需求和军事任务行动能产生长期、广泛、深远、重大的影响。

在这一路线规划的指引下,2014年,美国国家航空航天局(NASA)正式提出了在其总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长1000 公里左右的包含10 个骨干节点的远距离光纤量子通信干线的计划,并计划拓展到星地量子通信。

同一年,全球最大的独立科技研发机构美国Battelle 公司也提出了商业化的广域量子通信网络规划,计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。

未来发展前景广阔

美国的量子通信发展注重技术研发和应用,量子通信产业已渗透到美国国家发展的各个层面,包括国防、外交、经济、信息、社会等不同领域的内容。

当前,以美国为代表的世界主要军事强国关注的量子科技发展动向主要涉及量子通信、量子计算及量子密钥等领域。美国国防部高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划,对其开展了广泛探索。可以说,量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景。

在量子通信领域未来发展规划下,美国Los Alamos 国家实验室正在创建一套辐射状的量子互联网,同时美国非常重视量子计算机领域的技术拓展,谷歌、微软、IBM 都已投入研究量子计算机技术,以量子计算机技术研究为突破点,延伸到物质科学、生命科学、能源科学领域,形成规模优势。

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“知己知彼,百战不殆”!!他山之石……

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