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这两天刷屏的量子科技,究竟是什么“棋”?

量子计算在特定算法上的效率比现有计算机快一亿倍。量子计算机能轻易破译所有密码,会迫使一切现有密码学全部重新改写。现有计算机要60万年才能破译的密钥,量子计算机只要3小时。与传统通信方式相比,量子通信是唯一绝对安全的通信方式。本文来自微信公众号:华尔街见闻(ID:wallstreetcn),原文标题:《周末刷屏!量子科技究竟是什么“棋”?》,头图来自:视觉中国

中共中央政治局会议集体学习量子科技的消息在周末刷屏了。

中共中央总书记习近平在主持学习时强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性, 加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

这次集体学习的目的是了解世界量子科技发展态势,分析我国量子科技发展形势,更好推进我国量子科技发展。

这个量子科技究竟是什么样的“棋”?

一、量子科技是什么?

量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科,其物理基础是量子力学。而量子力学则是在1920年由爱因斯坦等科学家首次创立。

自从问世以来,量子科学已经先后孕育出原子弹、激光、核磁共振等新技术,成为20世纪最重要的科学发现之一。

进入21世纪,量子科技革命的第二次浪潮即将来临。

第二次量子科技革命将催生量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术,将极大地改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

其中,量子通信是较为重要的安全技术,它利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术,利用单个光量子不可分割和量子不可克隆原理的性质,在原理上确保非授权方不能复制与窃取量子信道内传递的信息,以此保证信息传输安全。

光大证券分析师姜国平、卫书根认为,人类对量子世界的探索已经从单纯的“探测时代”走向主动“调控时代”。

二、基本原理

量子信息的三大基本原理:量子比特、量子叠加、量子纠缠。

量子比特:比特是经典计算机信息的基本单元,要么0,要么1。量子比特是量子计算机的最小储存信息单位,一个量子比特可以表示0也可以表示1,更可以表示0和1的叠加,即可处在0和1两种状态按照任意比例的叠加,因此,量子比特包含的信息量远超过只能表示0和1的经典比特(下图)

量子叠加:就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

量子纠缠:两个量子纠缠在一起时,其中一个会影响另一个,并且与距离等因素没有关系。简而言之,两个量子无论离得多远,都能产生一种关联性的互动。

三、多重要?

量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点。国际社会纷纷加大研发力度和投入,力争抢占技术制高点。

日本2013年就计划未来10年投入400亿日元研发量子信息技术。英国2014年设立“国家量子技术计划”,每年投资2.7亿英镑用于建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心。欧盟2016年宣布了预算10亿欧元、为期十年的“量子技术旗舰计划”。

目前,全球量子技术最领先的是美国,近十年来每年投入约2亿美元用于各细分领域的研究,2018年还几乎在十年内拨款12.75亿美元全力推动量子科学发展。

中国近年来对量子信息技术的重视和支持力度也逐渐加大,习近平在2018年强调“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”,进一步肯定了量子信息的战略地位。

目前,产业资本纷纷加快在量子信息领域的布局。光大证券预计,该行业将进入一个从0到1的快速发展时期。

四、三大领域:计算、通信、测量

1. 量子计算

1981年,诺贝尔物理学家费曼首次提出量子计算机的概念。从首次提出到现在,量子计算理论已经发展了30多年。

费曼指出,通过应用量子力学效应,能大幅提高计算机的运算速度,经典计算机需要几十亿年才能破译的密码,量子计算机在20分钟内就能破译。

招商证券张夏、陈刚介绍,量子计算的核心优势是可以实现高速并行计算。量子计算机的量子比特数量以指数形式增长,算力将以指数的指数增长。目前,非通用型量子计算机的已经实现了1000位量子比特,在特定算法上计算效率比经典计算机要快一亿倍。

而5G时代的来临,对于量子计算而言可谓是如鱼得水。张夏、陈刚做出了以下大胆的预测:

在5G时代,数据的爆发速度将比以往更加猛烈。2020年,每个人大约可以均摊到5200 GB以上的数据量,将近40%的信息都可能会被云提供商“触摸到”;约三分之一的数据,即超过13000EB的数据将具有大数据价值。

基于现有的计算能力,在如此庞大的数据面前,人工智能的训练学习过程将变得无比漫长,甚至完全无法实现最基本的人工智能。因为数据量以及超出了内存和处理器的承载上限,这将极大限制人工智能的发展和应用。

张夏团队表示,量子计算将实现人工智能的移动化,主要的应用场景包括:车载智能系统,无人机的智能系统,或者手机上的人工智能系统。

不过,光大证券认为,量子计算机不是传统计算机的加强版,也不会取代经典计算机。

量子计算机在执行对现有计算机来说太过复杂的任务方面表现出众,特别是那些需要在大数据里面展开搜索和对大数进行质因数分解的任务。据光大证券介绍,量子计算机和经典计算机的区别主要是:

1. 最大的不同点是运算方式不同,传统计算机的运算单位是比特,即我们常说的二进制中的0和1。而量子计算机的运算单位是量子比特,是叠加状态,可能是0,可能是1。

2. 基于量子纠缠的原理,量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算,这意味着它可以同时分析所有可能性,这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。如同在一堆名片里面寻找出某个名字,传统计算机是通过一张张分析的方式,而量子计算机是同时进行扫描多张名片,给出每张名片为“正确”的概率。迭代几次之后,目标名片的累计概率会比别的名片都高。即使运行多次,这种算法也比经典搜索快很多。数据库越大,其优势越大。

3. 量子计算可以通过幺正变换实现可逆计算。

由于可以快速并行计算和量子行为模拟,从而重新定义程序和算法,量子计算机能够在一些特定的应用场景有很好的优势,比如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。

量子计算机到底有多强大?光大证券列举了一个例子:

在加密通信领域,一切现有密码学全都要重新改写,因为用量子计算机能轻易破译所有密码。

经典RSA算法如果用400位数的整数来做一个RSA密钥,现有计算机需要60万年才能破译,但量子计算机只要3个小时。

招商证券张夏、陈刚甚至预计,随着量子计算机的发展,摩尔定律将可能在10年内失效:

经典计算机的计算能力趋于瓶颈。现有芯片设计工艺已达到10纳米以内,而在数年内到达2纳米级别后,晶体管只能容纳10个原子,电子的行为将不再服从传统的半导体理论,此时晶体管将变得不再可靠。摩尔定律到达瓶颈后,提升算力的方式只能靠增加芯片数量。

过去十几年,大量资本进入量子计算研究领域,量子计算机逐步由“实验室阶段”向“工程应用阶段”迈进。

2007 年,初创公司加拿大D-WAVE系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机;之后,微软、谷歌、IBM、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。

在量子计算领域,中国目前还是以理论研究为主。国内仅一家初创企业,这两年阿里巴巴、百度和华为等科技巨头先后关注和加大了量子计算领域的投入。

2. 量子通信

量子通信是使用量子态携带所要传送的信息,并把量子纠缠作为信道,将该量子态从A地传送到B地的一种通信方式。

据光大证券介绍,与传统通信方式相比,量子通信在确保信息安全,增大信息传输量,传输信息高效,抗干扰能力强等方面具有绝对优势, 是迄今为止是唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式。

按照所传输的信息是经典还是量子,量子通信分为两类:量子密钥分发和量子态隐形传输。以下是光大证券所做的科普:

量子密匙分发(QKD):在信息收发双方进行安全的密匙共享,借助一次一密的加密方式实现双方的安全通信。利用量子的不可测性和不可克隆性,从而实现信息的不可窃听,首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享,之后再与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密和安全传输。这是目前市场上主流也是产业化较为成熟的技术路线。

量子态隐形传输(QT):基于量子纠缠态的分发与量子联合测量实现量子态信息的直接传输,在量子信息的转移过程中不移动信息载体本身。同经典通信相类似,远距离量子通信会出现纠缠减弱。因此需要建立量子中继以保证量子通信通畅。目前处于前沿研究阶段,落地仍有困难。

其中,根据招商证券通信行业首席分析师余俊团队介绍,量子隐形传态能够借助量子纠缠将未知的量子态传输到遥远地点,而不需要传送物质本身。


量子密钥分发是现阶段量子通信最主要的应用方式,目前已投入商用。量子隐形传态在国内外均处于实验室基础研究阶段,短时间内获得商用的难度较大。

在细分领域中,保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的技术方向。

招商证券余俊团队认为,量子通信并非能完全替代传统保密通信,两者之间可以形成差异化协同发展。

传统的保密通信是在现代密码学范畴内,基于数学算法,利用密码技术实现的加密通信。传统保密通信技术成熟度高、技术体系齐全、部署成本较低,但未来其算法可被量子计算破解,其技术发展趋势是抗量子计算破译的新型密码算法(PQC),目前尚未得到使用。

量子保密通信是基于物理机制,具有抵抗计算破解的信息理论安全,产品已达实用程度,但技术标准体系仍在建设中,成本高、技术和应用仍处于推广期。

量子通信目前整体还处在试点应用阶段。随着技术的升级和成本的降低,未来有望向商业领域拓展。

中国在试点量子通信的应用数量和网络建设规模方面全球领先,量子通信工程试验的规模远超其他国家,研究成果已经逐步进入实际应用阶段。并且,多项建设记录领跑全球。2017年,我国建成全球首条商用量子保密通信线路——“京沪干线”,长达2000多公里。

不过,中国在芯片化方面还需进一步加强。

五、市场潜力有多大?

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。

对于量子通信市场,招商证券余俊团队认为,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。

六、关注什么?

招商证券余俊团队认为,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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