10月23日，由中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)主辦，中關(guān)村產(chǎn)業(yè)研究院承辦的“新產(chǎn)業(yè)50人論壇”上，啟科量子聯(lián)合創(chuàng)始人/CTO陳柳平發(fā)表了《量子通信與量子計(jì)算的商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐》主題演講。

量子前哨作為特邀媒體參加了此次論壇。

論壇現(xiàn)場(chǎng)，陳柳平從全球量子信息技術(shù)（尤其是量子通信和量子計(jì)算技術(shù)）的發(fā)展背景、產(chǎn)品技術(shù)、市場(chǎng)和商業(yè)化三大方面進(jìn)行全面闡述。陳柳平認(rèn)為，量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇是將引領(lǐng)下一個(gè)50年的新一代信息技術(shù)。

發(fā)展背景

量子信息技術(shù)的第二次量子革命包括量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量。其中，量子通信是基于量子力學(xué)原理提供無(wú)條件安全的通信保證，量子計(jì)算是具有巨大信息攜帶量和超強(qiáng)并行計(jì)算能力，量子測(cè)量是測(cè)量超越經(jīng)典極限的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。陳柳平說(shuō)道，量子信息技術(shù)的原理性優(yōu)勢(shì)可以突破經(jīng)典技術(shù)瓶頸，在科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)及國(guó)防建設(shè)、新興產(chǎn)業(yè)培育等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)共性乃至顛覆性重大影響，并成為全球信息技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的焦點(diǎn)。

論壇現(xiàn)場(chǎng)，陳柳平還將中、美在量子計(jì)算的國(guó)家戰(zhàn)略布局進(jìn)行了對(duì)比。2020年，中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行了集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，量子科技發(fā)展具有重大意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。2021年，中國(guó)政府工作報(bào)告與《十四五規(guī)劃》明確量子信息產(chǎn)業(yè)為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

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在美國(guó)，量子計(jì)算領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局明顯更早。從1942年的曼哈頓計(jì)劃，到1961年的阿波羅計(jì)劃，再到2018年，美國(guó)簽署了《國(guó)家量子促進(jìn)法案》（NQI）美國(guó)歷史上在聯(lián)邦層級(jí)對(duì)新領(lǐng)域布局的第三次重要立法，2019年，美國(guó)發(fā)布了《未來(lái)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的四大“基礎(chǔ)設(shè)施”量子信息技術(shù)/人工智能/先進(jìn)制造業(yè)/5G，2020年，美國(guó)還公布了十年內(nèi)建成與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)并行的量子互聯(lián)網(wǎng)。

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那量子計(jì)算可以解決我們現(xiàn)在/將會(huì)面臨的哪些痛點(diǎn)問(wèn)題呢？

陳柳平提出了兩點(diǎn)：信息安全瓶頸和計(jì)算能力瓶頸。

信息安全瓶頸：

1、在全球高度信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的背景下，網(wǎng)絡(luò)信息安全事件每年給全球帶來(lái)高達(dá)近萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)損失；

2、涉及國(guó)家安全、軍事、外交、政務(wù)、經(jīng)濟(jì)、金融、商業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施等眾多領(lǐng)域；

3、經(jīng)典加密算法隨著計(jì)算能力的提高，原則上都會(huì)被破解。

計(jì)算能力瓶頸：

1、半導(dǎo)體制程工藝逐漸接近1—2nm，電子的運(yùn)動(dòng)不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，摩爾定律面臨極限，經(jīng)典計(jì)算規(guī)模和速度無(wú)法再提升；

2、全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，每?jī)赡攴环S著大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代的到來(lái)，現(xiàn)有算力已遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需要；

3、超算中心及數(shù)據(jù)中心能耗巨大，模式難以為繼。

以量子通信為例，它是一種產(chǎn)業(yè)化條件已經(jīng)成熟的量子技術(shù)。陳柳平提出，量子通信的安全性源于量子力學(xué)的基本原理，可實(shí)現(xiàn)傳遞經(jīng)典信息過(guò)程中密鑰的絕對(duì)安全。

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量子密鑰分發(fā)（QKD）是利用光子的量子狀態(tài)加載并傳輸信息，由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，從而可以實(shí)現(xiàn)抵御任何竊聽(tīng)的密鑰分發(fā)。利用量子密鑰分發(fā)進(jìn)行安全通信的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生的量子密鑰可以對(duì)傳統(tǒng)的語(yǔ)音、圖像以及數(shù)字多媒體等通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯，不可復(fù)制、并具有實(shí)時(shí)察覺(jué)監(jiān)聽(tīng)等特性，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信。

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從量子通信技術(shù)發(fā)展歷程上看，1984年，發(fā)布了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84協(xié)議；1999年，發(fā)布了連續(xù)變量QKD方案（CVQKD）；2003年，發(fā)布了量子直接通信方案（QSDC）；2005年，發(fā)布了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)理論；2010年，發(fā)布了光纖誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)達(dá)到200公里。根據(jù)公開(kāi)資料和國(guó)金證券研究所，陳柳平講解梳理了國(guó)內(nèi)外量子通信應(yīng)用大事件。

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陳柳平說(shuō)道，量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（QKD）可以克服經(jīng)典通信被竊聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而大大提高通信安全系數(shù)，量子通信可視作光纖兩端加上能代替常用光模塊功能、光量子態(tài)的發(fā)送和接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于物理加密的保密通信。

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此外，陳柳平認(rèn)為，量子計(jì)算也是信息時(shí)代的“核武器”。以量子比特為基本單元，利用量子態(tài)疊加和糾纏等性質(zhì)，具備巨量信息攜帶和超強(qiáng)并行計(jì)算能力，可以在特定問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)計(jì)算規(guī)模和速度指數(shù)級(jí)提升。舉例來(lái)看，312萬(wàn)個(gè)計(jì)算芯片，峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次，即5.49*10^16次。中科院院長(zhǎng)白春禮曾說(shuō)過(guò)，使用“天河二號(hào)”（由國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）求解一個(gè)億億億變量方程組，所需時(shí)間為100年，而使用一臺(tái)萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

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隨后，陳柳平講解了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，共分為1981年至1998年的理論研究階段和2007年至今的商業(yè)化階段。

理論研究階段：

1981年，費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)的概念；1985年，David Deutsch描述了通用量子計(jì)算機(jī)；1992年，Deutsch-Jozsa提出了D-J量子算法；1994年，Peter Shor提出算法破解RSA加密；1996年，Lov Grover量子搜索算法；1998年，MIT與拉斯阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用液態(tài)核磁共振實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算；1998年，Bernhard Omer提出量子計(jì)算編程語(yǔ)言。

商業(yè)化階段：

2007年，D-wave公司實(shí)現(xiàn)歷史上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)；2019年10月，谷歌發(fā)布了53位量子芯片，實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。

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陳柳平認(rèn)為，全球主流通用量子計(jì)算發(fā)展方向有兩種：離子阱VS超導(dǎo)，主要原因是離子阱和超導(dǎo)可滿足量子計(jì)算的五項(xiàng)基本準(zhǔn)則：

1、具有表征量子比特的可擴(kuò)展系統(tǒng)；

2、能很好的將量子態(tài)初始化至初態(tài)；

3、退相干時(shí)間比門(mén)操作時(shí)間長(zhǎng)；

4、擁有一套通用的量子門(mén)操作；

5、具有特定量子比特的測(cè)量能力。

基于這些，全球都在搶占量子計(jì)算技術(shù)高地，美國(guó)能源部頒布過(guò)《量子信息科學(xué)與技術(shù)路線圖》，美國(guó)國(guó)防部頒布了《量子信息科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)狀》，歐洲發(fā)布了《量子技術(shù)旗艦計(jì)劃》。

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從全球領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)綜合性能發(fā)展現(xiàn)狀上看，截至2021年4月公開(kāi)數(shù)據(jù)表示，從事離子阱技術(shù)路線的IonQ和Honeywell分別以400萬(wàn)和512萬(wàn)的量子體積占據(jù)第一、第二，從事超導(dǎo)技術(shù)路線的IBM和Google則分別以64和32的量子體積占據(jù)第三、第四。其中，量子體積（Quantum Volume）是IBM創(chuàng)建的一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，用于衡量通用量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。更大的QV表示可以以更高的精度操作更多的量子位。

技術(shù)與產(chǎn)品

量子通信產(chǎn)品系列主要包含量子通信網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備、量子通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維產(chǎn)品、量子安全應(yīng)用產(chǎn)品、核心組件。

量子通信網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備：量子密鑰分發(fā)設(shè)備、光量子交換機(jī)、波分復(fù)用終端、QKD光芯片；

量子通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維產(chǎn)品：量子網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、量子密鑰控制服務(wù)器、量子安全云、抗量子算法；

量子安全應(yīng)用產(chǎn)品：量子VPN、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、密鑰管理機(jī)、量子充注機(jī)；

核心組件：高速窄脈沖激光器、高速單光子探測(cè)器、單光子探測(cè)器、單光子探測(cè)模組。

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我國(guó)量子通信技術(shù)上引領(lǐng)世界，具體應(yīng)用場(chǎng)景上包括京滬干線、墨子號(hào)量子衛(wèi)星、星地QKD網(wǎng)絡(luò)等。在量子通信技術(shù)發(fā)展方向上，涉及到增加傳輸距離，如測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）、雙場(chǎng)（TF）系統(tǒng)；解決安全漏洞，如衛(wèi)星中繼系統(tǒng)；提高密鑰成碼率；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，如量子密鑰分發(fā)（SD-QKDN）組網(wǎng)體系；結(jié)合抗量子密碼算法，如QKD何PQC融合，可以解決QKD預(yù)置密鑰問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性，PQC的長(zhǎng)期安全性。

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量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)正趨向于芯片化、國(guó)產(chǎn)化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化。

芯片化：由光學(xué)模組到集成光電芯片；

小型化：3U——1U——板卡；

國(guó)產(chǎn)化：基礎(chǔ)元器件（激光器、單光子探測(cè)器、電子芯片）——量子通信設(shè)備、傳統(tǒng)通信設(shè)備（QKD設(shè)備、光交換機(jī)、VPN）——系統(tǒng)集成商與運(yùn)營(yíng)商（電信運(yùn)營(yíng)、智慧城市）——客戶應(yīng)用軟件（量子安全傳輸、量子保密視頻）——行業(yè)個(gè)人用戶（政務(wù)、國(guó)防、金融、交通、電力）；

標(biāo)準(zhǔn)化：國(guó)際組織如中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA），ITU等制定量子通信標(biāo)準(zhǔn)——2009年，量子通信相關(guān)設(shè)備作為城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（政務(wù)網(wǎng)、金融行業(yè)、智慧城市）；2017年，重視客戶應(yīng)用需求，通過(guò)量子密鑰云平臺(tái)（智能手機(jī)、移動(dòng)終端、智能電車(chē)）。

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陳柳平還講解了IonQ離子阱量子計(jì)算機(jī)處理器（器件層）的尺寸及量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（設(shè)備層）的小型化、及未來(lái)八年的路線圖。并將IBM的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的稀釋制冷機(jī)與Google的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)核進(jìn)行對(duì)比分析，全面講解了美國(guó)IBM在2020年底所公布的產(chǎn)品路線圖。

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在全球量子信息生態(tài)體系中，根據(jù)波士頓顧問(wèn)公司發(fā)布報(bào)告可知，以顧問(wèn)服務(wù)商、應(yīng)用服務(wù)商、中間件提供商、硬件提供商、硬件技術(shù)配套商、中間件及應(yīng)用商為布局的生態(tài)體系已經(jīng)形成。

市場(chǎng)與商業(yè)化

當(dāng)前，我國(guó)量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃有以下兩個(gè)方面：

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1、十四五期間，量子通信城際網(wǎng)將全面貫穿各省、直轄市、自治區(qū)以及特別行政區(qū)。

2、我國(guó)各省、自治區(qū)內(nèi)的主要城市將同步建設(shè)量子通信城域網(wǎng)，各地區(qū)的國(guó)防、金融、電力、能源、政務(wù)等重要領(lǐng)域用戶接入量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)各領(lǐng)域的全面信息安全。應(yīng)用場(chǎng)景包括物聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)、電力安全、數(shù)據(jù)采集及共享、云應(yīng)用、醫(yī)療衛(wèi)生、金融安全、數(shù)據(jù)中心、國(guó)防軍事、司法等領(lǐng)域，量子通信的規(guī)模點(diǎn)涉及城市級(jí)安全云、城市級(jí)隨機(jī)數(shù)標(biāo)配、城市級(jí)組網(wǎng)、城市隨機(jī)數(shù)產(chǎn)業(yè)園、智能手機(jī)單款100萬(wàn)級(jí)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器標(biāo)配、游戲單款爆款。

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陳柳平表示，在量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步形成較完善的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。同時(shí)還布局在五大核心領(lǐng)域：技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)平臺(tái)、傳輸與組網(wǎng)、核心設(shè)備、核心器件。據(jù)2020年前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，2021至2025年，中國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模將從445億元達(dá)到835億元。根據(jù)中國(guó)工業(yè)和信息化部、信息通信研究院公布數(shù)據(jù)顯示，全球主要量子通信產(chǎn)業(yè)主要聚集在中國(guó)。代表公司有問(wèn)天量子、國(guó)盾量子、國(guó)科量子、九州量子、國(guó)騰量子、啟科量子、中創(chuàng)為量子、循態(tài)量子。

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那量子計(jì)算機(jī)的行業(yè)應(yīng)用與規(guī)模點(diǎn)表現(xiàn)在哪些方面？

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行業(yè)&應(yīng)用上，包括量子云量子互聯(lián)網(wǎng)、密碼分析核爆模擬、人工智能算法/大數(shù)據(jù)、金融風(fēng)控保險(xiǎn)理賠、藥物設(shè)計(jì)基因分析、氣象預(yù)報(bào)災(zāi)害預(yù)測(cè)應(yīng)急保障、石油勘探等方面；規(guī)模點(diǎn)有互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算公司政務(wù)大數(shù)據(jù)、國(guó)防軍工量子互聯(lián)網(wǎng)、城市級(jí)IDC算力移植、城市級(jí)組網(wǎng)應(yīng)急/治理/海綿、保險(xiǎn)單據(jù)大垂直用戶。

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2020年12月波士頓咨詢發(fā)布報(bào)告顯示，NISQ時(shí)代未來(lái)3至5年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2至50億美元，廣泛的量子優(yōu)勢(shì)在5至10+年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)25至500億美元，全面容錯(cuò)在10至20+年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)450至8500億美元，可覆蓋領(lǐng)域涉及最佳路徑、復(fù)雜金融建模、化學(xué)建模、行為推理、生產(chǎn)優(yōu)化、荷載優(yōu)化、人工智能、模擬藥物開(kāi)發(fā)、復(fù)雜物流、高效電池、密碼學(xué)、天氣預(yù)測(cè)、物理模擬、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、能源生產(chǎn)、材料發(fā)現(xiàn)、高效化學(xué)合成、分子動(dòng)力學(xué)、蛋白質(zhì)合成、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面。

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根據(jù)中國(guó)工業(yè)和信息化部、信息通信研究院公布數(shù)據(jù)顯示，全球主要量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)主要分為大型企業(yè)和初創(chuàng)公司兩類(lèi)，主要分布在美國(guó)（大企業(yè)6家、初創(chuàng)公司20家）、歐洲（大企業(yè)1家、初創(chuàng)公司12家）、英國(guó)（初創(chuàng)公司9家）、中國(guó)（大企業(yè)4家、初創(chuàng)公司5家）、加拿大（初創(chuàng)公司9家）、日本（大企業(yè)3家、初創(chuàng)公司5家）、新加坡（初創(chuàng)公司2家）、澳大利亞（初創(chuàng)公司2家）、白俄羅斯1家、以色列1家、新西蘭1家。

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其中，中國(guó)從事量子計(jì)算領(lǐng)域研究的大企業(yè)有阿里巴巴、華為、百度、騰訊，初創(chuàng)公司有本源量子、啟科量子、圖靈量子、量旋量子、玻色量子。而全球近年來(lái)初創(chuàng)上市的主要量子信息公司有：專(zhuān)注于量子通信領(lǐng)域的國(guó)盾量子2020年7月在科創(chuàng)板上市，專(zhuān)注于量子通信領(lǐng)域的 Arqit 2021年9月在美國(guó)NASDAQ上市，專(zhuān)注于量子計(jì)算方向的IonQ 2021年10月在美國(guó)NYSE上市，專(zhuān)注于量子計(jì)算方向的Rigetti 2021年底在美國(guó)NYSE上市，還有更多的量子公司正在籌劃......

文：慕一

編輯：王珩