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Table des matières

1. Définition et caractéristiques du quantique

1.1 Superposition quantique

1.2 Intrication quantique

1.3 Décohérence quantique

2. L’ère de la suprématie quantique approche

2.1 La deuxième révolution technologique quantique

2.2 Concours mondial de technologie quantique

3. Informatique quantique

3.1 Définition et avantages de l'informatique quantique

3.2 Principales voies techniques de l'informatique quantique

3.3 État de développement et difficultés techniques des ordinateurs quantiques

3.4 Applications des ordinateurs quantiques

4. Communication et sécurité quantiques

4.1 La nécessité d'une communication sécurisée quantique

4.2 État de développement et difficultés des principales technologies de communication sécurisées quantiques

4.3 Réseau de communication quantique et Internet quantique

4.4 Applications de la communication quantique

5. Mesure de précision quantique

5.1 Définition de la mesure de précision quantique

5.2 État de développement et difficultés de la technologie de mesure de précision quantique

Applications de la mesure de précision quantique

6. Panorama des investissements dans les technologies quantiques

6.1 Informatique quantique, communication quantique, carte d'entreprise de mesure quantique

6.2 Évaluation des principales entreprises chinoises de technologie quantique

1. Définition et caractéristiques du quantique

Le quantique est l'unité de base de la physique qui décrit les particules dans le monde microscopique. C'est une unité discrète d'énergie et d'impulsion. Le quantique n'est pas un « sous » comme un électron. Dans le monde classique, divers phénomènes physiques changent continuellement, comme la température. Dans le monde microscopique, l'état de l'énergie est discontinu et est composé de morceaux d'énergie, de quantités physiques. car l’élan peut être divisé à l’infini en unités infinitésimales, et il existe une plus petite unité de base, qui est le quantum. Cette divisibilité infinie dans le monde microscopique est appelée quantification.

Le quantique possède des propriétés telles que la superposition quantique, l'intrication quantique et la mesure quantique. Ces propriétés sont non seulement importantes en physique, mais jouent également un rôle clé dans les domaines émergents de la technologie quantique, tels que l'informatique quantique, la communication quantique et la mesure quantique. Ces propriétés particulières de la mécanique quantique nous offrent une nouvelle perspective pour comprendre et exploiter les lois fondamentales de la nature.

1.1 Superposition quantique

La superposition quantique est un concept important en mécanique quantique, qui fait référence à un système quantique qui peut être dans un état de superposition entre plusieurs états possibles en même temps. En physique classique, un objet ne peut être que dans un seul état défini, tandis qu'en mécanique quantique, un système quantique peut être dans une combinaison linéaire de plusieurs états possibles. Cela signifie que dans certains cas, un système quantique peut se trouver dans plusieurs états à la fois, pour ensuite s'effondrer dans l'un de ses états définis lorsqu'il est mesuré.

La superposition quantique est la base de l'informatique quantique et de l'information quantique. En utilisant la superposition quantique, le calcul parallèle quantique peut être réalisé et l'efficacité du calcul peut être améliorée.

1.2 Intrication quantique

L'intrication quantique est un phénomène interconnecté spécial en mécanique quantique. Cela signifie que lorsque deux ou plusieurs systèmes quantiques interagissent, leurs états deviennent étroitement liés, quelle que soit leur distance, l'état d'un système affecte immédiatement l'état d'un autre système. Cette association est appelée intrication.

L'état de corrélation de deux particules dans un état intriqué ne peut pas être établi avant d'être mesuré. Cependant, quelle que soit la distance qui sépare les deux particules, tant que l'état intriqué n'est pas détruit, une fois l'une des particules mesurée, l'état de corrélation est établi. l'autre particule sera déterminée elle sera également déterminée en conséquence. L'intrication quantique fournit non seulement la méthode de traitement parallèle la plus efficace pour les opérations quantiques, mais constitue également un outil essentiel pour réaliser la communication quantique. Étant très sensible aux changements environnementaux, l’intrication quantique peut également être utilisée pour créer des capteurs quantiques très précis et sensibles.

1.3 Décohérence quantique

La décohérence quantique signifie que dans un système quantique, les états qui avaient initialement une cohérence (c'est-à-dire les propriétés d'interférence et de superposition des états quantiques) perdent cette propriété de cohérence après un certain processus ou interaction. La décohérence quantique amène généralement les états quantiques à devenir plus classiques, c'est-à-dire plus proches des états de la physique classique.

La décohérence quantique peut se produire dans différentes circonstances, telles que la mesure quantique, la décohérence quantique, les interférences environnementales, etc. Parmi elles, l'interférence environnementale est la cause la plus courante de décohérence quantique. Lorsqu'un système quantique interagit avec son environnement environnant, l'incertitude environnementale et le bruit feront progressivement disparaître l'effet d'interférence de l'état quantique et la cohérence du système.

La décohérence quantique est un problème important affectant l’informatique quantique et le traitement de l’information quantique, car la cohérence est une ressource clé de l’informatique quantique. Par conséquent, étudier comment prolonger le temps de cohérence des états quantiques et réduire l’impact de la décohérence quantique est l’un des axes de recherche actuels dans le domaine de l’information quantique.

2. L’ère de la suprématie quantique approche

2.1 La deuxième révolution technologique quantique

La première proposition du concept quantique remonte à 1900, par le physicien allemand Max Planck. Planck a proposé le concept de quantification de l'énergie, qui constitue la base de la théorie quantique, donnant ainsi le coup d'envoi de la révolution de la physique quantique au début du XXe siècle. En 1905, Albert Einstein développa le concept quantique et proposa le concept de quanta de lumière (photons) pour expliquer l'effet photoélectrique.

La « première révolution technologique quantique » a commencé au début du 20e siècle, avec Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et Paul · Les physiciens représentés par Dirac et d'autres ont établi le cadre théorique de la mécanique quantique, ont décrit les caractéristiques de base de la mécanique quantique, a réalisé la combinaison de la mécanique quantique avec les mathématiques, la chimie et la biologie, et a donné naissance à de nombreuses inventions majeures : la bombe atomique, les lasers, les transistors, la résonance magnétique nucléaire, les ordinateurs, etc.

En 2014, Nature, le plus grand magazine scientifique au monde, a avancé que la « deuxième révolution technologique quantique » avait commencé.

La « première révolution technologique quantique » a fait passer l'humanité de l'ère industrielle à l'ère de l'information, et la « deuxième révolution technologique quantique » en cours signifie que l'humanité dépassera les limites physiques de la technologie classique et entrera dans l'ère quantique, marquant ainsi la compréhension par l'humanité de la monde quantique. L’exploration des ordinateurs quantiques est passée d’une simple « ère de détection » à une « ère de réglementation » active, annonçant des avancées majeures dans les domaines de l’informatique quantique, des communications quantiques et de la mesure de précision quantique.

La « deuxième révolution technologique quantique » utilise l’intrication quantique, la superposition quantique, la mesure quantique, etc. pour réaliser des applications innovantes et devrait déclencher des changements dans de nombreux domaines :

Informatique quantique : le développement des ordinateurs quantiques passera d'ordinateurs quantiques spécialisés à des ordinateurs quantiques universels, pour aboutir à terme à un ordinateur quantique universel programmable capable de résoudre des problèmes spécifiques que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.

Communication quantique : elle dispose d'une méthode de communication anti-écoute clandestine et établit un réseau de communication sécurisé avec un non-clonage quantique et d'autres caractéristiques. Les principales technologies comprennent la distribution de clés quantiques (QKD), la téléportation quantique (QT), etc. Le développement de la technologie de communication quantique favorisera également davantage la construction de l'Internet quantique.

Mesure de précision quantique : la technologie de mesure de précision quantique apporte des outils de mesure de plus haute précision à la recherche scientifique et à l'industrie. Étant donné que les états quantiques sont extrêmement sensibles aux changements de l'environnement externe, la sensibilité et la résolution des mesures de précision quantique dépasseront considérablement les limites classiques et favoriseront la précision. développement des compétences connexes amélioré.

La « deuxième révolution technologique quantique » modifie notre compréhension du monde quantique et favorise l’application de la technologie quantique dans de multiples domaines. À mesure que la technologie continue de progresser, la technologie quantique devrait révolutionner notre façon de vivre et de travailler dans les décennies à venir.

2.2 Concours mondial de technologie quantique

"La révolution de la technologie quantique a donné à la Chine l'opportunité de 'changer de voie et de dépasser'", a déclaré Zhang Qingrui, ancien président par intérim de l'Université nationale de Taiwan, professeur titulaire de la chaire de l'Université Chung Yuan et consultant du Foxconn Quantum Research Institute, dans son livre " Mégatendances quantiques".

À l'ère des technologies de l'information, l'amélioration de la puissance de calcul des ordinateurs classiques suit la loi de Moore. La loi de Moore stipule que le nombre de transistors pouvant être logés sur un circuit intégré double environ tous les deux ans. Le contrôle précis des processus nanométriques est devenu une technologie clé à l'ère des technologies de l'information. Cependant, à mesure que la taille des transistors se rapproche de l'échelle atomique. , la taille physique des transistors continue de diminuer. Cela devient de plus en plus difficile.

Dans la « deuxième révolution technologique quantique », des propriétés telles que la superposition quantique, l'intrication quantique et la mesure quantique sont utilisées pour créer de nouveaux composants quantiques. Elle ne repose pas uniquement sur la technologie de retrait de la loi de Moore. maîtrisée, même une technologie submicronique. Des composants quantiques dotés de propriétés d'intrication quantique peuvent être fabriqués. Les performances des composants quantiques dotés de propriétés d'intrication sont bien supérieures à celles des composants électroniques classiques. La « deuxième révolution technologique quantique » entraînera des industries innovantes plus perturbatrices.

Le professeur Pan Jianwei de l'Université des sciences et technologies de Chine, connu comme le « Père du quantique » en Chine, a déclaré un jour qu'en termes de science de l'information moderne, la Chine a toujours joué le rôle d'apprenant et de suiveur à l'époque. de la technologie quantique, si nous faisons de notre mieux, nous pouvons devenir la force principale parmi eux.

À l'heure actuelle, les réalisations de la Chine dans le domaine de la communication quantique ont dominé le monde : en 2016, le premier satellite expérimental de science quantique au monde « Mozi » a été lancé avec succès en 2017, la ligne de communication quantique longue distance Pékin-Shanghai de 2 000 kilomètres ; ; en 2018, « Mozi » « Zihao » a effectué une distribution de clés quantiques satellite-sol sur 7 600 kilomètres avec les stations au sol chinoises de Xinglong et autrichiennes de Graz respectivement ; en 2022, l'équipe du professeur Long Guilu de l'Université Tsinghua a conçu un hybride d'état quantique de phase et d'horodatage ; état quantique Le nouveau système de communication directe quantique codé a atteint 100 kilomètres de communication directe quantique et a battu le record du monde de « communication directe quantique ».

Dans le domaine de l'informatique quantique, en décembre 2020, l'Université des sciences et technologies de Chine a annoncé la construction réussie du prototype à 76 photons « Jiuzhang », devenant ainsi le deuxième pays à atteindre la suprématie quantique (Quantum Supremacy) (Note juin) ; 2021 , l'Université des sciences et technologies de Chine a lancé l'ordinateur supraconducteur programmable de 56 qubits « Zuchongzhi », raccourcissant la tâche que le supercalculateur a mis 8 ans à accomplir à 1,2 heure. La Chine est le seul pays à disposer de deux voies technologiques : supraconductrice et supraconductrice. quantique optique. Des pays qui ont tous atteint la supériorité quantique.

Selon les données de l'Institut de recherche industrielle Qianzhan, en termes d'investissement total, l'investissement mondial dans l'information quantique atteindra 38,6 milliards de dollars américains en 2023, dont l'investissement total de la Chine atteindra 15 milliards de dollars américains, se classant ainsi au premier rang mondial.

À l'heure actuelle, la Chine et les États-Unis sont en tête de la concurrence dans le domaine de la technologie quantique, et l'Europe et d'autres puissances technologiques traditionnelles rattrapent également activement leur retard. Bien qu'il existe actuellement des leaders dans le domaine de la technologie quantique, tous les participants ne sont donc pas loin de la ligne de départ. "Changer de voie et dépasser" est bien plus difficile qu'il n'y paraît. Il existe davantage d'opportunités dans d'autres domaines technologiques.

En 2021, le « 14e Plan quinquennal » de la Chine propose d'accélérer le déploiement de technologies avancées telles que l'informatique quantique et les communications quantiques, dans le but d'achever la construction d'une infrastructure nationale de communications quantiques et de développer des ordinateurs quantiques universels d'ici 2030.

(Remarque : la suprématie quantique, également connue sous le nom de suprématie quantique, fait référence à la capacité d'un ordinateur quantique à surpasser l'ordinateur conventionnel le plus puissant lors de l'exécution de tâches spécifiques. Ce concept a été développé par le physicien John Price. Proposé par John Preskill en 2012 pour décrire l'importance avantages des ordinateurs quantiques par rapport aux ordinateurs classiques pour résoudre certains problèmes).

3. Informatique quantique

En tant que technologie de pointe, l’informatique quantique a attiré une grande attention de la part des chercheurs scientifiques et des capitaux du monde entier ces dernières années. Il utilise les principes de la mécanique quantique pour briser la méthode de calcul binaire des ordinateurs traditionnels, montrant ainsi le potentiel de dépasser de loin les ordinateurs classiques sur certains problèmes spécifiques. Avec l'approfondissement continu de la théorie de la physique quantique et la maturité croissante de la technologie quantique, l'informatique quantique est progressivement passée de la théorie à la pratique et est considérée comme une direction de développement importante de la future technologie informatique.

3.1 Définition et avantages de l'informatique quantique

L'informatique quantique est une technologie qui utilise les bits quantiques comme unité d'information de base pour effectuer des calculs basés sur les principes de la mécanique quantique. Le super-parallélisme des ordinateurs quantiques vient de l’état de superposition des qubits. Par rapport au même nombre de bits classiques, la différence de puissance de calcul entre plusieurs qubits est exponentielle.

Les ordinateurs traditionnels utilisent des bits binaires (bits), chaque bit vaut 0 ou 1, tandis que le bit quantique (qubit) d'un ordinateur quantique peut être dans un état de superposition de 0 et 1 en même temps. À mesure que le nombre de qubits augmente, N qubits peuvent avoir des valeurs en même temps, ce qui équivaut à effectuer une opération en même temps.

Les ordinateurs quantiques manipulent ces états de superposition et les interactions entre les qubits grâce à des algorithmes quantiques, et peuvent traiter un grand nombre de chemins de calcul possibles en même temps, ce qui rend les ordinateurs quantiques plus efficaces que les ordinateurs traditionnels pour résoudre certains types de problèmes, tels que la décomposition d'entiers et les algorithmes de recherche. Les ordinateurs sont beaucoup plus rapides.

3.2 Principales voies techniques de l'informatique quantique

Notre pays attache une grande importance à la recherche sur la science quantique et a successivement introduit un certain nombre de politiques et de plans pour soutenir la recherche et l'application de la technologie quantique. Dans le domaine de l'informatique quantique, les institutions et entreprises de recherche scientifique chinoises ont obtenu une série de résultats influents au niveau international dans des domaines techniques clés tels que l'informatique quantique supraconductrice et l'informatique quantique optique, et occupent une position de leader dans la compétition mondiale de l'informatique quantique.

À l'heure actuelle, l'informatique quantique en est à ses premiers stades d'exploration et les directions de développement des qubits sont très diverses. Les solutions principales incluent la supraconductivité, les pièges à ions, le quantique optique, les atomes ultrafroids, les points quantiques à base de silicium et le quantique topologique, etc. sont essentiellement basés sur les avantages de l'informatique quantique. ——Informatique quantique spécialisée—Développement d'une feuille de route de l'informatique quantique universelle.

Selon le rapport « Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024 » publié par ICV, une organisation de conseil en technologies de pointe, la Chine et les États-Unis dominent la répartition des principales sociétés d'informatique quantique dans le monde, avec 20 sociétés aux États-Unis et 18 entreprises en Chine, représentant respectivement 28% et 25%. Du point de vue de la distribution des routes techniques, les chemins supraconducteurs, les pièges à ions et les chemins quantiques optiques reçoivent le plus d'attention. Parmi les 71 grandes entreprises d'informatique quantique dans le monde en 2023, 19 sont dans la voie de l'informatique quantique supraconductrice, soit 27 %, dont 8 aux États-Unis et 5 en Chine, suivies par l'informatique quantique optique, avec un total de 13 entreprises ; , représentant 18 %, parmi lesquelles les entreprises chinoises en comptent le plus grand nombre, atteignant 4 ; 10 entreprises sont sur la voie de l'informatique quantique à piège à ions, représentant 14 %, et les entreprises chinoises en représentent 4.

(1) Voie informatique quantique supraconductrice

L’informatique quantique supraconductrice est actuellement l’une des technologies informatiques quantiques les plus matures. Il est basé sur des circuits quantiques supraconducteurs et traite les informations en manipulant des qubits supraconducteurs. Les circuits quantiques supraconducteurs sont hautement compatibles avec les systèmes de circuits intégrés existants en termes de conception, de préparation et de mesure, et peuvent utiliser des composants électroniques traditionnels comme systèmes de contrôle. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum, etc. mènent des recherches et des développements sur la voie de l'informatique quantique supraconductrice.

Les avantages des qubits supraconducteurs sont leur continuité et leur évolutivité élevées, ainsi que leurs taux de distorsion relativement faibles. Cette voie technique a permis de réaliser l'intrication entre plusieurs qubits et les opérations de portes quantiques, jetant ainsi les bases de la construction d'ordinateurs quantiques pratiques. Cependant, les qubits supraconducteurs sont très sensibles à la température et aux interférences électromagnétiques de l’environnement. Les expériences doivent donc être menées à des températures extrêmement basses et dans un environnement bien protégé.

La chaîne industrielle américaine de l’informatique quantique présente une configuration complète, avec des entreprises technologiques de premier plan telles que IBM, Google et Microsoft entrant dans l’industrie, en particulier dans le domaine de l’informatique quantique supraconductrice. Dans le domaine des puces quantiques supraconductrices, en décembre 2023, IBM a lancé la première puce de processeur d'informatique quantique au monde, Condor, avec plus de 1 000 qubits, qui compte 1 121 qubits.

En avril 2024, l'Institut d'information quantique et d'innovation technologique quantique de l'Académie chinoise des sciences a lancé une puce informatique quantique supraconductrice de 504 bits « Xiaohong », battant le record national du nombre de qubits supraconducteurs.

Peng Chengzhi, professeur à l'Institut d'information quantique et d'innovation des sciences et technologies quantiques de l'Académie chinoise des sciences et scientifique en chef du China Telecom Quantum Group et de Guodun Quantum (688027.SH), a déclaré que les puces informatiques quantiques supraconductrices peuvent réutiliser des puces plus matures. technologies de traitement des puces semi-conductrices. C'est particulièrement avantageux en termes d'expansion, donc la recherche et le développement ne sont « pas difficiles ». « Le plus difficile est de savoir comment améliorer simultanément la qualité et la quantité des qubits, améliorant ainsi véritablement les performances de la puce et contrôler plus précisément les qubits à grande échelle. Il s’agit d’un courant dominant international. L’équipe de recherche scientifique travaille dur.

La puissance de calcul qu'un ordinateur quantique peut atteindre dépend de nombreux facteurs, en prenant comme exemple les ordinateurs quantiques supraconducteurs, notamment le nombre de bits, la fidélité, le temps de cohérence, la vitesse de fonctionnement des portes, la connectivité, etc. Parmi eux, le nombre de bits est un indicateur clé. Cependant, une attention particulière doit être accordée au fait qu'il est inutile de parler uniquement du nombre de bits. Ce qui est plus important est la fidélité de la porte (en particulier la fidélité de la porte à deux bits), le temps de cohérence et la connectivité des bits dans des conditions de grande taille. échelle des qubits.

De plus, la propriété des matériaux supraconducteurs est que lorsque la température descend en dessous d’une certaine température critique, la résistance est nulle et le courant peut circuler sans perte. Afin d'obtenir un fonctionnement efficace et un stockage stable des qubits, les puces quantiques doivent fonctionner dans un environnement à température extrêmement basse de -273,12 °C ou moins. Le réfrigérateur à dilution est donc l'un des équipements clés de l'informatique quantique supraconductrice.

À l'heure actuelle, les réfrigérateurs à dilution produits dans le pays ont fait des percées majeures et leurs indicateurs de fonctionnement réels ont atteint le niveau international de produits similaires. Le réfrigérateur à dilution domestique ez-Q Fridge, disponible dans le commerce et produit en série, lancé par Guodun Quantum, fournit des puces quantiques avec une température ultra-basse et un environnement à faible bruit jusqu'au niveau 10 mK. La puissance de refroidissement atteint 450 uW à 100 mK (450 uW à 100 mK représente). le réfrigérateur à dilution dans La puissance de refroidissement à une température de 100 mK peut atteindre 450uW. Plus la puissance de refroidissement est élevée, plus le nombre de bits d'informatique quantique peut être pris en charge), et il sert au "Zuchong-2" pour réaliser le quantique. expérience de supériorité informatique ; il est développé indépendamment par Origin Quantum. Le réfrigérateur à dilution SL1000 peut fournir un environnement à très basse température inférieure à 10 mK et une capacité de refroidissement d'au moins 1 000 μW à 100 mK, répondant aux besoins des environnements à très basse température en matière de découpe. domaines technologiques de pointe tels que l’informatique quantique supraconductrice, la physique de la matière condensée, la science des matériaux et l’exploration de l’espace lointain.

Atteindre la « supériorité quantique » est une mesure clé des performances d’un ordinateur quantique, c’est-à-dire sa capacité à calculer un problème spécifique au-delà de celui d’un supercalculateur classique. À l'heure actuelle, il n'existe que deux ordinateurs quantiques supraconducteurs dans le monde : le « Platanus » américain et le « Zuchong-2 » chinois.

"Zuchong-2" est un prototype d'informatique quantique supraconducteur programmable de 66 qubits développé par une équipe de recherche composée de Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi et d'autres de l'Institut d'information quantique et d'innovation technologique quantique, de l'Académie chinoise des sciences et de l'Institut d'information quantique et d'innovation technologique quantique de l'Académie chinoise des sciences. Institut de physique technique de Shanghai, Académie chinoise des sciences. En mai 2023, l'équipe a amélioré la puce originale de 66 qubits « Zuchong-2 » et a ajouté une interface de contrôle de couplage de 110 bits, portant le nombre de qubits que les utilisateurs peuvent contrôler à 176 bits.

Guodun Quantum, en tant que seule unité d'entreprise participant à la recherche et au développement de "Zuchongzhi", utilise les capacités de gestion de la chaîne d'approvisionnement et d'intégration du prototype d'informatique quantique supraconducteur (y compris le système de contrôle de la température ambiante, le système de transmission de signaux à basse température, le système d'emballage de puces). , système logiciel de contrôle, etc.). À l'heure actuelle, 4 ordinateurs quantiques complets ont été vendus avec succès à l'étranger.

De plus, l'ordinateur quantique supraconducteur indépendant de troisième génération « Origin Wukong » développé par Origin Quantum sera lancé en ligne en janvier 2024. « Original Wukong » est équipé d'une puce quantique supraconductrice de 72 bits « Wukong Core » avec un total de 198 qubits. , qui contient 72 qubits fonctionnels et 126 qubits couplés.

(Remarque : le qubit (qubit) est l'unité de base de l'informatique quantique. Il est porteur d'informations quantiques, semblable aux bits de l'informatique classique. Les qubits peuvent être dans un état de superposition, c'est-à-dire une superposition de plusieurs états en même temps. , qui permet aux ordinateurs quantiques de traiter plusieurs tâches informatiques en même temps. Les qubits couplés (cQubits) sont des qubits spéciaux qui ont des interactions ou des couplages entre eux. Les qubits couplés sont souvent utilisés pour mettre en œuvre des opérations de porte quantique, permettant à différents qubits d'interagir avec chacun. Pour échanger des informations et interagir les uns avec les autres. En général, les qubits sont l'unité de base de l'informatique quantique, et les qubits de couplage sont une forme spéciale de qubits utilisés pour mettre en œuvre les opérations de porte quantique et l'informatique quantique.

(2) Voie informatique quantique optique

Le chemin de l'informatique quantique optique utilise des photons comme porteur d'informations et réalise le processus d'informatique quantique à travers des éléments d'optique quantique. Le principal avantage de l’informatique quantique optique est que le photon lui-même interagit très faiblement avec l’environnement et peut maintenir un état quantique stable pendant longtemps avec une haute fidélité. De plus, l’informatique quantique optique peut être réalisée à température ambiante, contrairement à l’informatique quantique supraconductrice qui nécessite un environnement à température extrêmement basse. Le défi technique réside dans la génération, l’exploitation et la détection des photons, qui nécessitent une technologie et des équipements de contrôle de haute précision. Les entreprises qui utilisent actuellement les photons comme chemin vers les ordinateurs quantiques comprennent PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum et Bose Quantum.

La Chine est le seul pays qui a atteint la supériorité quantique dans la technologie quantique supraconductrice et optique. En plus du « Zu Chongzhi » sur la voie de l'informatique quantique supraconductrice, il existe un autre ordinateur quantique en Chine qui a atteint la « supériorité quantique » - en. l'Université des sciences et technologies de Chine. La série « Neuf chapitres » développée par l'équipe de Pan Jianwei adopte la voie de l'informatique quantique optique.

En termes d'ordinateurs quantiques à fonctions spécifiques, la Chine a réalisé de grandes percées et progrès sur la voie de l'informatique quantique optique. En octobre 2023, l'équipe de l'Université des sciences et technologies de Chine a construit avec succès le prototype d'informatique quantique à 255 photons « Jiuzhang-3 ». Le prototype est composé de 255 photons et peut résoudre le problème mathématique de l'échantillonnage gaussien de Bose 100 milliards de fois plus rapidement que le superordinateur le plus rapide au monde, battant une fois de plus le record du monde de technologie de l'information quantique optique. De plus, l'ordinateur quantique optique cohérent de nouvelle génération de Bose Quantum avec 550 qubits de calcul lancé en avril 2024 - "Tiangong Quantum Brain 550W", via des kits de développement représentés par "Kaiwu SDK" et une écologie multi-industrielle La combinaison des "algorithmes quantiques" conjointement développé par des partenaires a réalisé une percée dans l’informatique quantique pratique.

Contrairement aux ordinateurs quantiques à usage général qui peuvent modifier à volonté le programme de calcul d’exécution, les ordinateurs quantiques à fonction spécifique ne peuvent exécuter que des algorithmes quantiques spécifiques. S’ils souhaitent gérer des calculs au-delà de la fonction de conception d’origine, le matériel ou l’équipement doit être modifié.

Dans le domaine des ordinateurs quantiques optiques programmables à usage général, Turing Quantum a lancé DeepQuantum, le premier cadre de programmation informatique quantique optique de Chine. Grâce à QubitCircuit dans DeepQuantum, les développeurs peuvent facilement créer et simuler des circuits quantiques, ainsi que concevoir et optimiser rapidement des réseaux de neurones quantiques. De plus, grâce à QumodeCircuit de DeepQuantum, les utilisateurs peuvent étudier en profondeur les circuits quantiques optiques et développer des applications pratiques basées sur des algorithmes tels que l'échantillonnage gaussien de Bose. DeepQuantum inclut non seulement des fonctions de différenciation automatique, mais dispose également d'une variété d'optimiseurs sans gradient intégrés pour aider les utilisateurs à mettre en œuvre et à explorer efficacement des algorithmes quantiques variationnels. Dans le même temps, Turing Quantum déploiera du matériel informatique quantique optique sur la plate-forme Quantum Cloud, et les utilisateurs pourront découvrir une véritable informatique quantique grâce à DeepQuantum.

(3) Voie informatique quantique du piège à ions

La voie informatique quantique du piège à ions est une technique qui utilise des ions (généralement des atomes ou des molécules chargés) comme qubits pour effectuer le traitement de l'information quantique. Le champ électromagnétique externe est utilisé pour « piéger » les ions dans une certaine plage, et le mouvement des ions est contrôlé par la force d'interaction entre la charge et le champ électromagnétique. Les avantages de l'informatique quantique à piège à ions résident dans le long temps d'état intriqué et la haute fidélité des portes logiques. Cependant, la difficulté technique réside dans la réalisation d'un « emprisonnement » stable et d'un contrôle précis d'un grand nombre d'ions en même temps, ce qui nécessite. technologie de refroidissement laser et environnement ultra-vide, et intégration La compatibilité du circuit n'a pas encore été développée, ce qui entraîne une évolutivité limitée. Actuellement, les entreprises profondément impliquées dans la technologie informatique quantique des pièges à ions comprennent Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum, etc.

En 2023, Huayi Quantum a lancé HYQ-A37, un prototype commercial d'ordinateur quantique à piège à ions de première génération avec une échelle de 37 qubits. Son temps de cohérence des qubits, sa fidélité et d'autres indicateurs de performances associés ont atteint le premier niveau mondial. Actuellement, les utilisateurs peuvent utiliser des outils visuels ou des éditeurs de code pour concevoir rapidement des circuits quantiques sur rendez-vous, et accéder à distance au HYQ-A37 pour effectuer des tâches informatiques et obtenir un retour sur les résultats de calcul graphique en temps réel. Huayi Quantum devrait lancer un ordinateur quantique à piège à ions basse température de 110 bits en 2024.

3.3 L'histoire du développement et les difficultés techniques des ordinateurs quantiques

Depuis les années 1980, l’informatique quantique a été vérifiée par des idées physiques de base et des principes primaires, et les ordinateurs quantiques ont désormais atteint le stade NISQ (ordinateur quantique bruyant à échelle intermédiaire).

Les ordinateurs dotés de portes quantiques haute fidélité de 50 à 100 qubits sont appelés ordinateurs NISQ. Cela signifie qu'il existe un certain degré de bruit et d'erreurs entre les qubits, ce qui a une faible tolérance aux pannes et ne permet pas encore de réaliser des calculs quantiques précis. Les ordinateurs quantiques à usage général et tolérants aux pannes constituent un objectif de développement à long terme et leur réalisation prendra un certain temps. Cependant, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques bruyants à moyenne échelle a largement dépassé celle des superordinateurs. Ils peuvent exécuter certains algorithmes quantiques spécifiques. tâches et ont déjà démontré des performances exceptionnelles dans certains domaines d’application.

Les principales contraintes sur le développement des ordinateurs quantiques à ce stade sont :

(1) Exigences de températures extrêmement basses : afin de maintenir la stabilité de l’état quantique des qubits, les ordinateurs quantiques doivent fonctionner dans un environnement à très basse température proche du zéro absolu. Dans de telles conditions, les qubits peuvent effectivement présenter les caractéristiques de l’intrication quantique et de la superposition quantique. Les systèmes de réfrigération sont coûteux à entretenir et à exploiter, et à mesure que le nombre de qubits augmente, les besoins en réfrigération correspondants augmenteront. Les technologies cryogéniques efficaces et bon marché devront être améliorées.

(2) Problème de stabilité des qubits : les qubits (ou qubits) sont les unités d'information de base des ordinateurs quantiques, mais ils sont très fragiles et sensibles au bruit et aux interférences externes, conduisant à une décohérence quantique. La décohérence détruit les informations quantiques, rendant les calculs peu fiables. L’augmentation du temps de cohérence des qubits est un point chaud de la recherche actuelle.

(3) Correction des erreurs quantiques : des erreurs se produisent inévitablement lors de l'informatique quantique et, en raison des propriétés particulières des qubits, ces erreurs sont différentes de celles des ordinateurs traditionnels. Le développement de techniques efficaces de correction des erreurs quantiques est essentiel pour permettre une informatique quantique fiable, mais les algorithmes actuels de correction des erreurs quantiques restent complexes et difficiles à mettre à l’échelle.

(4) Évolutivité : le nombre de qubits dans les ordinateurs quantiques existants est relativement faible, mais le calcul de problèmes complexes nécessite des centaines, des milliers, voire plus, de qubits. Comment faire évoluer les ordinateurs quantiques sans réduire la qualité d’un seul qubit constitue un énorme défi technique.

(5) Limites matérielles et technologiques : la fabrication de qubits de haute qualité nécessite des matériaux avancés et des processus de fabrication précis. Par exemple, les qubits supraconducteurs nécessitent des matériaux supraconducteurs de haute pureté, tandis que la technologie des pièges à ions nécessite des systèmes laser et à vide de haute précision. Le développement et la maturité de ces technologies affectent directement les performances et la faisabilité des ordinateurs quantiques.

(6) Développement insuffisant d'algorithmes et de logiciels : bien que l'on sache que certains algorithmes quantiques peuvent théoriquement fournir des performances allant au-delà de l'informatique classique, les bibliothèques d'algorithmes et les outils logiciels des ordinateurs quantiques sont encore limités et il existe un manque de plates-formes logicielles quantiques largement applicables. et les cadres de programmation.

(7) L'écart entre la théorie et l'expérience : L'informatique quantique fait des progrès rapides en théorie, mais le rythme de mise en œuvre de ces théories dans les expériences réelles est relativement lent. De nombreuses théories n’ont pas été vérifiées expérimentalement, c’est pourquoi beaucoup d’innovation et d’optimisation doivent être faites dans les techniques et les conceptions expérimentales.

(8) Pénurie de talents et de connaissances : L'informatique quantique est un domaine interdisciplinaire impliquant plusieurs disciplines telles que la physique, l'informatique, l'ingénierie et les mathématiques. Actuellement, les chercheurs et ingénieurs possédant des connaissances et des compétences interdisciplinaires sont relativement rares, ce qui limite le rythme de développement dans le domaine de l’informatique quantique.

(8) Limites des scénarios d'application : Actuellement, les ordinateurs quantiques montrent du potentiel dans certains problèmes spécifiques, tels que les simulations chimiques, le piratage de mots de passe et les problèmes d'optimisation complexes. Cependant, les avantages des ordinateurs quantiques ne sont pas encore évidents pour de nombreuses tâches informatiques générales, et leur valeur pratique dans les applications commerciales et industrielles doit être explorée davantage.

Comme mentionné ci-dessus, bien que la commercialisation de l'informatique quantique soit encore confrontée à de nombreux défis, la technologie quantique est entrée dans la phase d'ingénierie depuis le stade de la recherche théorique. L'émergence d'ordinateurs quantiques universels tolérants aux pannes à l'avenir bouleversera presque toutes les industries technologiques existantes. est dans la « deuxième révolution technologique quantique » Il y aura d'énormes changements dans le futur et nous devons nous préparer à l'avance pour entrer dans une nouvelle ère quantique.

3.4 Applications des ordinateurs quantiques

(1) Plateforme cloud d'informatique quantique

Atteindre la « supériorité quantique » est une condition préalable nécessaire à la commercialisation et à la vulgarisation de l'informatique quantique, et la plate-forme cloud d'informatique quantique est la clé du développement d'applications pratiques de l'informatique quantique.

À l'heure actuelle, le coût matériel des ordinateurs quantiques est extrêmement élevé, en particulier pour les systèmes qubits haute fidélité et à grande échelle. Dans le même temps, le fonctionnement et la maintenance des ordinateurs quantiques nécessitent une technologie et un environnement professionnels. La plate-forme cloud d'informatique quantique offre aux universités, aux instituts de recherche, aux entreprises, etc. un moyen peu coûteux d'accéder aux systèmes d'informatique quantique.

D'une part, la plate-forme cloud peut rapidement mettre à jour et déployer les dernières technologies et algorithmes d'informatique quantique, et les utilisateurs peuvent instantanément profiter des avantages apportés par le progrès technologique, d'autre part, lorsque les utilisateurs testent la plate-forme cloud pour le développement et les tests d'applications ; , ils peuvent fournir à la plate-forme des commentaires sur les problèmes et les besoins des fournisseurs afin de promouvoir l'itération et l'optimisation de la technologie. La plate-forme cloud d'informatique quantique sert de pont reliant différentes sociétés d'informatique quantique, instituts de recherche scientifique et utilisateurs d'entreprise, promouvant la coopération entre l'informatique quantique et tous les horizons, et promouvant conjointement le développement et l'application de la technologie informatique quantique.

En mai 2023, Guodun Quantum a lancé une nouvelle génération de plate-forme cloud d'informatique quantique, qui était connectée à l'ordinateur quantique supraconducteur 176 bits auto-développé du même type que le « Zuchongzhihao ». Elle a non seulement brisé le nombre de bits de l'ordinateur quantique supraconducteur. record pour les plates-formes cloud nationales, elle est également devenue la première plate-forme cloud d'informatique quantique au monde qui a le potentiel d'atteindre la supériorité quantique sur la voie quantique supraconductrice et est ouverte sur le monde extérieur. Guodun Quantum a déclaré qu'à l'avenir, il prévoyait d'accéder à plusieurs ordinateurs quantiques hautes performances pour une reprise après sinistre mutuelle et des mises à jour itératives, afin que le matériel de la plate-forme cloud puisse maintenir le niveau avancé international.

En novembre 2023, Guodun Quantum a aidé la plate-forme cloud d'informatique quantique « Tianyan » de China Telecom Quantum Group et la plate-forme de supercalcul « Tianyi Cloud » de China Telecom à se connecter pour construire un système d'architecture informatique hybride « supercalcul-informatique quantique ».

(2) Principaux scénarios d'application de l'informatique quantique

Selon les données d'ICV, l'industrie quantique mondiale atteindra 4,7 milliards de dollars américains en 2023, et le taux de croissance annuel moyen (TCAC) de 2023 à 2028 devrait atteindre 44,8 %, grâce aux progrès technologiques des ordinateurs quantiques à usage général et à la Grâce à l'utilisation généralisée d'ordinateurs quantiques spécialisés dans des domaines d'application spécifiques, la taille totale du marché de l'industrie de l'informatique quantique devrait atteindre 811,7 milliards de dollars américains d'ici 2035.

En tant que technologie informatique émergente, l’informatique quantique a montré un potentiel d’application révolutionnaire dans de nombreux domaines tels que la finance, la médecine et l’industrie chimique. Parmi eux, le secteur financier constitue un domaine d’application potentiellement important de l’informatique quantique. Selon les prévisions d’ICV, parmi les applications mondiales en aval de l’informatique quantique, le secteur financier détiendra la part de marché la plus élevée en 2035, atteignant 51,9 %, soit une augmentation significative par rapport à celle-ci. 15,8% en 2030. Viennent ensuite les industries pharmaceutique et chimique, représentant respectivement 20,5% et 14,2%.

L'informatique quantique est largement utilisée dans le domaine financier pour réduire les coûts et les délais de traitement. Actuellement, elle comprend principalement : la gestion et le contrôle des risques, la tarification des produits dérivés, l'optimisation de portefeuille, les opérations d'arbitrage et la notation de crédit, etc.

Les principales sociétés financières nationales et étrangères, telles que JP Morgan et Goldman Sachs, ont créé des départements quantiques pour développer des applications financières quantiques ; Origin Quantum et China Economic Information Service Xinhua Finance ont publié conjointement « Quantum Financial Applications », qui a été publié dans Xinhua Finance The L'application est en ligne et fournit l'application de l'informatique quantique à l'optimisation des portefeuilles d'investissement, à la tarification des produits dérivés et à l'analyse des risques ; China Construction Bank a activement exploré et pratiqué l'application des technologies de l'information quantique, créé un laboratoire d'applications financières quantiques et coopéré avec Quantum national et étranger. les équipes de sécurité et d’informatique quantique ont collaboré pour mener une série de recherches prospectives et d’explorations innovantes. La China Construction Bank a lancé des algorithmes d'application financière quantique tels que « l'algorithme de réseau bayésien quantique » et « l'algorithme d'optimisation de portefeuille quantique ». Ces algorithmes ont démontré le potentiel de l'informatique quantique dans l'analyse des risques et l'optimisation de portefeuille.

En termes de recherche et développement médical et de science des matériaux chimiques, les ordinateurs quantiques peuvent simuler des réactions chimiques complexes et des propriétés de matériaux, ce qui revêt une grande importance pour la découverte de nouveaux médicaments, de nouveaux matériaux et l'optimisation des processus de réaction chimique.

Les nouveaux matériaux et les nouveaux médicaments ont une valeur économique énorme, en particulier dans le domaine de la médecine, si l'informatique quantique peut remplacer la méthode expérimentale traditionnelle d'essais et d'erreurs grâce à l'analyse informatique, cela réduira non seulement considérablement le temps de développement de nouveaux médicaments, mais permettra également d'économiser d'énormes sommes. frais de développement médical. Promouvoir l’application de l’informatique quantique à la recherche et au développement médical et à la science des matériaux, mais elle doit encore être coordonnée avec des algorithmes quantiques spécifiques.

En juillet 2022, le BGI Life Sciences Research Institute a coopéré avec Quanthuan Technology pour explorer l’application de l’informatique quantique dans le domaine des sciences de la vie. Ils ont utilisé des algorithmes quantiques pour réaliser l’assemblage du génome, résolu le problème de l’assemblage du génome et utilisé moins de ressources quantiques pour simuler des systèmes quantiques plus grands, offrant ainsi la possibilité de simuler des systèmes à grande échelle à l’ère du NISQ.

En mars 2022, Turing Quantum a utilisé la technologie des réseaux tensoriels pour parvenir à une conception de médicaments d'IA quantique 38 fois plus rapide grâce à la contraction des tenseurs, et a lancé une série de modules d'application d'IA quantique, notamment QuOmics (génomique), QuChem (molécules médicamenteuses) Quatre modules majeurs, y compris la conception structurelle), QuDocking (Drug Virtual Screening) et QuSynthesis (Chemical Molecule Retrosynthesis), ont atteint divers degrés d'amélioration de l'algorithme quantique.

En avril 2021, Origin Quantum a lancé Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0, qui constitue une base pour l'application de l'informatique quantique dans le domaine de la chimie et permet des applications innovantes de l'informatique quantique dans la nouvelle médecine, les nouveaux matériaux, les nouvelles énergies et d'autres domaines. .

Dans le domaine de l’intelligence artificielle, les qubits pouvant être dans plusieurs états, les réseaux de neurones quantiques peuvent être utilisés pour traiter des ensembles de données à grande échelle et des modèles complexes. Cela contribuera à améliorer les performances des systèmes d’intelligence artificielle et à faire progresser la technologie de l’intelligence artificielle.

La combinaison de l'informatique quantique et de l'apprentissage automatique, tirant parti de la capacité des ordinateurs quantiques à traiter de grandes quantités de données, aide l'apprentissage automatique à surmonter le goulot d'étranglement d'un trop grand nombre de paramètres, ce qui constitue une direction de recherche récente importante. IBM a ajouté un module d'apprentissage automatique à l'architecture Qiskit, combinant les avantages de l'informatique quantique et de l'apprentissage automatique, et utilisant les avantages des ordinateurs quantiques dans le traitement du Big Data pour établir les avantages futurs des modèles d'apprentissage automatique quantique.

4. Communication et sécurité quantiques

En tant que branche importante de la technologie quantique, la communication quantique constitue une avancée majeure dans la technologie de transmission de l’information. C’est également la première technologie quantique à entrer dans la phase pratique et la plus mature. La communication quantique rend la communication plus sécurisée, et la communication quantique, en particulier la communication quantique sécurisée, a été essentiellement mise en pratique. Basée sur la technologie de distribution de clés quantiques, la communication sécurisée quantique a de nombreuses applications techniques en Chine. L'industrie en aval est celle de la sécurité de l'information, qui est très mature.

Avec le soutien des politiques nationales, l'industrie chinoise des communications quantiques s'est développée rapidement ces dernières années et est devenue un leader mondial. Avec la participation continue de nombreuses entreprises et instituts de recherche scientifique remarquables, l'industrie de la communication quantique est également devenue le centre d'intérêt des marchés primaires et secondaires.

4.1 La nécessité d'une communication sécurisée quantique

La technologie quantique est considérée comme la prochaine étape technologique. L’informatique quantique apporte une avancée majeure en matière de puissance de calcul, rendant la résolution de problèmes complexes aussi enfantine que possible. Qu’il s’agisse de la conception de médicaments, de la simulation climatique ou de l’optimisation de grands systèmes, l’informatique quantique devrait montrer ses talents. Mais cette arme à double tranchant représente également une menace énorme : elle peut briser la plupart des technologies de cryptage actuelles en un instant.

Les systèmes de cryptographie à clé publique traditionnels, tels que RSA, ECC (cryptographie à courbe elliptique), etc., reposent sur la difficulté de calcul de la factorisation entière et des problèmes de logarithme discret. Le temps nécessaire pour les résoudre est extrêmement long et ils sont très sûrs dans les conditions existantes. conditions techniques.

Cependant, avec le développement des ordinateurs quantiques, des algorithmes quantiques tels que l'algorithme de Shor se sont révélés capables de résoudre rapidement ces problèmes. Prenons comme exemple l'algorithme RSA, l'algorithme de cryptage le plus populaire et le plus utilisé à l'heure actuelle, le plus courant est désormais le cryptage à 2048 bits (plus la longueur de la clé est longue, plus le temps de piratage est long), et l'algorithme Shor peut théoriquement le faire. cracker le cryptage à long terme en seulement 8 heures jusqu'au cryptage RSA 2048 bits, menaçant ainsi la sécurité des systèmes de cryptographie à clé publique traditionnels.

Les inquiétudes concernant la menace que représentent les ordinateurs quantiques pour la cryptographie traditionnelle existent depuis un certain temps, mais ne sont pas encore devenues une réalité. La puissance de calcul d’un ordinateur quantique dépend du nombre de qubits qu’il peut traiter. Les ordinateurs quantiques actuels ne disposent que de centaines à mille qubits de bruit, qui sont utilisés pour créer un petit nombre de qubits stables et corrigeant les erreurs. La menace qui pèse sur le chiffrement traditionnel nécessite des milliers de qubits stables, qui peuvent nécessiter des millions de qubits bruyants. Par conséquent, bien que les capacités des ordinateurs quantiques se développent rapidement, elles n'ont pas encore atteint un niveau qui menace le cryptage classique, mais certains experts du secteur affirment que ce niveau pourrait être atteint d'ici 5 à 10 ans, voire moins.

Bien que la menace que représente l’informatique quantique pour la cryptographie traditionnelle soit encore au stade théorique, l’un des problèmes les plus importants actuellement est la sécurité des informations sensibles. Même si la technologie de l’informatique quantique n’a pas encore réalisé de véritable avancée, de nombreuses informations sensibles cryptées circulent. en ligne, ce qui signifie que les criminels peuvent voler des données cryptées dès maintenant et les stocker, puis les décrypter lorsque la technologie informatique quantique sera mature.

Pour faire face à ce problème, distribution de clés quantiques (QKD, Quantum Key Distribution), cryptographie post-quantique (PQC, Post-Quantum Cryptography), générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG, Quantum Random Number Generator), téléportation quantique (technologies de sécurité des communications quantiques tels que QT (Quantum Teleportation), parmi lesquels QKD est considéré en théorie comme la seule méthode de communication inconditionnellement sécurisée, car la sécurité des clés QKD est basée sur les lois de la physique quantique, et non sur la complexité informatique des problèmes mathématiques. La construction d'un réseau de communication sécurisé quantique en Chine basé sur la technologie QKD a commencé à prendre forme et les applications commerciales continuent de progresser, tandis que l'algorithme PQC est actuellement en cours de démonstration de normalisation.

4.2 Principales technologies pour la communication sécurisée quantique

L'informatique quantique est la « lance » et la communication quantique sécurisée est le « bouclier ». Avant l'arrivée officielle de la « deuxième révolution technologique quantique », le développement de la technologie de communication sécurisée quantique offre de nouvelles solutions pour la sécurité de l'information, en particulier dans les domaines où les exigences de sécurité sont élevées, tels que les communications gouvernementales, les transactions financières et la sécurité de la défense nationale. Avec la maturité continue de la technologie et la promotion des applications, la communication sécurisée quantique devrait construire un réseau de communication plus sécurisé et plus fiable à l’avenir.

(1) Générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG)

Un générateur de nombres aléatoires est un dispositif ou un algorithme capable de générer une séquence de nombres aléatoires. Les générateurs de nombres aléatoires sont très importants en cryptographie et sont utilisés pour générer des clés de chiffrement, des vecteurs d'initialisation (IV) et d'autres paramètres qui doivent rester secrets. Ils assurent la sécurité et l’imprévisibilité du processus de cryptage.

Les générateurs de nombres aléatoires sont divisés en véritables générateurs de nombres aléatoires (TRNG, True Random Number Generator) et en générateurs de nombres pseudo-aléatoires (PRNG, Pseudo-Random Number Generator). TRNG fait généralement référence à la génération de caractères aléatoires basés sur des processus physiques ou des phénomènes naturels. tels que les électrons. Bruit thermique des équipements, désintégration radioactive, heure d'arrivée des photons, etc. Parce qu’ils reposent sur des processus physiques imprévisibles, ils sont considérés comme « véritablement » aléatoires. PRNG utilise un algorithme déterministe, partant d'un état initial (graine) et générant une séquence aléatoire de nombres selon les règles de l'algorithme.

Étant donné que TRNG peut générer un nombre limité de nombres aléatoires par seconde, TRNG est généralement utilisé comme « graine » de PRNG pour générer une séquence de nombres aléatoires réelle et irremplaçable. Bien que PRNG soit également appelé générateur de nombres aléatoires, il est en réalité hautement prévisible. , tant que l'algorithme et l'état de la graine sont connus, trouver le TRNG parfait a toujours été une direction de recherche importante.

Le générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG) est un TRNG parfait. QRNG emprunte la superposition aléatoire quantique de la mécanique quantique et utilise les caractéristiques probabilistes du monde quantique pour créer une clé véritablement aléatoire. Depuis que le mécanisme quantique du QRNG a été entièrement maîtrisé et compris, les composants quantiques qui génèrent des nombres aléatoires ont été utilisés dans le cryptage des informations. La principale direction actuelle de recherche et développement de QRNG est de produire des puces aléatoires quantiques plus économiques, plus rapides et plus petites.

(2) Distribution de clés quantiques (QKD)

Quantum Key Distribution (QKD) utilise des états quantiques pour transporter des informations et partager des clés entre les parties communicantes via un protocole spécifique. Cette technologie applique les caractéristiques de base de la mécanique quantique pour garantir que toute tentative de vol de la clé transmise sera découverte par les utilisateurs légitimes. pour obtenir jusqu'à présent la seule méthode de communication théoriquement sécurisée de manière inconditionnelle.

La clé de la distribution de clés quantiques (QKD) consiste à utiliser la matière avec un état quantique comme mot de passe, et l'état quantique possède les deux propriétés clés suivantes, garantissant ainsi la transmission sécurisée des informations :

Premièrement, la mesure d’un état quantique modifiera son état : selon le principe d’incertitude de la mécanique quantique, la mesure d’un état quantique entraînera un changement de son état. Si quelqu'un tente de voler les informations transmises, l'état quantique doit être mesuré, ce qui aura un impact sur le système quantique et sera remarqué par les utilisateurs légitimes.

Deuxièmement, la non-clonage des états quantiques : selon les principes de la mécanique quantique, il est impossible de copier parfaitement un état quantique inconnu. Cela signifie que les informations complètes de l’état quantique ne peuvent pas être volées pendant le processus de transmission, garantissant ainsi la sécurité des informations.

À ce stade, la technologie de communication sécurisée quantique utilise principalement le réseau QKD pour assurer une distribution sécurisée des clés, puis la combine avec la technologie de cryptographie symétrique pour garantir la transmission sécurisée des informations. Pour faire simple, un équipement optique d'envoi et de réception d'état quantique pouvant remplacer les fonctions des modules optiques couramment utilisés est ajouté aux deux extrémités d'une fibre optique monomode pour obtenir une communication sécurisée basée sur un cryptage physique.

La technologie QKD est la technologie clé pour réaliser la communication quantique, mais avec divers protocoles QKD sécurisés, les réseaux quantiques à vitesse rapide et à longue distance de transmission sont également un élément indispensable à la réalisation de la communication quantique. Bien que la technologie de communication quantique soit initialement devenue pratique grâce au QKD et à d’autres solutions, la distance de transmission et le coût restent des facteurs limitant l’application et le développement industriel de l’ensemble du secteur. Le QKD commercial point à point basé sur fibre est limité en termes de distance de transmission, tandis que la transmission longue distance QKD satellite-sol nécessite des composants coûteux tels que des satellites. L'objectif de développement futur de la communication quantique est d'établir un système de réseau de communication quantique à grande échelle couvrant le monde, et les technologies associées nécessitent encore de nouvelles percées.

(3) Téléportation quantique (QT)

La téléportation quantique (QT) est une méthode de transmission d'informations basée sur les principes de la mécanique quantique. Il permet à l'état d'un système quantique (tel qu'un qubit) d'être transmis avec précision d'un emplacement (souvent appelé « extrémité émettrice ») à un autre endroit (souvent appelé « extrémité réceptrice ») sans support de transmission physique). La téléportation quantique n'implique pas le mouvement instantané de la matière elle-même, mais le transfert instantané d'informations quantiques.

La réalisation de la téléportation quantique repose sur les principes de la mécanique quantique suivants :

Intrication quantique : Il existe une connexion particulière entre deux ou plusieurs particules quantiques, même si elles sont éloignées les unes des autres, un changement dans l'état d'une particule affectera immédiatement l'état des autres particules qui y sont intriquées.

Théorème de non-clonage des états quantiques : Il est impossible de faire une copie parfaite d’un état quantique inconnu.

Mesure quantique : La mesure des systèmes quantiques conduit à l’effondrement de l’état et les résultats des mesures sont généralement aléatoires.

Les étapes de base de la téléportation quantique comprennent :

a. Préparez une paire de particules enchevêtrées et envoyez-en une à l’extrémité réceptrice et l’autre à l’extrémité émettrice.

b. À l'extrémité émettrice, effectuez une mesure conjointe spécifique du qubit à transmettre et des particules intriquées à l'extrémité émettrice. Cette mesure entraîne le transfert des informations du qubit vers la particule intriquée à l'extrémité réceptrice, mais le processus est aléatoire et détruit l'état d'origine du qubit.

c. Envoyer les résultats des mesures conjointes (informations classiques) au destinataire via les canaux de communication ordinaires (tels que le téléphone ou Internet).

d. Sur la base des informations classiques reçues, l'extrémité réceptrice effectue une série d'opérations quantiques sur les particules intriquées qu'elle possède pour reconstruire l'état original du qubit.

Grâce à ce processus, les informations quantiques de l’expéditeur sont « transmises de manière invisible » au destinataire. Il est important de noter que la téléportation quantique ne permet pas une communication plus rapide que la lumière, puisque la reconstruction de l'état d'origine repose sur des informations transmises via des canaux de communication classiques, et ce taux de transmission est limité par la vitesse de la lumière.

La téléportation quantique est actuellement principalement étudiée en laboratoire. La téléportation quantique est une technologie clé pour réaliser des communications quantiques longue distance et des réseaux quantiques, et devrait jouer un rôle important dans le futur Internet quantique.

(4) Cryptographie post-quantique (PQC)

La technologie PQC fait référence au développement et à la conception d’algorithmes de chiffrement capables de résister aux attaques informatiques quantiques. À l'heure actuelle, PQC et le domaine de la cryptographie quantique ont développé une variété de techniques et d'algorithmes de cryptographie pour lutter contre les menaces de l'informatique quantique. L'objectif est d'éviter d'utiliser la factorisation entière et les problèmes de logarithme discret pour chiffrer les données. Les méthodes spécifiques comprennent la cryptographie basée sur un réseau, la cryptographie basée sur le hachage, la cryptographie basée sur le code et la cryptographie basée sur plusieurs variables.

Parmi elles, la technologie de cryptage basée sur un réseau est actuellement considérée comme la plus importante et la plus fiable. Dans le cadre des travaux de normalisation PQC les plus influents au monde menés par le National Institute of Standards and Technology (NIST), trois des quatre algorithmes standardisés sélectionnés par celui-ci en 2023 sont des technologies de chiffrement basées sur un réseau.

Bien que la nouvelle cryptographie post-quantique résiste à l’algorithme quantique de Shor, elle n’est pas infaillible. D'une part, bien que ces problèmes de cryptographie post-quantique semblent actuellement difficiles à résoudre, de nouvelles méthodes pour résoudre ces problèmes pourraient être découvertes à l'avenir. D'autre part, la mise en œuvre réelle des algorithmes de cryptographie post-quantique peut également présenter des défauts ou des failles. des problèmes de sélection des paramètres. Les erreurs peuvent devenir des vulnérabilités potentielles en matière de sécurité.

Il est rapporté que la sécurité actuelle de l'algorithme PQC est passée des vulnérabilités mathématiques théoriques aux niveaux d'application pratique. Le mécanisme d'encapsulation de clé Kyber (KEM), l'un des algorithmes standardisés nommés par le NIST, a été exposé en réponse aux canaux secondaires en 2023. Failles de sécurité dans les attaques.

L'émergence d'attaques réelles souligne l'importance de vérifier et de réparer rapidement les vulnérabilités potentielles lors du déploiement de l'algorithme PQC, ce qui incite à l'amélioration et à l'évolution continues de l'algorithme PQC pour améliorer la sécurité dans des scénarios d'application réels.

La technologie cryptographique occupe une position très importante pour la sécurité nationale. Pour garantir la sécurité du monde numérique, la technologie PQC doit constamment évoluer et être mise à jour pour s'adapter à tout moment aux nouvelles menaces.

4.3 Réseau de communication quantique et Internet quantique

(1) État de construction du réseau de sécurité des communications quantiques dans mon pays

L'équipement de base du réseau de communication sécurisé quantique comprend des produits QKD, des produits d'échange de canaux et de réseaux clés, etc. Les réseaux de communication sécurisés quantiques actuellement réalisables comprennent les réseaux locaux, les réseaux métropolitains et les réseaux fédérateurs.

Le réseau local réalise l'accès de plusieurs terminaux dans une unité ou un emplacement, et n'a pas d'exigences de distance élevées ; le réseau métropolitain est responsable de la connexion de différentes zones au sein de la ville, reliant le réseau fédérateur de liaison montante et la liaison descendante au réseau local. réseau régional ; et le réseau de base réalise la communication interprovinciale et transfrontalière. Les connexions urbaines (y compris les méthodes de mise en œuvre de la fibre optique terrestre et des stations satellite-sol) sont actuellement dominées par la fibre optique terrestre, qui a des exigences de distance élevées.

En août 2016, la Chine a lancé avec succès le premier satellite expérimental de science quantique au monde, Mozi, devenant ainsi le premier pays au monde à réaliser une communication quantique entre un satellite et le sol, et a pleinement vérifié l'utilisation de plates-formes satellitaires pour réaliser une communication quantique mondiale. faisabilité.

En 2018, avec l'approbation de la Commission nationale du développement et de la réforme, Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., une filiale de l'Académie chinoise des sciences, a assumé la tâche de construire la première phase du réseau national de communications sécurisées quantiques à grande échelle. Réseau fédérateur En 2022, l’ensemble de la ligne sera achevé et réceptionné. Le réseau national de base quantique couvre d'importantes zones stratégiques nationales telles que Pékin-Tianjin-Hebei, le delta du fleuve Yangtze, la région de la grande baie Guangdong-Hong Kong-Macao et le cercle économique Chengdu-Chongqing. Le kilométrage total des lignes principales terrestres dépasse. 10 000 kilomètres. Il s'agit du premier et actuellement le seul réseau fédérateur quantique à grande échelle au monde.

En juin 2023, lors du 5e Forum de haut niveau sur le développement intégré du delta du fleuve Yangtze, les résultats de la construction du réseau fédérateur de communication quantique sécurisé régional du delta du fleuve Yangtze, construit et exploité par Guoke Quantum, ont été publiés. Le kilométrage total du réseau fédérateur de communication quantique sécurisé dans la région du delta du fleuve Yangtsé est d'environ 2 860 kilomètres, formant un réseau en anneau avec Hefei et Shanghai comme nœuds centraux, reliant Nanjing, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu et d'autres villes.

En termes de réseau de zone métropolitaine, en août 2022, Hefei, dans la province d'Anhui, a ouvert le réseau de zone métropolitaine quantique de Hefei, qui était à l'époque le réseau de zone métropolitaine quantique le plus grand, le plus largement couvert et le plus utilisé du pays, comprenant 8 réseaux centraux. sites du réseau et 159 sites du réseau d'accès, la longueur totale de la fibre optique est de 1147 kilomètres.

Actuellement, vingt ou trente villes disposent de leurs propres réseaux de zones métropolitaines quantiques, et la construction de lignes principales de réseau fédérateur quantique devrait également accélérer la construction de réseaux de zones métropolitaines dans les villes de soutien correspondantes. En prenant Shanghai comme exemple, lors de la Conférence sur l'innovation technologique industrielle de Shanghai qui s'est tenue le 22 mars 2024, Shanghai Telecom a déclaré qu'elle prévoyait de construire un réseau de communication à sécurité quantique dans la région métropolitaine de Shanghai. Elle devrait achever la première phase de construction. en 2024, devenant ainsi un premier exemple de référence de réseau de communication quantique pratique à l'échelle nationale.

L'investissement dans la construction d'un réseau fédérateur quantique et la taille de l'ensemble du projet sont assez importants, mais il existe actuellement moins d'applications de réseau quantique et de groupes de clients que les projets traditionnels. Par conséquent, les applications quantiques ultérieures doivent encore être promues conjointement par diverses industries afin d’accélérer la construction de l’ensemble du réseau quantique.

Conformément aux normes des « quatre nouvelles » (nouvelles pistes, nouvelles technologies, nouvelles plates-formes et nouveaux mécanismes), la Commission de surveillance et d'administration des actifs publics du Conseil d'État a récemment sélectionné et déterminé le premier lot d'entreprises en démarrage. pour accélérer l'aménagement de nouveaux domaines et de nouvelles pistes, cultiver et développer de nouvelles forces productives et se concentrer sur l'aménagement de domaines émergents tels que l'intelligence artificielle, l'information quantique et la biomédecine.

Auparavant, en janvier 2024, sept départements, dont le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information, le ministère de la Science et de la Technologie et la Commission de surveillance et d'administration des actifs publics du Conseil d'État, ont publié conjointement les « Avis de mise en œuvre sur la promotion de l'innovation industrielle future et Développement" et a proposé de déployer de manière proactive de nouvelles pistes pour promouvoir la prochaine génération de communications mobiles, les applications industrielles de l'Internet par satellite, l'information quantique et d'autres technologies.

La publication intensive de politiques pertinentes reflète la compréhension de la Chine de l'importance de la technologie de communication quantique, fournit un soutien politique fort au développement de l'industrie et devrait encourager l'industrie chinoise de la communication quantique à atteindre de nouveaux sommets à l'avenir.

(2) Internet quantique

L'Internet quantique est un nouveau concept de réseau de communication basé sur la technologie de l'information quantique. Il utilise les principes de la mécanique quantique pour réaliser la génération, le stockage, la transmission et le traitement des données. Différent de l'Internet traditionnel basé sur les principes de la physique classique, le cœur de l'Internet quantique consiste à utiliser les caractéristiques des qubits et de l'intrication quantique pour fournir des capacités de communication plus sécurisées et plus efficaces.

En plus de transmettre des informations quantiques en toute sécurité, l'Internet quantique peut également utiliser des capteurs quantiques et des ordinateurs quantiques pour effectuer des mesures de précision quantique, des visas numériques quantiques, de l'informatique quantique distribuée, etc.

L'Internet quantique comporte trois points principaux : premièrement, les appareils connectés au réseau sont des appareils quantiques ; deuxièmement, le réseau transmet des informations quantiques ; troisièmement, la méthode de transmission du réseau est basée sur la mécanique quantique.

Bien que certains satellites de communication quantiques et stations de base au sol aient été construits et que la distribution interrégionale des clés quantiques ait été réalisée avec succès, la construction d'un Internet quantique mondial se heurte encore à d'énormes défis techniques et techniques, qui nécessitent de résoudre les problèmes de sécurité dans des conditions réelles. problèmes de transmission longue distance.

À l'heure actuelle, la distance de sécurité du QKD point à point utilisant la fibre optique atteint environ 100 kilomètres. Grâce à la technologie existante, la distance de communication quantique peut être efficacement allongée grâce à des répéteurs fiables.

En 2017, la ligne principale de communication sécurisée quantique de mon pays « Ligne principale Pékin-Shanghai », via 32 nœuds relais, a connecté l'ensemble du réseau quantique interurbain à fibre optique d'environ 2 000 kilomètres et s'est amarrée avec succès au satellite quantique « Mozi », construisant un monde Le premier Internet quantique étoile-sol.

En janvier 2018, la Chine et l'Autriche ont réalisé pour la première fois une distribution de clé quantique intercontinentale sur une distance de 7 600 kilomètres et ont utilisé la clé partagée pour réaliser une transmission de données cryptée et une communication vidéo, marquant que le « Mozi » a la capacité d'atteindre une transmission quantique intercontinentale. distribution des clés. Capacité à communiquer en toute confidentialité.

L’invention d’Internet a fait entrer l’humanité dans l’ère de l’information, et l’Internet quantique offrira l’opportunité de changer le monde. Les principaux pays du monde élaborent activement des plans. En août 2020, le ministère américain de l'Énergie a publié le rapport « Établissement d'un réseau quantique national pour mener une nouvelle ère de communications », proposant un plan stratégique pour la construction d'un Internet quantique national d'ici 10 ans.

D'une manière générale, les ordinateurs quantiques commerciaux n'ont pas encore été appliqués à grande échelle, et l'Internet quantique reliant les ordinateurs quantiques est encore un concept futur. Le réseau de communication quantique sécurisé QKD actuellement promu par divers pays est le prototype de l'Internet quantique ultime. L'objectif de l'Internet quantique est de combiner l'informatique quantique, la mesure quantique et d'autres intégrations fonctionnelles.

4.4 Applications de la communication quantique

Selon les prévisions d'ICV, le marché mondial des communications quantiques s'élèvera à environ 2,3 milliards de dollars américains en 2021 et devrait atteindre 15,3 milliards de dollars américains d'ici 2025 et 42,1 milliards de dollars américains d'ici 2030, avec un TCAC d'environ 34 % de 2021 à 2030. .

La chaîne industrielle des communications quantiques est principalement divisée en composants et équipements de base en amont, en lignes de transmission de réseau et plates-formes de systèmes intermédiaires, et en marchés d’applications de sécurité en aval. À l'heure actuelle, le marché des communications quantiques en est encore au stade de la construction d'infrastructures de réseaux de communication, et les équipements et solutions de base restent la clé de la chaîne industrielle. Selon les données d'ICV, la taille du marché des équipements et solutions de base en amont et intermédiaire devrait représenter 80 % en 2025, soit environ 12,24 milliards de dollars américains.

À en juger par la construction actuelle d'infrastructures de communication quantique dans mon pays, la construction de plus de 12 000 kilomètres de réseaux fédérateurs quantiques a été achevée. Selon le plan global, il pourrait y avoir à l'avenir près de 20 000 kilomètres de construction de réseau fédérateur, reliant Pékin à Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an et d'autres endroits.

À mesure que l'infrastructure du réseau de communication quantique de la Chine s'améliore encore, les applications commerciales en aval méritent également d'être attendues. Les données de conseil d'ICV montrent que la taille du marché des applications de communication quantique en aval en 2021 est d'environ 230 millions de dollars américains. La taille du marché des applications de communication quantique en aval devrait être de 3,06 milliards de dollars américains en 2025 et atteindra 11,788 milliards de dollars américains en 2030. Le TCAC à partir de 2021. à 2030 est d’environ 54,87 %.

À l'heure actuelle, la communication quantique sécurisée est encore limitée à des domaines tels que la défense nationale, la finance et les affaires gouvernementales. À l'avenir, l'industrie de la communication quantique permettra des scénarios plus en aval, et les entreprises concernées explorent activement des domaines d'application plus commerciaux.

Parmi eux, Guodun Quantum est un partenaire commun pour intégrer la technologie de sécurité quantique avec le big data, le cloud computing, l'Internet des objets, l'intelligence artificielle, etc. afin de promouvoir conjointement l'écologie industrielle « Quantum+ ». Guodun Quantum et China Telecom ont lancé conjointement des produits et des services tels que « Quantum Security OTN Private Line » et « Quantum Encrypted Intercom ». Le nombre d'utilisateurs de l'activité voix cryptée quantique a désormais atteint plus d'un million et sa société commune ; -La société anonyme Zhejiang Guodun Electricity a réalisé des démonstrations d'applications « quantique + 5G » dans le domaine de l'énergie électrique. La première « sous-station quantique + » de la province du Zhejiang a été mise en service à Shaoxing et a coopéré avec des entreprises telles que DingTalk (Chine) pour ce faire. développer conjointement une série de produits bureautiques sécurisés tels que le « Quantum Security Application Portal ».

À mesure que la technologie de mise en réseau de distribution de clés quantiques (QKD) évolue et que les équipements terminaux deviennent mobiles et miniaturisés, les applications de communication sécurisées quantiques s'étendront aux réseaux de télécommunications, aux réseaux d'entreprise, aux réseaux domestiques personnels et à d'autres domaines.

5. Mesure de précision quantique

La technologie de mesure de précision quantique est basée sur la mécanique quantique comme théorie de base. Elle utilise des principes techniques tels que la transition du niveau d'énergie des particules, l'intrication quantique et la cohérence quantique pour préparer, mesurer et lire les états quantiques des particules microscopiques telles que les atomes et les photons. réaliser des paramètres physiques tels que la mesure de haute précision de paramètres physiques tels que le champ magnétique, la fréquence, le champ électrique, le temps, la longueur, etc.

5.1 Définition de la mesure de précision quantique

Les moyens techniques importants pour la mesure de précision quantique comprennent : la mesure du niveau d'énergie des particules microscopiques, la mesure de superposition cohérente quantique et la mesure de l'intrication quantique, qui sont également les attributs de base de la mécanique quantique.

(1) Basé sur la mesure du niveau d'énergie des particules microscopiques

Selon la théorie atomique de Bohr, les atomes libèrent des ondes électromagnétiques lorsqu’ils passent d’un « état d’énergie » élevé à un « état d’énergie » faible. Cette fréquence caractéristique de l'onde électromagnétique est discontinue. Lorsque la quantité physique à mesurer interagit avec le système quantique, le système quantique subit des changements tels qu'une transition de niveau d'énergie, une division de niveau d'énergie ou une dégénérescence. À ce moment, le système quantique rayonnera ou absorbera le spectre et l'énergie du rayonnement. ou le spectre d'absorption est lié à la quantité d'énergie mesurée liée aux grandeurs physiques. La technologie basée sur la mesure du niveau d'énergie des particules microscopiques a des exigences élevées en matière d'environnement externe (comme la température, le champ magnétique, etc.) et s'appuie sur la technologie de manipulation d'état quantique. Par exemple, en 1967, 9 192 631 770 fois la période de transition du niveau d’énergie des électrons dans un atome de césium a été définie comme étant de 1 s, ce qui appliquait le principe technique des niveaux d’énergie des particules microscopiques.

(2) Mesure basée sur la cohérence quantique

La technologie de mesure basée sur la cohérence quantique utilise principalement les caractéristiques de fluctuation du système quantique. La grandeur physique à mesurer a des effets différents sur les deux faisceaux atomiques. Lorsque les deux faisceaux atomiques interfèrent, la grandeur physique à mesurer se reflète dans la différence de phase. des faisceaux atomiques. Gyroscopes atomiques, gradiomètres gravitationnels, etc. utilisent des principes techniques basés sur la cohérence quantique. Des moyens techniques basés sur la cohérence quantique ont été appliqués dans des domaines tels que la détection gravitationnelle et la navigation inertielle. La prochaine tendance de développement est vers la miniaturisation et le développement de puces pour améliorer la praticité du système.

(3) Mesure basée sur l'intrication quantique

La technologie de mesure basée sur l'intrication quantique place n quanta dans un état intriqué. Les effets de l'environnement externe sur les n quanta seront superposés de manière cohérente, ce qui permettra à la précision de mesure finale d'atteindre 1/n d'un seul quantum. Cette précision dépasse la limite du bruit de tir de la mécanique classique et constitue la plus haute précision réalisable dans le cadre de la théorie de la mécanique quantique - la limite de Heisenberg. Actuellement, les domaines d'application de la technologie de mesure basée sur l'intrication quantique comprennent les communications quantiques, la navigation par satellite quantique, le radar quantique, etc.

En termes simples, la mesure de précision quantique utilise les propriétés de superposition quantique et d'intrication quantique pour briser les limites classiques de la technologie de mesure traditionnelle à partir des principes de base et combiner divers changements dans l'environnement, tels que la température, le champ magnétique, la pression, le temps, la longueur, poids, etc. Diverses grandeurs physiques de base et grandeurs dérivées ont été élevées jusqu'à des limites quantiques.

5.2 État de développement et difficultés de la technologie de mesure de précision quantique

Parmi les trois principaux domaines de l'information quantique, la mesure quantique présente les caractéristiques de diverses orientations techniques, de riches scénarios d'application et de perspectives d'industrialisation claires. La maturité de développement de chaque direction technique de mesure quantique est très différente. Il existe des produits commerciaux matures tels que les horloges atomiques et les gravimètres atomiques, ainsi que des produits prototypes tels que les magnétomètres quantiques, les radars quantiques optiques et les gyroscopes quantiques qui sont en cours de recherche et d'ingénierie. étapes de développement et d'exploration d'applications, ainsi que des prototypes tels que l'imagerie de corrélation quantique et l'antenne atomique Rydberg qui sont encore en train de résoudre les problèmes technologiques du système.

Les progrès de la technologie de mesure de précision quantique nécessitent une fusion croisée et une innovation dans les domaines de la physique quantique, de la science des matériaux, de l'optique, de l'électronique et d'autres domaines. Ils se heurtent à de nombreuses difficultés techniques, notamment :

(1) Génération et maintenance de l'intrication quantique : l'intrication quantique est une ressource clé dans les mesures de précision quantique, mais il n'est pas facile de générer des états intriqués de haute qualité dans les expériences, et les états intriqués sont facilement démêlés en raison des interférences de l'environnement externe ( c'est-à-dire la décohérence).

(2) Décohérence et contrôle du bruit : les systèmes quantiques sont très fragiles et facilement affectés par l'environnement externe, conduisant à une décohérence des états quantiques. Dans le même temps, diverses sources de bruit, telles que le bruit thermique, le bruit électromagnétique, etc., interféreront également avec les résultats de mesure. Par conséquent, réaliser des mesures de haute précision nécessite un excellent contrôle du bruit et de la décohérence.

(3) Efficacité et résolution du détecteur : les mesures de précision quantique nécessitent souvent des détecteurs à haute efficacité et haute résolution pour détecter les états quantiques. Les détecteurs actuels peuvent encore être améliorés, notamment en termes d'efficacité de détection et de résolution temporelle.

(4) Étalonnage du système et analyse des erreurs : Afin de garantir l’exactitude de la mesure, le système de mesure quantique doit être calibré avec précision. De plus, l’analyse des erreurs des résultats de mesure est également très complexe et de nombreux facteurs tels que les erreurs systématiques et les erreurs statistiques doivent être pris en compte.

(5) Contrôle des états quantiques : La mesure de précision quantique nécessite souvent un contrôle précis des états quantiques, notamment la préparation d’états quantiques spécifiques et la réalisation d’une conversion précise des états quantiques. Ces opérations nécessitent des compétences expérimentales extrêmement élevées.

(6) Développement de matériaux et de dispositifs : La fabrication de matériaux et de dispositifs pour la mesure de précision quantique, tels que les points quantiques, les interféromètres quantiques supraconducteurs, etc., doit non seulement répondre aux besoins de la mesure quantique, mais également être stable et répétable. un défi en science des matériaux et en ingénierie des appareils.

(7) Évolutivité des systèmes quantiques à grande échelle : bien que nous ayons réussi à obtenir un contrôle relativement précis des systèmes quantiques à petite échelle, la manière d'étendre ces technologies aux systèmes à grande échelle afin d'obtenir des résultats de mesure de plus grande précision reste un problème. problème. Un énorme défi.

Avec le développement continu de la technologie quantique, ces difficultés seront progressivement surmontées, favorisant ainsi l’expansion de la mesure de précision quantique dans des domaines d’application pratiques. Le système de métrologie international se trouve dans une période de développement et de transformation depuis des normes physiques basées sur la physique classique vers des « normes quantiques ».

Le « Plan de développement des mesures (2021-2035) » publié par le Conseil d'État en 2021 et le « 14e Plan quinquennal pour la modernisation de la surveillance du marché » publié par le Conseil d'État en 2022 mentionnent clairement la nécessité d'établir un système national de mesure avancé et moderne. avec la métrologie quantique comme système central, il est nécessaire de développer et d'établir des normes de mesure quantique, d'étudier la technologie de mesure quantique basée sur les effets quantiques et les constantes physiques et de promouvoir la mise à niveau des normes de mesure.

5.3 Application de la mesure de précision quantique

Selon les données d'ICV, le marché mondial de la densité de précision quantique devrait passer de 1,47 milliard de dollars américains en 2023 à 3,90 milliards de dollars américains en 2035, montrant une tendance continue à la hausse, avec un taux de croissance annuel composé de 7,79 %. Parmi eux, les trois principaux segments de marché des horloges quantiques, des gravimètres et gradiomètres quantiques et des magnétomètres quantiques ont des marchés de grande taille et représentent ensemble environ 85 % du marché des mesures de précision quantique.

(1) Horloge quantique

En tant que produit de mesure de précision quantique relativement mature, les horloges atomiques disposent de capacités de mesure du temps très précises et stables. À l'heure actuelle, la technologie des horloges atomiques optiques étend rapidement ses domaines d'application, couvrant de multiples secteurs tels que les communications mobiles ferroviaires, les centres de données, la défense nationale et les mesures scientifiques. Cette tendance montre que les horloges atomiques optiques fonctionnent non seulement bien dans les laboratoires scientifiques, mais qu'elles évoluent également progressivement vers des applications pratiques, fournissant des services précis de mesure du temps et de synchronisation pour différentes industries.

Les horloges quantiques peuvent jouer un rôle important dans de nombreux domaines en raison de leur stabilité et de leur précision extrêmement élevées. Voici quelques principaux scénarios d’application :

Système de positionnement global (GPS) et navigation par satellite : les horloges quantiques pourraient être utilisées pour améliorer la précision du GPS et d’autres systèmes de navigation par satellite. Étant donné que ces systèmes s’appuient sur des mesures de temps précises pour calculer les informations de position, les horloges quantiques pourraient grandement améliorer leurs performances et leur fiabilité.

Recherche scientifique : les expériences de physique, en particulier celles impliquant la mesure de différences de temps extrêmement faibles, pourraient bénéficier de la haute précision et de la stabilité des horloges quantiques. Cela comprend des mesures de constantes physiques fondamentales, des expériences quantiques de précision, des observations astrophysiques et l'exploration des lois fondamentales de l'univers.

Réseaux de communication : les horloges quantiques peuvent améliorer la précision de la synchronisation des réseaux, ce qui est essentiel au maintien de la fiabilité des systèmes de transmission de données et de communication à haut débit. À mesure que les centres de données et les infrastructures réseau continuent de se développer, le besoin de synchronisation temporelle continue de croître.

Transactions financières : dans le secteur financier, les transactions nécessitent des horodatages précis. La précision des horloges quantiques peut être utilisée pour améliorer la transparence et l’équité des systèmes de trading, en particulier dans le trading à haute fréquence.

Militaire et défense : une mesure précise du temps est essentielle aux systèmes militaires modernes de communication, de navigation, de collecte de renseignements et d’armes. Les horloges quantiques pourraient améliorer les performances et la précision de ces systèmes.

Informatique quantique et information quantique : les horloges quantiques pourraient également jouer un rôle important dans les domaines des ordinateurs quantiques et des communications quantiques, qui reposent sur un contrôle et une mesure précis de l’état des bits quantiques (qubits).

Géophysique et surveillance du climat : les horloges quantiques devraient être utilisées pour surveiller avec plus de précision la rotation de la Terre, les mouvements de la croûte terrestre et les changements du niveau de la mer, données essentielles à la compréhension et à la prévision du changement climatique et des catastrophes naturelles.

Exploration de l'espace lointain : dans les missions dans l'espace lointain, les horloges quantiques peuvent fournir une navigation et un contrôle plus précis, aidant ainsi les vaisseaux spatiaux à parcourir de longues distances dans l'univers.

Selon les données d'ICV, le marché de l'horloge quantique affichera une tendance à la croissance constante de 2023 à 2035, la taille du marché passant de 580 millions de dollars américains en 2023 à 1,21 milliard de dollars américains, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,77 %.

(2) Gravimètre quantique

Le gravimètre quantique est un instrument de haute précision qui utilise les principes de la mécanique quantique pour mesurer le champ de gravité terrestre. Ces appareils utilisent généralement des nuages ​​​​d'atomes ultra-froids pour détecter de minuscules changements dans le champ gravitationnel en effectuant des mesures précises du mouvement de chute libre des atomes. Les gravimètres quantiques fonctionnent sur la base de l'interférence quantique, un phénomène de physique quantique dans lequel les fonctions d'onde (ou états) des atomes sont divisées, transférées et recombinées pour produire des modèles d'interférence mesurables.

Alors que la demande de mesures précises des champs de gravité et des gradients de gravité dans les applications de recherche scientifique et d'ingénierie continue d'augmenter, les gravimètres quantiques et les gradiomètres de gravité quantique ont été largement utilisés dans ce domaine en raison de leurs avantages de fiabilité de scène dynamique élevée et d'absence de dérive :

Recherche géophysique : détection des mouvements de la croûte terrestre, surveillance des tremblements de terre, recherche sur l'activité volcanique, mesure du niveau des eaux souterraines, etc.

Exploration minérale et pétrolière : Déterminez la répartition de la densité des roches souterraines pour faciliter la découverte de ressources minérales et de champs pétrolifères.

Ingénierie et construction : Dans les projets de construction, les changements de gravité sont surveillés pour évaluer la stabilité des fondations.

Défense et sécurité nationale : les capacités de mesure de haute précision des gravimètres quantiques ont des applications potentielles dans le secteur de la défense, comme pour la navigation sous-marine et la détection de structures souterraines.

Système de navigation : fournit des informations précises de navigation inertielle pour les sous-marins ou autres véhicules nécessitant des données de référence au sol précises.

À l’heure actuelle, les gravimètres et gradiomètres quantiques sont principalement utilisés dans le domaine militaire. Selon les données d'ICV, le secteur militaire et de défense représentait 44 % de la part de marché en 2023, suivi du domaine de la recherche avec une part de 33 %, tandis que le marché civil lié à l'exploration pétrolière et gazière représentait 23 %.

À mesure que la technologie continue de mûrir et que le marché des applications en aval continue de se développer, le prix et les performances des produits joueront un rôle clé. Le marché civil entraînera une forte croissance sur les marchés des gravimètres quantiques et des gradiomètres à gravité quantique. La taille du marché augmentera rapidement, passant de 170 millions de dollars américains en 2023 à 1,07 milliard de dollars américains en 2035, avec un taux de croissance annuel composé de 15,21 %, démontrant l'énorme potentiel de ce domaine.

(3) Magnétomètre quantique

Un magnétomètre quantique est un instrument qui utilise des effets quantiques pour mesurer la force des champs magnétiques. Ils sont généralement plus sensibles que les magnétomètres traditionnels et peuvent détecter des champs magnétiques extrêmement faibles. Le principe de base sur lequel fonctionnent les magnétomètres quantiques est que lorsque l’état quantique de certaines substances (généralement des atomes ou des électrons) est affecté par un champ magnétique externe, leurs niveaux d’énergie changent. En mesurant avec précision ces changements dans les niveaux d’énergie, il est possible de déduire la force du champ magnétique.

Sur le marché actuel des magnétomètres quantiques, la diversité technologique est une caractéristique notable. Diverses technologies, notamment les magnétomètres à protons, les magnétomètres SQUID, les magnétomètres OPM, les magnétomètres SERF, les magnétomètres à centre de couleur NV, etc., présentent toutes des avantages uniques dans différents scénarios d'application. Cela permet au marché de présenter une gamme diversifiée et large de choix technologiques.

Les magnétomètres quantiques ont une sensibilité et une précision élevées et offrent un large éventail de scénarios d'application dans de nombreux domaines. Voici quelques principaux scénarios d'application :

Exploration géophysique : les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour détecter des minéraux magnétiques, tels que le minerai de fer, dans le sol, aidant ainsi les géologues à identifier les ressources minérales. De plus, ils peuvent être utilisés pour surveiller les changements dans le champ géomagnétique afin de prédire les tremblements de terre et d’autres événements géologiques.

Imagerie médicale : en imagerie par résonance magnétique (IRM), les magnétomètres quantiques peuvent contribuer à améliorer la résolution et la qualité de l'imagerie. De plus, ils peuvent être utilisés en imagerie par particules magnétiques (MPI), une technologie d’imagerie émergente qui promet d’être une méthode d’imagerie médicale sans rayonnement à l’avenir.

Recherche biologique : les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour mesurer les champs magnétiques faibles dans les organismes vivants, par exemple pour surveiller les modifications du champ magnétique dans le cœur afin d'étudier les maladies cardiaques ou pour suivre la signalisation dans le système nerveux.

Militaire et sécurité : Dans le domaine militaire, les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour détecter des sous-marins, des mines ou d’autres objets métalliques cachés. De plus, ils peuvent être utilisés pour empêcher les dispositifs d’espionnage d’écouter et de surveiller.

Espace et astrophysique : les magnétomètres quantiques peuvent détecter de faibles champs magnétiques dans l'espace, aidant ainsi à étudier des phénomènes tels que le vent solaire, les champs magnétiques planétaires et les champs magnétiques interstellaires.

Recherche en physique fondamentale : en physique expérimentale, les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour détecter des champs magnétiques extrêmement faibles, ce qui est crucial pour la recherche dans des domaines tels que la physique des particules, la physique quantique et la physique de la matière condensée.

Applications industrielles : les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour des tests non destructifs, tels que la détection de minuscules fissures et de corrosion dans les pipelines, les avions et les ponts afin de garantir la sécurité de ces structures.

Les magnétomètres quantiques sont de plus en plus utilisés dans la recherche scientifique, notamment en physique, en sciences de la terre et en biomédecine. Parallèlement, dans le domaine industriel, les magnétomètres quantiques sont largement utilisés dans les tests de matériaux magnétiques, la fabrication électronique, etc. L’expansion de ces applications entraîne en outre la croissance de la taille du marché.

Selon les données d'ICV, le marché des magnétomètres quantiques affichera une croissance constante de 2023 à 2035, passant de 480 millions de dollars américains en 2023 à 1,00 milliard de dollars américains en 2035. Cette tendance de croissance est principalement tirée par la recherche scientifique, l'industrie et d'autres domaines. demande continue de mesures magnétiques de haute précision sur le terrain.

6. Panorama des investissements dans les technologies quantiques

6.1 Carte de l’entreprise de technologie quantique

(1) Entreprises majeures dans le domaine de l’informatique quantique

(2) Grandes entreprises dans le domaine des communications quantiques

(3) Entreprises majeures dans le domaine de la mesure quantique

6.2 Évaluation des principales entreprises nationales de technologie quantique

Références pour ce rapport

[1] Zhang Qingrui, « Mégatendances quantiques »

[2]iCV&Photon Box, « Perspectives mondiales de développement de l'industrie de l'informatique quantique en 2024 »

[3]iCV&Photon Box, « Perspectives mondiales de développement du secteur de la communication et de la sécurité quantique en 2024 »

[4]iCV&Photon Box, « Perspectives mondiales de développement de l'industrie des mesures de précision quantique en 2024 »

[5] Soochow Securities, « L'information quantique : la prochaine révolution de l'information »

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Produit par : China Business News丨China Business News Investment Research Center

Rédacteur en chef : Qian Kun

Scénariste principal : Wang Yuanli

Editeur : Huang Yu

Approbation : Qian Kun et Huang Yu

Vision : Fu Lele

Coordinateur : Zhu Guoquan et Zhou Jin

Personne à contacter : Wang [email protected]