近年來，我國在量子計算、量子通信領域不斷取得重大突破，尤其是在國寶級科學家潘建偉院士的帶領下，量子通信更是走在了世界前列。
近日，中國科學技術大學潘建偉院士團隊聯(lián)合浙江大學，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實時后處理，實現(xiàn)了迄今最快的實時量子隨機數(shù)發(fā)生器，速率高達18.8Gbps。
隨機數(shù)是一種重要的基礎資源，在信息安全、密碼學、科學仿真等眾多領域以及日常生產(chǎn)生活中，都有著廣泛的應用需求。
量子隨機數(shù)發(fā)生器是基于量子物理原理產(chǎn)生真隨機數(shù)的系統(tǒng)，具有不可預測性、不可重復性、無偏性等特征，是量子通信系統(tǒng)中的關鍵核心器件。
2014年，我國科研團隊首次提出基于外部時鐘參考的單光子到達時間測量方案，量子隨機數(shù)發(fā)生器速率達100Mbps。
2015年，我國實現(xiàn)基于激光相位波動的高速量子隨機數(shù)產(chǎn)生方案，2016年又研制了實時速率達3.2Gbps的量子隨機數(shù)發(fā)生器。
不過，之前的量子隨機數(shù)產(chǎn)生方案存在難以高度集成的缺點。
為此，科研團隊進一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機數(shù)產(chǎn)生方案，并完成相關實驗驗證，實現(xiàn)高集成度的同時，大大提升了量子隨機數(shù)發(fā)生器的實時生成速率，為開發(fā)低成本商用量子隨機數(shù)發(fā)生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。
上述研究成果已經(jīng)以“封面論文”的形式，發(fā)表于《應用物理快報》。
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量子科技是什么?
量子信息技術是量子物理與信息科學交叉的新生學科，其物理基礎是量子力學。而量子力學則是在1920年由愛因斯坦等科學家首次創(chuàng)立。
自從問世以來，量子科學已經(jīng)先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術，成為20世紀最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一。
進入21世紀，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算、量子通信和量子測量等一批新興技術，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，它利用量子態(tài)作為信息載體來進行信息交互的通信技術，利用單個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方不能復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平、衛(wèi)書根認為，人類對量子世界的探索已經(jīng)從單純的“探測時代”走向主動“調(diào)控時代”。
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)典計算機信息的基本單元，要么0，要么1。量子比特是量子計算機的最小儲存信息單位，一個量子比特可以表示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“一只貓可以同時既是活的又是死的”。
量子糾纏：兩個量子糾纏在一起時，其中一個會影響另一個，并且與距離等因素沒有關系。簡而言之，兩個量子無論離得多遠，都能產(chǎn)生一種關聯(lián)性的互動。
多重要?
量子技術研究已成為當前世界科技研究的一大熱點。國際社會紛紛加大研發(fā)力度和投入，力爭搶占技術制高點。
日本2013年就計劃未來10年投入400億日元研發(fā)量子信息技術。英國2014年設立“國家量子技術計劃”，每年投資2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心。歐盟2016年宣布了預算10億歐元、為期十年的“量子技術旗艦計劃”。
目前，全球量子技術最領先的是美國，近十年來每年投入約2億美元用于各細分領域的研究，2018年還幾乎在十年內(nèi)撥款12.75億美元全力推動量子科學發(fā)展。
目前，產(chǎn)業(yè)資本紛紛加快在量子信息領域的布局。光大證券預計，該行業(yè)將進入一個從0到1的快速發(fā)展時期。
三大領域：計算、通信、測量
1981年，諾貝爾物理學家費曼首次提出量子計算機的概念。從首次提出到現(xiàn)在，量子計算理論已經(jīng)發(fā)展了30多年。
費曼指出，通過應用量子力學效應，能大幅提高計算機的運算速度，經(jīng)典計算機需要幾十億年才能破譯的密碼，量子計算機在20分鐘內(nèi)就能破譯。
招商證券張夏、陳剛介紹，量子計算的核心優(yōu)勢是可以實現(xiàn)高速并行計算。量子計算機的量子比特數(shù)量以指數(shù)形式增長，算力將以指數(shù)的指數(shù)增長。目前，非通用型量子計算機的已經(jīng)實現(xiàn)了1000位量子比特，在特定算法上計算效率比經(jīng)典計算機要快一億倍。
而5G時代的來臨，對于量子計算而言可謂是如魚得水。張夏、陳剛做出了以下大膽的預測：
在5G時代，數(shù)據(jù)的爆發(fā)速度將比以往更加猛烈。2020年，每個人大約可以均攤到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)價值。
基于現(xiàn)有的計算能力，在如此龐大的數(shù)據(jù)面前，人工智能的訓練學習過程將變得無比漫長，甚至完全無法實現(xiàn)最基本的人工智能。因為數(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)展和應用。
張夏團隊表示，量子計算將實現(xiàn)人工智能的移動化，主要的應用場景包括：車載智能系統(tǒng)，無人機的智能系統(tǒng)，或者手機上的人工智能系統(tǒng)。
不過，光大證券認為，量子計算機不是傳統(tǒng)計算機的加強版，也不會取代經(jīng)典計算機。
量子計算機在執(zhí)行對現(xiàn)有計算機來說太過復雜的任務方面表現(xiàn)出眾，特別是那些需要在大數(shù)據(jù)里面展開搜索和對大數(shù)進行質(zhì)因數(shù)分解的任務。據(jù)光大證券介紹，量子計算機和經(jīng)典計算機的區(qū)別主要是：
1、最大的不同點是運算方式不同，傳統(tǒng)計算機的運算單位是比特，即我們常說的二進制中的0和1。而量子計算機的運算單位是量子比特，是疊加狀態(tài)，可能是0，可能是1。
2、基于量子糾纏的原理，量子計算機可以同時進行多條線路的并行運算，這意味著它可以同時分析所有可能性，這也是量子計算機超強信息處理能力的源泉。如同在一堆名片里面尋找出某個名字，傳統(tǒng)計算機是通過一張張分析的方式，而量子計算機是同時進行掃描多張名片，給出每張名片為“正確”的概率。迭代幾次之后，目標名片的累計概率會比別的名片都高。即使運行多次，這種算法也比經(jīng)典搜索快很多。數(shù)據(jù)庫越大，其優(yōu)勢越大。
3、量子計算可以通過幺正變換實現(xiàn)可逆計算。
由于可以快速并行計算和量子行為模擬，從而重新定義程序和算法，量子計算機能夠在一些特定的應用場景有很好的優(yōu)勢，比如加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智能、太空探索等領域。
量子計算機到底有多強大?光大證券列舉了一個例子：
在加密通信領域，一切現(xiàn)有密碼學全都要重新改寫，因為用量子計算機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RSA密鑰，現(xiàn)有計算機需要60萬年才能破譯，但量子計算機只要3個小時。
招商證券張夏、陳剛甚至預計，隨著量子計算機的發(fā)展，摩爾定律將可能在10年內(nèi)失效：
經(jīng)典計算機的計算能力趨于瓶頸?，F(xiàn)有芯片設計工藝已達到10納米以內(nèi)，而在數(shù)年內(nèi)到達2納米級別后，晶體管只能容納10個原子，電子的行為將不再服從傳統(tǒng)的半導體理論，此時晶體管將變得不再可靠。摩爾定律到達瓶頸后，提升算力的方式只能靠增加芯片數(shù)量。
過去十幾年，大量資本進入量子計算研究領域，量子計算機逐步由“實驗室階段”向“工程應用階段”邁進。
2007 年，初創(chuàng)公司加拿大D-WAVE系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機;之后，微軟、谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進軍量子計算機科研和應用領域。
在量子計算領域，中國目前還是以理論研究為主。國內(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注和加大了量子計算領域的投入。
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，抗干擾能力強等方面具有絕對優(yōu)勢， 是迄今為止是唯一通過數(shù)學方式被嚴格證明的絕對安全的通信方式。
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)雙方進行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實現(xiàn)雙方的安全通信。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現(xiàn)信息的不可竊聽，首先在收發(fā)雙方間實現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，之后再與傳統(tǒng)保密通信技術相結合完成經(jīng)典信息的加解密和安全傳輸。這是目前市場上主流也是產(chǎn)業(yè)化較為成熟的技術路線。
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)合測量實現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸,在量子信息的轉(zhuǎn)移過程中不移動信息載體本身。同經(jīng)典通信相類似，遠距離量子通信會出現(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)首席分析師余俊團隊介紹，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遠地點，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用方式，目前已投入商用。量子隱形傳態(tài)在國內(nèi)外均處于實驗室基礎研究階段，短時間內(nèi)獲得商用的難度較大。
在細分領域中，保密通信是量子信息領域中率先進入實用化的技術方向。
招商證券余俊團隊認為，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)代密碼學范疇內(nèi)，基于數(shù)學算法，利用密碼技術實現(xiàn)的加密通信。傳統(tǒng)保密通信技術成熟度高、技術體系齊全、部署成本較低，但未來其算法可被量子計算破解，其技術發(fā)展趨勢是抗量子計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制，具有抵抗計算破解的信息理論安全，產(chǎn)品已達實用程度，但技術標準體系仍在建設中，成本高、技術和應用仍處于推廣期。
量子通信目前整體還處在試點應用階段。隨著技術的升級和成本的降低，未來有望向商業(yè)領域拓展。
中國在試點量子通信的應用數(shù)量和網(wǎng)絡建設規(guī)模方面全球領先，量子通信工程試驗的規(guī)模遠超其他國家，研究成果已經(jīng)逐步進入實際應用階段。并且，多項建設記錄領跑全球。2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長達2000多公里。
不過，中國在芯片化方面還需進一步加強。
市場潛力有多大?
對于量子計算市場，波士頓咨詢預測稱，保守估算，到2035年，量子計算市場將達到20億美元。到2050年，市場規(guī)模將飆升至2600億美元。
如果物理量子位的錯誤率這一瓶頸能夠克服，錯誤率顯著降低，那么到2035年，量子計算市場規(guī)模將達到600億美元，并在2050年增加到2950億美元。
對于量子通信市場，招商證券余俊團隊認為，從長期來看，產(chǎn)業(yè) 應用場景十分廣泛，包括網(wǎng)絡信息安全、量子通信干線、量子城域網(wǎng)、金融、國防和科教應用等方面。若僅考慮量子干線以及量子城域網(wǎng)的建設，量子通信建設投資規(guī)模有望達到百億級別?？紤]長期在國防、金融、政府等領域的廣泛應用，量子通信整體市場規(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，中國量子通信行業(yè)市場規(guī)模達到180億元，到2018年將達到320億元左右，預計到2024年能夠達到912億元。
來源：科技前沿陣地
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