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        量子技術的應用,全球量子信息技術研究成果和應用探索進展

          煙癮難戒        2021-07-09 09:29:43

        量子技術的應用:讓數據更安全,讓計算更高效


        量子通信即不管是采用光纖通信,還是自由空間,都可以保護數據傳輸中的安全。


        從近10年前的美國斯諾登事件,到近期揭露的美國通過丹麥的海底光纜對其“盟國”高級官員進行監聽,以及滴滴出行被下架整改等事件都在證實數據安全、數據的擁有權已經是重中之重。這種情況下如果有量子通信就可以保密。


        量子通信技術主要解決什么痛點?在用戶數據傳輸的過程中可能會產生泄密或者是產生被別人竊聽,所以要采用量子通信技術的方式來保護數據傳輸的安全,這就是它主要解決的痛點。


        啟科量子首席執行官陳柳平在接受《通信產業報》全媒體記者采訪時表示,量子通信即不管是采用光纖通信,還是自由空間,都可以保護數據傳輸中的安全。所謂的自由空間就是沒有光纖沒有電纜,也沒有網線,而是在大氣中或者太空中,這叫自由空間。通俗來說就是保護用戶的數據傳輸安全,不管是采用什么介質。


        啟科量子首席執行官陳柳平表示,量子通信即不管是采用光纖通信,還是自由空間,都可以保護數據傳輸中的安全。


        全球量子信息技術的發展趨勢是什么?當前我國量子信息技術處于什么發展階段?量子通信和量子計算研發力和產品力到底可以多硬核?


        左輪量子通信,右輪量子計算


        量子計算是利用諸如疊加和糾纏等量子現象進行計算的一種革命性計算技術。這些量子現象遵循量子力學規律通過調控量子信息單元實現。量子計算具有經典計算無法比擬的信息攜帶和并行處理能力,能夠在某些計算問題上提供指數級加速,受到世界主要國家和科技企業廣泛的關注。


        據賽迪預判,若實現量子糾錯機制的應用,量子計算有望在10-15年內實現商用,市場規模將實現爆發性增長,預計量子計算的商用元年在2030年左右,量子計算商用元年的市場規模將達到140.1億美元。


        目前,全球主要科技巨頭已布局量子計算領域,例如IBM、谷歌、微軟、英特爾、亞馬遜和霍尼韋爾。此外,創業公司例如IonQ和Rigetti,也積極在量子計算的各個方面嶄露頭角。同時,量子通信已進入產業化探索階段,量子通信網絡的建設進程將進一步加快。


        “現階段世界上量子計算主要有兩個技術路線,一個是離子阱,一個是超導?!标惲奖硎?,經過近20年的發展,我國在量子通信領域躋身全球領先地位,進入協同推進的新發展階段,形成了自主可控的產業鏈,培育和集聚了一批覆蓋核心器件研發、產品設備制造、業務應用開發等各環節的企業。


        “中國量子計算的產業化方面,相對來說已經比國外落后一段時間,但是并不是說我們就不做,我們要做,而且我們希望追趕上去?!标惲綇娬{,我們認為自己的量子計算機硬件的發展,在接下來3~5年的時間,可以追趕到美國或者是國際的一線水平。


        為什么要用量子計算呢?啟科量子量子計算執行總監韓琢解釋到,任何需要加密通信,如支付寶、網上銀行、稅款、電網與電網之間傳輸信息、國家軍隊與軍隊之間傳輸命令,全部所有的信息在現有的信息世界里全部是被加密的。但是現有的加密協議在量子計算真正意義到來之前是會崩解的,我們不可能等到那一天到來之后再想解決辦法。

        量子技術的應用,全球量子信息技術研究成果和應用探索進展

        啟科量子量子計算執行總監韓琢認為,現有的加密協議在量子計算真正意義到來之前是會崩解的,我們不可能等到那一天到來之后再想解決辦法。


        “量子計算是加解密。量子計算是矛,量子通信是盾,因為矛可以攻破現有的加密體系,那我們需要更強烈的盾去防護它。量子通信就是對這些保護信息的盾進行加厚,加大和加強。它對于速度無關,它對于傳輸信息的保護的強度有關?!表n琢表示。


        量子科技如何更“硬核”


        當前,以量子信息技術為代表的量子科技蓬勃發展,成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域,也成為全球技術創新的競爭高地。


        目前,國內量子通信產業發展有四大趨勢,即芯片化、小型化、國產化及標準化。量子通信產業需在增加傳輸距離、實現大規模組網、解決安全漏洞、結合后量子算法、提高密鑰成碼率五方面加大關注。


        量子通信典型應用形式是量子密鑰分發和量子隱形傳態,量子隱形傳態目前沒能實現商業化,它僅僅是一種技術,就是在實驗室里面。


        陳柳平表示,現階段的QKD產品,普遍存在著光學模組體積大、穩定性差、成本高且生產周期長的問題,針對這些問題,啟科量子研發出QKD專用光芯片QOIC-280。該芯片實現量產后,不僅能滿足啟科設備的需求,還可同時滿足相關公司、研究所或高校等單位開發QKD設備的需求,最終推動QKD行業標準化發展。

        量子技術的應用,全球量子信息技術研究成果和應用探索進展

        量子通信不是完全取代傳統的通信方式,它其實是在傳統的通信方式基礎上進行補充,不是說有了量子通信就可以完全取代傳統通信。


        啟科量子最新推出的QKD設備QCS-288,可兼容光芯片QOIC-280,通過升級內嵌光芯片的系統,實現降低使用成本、設備小型化等目標。


        應用領域是量子通信產業化的關鍵。啟科量子通信產品已經布局了政務網、智慧城市、大數據中心、智能汽車、軌道交通等多個領域,產品化能力已經在用戶群體中得到充分錘煉和驗證,現在正通過融合創新實現應用場景拓展。


        此外,離子阱和超導是目前相對領先的兩種量子計算實現體系,啟科量子是現在國內唯一一家基于離子阱技術開發工程化量子計算機的公司。


        離子阱技術利用射頻電磁場來囚禁離子,并利用囚禁離子的兩個原子能級作為量子比特。量子比特具有完全等同、相干時間長的優勢,可實現任意配對的高保真度量子邏輯門。并且囚禁離子可以發射出與原子能級糾纏的光子,具有天然的量子互連優勢,是實現分布式量子計算的最佳物理體系。


        啟科AbaQ系列工程化離子阱量子計算機,其總體設計突出體現了分布式離子阱量子計算的特點。離子阱節點以中國鼓的形式進行模塊化設計,提高了系統的擴展性,為以后節點擴容提供便利。工業設計上融合了人體工程學原理,提高了系統的使用舒適性和維護便利性,各種細節設計兼顧科技感和便利性。


        打造新一代量子網絡


        陳柳平坦言,量子信息領域是一個方興未艾的領域,大家都對它期望非常高,也希望能夠對我們的生活進行改變。量子通信不是完全取代傳統的通信方式,它其實是在傳統的通信方式基礎上進行補充,不是說有了量子通信就可以完全取代傳統通信。


        韓琢指出,現在我們對量子有兩個態度需要修正,一個是有點魔幻化或者玄幻化。另一個是對量子有一種不切實際的期待,不是只要有量子啥都能做,它一定是處于一個現有的知識邊界和知識框架里面的。


        值得關注的是,啟科量子是世界上第一家能夠融合量子通信和量子計算的公司,下一步,3-5年的技術目標是要實現量子網絡(量子互聯網),也是啟科量子的規劃目標。


        量子網絡是獨立于現有的網絡的新一代量子網絡,它是對現有網絡的一個補充,但是它上面傳輸的不是經典的數據,它傳輸的是量子數據和量子信息。


        陳柳平指出,當前還存在資金、人才、技術、資源等行業壁壘,希望能得到國家、各地方政府,以及業界更多的支持和關注。


        勇立潮頭,奮楫爭先。啟科量子雙輪驅動,左輪量子通信,右輪量子計算,對于設計并構建新一代量子互聯網具有扎實的技術基礎。在積極拓展國內合作領域的同時,啟科量子也高度重視國際交流合作,MagiQ(全球首家量子信息商業公司)首席執行官Dr.Berzanskis表示,今后將與啟科量子開展更多的溝通交流。未來,啟科量子將堅持不懈推進“讓數據更安全,讓計算更高效”的愿景,開啟量子科技非凡征途,推動我國量子技術及產業的持續創新和高速發展。

        全球量子計算、量子通信和量子測量研發與應用進展


        在過去的6年里,量子科學發生了明顯的變化,從物理學家關注的研究極小尺度宇宙的領域,轉變為我們可能實際應用的新技術的來源,如傳感器、通信網絡和計算機等。


        當前,以量子信息技術為代表的量子科技蓬勃發展,成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域,也成為全球技術創新的競爭高地。量子計算、量子通信和量子測量三大領域科研探索和技術創新保持活躍,代表性研究成果和應用探索進展亮點紛呈、前景可期,在前沿科技領域和信息通信行業受到廣泛關注和討論。


        全球競逐量子信息技術高地


        中國信息通信研究院2020年發布的《量子信息技術發展與應用研究報告》表明,量子信息技術研究與應用,有望成為未來重大技術創新的“動力源”和“助推器”,已成為全球人類科技的共同探索與關注焦點之一。


        美國國會2018年通過《國家量子行動計劃》,預計五年投資12.75億美元支持量子科技研究與應用。美國國家標準與技術研究所表示,到2029年,量子計算機將能夠破解現有的128位AES加密等公開密鑰。


        英國國家量子計算中心于2020年開工建設,預計2022年底開放,目標是到2025年提供100+量子位用戶平臺。


        澳大利亞戰略政策研究所稱,澳政府今年將迅速采取行動,將量子技術作為國家技術戰略的關鍵部分。


        中國量子技術不斷突破引關注

        量子技術的應用,全球量子信息技術研究成果和應用探索進展

        中國科學技術大學潘建偉等人曾成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒。這是光量子干涉示意圖。新華社發

        經過近20年的發展,中國在量子通信領域躋身全球領先地位,形成了自主可控的產業鏈,培育和集聚了一批覆蓋核心器件研發、產品設備制造、業務應用開發等各環節的企業。


        7月6日,啟科量子舉辦“量子賦能·非凡征途”2021產品發布會,推出了新一代QKD(量子密鑰分發)設備、QKD專用光芯片以及分布式離子阱量子計算機工程機。首席執行官陳柳平表示,目前國內量子通信產業發展有四大趨勢,即芯片化、小型化、國產化及標準化。量子科技發展要堅定不移走自主創新道路,要不斷突破關鍵核心技術。


        此外,我國高校也在加速量子信息技術的研究。近日,中國科學技術大學潘建偉、張軍等聯合浙江大學教授儲濤研究組,通過研制硅基光子集成芯片和優化實時后處理,實現了速率達18.8Gbps的迄今世界最快實時量子隨機數發生器。對此,澳大利亞《萬物科學》雜志評論稱,“中國研究團隊已經超越了谷歌!”


        統籌兼顧技術發展與社會影響


        澳大利亞工程量子系統卓越研究理事會中心研究員塔拉·羅伯森近日在《對話》雜志上發文稱,第二次量子革命即將到來。無論是醫療保健、金融服務、天氣建模,還是國防和網絡安全領域,量子技術或將影響社會生活的方方面面。


        然而,技術發展的歷史表明,不能簡單地假設新的工具和系統將會自動符合公眾利益?!拔覀儽仨氃O想到量子技術發展可能為社會帶來的后果,以及今天做出的量子設計選擇可能會對我們將來的生活方式產生何種影響?!绷_伯森寫道。


        舉個例子,量子計算機作為著名的量子技術應用,其優勢在于能夠處理一臺普通計算機花費數百萬年才能完成的令人難以置信的復雜任務。其模擬分子的任務旨在提高對未來新藥性能的預測,并加速藥物開發。但一個難題是,投資于量子技術的物理基礎設施成本巨大,這意味著所有權可能會集中在最富有的國家和公司,這或會加劇由技術造成的權力分配不均。同時,量子計算機的興起還引發了人們對互聯網上隱私泄露的擔憂。


        如何避免在沒有做好充分準備和風險考慮的情況下大搖大擺地進入量子時代?在各國和企業競相開發量子技術的同時,如何解決量子技術帶來的社會問題?或許,只有真正解決了量子技術對社會帶來的潛在影響后,才能更好地讓科技造福人類。


        來源:通信產業報(網)胡媛 科技日報張佳欣

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