量子通信,毫无疑问中国就是第一!

标签:量子通信
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1、中国成为全球第二个实现量子优越性的国家,此前,中国发射了全球首颗量子通信卫星“墨子号”,并开通了世界第一条量子保密通信干线——“京沪干线”。

2、当量子技术大规模商用后,未来会怎样?你可能不会再为信息安全、数据泄露而犯难,也不会抱怨预测不准确的天气预报。

一沙一世界。你可以从一粒沙中窥见整个世界,你也可以从物理世界的最小能量单位——量子中感受未来全球科技的变迁。

量子时代正在走近。北京时间12月4日,中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等学者组成的研究团队与中国科学院上海微系统所与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,相关研究成果发表于《科学》杂志。

据悉,九章针对高斯波色采样问题,处理5000万个样本只需200秒,而目前世界最快的超级计算机处理相同问题需要6亿年。

由此,中国首次实现“量子计算优越性”,成为全球第二个实现量子优越性的国家。

而在2016年至2017年间,中国分别发射了全球首颗量子通信卫星“墨子号”,并开通了世界第一条量子保密通信干线——“京沪干线”,预示着中国在量子通信方面处于世界领先地位。

“量子科学实验卫星”工作示意图 图源/网络

对很多人而言,量子神秘又耳熟能详。如今,这项前沿技术正成为“国之重器”。10月16日,第十九届第二十四次中央政治局集体学习会议的议题正是“量子科技研究和应用前景”。

据《IT时报》记者了解,目前国内量子通信主要运营于政务等领域,并有望在“十四五规划”期间走进C端,而量子计算方面,中国与美国、德国等多国间的竞争已拉开序幕,但距离量子通用计算机的诞生还需要等待新材料、新技术的同步发展。

01

计算与通信

量子技术的“矛”与“盾”

“没有人能真正理解量子力学。” 1964年,物理学家理查德·费曼如是说。

这个奇异的微观世界,无法用经典物理理论解释。量子作为物理世界的最小能量单位,具有不可分割性。当一对量子发生纠缠时,两者无论分离多远,只要一方运动发生改变,另一方同步做出相应变化。

图源/Pixabay

与此同时,不同于宏观世界中,你可以通过物体的速度测量出其对应位置,量子则具有测不准特性。你不可能同时知道一个量子的位置和速度数据。

量子不可分割、不可复制、测不准的特性,构成了量子通信的基础。

“量子通信本质上是量子密钥的传输,利用量子纠缠可以将量子信息传输到另一个地点,而不是传送信息载体本身,一旦密钥被窃听,便会马上被发现,属于被严格证明的‘无条件安全通信方式’。”潘建伟公开表示。

已有的通信加密方式主要依赖计算复杂性,但无法避免被窃听。这也是为什么发生银行卡被盗刷、账号被盗用等情况时,通常事后才能发现问题。

量子加密通信能有效避免上述情况。任何窃听、复制、测量行为,都会改变量子状态,被通信双方所获知,从而可以切换传输路径,防患于未然。

如果说量子加密通信是为了铸成一道安全盾牌,那么,量子计算则是为了破解密码。

你一定听说过“虐猫达人”薛定谔的实验:把一只猫被放在装有镭和氰化物的密闭容器,如果发生衰变会打碎氰化物瓶子,猫会死亡,反之猫会存活。在没有打开容器前,猫会处于生和死叠加状态。

薛定谔的猫 图源/网络

如果说,现有计算机以0和1两个状态作为信息处理单元,一次只能处理一个非0即1的单一状态。那么一个量子位就如同没有打开容器时“薛定谔的猫”,计算过程中可以同时叠加0和1的状态。也就是说,当计算过程有10个量子位时,计算机有了“分身”,量子比特记录的不再是一个10位二进制数,而是2的10次方个二进制数。

根据相关理论,超过50个量子比特后,量子计算被认为具有量子优越性,即在开展特定任务时,具有超过传统超级计算机的算力。

中国科学技术大学院士郭光灿曾比喻:“量子计算机的运算能力同电子计算机相比,等同于电子计算机的运算能力同算盘相比。”

传统计算机行业正面临摩尔定律失效的窘境。每18个月计算机运算速度翻倍的摩尔定律,得益于芯片中硅晶体指数级增长。但如今,一枚晶体管尺寸已远小于一个流感病毒,逼近物理极限。当达到物理极限后,计算机的运算速度又该如何保证?

华安证券分析师尹沿技的答案是:只有超越经典计算的量子计算。

02

最大竞争对手

美国和欧盟

既然量子通信和量子计算互为矛盾,两者发展上是否有先后侧重?

中国的量子通信发展从2016年起开始有全球领先成果,似乎早于量子计算的发展。在科大国盾量子技术股份有限公司项目总监周雷看来,2010年,国内量子计算和量子通信开始并行发展。但目前量子计算成熟度低于量子通信。

目前量子计算仍处于发展早期,即便“九章”也只能在处理特定问题上有优势,而量子保密通信已可以实现量子密钥分发技术来保护信息安全。

对于量子通信先行,周雷表示“盾”在手,可以更长期有效抵御计算破译,其中包括量子计算破译。

图源/包图网

不止国内,目前量子作为前沿技术已获德国、美国等多个国家的追捧,竞争日趋激烈。

早在2016年,欧盟宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目。不久前,德国表示计划2021年建成当地首台量子计算机,并在5 到10 年后推动相关新技术在工业领域的应用。

美国于2018年启动“国家量子行动法案”,全方位加速量子科技的研发与应用。今年7月,美国能源部公布量子互联网发展的战略蓝图,提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列,并计划成立5个专注于量子信息科技的研究中心。

一位业内人士告诉《IT时报》记者,“九章”是我国在光量子体系实现首个超越早期经典计算机能力的光量子计算原型机,而在超冷原子体系,目前我国与欧美发达国家处于并跑状态,“从整体上看,我们的量子计算与美国相比还差一点距离,还在赶超他们”。

图源/CCTV2

量子通信方面,周雷认为,我国高度重视量子信息科技的发展,在“新举国体制”下,我国在量子科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,并初步形成了完整的产业链,建设了一些量子通信基础设施。

据悉,我国计划2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”。

目前国家广域量子骨干网、山东“齐鲁干线”、广东粤港澳量子通信骨干网、江淮量子网、国防领域量子通信项目、量子通信卫星等多个重大工程仍处于在建状态。

“量子互联网”正成为各国发展的目标。今年5月,欧盟表示,将推动量子通信与传统网络基础设施和应用相结合,开发可用于全球安全密钥分发、基于卫星的量子密码,为未来“量子互联网”远景奠定基础。

图源/Pixabay

美国国家量子协调办公室今年2月发布《美国量子网络的战略构想》,明确了构建世界首个量子互联网的目标,并提出未来5 年内实现从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和探索跨洲际距离的天基纠缠分发,未来20年内,推动量子互联网链路利用网络化量子设备,实现经典技术无法实现的新功能。

这场前沿技术竞争的胜者将抓住行业的话语权和广阔的市场。根据BCG预测,到2030年,量子计算的应用市场规模有望达到500多亿美元。

03

未来

“十四五”有望进入C端

“九章”实现量子优越性,是目前我国量子计算发展的一大步,但竞争仍在继续。

去年谷歌率先宣布量子计算机“悬铃木”在处理“随机线路采样”问题上实现量子霸权。而九章针对的是“高斯玻色取样”问题。两者针对的都是特定任务。

图源/网络

“(这些问题)都有利于证明量子优越性,目前还没有实用价值。”中原证券在一份研报中指出。

事实上,这只是量子计算发展的第一阶段。中原证券称,接下来量子计算需要经过实现一种专用的量子模拟机,可以解决比如高温超导机制、特殊材料设计等目前计算机无法处理但具有实用价值的问题,预计需要几百个量子比特级,而后才是可编程的通用量子计算机,预计需要百万级以上量子比特。

这是一条漫漫长路。

距离通用量子计算机进入千家万户还要等多久?这需要相关技术同步发展,其中超导材料是重要部分。传统计算机发展突飞猛进,正是得益于晶体管到硅片的跃迁。

图源/网络

量子通信方面,华安证券认为,中国量子通信将采取三步走策略,通过光纤实现量子通信城域网,通过量子中继器实现城际网,再通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网。

同样,周雷表示,量子通信技术发展需要在光学、微电子学、软件和集成技术、材料等各方面技术都同步发展,超导材料同样重要。

尽管国内量子通信处于领先地位,接下来需要解决的还有着商业化的掣肘。

据了解,目前量子通信带宽有限。目前量子通信的密钥分发的速率可以达到几kbps到几百kbps,以国盾量子为例,QKD(量子密钥分发)设备在某些距离成码率为80Kbps,可以满足在传输某些文件和语音数据时使用“一次一密”。而一套QKD加密设备约30万元,一套量子城域网需要成百上千套QKD,意味着更高的投入成本。

周雷认为,随着产品规模化生产,技术迭代,量子通信商用化正渐行渐近,十四五规划期间有望率先用于政务、金融、电力等关系国计民生领域。

当量子技术大规模商用后,未来会怎样?

你可能不会再为信息安全、数据泄露而犯难,也不会抱怨预测不准确的天气预报。更多答案已经刻在粒子身上,等量子时代到来时,密闭容器将被揭开。

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