近日，美國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)展國家戰略計劃》，旨在促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)教育和推廣，培養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(cháng)的就業(yè)崗位。

　　當前，量子信息技術(shù)的科研成果轉化、行業(yè)應用創(chuàng )新、供應鏈建設和人力資源培養等已經(jīng)成為全球主要國家的主要發(fā)力方向。據中國信息通信研究院不完全統計，截至2021年10月，全球各國在量子方面的投資總規模已經(jīng)超過(guò)130億美元(約826億人民幣)。

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

　　國盾量子項目總監周雷博士對《科創(chuàng )板日報》記者表示：量子通信因為發(fā)展時(shí)間相對較長(cháng)，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)驗室負責人張勝譽(yù)則指出，雖然量子計算從理論到落地還有相當長(cháng)的時(shí)間。但最近十年，量子計算已經(jīng)出現跳躍式的進(jìn)展，未來(lái)依然值得期待。

　　量子通信競賽，中國暫時(shí)領(lǐng)跑

　　根據摩根士丹利發(fā)布的量子通信行業(yè)分析報告，2020-2030年全球量子通信市場(chǎng)規模復合年增長(cháng)率為50%，2030年達到210億美元。不過(guò)，摩根士丹利也指出，達到這一規模的前提是，到2025年量子計算能迎來(lái)突破傳統加密技術(shù)的大門(mén)。

　　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(lái)保護數據。這些定律允許粒子(通常是光子，用于沿光纜傳輸數據)呈現疊加狀態(tài)，這意味著(zhù)它們可以同時(shí)表示1和0的多個(gè)組合。這些粒子稱(chēng)為量子位或量子位。

　　從網(wǎng)絡(luò )安全的角度來(lái)看，如果黑客試圖觀(guān)察量子位在運輸過(guò)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(lái)創(chuàng )建量子光纖網(wǎng)絡(luò )，以量子密鑰分發(fā)(QKD)的過(guò)程傳輸高度敏感的數據。盡管規模很小，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象以量子形式傳輸數據。量子遠距傳輸的工作原理是創(chuàng )建成對的糾纏光子，然后將每對糾纏的光子發(fā)送給數據的發(fā)送方，將另一對發(fā)送給接收方。不管距離多遠，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(ài)因斯坦著(zhù)名的“遠距離怪異動(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)驗室階段。

　　摩根士丹利指出，中國是第一個(gè)達到關(guān)鍵量子里程碑的國家，日本和韓國也領(lǐng)先于歐盟和美國在量子通信方面的努力。就商業(yè)用途而言，中國是最先進(jìn)的。目前，中國正在努力通過(guò)將數十個(gè)量子衛星和地面量子通信網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，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、國盾量子、問(wèn)天量子為掌握量子通信核心技術(shù)的三家國內企業(yè)。

　　國盾量子項目總監周雷博士對《科創(chuàng )板日報》記者表示：我國量子通信在全世界領(lǐng)跑，而量子計算處于并跑。

　　在科研方面，我國2014年、2016年的200km、404km光纖MDI-QKD(測量設備無(wú)關(guān)量子密鑰分配)實(shí)驗，均是當時(shí)的QKD安全距離世界紀錄;2020年3月，中國成功創(chuàng )造了地基量子密鑰分發(fā)最遠距離新的世界紀錄，國盾量子為實(shí)驗設計開(kāi)發(fā)了光學(xué)調制與邏輯控制模塊等。

　　2021年，國盾量子聯(lián)合中國科大、濟南量子技術(shù)研究院研究團隊使用已有商用光纖鏈路，突破現場(chǎng)遠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500公里量級雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)，創(chuàng )造了現場(chǎng)無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)傳輸距離的新世界紀錄。

　　應用和網(wǎng)絡(luò )建設同步是關(guān)鍵

　　周雷指出，量子通信產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)間相對長(cháng)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(méi)有量子計算的復雜度那么高，所以在產(chǎn)業(yè)化方面走得更快、更遠，當下中國的發(fā)展重點(diǎn)在于推動(dòng)大規模的應用和網(wǎng)絡(luò )建設，實(shí)現應用驅動(dòng)產(chǎn)業(yè)的模式。

　　據介紹，國內總計已經(jīng)實(shí)現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(guò)6000公里使用了國盾量子的產(chǎn)品且處于在線(xiàn)運行狀態(tài)。

　　“預計未來(lái)幾年，我國的光纖量子通信網(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，基本覆蓋中國的大型地區和城市。”周雷說(shuō)。

　　周雷強調，實(shí)用化量子通信需要應用和網(wǎng)絡(luò )建設同步，需要構建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )體系。通過(guò)光纖實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )、通過(guò)中繼器實(shí)現鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過(guò)衛星平臺的中轉實(shí)現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展路線(xiàn)。

　　“這就類(lèi)似我們的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )覆蓋越來(lái)越密集，手機才會(huì )變得越來(lái)越有用。如果通訊網(wǎng)絡(luò )的覆蓋度和廣度不夠的話(huà)，那么應用只能是局部小范圍的，沒(méi)有大規模發(fā)展的基礎。隨著(zhù)量子通信網(wǎng)絡(luò )建設的普及，帶動(dòng)的應用會(huì )越多，然后從應用再進(jìn)一步的帶動(dòng)，向更細致、更密的方向發(fā)展，應用和網(wǎng)絡(luò )建設是這樣的循環(huán)促進(jìn)的方式。

　　目前，國內的量子通信技術(shù)已實(shí)現在金融、政務(wù)、電力等多領(lǐng)域落地應用。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)現更遠距離、更穩定的傳輸，并從政府、金融電力、能源等這些國家關(guān)鍵基礎設施方面進(jìn)一步拓展，向更廣泛的民生方面去應用。

　　量子計算不會(huì )完全取代經(jīng)典計算

　　中國信通院在研究報告中指出，超導量子計算被業(yè)界認為是有可能實(shí)現通用化量子計算的技術(shù)路線(xiàn)之一，IBM、谷歌等均在該領(lǐng)域持續發(fā)力。

　　IBM在2021年發(fā)布127量子比特超導量子計算機“鷹”，并計劃在2023年推出1123位“禿鷲”平臺，2030年目標達到上百萬(wàn)位。而谷歌則計劃2023年實(shí)現1000位物理量子比特，2029年實(shí)現百萬(wàn)物理量子比特可糾錯量子計算。

　　在國內，騰訊、華為、百度、阿里等企業(yè)均有開(kāi)展量子計算的相關(guān)研究。

　　騰訊量子實(shí)驗室負責人張勝譽(yù)在接受《科創(chuàng )板日報》記者表示：目前，量子計算的潛在應用場(chǎng)景包括分子化學(xué)性質(zhì)研究、金融分析、交通調度、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長(cháng)的時(shí)間，但未來(lái)值得期待。

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

　　國盾量子高級工程師楊威風(fēng)博士介紹，在主要的量子計算物理實(shí)現體系上，國內都有研究組在開(kāi)展研究。在光量子計算領(lǐng)域，中科大潘建偉團隊一直處在國際領(lǐng)先水平。2017年，潘建偉團隊構建了首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。在2020年，潘建偉團隊又成功構建了76個(gè)光子、100模式的高斯玻色采樣量子計算原型機“九章”，使我國成為第二個(gè)實(shí)現量子計算優(yōu)越性的國家。

　　而在超導量子計算方面，國內起步較晚，但發(fā)展迅速，2021年潘建偉團隊研制成功了66比特可編程超導量子計算原型機祖沖之二號，實(shí)現了對量子隨機線(xiàn)路取樣任務(wù)的快速求解。

　　楊威風(fēng)表示，根據現有理論，祖沖之二號的量子隨機采樣問(wèn)題的速度，比目前最快的超級計算機還快七個(gè)量級;計算復雜度比谷歌的“懸鈴木”超導量子計算機高出六個(gè)量級，標志著(zhù)我國在超導量子計算領(lǐng)域，也達到國際領(lǐng)先水平，這使得我國成為目前唯一在光學(xué)和超導兩種物理體系上都實(shí)現量子優(yōu)越性里程碑的國家。

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

　　但楊威風(fēng)也強調，量子計算與經(jīng)典計算是互補的關(guān)系，不會(huì )完全取代經(jīng)典計算，而是在某些特定的問(wèn)題上，體現了優(yōu)越性。比如，祖沖之號在量子隨機行走這一問(wèn)題，九章在玻色采樣問(wèn)題上，比經(jīng)典計算做得好。

　　據悉，在超導量子計算的研發(fā)過(guò)程中，國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控軟件研發(fā);在硬件方面，參加了測控系統和芯片封裝方面的研發(fā)工作。量子計算產(chǎn)業(yè)化方面，國盾量子推出了2021版超導量子計算操控系統ez-Q™ Engine，服務(wù)于中科院物理所、南方科技大學(xué)等團隊。

　　量子計算商業(yè)化或還需二十年

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

　　楊威風(fēng)坦言，量子計算尚處于基礎科研向功能化轉變的階段?？赡苄枰?0年甚至更長(cháng)的時(shí)間，才能真正走向實(shí)用化，當下還有很多問(wèn)題有待解決。

　　“首先，量子計算要進(jìn)行大規模擴展的話(huà)，必須解決量子糾錯問(wèn)題，目前的物理比特還不是那么完美，會(huì )產(chǎn)生一些錯誤;其次是大規模系統的集成和操控問(wèn)題。量子計算的操控系統還是挺龐大的，如果要形成通用量子計算，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;第三，還需要具有實(shí)用價(jià)值的量子算法，來(lái)提供支持才行。
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