近年來，我國(guó)在量子計(jì)算、量子通信領(lǐng)域不斷取得重大突破，尤其是在國(guó)寶級(jí)科學(xué)家潘建偉院士的帶領(lǐng)下，量子通信更是走在了世界前列。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理，實(shí)現(xiàn)了迄今最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，速率高達(dá)18.8Gbps。
隨機(jī)數(shù)是一種重要的基礎(chǔ)資源，在信息安全、密碼學(xué)、科學(xué)仿真等眾多領(lǐng)域以及日常生產(chǎn)生活中，都有著廣泛的應(yīng)用需求。
量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是基于量子物理原理產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的系統(tǒng)，具有不可預(yù)測(cè)性、不可重復(fù)性、無偏性等特征，是量子通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心器件。
2014年，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)首次提出基于外部時(shí)鐘參考的單光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量方案，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器速率達(dá)100Mbps。
2015年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)基于激光相位波動(dòng)的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案，2016年又研制了實(shí)時(shí)速率達(dá)3.2Gbps的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
不過，之前的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案存在難以高度集成的缺點(diǎn)。
為此，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案，并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)高集成度的同時(shí)，大大提升了量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實(shí)時(shí)生成速率，為開發(fā)低成本商用量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器單芯片奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
上述研究成果已經(jīng)以“封面論文”的形式，發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》。
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量子科技是什么?
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)。而量子力學(xué)則是在1920年由愛因斯坦等科學(xué)家首次創(chuàng)立。
自從問世以來，量子科學(xué)已經(jīng)先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術(shù)，成為20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
進(jìn)入21世紀(jì)，量子科技革命的第二次浪潮即將來臨。
第二次量子科技革命將催生量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等一批新興技術(shù)，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
其中，量子通信是較為重要的安全技術(shù)，它利用量子態(tài)作為信息載體來進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)，利用單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆原理的性質(zhì)，在原理上確保非授權(quán)方不能復(fù)制與竊取量子信道內(nèi)傳遞的信息，以此保證信息傳輸安全。
光大證券分析師姜國(guó)平、衛(wèi)書根認(rèn)為，人類對(duì)量子世界的探索已經(jīng)從單純的“探測(cè)時(shí)代”走向主動(dòng)“調(diào)控時(shí)代”。
基本原理
量子信息的三大基本原理：量子比特、量子疊加、量子糾纏。
量子比特：比特是經(jīng)典計(jì)算機(jī)信息的基本單元，要么0，要么1。量子比特是量子計(jì)算機(jī)的最小儲(chǔ)存信息單位，一個(gè)量子比特可以表示0也可以表示1，更可以表示0和1的疊加，即可處在0和1兩種狀態(tài)按照任意比例的疊加，因此，量子比特包含的信息量遠(yuǎn)超過只能表示0和1的經(jīng)典比特(下圖)。
量子疊加：就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地表述為“一只貓可以同時(shí)既是活的又是死的”。
量子糾纏：兩個(gè)量子糾纏在一起時(shí)，其中一個(gè)會(huì)影響另一個(gè)，并且與距離等因素沒有關(guān)系。簡(jiǎn)而言之，兩個(gè)量子無論離得多遠(yuǎn)，都能產(chǎn)生一種關(guān)聯(lián)性的互動(dòng)。
多重要?
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)。
日本2013年就計(jì)劃未來10年投入400億日元研發(fā)量子信息技術(shù)。英國(guó)2014年設(shè)立“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”，每年投資2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心。歐盟2016年宣布了預(yù)算10億歐元、為期十年的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”。
目前，全球量子技術(shù)最領(lǐng)先的是美國(guó)，近十年來每年投入約2億美元用于各細(xì)分領(lǐng)域的研究，2018年還幾乎在十年內(nèi)撥款12.75億美元全力推動(dòng)量子科學(xué)發(fā)展。
目前，產(chǎn)業(yè)資本紛紛加快在量子信息領(lǐng)域的布局。光大證券預(yù)計(jì)，該行業(yè)將進(jìn)入一個(gè)從0到1的快速發(fā)展時(shí)期。
三大領(lǐng)域：計(jì)算、通信、測(cè)量
1981年，諾貝爾物理學(xué)家費(fèi)曼首次提出量子計(jì)算機(jī)的概念。從首次提出到現(xiàn)在，量子計(jì)算理論已經(jīng)發(fā)展了30多年。
費(fèi)曼指出，通過應(yīng)用量子力學(xué)效應(yīng)，能大幅提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要幾十億年才能破譯的密碼，量子計(jì)算機(jī)在20分鐘內(nèi)就能破譯。
招商證券張夏、陳剛介紹，量子計(jì)算的核心優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)高速并行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量以指數(shù)形式增長(zhǎng)，算力將以指數(shù)的指數(shù)增長(zhǎng)。目前，非通用型量子計(jì)算機(jī)的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1000位量子比特，在特定算法上計(jì)算效率比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快一億倍。
而5G時(shí)代的來臨，對(duì)于量子計(jì)算而言可謂是如魚得水。張夏、陳剛做出了以下大膽的預(yù)測(cè)：
在5G時(shí)代，數(shù)據(jù)的爆發(fā)速度將比以往更加猛烈。2020年，每個(gè)人大約可以均攤到5200 GB以上的數(shù)據(jù)量，將近40%的信息都可能會(huì)被云提供商“觸摸到”;約三分之一的數(shù)據(jù)，即超過13000EB的數(shù)據(jù)將具有大數(shù)據(jù)價(jià)值。
基于現(xiàn)有的計(jì)算能力，在如此龐大的數(shù)據(jù)面前，人工智能的訓(xùn)練學(xué)習(xí)過程將變得無比漫長(zhǎng)，甚至完全無法實(shí)現(xiàn)最基本的人工智能。因?yàn)閿?shù)據(jù)量以及超出了內(nèi)存和處理器的承載上限，這將極大限制人工智能的發(fā)展和應(yīng)用。
張夏團(tuán)隊(duì)表示，量子計(jì)算將實(shí)現(xiàn)人工智能的移動(dòng)化，主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括：車載智能系統(tǒng)，無人機(jī)的智能系統(tǒng)，或者手機(jī)上的人工智能系統(tǒng)。
不過，光大證券認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的加強(qiáng)版，也不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)來說太過復(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)里面展開搜索和對(duì)大數(shù)進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解的任務(wù)。據(jù)光大證券介紹，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別主要是：
1、最大的不同點(diǎn)是運(yùn)算方式不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位是比特，即我們常說的二進(jìn)制中的0和1。而量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位是量子比特，是疊加狀態(tài)，可能是0，可能是1。
2、基于量子糾纏的原理，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多條線路的并行運(yùn)算，這意味著它可以同時(shí)分析所有可能性，這也是量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)信息處理能力的源泉。如同在一堆名片里面尋找出某個(gè)名字，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是通過一張張分析的方式，而量子計(jì)算機(jī)是同時(shí)進(jìn)行掃描多張名片，給出每張名片為“正確”的概率。迭代幾次之后，目標(biāo)名片的累計(jì)概率會(huì)比別的名片都高。即使運(yùn)行多次，這種算法也比經(jīng)典搜索快很多。數(shù)據(jù)庫(kù)越大，其優(yōu)勢(shì)越大。
3、量子計(jì)算可以通過幺正變換實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)算。
由于可以快速并行計(jì)算和量子行為模擬，從而重新定義程序和算法，量子計(jì)算機(jī)能夠在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景有很好的優(yōu)勢(shì)，比如加密通信、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。
量子計(jì)算機(jī)到底有多強(qiáng)大?光大證券列舉了一個(gè)例子：
在加密通信領(lǐng)域，一切現(xiàn)有密碼學(xué)全都要重新改寫，因?yàn)橛昧孔佑?jì)算機(jī)能輕易破譯所有密碼。
經(jīng)典RSA算法如果用400位數(shù)的整數(shù)來做一個(gè)RSA密鑰，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)需要60萬年才能破譯，但量子計(jì)算機(jī)只要3個(gè)小時(shí)。
招商證券張夏、陳剛甚至預(yù)計(jì)，隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，摩爾定律將可能在10年內(nèi)失效：
經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力趨于瓶頸?，F(xiàn)有芯片設(shè)計(jì)工藝已達(dá)到10納米以內(nèi)，而在數(shù)年內(nèi)到達(dá)2納米級(jí)別后，晶體管只能容納10個(gè)原子，電子的行為將不再服從傳統(tǒng)的半導(dǎo)體理論，此時(shí)晶體管將變得不再可靠。摩爾定律到達(dá)瓶頸后，提升算力的方式只能靠增加芯片數(shù)量。
過去十幾年，大量資本進(jìn)入量子計(jì)算研究領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)逐步由“實(shí)驗(yàn)室階段”向“工程應(yīng)用階段”邁進(jìn)。
2007 年，初創(chuàng)公司加拿大D-WAVE系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī);之后，微軟、谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進(jìn)軍量子計(jì)算機(jī)科研和應(yīng)用領(lǐng)域。
在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)目前還是以理論研究為主。國(guó)內(nèi)僅一家初創(chuàng)企業(yè)，這兩年阿里巴巴、百度和華為等科技巨頭先后關(guān)注和加大了量子計(jì)算領(lǐng)域的投入。
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地的一種通信方式。
據(jù)光大證券介紹，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數(shù)學(xué)方式被嚴(yán)格證明的絕對(duì)安全的通信方式。
按照所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子，量子通信分為兩類：量子密鑰分發(fā)和量子態(tài)隱形傳輸。以下是光大證券所做的科普：
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，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，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。
其中，根據(jù)招商證券通信行業(yè)首席分析師余俊團(tuán)隊(duì)介紹，量子隱形傳態(tài)能夠借助量子糾纏將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不需要傳送物質(zhì)本身。
量子密鑰分發(fā)是現(xiàn)階段量子通信最主要的應(yīng)用方式，目前已投入商用。量子隱形傳態(tài)在國(guó)內(nèi)外均處于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究階段，短時(shí)間內(nèi)獲得商用的難度較大。
在細(xì)分領(lǐng)域中，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。
招商證券余俊團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，量子通信并非能完全替代傳統(tǒng)保密通信，兩者之間可以形成差異化協(xié)同發(fā)展。
傳統(tǒng)的保密通信是在現(xiàn)代密碼學(xué)范疇內(nèi)，基于數(shù)學(xué)算法，利用密碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加密通信。傳統(tǒng)保密通信技術(shù)成熟度高、技術(shù)體系齊全、部署成本較低，但未來其算法可被量子計(jì)算破解，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是抗量子計(jì)算破譯的新型密碼算法(PQC)，目前尚未得到使用。
量子保密通信是基于物理機(jī)制，具有抵抗計(jì)算破解的信息理論安全，產(chǎn)品已達(dá)實(shí)用程度，但技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系仍在建設(shè)中，成本高、技術(shù)和應(yīng)用仍處于推廣期。
量子通信目前整體還處在試點(diǎn)應(yīng)用階段。隨著技術(shù)的升級(jí)和成本的降低，未來有望向商業(yè)領(lǐng)域拓展。
中國(guó)在試點(diǎn)量子通信的應(yīng)用數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模方面全球領(lǐng)先，量子通信工程試驗(yàn)的規(guī)模遠(yuǎn)超其他國(guó)家，研究成果已經(jīng)逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。并且，多項(xiàng)建設(shè)記錄領(lǐng)跑全球。2017年，我國(guó)建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長(zhǎng)達(dá)2000多公里。
不過，中國(guó)在芯片化方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)。
市場(chǎng)潛力有多大?
對(duì)于量子計(jì)算市場(chǎng)，波士頓咨詢預(yù)測(cè)稱，保守估算，到2035年，量子計(jì)算市場(chǎng)將達(dá)到20億美元。到2050年，市場(chǎng)規(guī)模將飆升至2600億美元。
如果物理量子位的錯(cuò)誤率這一瓶頸能夠克服，錯(cuò)誤率顯著降低，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。
對(duì)于量子通信市場(chǎng)，招商證券余俊團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，從長(zhǎng)期來看，產(chǎn)業(yè) 應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，包括網(wǎng)絡(luò)信息安全、量子通信干線、量子城域網(wǎng)、金融、國(guó)防和科教應(yīng)用等方面。若僅考慮量子干線以及量子城域網(wǎng)的建設(shè)，量子通信建設(shè)投資規(guī)模有望達(dá)到百億級(jí)別?？紤]長(zhǎng)期在國(guó)防、金融、政府等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，量子通信整體市場(chǎng)規(guī)模有望超過千億。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，2017年，中國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到180億元，到2018年將達(dá)到320億元左右，預(yù)計(jì)到2024年能夠達(dá)到912億元。
來源：科技前沿陣地
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