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行业观察 | 量子科技成为多国战略布局重点领域

从顶层设计、战略投资再到人才培养等,全球多国近年来在量子科技领域持续投入。那么什么是量子科技?在现实生活中有何应用前景?各国及科技企业在相关领域的发展态势如何?

 

 

解读量子科技还要从量子力学说起。

 

量子力学发源于20世纪初,是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的。量子力学中有一些“违背常理”的特点,如著名的难知死活的“薛定谔的猫”等。但相关理论不断获得实验支持,在一百多年里催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等,改变了世界面貌。

 

量子信息技术则是量子力学的最新发展,代表了正兴起的“第二次量子革命”。早在2016年,欧盟就宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目,迎接“第二次量子革命”。美国也一直支持量子科技发展,最新动向是在10月7日,白宫科学和技术政策办公室启用了国家量子协调办公室的官方网站,同时发布了《量子前沿报告》。

 

在量子信息技术中,具有代表性的是量子通信和量子计算。这也是各主要科技大国重点抢占的战略技术高地。

 

 

量子通信:信息安全传输的“保护盾”

 

量子通信是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中一个著名原理就是量子纠缠,两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会随之改变,爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。传统的通信方式有被窃听的风险,而在量子通信中,窃听者必然被察觉并被通信双方规避。量子通信因此常被称作信息安全传输的“保护盾”,在保密领域有很大应用前景。

 

近年来,中国量子通信技术取得多项突破性进展。比如2016年8月,中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”;此后,中国科研人员利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年,全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。

 

今年以来,在量子通信领域中国学者“捷报频传”。有关方面3月宣布,中国科学技术大学潘建伟团队等研究人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,传输距离达到509公里,创造了新的世界纪录。有关方面9月宣布,郭光灿院士团队与奧地利同行合作,首次实现了高保真度的32维量子纠缠态,显著提高了量子通信的信道容量。

 

 

量子计算:未来计算技术的“心脏”

 

 

量子计算是各国优先发展的另一重点科技领域。百度研究院量子计算研究所所长段润尧曾在新华社的采访中提到:“量子计算是这一场新量子革命最具有代表性的技术,是未来计算技术的心脏。”

 

与传统计算机相比,量子计算机有独特优势。传统计算机中1个比特在某个时间只能是0或1中的一个状态,而在量子计算机里,由于量子叠加态的存在,1个量子比特可同时记录0和1两个状态。因此,量子计算机拥有计算能力远超传统计算机的潜力。但目前人类能同时操纵的量子比特还不多,量子计算机尚未走向大规模实用。

 

在量子计算赛道,谷歌、微软、英特尔等西方科技企业拥有先发优势,通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。去年10月,谷歌研究人员在英国《自然》杂志发表论文称,基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统,它花费约200秒完成的任务,传统超级计算机要1万年才能完成。这在当时被称作实现了“量子霸权”,即让量子计算机在某个特定问题上的计算能力超过传统计算机,但也有一些业界人士对相关细节提出疑问。

 

中国研究人员也在量子计算方面奋起直追。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。今年9月,百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台,使普通用户也能通过云技术使用量子计算。

 

 

量子计算市场前景

 

 

对于量子计算市场,波士顿咨询预测称,保守估算,到2035年,量子计算市场将达到20亿美元。到2050年,市场规模将飙升至2600亿美元。

如果物理量子位的错误率这一瓶颈能够克服,错误率显著降低,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。

资料来源:波士顿咨询

从长期来看,产业应用场景十分广泛,包括网络信息安全、量子通信干线、量子城域网、金融、国防和科教应用等方面。若仅考虑量子干线以及量子城域网的建设,量子通信建设投资规模有望达到百亿级别。考虑长期在国防、金融、政府等领域的广泛应用,量子通信整体市场规模有望超过千亿。

前瞻产业研究院的数据显示,2017年,中国量子通信行业市场规模达到180亿元,到2018年将达到320亿元左右,预计到2024年能够达到912亿元。

量子通信网络目前的主要应用场景仍集中在短距城域网/局域网中,随着量子通信网络部署规模扩大,将在一定程度上拉动光纤市场需求。

量子通信通常通过光纤传送单光子,由于单光子量子态信号与传统光信号同光纤混合传输时将导致性能劣化,因此量子通信系统组网时通常需要额外的独立光纤链路资源。截止到2018年底,我国已建成的实用化光纤量子通信网络总长已达7000余公里。未来随着广域量子通信骨干网的逐步规模化,有望持续带动上游光纤市场发展。

 

量子通信产业链主要包含元器件、核心设备、传输干线、系统平台、下游应用等环节。

 

其中,上游主要为元器件及量子核心设备,如:国盾量子、神州量子等,目前参与企业较少,呈寡头格局。中游主要包括网络传输干线提供商及系统集成商,如:神州数码等。下游主要是各种行业应用,主要涉及金融、军事、政务等领域。

 

 

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