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我国在量子信息领域究竟什么水平?

2020/6/25 4:03:36 来源:读懂科学 浏览:

我国量子信息技术整体水平处于世界第一梯队,与最发达的美国、欧盟、日本相差不大。

具体领域上,我国在量子通信上处于国际一流水平,在量子计算与量子精密测量上相对落后

所以,我国并非在整个量子信息领域领先世界。

那在具体领域,我国领先多少?又落后在哪呢?

量子计算:追赶

量子计算:量子计算以量子比特为基本单元,利用量子叠加和干涉等原理,通过量子态的受控演化实现数据的存储计算,具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力,可以在特定问题上相对于经典计算提供指数级加速,为若干大规模计算难题提供了解决方案。



量子计算机架构

量子计算技术所带来的算力飞跃,有可能成为未来科技加速演进的催化剂,一旦取得突破,将在基础科研、新型材料与医药研发、信息安全与人工智能等经济社会的诸多领域产生颠覆性影响,其发展与应用对国家科技发展和产业转型升级具有重要促进作用。

由于量子计算在整个量子信息科学领域中属于最具挑战性的工作,在数十年前,实用化道路也不明朗,我国对量子计算方面的研究与布局相对落后。

但近年来,随着全球量子计算不断突破技术瓶颈,我国对量子计算的研究也在不断加码,奋力追赶欧美先进国家

科研上相差不大

随着量子计算从理论走向实现,全球论文发表量持续增长。

从全球主要发文机构来看,中国占据三席,分别是中科院、清华大学、中国科学技术大学,高校和科研院所是中国量子计算的核心研发力量。

量子计算领域论文发表趋势及主要发表机构

但对比欧美国家,他们的研发主体不仅有高校院所,还有IBM、Google、微软等科技巨头。

专利上,2012年之前,全球量子计算领域专利数量增长较为平稳,专利申请主要来自美国和日本。

量子计算领域专利申请及授权情况

2012年开始,随着全球量子计算竞争加剧,各大科技巨头、科研机构纷纷加大投入与研发力度,专利申请数量明显增长。

美国由于前期布局与申请时间长,在专利数量与增长势头上占据优势,但我国今年来的增长势头更为强劲。

综合论文与专利数量上看,我国量子计算在科研上与欧美国家还是有着3-5年的差距,但正在不断追赶。

产业化发展差距在拉大

量子计算的研制属于巨型系统工程,涉及众多产业基础和工程实现环节,我国在高品质材料、工艺结构、制冷设备和测控系统等领域仍落后于领先国家,在关键环节甚至面临着受制于人,被卡脖子的风险。

自中美贸易战爆发以来,美国不断限制对中国的高技术产品出口。

2019年12月,美国商务部的一份内部文件提出,未来将限制向中国等美国在量子计算上的竞争对手出口稀释制冷机。稀释制冷机是基于超导、自旋和拓扑量子比特技术的量子计算机的主要组成部分。

一旦被限,中国的量子计算研究将面临重大挑战。

2019年12月,本源量子与中船鹏力宣布合作研制用于量子计算机的超低温制冷设备,填补国内该领域的空白。

我国量子计算的研发主体主要是高校和科研院所,产业化与市场化布局明显落后于领先国家。

这使我国的量子计算发展仍以做科研、发论文为导向。而欧美先进国家产学研用一体的研发模式,使得他们能调动各方资源,充分竞争,实现量子计算的快速发展。

2019年1月,IBM宣布推出全球首台脱离实验室环境的量子计算机IBM Q System One;2019年10月,谷歌就宣布使用Sycamore量子芯片实现“量子霸权”;2020年3月,霍尼韦尔称将在3个月内推出量子体积达到64的量子计算机。


量子计算领域科技公司和初创企业分布

目前,我国参与量子计算研发的商业公司明显少于欧美,在硬件领域更是仅有本源量子等少数企业涉足。

而在软件领域,虽然我国BATH等科技大厂都在参与开发,但除了QPanda等少数具有完全自主知识产权,多数国产量子软件几乎就是照搬了国外的开源软件。

2017年10月,国内本源量子、清华大学、阿里巴巴都发布了量子计算云平台,供用户体验量子编程。

但目前,仅有本源量子云平台能够提供正常服务。

国内量子计算机遇与挑战并存

从全球范围来看,量子计算目前仍处于发展初期,虽然我国在产业化上相对落后,但与欧美国家并没有明显代差。

虽然国外在量子计算机研制的部分指标如量子比特数目上领先国内,但仍无一种技术路线能够完全满足量子计算实用化的迪文森佐标准,即(1)可编程的量子比特;(2)量子比特有足够的相干时间;(3)量子比特可以初始化;(4)可实现通用的量子逻辑门集合;(5)量子比特可被测量读出。

同时,真正能够发挥量子计算处理能力的“杀手级应用”还未出现。

这些挑战是全世界科学家面对的问题,但也为我国量子计算的发展提供了机遇。

随着我国对量子计算的顶层规划逐步完善,通过政策引导社会资本参与量子计算研发,各方投入不断加码,上下游产业链正在逐步形成。

用我国著名量子信息学家郭光灿院士的话来说“只有实现通用量子计算机,才是真正的领先。”

量子通信:一流水准

2016年8月,中国发射了墨子号量子科学实验卫星,并在后期的实验中实现了洲际量子保密通信

量子通信是利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。

量子通信有两种最典型的应用方式:量子密钥分发和量子隐形传态。

量子密钥分发可以提供原理上无条件安全的通信手段,是首个从实验室走向实际应用的量子信息技术。量子隐形传态可以用来传输任意未知的量子态,同时也是是远距离量子密钥分发所需的量子中继的重要环节。

由于我国面临复杂的信息安全形势,在军事、政务、金融和关键基础设施等领域,对提高信息安全保障能力的需求较为迫切。国家对于量子保密通信的布局与研究起步较早,投入也较大。

我国的量子保密通信试点应用呈现出明显的需求牵引、政策驱动、快速发展等特点。

国内外都在不断突进量子通信的实用化研究。

2018年,欧盟量子旗舰计划成立量子互联网联盟(QIA),由代尔夫特理工大学牵头,采用囚禁离子和光子波长转换技术探索实现量子隐形传态和量子存储中继,计划在荷兰四个城市间建立全球首个光纤量子隐形传态实验网络。

中科大潘建伟院士团队已经开展了“京沪干线”和国家光宇量子保密通信骨干网络建设;中科大郭光灿院士团队联合相关企业建设了从合肥到芜湖的“合巢芜城际量子密码通信网络”等。

而在量子密钥分发(QDK)技术上,国内外团队也在不断刷新传输距离和密钥成码记录。

2018年,东芝欧研所实现了550公里低损耗光纤传输。

而到了2020年3月,中科大潘建伟院士团队突破远距离独立激光相位干涉技术,分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)和相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)。

加州理工学院主导的inqnet量子技术联盟

据有限的公开资料报道,美国加州理工学院与JPL实验室(喷气推进实验室)也在开发星地之间的高速混合量子通信系统。

目前,我国量子保密通信试点应用项目数量和网络建设规模已处于世界领先水平,并且已经得到了初步的产业化发展,形成了一批以国盾量子、问天量子为代表的商业公司。

同时,量子通信也面临着量子存储和量子中继技术尚不成熟、商用量子密钥分发系统传输能力和安全成码率有限、产业化动力不足等问题

量子精密测量:跟随

量子精密测量是用量子化方法提高七个基本物理量(长度、质量、时间、电流、温度、物质的量和发光强度)的测量精度。

得益于量子效应,量子精密测量能在诸如时间、重力、磁场、成像、遥感等领域,提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。

量子精密测量技术将在下一代时间基准、精确导航、基本物理常数测量、粒子探测、核磁共振成像、远程目标识别、全球地形测绘、引力波或暗物质的感应探测等广泛领域发挥重要作用。


量子测量主要应用领域和技术体系

目前量子精密测量领域的世界纪录大多由欧美国家保持。从论文和专利数量看,美国领先,中国第二,日、韩、英、德等国跟随。

从研究成果上来看,在量子惯性导航领域,核磁共振陀螺和SERF陀螺实用化程度最高,美国在小型化和工程化方面处于领先地位。我国中科大、北航、33所等研究机构部分成果能够达到国际先进水平,但在小型化与工程化上仍有差距。

在量子磁场测量上,美国保持着磁场检测精度世界纪录(0.16fT/Hz^1/2),

我国北航、中科大、浙大处于世界先进水平。在量子重力测量上,美国保持重力探测灵敏度世界纪录(3e-11g/HZ^1/2),我国距世界先进水平还有一定差距。

在量子目标识别领域,美国起步较早,2012年已有样机实验,我国差距较大。而在量子时间基准领域,我国与先进水平差距正在缩小。

我国量子精密测量在系统工程化和实用化仍有待探索,科研成果转化应用机制不成熟,产业合作和推动力量有限。

量子精密测量有巨大的发展潜力和广阔的市场前景,我国在该领域某些关键技术上仍处于跟随阶段,与世界先进水平的指标参数仍有数量级的差距。

结语

我国在量子信息技术领域的研究和应用起步稍晚,但与国际先进水平没有明显代差,在量子计算、量子通信和量子精密测量三大技术领域均有相关研究团队和商业公司参与。

但我们需要看到与国外先进水平的客观差距,不能因为某一领域的暂时领先而忽视整个量子信息领域的竞争。

来源于本源量子计算,若有不妥,请联系!

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