Nachricht

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Inhaltsverzeichnis

1. Definition und Eigenschaften von Quanten

1.1 Quantenüberlagerung

1.2 Quantenverschränkung

1.3 Quantendekohärenz

2. Die Ära der Quantenüberlegenheit naht

2.1 Die zweite Revolution der Quantentechnologie

2.2 Globaler Quantentechnologie-Wettbewerb

3. Quantencomputing

3.1 Definition und Vorteile des Quantencomputings

3.2 Wichtigste technische Wege des Quantencomputings

3.3 Entwicklungsstand und technische Schwierigkeiten von Quantencomputern

3.4 Anwendungen von Quantencomputern

4. Quantenkommunikation und Sicherheit

4.1 Die Notwendigkeit einer quantensicheren Kommunikation

4.2 Entwicklungsstand und Schwierigkeiten wichtiger quantensicherer Kommunikationstechnologien

4.3 Quantenkommunikationsnetzwerk und Quanteninternet

4.4 Anwendungen der Quantenkommunikation

5. Quantenpräzisionsmessung

5.1 Definition der Quantenpräzisionsmessung

5.2 Entwicklungsstand und Schwierigkeiten der Quantenpräzisionsmesstechnik

Anwendungen der Quantenpräzisionsmessung

6. Panorama der Quantentechnologie-Investitionen

6.1 Firmenkarte für Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantenmessung

6.2 Bewertung großer chinesischer Quantentechnologieunternehmen

1. Definition und Eigenschaften von Quanten

Quantum ist die Grundeinheit der Physik, die Teilchen in der mikroskopischen Welt beschreibt. Es ist eine diskrete Einheit für Energie und Impuls. Ein Quantum ist kein „Sub“ wie ein Elektron. In der klassischen Welt ändern sich verschiedene physikalische Phänomene kontinuierlich, in der mikroskopischen Welt ist der Energiezustand diskontinuierlich und setzt sich aus Energiestücken zusammen Da der Impuls unendlich in unendlich kleine Einheiten unterteilt werden kann, gibt es eine kleinste Grundeinheit, nämlich das Quantum. Diese unendliche Teilbarkeit in der mikroskopischen Welt nennt man Quantisierung.

Quanten haben Eigenschaften wie Quantenüberlagerung, Quantenverschränkung und Quantenmessung. Diese Eigenschaften sind nicht nur in der Physik wichtig, sondern spielen auch eine Schlüsselrolle in aufstrebenden Bereichen der Quantentechnologie wie Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantenmessung. Diese besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik eröffnen uns eine neue Perspektive, um die Grundgesetze der Natur zu verstehen und zu nutzen.

1.1 Quantenüberlagerung

Quantenüberlagerung ist ein wichtiges Konzept der Quantenmechanik, das sich auf ein Quantensystem bezieht, das sich gleichzeitig in einem Überlagerungszustand zwischen mehreren möglichen Zuständen befinden kann. In der klassischen Physik kann sich ein Objekt nur in einem bestimmten Zustand befinden, während sich in der Quantenmechanik ein Quantensystem in einer linearen Kombination mehrerer möglicher Zustände befinden kann. Das bedeutet, dass sich ein Quantensystem in manchen Fällen gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden kann, um dann bei der Messung in einen seiner definierten Zustände zu kollabieren.

Quantenüberlagerung ist die Grundlage des Quantencomputings und der Quanteninformation. Durch die Verwendung von Quantenüberlagerung kann Quantenparallelcomputing erreicht und die Recheneffizienz verbessert werden.

1.2 Quantenverschränkung

Quantenverschränkung ist ein besonderes miteinander verbundenes Phänomen in der Quantenmechanik. Es bedeutet, dass, wenn zwei oder mehr Quantensysteme interagieren, ihre Zustände eng miteinander verbunden sind, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Assoziation wird Verschränkung genannt.

Der Korrelationszustand zweier Teilchen in einem verschränkten Zustand kann vor der Messung nicht festgestellt werden. Unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind, gilt jedoch, dass der Zustand von einem der Teilchen erst dann ermittelt wird, wenn der verschränkte Zustand nicht zerstört wird Das andere Teilchen wird ebenfalls bestimmt. Die Quantenverschränkung stellt nicht nur die effektivste Parallelverarbeitungsmethode für Quantenoperationen dar, sondern ist auch ein wesentliches Werkzeug zur Realisierung der Quantenkommunikation. Da Quantenverschränkung sehr empfindlich auf Umweltveränderungen reagiert, kann sie auch zur Herstellung sehr genauer und empfindlicher Quantensensoren genutzt werden.

1.3 Quantendekohärenz

Quantendekohärenz bedeutet, dass in einem Quantensystem Zustände, die ursprünglich Kohärenz hatten (d. h. die Interferenz- und Superpositionseigenschaften von Quantenzuständen), diese Kohärenzeigenschaft nach einem bestimmten Prozess oder einer bestimmten Wechselwirkung verlieren. Quantendekohärenz führt normalerweise dazu, dass Quantenzustände klassischer werden, das heißt näher an Zuständen in der klassischen Physik.

Quantendekohärenz kann unter verschiedenen Umständen auftreten, beispielsweise bei Quantenmessungen, Quantendekohärenz, Umwelteinflüssen usw. Unter diesen sind Umgebungsinterferenzen die häufigste Ursache für Quantendekohärenz. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, führen Umgebungsunsicherheit und Rauschen dazu, dass der Interferenzeffekt des Quantenzustands allmählich verschwindet und das System allmählich an Kohärenz verliert.

Quantendekohärenz ist ein wichtiges Thema, das sich auf Quantencomputer und Quanteninformationsverarbeitung auswirkt, da Kohärenz eine Schlüsselressource im Quantencomputer ist. Daher ist die Untersuchung, wie die Kohärenzzeit von Quantenzuständen verlängert und die Auswirkungen der Quantendekohärenz verringert werden können, einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte im Bereich der Quanteninformation.

2. Die Ära der Quantenüberlegenheit naht

2.1 Die zweite Revolution der Quantentechnologie

Der erste Vorschlag des Quantenkonzepts geht auf das Jahr 1900 zurück und stammt vom deutschen Physiker Max Planck. Planck schlug das Konzept der Energiequantisierung vor, das die Grundlage der Quantentheorie bildet, und leitete damit die Revolution der Quantenphysik im frühen 20. Jahrhundert ein. Im Jahr 1905 entwickelte Albert Einstein das Quantenkonzept weiter und schlug das Konzept der Lichtquanten (Photonen) zur Erklärung des photoelektrischen Effekts vor.

Die „erste Revolution der Quantentechnologie“ begann im frühen 20. Jahrhundert mit Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul · Physiker, vertreten durch Dirac und andere, legten den theoretischen Rahmen der Quantenmechanik fest und beschrieben die grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik, realisierte die Kombination der Quantenmechanik mit Mathematik, Chemie und Biologie und brachte viele wichtige Erfindungen hervor – die Atombombe, Laser, Transistoren, Kernspinresonanz, Computer usw.

Im Jahr 2014 schlug Nature, das weltweit führende Wissenschaftsmagazin, vor, dass die „zweite Revolution der Quantentechnologie“ begonnen habe.

Die „erste quantentechnologische Revolution“ führte die Menschheit vom Industriezeitalter in das Informationszeitalter, und die anhaltende „zweite quantentechnologische Revolution“ bedeutet, dass die Menschheit die physikalischen Grenzen der klassischen Technologie durchbrechen und in das Quantenzeitalter eintreten wird, was das Verständnis der Menschheit für das Zeitalter markiert Quantenwelt Die Erforschung von Quantencomputern hat sich von einer einfachen „Erkennungsära“ zu einer aktiven „Regulierungsära“ entwickelt und kündigt große Durchbrüche in den Bereichen Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantenpräzisionsmessung an.

Die „zweite quantentechnologische Revolution“ nutzt Quantenverschränkung, Quantenüberlagerung, Quantenmessung usw. zur Durchführung innovativer Anwendungen und wird voraussichtlich Veränderungen in vielen Bereichen auslösen:

Quantencomputing: Die Entwicklung von Quantencomputern wird einen Übergang von spezialisierten Quantencomputern zu universellen Quantencomputern durchlaufen und letztendlich zu einem programmierbaren universellen Quantencomputer führen, der spezifische Probleme lösen kann, die klassische Computer nicht bewältigen können.

Quantenkommunikation: Es verfügt über eine abhörsichere Kommunikationsmethode und baut ein sicheres Kommunikationsnetzwerk mit Quanten-Nicht-Klonen und anderen Merkmalen auf. Zu den Haupttechnologien gehören Quantenschlüsselverteilung (QKD), Quantenteleportation (QT) usw. Die Entwicklung der Quantenkommunikationstechnologie wird auch den Aufbau des Quanteninternets weiter vorantreiben.

Quantenpräzisionsmessung: Die Quantenpräzisionsmesstechnik bringt hochpräzise Messwerkzeuge in die wissenschaftliche Forschung und Industrie. Da Quantenzustände äußerst empfindlich auf Veränderungen in der äußeren Umgebung reagieren, werden die Empfindlichkeit und Auflösung der Quantenpräzisionsmessung die klassischen Grenzen deutlich überschreiten und die Entwicklung verwandter Fachgebiete verbessert.

Die „zweite Revolution der Quantentechnologie“ verändert unser Verständnis der Quantenwelt und fördert die Anwendung der Quantentechnologie in mehreren Bereichen. Da die Technologie weiter voranschreitet, wird erwartet, dass die Quantentechnologie in den kommenden Jahrzehnten die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, revolutionieren wird.

2.2 Globaler Quantentechnologie-Wettbewerb

„Die Revolution der Quantentechnologie hat China die Möglichkeit gegeben, ‚die Spur zu wechseln und zu überholen‘“, sagte Zhang Qingrui, ehemaliger amtierender Präsident der National Taiwan University, Lehrstuhlinhaber der Chung Yuan University und Berater des Foxconn Quantum Research Institute, in seinem Buch „ Quanten-Megatrends“.

Im Zeitalter der Informationstechnologie folgt die Verbesserung der Rechenleistung klassischer Computer dem Mooreschen Gesetz. Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden können, etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Die präzise Steuerung von Nanometerprozessen ist jedoch zu einer Schlüsseltechnologie im Zeitalter der Informationstechnologie geworden Die physikalische Größe von Transistoren schrumpft immer weiter.

In der „zweiten quantentechnologischen Revolution“ werden Eigenschaften wie Quantenüberlagerung, Quantenverschränkung und Quantenmessung genutzt, um neue Quantenkomponenten zu erzeugen. Dabei wird nicht nur auf die Schrumpfungstechnologie des Mooreschen Gesetzes zurückgegriffen, sofern die Eigenschaften von Objekten möglich sind Beherrschte, sogar Submikrometer-Technologie. Quantenkomponenten mit Quantenverschränkungseigenschaften können hergestellt werden. Die Leistung von Quantenkomponenten mit Verschränkungseigenschaften ist der von klassischen elektronischen Komponenten weit überlegen. Die „zweite Revolution der Quantentechnologie“ wird zu disruptiveren innovativen Industrien führen.

Professor Pan Jianwei von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, der in China als „Vater der Quanten“ bekannt ist, sagte einmal, dass China im Hinblick auf die moderne Informationswissenschaft immer die Rolle eines Lernenden und Anhängers gespielt habe Wenn wir in der Quantentechnologie unser Bestes geben, können wir die treibende Kraft unter ihnen werden.

Derzeit sind die Erfolge meines Landes auf dem Gebiet der Quantenkommunikation weltweit führend: 2016 wurde der weltweit erste Quantenwissenschafts-Experimentalsatellit „Mozi“ erfolgreich gestartet, 2017 die 2.000 Kilometer lange Quantenkommunikationslinie Peking-Shanghai Im Jahr 2018 führte „Mozi“ „Zihao“ eine Satelliten-Boden-Quantenschlüsselverteilung über 7.600 Kilometer mit den chinesischen Bodenstationen Xinglong und Österreich durch. Im Jahr 2022 entwarf das Team von Professor Long Guilu von der Tsinghua-Universität einen Hybrid aus Phasenquantenzustand und Zeitstempel Quantenzustand Das neue codierte Quantendirektkommunikationssystem erreichte 100 Kilometer Quantendirektkommunikation und brach den Weltrekord für „Quantendirektkommunikation“.

Im Bereich Quantencomputing gab die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas im Dezember 2020 den erfolgreichen Bau des 76-Photonen-Prototyps „Jiuzhang“ bekannt und erreichte damit als zweites Land die Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy) (Anmerkung Juni); 2021 veröffentlichte die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas den programmierbaren supraleitenden 56-Qubit-Computer „Zuchongzhi“, wodurch die Aufgabe, die der Supercomputer 8 Jahre brauchte, auf 1,2 Stunden verkürzt wurde. China ist das einzige Land, das über zwei technologische Wege verfügt: Supraleitung und optische Quantenländer, die alle eine Quantenüberlegenheit erreicht haben.

Nach Angaben des Qianzhan Industry Research Institute werden die weltweiten Quanteninformationsinvestitionen im Jahr 2023 gemessen an den Gesamtinvestitionen 38,6 Milliarden US-Dollar erreichen, wovon Chinas Gesamtinvestitionen 15 Milliarden US-Dollar erreichen werden und damit weltweit an erster Stelle stehen.

Derzeit führen China und die Vereinigten Staaten den Wettbewerb in der Quantentechnologie an, und auch Europa und andere traditionelle Technologiemächte holen aktiv auf. Obwohl es derzeit Spitzenreiter in der Quantentechnologie gibt, sind alle Teilnehmer nicht weit von der Startlinie entfernt. „Spurwechsel und Überholen“ ist weitaus schwieriger als in anderen Bereichen der Technik.

Im Jahr 2021 sieht der „14. Fünfjahresplan“ meines Landes vor, den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Quantencomputer und Quantenkommunikation zu beschleunigen, mit dem Ziel, den Aufbau der nationalen Quantenkommunikationsinfrastruktur abzuschließen und bis 2030 universelle Quantencomputer zu entwickeln.

(Hinweis: Quantenüberlegenheit, auch Quantenüberlegenheit genannt, bezieht sich auf die Fähigkeit eines Quantencomputers, den leistungsstärksten herkömmlichen Computer bei der Ausführung bestimmter Aufgaben zu übertreffen. Dieses Konzept wurde 2012 vom Physiker John Price von John Preskill vorgeschlagen, um das Wesentliche zu beschreiben Vorteile von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern bei der Lösung bestimmter Probleme).

3. Quantencomputing

Als Spitzentechnologie hat Quantencomputing in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit bei wissenschaftlichen Forschern und Kapitalgebern weltweit auf sich gezogen. Es nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um die binärbasierte Berechnungsmethode herkömmlicher Computer zu durchbrechen und zeigt das Potenzial, klassische Computer bei bestimmten spezifischen Problemen weit zu übertreffen. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Theorie der Quantenphysik und der zunehmenden Reife der Quantentechnologie hat sich das Quantencomputing schrittweise von der Theorie zur Praxis entwickelt und gilt als wichtige Entwicklungsrichtung zukünftiger Computertechnologie.

3.1 Definition und Vorteile des Quantencomputings

Quantencomputing ist eine Technologie, die Quantenbits als grundlegende Informationseinheit verwendet, um Berechnungen auf der Grundlage der Prinzipien der Quantenmechanik durchzuführen. Die Superparallelität von Quantencomputern ergibt sich aus dem Überlagerungszustand von Qubits. Im Vergleich zur gleichen Anzahl klassischer Bits ist der Unterschied in der Rechenleistung zwischen mehreren Qubits exponentiell.

Herkömmliche Computer verwenden binäre Bits (Bits), jedes Bit ist entweder 0 oder 1, während das Quantenbit (Qubit) eines Quantencomputers gleichzeitig in einem Überlagerungszustand von 0 und 1 sein kann. Mit zunehmender Anzahl von Qubits können N Qubits gleichzeitig Werte haben, was der gleichzeitigen Ausführung einer Operation entspricht.

Quantencomputer manipulieren diese Überlagerungszustände und die Wechselwirkungen zwischen Qubits durch Quantenalgorithmen und können eine große Anzahl möglicher Berechnungspfade gleichzeitig verarbeiten, wodurch Quantencomputer bei der Lösung bestimmter Arten von Problemen, wie z. B. der Ganzzahlzerlegung usw., effizienter als herkömmliche sind Suchalgorithmen sind viel schneller.

3.2 Wichtigste technische Wege des Quantencomputings

Unser Land legt großen Wert auf die Erforschung der Quantenwissenschaft und hat nacheinander eine Reihe von Richtlinien und Plänen zur Unterstützung der Erforschung und Anwendung der Quantentechnologie eingeführt. Auf dem Gebiet des Quantencomputings haben chinesische wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Unternehmen eine Reihe international einflussreicher Ergebnisse auf wichtigen technischen Wegen wie dem supraleitenden Quantencomputing und dem optischen Quantencomputing erzielt und nehmen im globalen Quantencomputing-Wettbewerb eine führende Position ein.

Derzeit befindet sich das Quantencomputing in einem frühen Forschungsstadium und die Entwicklungsrichtungen von Qubits sind sehr vielfältig. Zu den gängigen Lösungen gehören Supraleitung, Ionenfallen, optische Quanten, ultrakalte Atome, Quantenpunkte auf Siliziumbasis und topologische Quanten usw basieren im Wesentlichen auf den Vorteilen des Quantencomputings – Spezialisiertes Quantencomputing – Roadmap-Entwicklung des universellen Quantencomputings.

Laut dem Bericht „Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024“, der von ICV, einem hochmodernen Technologieberatungsunternehmen, veröffentlicht wurde, dominieren China und die Vereinigten Staaten mit 20 Unternehmen in den Vereinigten Staaten und den Vereinigten Staaten die Verteilung der großen Quantencomputerunternehmen auf der Welt 18 Unternehmen in China, die jeweils 28,25 % ausmachen. Aus Sicht der technischen Routenverteilung erhalten Supraleitung, Ionenfallen und optische Quantenpfade die größte Aufmerksamkeit. Von den 71 großen Quantencomputing-Unternehmen der Welt im Jahr 2023 sind 19 mit einem Anteil von 27 % im Bereich des supraleitenden Quantencomputings tätig, darunter 8 in den USA und 5 in China, gefolgt von optischen Quantencomputing-Unternehmen mit insgesamt 13 Unternehmen Mit einem Anteil von 18 % stellen chinesische Unternehmen mit 4 die größte Zahl; 10 Unternehmen sind mit 14 % auf dem Weg der Ionenfallen-Quantenberechnung und chinesische Unternehmen machen 4 aus.

(1) Supraleitender Quantencomputerpfad

Supraleitendes Quantencomputing ist derzeit eine der ausgereiftesten Quantencomputing-Technologien. Es basiert auf supraleitenden Quantenschaltkreisen und verarbeitet Informationen durch Manipulation supraleitender Qubits. Supraleitende Quantenschaltkreise sind in Bezug auf Design, Vorbereitung und Messung in hohem Maße mit bestehenden integrierten Schaltkreissystemen kompatibel und können herkömmliche elektronische Komponenten als Steuerungssysteme verwenden. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum usw. betreiben Forschung und Entwicklung auf dem Weg des supraleitenden Quantencomputings.

Die Vorteile supraleitender Qubits sind ihre hohe Kontinuität und Skalierbarkeit sowie ihre relativ geringen Verzerrungsraten. Dieser technische Weg hat eine Verschränkung zwischen mehreren Qubits und Quantengatteroperationen erreicht und damit den Grundstein für den Bau praktischer Quantencomputer gelegt. Allerdings reagieren supraleitende Qubits sehr empfindlich auf die Temperatur und elektromagnetische Störungen der Umgebung, sodass Experimente bei extrem niedrigen Temperaturen und in einer gut abgeschirmten Umgebung durchgeführt werden müssen.

Die US-amerikanische Quantencomputing-Industriekette weist ein vollständiges Layout auf, wobei führende Technologieunternehmen wie IBM, Google und Microsoft in die Branche einsteigen, insbesondere im Bereich des supraleitenden Quantencomputings. Im Bereich der supraleitenden Quantenchips veröffentlichte IBM im Dezember 2023 den weltweit ersten Quantencomputer-Prozessorchip Condor mit mehr als 1.000 Qubits, der über 1.121 Qubits verfügt.

Im April 2024 veröffentlichte das Institut für Quanteninformation und Quantentechnologieinnovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen supraleitenden 504-Bit-Quantencomputerchip „Xiaohong“ und brach damit den inländischen Rekord für die Anzahl supraleitender Qubits.

Peng Chengzhi, Professor am Institut für Quanteninformation und Quantenwissenschaft und Technologieinnovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefwissenschaftler der China Telecom Quantum Group und Guodun Quantum (688027.SH), sagte, dass supraleitende Quantencomputerchips ausgereifter wiederverwendet werden können Die Verarbeitungstechnologien für Halbleiterchips seien besonders vorteilhaft, so dass Forschung und Entwicklung „nicht schwierig“ seien Eine genauere Steuerung großer Qubits ist ein internationaler Mainstream. Das wissenschaftliche Forschungsteam arbeitet hart.“

Die Rechenleistung, die ein Quantencomputer erreichen kann, hängt von vielen Faktoren ab, am Beispiel supraleitender Quantencomputer, einschließlich der Anzahl der Bits, der Wiedergabetreue, der Kohärenzzeit, der Gate-Betriebsgeschwindigkeit, der Konnektivität usw. Dabei ist die Anzahl der Bits ein wichtiger Indikator. Es sollte jedoch besonders darauf geachtet werden, dass es keinen Sinn macht, nur über die Anzahl der Bits zu sprechen. Wichtiger ist die Gate-Treue (insbesondere die Zwei-Bit-Gate-Treue), die Kohärenzzeit und die Bit-Konnektivität bei großen Bits. Qubits skalieren.

Darüber hinaus besteht die Eigenschaft supraleitender Materialien darin, dass bei Unterschreitung einer bestimmten kritischen Temperatur der Widerstand Null ist und der Strom verlustfrei fließen kann. Um einen effizienten Betrieb und eine stabile Speicherung von Qubits zu erreichen, müssen Quantenchips in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen von -273,12 °C oder niedriger betrieben werden, daher ist der Verdünnungskühlschrank eine der Schlüsselausrüstungen für supraleitendes Quantencomputing.

Gegenwärtig haben die in meinem Land hergestellten Verdünnungskühlschränke große Durchbrüche erzielt, und ihre tatsächlichen Betriebsindikatoren haben das internationale Mainstream-Niveau ähnlicher Produkte erreicht. Der von Guodun Quantum im Handel erhältliche und in Massenproduktion hergestellte Haushalts-Verdünnungskühlschrank bietet Quantenchips mit einer extrem niedrigen Temperatur und einer geräuscharmen Umgebung bis zum 10 mK-Niveau. Die Kühlleistung erreicht 450 uW bei 100 mK Die Kühlleistung des Verdünnungskühlschranks bei einer Temperatur von 100 mK kann 450 uW erreichen. Je größer die Kühlleistung, desto höher ist die Anzahl der Bits, die beim Quantencomputing unterstützt werden können. Dies dient dem „Zuchong-2“ zur Realisierung des Quantencomputers Rechenüberlegenheitsexperiment; es wurde unabhängig von Origin Quantum entwickelt. Der SL1000-Verdünnungskühlschrank kann eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen unter 10 mK und eine Kühlkapazität von nicht weniger als 1000 μW bei 100 mK bieten und erfüllt damit die Anforderungen von Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen. Spitzentechnologiefelder wie supraleitendes Quantencomputing, Physik der kondensierten Materie, Materialwissenschaften und Weltraumforschung.

Das Erreichen der „Quantenüberlegenheit“ ist ein Schlüsselmaß für die Leistung eines Quantencomputers, also seiner Fähigkeit, ein bestimmtes Problem über die eines klassischen Supercomputers hinaus zu berechnen. Derzeit gibt es weltweit nur zwei supraleitende Quantencomputer: den amerikanischen „Platanus“ und den chinesischen „Zuchong-2“.

„Zuchong-2“ ist ein programmierbarer supraleitender Quantencomputer-Prototyp mit 66 Qubits, der von einem Forschungsteam bestehend aus Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi und anderen vom Institut für Quanteninformation und Quantentechnologieinnovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde Shanghai Institute of Technical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften. Im Mai 2023 verbesserte das Team den ursprünglichen 66-Qubit-Chip „Zuchong-2“ und fügte eine 110-Bit-Kopplungssteuerungsschnittstelle hinzu, wodurch die Anzahl der Qubits, die Benutzer steuern können, auf 176 Bit stieg.

Guodun Quantum nutzt als einzige Unternehmenseinheit, die an der Forschung und Entwicklung von „Zuchongzhi“ beteiligt ist, die Lieferkettenmanagement- und Integrationsfähigkeiten des supraleitenden Quantencomputer-Prototyps (einschließlich Raumtemperaturkontrollsystem, Niedertemperatur-Signalübertragungssystem, Chip-Verpackungssystem). , Steuerungssoftwaresystem usw.). Derzeit wurden 4 komplette Quantencomputer erfolgreich ins Ausland verkauft.

Darüber hinaus wird der von Origin Quantum entwickelte unabhängige supraleitende Quantencomputer „Origin Wukong“ der dritten Generation im Januar 2024 online gehen. „Original Wukong“ ist mit einem supraleitenden 72-Bit-Quantenchip „Wukong Core“ mit insgesamt 198 Bits ausgestattet Qubits, das 72 funktionierende Qubits und 126 gekoppelte Qubits enthält.

(Hinweis: Qubit (Qubit) ist die Grundeinheit des Quantencomputings. Es ist der Träger von Quanteninformationen, ähnlich wie Bits im klassischen Computing. Qubits können sich in einem Überlagerungszustand befinden, d. h. in einer Überlagerung mehrerer Zustände gleichzeitig Dadurch können Quantencomputer mehrere Rechenaufgaben gleichzeitig verarbeiten. Gekoppelte Qubits (cQubits) sind spezielle Qubits, zwischen denen Wechselwirkungen oder Kopplungen bestehen. Gekoppelte Qubits werden häufig zur Implementierung von Quantengatteroperationen verwendet, sodass verschiedene Qubits miteinander interagieren können Um Informationen auszutauschen und miteinander zu interagieren, sind Qubits im Allgemeinen die Grundeinheit des Quantencomputings, und Kopplungsqubits sind eine spezielle Form von Qubits, die zur Implementierung von Quantengatteroperationen und Quantencomputing verwendet werden.

(2) Optischer Quantencomputerpfad

Der optische Quantencomputerpfad nutzt Photonen als Informationsträger und realisiert den Quantencomputerprozess durch quantenoptische Elemente. Der Hauptvorteil des optischen Quantencomputings besteht darin, dass das Photon selbst nur sehr schwach mit der Umgebung interagiert und über einen langen Zeitraum einen stabilen Quantenzustand mit hoher Genauigkeit aufrechterhalten kann. Darüber hinaus kann das optische Quantencomputing bei Raumtemperatur durchgeführt werden, im Gegensatz zum supraleitenden Quantencomputing, das eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen erfordert. Die technische Herausforderung liegt in der Erzeugung, dem Betrieb und der Detektion von Photonen, was eine hochpräzise Steuerungstechnik und -ausrüstung erfordert. Zu den Unternehmen, die derzeit Photonen als Weg zu Quantencomputern nutzen, gehören PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum und Bose Quantum.

China ist das einzige Land, das sowohl in der supraleitenden als auch in der optischen Quantentechnologie eine Quantenüberlegenheit erreicht hat. Neben dem „Zu Chongzhi“ auf dem Weg der supraleitenden Quantencomputer gibt es in meinem Land einen weiteren Quantencomputer, der eine „Quantenüberlegenheit“ erreicht hat – von Die von Pan Jianweis Team entwickelte „Neun Kapitel“-Reihe geht den Weg des optischen Quantencomputings ein.

In Bezug auf Quantencomputer mit spezifischen Funktionen hat China große Durchbrüche und Fortschritte auf dem Weg des optischen Quantencomputings erzielt. Im Oktober 2023 baute das Team der University of Science and Technology of China erfolgreich den 255-Photonen-Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-3“. Der Prototyp besteht aus 255 Photonen und kann das mathematische Gaußsche Bose-Abtastproblem 100 Milliarden Mal schneller lösen als der schnellste Supercomputer der Welt und bricht damit erneut den Weltrekord für optische Quanteninformationstechnologie. Darüber hinaus wurde im April 2024 der kohärente optische Quantencomputer der nächsten Generation von Bose Quantum mit 550 Rechen-Qubits veröffentlicht – „Tiangong Quantum Brain 550W“, durch Entwicklungskits, vertreten durch „Kaiwu SDK“ und branchenübergreifende Ökologie Die Kombination von „Quantenalgorithmen“ gemeinsam Das von Partnern entwickelte Projekt hat einen Durchbruch im praktischen Quantencomputing erzielt.

Im Gegensatz zu Allzweck-Quantencomputern, die das Ausführungsberechnungsprogramm nach Belieben ändern können, können Quantencomputer mit spezifischen Funktionen nur bestimmte Quantenalgorithmen ausführen. Wenn sie Berechnungen durchführen möchten, die über die ursprüngliche Entwurfsfunktion hinausgehen, muss die Hardware oder Ausrüstung geändert werden.

Im Bereich der programmierbaren optischen Allzweck-Quantencomputer hat Turing Quantum DeepQuantum auf den Markt gebracht, Chinas erstes Programmier-Framework für optisches Quantencomputing. Mit QubitCircuit in DeepQuantum können Entwickler auf einfache Weise Quantenschaltungen erstellen und simulieren sowie Quanten-Neuronale Netzwerke schnell entwerfen und optimieren. Darüber hinaus können Benutzer mit QumodeCircuit von DeepQuantum optische Quantenschaltungen eingehend untersuchen und praktische Anwendungen entwickeln, die auf Algorithmen wie der Gaußschen Bose-Abtastung basieren. DeepQuantum umfasst nicht nur automatische Differenzierungsfunktionen, sondern verfügt auch über eine Vielzahl integrierter Nicht-Gradienten-Optimierer, die Benutzern dabei helfen, Variationsquantenalgorithmen effizient zu implementieren und zu erkunden. Gleichzeitig wird Turing Quantum optische Quantencomputing-Hardware auf der Quantum Cloud-Plattform bereitstellen, und Benutzer können über DeepQuantum echtes Quantencomputing erleben.

(3) Ionenfallen-Quantenberechnungspfad

Der Ionenfallen-Quantencomputerpfad ist eine Technik, die Ionen (normalerweise geladene Atome oder Moleküle) als Qubits verwendet, um eine Quanteninformationsverarbeitung durchzuführen. Das externe elektromagnetische Feld wird verwendet, um die Ionen innerhalb eines bestimmten Bereichs „einzufangen“, und die Bewegung der Ionen wird durch die Wechselwirkungskraft zwischen der Ladung und dem elektromagnetischen Feld gesteuert. Die Vorteile des Ionenfallen-Quantencomputings liegen in der langen stabilen Zeit des verschränkten Zustands und der hohen Genauigkeit von Logikgattern. Die technische Schwierigkeit besteht jedoch darin, eine stabile „Einkerkerung“ und eine genaue Steuerung einer großen Anzahl von Ionen gleichzeitig zu erreichen Laserkühlungstechnologie und Ultrahochvakuumumgebung sowie Integration. Die Kompatibilität der Schaltung muss noch entwickelt werden, was zu einer begrenzten Skalierbarkeit führt. Zu den Unternehmen, die sich derzeit intensiv mit der Ionenfallen-Quantencomputertechnologie befassen, gehören Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum usw.

Im Jahr 2023 veröffentlichte Huayi Quantum HYQ-A37, einen kommerziellen Prototyp des Ionenfallen-Quantencomputers der ersten Generation mit einer Größenordnung von 37 Qubits. Seine Qubit-Kohärenzzeit, Genauigkeit und andere damit verbundene Leistungsindikatoren haben das weltweit erstklassige Niveau erreicht. Derzeit können Benutzer visuelle Tools oder Code-Editoren verwenden, um nach Vereinbarung schnell Quantenschaltungen zu entwerfen, und aus der Ferne auf HYQ-A37 zugreifen, um Rechenaufgaben auszuführen und Echtzeit-Feedback zu grafischen Rechenergebnissen zu erhalten. Huayi Quantum wird voraussichtlich im Jahr 2024 einen 110-Bit-Niedertemperatur-Ionenfallen-Quantencomputer auf den Markt bringen.

3.3 Die Entwicklungsgeschichte und technischen Schwierigkeiten von Quantencomputern

Seit den 1980er Jahren wird Quantencomputer durch grundlegende physikalische Ideen und Primärprinzipien verifiziert, und jetzt haben Quantencomputer das NISQ-Stadium (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer) erreicht.

Computer mit High-Fidelity-Quantengattern von 50 bis 100 Qubits werden als NISQ-Computer bezeichnet. „Verrauscht“ bedeutet, dass es ein gewisses Maß an Rauschen und Fehlern zwischen den Qubits gibt, was zu einer geringen Fehlertoleranz führt und noch keine genauen Quantenberechnungen durchführen kann. Fehlertolerante Allzweck-Quantencomputer sind ein langfristiges Entwicklungsziel und es wird einige Zeit dauern, bis sie erreicht sind. Die Rechenleistung verrauschter Quantencomputer mittlerer Größe hat jedoch die von Supercomputern weit übertroffen. Sie können einige spezifische Quantenalgorithmen ausführen Aufgaben und haben in einigen Anwendungsbereichen bereits herausragende Leistungen gezeigt.

Die Haupthindernisse für die Entwicklung von Quantencomputern in dieser Phase sind:

(1) Anforderungen an extrem niedrige Temperaturen: Um die Stabilität des Quantenzustands von Qubits aufrechtzuerhalten, müssen Quantencomputer in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden. Unter solchen Bedingungen können Qubits effektiv die Eigenschaften der Quantenverschränkung und Quantenüberlagerung aufweisen. Die Wartung und der Betrieb von Kühlsystemen sind teuer, und mit zunehmender Anzahl von Qubits müssen auch die entsprechenden Kühlanforderungen verbessert werden.

(2) Qubit-Stabilitätsproblem: Qubits (oder Qubits) sind die grundlegenden Informationseinheiten von Quantencomputern, aber sie sind sehr fragil und anfällig für Rauschen und externe Störungen, was zu Quantendekohärenz führt. Dekohärenz zerstört Quanteninformationen und macht Berechnungen unzuverlässig. Die Erhöhung der Kohärenzzeit von Qubits ist ein aktueller Forschungsschwerpunkt.

(3) Quantenfehlerkorrektur: Beim Quantencomputing treten zwangsläufig Fehler auf, und aufgrund der besonderen Eigenschaften von Qubits unterscheiden sich diese Fehler von denen herkömmlicher Computer. Die Entwicklung wirksamer Quantenfehlerkorrekturtechniken ist für die Ermöglichung zuverlässiger Quantencomputer von entscheidender Bedeutung, aktuelle Quantenfehlerkorrekturalgorithmen sind jedoch nach wie vor komplex und schwer zu skalieren.

(4) Skalierbarkeit: Die Anzahl der Qubits in bestehenden Quantencomputern ist relativ gering, aber die Berechnung komplexer Probleme erfordert Hunderte, Tausende oder sogar mehr Qubits. Quantencomputer zu skalieren, ohne die Qualität eines einzelnen Qubits zu beeinträchtigen, ist eine große technische Herausforderung.

(5) Material- und Technologiebeschränkungen: Die Herstellung hochwertiger Qubits erfordert fortschrittliche Materialien und präzise Herstellungsprozesse. Beispielsweise erfordern supraleitende Qubits hochreine supraleitende Materialien, während die Ionenfallentechnologie hochpräzise Laser- und Vakuumsysteme erfordert. Die Entwicklung und Reife dieser Technologien wirkt sich direkt auf die Leistung und Machbarkeit von Quantencomputern aus.

(6) Unzureichende Entwicklung von Algorithmen und Software: Obwohl bekannt ist, dass einige Quantenalgorithmen theoretisch über das klassische Rechnen hinausgehende Leistungen erbringen können, sind die Algorithmenbibliotheken und Softwaretools von Quantencomputern immer noch begrenzt, und es mangelt an breit anwendbaren Quantensoftwareplattformen und Programmier-Frameworks.

(7) Die Kluft zwischen Theorie und Experiment: Quantencomputing macht in der Theorie schnelle Fortschritte, aber die Umsetzung dieser Theorien in tatsächlichen Experimenten ist relativ langsam. Viele Theorien wurden nicht experimentell verifiziert, daher müssen bei experimentellen Techniken und Designs viele Innovationen und Optimierungen vorgenommen werden.

(8) Mangel an Talenten und Wissen: Quantencomputing ist ein interdisziplinäres Gebiet, das mehrere Disziplinen wie Physik, Informatik, Ingenieurwesen und Mathematik umfasst. Derzeit gibt es relativ wenige Forscher und Ingenieure mit interdisziplinären Kenntnissen und Fähigkeiten, was das Entwicklungstempo im Bereich Quantencomputing begrenzt.

(8) Einschränkungen der Anwendungsszenarien: Derzeit zeigen Quantencomputer Potenzial für bestimmte spezifische Probleme, wie etwa chemische Simulationen, das Knacken von Passwörtern und komplexe Optimierungsprobleme. Allerdings sind die Vorteile von Quantencomputern bei vielen allgemeinen Rechenaufgaben noch nicht offensichtlich und ihr praktischer Wert in kommerziellen und industriellen Anwendungen muss weiter erforscht werden.

Wie oben erwähnt, steht die Kommerzialisierung des Quantencomputings noch vor vielen Herausforderungen, doch die Quantentechnologie ist von der theoretischen Forschungsphase in die technische Phase eingetreten. Das Aufkommen fehlertoleranter universeller Quantencomputer wird in der Zukunft fast alle Branchen untergraben befindet sich in der „zweiten Revolution der Quantentechnologie“. In der Zukunft wird es große Veränderungen geben, und wir müssen uns im Voraus auf den Eintritt in ein neues Quantenzeitalter vorbereiten.

3.4 Anwendungen von Quantencomputern

(1) Quantencomputing-Cloud-Plattform

Das Erreichen von „Quantenüberlegenheit“ ist eine notwendige Voraussetzung für die Kommerzialisierung und Popularisierung des Quantencomputings, und die Quantencomputing-Cloud-Plattform ist der Schlüssel zur Entwicklung praktischer Anwendungen des Quantencomputings.

Derzeit sind die Hardwarekosten von Quantencomputern extrem hoch, insbesondere für High-Fidelity- und große Qubit-Systeme. Gleichzeitig erfordern der Betrieb und die Wartung von Quantencomputern professionelle Technologie und Umgebung. Die Quantencomputing-Cloud-Plattform bietet Universitäten, Forschungsinstituten, Unternehmen usw. eine kostengünstige Möglichkeit, auf Quantencomputing-Systeme zuzugreifen.

Einerseits kann die Cloud-Plattform die neuesten Quantencomputertechnologien und -algorithmen schnell aktualisieren und bereitstellen, und andererseits können Benutzer sofort die Vorteile des technologischen Fortschritts erleben, wenn Benutzer die Cloud-Plattform für die Anwendungsentwicklung und -tests ausprobieren Sie können der Plattform Feedback zu Problemen und Bedürfnissen von Lieferanten geben, um die Iteration und Optimierung der Technologie zu fördern. Die Quantencomputing-Cloud-Plattform dient als Brücke zwischen verschiedenen Quantencomputing-Unternehmen, wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmensanwendern, fördert die Zusammenarbeit zwischen Quantencomputing und allen Lebensbereichen und fördert gemeinsam die Entwicklung und Anwendung der Quantencomputing-Technologie.

Im Mai 2023 veröffentlichte Guodun Quantum eine neue Generation der Quantencomputer-Cloud-Plattform, die mit dem selbst entwickelten supraleitenden 176-Bit-Quantencomputer des gleichen Typs wie „Zuchongzhihao“ verbunden war Rekord für inländische Cloud-Plattformen. Es ist außerdem die erste Quantencomputing-Cloud-Plattform der Welt, die das Potenzial hat, Quantenüberlegenheit auf dem supraleitenden Quantenweg zu erreichen, und die für die Außenwelt offen ist. Guodun Quantum erklärte, dass es in Zukunft den Zugriff auf mehrere Hochleistungs-Quantencomputer für gegenseitige Notfallwiederherstellung und iterative Aktualisierungen plant, damit die Hardware der Cloud-Plattform das international fortschrittliche Niveau beibehalten kann.

Im November 2023 unterstützte Guodun Quantum die Quantencomputing-Cloud-Plattform „Tianyan“ der China Telecom Quantum Group und die Supercomputing-Plattform „Tianyi Cloud“ von China Telecom bei der Verbindung zum Aufbau eines Hybrid-Computing-Architektursystems „Supercomputing-Quantencomputing“.

(2) Hauptanwendungsszenarien des Quantencomputings

Laut ICV-Daten wird die globale Quantenindustrie im Jahr 2023 ein Volumen von 4,7 Milliarden US-Dollar erreichen, und die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 2023 bis 2028 wird voraussichtlich 44,8 % erreichen und dabei vom technologischen Fortschritt bei Allzweck-Quantencomputern profitieren Durch den weit verbreiteten Einsatz spezialisierter Quantencomputer in bestimmten Anwendungsbereichen wird erwartet, dass die Gesamtmarktgröße der Quantencomputerindustrie bis 2035 811,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Als aufstrebende Computertechnologie hat Quantencomputing in vielen Bereichen wie dem Finanzwesen, der Medizin und der chemischen Industrie ein bahnbrechendes Anwendungspotenzial gezeigt. Unter ihnen ist die Finanzbranche ein potenziell wichtiger Anwendungsbereich des Quantencomputings. Laut ICV-Prognosen wird der Finanzsektor im Jahr 2035 unter den weltweiten nachgelagerten Anwendungen des Quantencomputings den höchsten Marktanteil haben und 51,9 % erreichen, was einem deutlichen Anstieg entspricht 15,8 % im Jahr 2030. Gefolgt von der Pharma- und der Chemieindustrie mit jeweils 20,5 % und 14,2 %.

Quantencomputing wird im Finanzbereich häufig eingesetzt, um Kosten und Bearbeitungszeit zu reduzieren. Derzeit umfasst es hauptsächlich: Risikomanagement und -kontrolle, Derivatepreisgestaltung, Portfoliooptimierung, Arbitragehandel und Kreditbewertung usw.

Mainstream-Finanzunternehmen im In- und Ausland wie JP Morgan und Goldman Sachs haben Quantenabteilungen zur Entwicklung von Quantenfinanzanwendungen eingerichtet; Origin Quantum und China Economic Information Service Xinhua Finance haben gemeinsam „Quantum Financial Applications“ veröffentlicht, das in Xinhua Finance veröffentlicht wurde Die App ist online und bietet die Anwendung von Quantencomputern zur Optimierung von Anlageportfolios, zur Preisgestaltung von Derivaten und zur Risikoanalyse. Die China Construction Bank hat die Anwendung von Quanteninformationstechnologie aktiv erforscht und praktiziert, ein Labor für Quantenfinanzanwendungen eingerichtet und mit in- und ausländischen Quantum-Unternehmen zusammengearbeitet Sicherheits- und Quantencomputing-Teams haben zusammengearbeitet, um eine Reihe zukunftsweisender Forschungen und innovativer Erkundungen durchzuführen. Die China Construction Bank hat Quantenfinanzanwendungsalgorithmen wie den „Quantum Bayesian Network Algorithm“ und den „Quantum Portfolio Optimization Algorithm“ eingeführt. Diese Algorithmen haben das Potenzial des Quantencomputings bei der Risikoanalyse und Portfoliooptimierung demonstriert.

Im Hinblick auf die medizinische Forschung und Entwicklung sowie die chemische Materialwissenschaft können Quantencomputer komplexe chemische Reaktionen und Materialeigenschaften simulieren, was für die Entdeckung neuer Medikamente, neuer Materialien und die Optimierung chemischer Reaktionsprozesse von großer Bedeutung ist.

Neue Materialien und neue Medikamente haben einen enormen wirtschaftlichen Wert, insbesondere im medizinischen Bereich. Wenn Quantencomputer die traditionelle experimentelle Versuch-und-Irrtum-Methode durch rechnerische Analyse ersetzen können, wird dies nicht nur die Zeit für die Entwicklung neuer Medikamente erheblich verkürzen, sondern auch enorme Einsparungen ermöglichen Kosten für die medizinische Entwicklung. Förderung der Anwendung von Quantencomputern in der medizinischen Forschung und Entwicklung sowie in den Materialwissenschaften, sie muss jedoch noch mit spezifischen Quantenalgorithmen koordiniert werden.

Im Juli 2022 kooperierte das BGI Life Sciences Research Institute mit Quanthuan Technology, um die Anwendung von Quantencomputing im Bereich der Biowissenschaften zu erforschen. Sie verwendeten Quantenalgorithmen, um den Genomzusammenbau zu erreichen, lösten das Problem des Genomzusammenbaus und verwendeten weniger Quantenressourcen, um größere Quantensysteme zu simulieren, was die Möglichkeit bot, groß angelegte Systeme in der NISQ-Ära zu simulieren.

Im März 2022 nutzte Turing Quantum die Tensor-Netzwerktechnologie, um durch die Kontraktion von Tensoren ein 38-mal schnelleres Quanten-KI-Arzneimitteldesign zu erreichen, und brachte eine Reihe von Quanten-KI-Anwendungsmodulen auf den Markt, darunter QuOmics (Genomik), QuChem (Arzneimittelmoleküle). einschließlich Strukturdesign), QuDocking (Drug Virtual Screening) und QuSynthesis (Retrosynthese chemischer Moleküle) haben unterschiedliche Grade der Verbesserung des Quantenalgorithmus erreicht.

Im April 2021 veröffentlichte Origin Quantum das Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0, das eine Grundlage für die Anwendung von Quantencomputern im Bereich der Chemie bietet und innovative Anwendungen von Quantencomputern in der neuen Medizin, neuen Materialien, neuen Energien und anderen Bereichen ermöglicht .

Da sich Qubits im Bereich der künstlichen Intelligenz in mehreren Zuständen befinden können, können neuronale Quantennetze zur Verarbeitung großer Datensätze und komplexer Modelle eingesetzt werden. Dies wird dazu beitragen, die Leistung von Systemen der künstlichen Intelligenz zu verbessern und die Technologie der künstlichen Intelligenz voranzutreiben.

Die Kombination von Quantencomputing und maschinellem Lernen nutzt die Fähigkeit von Quantencomputern, große Datenmengen zu verarbeiten, und hilft dabei, den Engpass zu vieler Parameter durch maschinelles Lernen zu überwinden, was eine wichtige aktuelle Forschungsrichtung darstellt. IBM hat der Qiskit-Architektur ein Modul für maschinelles Lernen hinzugefügt, das die Vorteile von Quantencomputern und maschinellem Lernen kombiniert und die Vorteile von Quantencomputern bei der Verarbeitung großer Datenmengen nutzt, um die zukünftigen Vorteile von Quantenmaschinenlernmodellen zu ermitteln.

4. Quantenkommunikation und Sicherheit

Als wichtiger Zweig der Quantentechnologie stellt die Quantenkommunikation einen großen Durchbruch in der Informationsübertragungstechnologie dar. Sie ist auch die erste und ausgereifteste Quantentechnologie, die in die Praxis gelangt. Quantenkommunikation macht die Kommunikation sicherer, und Quantenkommunikation, insbesondere quantensichere Kommunikation, wurde grundsätzlich in die Praxis umgesetzt. Basierend auf der Quantenschlüsselverteilungstechnologie findet die quantensichere Kommunikation in China viele technische Anwendungen. Die nachgelagerte Industrie ist die Informationssicherheitsbranche, die sehr ausgereift ist.

Mit der Unterstützung der nationalen Politik hat sich die Quantenkommunikationsindustrie meines Landes in den letzten Jahren rasant entwickelt und ist zu einem Weltmarktführer geworden. Durch die kontinuierliche Beteiligung vieler herausragender Unternehmen und wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen ist die Quantenkommunikationsbranche auch zum Schwerpunkt von Primär- und Sekundärmärkten geworden.

4.1 Die Notwendigkeit einer quantensicheren Kommunikation

Die Quantentechnologie gilt als nächster Meilenstein der Technologie. Quantencomputing bringt einen Sprung in der Rechenleistung und macht den Umgang mit komplexen Problemen so einfach wie möglich. Ob es nun um die Entwicklung von Medikamenten, die Klimasimulation oder die Optimierung großer Systeme geht – Quantencomputing soll seine Talente unter Beweis stellen. Doch dieses zweischneidige Schwert stellt auch eine große Bedrohung dar – es kann die meisten heutigen Verschlüsselungstechnologien im Handumdrehen zerstören.

Herkömmliche Public-Key-Kryptographiesysteme wie RSA, ECC (Elliptische-Kurven-Kryptographie) usw. basieren auf der Rechenschwierigkeit ganzzahliger Faktorisierungs- und diskreter Logarithmusprobleme. Der Zeitaufwand für das Knacken dieser Systeme ist extrem lang und sie sind unter bestehenden Bedingungen sehr sicher technische Bedingungen.

Mit der Entwicklung von Quantencomputern wurde jedoch festgestellt, dass Quantenalgorithmen wie der Shor-Algorithmus in der Lage sind, diese Probleme schnell zu lösen. Nehmen Sie als Beispiel den RSA-Algorithmus, den derzeit beliebtesten und am weitesten verbreiteten Verschlüsselungsalgorithmus. Der derzeit am häufigsten verwendete Verschlüsselungsalgorithmus ist die 2048-Bit-Verschlüsselung (je länger die Schlüssellänge, desto länger die Knackzeit), und der Shor-Algorithmus kann dies theoretisch tun Knacken Sie die Langzeitverschlüsselung in nur 8 Stunden. Bis zu 2048-Bit-RSA-Verschlüsselung, wodurch die Sicherheit herkömmlicher Public-Key-Kryptografiesysteme gefährdet wird.

Bedenken hinsichtlich der Bedrohung der traditionellen Kryptographie durch Quantencomputer gibt es schon seit einiger Zeit, sie sind jedoch noch nicht zur Realität geworden. Die Rechenleistung eines Quantencomputers hängt von der Anzahl der Qubits ab, die er verarbeiten kann. Aktuelle Quantencomputer verfügen nur über Hunderte bis Tausend Rausch-Qubits, die zur Erzeugung einer kleinen Anzahl stabiler und fehlerkorrigierender Qubits verwendet werden. Eine Bedrohung für die herkömmliche Verschlüsselung erfordert Tausende stabiler Qubits, wofür möglicherweise Millionen verrauschter Qubits erforderlich sind. Obwohl sich die Fähigkeiten von Quantencomputern schnell weiterentwickeln, haben sie daher noch nicht ein Niveau erreicht, das die klassische Verschlüsselung bedroht. Einige Branchenexperten sagen jedoch, dass dieses Niveau innerhalb der nächsten 5 bis 10 Jahre oder weniger erreicht werden könnte.

Obwohl die Bedrohung der traditionellen Kryptographie durch Quantencomputer noch im theoretischen Stadium liegt, ist eines der größten Probleme derzeit die Vorwärtssicherheit sensibler Informationen. Obwohl die Quantencomputertechnologie noch keinen wirklichen Durchbruch erzielt hat, sind viele verschlüsselte sensible Informationen im Umlauf online, was bedeutet, dass Kriminelle jetzt verschlüsselte Daten stehlen und speichern und sie dann entschlüsseln können, wenn die Quantencomputertechnologie ausgereift ist.

Um dieses Problem zu lösen, werden Quantenschlüsselverteilung (QKD, Quantum Key Distribution), Post-Quantum-Kryptographie (PQC, Post-Quantum Cryptography), Quanten-Zufallszahlengenerator (QRNG, Quantum Random Number Generator) und Quantenteleportation (Quantenkommunikationssicherheitstechnologien) eingesetzt wie QT (Quantum Teleportation), unter denen QKD theoretisch als die einzige bedingungslos sichere Kommunikationsmethode gilt, da die QKD-Schlüsselsicherheit auf den Gesetzen der Quantenphysik basiert und nicht auf der rechnerischen Komplexität mathematischer Probleme. Der Aufbau eines quantensicheren Kommunikationsnetzwerks auf Basis der QKD-Technologie in meinem Land nimmt Gestalt an, und kommerzielle Anwendungen schreiten weiter voran, während der PQC-Algorithmus derzeit einer Standardisierungsdemonstration unterzogen wird.

4.2 Haupttechnologien für quantensichere Kommunikation

Quantencomputing ist der „Speer“ und quantensichere Kommunikation der „Schild“. Bevor die „zweite Revolution der Quantentechnologie“ offiziell eintrifft, bietet die Entwicklung der quantensicheren Kommunikationstechnologie neue Lösungen für die Informationssicherheit, insbesondere in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie z. B. Regierungskommunikation, Finanztransaktionen und nationale Verteidigungssicherheit. Mit der kontinuierlichen Reife der Technologie und der Förderung von Anwendungen wird erwartet, dass die quantensichere Kommunikation in Zukunft ein sichereres und zuverlässigeres Kommunikationsnetzwerk aufbauen wird.

(1) Quantenzufallszahlengenerator (QRNG)

Ein Zufallszahlengenerator ist ein Gerät oder Algorithmus, der eine Folge von Zufallszahlen erzeugen kann. Zufallszahlengeneratoren sind in der Kryptographie sehr wichtig und werden zum Generieren von Verschlüsselungsschlüsseln, Initialisierungsvektoren (IVs) und anderen Parametern verwendet, die geheim gehalten werden müssen. Sie gewährleisten die Sicherheit und Unvorhersehbarkeit des Verschlüsselungsprozesses.

Zufallszahlengeneratoren werden in echte Zufallszahlengeneratoren (TRNG, True Random Number Generator) und Pseudozufallszahlengeneratoren (PRNG, Pseudo-Random Number Generator) unterteilt, die im Allgemeinen die Erzeugung von Zufälligkeiten auf der Grundlage physikalischer Prozesse oder natürlicher Phänomene bezeichnen. wie z. B. thermisches Rauschen von Geräten, radioaktiver Zerfall, Photonenankunftszeit usw. Da sie auf unvorhersehbaren physikalischen Prozessen beruhen, gelten sie als „wirklich“ zufällig. PRNG verwendet einen deterministischen Algorithmus, der von einem Anfangszustand (Seed) ausgeht und gemäß den Regeln des Algorithmus eine zufällige Zahlenfolge generiert.

Da TRNG eine begrenzte Anzahl von Zufallszahlen pro Sekunde erzeugen kann, wird TRNG normalerweise als „Seed“ von PRNG verwendet, um eine echte und nicht wiederholbare Zufallszahlenfolge zu erzeugen. Obwohl PRNG auch als Zufallszahlengenerator bezeichnet wird, ist er tatsächlich sehr vorhersehbar. Solange der Algorithmus und der Seed-Zustand bekannt sind, war die Suche nach dem perfekten TRNG schon immer eine wichtige Forschungsrichtung.

Der Quantenzufallszahlengenerator (QRNG) ist ein perfekter TRNG, der die Quantenzufallsüberlagerung der Quantenmechanik übernimmt und die probabilistischen Eigenschaften der Quantenwelt nutzt, um einen wirklich zufälligen Schlüssel zu erstellen. Da der Quantenmechanismus von QRNG vollständig beherrscht und verstanden wurde, werden Quantenkomponenten, die Zufallszahlen erzeugen, bei der Informationsverschlüsselung verwendet. Die derzeitige Hauptforschungs- und Entwicklungsrichtung von QRNG besteht in der Herstellung wirtschaftlicherer, schnellerer und kleinerer Quantenzufallschips.

(2) Quantenschlüsselverteilung (QKD)

Quantum Key Distribution (QKD) nutzt Quantenzustände, um Informationen zu übertragen und Schlüssel zwischen kommunizierenden Parteien über ein bestimmtes Protokoll auszutauschen. Diese Technologie wendet die grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik an, um sicherzustellen, dass jeder Versuch, den übertragenen Schlüssel zu stehlen, von legitimen Benutzern entdeckt wird die bisher einzige theoretisch bedingungslos sichere Kommunikationsmethode zu erreichen.

Der Schlüssel zur Quantenschlüsselverteilung (QKD) besteht darin, Materie mit einem Quantenzustand als Passwort zu verwenden. Der Quantenzustand weist die folgenden zwei Schlüsseleigenschaften auf und gewährleistet so die sichere Übertragung von Informationen:

Erstens führt die Messung eines Quantenzustands zu einer Zustandsänderung: Gemäß dem Unschärfeprinzip der Quantenmechanik führt die Messung eines Quantenzustands zu einer Zustandsänderung. Wenn jemand versucht, die übertragenen Informationen zu stehlen, muss der Quantenzustand gemessen werden, was sich auf das Quantensystem auswirkt und von legitimen Benutzern bemerkt wird.

Zweitens die Nichtklonbarkeit von Quantenzuständen: Nach den Prinzipien der Quantenmechanik ist es unmöglich, einen unbekannten Quantenzustand perfekt zu kopieren. Dies bedeutet, dass die vollständigen Informationen des Quantenzustands während des Übertragungsprozesses nicht gestohlen werden können, wodurch die Sicherheit der Informationen gewährleistet ist.

In dieser Phase nutzt die quantensichere Kommunikationstechnologie hauptsächlich das QKD-Netzwerk, um eine sichere Verteilung von Schlüsseln zu erreichen, und kombiniert es dann mit symmetrischer Kryptographietechnologie, um die sichere Übertragung von Informationen zu gewährleisten. Vereinfacht ausgedrückt werden an beiden Enden einer Singlemode-Glasfaser optische Quantum-State-Sende- und Empfangsgeräte angebracht, die die Funktionen häufig verwendeter optischer Module ersetzen können, um eine sichere Kommunikation auf Basis physikalischer Verschlüsselung zu erreichen.

Die QKD-Technologie ist die Schlüsseltechnologie zur Verwirklichung der Quantenkommunikation, aber mit verschiedenen sicheren QKD-Protokollen sind auch Quantennetzwerke mit hoher Geschwindigkeit und großer Übertragungsentfernung ein unverzichtbarer Bestandteil der Verwirklichung der Quantenkommunikation. Obwohl die Quantenkommunikationstechnologie zunächst durch QKD und andere Lösungen in die Praxis umgesetzt wurde, sind Übertragungsentfernung und Kosten immer noch Faktoren, die die Anwendung und industrielle Entwicklung der gesamten Branche einschränken. Kommerzielle, faserbasierte Punkt-zu-Punkt-QKD ist in der Übertragungsentfernung begrenzt, während die Übertragung von Satellit-zu-Boden-QKD über große Entfernungen teure Komponenten wie Satelliten erfordert. Das zukünftige Entwicklungsziel der Quantenkommunikation besteht darin, ein weiträumiges, die Welt abdeckendes Quantenkommunikationsnetzwerksystem aufzubauen, und verwandte Technologien erfordern noch weitere Durchbrüche.

(3) Quantenteleportation (QT)

Quantenteleportation (QT) ist eine Informationsübertragungsmethode, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert. Es ermöglicht die genaue Übertragung des Zustands eines Quantensystems (z. B. eines Qubits) von einem Ort (oft als „Sendeende“ bezeichnet) an einen anderen Ort (oft als „Empfangsende“ bezeichnet), ohne dass ein physisches Übertragungsmedium erforderlich ist. Bei der Quantenteleportation geht es nicht um die augenblickliche Bewegung der Materie selbst, sondern um die augenblickliche Übertragung von Quanteninformation.

Die Realisierung der Quantenteleportation basiert auf den folgenden quantenmechanischen Prinzipien:

Quantenverschränkung: Es besteht eine besondere Verbindung zwischen zwei oder mehr Quantenteilchen. Selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind, wirkt sich eine Änderung des Zustands eines Teilchens sofort auf den Zustand anderer mit ihm verschränkter Teilchen aus.

No-Cloning-Theorem von Quantenzuständen: Es ist unmöglich, eine perfekte Kopie eines unbekannten Quantenzustands zu erstellen.

Quantenmessung: Die Messung von Quantensystemen führt zum Zusammenbruch von Zuständen und die Messergebnisse sind normalerweise zufällig.

Zu den grundlegenden Schritten der Quantenteleportation gehören:

a. Bereiten Sie ein Paar verschränkter Partikel vor und senden Sie eines an das Empfangsende und das andere an das Sendeende.

b. Führen Sie auf der Sendeseite eine spezifische gemeinsame Messung des zu übertragenden Qubits und der verschränkten Teilchen auf der Sendeseite durch. Diese Messung bewirkt, dass die Informationen des Qubits auf das verschränkte Teilchen am Empfängerende übertragen werden, der Prozess ist jedoch zufällig und zerstört den ursprünglichen Zustand des Qubits.

c. Senden Sie die gemeinsamen Messergebnisse (klassische Informationen) über gewöhnliche Kommunikationskanäle (z. B. Telefon oder Internet) an den Empfänger.

d. Basierend auf den empfangenen klassischen Informationen führt das Empfängerende eine Reihe von Quantenoperationen an den verschränkten Teilchen durch, um den ursprünglichen Qubit-Zustand zu rekonstruieren.

Durch diesen Prozess wird die Quanteninformation vom Sender „unsichtbar“ an den Empfänger übertragen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Quantenteleportation keine Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit ermöglicht, da die Rekonstruktion des ursprünglichen Zustands auf Informationen beruht, die über klassische Kommunikationskanäle übertragen werden, und diese Übertragungsrate durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist.

Quantenteleportation wird derzeit hauptsächlich in einer Laborumgebung untersucht. Quantenteleportation ist eine Schlüsseltechnologie für die Realisierung von Quantenkommunikation und Quantennetzwerken über große Entfernungen und wird voraussichtlich eine wichtige Rolle im zukünftigen Quanteninternet spielen.

(4) Post-Quanten-Kryptographie (PQC)

PQC-Technologie bezieht sich auf die Entwicklung und das Design von Verschlüsselungsalgorithmen, die Quantencomputerangriffen widerstehen können. Derzeit haben PQC und der Bereich der Quantenkryptographie eine Vielzahl von Kryptographietechniken und -algorithmen entwickelt, um den Bedrohungen des Quantencomputings entgegenzuwirken. Der Schwerpunkt liegt auf der Vermeidung der Verwendung ganzzahliger Faktorisierungs- und diskreter Logarithmusprobleme zur Verschlüsselung von Daten. Spezifische Methoden umfassen gitterbasierte Kryptografie, Hash-basierte Kryptografie, codebasierte Kryptografie und Multivariablen-basierte Kryptografie.

Unter diesen gilt die gitterbasierte Verschlüsselungstechnologie derzeit als die bekannteste und zuverlässigste. In der weltweit einflussreichsten PQC-Standardisierungsarbeit unter der Leitung des National Institute of Standards and Technology (NIST) sind drei der vier von ihm im Jahr 2023 ausgewählten standardisierten Algorithmen gitterbasierte Verschlüsselungstechnologien.

Obwohl die neue Post-Quanten-Kryptographie gegenüber Shors Quantenalgorithmus resistent ist, ist sie nicht narrensicher. Einerseits scheinen diese Probleme der Post-Quantenkryptographie derzeit schwer zu lösen zu sein, es könnten jedoch in Zukunft neue Methoden zur Lösung dieser Probleme entdeckt werden, andererseits kann die tatsächliche Implementierung von Post-Quantenkryptographie-Algorithmen auch Mängel aufweisen Probleme bei der Parameterauswahl können zu potenziellen Sicherheitslücken führen.

Es wird berichtet, dass sich die aktuelle Sicherheit des PQC-Algorithmus von theoretischen mathematischen Schwachstellen auf praktische Anwendungsebenen ausgeweitet hat. Der Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM), einer der vom NIST nominierten standardisierten Algorithmen, wurde 2023 als Reaktion auf Seitenkanäle aufgedeckt. Sicherheitslücken bei Angriffen.

Das Aufkommen tatsächlicher Angriffe unterstreicht, wie wichtig es ist, potenzielle Schwachstellen beim Einsatz des PQC-Algorithmus umgehend zu prüfen und zu beheben, was zu einer kontinuierlichen Verbesserung und Weiterentwicklung des PQC-Algorithmus führt, um die Sicherheit in realen Anwendungsszenarien zu verbessern.

Die kryptografische Technologie ist für die nationale Sicherheit von großer Bedeutung. Um die digitale Welt sicher zu halten, muss die PQC-Technologie ständig weiterentwickelt und aktualisiert werden, um sich jederzeit an neue Bedrohungen anpassen zu können.

4.3 Quantenkommunikationsnetzwerk und Quanteninternet

(1) Baustatus des Sicherheitsnetzwerks für Quantenkommunikation in meinem Land

Zur Kernausrüstung des quantensicheren Kommunikationsnetzwerks gehören QKD-Produkte, Kanal- und Schlüsselnetzwerkaustauschprodukte usw. Zu den derzeit erreichbaren quantensicheren Kommunikationsnetzen gehören lokale Netze, Metropolnetze und Backbone-Netze.

Das lokale Netzwerk ermöglicht den Zugriff mehrerer Terminals in einer Einheit oder an einem Standort und stellt keine großen Entfernungsanforderungen. Das städtische Netzwerk ist für die Verbindung verschiedener Bereiche innerhalb der Stadt verantwortlich und verbindet das Uplink-Backbone-Netzwerk und das lokale Downlink-Netzwerk Das regionale Netzwerk und das Backbone-Netzwerk realisieren die provinz- und grenzübergreifende Kommunikation (einschließlich terrestrischer Glasfaser- und Satelliten-Bodenstations-Implementierungsmethoden), die derzeit von terrestrischen Glasfasern dominiert werden, die hohe Entfernungsanforderungen stellen.

Im August 2016 startete mein Land erfolgreich den weltweit ersten Quantenwissenschafts-Experimentalsatelliten, Mozi, und war damit das erste Land der Welt, das eine Quantenkommunikation zwischen einem Satelliten und der Erde erreichte, und verifizierte vollständig den Einsatz von Satellitenplattformen, um eine globale Quantenkommunikation zu erreichen. Durchführbarkeit.

Im Jahr 2018 übernahm Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., eine Tochtergesellschaft der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, mit Genehmigung der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission die Aufgabe, die erste Phase der landesweiten quantensicheren Weitverkehrskommunikation aufzubauen Im Jahr 2022 wird die gesamte Linie fertiggestellt und abgenommen. Das nationale Quanten-Backbone-Netzwerk deckt wichtige nationale strategische Gebiete wie Peking-Tianjin-Hebei, das Jangtse-Delta, die Greater Bay Area Guangdong-Hong Kong-Macao und den Wirtschaftskreis Chengdu-Chongqing ab 10.000 Kilometer Es ist das weltweit erste und derzeit einzige groß angelegte Quanten-Backbone-Netzwerk.

Im Juni 2023 wurden auf dem 5. Hochrangigen Forum für integrierte Entwicklung des Jangtse-Deltas die Bauergebnisse des regionalen quantensicheren Kommunikations-Backbone-Netzwerks des Jangtse-Deltas veröffentlicht, das von Guoke Quantum gebaut und betrieben wurde. Die Gesamtlänge des quantensicheren Kommunikations-Backbone-Netzwerks in der Jangtse-Delta-Region beträgt etwa 2.860 Kilometer und bildet ein Ringnetzwerk mit Hefei und Shanghai als Kernknoten, das Nanjing, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu und andere Städte verbindet.

Was das Metropolregionsnetzwerk betrifft, so eröffnete Hefei in der Provinz Anhui im ​​August 2022 das Hefei Quantum Metropolitan Area Network, das zu dieser Zeit das größte, am weitesten abgedeckte und am weitesten verbreitete Quanten-Metropolregionsnetzwerk des Landes war, einschließlich 8 Kernen Netzwerkstandorte und 159 Zugangsnetzwerkstandorte, die Gesamtlänge der Glasfaser beträgt 1147 Kilometer.

Derzeit verfügen zwanzig oder dreißig Städte über eigene Quanten-Metropolregionsnetze, und der Bau von Quanten-Backbone-Netzwerk-Hauptleitungen soll auch den Aufbau von Metropolregionsnetzen in den entsprechenden unterstützenden Städten beschleunigen. Am Beispiel Shanghai gab Shanghai Telecom auf der Shanghai Industrial Technology Innovation Conference am 22. März 2024 bekannt, dass es den Aufbau eines quantensicheren Kommunikationsnetzwerks im Großraum Shanghai plant. Es wird erwartet, dass die erste Bauphase abgeschlossen wird im Jahr 2024 und wird damit bundesweit zum ersten Benchmark-Beispiel für ein praktisches Quantenkommunikationsnetzwerk.

Die Investitionen in den Aufbau eines Quanten-Backbone-Netzwerks und die Größe des gesamten Projekts sind recht groß, aber derzeit gibt es weniger Quantennetzwerk-Anwendungen und Kundengruppen als bei herkömmlichen Projekten. Daher müssen nachfolgende Quantenanwendungen noch gemeinsam von verschiedenen Branchen vorangetrieben werden, um den Aufbau des gesamten Quantennetzwerks zu beschleunigen.

In Übereinstimmung mit den „vier neuen“ Standards (neue Wege, neue Technologien, neue Plattformen und neue Mechanismen) hat die staatliche Vermögensaufsichts- und Verwaltungskommission des Staatsrates kürzlich die erste Gruppe von Start-up-Unternehmen ausgewählt und bestimmt um die Gestaltung neuer Felder und neuer Wege zu beschleunigen, neue Produktivkräfte zu kultivieren und zu entwickeln und sich auf die Gestaltung aufstrebender Bereiche wie künstliche Intelligenz, Quanteninformation und Biomedizin zu konzentrieren.

Zuvor, im Januar 2024, gaben sieben Ministerien, darunter das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und die Kommission für die Überwachung und Verwaltung staatlicher Vermögenswerte des Staatsrates, gemeinsam die „Umsetzungsmeinungen zur Förderung künftiger industrieller Innovationen und Innovationen“ heraus Entwicklung“ und schlug vor, proaktiv neue Wege zu entwickeln, um die nächste Generation der Mobilkommunikation, industrielle Anwendungen des Satelliteninternets, Quanteninformation und andere Technologien zu fördern.

Die intensive Veröffentlichung relevanter Richtlinien spiegelt das Verständnis meines Landes für die Bedeutung der Quantenkommunikationstechnologie wider, bietet starke politische Unterstützung für die Industrieentwicklung und dürfte Chinas Quantenkommunikationsindustrie in Zukunft zu neuen Höhen führen.

(2) Quanteninternet

Quanteninternet ist ein neues Kommunikationsnetzwerkkonzept, das auf der Quanteninformationstechnologie basiert und die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um die Erzeugung, Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Daten zu realisieren. Anders als das traditionelle Internet, das auf klassischen physikalischen Prinzipien basiert, besteht der Kern des Quanteninternets darin, die Eigenschaften von Qubits und Quantenverschränkung zu nutzen, um sicherere und effizientere Kommunikationsmöglichkeiten bereitzustellen.

Neben der absolut sicheren Übertragung von Quanteninformationen kann das Quanteninternet mithilfe von Quantensensoren und Quantencomputern auch Quantenpräzisionsmessungen, digitale Quantenvisa, verteiltes Quantencomputing usw. durchführen.

Das Quanteninternet hat drei Hauptpunkte: Erstens sind die mit dem Netzwerk verbundenen Geräte Quantengeräte; zweitens überträgt das Netzwerk Quanteninformationen; drittens basiert die Netzwerkübertragungsmethode auf Quantenmechanik.

Obwohl einige Quantenkommunikationssatelliten und Bodenstationen gebaut und eine überregionale Quantenschlüsselverteilung erfolgreich erreicht wurden, steht der Aufbau eines globalen Quanteninternets immer noch vor großen technischen und technischen Herausforderungen, die die Lösung von Sicherheitsproblemen unter realen Bedingungen erfordern Probleme bei der Fernübertragung.

Derzeit beträgt die sichere Entfernung von Punkt-zu-Punkt-QKD mithilfe von Glasfasern etwa 100 Kilometer. Mit der vorhandenen Technologie kann die Entfernung der Quantenkommunikation durch vertrauenswürdige Repeater effektiv verlängert werden.

Im Jahr 2017 verband die quantensichere Kommunikationsleitung meines Landes „Beijing-Shanghai Trunk Line“ über 32 Relaisknoten das gesamte etwa 2.000 Kilometer lange Intercity-Glasfaser-Quantennetz und dockte erfolgreich an den Quantensatelliten „Mozi“ an, wodurch eine Welt entstand erstes Quanteninternet vom Stern zur Erde.

Im Januar 2018 erreichten China und Österreich erstmals eine interkontinentale Quantenschlüsselverteilung über eine Entfernung von 7.600 Kilometern und nutzten den gemeinsamen Schlüssel, um eine verschlüsselte Datenübertragung und Videokommunikation zu erreichen, was beweist, dass „Mozi“ die Fähigkeit besitzt, interkontinentale Quantenschlüssel zu erreichen Schlüsselverteilung. Fähigkeit zur vertraulichen Kommunikation.

Die Erfindung des Internets hat die Menschheit in das Informationszeitalter geführt, und das Quanteninternet bietet die Möglichkeit, die Welt zu verändern. Große Länder auf der ganzen Welt schmieden aktiv Pläne. Im August 2020 veröffentlichte das US-Energieministerium den Bericht „Establishing a National Quantum Network to Lead a New Era of Communications“, in dem ein strategischer Entwurf für den Aufbau eines nationalen Quanteninternets innerhalb von 10 Jahren vorgeschlagen wird.

Im Allgemeinen wurden kommerzielle Quantencomputer noch nicht in großem Umfang eingesetzt, und das Quanteninternet, das Quantencomputer verbindet, ist immer noch ein Zukunftskonzept. Das derzeit von verschiedenen Ländern geförderte Quanten-Internet ist der Prototyp des Quanteninternets Ziel des Quanteninternets ist es, Quantencomputing, Quantenmessung und andere funktionale Integration zu kombinieren.

4.4 Anwendungen der Quantenkommunikation

Laut ICV-Prognosen wird der globale Quantenkommunikationsmarkt im Jahr 2021 etwa 2,3 Milliarden US-Dollar betragen und bis 2025 voraussichtlich auf 15,3 Milliarden US-Dollar und bis 2030 auf 42,1 Milliarden US-Dollar wachsen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von etwa 34 % von 2021 bis 2030 .

Die Industriekette der Quantenkommunikation ist hauptsächlich in Upstream-Komponenten und Kernausrüstung, Midstream-Netzwerkübertragungsleitungen und Systemplattformen sowie nachgelagerte Märkte für Sicherheitsanwendungen unterteilt. Derzeit befindet sich der Quantenkommunikationsmarkt noch im Aufbaustadium der Kommunikationsnetzwerkinfrastruktur, und Kernausrüstung und -lösungen sind immer noch der Schlüssel zur Industriekette. Laut ICV-Daten wird die Marktgröße der Upstream- und Midstream-Kernausrüstung und -lösungen im Jahr 2025 voraussichtlich 80 % ausmachen, was etwa 12,24 Milliarden US-Dollar entspricht.

Gemessen am aktuellen Aufbau der Quantenkommunikationsinfrastruktur in meinem Land ist der Bau von mehr als 12.000 Kilometern Quanten-Backbone-Netzwerken abgeschlossen. Dem Gesamtplan zufolge könnte es in Zukunft zu einem Backbone-Netzwerkbau von fast 20.000 Kilometern kommen, der Peking bis Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an und andere Orte umfasst.

Da die Infrastruktur des Quantenkommunikationsnetzwerks meines Landes weiter verbessert wird, lohnt es sich auch, auf nachgelagerte kommerzielle Anwendungen zu blicken. ICV-Beratungsdaten zeigen, dass die Marktgröße für nachgelagerte Quantenkommunikationsanwendungen im Jahr 2021 etwa 230 Millionen US-Dollar beträgt. Die Marktgröße für nachgelagerte Quantenkommunikationsanwendungen wird im Jahr 2025 voraussichtlich 3,06 Milliarden US-Dollar betragen und im Jahr 2030 11,788 Milliarden US-Dollar erreichen. Die CAGR von 2021 bis 2030 beträgt etwa 54,87 %.

Derzeit ist die sichere Quantenkommunikation noch auf Bereiche wie Landesverteidigung, Finanzen und Regierungsangelegenheiten beschränkt. In Zukunft wird die Quantenkommunikationsbranche weitere nachgelagerte Szenarien ermöglichen, und relevante Unternehmen erforschen aktiv weitere kommerzielle Anwendungsfelder.

Unter ihnen ist Guodun Quantum ein gemeinsamer Partner zur Integration von Quantensicherheitstechnologie mit Big Data, Cloud Computing, Internet der Dinge, künstlicher Intelligenz usw., um gemeinsam die Industrieökologie „Quantum+“ zu fördern. Guodun Quantum und China Telecom haben gemeinsam Produkte und Dienstleistungen wie „Quantum Security OTN Private Line“ und „Quantum Encrypted Intercom“ auf den Markt gebracht. Die Zahl der Nutzer des quantenverschlüsselten Sprachgeschäfts hat mittlerweile mehr als eine Million erreicht -Das Aktienunternehmen Zhejiang Guodun Electricity hat in Shaoxing mit Unternehmen wie DingTalk (China) zusammengearbeitet entwickeln gemeinsam eine Reihe sicherer Office-Produkte wie das „Quantum Security Application Portal“.

Mit zunehmender Reife der Quantenschlüsselverteilungs-Netzwerktechnologie (QKD) und zunehmender Mobilität und Miniaturisierung von Endgeräten werden quantensichere Kommunikationsanwendungen auf Telekommunikationsnetzwerke, Unternehmensnetzwerke, private Heimnetzwerke und andere Bereiche ausgeweitet.

5. Quantenpräzisionsmessung

Die Quantenpräzisionsmesstechnik basiert auf der Quantenmechanik als grundlegender Theorie. Sie nutzt technische Prinzipien wie Teilchenenergieniveauübergang, Quantenverschränkung und Quantenkohärenz, um Quantenzustände mikroskopischer Teilchen wie Atome und Photonen vorzubereiten, zu messen und zu lesen Realisieren Sie physikalische Parameter wie Hochpräzise Präzisionsmessungen physikalischer Parameter wie Magnetfeld, Frequenz, elektrisches Feld, Zeit, Länge usw.

5.1 Definition der Quantenpräzisionsmessung

Wichtige technische Mittel zur Quantenpräzisionsmessung sind: mikroskopische Teilchenenergieniveaumessung, quantenkohärente Superpositionsmessung und Quantenverschränkungsmessung, die auch die Grundmerkmale der Quantenmechanik sind.

(1) Basierend auf der mikroskopischen Messung des Teilchenenergieniveaus

Nach Bohrs Atomtheorie setzen Atome elektromagnetische Wellen frei, wenn sie von einem hohen „Energiezustand“ in einen niedrigen „Energiezustand“ übergehen. Diese charakteristische Frequenz der elektromagnetischen Welle ist diskontinuierlich. Wenn die zu messende physikalische Größe mit dem Quantensystem interagiert, erfährt das Quantensystem Veränderungen wie einen Energieniveauübergang, eine Energieniveauaufspaltung oder eine Entartung. Zu diesem Zeitpunkt strahlt oder absorbiert das Quantensystem das Spektrum und die Energie der Strahlung oder Absorptionsspektrum hängt mit der gemessenen Energiemenge in Bezug auf physikalische Größen zusammen. Technologie, die auf der Messung des Energieniveaus mikroskopischer Teilchen basiert, stellt hohe Anforderungen an die äußere Umgebung (wie Temperatur, Magnetfeld usw.) und basiert auf der Quantenzustandsmanipulationstechnologie. Beispielsweise wurde 1967 das 9192631770-fache der Übergangszeit des Elektronenenergieniveaus in einem Cäsiumatom als 1 s definiert, wodurch das technische Prinzip der Energieniveaus mikroskopischer Teilchen angewendet wurde.

(2) Messung basierend auf Quantenkohärenz

Die auf Quantenkohärenz basierende Messtechnik nutzt hauptsächlich die Fluktuationseigenschaften des Quantensystems. Die zu messende physikalische Größe hat unterschiedliche Auswirkungen auf die beiden Atomstrahlen. Wenn die beiden Atomstrahlen interferieren, spiegelt sich die zu messende physikalische Größe in der Phasendifferenz wider der Atomstrahlen. Atomkreisel, Schwerkraftgradiometer usw. nutzen technische Prinzipien, die auf Quantenkohärenz basieren. Auf Quantenkohärenz basierende technische Mittel wurden in Bereichen wie der Schwerkrafterkennung und der Trägheitsnavigation eingesetzt. Der nächste Entwicklungstrend geht in Richtung Miniaturisierung und Chipentwicklung, um die Praktikabilität des Systems zu verbessern.

(3) Messung basierend auf Quantenverschränkung

Die auf Quantenverschränkung basierende Messtechnik versetzt n Quanten in einen verschränkten Zustand. Die Auswirkungen der äußeren Umgebung auf die n Quanten werden kohärent überlagert, sodass die endgültige Messgenauigkeit 1/n eines einzelnen Quants erreicht. Diese Genauigkeit durchbricht die Grenze des Schrotrauschens der klassischen Mechanik und ist die höchste im Rahmen der Theorie der Quantenmechanik erreichbare Genauigkeit – die Heisenberg-Grenze. Zu den Anwendungsfeldern der auf Quantenverschränkung basierenden Messtechnik gehören derzeit Quantenkommunikation, Quantensatellitennavigation, Quantenradar usw.

Einfach ausgedrückt nutzt die Quantenpräzisionsmessung die Eigenschaften der Quantenüberlagerung und Quantenverschränkung, um die klassischen Grenzen der traditionellen Messtechnik von den Grundprinzipien her zu durchbrechen und verschiedene Veränderungen in der Umgebung, wie Temperatur, Magnetfeld, Druck, Zeit, Länge, zu kombinieren. Gewicht usw. Verschiedene grundlegende physikalische Größen und abgeleitete Größen wurden auf Quantengrenzen angehoben.

5.2 Entwicklungsstand und Schwierigkeiten der Quantenpräzisionsmesstechnik

Unter den drei Hauptbereichen der Quanteninformation weist die Quantenmessung die Merkmale verschiedener technischer Richtungen, vielfältiger Anwendungsszenarien und klarer Industrialisierungsaussichten auf. Die Entwicklungsreife jeder technischen Richtung der Quantenmessung ist sehr unterschiedlich. Es gibt ausgereifte kommerzielle Produkte wie Atomuhren und Atomgravimeter sowie Prototypenprodukte wie Quantenmagnetometer, optische Quantenradare und Quantengyroskope, die sich in der technischen Forschung befinden Entwicklungs- und Anwendungserkundungsphasen sowie Prototypen wie die Quantenkorrelationsbildgebung und die Rydberg-Atomantenne, die sich noch in der Lösung systemtechnischer Probleme befinden.

Der Fortschritt der Quantenpräzisionsmesstechnik erfordert eine übergreifende Fusion und Innovation in der Quantenphysik, Materialwissenschaft, Optik, Elektronik und anderen Bereichen. Sie steht vor vielen technischen Schwierigkeiten, darunter:

(1) Erzeugung und Aufrechterhaltung der Quantenverschränkung: Die Quantenverschränkung ist eine Schlüsselressource bei Quantenpräzisionsmessungen, aber es ist nicht einfach, in Experimenten qualitativ hochwertige verschränkte Zustände zu erzeugen, und verschränkte Zustände werden aufgrund von Störungen durch die äußere Umgebung leicht entwirrt ( d.h. Dekohärenz).

(2) Dekohärenz und Rauschkontrolle: Quantensysteme sind sehr fragil und werden leicht durch die äußere Umgebung beeinflusst, was zur Dekohärenz von Quantenzuständen führt. Gleichzeitig beeinträchtigen auch verschiedene Rauschquellen wie thermisches Rauschen, elektromagnetisches Rauschen usw. die Messergebnisse. Um hochpräzise Messungen zu erzielen, ist daher eine hervorragende Kontrolle von Rauschen und Dekohärenz erforderlich.

(3) Detektoreffizienz und -auflösung: Quantenpräzisionsmessungen erfordern häufig hocheffiziente und hochauflösende Detektoren zur Erkennung von Quantenzuständen. Aktuelle Detektoren haben noch Raum für Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der Detektionseffizienz und der zeitlichen Auflösung.

(4) Systemkalibrierung und Fehleranalyse: Um die Genauigkeit der Messung sicherzustellen, muss das Quantenmesssystem genau kalibriert werden. Darüber hinaus ist auch die Fehleranalyse der Messergebnisse sehr komplex und es müssen viele Faktoren wie systematische Fehler und statistische Fehler berücksichtigt werden.

(5) Kontrolle von Quantenzuständen: Quantenpräzisionsmessungen erfordern oft eine präzise Kontrolle von Quantenzuständen, einschließlich der Vorbereitung spezifischer Quantenzustände und der Erzielung einer präzisen Quantenzustandsumwandlung. Diese Operationen erfordern äußerst hohe experimentelle Fähigkeiten.

(6) Entwicklung von Materialien und Geräten: Die Herstellung von Materialien und Geräten für die Quantenpräzisionsmessung, wie z. B. Quantenpunkte, supraleitende Quanteninterferometer usw., muss nicht nur die Anforderungen der Quantenmessung erfüllen, sondern auch Stabilität und Wiederholbarkeit aufweisen Herausforderung sowohl in der Materialwissenschaft als auch in der Gerätetechnik.

(7) Skalierbarkeit großer Quantensysteme: Obwohl es uns gelungen ist, kleine Quantensysteme relativ präzise zu steuern, ist es immer noch eine Frage, wie diese Technologien auf große Systeme ausgeweitet werden können, um höherpräzise Messergebnisse zu erhalten Problem. Eine große Herausforderung.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Quantentechnologie werden diese Schwierigkeiten schrittweise überwunden und so die Ausweitung der Quantenpräzisionsmessung auf praktische Anwendungsfelder gefördert. Das internationale Metrologiesystem befindet sich in einer Phase der Entwicklung und Transformation von physikalischen Standards, die auf der klassischen Physik basieren, hin zu „Quantenstandards“.

Im vom Staatsrat im Jahr 2021 herausgegebenen „Messungsentwicklungsplan (2021-2035)“ und im im Jahr 2022 vom Staatsrat herausgegebenen „14. Fünfjahresplan zur Modernisierung der Marktaufsicht“ wurde klar die Notwendigkeit erwähnt, ein nationales modernes, fortschrittliches Messsystem einzurichten Mit der Quantenmetrologie als Kernsystem ist es notwendig, Quantenmessstandards zu entwickeln und zu etablieren, Quantenmesstechnologien auf der Grundlage von Quanteneffekten und physikalischen Konstanten zu untersuchen und die Verbesserung von Messstandards zu fördern.

5.3 Anwendung der Quantenpräzisionsmessung

Laut ICV-Daten wird der weltweite Markt für Quantenpräzisionsdichte voraussichtlich von 1,47 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 auf 3,90 Milliarden US-Dollar im Jahr 2035 wachsen und einen kontinuierlichen Aufwärtstrend mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,79 % aufweisen. Unter ihnen haben die drei großen Marktsegmente Quantenuhren, Quantengravimeter und -gradiometer sowie Quantenmagnetometer große Marktgrößen und machen zusammen etwa 85 % des Marktes für Quantenpräzisionsmessungen aus.

(1) Quantenuhr

Als relativ ausgereiftes Quantenpräzisionsmessprodukt verfügen Atomuhren über hochpräzise und stabile Zeitmessfunktionen. Derzeit erweitert die optische Atomuhrentechnologie ihre Anwendungsbereiche rasch und deckt zahlreiche Branchen ab, wie z. B. die mobile Kommunikation im Schienenverkehr, Datenzentren, die Landesverteidigung und wissenschaftliche Messungen. Dieser Trend zeigt, dass optische Atomuhren nicht nur in wissenschaftlichen Labors eine gute Leistung erbringen, sondern auch nach und nach in praktische Anwendungen vordringen und präzise Zeitmessungs- und Synchronisationsdienste für verschiedene Branchen bereitstellen.

Quantenuhren können aufgrund ihrer extrem hohen Stabilität und Genauigkeit in vielen Bereichen eine wichtige Rolle spielen. Im Folgenden sind einige Hauptanwendungsszenarien aufgeführt:

Global Positioning System (GPS) und Satellitennavigation: Quantenuhren könnten verwendet werden, um die Genauigkeit von GPS und anderen Satellitennavigationssystemen zu verbessern. Da diese Systeme zur Berechnung von Positionsinformationen auf präzise Zeitmessungen angewiesen sind, könnten Quantenuhren ihre Leistung und Zuverlässigkeit erheblich verbessern.

Wissenschaftliche Forschung: Physikalische Experimente, insbesondere solche, bei denen extrem kleine Zeitunterschiede gemessen werden, könnten von der hohen Präzision und Stabilität von Quantenuhren profitieren. Dazu gehören Messungen grundlegender physikalischer Konstanten, Präzisionsquantenexperimente, astrophysikalische Beobachtungen und die Erforschung der Grundgesetze des Universums.

Kommunikationsnetzwerke: Quantenuhren können die Genauigkeit der Netzwerksynchronisation verbessern, was für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungs- und Kommunikationssystemen von entscheidender Bedeutung ist. Da Rechenzentren und Netzwerkinfrastruktur weiter wachsen, wächst auch der Bedarf an Zeitsynchronisierung.

Finanztransaktionen: In der Finanzbranche erfordern Transaktionen präzise Zeitstempel. Die Präzision von Quantenuhren kann genutzt werden, um die Transparenz und Fairness von Handelssystemen, insbesondere im Hochfrequenzhandel, zu verbessern.

Militär und Verteidigung: Präzise Zeitmessung ist für moderne militärische Kommunikations-, Navigations-, Informationserfassungs- und Waffensysteme von entscheidender Bedeutung. Quantenuhren könnten die Leistung und Genauigkeit dieser Systeme verbessern.

Quantencomputing und Quanteninformation: Quantenuhren könnten auch in den Bereichen Quantencomputer und Quantenkommunikation eine wichtige Rolle spielen, die auf die präzise Steuerung und Messung des Zustands von Quantenbits (Qubits) angewiesen sind.

Geophysik und Klimaüberwachung: Quantenuhren sollen voraussichtlich dazu dienen, die Erdrotation, Krustenbewegungen und Meeresspiegeländerungen genauer zu überwachen – Daten, die für das Verständnis und die Vorhersage von Klimawandel und Naturkatastrophen von entscheidender Bedeutung sind.

Erkundung des Weltraums: Bei Missionen im Weltraum können Quantenuhren eine präzisere Navigation und Steuerung ermöglichen und Raumfahrzeugen dabei helfen, weite Strecken im Universum zurückzulegen.

Laut ICV-Daten wird der Quantenuhrenmarkt von 2023 bis 2035 einen stetigen Wachstumstrend aufweisen, wobei die Marktgröße von 580 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 auf 1,21 Milliarden US-Dollar ansteigt, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,77 %.

(2) Quantengravimeter

Das Quantengravimeter ist ein hochpräzises Instrument, das die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um das Schwerefeld der Erde zu messen. Diese Geräte nutzen typischerweise ultrakalte Atomwolken, um winzige Veränderungen im Gravitationsfeld zu erkennen, indem sie präzise Messungen der freien Fallbewegung der Atome durchführen. Quantengravimeter basieren auf der Quanteninterferenz, einem quantenphysikalischen Phänomen, bei dem die Wellenfunktionen (oder Zustände) von Atomen aufgespalten, übertragen und neu kombiniert werden, um messbare Interferenzmuster zu erzeugen.

Da die Nachfrage nach einer genauen Messung von Schwerefeldern und Schwerkraftgradienten in wissenschaftlichen Forschungs- und Ingenieuranwendungen weiter steigt, werden Quantengravimeter und Quantengravitationsgradiometer aufgrund ihrer Vorteile einer hohen dynamischen Szenenzuverlässigkeit und ohne Drift in diesem Bereich häufig eingesetzt:

Geophysikalische Forschung: Erkennung von Krustenbewegungen, Erdbebenüberwachung, Erforschung vulkanischer Aktivität, Messung des Grundwasserspiegels usw.

Mineral- und Ölexploration: Bestimmen Sie die Dichteverteilung unterirdischer Gesteine, um bei der Entdeckung von Mineralressourcen und Ölfeldern zu helfen.

Ingenieurwesen und Bauwesen: Bei Bauprojekten werden Änderungen der Schwerkraft überwacht, um die Stabilität von Fundamenten zu beurteilen.

Verteidigung und nationale Sicherheit: Die hochpräzisen Messfähigkeiten von Quantengravimetern haben potenzielle Anwendungen im Verteidigungssektor, beispielsweise für die Unterwassernavigation und die Erkennung unterirdischer Strukturen.

Navigationssystem: Bietet präzise Trägheitsnavigationsinformationen für U-Boote oder andere Fahrzeuge, die präzise Bodenreferenzdaten benötigen.

Derzeit werden Quantengravimeter und Gradiometer hauptsächlich im militärischen Bereich eingesetzt. Laut ICV-Daten entfielen im Jahr 2023 44 % des Marktanteils auf den Militär- und Verteidigungssektor, gefolgt vom Forschungsbereich mit einem Anteil von 33 %, während der zivile Markt im Zusammenhang mit der Öl- und Gasexploration 23 % ausmachte.

Da die Technologie weiter ausgereift ist und der Markt für nachgelagerte Anwendungen weiter wächst, werden Produktpreis und Leistung eine Schlüsselrolle spielen. Der zivile Markt wird für ein starkes Wachstum in den Märkten für Quantengravimeter und Quantengravitationsgradiometer sorgen. Die Marktgröße wird schnell von 170 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 auf 1,07 Milliarden US-Dollar im Jahr 2035 wachsen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 15,21 %, was das enorme Potenzial dieses Bereichs zeigt.

(3) Quantenmagnetometer

Ein Quantenmagnetometer ist ein Instrument, das Quanteneffekte nutzt, um die Stärke magnetischer Felder zu messen. Sie sind im Allgemeinen empfindlicher als herkömmliche Magnetometer und können extrem schwache Magnetfelder erkennen. Das Grundprinzip der Quantenmagnetometer besteht darin, dass sich ihre Energieniveaus ändern, wenn der Quantenzustand bestimmter Substanzen (normalerweise Atome oder Elektronen) durch ein externes Magnetfeld beeinflusst wird. Durch genaue Messung dieser Änderungen der Energieniveaus kann auf die Stärke des Magnetfelds geschlossen werden.

Auf dem aktuellen Markt für Quantenmagnetometer ist die technologische Vielfalt ein bemerkenswertes Merkmal. Verschiedene Technologien, darunter Protonenmagnetometer, SQUID-Magnetometer, OPM-Magnetometer, SERF-Magnetometer, NV-Farbzentrumsmagnetometer usw., bieten in verschiedenen Anwendungsszenarien einzigartige Vorteile. Dies ermöglicht es dem Markt, eine vielfältige und große Auswahl an Technologien anzubieten.

Quantenmagnetometer weisen eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit auf und bieten ein breites Anwendungsspektrum in vielen Bereichen. Im Folgenden sind einige Hauptanwendungsszenarien aufgeführt:

Geophysikalische Erkundung: Mit Quantenmagnetometern können magnetische Mineralien wie Eisenerz im Boden aufgespürt werden, was Geologen dabei hilft, Bodenschätze zu identifizieren. Darüber hinaus können sie zur Überwachung von Veränderungen im Erdmagnetfeld eingesetzt werden, um Erdbeben und andere geologische Ereignisse vorherzusagen.

Medizinische Bildgebung: In der Magnetresonanztomographie (MRT) können Quantenmagnetometer dazu beitragen, die Auflösung und Qualität der Bildgebung zu verbessern. Darüber hinaus können sie in der Magnetpartikel-Bildgebung (MPI) eingesetzt werden, einer aufstrebenden Bildgebungstechnologie, die verspricht, in Zukunft eine strahlungsfreie medizinische Bildgebungsmethode zu sein.

Biologische Forschung: Quantenmagnetometer können zur Messung schwacher Magnetfelder in lebenden Organismen verwendet werden, um beispielsweise Magnetfeldänderungen im Herzen zu überwachen, um Herzerkrankungen zu untersuchen, oder um Signale im Nervensystem zu verfolgen.

Militär und Sicherheit: Im militärischen Bereich können Quantenmagnetometer zur Erkennung von U-Booten, Minen oder anderen versteckten metallischen Objekten eingesetzt werden. Darüber hinaus können sie verwendet werden, um zu verhindern, dass Spionagegeräte zuhören und überwachen.

Weltraum und Astrophysik: Quantenmagnetometer können schwache Magnetfelder im Weltraum erkennen und so bei der Untersuchung von Phänomenen wie dem Sonnenwind, planetaren Magnetfeldern und interstellaren Magnetfeldern helfen.

Grundlagenforschung in der Physik: In der Experimentalphysik können Quantenmagnetometer zum Nachweis extrem schwacher Magnetfelder eingesetzt werden, was für die Forschung in Bereichen wie der Teilchenphysik, der Quantenphysik und der Physik der kondensierten Materie von entscheidender Bedeutung ist.

Industrielle Anwendungen: Quantenmagnetometer können für zerstörungsfreie Tests eingesetzt werden, beispielsweise zur Erkennung winziger Risse und Korrosion in Pipelines, Flugzeugen und Brücken, um die Sicherheit dieser Strukturen zu gewährleisten.

Quantenmagnetometer werden zunehmend in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt, insbesondere in der Physik, den Geowissenschaften und der Biomedizin. Gleichzeitig werden Quantenmagnetometer im industriellen Bereich häufig bei der Prüfung magnetischer Materialien, der Elektronikfertigung usw. eingesetzt. Die Ausweitung dieser Anwendungen treibt das Wachstum der Marktgröße weiter voran.

Laut ICV-Daten wird der Quantenmagnetometer-Markt von 2023 bis 2035 ein stetiges Wachstum verzeichnen und von 480 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 auf 1,00 Milliarden US-Dollar im Jahr 2035 wachsen. Dieser Wachstumstrend wird hauptsächlich von der wissenschaftlichen Forschung, der Industrie und anderen Bereichen vorangetrieben kontinuierliche Nachfrage nach hochpräzisen magnetischen Messungen im Feld.

6. Panorama der Quantentechnologie-Investitionen

6.1 Karte des Quantentechnologie-Unternehmens

(1) Große Unternehmen im Bereich Quantencomputing

(2) Große Unternehmen im Bereich Quantenkommunikation

(3) Große Unternehmen im Bereich der Quantenmessung

6.2 Bewertung großer inländischer Quantentechnologieunternehmen

Referenzen für diesen Bericht

[1] Zhang Qingrui, „Quantum Megatrends“

[2]iCV&Photon Box, „2024 Global Quantum Computing Industry Development Outlook“

[3]iCV&Photon Box, „2024 Global Quantum Communication and Security Industry Development Outlook“

[4]iCV&Photon Box, „2024 Global Quantum Precision Measurement Industry Development Outlook“

[5] Soochow Securities, „Quanteninformation: Die nächste Informationsrevolution“

Die Daten zeigen

Daten｜Fall｜Quelle der Meinungen

Sofern nicht anders angegeben, stammen die Daten und Inhalte des Berichts aus Recherchen, Interviews und öffentlichen Informationen des China Business Network.

Urheberrechtshinweis

Das Urheberrecht aller Inhalte und Seitendesigns dieses Berichts (einschließlich, aber nicht beschränkt auf Texte, Bilder, Diagramme, Logos, Logos, Marken, Handelsnamen usw.) liegt bei Shanghai First Financial Media Co., Ltd. (im Folgenden bezeichnet). als „unser Unternehmen“). Ohne die schriftliche Genehmigung unseres Unternehmens darf keine Einheit oder Einzelperson Teile oder den gesamten Inhalt dieses Berichts in irgendeiner Form kopieren, reproduzieren, reproduzieren, ändern oder anzeigen. Jede Einheit oder Einzelperson, die gegen die oben genannten Bestimmungen verstößt, gilt als Verstoß gegen unsere geistigen Eigentumsrechte. Unser Unternehmen wird seine gesetzliche Haftung verfolgen und den Verletzer je nach tatsächlicher Situation schadensersatzpflichtig machen.

verzichtetHaftungserklärung

Die in diesem Bericht enthaltenen Inhalte, Informationen und zugehörigen Datenquellen stellen die Einschätzung des Autors am Tag der Erstveröffentlichung dar und es gibt keine Garantie dafür, dass sich der Inhalt und die Meinungen in diesem Bericht in Zukunft nicht ändern werden. Wir bemühen uns um die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Informationen, übernehmen jedoch keine Garantie dafür. Die im Bericht geäußerten Meinungen und Informationen stellen in keinem Fall eine Anlageberatung für irgendjemanden dar. Unter allen Umständen trägt jede Person die alleinige Verantwortung für die Folgen, die sich aus der Verwendung der Inhalte dieses Berichts ergeben.

Produziert von: China Business News丨China Business News Investment Research Center

Chefredakteur: Qian Kun

Hauptautor: Wang Yuanli

Herausgeber: Huang Yu

Genehmigung: Qian Kun und Huang Yu

Vision: Fu Lele

Koordinator: Zhu Guoquan und Zhou Jin

Ansprechpartner: Wang [email protected]