全球量子技術(shù)競(jìng)賽已開啟！中國(guó)已搶占先機(jī)，距離規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)？

　　近日，美國(guó)白宮科技政策辦公室推出了《量子信息科學(xué)和技術(shù)勞動(dòng)力發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》，旨在促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)教育和推廣，培養(yǎng)下一代量子信息科學(xué)人才，以跟上量子科學(xué)領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的就業(yè)崗位。

　　當(dāng)前，量子信息技術(shù)的科研成果轉(zhuǎn)化、行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新、供應(yīng)鏈建設(shè)和人力資源培養(yǎng)等已經(jīng)成為全球主要國(guó)家的主要發(fā)力方向。據(jù)中國(guó)信息通信研究院不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年10月，全球各國(guó)在量子方面的投資總規(guī)模已經(jīng)超過130億美元(約826億人民幣)。

　　量子信息技術(shù)可分為量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量三大分支。安信證券在研報(bào)中指出，量子通信是量子信息技術(shù)中最接近商業(yè)化的技術(shù)。而量子計(jì)算和量子測(cè)量則距離商業(yè)化尚遠(yuǎn)。

　　國(guó)盾量子項(xiàng)目總監(jiān)周雷博士對(duì)《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者表示：量子通信因?yàn)榘l(fā)展時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在技術(shù)和科研理論方面都已比較完善。所以在產(chǎn)業(yè)化方面走得會(huì)比較快。

　　騰訊量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張勝譽(yù)則指出，雖然量子計(jì)算從理論到落地還有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。但最近十年，量子計(jì)算已經(jīng)出現(xiàn)跳躍式的進(jìn)展，未來依然值得期待。

　　量子通信競(jìng)賽，中國(guó)暫時(shí)領(lǐng)跑

　　根據(jù)摩根士丹利發(fā)布的量子通信行業(yè)分析報(bào)告，2020-2030年全球量子通信市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合年增長(zhǎng)率為50%，2030年達(dá)到210億美元。不過，摩根士丹利也指出，達(dá)到這一規(guī)模的前提是，到2025年量子計(jì)算能迎來突破傳統(tǒng)加密技術(shù)的大門。

　　量子通信的主要關(guān)鍵特性之一在于其所能提供的安全性，可以利用量子物理定律來保護(hù)數(shù)據(jù)。這些定律允許粒子(通常是光子，用于沿光纜傳輸數(shù)據(jù))呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，這意味著它們可以同時(shí)表示1和0的多個(gè)組合。這些粒子稱為量子位或量子位。

　　從網(wǎng)絡(luò)安全的角度來看，如果黑客試圖觀察量子位在運(yùn)輸過程中的存在，那么超脆弱的量子態(tài)就會(huì)“崩潰”為1或0。為此，不少公司利用此特性來創(chuàng)建量子光纖網(wǎng)絡(luò)，以量子密鑰分發(fā)(QKD)的過程傳輸高度敏感的數(shù)據(jù)。盡管規(guī)模很小，但已投入商業(yè)使用。

　　而量子通信的另一種形式是完全基于糾纏量子現(xiàn)象以量子形式傳輸數(shù)據(jù)。量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)墓ぷ髟硎莿?chuàng)建成對(duì)的糾纏光子，然后將每對(duì)糾纏的光子發(fā)送給數(shù)據(jù)的發(fā)送方，將另一對(duì)發(fā)送給接收方。不管距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化會(huì)引起另一個(gè)粒子的變化。這即時(shí)愛因斯坦著名的“遠(yuǎn)距離怪異動(dòng)作”。與已經(jīng)投入商業(yè)使用的QKD不同，這種形式的量子通信仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

　　摩根士丹利指出，中國(guó)是第一個(gè)達(dá)到關(guān)鍵量子里程碑的國(guó)家，日本和韓國(guó)也領(lǐng)先于歐盟和美國(guó)在量子通信方面的努力。就商業(yè)用途而言，中國(guó)是最先進(jìn)的。目前，中國(guó)正在努力通過將數(shù)十個(gè)量子衛(wèi)星和地面量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，在2030年左右建立第一個(gè)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。而九州量子、國(guó)盾量子、問天量子為掌握量子通信核心技術(shù)的三家國(guó)內(nèi)企業(yè)。

　　國(guó)盾量子項(xiàng)目總監(jiān)周雷博士對(duì)《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者表示：我國(guó)量子通信在全世界領(lǐng)跑，而量子計(jì)算處于并跑。

　　在科研方面，我國(guó)2014年、2016年的200km、404km光纖MDI-QKD(測(cè)量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分配)實(shí)驗(yàn)，均是當(dāng)時(shí)的QKD安全距離世界紀(jì)錄;2020年3月，中國(guó)成功創(chuàng)造了地基量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄，國(guó)盾量子為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)了光學(xué)調(diào)制與邏輯控制模塊等。

　　2021年，國(guó)盾量子聯(lián)合中國(guó)科大、濟(jì)南量子技術(shù)研究院研究團(tuán)隊(duì)使用已有商用光纖鏈路，突破現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，分別采用兩種技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)500公里量級(jí)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)，創(chuàng)造了現(xiàn)場(chǎng)無中繼光纖量子密鑰分發(fā)傳輸距離的新世界紀(jì)錄。

　　應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同步是關(guān)鍵

　　周雷指出，量子通信產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些，在技術(shù)和科研理論方面都已經(jīng)比較完善了。而且，量子通信沒有量子計(jì)算的復(fù)雜度那么高，所以在產(chǎn)業(yè)化方面走得更快、更遠(yuǎn)，當(dāng)下中國(guó)的發(fā)展重點(diǎn)在于推動(dòng)大規(guī)模的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的模式。

　　據(jù)介紹，國(guó)內(nèi)總計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7000 多公里的實(shí)用化光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，其中，有超過6000公里使用了國(guó)盾量子的產(chǎn)品且處于在線運(yùn)行狀態(tài)。

　　“預(yù)計(jì)未來幾年，我國(guó)的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)形成北至黑龍江、南至海南、西至成都、東至上海，基本覆蓋中國(guó)的大型地區(qū)和城市。”周雷說。

　　周雷強(qiáng)調(diào)，實(shí)用化量子通信需要應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同步，需要構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

　　“這就類似我們的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋越來越密集，手機(jī)才會(huì)變得越來越有用。如果通訊網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和廣度不夠的話，那么應(yīng)用只能是局部小范圍的，沒有大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的普及，帶動(dòng)的應(yīng)用會(huì)越多，然后從應(yīng)用再進(jìn)一步的帶動(dòng)，向更細(xì)致、更密的方向發(fā)展，應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是這樣的循環(huán)促進(jìn)的方式。

　　目前，國(guó)內(nèi)的量子通信技術(shù)已實(shí)現(xiàn)在金融、政務(wù)、電力等多領(lǐng)域落地應(yīng)用。周雷表示，下一步的方向是往小型化和通用化方面去努力，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更穩(wěn)定的傳輸，并從政府、金融電力、能源等這些國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)一步拓展，向更廣泛的民生方面去應(yīng)用。

　　量子計(jì)算不會(huì)完全取代經(jīng)典計(jì)算

　　中國(guó)信通院在研究報(bào)告中指出，超導(dǎo)量子計(jì)算被業(yè)界認(rèn)為是有可能實(shí)現(xiàn)通用化量子計(jì)算的技術(shù)路線之一，IBM、谷歌等均在該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。

　　IBM在2021年發(fā)布127量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“鷹”，并計(jì)劃在2023年推出1123位“禿鷲”平臺(tái)，2030年目標(biāo)達(dá)到上百萬位。而谷歌則計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)1000位物理量子比特，2029年實(shí)現(xiàn)百萬物理量子比特可糾錯(cuò)量子計(jì)算。

　　在國(guó)內(nèi)，騰訊、華為、百度、阿里等企業(yè)均有開展量子計(jì)算的相關(guān)研究。

　　騰訊量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張勝譽(yù)在接受《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者表示：目前，量子計(jì)算的潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括分子化學(xué)性質(zhì)研究、金融分析、交通調(diào)度、空氣動(dòng)力學(xué)、人工智能優(yōu)化等。雖然從理論到落地還有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但未來值得期待。

　　“特別是最近十年，量子計(jì)算已經(jīng)出現(xiàn)跳躍式的進(jìn)展，國(guó)際巨頭每過1、2年都會(huì)有一些大產(chǎn)品發(fā)布，從全球來看，量子信息有加速的趨勢(shì)，希望各國(guó)都把力量集中到一起，把科技真正推進(jìn)并落地。”

　　國(guó)盾量子高級(jí)工程師楊威風(fēng)博士介紹，在主要的量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)體系上，國(guó)內(nèi)都有研究組在開展研究。在光量子計(jì)算領(lǐng)域，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)一直處在國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。在2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又成功構(gòu)建了76個(gè)光子、100模式的高斯玻色采樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使我國(guó)成為第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家。

　　而在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)起步較晚，但發(fā)展迅速，2021年潘建偉團(tuán)隊(duì)研制成功了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)祖沖之二號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子隨機(jī)線路取樣任務(wù)的快速求解。

　　楊威風(fēng)表示，根據(jù)現(xiàn)有理論，祖沖之二號(hào)的量子隨機(jī)采樣問題的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)還快七個(gè)量級(jí);計(jì)算復(fù)雜度比谷歌的“懸鈴木”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)高出六個(gè)量級(jí)，標(biāo)志著我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這使得我國(guó)成為目前唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種物理體系上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性里程碑的國(guó)家。

　　在楊威風(fēng)看來，不同于經(jīng)典計(jì)算，量子計(jì)算是采用量子比特進(jìn)行編碼，能處于0和1的疊加態(tài)，擁有并行計(jì)算的能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此其算力比經(jīng)典計(jì)算要高出非常多，對(duì)于密碼破解、大數(shù)據(jù)分析等這些需要強(qiáng)大計(jì)算力支持的應(yīng)用，可以提供支持。

　　但楊威風(fēng)也強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算是互補(bǔ)的關(guān)系，不會(huì)完全取代經(jīng)典計(jì)算，而是在某些特定的問題上，體現(xiàn)了優(yōu)越性。比如，祖沖之號(hào)在量子隨機(jī)行走這一問題，九章在玻色采樣問題上，比經(jīng)典計(jì)算做得好。

　　據(jù)悉，在超導(dǎo)量子計(jì)算的研發(fā)過程中，國(guó)盾量子參與了硬件和軟件兩方面的研發(fā)工作，在軟件方面參與了測(cè)控軟件研發(fā);在硬件方面，參加了測(cè)控系統(tǒng)和芯片封裝方面的研發(fā)工作。量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)盾量子推出了2021版超導(dǎo)量子計(jì)算操控系統(tǒng)ez-Q™ Engine，服務(wù)于中科院物理所、南方科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)。

　　量子計(jì)算商業(yè)化或還需二十年

　　相比量子通信，量子計(jì)算距離商業(yè)化仍有較長(zhǎng)的路要走。

　　楊威風(fēng)坦言，量子計(jì)算尚處于基礎(chǔ)科研向功能化轉(zhuǎn)變的階段。可能需要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，才能真正走向?qū)嵱没?dāng)下還有很多問題有待解決。

　　“首先，量子計(jì)算要進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展的話，必須解決量子糾錯(cuò)問題，目前的物理比特還不是那么完美，會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤;其次是大規(guī)模系統(tǒng)的集成和操控問題。量子計(jì)算的操控系統(tǒng)還是挺龐大的，如果要形成通用量子計(jì)算，可能需要一個(gè)足球場(chǎng)那么大，所以集成化、小型化是非常大的挑戰(zhàn);第三，還需要具有實(shí)用價(jià)值的量子算法，來提供支持才行。
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