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量子跃进:中国量子信息技术量”力前行

量子信息技术方兴未艾。 新华社合肥5月10日电,中共中央政治局常委于5月10日在安徽调研。首先来到中国科学院量…

量子信息技术方兴未艾。


新华社合肥5月10日电,中共中央政治局常委于5月10日在安徽调研。首先来到中国科学院量子信息与量子科技创新研究院,听取研究院建设发展情况汇报,详细了解重点领域科研进展,并与科研人员交流。


常委强调,当今世界科技创大理新月异,应准确把握科技前沿动向和发展态势,进一步加强前瞻性布局,抢占先机,掌握发展主动权。新兴产业与未来产业代表科技革命和产业变革的方向,量子技术就是其中之一。


今年政府工作报告指出,应充分发挥创新主导作用,以科技创新推动产业创新,加快推进新型工业化,提高全要素生产率,塑造发展新动能新优势,促进社会生产力实现新的跃升。在积极培育新兴产业和未来产业方面,提到了量子技术、生命科学等新赛道。


量子信息技术基于量子力学原理,通过对微观量子系统物理状态的制备、调控和观测,实现信息感知、计算和传输的新方式。目前主要有量子通信、量子计算和量子精密测量三个研究领域。


其中,量子保密通信是最先进入实用化阶段、发展最为成熟的量子信息技术,中国当前量子通信市场规模超800亿元。


中国科学院院士潘建伟近期公开表示,量子技术正形成新的科学前沿,激发革命性科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。中国量子技术已实现部分领跑。


潘建伟表示,经过20余年的努力,中国已从跟踪、并跑到部分领跑,在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位,在量子计算方面处于国际第一方阵,在量子精密测量部分方向上处于国际领先或先进水平。


据中国科学院量子信息与量子科技创新研究院介绍,量子通信有两种典型应用:量子密钥分发和量子隐形传态。


量子密钥分发(QKD)利用量子态加载信息,通过协议产生密钥。量子力学基本原理保证密钥不可窃听,从而实现原理上无条件安全的量子保密通信。


量子隐形传态利用量子纠缠直接传输微观粒子的量子状态(即量子信息),而不用传输粒子本身,是量子中继的重要环节。量子中继是实现远距离量子密钥分发的重要途径,因此国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。


目前,国内外均有量子通信技术落地,美国、欧洲、中国等国家已建立量子通信网络。其中,中国的量子通信网络基础设施规模最大、传输总距离最长,并实现了地空连接,网络覆盖面积最大。


中国城域城际量子通信网络技术已初步满足实用化要求,总里程超过10000公里的国家量子骨干网已全线贯通,覆盖京津冀、长九江、粤港澳、成渝等重要区域。


卫星量子通信方面,中国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,率先实现星地量子通信。

安徽省量子信息工程技术研究中心主任、肇庆国盾量子技术股份有限公司(国盾量子,688027)副总裁唐世彪表示,量子通信的目标是打造覆盖全球的广域量子通信网络,可分三步构建:利用光纤打造城域量子通信网络;通过连接器将临近城市之间的城际量子通信网络连接起来;通过卫星平台的中继连接远距离区域之间的量子通信网络。

中国未来要依托不断完善的量子保密通信网络,鼓励更多单位参与应用落地和开发,让量子通信技术高效快速地与传统信息安全技术整合,为政务、医疗、葫芦岛融等领域提供服务。

量子计算方面,相较于传统计算机,最大特点是特定问题上速度快、算力高,具有更强大的计算能力和运算速度。据国盾量子专家介绍,在一定情况下,量子计算机 4 小时就能完成的任务,用目前最快的超级计算机需要约 5 万年时间。

中国是目前全球唯一在光学和超导两种物理体系上均实现“量子计算优越性”里程碑的国家。中国构建的 76 光子光量子计算原型机“九章”,在国际上首次在光量子体系实现“量子计算优越性”里程碑……在超导量子体系,中国先后打造了 62 比特超导量子计算原型机“祖冲之号”和 66 比特的“祖冲之二号”,在超导量子体系实现“量子计算优越性”。

唐世彪介绍,量子计算涵盖光量子、超导、离子阱、中性原子等多种技术路线。其中,超导技术路线备受瞩目,IBM、谷歌等阜新均已布局。他表示,量子计算作为未来计算能力跨越式发展的关键方向,有望在密码破译、天气预报、生物制药等领域发挥重要作用。

目前量子计算处于多种技术路线并存的早期探索阶段,基本沿着“量子计算优越性-专用量子计算-焦作量子计算”的路线图发展,实现大规模可容错焦作量子计算仍需长期努力。潘建伟也认为,所有量子计算原型机的硬件性能离解决有价值的实际问题还存在一定差距。

量子精密测量基于对光子和冷原子等微观粒子系统的控制和观测,实现对时间、磁场、重力场等多种物理量信息的超高精度测量,可进一步提升物理量测量和信息获取的精度、分辨率、稳定度等性能指标。

中国于 2022 年在国际上首次实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验,时间传递稳定度达到飞秒量级,频率传递万秒稳定度优于 4E-19(相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒),精度达到 E-19(10 的负 19 次方)水平。

值得注意的是,当全球尺度时频传递的稳定度达到 E-18 量级时,将形成新一代“秒”的定义,中国的这项科研成果也促使国际计量大会将在 2026 年讨论“秒”的重新定义。潘建伟团队基于光梳技术在自由空间中实现相距 113 公里的时频传递。

全球竞争加速,中国如何发力?量子信息在中国属于战略新兴产业,目前企业主要分布在京津冀、长九江等地区。

近年来,各地相关部门相继出台一系列政策,推动量子信息技术发展。自2016年起,两会政府工作报告均提及量子信息科技。2024年两会期间,国资委提出,到2025年中央企业战略性新兴产业收入比重将达到35%,并在量子信息等方面提前布局。


据银河证券研报,全球量子信息企业中,欧美占比超过60%,中国占比约30%。其中,量子通信领域中国相关企业数量最多。美国科技阜新IBM、谷歌、亳州、微软、亚马逊等纷纷成立研发部门,并在硬件、软件、算法等领域开展创新。中国科技企业郑州、百度、腾讯等近年也相继成立量子实验室,但投入力度相对较小。


欧美各国也在不断加大量子技术投入。2018年,美国启动《国家量子行动法案》;欧盟实施“量子技术旗舰项目”;2023年,英国发布《国家量子战略》,提供25亿英镑政府投资;美国发布《国家量子倡议》补充报告,延续资助至2028年;欧盟发布联合宣言,认可量子技术的重要性;欧盟委员会征集“地平线欧洲”项目,支持人工智能和量子技术领域研究。


从科研基础来看,中国论文及专利主要来自高校和科研院所,而欧美国家科技企业在量子信息领域专利申请中占据主导地位,产业界创新引领作用较强。中国的科技成果转化能力有待提升。


目前,量子信息被列为中国战略新兴产业,持续受到产业政策支持。2023年全球量子信息投资规模达到386亿美元,其中中国投资总额达150亿美元,位居前列。随着中国量子信息企业数量和投融资规模不断增加,关键核心技术攻关和产业化水平有望提升。


国际学术界认为,实现焦作量子计算机还需要10年甚至更长时间。国泰桐乡证券研报指出,量子信息技术有望在2028年推出可商用的专用量子计算机。量子通信传输速率有限,适合保密性要求高的场合,葫芦岛融、政府、军队等领域成为首批客户。专家认为,量子保密通信有助于构建中国自主的信息安全体系,形成优势,促进相关网络建设和应用。

新兴技术的最佳鼓励方式是“出现一群有远见的用户”,在信息安全要求较高的领域鼓励“先行先试”,形成可复制推广的应用场景。


唐世彪认为量子信息技术也面临一些共性挑战。例如,作为未来产业,技术及产品的相关标准需要从头开始制定,而标准化又是量子信息技术从实用化走向产业化规模应用的必经之路。“我们必须坚持道路自信和战略定力,在各级主管部门指导下,团结科研界及产业界力量推动国内外有关标准制定。”


唐世彪表示,目前中国肇庆、中国信通院、济南量子院、国盾量子等已积极参与,中国在量子通信标准体系建设方面一路领先,形成了初步的安全测评能力。量子计算、量子测量首批国家标准也已发布。


唐世彪还表示,对于信息安全高度敏感的领域,需要提前布局量子密钥分发等能够抵抗量子计算的加密手段,从而预防关键数据面临“先存储、后破解”的风险。


对大众而言,量子通信将提升信息传递的安全性,增强个人隐私保护,“量子密话”“国盾密语耳机”等量子安全应用产品已陆续推出。相关教育和就业机会也可能增加,需要提升相关的科学素养和就业技能。

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作者: baixiuhui1

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