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中国量子信息技术、量子计算机发展优势及量子计算机的未来发展趋势[图]

2019年06月06日 13:48:16字号:T|T

    量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科,其物理基础是量子力学。基于量子特性,量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限,在信息处理速度、信息安全性、信息容量、信息检测精度等方面将会发挥极大的作用。量子信息技术主要的应用领域包括量子计算、量子通信和量子测量等。

    进入21世纪之后,人类对微观粒子系统的观测和调控技术不断突破和提升,使得从量子观察到量子调控成为可能,这为即将爆发的第二次量子科技革命提供了很好的基础,而这次第二次量子科技革命的主角就是以量子计算和量子通信为主的量子信息技术。为了抢占量子科技的国际话语权,各国竞相出台相关政策和提供资金支持量子信息发展,行业在政策和资金的推动下有望实现快速发展。

    量子信息凭借其高并行速度和绝对安全性,被赋予了引领人类第四次科技革命的可能性。各国为了抢占量子科技领域未来的国际话语权,纷纷出台相关政策和提供资金来大力推进量子信息技术的发展。产业资本也纷纷加快在量子信息领域的布局,预计行业将进入一个从0到1的快速发展时期。

    我国在量子计算领域目前还是以研究为主,产业应用刚刚起步。但是我国量子通信研究和技术应用方面全球领先,而且各地方量子通信网络建设和各行业量子通信试点应用正在加速推进。量子信息技术的发展进入加速期。

    量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点。国际社会纷纷加大研发力度和投入,力争抢占技术制高点。

大赢家彩票开户    为抢占第二次量子技术革命的制高点,我国近年来对量子信息技术的重视和支持力度也逐渐加大,先后推出“自然科学基金”、“863”计划和重大专项等来支持量子信息的研究和应用。2018年5月的两院院士大会上,习总书记强调“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”,量子信息的战略地位得到进一步肯定。

    一、量子计算机

    量子计算机相比传统计算机在并行计算和量子模拟上具备天然优势,未来将逐步应用于需要进行大数据分析和质因数分析的领域,如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。目前量子计算的研究和应用还是以美国主导为主,我国还停留在研究阶段。但由于高端计算方面具备天然优势,整体市场潜力巨大。

    而在各个国家中,美国在量子计算的综合实力全球领跑,目前已形成了政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面。其他国家基本上以紧密跟随为主。

    国外量子计算机发展历程

阶段
时间
事件
理论和实验室探究
阶段
1920年
爱因斯坦等人创立量子力学
1981年
费曼提出量子计算机的技术概念
2007年
贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜于传统计算机
2009年
MIT、IBM和stanford武汉物理教学所、清华大学等研究组实现了7个量子比特的量子算法演
商业投入和工程应
用阶段
2012年
加拿大D-wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。
世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生
2013年
微软研究院成立量子体系结构与计算机研究组
2015年
谷歌与NASA联合成立量子人工智能实验室,加拿大D-wave系统公司宣称NASA和Google
共同预定了一台采用512位量子为的D-WaveTwo量子计算机
2016年
英特尔与代尔夫特理工大学研发基于硅量子点的量子计算机
2017年
D-wave为谷歌提供了一台9量子比特的量子计算机,售价为1500万美元
2018年
IBM宣布,今年将推出全球第一个商业化量子计算云服务——IBMQ。这是全球第一个收费的
量子计算云服务系统
2019年
谷歌公布72比特的量子芯片Bristlecone,并表示已经开始了72位量子计算机的测试
2019年
IBM发布全球首台专为科学和商业用途设计的独立量子计算机QSystemOne,该计算机的计
算能力20量子比特(即一步可运算2的20次方)
2019年
D-WAVE公司推出其5000量子比特计算机的发展蓝图,预计2020年进入市场

数据来源:公开资料整理

    我国量子计算目前还是以理论研究为主,参与者主要是以科研机构、高校为主,但是近年来我国量子计算的研究发展迅速,我国在高水平SCI论文数量总量上已经仅次于美国。我国量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和集中攻关的阶段,在产品工程化及应用推动方面与美国科技巨头存在明显的差距,国内仅一家初创企业,但是这两年阿里巴巴、百度和华为等科技巨头先后关注和加大量子计算领域的投入。

我国量子计算领域的发展历程

时间
事件
2013年
中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实
2015年
由中科院牵头,联合中科大、科大国盾、中国铁路网络有限公司、中兴通讯等,成立了“中国量子通信产业联盟”
2017年
中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发世界上第一台超越早
期经典计算机的光量子计算机
2017年4月
中国科学院院长白春礼院士透露,中科院正在研制中国首台量子计算机,预计在最近几年内有望研制成功
2018年3月
百度宣布成立量子计算研究所,计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所,逐步将量子计算融入到业务中
2018年10月
阿里巴巴达摩院在云栖大会宣布着手超导量子芯片和量子计算系统的研发。华为在全联接大会期间正式发布量子计
算模拟器HiQ云服务平台
2018年12月
中国科学技术大学郭光灿院士团队宣布,成功研制出一套精简、高效的量子计算机控制系统

大赢家彩票开户数据来源:公开资料整理

    二、量子计算机优势

    量子通信是使用量子态携带所要传送的信息,并把量子纠缠作为信道,将该量子态从A地传送到B第的一种通信方式,量子通信按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类:量子密钥分发和量子态隐形传输。

    量子密匙分发(QKD):在信息收发双方进行安全的密匙共享,借助一次一密的加密方式实现双方的安全通信。利用量子的不可测性和不可克隆性,从而实现信息的不可窃听,首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享,之后再与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密和安全传输。这是目前市场上主流也是产业化较为成熟的技术路线。

    量子态隐形传输(QT):基于量子纠缠态的分发与量子联合测量实现量子态信息的直接传输,在量子信息的转移过程中不移动信息载体本身。同经典通信相类似,远距离量子通信会出现纠缠减弱。因此需要建立量子中继以保证量子通信通畅。目前处于前沿研究阶段,落地仍有困难。

    与传统通信方式相比,量子通信在确保信息安全,增大信息传输量,传输信息高效,抗干扰能力强等方面具有绝对优势,是迄今为止是唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式。不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,而且逐渐走进人们的日常生活。

量子密钥分发基本架构

数据来源:公开资料整理

    三、量子计算机的未来

    量子计算机不会取代经典计算机,但将会在执行对现有计算机来说太过复杂的任务方面表现出众,特别是那些需要在大数据里面展开搜索和对大数进行质因数分解的任务。这是因为基于量子叠加和量子纠缠的内在特性,量子计算机可以实现快速的并行计算和量子行为模拟,从而重新定义程序和算法,这就使得它能够在一些特定的应用场景有很好的优势,如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。

    在加密通信领域,一切现有的密码学全都要被重新改写,因为用量子计算机能轻易破译所有密码。如经典的RSA算法,若用400位数的整数来做一个RSA密钥,依托现有的经典计算机需要60万年才能完成破译,但是对于量子计算机只要3个小时就能够破译。

    在药物设计领域,开发一种新药需要开展无数不同分子组合方式的试验,从而能够找到有效治愈某种疾病的药物特性。这个过程需要持续数年。量子计算机能在短期内绘制数以万计的分子组合模式,并迅速确定最有可能生效的组合,加大的节省药物的研发成本和周期。

    在交通治理方面,量子计算机能迅速对复杂的交通状况进行研判,调度综合交通系统,最大限度避免道路拥堵。

    预测,保守看来,到2035年,量子计算市场将达到20亿美金体量。随着采纳率的提高,到2050年,市场规模将飙升至2600亿美元。

    若当前桎梏量子计算发展的主要因素——物理量子位的错误率——能够显著降低,那么到2035年,量子计算市场规模将达到600亿美元,并在2050年增加到2950亿美元。与之相比,当今全球商业及消费市场总规模为8000亿美元。

    量子通信相对于传统通信具备绝对安全性,在对信息安全要求比较高的领域有望率先推开,目前整体还处在试点应用阶段,未来随着技术的升级和成本的降低,量子通信有望向商业领域拓展,市场空间巨大。虽然我国量子通信领域发力较晚,但是凭借政策支持和巨大的资金投入,我们在量子通信领域成功实现了直道超车,在试点应用数量和网络建设规模方面全球领先,并且多项建设记录领跑全球。

    量子保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的技术方向。近年来,各国逐步开展量子通信试点应用。

    我国量子通信领域世界领先,多项建设记录领跑全球。我国量子通信虽然起步较晚,但是凭巨大的资金投入和政策支持,我们在量子通信领域成功实现了直道超车,在试点应用数量和网络建设规模方面全球领先,并且多项建设记录领跑全球。

    现有的量子通信网络建设方面,2017年,“宁苏干线”、“沪杭干线”、“武合干线”、“齐鲁干线”和“武汉城域网”等项目开始建设。2018年,国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程开始实施,在“京沪干线”基础上,增加武汉和广州两个骨干节点,新建北京-武汉-广州线路和武汉-合肥-上海线路,并接入若干已有和新建城域网络。

    从专利申请来看,中国量子通信专利申请数逐年递增,在全球量子通信专利数中所占比例遥遥领先。

    2017年,我国量子通信行业市场规模达到了180亿元,到2018年将达到320亿元左右,同比增长77。78%,预计到2024年,我国量子通信行业建设及运营服务市场规模达912亿元,同比增长13。57%。根据预测,国内量子通信短期市场规模在100-130亿元左右,长期市场规模将超过千亿。而在下游应用领域方面,目前还是以政府应用为主,但是面向商用的金融板块的应用正在加速推进,根据前瞻网的预测,到2021年,量子通信在政府服务领域应用占比将达到30%;金融领域应用其次,占比为22%;商业领域、国防军事紧随其后,占比分别为20%、16%。

大赢家彩票开户    随着近年来我国在量子通信试点应用和网络建设的不断推进,我国量子通信产业链已初步形成,从基础研究、设备研发、建设运维到安全应用都有涉及。在国内,中科大在量子通信产业化方面表现突出,其衍生与合作建立了科大国盾、安徽问天量子等公司,进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化。

2017-2024年我国量子通信市场规模及其预测

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2021年量子通信下游应用领域分布

数据来源:公开资料整理

    我国在量子计算领域目前还是以研究为主,产业应用较少;但是我国量子通信研究和技术应用方面全球领先,而且各地方量子通信网络建设和各行业量子通信试点应用正在加速推进,量子信息技术的发展进入加速期。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国量子计算机行业市场深度调研及投资前景分析报告

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