全球量子技术竞赛已开启!中国已抢占先机,距离规模产业化还有多远?

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《科创板日报》(上海,记者 黄心怡)近日,美国白宫科技政策办公室推出了《量子信息科学和技术劳动力发展国家战略计划》,旨在促进先进技术教育和推广,培养下一代量子信息科学人才,以跟上量子科学领域不断增长的就业岗位。

当前,量子信息技术的科研成果转化、行业应用创新、供应链建设和人力资源培养等已经成为全球主要国家的主要发力方向。据中国信息通信研究院不完全统计,截至2021年10月,全球各国在量子方面的投资总规模已经超过130亿美元(约826亿人民币)。

量子信息技术可分为量子计算、量子通信和量子精密测量三大分支。安信证券在研报中指出,量子通信是量子信息技术中最接近商业化的技术。而量子计算和量子测量则距离商业化尚远

国盾量子项目总监周雷博士对《科创板日报》记者表示:量子通信因为发展时间相对较长,在技术和科研理论方面都已比较完善。所以在产业化方面走得会比较快。

腾讯量子实验室负责人张胜誉则指出,虽然量子计算从理论到落地还有相当长的时间。但最近十年,量子计算已经出现跳跃式的进展,未来依然值得期待。

量子通信竞赛,中国暂时领跑

根据摩根士丹利发布的量子通信行业分析报告,2020-2030年全球量子通信市场规模复合年增长率为50%,2030年达到210亿美元。不过,摩根士丹利也指出,达到这一规模的前提是,到2025年量子计算能迎来突破传统加密技术的大门

量子通信的主要关键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来保护数据。这些定律允许粒子(通常是光子,用于沿光缆传输数据)呈现叠加状态,这意味着它们可以同时表示1和0的多个组合。这些粒子称为量子位或量子位。

从网络安全的角度来看,如果黑客试图观察量子位在运输过程中的存在,那么超脆弱的量子态就会“崩溃”为1或0。为此,不少公司利用此特性来创建量子光纤网络,以量子密钥分发(QKD)的过程传输高度敏感的数据。尽管规模很小,但已投入商业使用。

而量子通信的另一种形式是完全基于纠缠量子现象以量子形式传输数据。量子远距传输的工作原理是创建成对的纠缠光子,然后将每对纠缠的光子发送给数据的发送方,将另一对发送给接收方。不管距离多远,一个粒子的变化会引起另一个粒子的变化。这即时爱因斯坦著名的“远距离怪异动作”。与已经投入商业使用的QKD不同,这种形式的量子通信仍处于实验室阶段

摩根士丹利指出,中国是第一个达到关键量子里程碑的国家,日本和韩国也领先于欧盟和美国在量子通信方面的努力。就商业用途而言,中国是最先进的。目前,中国正在努力通过将数十个量子卫星和地面量子通信网络连接起来,在2030年左右建立第一个全球量子通信网络。而九州量子、国盾量子、问天量子为掌握量子通信核心技术的三家国内企业。

国盾量子项目总监周雷博士对《科创板日报》记者表示:我国量子通信在全世界领跑,而量子计算处于并跑。

在科研方面,我国2014年、2016年的200km、404km光纤MDI-QKD(测量设备无关量子密钥分配)实验,均是当时的QKD安全距离世界纪录;2020年3月,中国成功创造了地基量子密钥分发最远距离新的世界纪录,国盾量子为实验设计开发了光学调制与逻辑控制模块等。

2021年,国盾量子联合中国科大、济南量子技术研究院研究团队使用已有商用光纤链路,突破现场远距离高性能单光子干涉技术,分别采用两种技术方案实现500公里量级双场量子密钥分发(TF-QKD),创造了现场无中继光纤量子密钥分发传输距离的新世界纪录。

应用和网络建设同步是关键

周雷指出,量子通信产业化发展时间相对长一些,在技术和科研理论方面都已经比较完善了。而且,量子通信没有量子计算的复杂度那么高,所以在产业化方面走得更快、更远,当下中国的发展重点在于推动大规模的应用和网络建设,实现应用驱动产业的模式。

据介绍,国内总计已经实现7000 多公里的实用化光纤量子保密通信网络,其中,有超过6000公里使用了国盾量子的产品且处于在线运行状态。

“预计未来几年,我国的光纤量子通信网络将会形成北至黑龙江、南至海南、西至成都、东至上海,基本覆盖中国的大型地区和城市。”周雷说。

周雷强调,实用化量子通信需要应用和网络建设同步,需要构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

“这就类似我们的移动通讯网络,随着网络覆盖越来越密集,手机才会变得越来越有用。如果通讯网络的覆盖度和广度不够的话,那么应用只能是局部小范围的,没有大规模发展的基础。随着量子通信网络建设的普及,带动的应用会越多,然后从应用再进一步的带动,向更细致、更密的方向发展,应用和网络建设是这样的循环促进的方式。

目前,国内的量子通信技术已实现在金融、政务、电力等多领域落地应用。周雷表示,下一步的方向是往小型化和通用化方面去努力,实现更远距离、更稳定的传输,并从政府、金融电力、能源等这些国家关键基础设施方面进一步拓展,向更广泛的民生方面去应用。

量子计算不会完全取代经典计算

中国信通院在研究报告中指出,超导量子计算被业界认为是有可能实现通用化量子计算的技术路线之一,IBM、谷歌等均在该领域持续发力。

IBM在2021年发布127量子比特超导量子计算机“鹰”,并计划在2023年推出1123位“秃鹫”平台,2030年目标达到上百万位。而谷歌则计划2023年实现1000位物理量子比特,2029年实现百万物理量子比特可纠错量子计算。

在国内,腾讯、华为、百度、阿里等企业均有开展量子计算的相关研究。

腾讯量子实验室负责人张胜誉在接受《科创板日报》记者表示:目前,量子计算的潜在应用场景包括分子化学性质研究、金融分析、交通调度、空气动力学、人工智能优化等。虽然从理论到落地还有相当长的时间,但未来值得期待。

“特别是最近十年,量子计算已经出现跳跃式的进展,国际巨头每过1、2年都会有一些大产品发布,从全球来看,量子信息有加速的趋势,希望各国都把力量集中到一起,把科技真正推进并落地。”

国盾量子高级工程师杨威风博士介绍,在主要的量子计算物理实现体系上,国内都有研究组在开展研究。在光量子计算领域,中科大潘建伟团队一直处在国际领先水平。2017年,潘建伟团队构建了首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。在2020年,潘建伟团队又成功构建了76个光子、100模式的高斯玻色采样量子计算原型机“九章”,使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。

而在超导量子计算方面,国内起步较晚,但发展迅速,2021年潘建伟团队研制成功了66比特可编程超导量子计算原型机祖冲之二号,实现了对量子随机线路取样任务的快速求解。

杨威风表示,根据现有理论,祖冲之二号的量子随机采样问题的速度,比目前最快的超级计算机还快七个量级;计算复杂度比谷歌的“悬铃木”超导量子计算机高出六个量级,标志着我国在超导量子计算领域,也达到国际领先水平,这使得我国成为目前唯一在光学和超导两种物理体系上都实现量子优越性里程碑的国家。

在杨威风看来,不同于经典计算,量子计算是采用量子比特进行编码,能处于0和1的叠加态,拥有并行计算的能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,因此其算力比经典计算要高出非常多,对于密码破解、大数据分析等这些需要强大计算力支持的应用,可以提供支持。

但杨威风也强调,量子计算与经典计算是互补的关系,不会完全取代经典计算,而是在某些特定的问题上,体现了优越性。比如,祖冲之号在量子随机行走这一问题,九章在玻色采样问题上,比经典计算做得好。

据悉,在超导量子计算的研发过程中,国盾量子参与了硬件和软件两方面的研发工作,在软件方面参与了测控软件研发;在硬件方面,参加了测控系统和芯片封装方面的研发工作。量子计算产业化方面,国盾量子推出了2021版超导量子计算操控系统ez-Q™ Engine,服务于中科院物理所、南方科技大学等团队。

量子计算商业化或还需二十年

相比量子通信,量子计算距离商业化仍有较长的路要走。

杨威风坦言,量子计算尚处于基础科研向功能化转变的阶段。可能需要20年甚至更长的时间,才能真正走向实用化,当下还有很多问题有待解决。

“首先,量子计算要进行大规模扩展的话,必须解决量子纠错问题,目前的物理比特还不是那么完美,会产生一些错误;其次是大规模系统的集成和操控问题。量子计算的操控系统还是挺庞大的,如果要形成通用量子计算,可能需要一个足球场那么大,所以集成化、小型化是非常大的挑战;第三,还需要具有实用价值的量子算法,来提供支持才行。

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