2018-12-21 18:53

信通院深度观察报告 一文理清量子计算、通信、测量全球现状

C114讯 12月21日(北山)上世纪中叶,现代光学、电子学、凝聚态物理等第一次量子科技革命浪潮兴起,激光、半导体等具有划时代意义的重大科技突破,为现代信息社会的形成和发展奠定了基础。

二十一世纪,针对粒子的微观调控技术、设备进一步突破和发展,以利用量子叠加和量子纠缠等量子特性发展第二次量子科技革命即将到来。

全球范围的广泛关注和重视

2013年,日本文部科学省成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构,计划未来十年内投资 400 亿日元(约24亿人民币),支持量子通信和量子信息领域发展。

2014年,英国设立“国家量子技术计划”投资 2.7 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算极大研发中心,开展学术与应用研究。

2016年,欧盟推出“量子宣言”旗舰计划,未来10年投资 10 亿欧元。并在上个月正式启动首批20个研究项目。

近十年来,美国以每年约 2 亿美元的投入力度持续支持量子信息各领域研究。今年6月推出,《国家量子行动计划》法案,并在首个阶段(2019-2023年)在原有基础上每年新增 2.55 亿美元投资,共计 12.75 亿美元,加快研发与应用。

同样十年来,我国在量子信息领域的基础和前沿项目的研究进行大量布局和投入,先后启动自然科学基金、“863”计划、“973”计划和中科院战略先导专项等国家科技项目。并在2016年起设立国家重点研发计划——“量子调控与量子信息”重点专项支持量子信息重点技术领域研究。近年来在国际上取得优异成果的同时,进一步筹建量子信息相关领域的国家级实验室和论证设立新科技项目。

量子计算紧追美国

产学研用力量分散 差距与风险并存

毋庸置疑,通用型量子计算机将成为颠覆社会的催化剂,必将引领未来科技演进,必会在众多领域带来改变游戏规则的深远影响。

近年来量子计算发展加速,逐渐走入大众视野,但仍处于技术验证和样机攻关的关键阶段。通用量子计算机的确是终极目标,但其实用化将是长期过程,对此,业界预计 2030-2035 年左右逐渐走向技术成熟。

因此,在未来相当长时间内,量子计算都无法完全取代经典计算,两者将长期并跑、相辅相承。有业内专家表示,量子计算未来或可能成为辅助经典计算的特殊处理器,专注于解决某些特定计算问题。计算任务分解后,适合量子计算的部分交给量子处理器执行,适合经典计算的部分交给经典处理器执行,从而达到最高的计算效率。

目前,我国量子计算以科研机构为主导,尽管取得了一定成绩,同美国政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的局面相比,我国产研各方力量分散,科研体制较难适应量子计算领域快速变化的新情况。

另外,由于量子计算属于交叉学科,量子计算机的研制更属于巨型系统工程,不仅需要多种专业的协同配合,更涉及众多产业、基础和工程实现环节。

一方面是量子计算技术仍处于技术攻关和样机研制的早期发展阶段,处理器方向、编码技术、算法仍有大量问题未能解决,发展方向、模式仍在摸索;

另一方面,我国在高质量材料样品、结构工艺、制冷设备和测量系统等领域仍落后于领先国家。因此,不仅要面对跨学科合作方面体制机制的壁垒,而且存在关键环节受制于人的风险。

量子计算专利申请主要公司

量子通信(QKD)表现亮眼

产业基本形成 在融合探索中突破

量子通信技术从研究热点和实用化角度来看,主要落在量子隐形传态(Quantum Teleportation,QT)和量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术上。

QT可以实现通信双方的直接信息传输(纠缠量子对的接受和测量仍以来传统通信设备辅助),但目前受制于高品质确定性纠缠光子对的制备和研究,QT的实用化前景,尚不明确。

值得一提的是,QT自由空间传输距离最远记录——1400公里,正是由中科大潘建伟教授领军的研究团队利用“墨子号”量子实验卫星创下。

而在以QKD为关键技术的量子保密通信方面,我国在应用项目数和网络建设规模以及相关技术专利申请量上已处于全球领先位置。

量子通信技术重要公司专利年申请量

2016年12月量子保密通信“京沪干线”技术验证与应用示范项目(采用可信中继方案进行密钥中继)全线贯通,全长超过 2000 公里,接入北京、济南、合肥、上海四地量子保密通信城域网络。

2018年国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程开始施工,在“京沪干线”的基础上,增加武汉和广州两个骨干节点,新增“北京-武汉-广州”线路和“武汉-合肥-上海”线路,并接入若干已有和新建城域网络。

并且随着试点和网建的推进,整个产业得到了初步建立和发展,形成了集基础研究、设备研发、建设运维和安全应用为一体的产业链。

不仅为研发和应用打下了良好的实践基础,标准化研究工作亦同步进行。

同时,得益于政务、金融、和关键基础设施领域对安全保障的紧迫需求,技术验证和测评、系统和现网测试、产业和实用化评估等得到了共同提升,为未来量子保密通信网络的建设提供了良好的基础。

量子测量实用化仍待探索

研究与市场未形成闭环 持续投入和成果转化难度大

量子测量领域研究与应用目前主要集中于惯性导航、磁场测量、重力测量、目标识别和时间基准等五大方向,可以实现量子惯性导航、量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子时间基准等领域的测量传感,未来发展趋势主要是高精度、小型化和高集成度。

以量子陀螺仪、量子磁强计、量子重力仪、量子雷达和原子钟为代表的新型量子测量传感设备,在工业和信息通信领域具有较高应用价值,有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先应用。

尽管我国在相关论文和专利数量上仅次于美国,但是在研究成果上,仍然逊于欧美等国家。

尤其测量仪器类科研项目的最终工程化与市场应用未形成闭环,在应用落地和市场推广方面缺乏机制保障和驱动力。

同时,量子测量技术研究应用涉及面广,对研究环境、设备要求高,技术背景差异大,如何将不同技术方向的研究和应用进行集成融合,如何建立研究机构和企业沟通合作的平台和机制,如何在补齐差距的基础上加强科研成果转化,是接下来我国不得不面对的问题。

总结

美国量子在量子测量方面传统优势明显,多个传感测量子领域均保持世界记录;量子计算研究也处于领先,未来五年可能在量子计算原理样机方面率先取得突破;已经开始布局基于量子隐形传态的量子信息网络研发。

欧洲在各国研究机构和科技公司具备很强科研实力,国际交流和项目合作密切,但在量子信息技术科研、应用到产业发展的全局层面仍唯美国马首是瞻。

我国近年来量子信息相关科研团队、论文数量及从业人员等指标开始进入世界前列,新技术应用推广具备潜在的政策驱动和市场规模优势。量子保密通信应用规模和产业发展处于领先,量子计算和量子测量领域的研究与应用水平与美欧相比仍有一定差距。

量子信息技术研究需要通用基础设施、实验测控环境、新型芯片软件等工业领域的基础配套和短板补齐,同时量子信息技术应用转化也需要专业化的工艺、工程、软件、测试团队的支撑。

不仅要补齐基础短板,优化工艺、工程、软件和测试等各项属性,为量子信息技术科研提供有效支撑;还要探索适合我国的科研机制体制,建立合作平台,打开创新局面,将政策支持真正、高效地转化为核心技术优势。

作者:北山   来源:C114通信网

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本评论 更新于:2019-1-22 5:53:57