中國(guó)量子信息技術(shù)、量子計(jì)算機(jī)發(fā)展優(yōu)勢(shì)及量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[圖]

    量子信息技術(shù)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新生學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)?；诹孔犹匦?，量子信息技術(shù)可以突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限，在信息處理速度、信息安全性、信息容量、信息檢測(cè)精度等方面將會(huì)發(fā)揮極大的作用。量子信息技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等。

    進(jìn)入21世紀(jì)之后，人類對(duì)微觀粒子系統(tǒng)的觀測(cè)和調(diào)控技術(shù)不斷突破和提升，使得從量子觀察到量子調(diào)控成為可能，這為即將爆發(fā)的第二次量子科技革命提供了很好的基礎(chǔ)，而這次第二次量子科技革命的主角就是以量子計(jì)算和量子通信為主的量子信息技術(shù)。為了搶占量子科技的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，各國(guó)競(jìng)相出臺(tái)相關(guān)政策和提供資金支持量子信息發(fā)展，行業(yè)在政策和資金的推動(dòng)下有望實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

    量子信息憑借其高并行速度和絕對(duì)安全性，被賦予了引領(lǐng)人類第四次科技革命的可能性。各國(guó)為了搶占量子科技領(lǐng)域未來(lái)的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，紛紛出臺(tái)相關(guān)政策和提供資金來(lái)大力推進(jìn)量子信息技術(shù)的發(fā)展。產(chǎn)業(yè)資本也紛紛加快在量子信息領(lǐng)域的布局，預(yù)計(jì)行業(yè)將進(jìn)入一個(gè)從0到1的快速發(fā)展時(shí)期。

    我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域目前還是以研究為主，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用剛剛起步。但是我國(guó)量子通信研究和技術(shù)應(yīng)用方面全球領(lǐng)先，而且各地方量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和各行業(yè)量子通信試點(diǎn)應(yīng)用正在加速推進(jìn)。量子信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入加速期。

    量子技術(shù)研究已成為當(dāng)前世界科技研究的一大熱點(diǎn)。國(guó)際社會(huì)紛紛加大研發(fā)力度和投入，力爭(zhēng)搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

    為搶占第二次量子技術(shù)革命的制高點(diǎn)，我國(guó)近年來(lái)對(duì)量子信息技術(shù)的重視和支持力度也逐漸加大，先后推出“自然科學(xué)基金”、“863”計(jì)劃和重大專項(xiàng)等來(lái)支持量子信息的研究和應(yīng)用。2018年5月的兩院院士大會(huì)上，習(xí)總書記強(qiáng)調(diào)“以人工智能、量子信息、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用”，量子信息的戰(zhàn)略地位得到進(jìn)一步肯定。

    一、量子計(jì)算機(jī)

    量子計(jì)算機(jī)相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在并行計(jì)算和量子模擬上具備天然優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將逐步應(yīng)用于需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和質(zhì)因數(shù)分析的領(lǐng)域，如加密通信、藥物設(shè)計(jì)、交通治理、天氣預(yù)測(cè)、人工智能、太空探索等領(lǐng)域。目前量子計(jì)算的研究和應(yīng)用還是以美國(guó)主導(dǎo)為主，我國(guó)還停留在研究階段。但由于高端計(jì)算方面具備天然優(yōu)勢(shì)，整體市場(chǎng)潛力巨大。

    而在各個(gè)國(guó)家中，美國(guó)在量子計(jì)算的綜合實(shí)力全球領(lǐng)跑，目前已形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面。其他國(guó)家基本上以緊密跟隨為主。

    國(guó)外量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

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    我國(guó)量子計(jì)算目前還是以理論研究為主，參與者主要是以科研機(jī)構(gòu)、高校為主，但是近年來(lái)我國(guó)量子計(jì)算的研究發(fā)展迅速，我國(guó)在高水平SCI論文數(shù)量總量上已經(jīng)僅次于美國(guó)。我國(guó)量子計(jì)算剛剛從基礎(chǔ)研究邁入技術(shù)積存和集中攻關(guān)的階段，在產(chǎn)品工程化及應(yīng)用推動(dòng)方面與美國(guó)科技巨頭存在明顯的差距，國(guó)內(nèi)僅一家初創(chuàng)企業(yè)，但是這兩年阿里巴巴、百度和華為等科技巨頭先后關(guān)注和加大量子計(jì)算領(lǐng)域的投入。

我國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展歷程

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    二、量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)

    量子通信是使用量子態(tài)攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)從A地傳送到B第的一種通信方式，量子通信按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類：量子密鑰分發(fā)和量子態(tài)隱形傳輸。

    量子密匙分發(fā)（QKD）：在信息收發(fā)雙方進(jìn)行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實(shí)現(xiàn)雙方的安全通信。利用量子的不可測(cè)性和不可克隆性，從而實(shí)現(xiàn)信息的不可竊聽(tīng)，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無(wú)法被竊聽(tīng)的安全密鑰共享，之后再與傳統(tǒng)保密通信技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息的加解密和安全傳輸。這是目前市場(chǎng)上主流也是產(chǎn)業(yè)化較為成熟的技術(shù)路線。

    量子態(tài)隱形傳輸（QT）：基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸,在量子信息的轉(zhuǎn)移過(guò)程中不移動(dòng)信息載體本身。同經(jīng)典通信相類似，遠(yuǎn)距離量子通信會(huì)出現(xiàn)糾纏減弱。因此需要建立量子中繼以保證量子通信通暢。目前處于前沿研究階段，落地仍有困難。

    與傳統(tǒng)通信方式相比，量子通信在確保信息安全，增大信息傳輸量，傳輸信息高效，抗干擾能力強(qiáng)等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是迄今為止是唯一通過(guò)數(shù)學(xué)方式被嚴(yán)格證明的絕對(duì)安全的通信方式。不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。

量子密鑰分發(fā)基本架構(gòu)

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    三、量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)

    量子計(jì)算機(jī)不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但將會(huì)在執(zhí)行對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)太過(guò)復(fù)雜的任務(wù)方面表現(xiàn)出眾，特別是那些需要在大數(shù)據(jù)里面展開(kāi)搜索和對(duì)大數(shù)進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解的任務(wù)。這是因?yàn)榛诹孔盈B加和量子糾纏的內(nèi)在特性，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速的并行計(jì)算和量子行為模擬，從而重新定義程序和算法，這就使得它能夠在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景有很好的優(yōu)勢(shì)，如加密通信、藥物設(shè)計(jì)、交通治理、天氣預(yù)測(cè)、人工智能、太空探索等領(lǐng)域。

    在加密通信領(lǐng)域，一切現(xiàn)有的密碼學(xué)全都要被重新改寫，因?yàn)橛昧孔佑?jì)算機(jī)能輕易破譯所有密碼。如經(jīng)典的RSA算法，若用400位數(shù)的整數(shù)來(lái)做一個(gè)RSA密鑰，依托現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要60萬(wàn)年才能完成破譯，但是對(duì)于量子計(jì)算機(jī)只要3個(gè)小時(shí)就能夠破譯。

    在藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)一種新藥需要開(kāi)展無(wú)數(shù)不同分子組合方式的試驗(yàn)，從而能夠找到有效治愈某種疾病的藥物特性。這個(gè)過(guò)程需要持續(xù)數(shù)年。量子計(jì)算機(jī)能在短期內(nèi)繪制數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，加大的節(jié)省藥物的研發(fā)成本和周期。

    在交通治理方面，量子計(jì)算機(jī)能迅速對(duì)復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行研判，調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，最大限度避免道路擁堵。

    預(yù)測(cè)，保守看來(lái)，到2035年，量子計(jì)算市場(chǎng)將達(dá)到20億美金體量。隨著采納率的提高，到2050年，市場(chǎng)規(guī)模將飆升至2600億美元。

    若當(dāng)前桎梏量子計(jì)算發(fā)展的主要因素——物理量子位的錯(cuò)誤率——能夠顯著降低，那么到2035年，量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到600億美元，并在2050年增加到2950億美元。與之相比，當(dāng)今全球商業(yè)及消費(fèi)市場(chǎng)總規(guī)模為8000億美元。

    量子通信相對(duì)于傳統(tǒng)通信具備絕對(duì)安全性，在對(duì)信息安全要求比較高的領(lǐng)域有望率先推開(kāi)，目前整體還處在試點(diǎn)應(yīng)用階段，未來(lái)隨著技術(shù)的升級(jí)和成本的降低，量子通信有望向商業(yè)領(lǐng)域拓展，市場(chǎng)空間巨大。雖然我國(guó)量子通信領(lǐng)域發(fā)力較晚，但是憑借政策支持和巨大的資金投入，我們?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了直道超車，在試點(diǎn)應(yīng)用數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模方面全球領(lǐng)先，并且多項(xiàng)建設(shè)記錄領(lǐng)跑全球。

    量子保密通信是量子信息領(lǐng)域中率先進(jìn)入實(shí)用化的技術(shù)方向。近年來(lái)，各國(guó)逐步開(kāi)展量子通信試點(diǎn)應(yīng)用。

    我國(guó)量子通信領(lǐng)域世界領(lǐng)先，多項(xiàng)建設(shè)記錄領(lǐng)跑全球。我國(guó)量子通信雖然起步較晚，但是憑巨大的資金投入和政策支持，我們?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了直道超車，在試點(diǎn)應(yīng)用數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模方面全球領(lǐng)先，并且多項(xiàng)建設(shè)記錄領(lǐng)跑全球。

    現(xiàn)有的量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，2017年，“寧蘇干線”、“滬杭干線”、“武合干線”、“齊魯干線”和“武漢城域網(wǎng)”等項(xiàng)目開(kāi)始建設(shè)。2018年，國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程開(kāi)始實(shí)施，在“京滬干線”基礎(chǔ)上，增加武漢和廣州兩個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)，新建北京-武漢-廣州線路和武漢-合肥-上海線路，并接入若干已有和新建城域網(wǎng)絡(luò)。

    從專利申請(qǐng)來(lái)看，中國(guó)量子通信專利申請(qǐng)數(shù)逐年遞增，在全球量子通信專利數(shù)中所占比例遙遙領(lǐng)先。

    2017年，我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了180億元，到2018年將達(dá)到320億元左右，同比增長(zhǎng)77.78%，預(yù)計(jì)到2024年，我國(guó)量子通信行業(yè)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)912億元，同比增長(zhǎng)13.57%。根據(jù)預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)量子通信短期市場(chǎng)規(guī)模在100-130億元左右，長(zhǎng)期市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)千億。而在下游應(yīng)用領(lǐng)域方面，目前還是以政府應(yīng)用為主，但是面向商用的金融板塊的應(yīng)用正在加速推進(jìn)，根據(jù)前瞻網(wǎng)的預(yù)測(cè)，到2021年，量子通信在政府服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用占比將達(dá)到30%；金融領(lǐng)域應(yīng)用其次，占比為22%；商業(yè)領(lǐng)域、國(guó)防軍事緊隨其后，占比分別為20%、16%。

    隨著近年來(lái)我國(guó)在量子通信試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成，從基礎(chǔ)研究、設(shè)備研發(fā)、建設(shè)運(yùn)維到安全應(yīng)用都有涉及。在國(guó)內(nèi)，中科大在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)突出，其衍生與合作建立了科大國(guó)盾、安徽問(wèn)天量子等公司，進(jìn)行量子保密通信前沿研究成果向應(yīng)用技術(shù)和商用化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。

2017-2024年我國(guó)量子通信市場(chǎng)規(guī)模及其預(yù)測(cè)

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2021年量子通信下游應(yīng)用領(lǐng)域分布

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    我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域目前還是以研究為主，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用較少；但是我國(guó)量子通信研究和技術(shù)應(yīng)用方面全球領(lǐng)先，而且各地方量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和各行業(yè)量子通信試點(diǎn)應(yīng)用正在加速推進(jìn)，量子信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入加速期。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)量子計(jì)算機(jī)行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及投資前景分析報(bào)告》