全球量子技術競賽已開啟!中國已搶佔先機,距離規模產業化還有多遠?


全球量子技術競賽已開啟!中國已搶佔先機,距離規模產業化還有多遠?

《科創板日報》(上海,記者黃心怡)近日,美國白宮科技政策辦公室推出了《量子資訊科學和技術勞動力發展國家戰略計劃》,旨在促進先進技術教育和推廣,培養下一代量子資訊科學人才,以跟上量子科學領域不斷增長的就業崗位。

當前,量子資訊科技的科研成果轉化、行業應用創新、供應鏈建設和人力資源培養等已經成為全球主要國家的主要發力方向。據中國資訊通訊研究院不完全統計,截至2021年10月,全球各國在量子方面的投資總規模已經超過130億美元(約826億人民幣)。

量子資訊科技可分為量子計算、量子通訊和量子精密測量三大分支。安信證券在研報中指出,量子通訊是量子資訊科技中最接近商業化的技術。而量子計算和量子測量則距離商業化尚遠

國盾量子專案總監周雷博士對《科創板日報》記者表示:量子通訊因為發展時間相對較長,在技術和科研理論方面都已比較完善。所以在產業化方面走得會比較快。

騰訊量子實驗室負責人張勝譽則指出,雖然量子計算從理論到落地還有相當長的時間。但最近十年,量子計算已經出現跳躍式的進展,未來依然值得期待。

量子通訊競賽,中國暫時領跑

根據摩根士丹利釋出的量子通訊行業分析報告,2020-2030年全球量子通訊市場規模複合年增長率為50%,2030年達到210億美元。不過,摩根士丹利也指出,達到這一規模的前提是,到2025年量子計算能迎來突破傳統加密技術的大門

量子通訊的主要關鍵特性之一在於其所能提供的安全性,可以利用量子物理定律來保護資料。這些定律允許粒子(通常是光子,用於沿光纜傳輸資料)呈現疊加狀態,這意味著它們可以同時表示1和0的多個組合。這些粒子稱為量子位或量子位。

從網路安全的角度來看,如果駭客試圖觀察量子位在運輸過程中的存在,那麼超脆弱的量子態就會“崩潰”為1或0。為此,不少公司利用此特性來建立量子光纖網路,以量子金鑰分發(QKD)的過程傳輸高度敏感的資料。儘管規模很小,但已投入商業使用。

而量子通訊的另一種形式是完全基於糾纏量子現像以量子形式傳輸資料。量子遠距傳輸的工作原理是建立成對的糾纏光子,然後將每對糾纏的光子傳送給資料的傳送方,將另一對傳送給接收方。不管距離多遠,一個粒子的變化會引起另一個粒子的變化。這即時愛因斯坦著名的“遠距離怪異動作”。與已經投入商業使用的QKD不同,這種形式的量子通訊仍處於實驗室階段

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摩根士丹利指出,中國是第一個達到關鍵量子里程碑的國家,日本和韓國也領先於歐盟和美國在量子通訊方面的努力。就商業用途而言,中國是最先進的。目前,中國正在努力透過將數十個量子衛星和地面量子通訊網路連線起來,在2030年左右建立第一個全球量子通訊網路。而九州量子、國盾量子、問天量子為掌握量子通訊核心技術的三家國內企業。

國盾量子專案總監周雷博士對《科創板日報》記者表示:我國量子通訊在全世界領跑,而量子計算處於並跑。

在科研方面,我國2014年、2016年的200km、404km光纖MDI-QKD(測量裝置無關量子金鑰分配)實驗,均是當時的QKD安全距離世界紀錄;2020年3月,中國成功創造了地基量子金鑰分發最遠距離新的世界紀錄,國盾量子為實驗設計開發了光學調製與邏輯控制模組等。

2021年,國盾量子聯合中國科大、濟南量子技術研究院研究團隊使用已有商用光纖鏈路,突破現場遠距離高效能單光子乾涉技術,分別採用兩種技術方案實現500公里量級雙場量子金鑰分發(TF-QKD),創造了現場無中繼光纖量子金鑰分發傳輸距離的新世界紀錄。

應用和網路建設同步是關鍵

周雷指出,量子通訊產業化發展時間相對長一些,在技術和科研理論方面都已經比較完善了。而且,量子通訊沒有量子計算的複雜度那麼高,所以在產業化方面走得更快、更遠,當下中國的發展重點在於推動大規模的應用和網路建設,實現應用驅動產業的模式。

據介紹,國內總計已經實現7000 多公里的實用化光纖量子保密通訊網路,其中,有超過6000公里使用了國盾量子的產品且處於線上執行狀態。

“預計未來幾年,我國的光纖量子通訊網路將會形成北至黑龍江、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。

周雷強調,實用化量子通訊需要應用和網路建設同步,需要構建全球範圍的廣域量子通訊網路體系。透過光纖實現城域量子通訊網路、透過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連線、透過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連線,是廣域量子通訊網路的發展路線。

“這就類似我們的移動通訊網路,隨著網路覆蓋越來越密集,手機才會變得越來越有用。如果通訊網路的覆蓋度和廣度不夠的話,那麼應用只能是區域性小範圍的,沒有大規模發展的基礎。隨著量子通訊網路建設的普及,帶動的應用會越多,然後從應用再進一步的帶動,向更細緻、更密的方向發展,應用和網路建設是這樣的迴圈促進的方式。

目前,國內的量子通訊技術已實現在金融、政務、電力等多領域落地應用。周雷表示,下一步的方向是往小型化和通用化方面去努力,實現更遠距離、更穩定的傳輸,並從政府、金融電力、能源等這些國家關鍵基礎設施方面進一步拓展,向更廣泛的民生方面去應用。

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量子計算不會完全取代經典計算

中國信通院在研究報告中指出,超導量子計算被業界認為是有可能實現通用化量子計算的技術路線之一,IBM、谷歌等均在該領域持續發力。

IBM在2021年釋出127量子位元超導量子計算機“鷹”,並計劃在2023年推出1123位“禿鷲”平臺,2030年目標達到上百萬位。而谷歌則計劃2023年實現1000位物理量子位元,2029年實現百萬物理量子位元可糾錯量子計算。

在國內,騰訊、華為、百度、阿里等企業均有開展量子計算的相關研究。

騰訊量子實驗室負責人張勝譽在接受《科創板日報》記者表示:目前,量子計算的潛在應用場景包括分子化學性質研究、金融分析、交通排程、空氣動力學、人工智慧最佳化等。雖然從理論到落地還有相當長的時間,但未來值得期待。

“特別是最近十年,量子計算已經出現跳躍式的進展,國際巨頭每過1、2年都會有一些大產品釋出,從全球來看,量子資訊有加速的趨勢,希望各國都把力量集中到一起,把科技真正推進並落地。”

國盾量子高階工程師楊威風博士介紹,在主要的量子計算物理實現體系上,國內都有研究組在開展研究。在光量子計算領域,中科大潘建偉團隊一直處在國際領先水平。 2017年,潘建偉團隊構建了首臺超越早期經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個光子、100模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”,使我國成為第二個實現量子計算優越性的國家。

而在超導量子計算方面,國內起步較晚,但發展迅速,2021年潘建偉團隊研製成功了66位元可程式設計超導量子計算原型機祖沖之二號,實現了對量子隨機線路取樣任務的快速求解。

楊威風表示,根據現有理論,祖沖之二號的量子隨機取樣問題的速度,比目前最快的超級計算機還快七個量級;計算複雜度比谷歌的“懸鈴木”超導量子計算機高出六個量級,標誌著我國在超導量子計算領域,也達到國際領先水平,這使得我國成為目前唯一在光學和超導兩種物理體系上都實現量子優越性里程碑的國家。

在楊威風看來,不同於經典計算,量子計算是採用量子位元進行編碼,能處於0和1的疊加態,擁有平行計算的能力,計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長,因此其算力比經典計算要高出非常多,對於密碼破解、大資料分析等這些需要強大計算力支援的應用,可以提供支援。

但楊威風也強調,量子計算與經典計算是互補的關係,不會完全取代經典計算,而是在某些特定的問題上,體現了優越性。比如,祖沖之號在量子隨機行走這一問題,九章在玻色取樣問題上,比經典計算做得好。

據悉,在超導量子計算的研發過程中,國盾量子參與了硬體和軟體兩方面的研發工作,在軟體方面參與了測控軟體研發;在硬體方面,參加了測控系統和晶片封裝方面的研發工作。量子計算產業化方面,國盾量子推出了2021版超導量子計算操控系統ez-Q™ Engine,服務於中科院物理所、南方科技大學等團隊。

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量子計算商業化或還需二十年

相比量子通訊,量子計算距離商業化仍有較長的路要走。

楊威風坦言,量子計算尚處於基礎科研向功能化轉變的階段。可能需要20年甚至更長的時間,才能真正走向實用化,當下還有很多問題有待解決。

“首先,量子計算要進行大規模擴充套件的話,必須解決量子糾錯問題,目前的物理位元還不是那麼完美,會產生一些錯誤;其次是大規模系統的整合和操控問題。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,可能需要一個足球場那麼大,所以整合化、小型化是非常大的挑戰;第三,還需要具有實用價值的量子演算法,來提供支援才行。.

責任編輯:周淑萍

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