Νέα

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Πίνακας περιεχομένων

1. Ορισμός και χαρακτηριστικά του κβαντικού

1.1 Κβαντική υπέρθεση

1.2 Κβαντική εμπλοκή

1.3 Κβαντική αποσυνοχή

2. Έρχεται η εποχή της κβαντικής υπεροχής

2.1 Η δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας

2.2 Παγκόσμιος Διαγωνισμός Κβαντικής Τεχνολογίας

3. Κβαντική Υπολογιστική

3.1 Ορισμός και πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογισμού

3.2 Βασικές τεχνικές διαδρομές του κβαντικού υπολογισμού

3.3 Κατάσταση ανάπτυξης και τεχνικές δυσκολίες κβαντικών υπολογιστών

3.4 Εφαρμογές Κβαντικών Υπολογιστών

4. Κβαντική επικοινωνία και ασφάλεια

4.1 Η αναγκαιότητα της κβαντικής ασφαλούς επικοινωνίας

4.2 Κατάσταση ανάπτυξης και δυσκολίες μεγάλων κβαντικών ασφαλών τεχνολογιών επικοινωνίας

4.3 Κβαντικό δίκτυο επικοινωνίας και κβαντικό διαδίκτυο

4.4 Εφαρμογές Κβαντικής Επικοινωνίας

5. Μέτρηση κβαντικής ακρίβειας

5.1 Ορισμός της μέτρησης κβαντικής ακρίβειας

5.2 Κατάσταση ανάπτυξης και δυσκολίες της τεχνολογίας μετρήσεων κβαντικής ακρίβειας

Εφαρμογές Κβαντικής Μέτρησης Ακρίβειας

6. Επενδυτικό πανόραμα κβαντικής τεχνολογίας

6.1 Κβαντικοί υπολογιστές, κβαντική επικοινωνία, εταιρικός χάρτης κβαντικών μετρήσεων

6.2 Αξιολόγηση μεγάλων κινεζικών εταιρειών κβαντικής τεχνολογίας

1. Ορισμός και χαρακτηριστικά του κβαντικού

Το κβαντικό είναι η βασική μονάδα της φυσικής που περιγράφει τα σωματίδια στον μικροσκοπικό κόσμο. Είναι μια διακριτή μονάδα ενέργειας και ορμής. Το κβαντικό δεν είναι ένα "υπο" όπως ένα ηλεκτρόνιο Στον κλασικό κόσμο, διάφορα φυσικά φαινόμενα αλλάζουν συνεχώς, όπως η θερμοκρασία καθώς η ορμή μπορεί να χωριστεί απείρως σε απειροελάχιστα μικρές μονάδες, και υπάρχει μια μικρότερη βασική μονάδα, που είναι το κβάντο. Αυτή η άπειρη διαιρετότητα στον μικροσκοπικό κόσμο ονομάζεται κβαντοποίηση.

Το κβαντικό έχει ιδιότητες όπως η κβαντική υπέρθεση, η κβαντική εμπλοκή και η κβαντική μέτρηση Αυτές οι ιδιότητες δεν είναι μόνο σημαντικές στη φυσική, αλλά παίζουν επίσης βασικό ρόλο σε αναδυόμενα πεδία κβαντικής τεχνολογίας, όπως ο κβαντικός υπολογισμός, η κβαντική επικοινωνία και η κβαντική μέτρηση. Αυτές οι ιδιόμορφες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής μας παρέχουν μια νέα προοπτική για να κατανοήσουμε και να εκμεταλλευτούμε τους βασικούς νόμους της φύσης.

1.1 Κβαντική υπέρθεση

Η κβαντική υπέρθεση είναι μια σημαντική έννοια στην κβαντική μηχανική, η οποία αναφέρεται σε ένα κβαντικό σύστημα που μπορεί να βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης μεταξύ πολλαπλών δυνατών καταστάσεων ταυτόχρονα. Στην κλασική φυσική, ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται μόνο σε μια καθορισμένη κατάσταση, ενώ στην κβαντική μηχανική, ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε γραμμικό συνδυασμό πολλαπλών δυνατών καταστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μόνο για να καταρρεύσει σε μία από τις καθορισμένες καταστάσεις του όταν μετρηθεί.

Η κβαντική υπέρθεση είναι η βάση του κβαντικού υπολογισμού και της κβαντικής πληροφορίας Με τη χρήση της κβαντικής υπέρθεσης, μπορεί να επιτευχθεί ο κβαντικός παράλληλος υπολογισμός και να βελτιωθεί η υπολογιστική απόδοση.

1.2 Κβαντική εμπλοκή

Η κβαντική εμπλοκή είναι ένα ειδικό αλληλένδετο φαινόμενο στην κβαντική μηχανική. Σημαίνει ότι όταν δύο ή περισσότερα κβαντικά συστήματα αλληλεπιδρούν, οι καταστάσεις τους συνδέονται στενά, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται, η κατάσταση ενός συστήματος επηρεάζει αμέσως την κατάσταση ενός άλλου συστήματος. Αυτή η συσχέτιση ονομάζεται εμπλοκή.

Η κατάσταση συσχέτισης δύο σωματιδίων σε κατάσταση εμπλοκής δεν μπορεί να καθοριστεί πριν από τη μέτρηση, ωστόσο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα δύο σωματίδια, εφόσον η κατάσταση εμπλοκής δεν καταστραφεί, μόλις μετρηθεί ένα από τα σωματίδια. το άλλο σωματίδιο θα προσδιοριστεί και αυτό. Η κβαντική εμπλοκή όχι μόνο παρέχει την πιο αποτελεσματική μέθοδο παράλληλης επεξεργασίας για κβαντικές λειτουργίες, αλλά είναι επίσης ένα ουσιαστικό εργαλείο για την πραγματοποίηση της κβαντικής επικοινωνίας. Όντας πολύ ευαίσθητη στις περιβαλλοντικές αλλαγές, η κβαντική εμπλοκή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πολύ ακριβών και ευαίσθητων κβαντικών αισθητήρων.

1.3 Κβαντική αποσυνοχή

Κβαντική αποσυνοχή σημαίνει ότι σε ένα κβαντικό σύστημα, καταστάσεις που είχαν αρχικά συνοχή (δηλαδή οι ιδιότητες παρεμβολής και υπέρθεσης των κβαντικών καταστάσεων) χάνουν αυτήν την ιδιότητα συνοχής μετά από μια συγκεκριμένη διαδικασία ή αλληλεπίδραση. Η κβαντική αποσυνοχή συνήθως κάνει τις κβαντικές καταστάσεις να γίνουν πιο κλασικές, δηλαδή πιο κοντά στις καταστάσεις της κλασικής φυσικής.

Η κβαντική αποσυνοχή μπορεί να συμβεί κάτω από διαφορετικές συνθήκες, όπως κβαντική μέτρηση, κβαντική αποσυνοχή, περιβαλλοντική παρεμβολή κ.λπ. Μεταξύ αυτών, οι περιβαλλοντικές παρεμβολές είναι η πιο κοινή αιτία κβαντικής αποσυνοχής Όταν ένα κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του, η περιβαλλοντική αβεβαιότητα και ο θόρυβος θα προκαλέσουν σταδιακή εξαφάνιση του φαινομένου παρεμβολής της κβαντικής κατάστασης και του συστήματος να χάσει σταδιακά τη συνοχή.

Η κβαντική αποσυνοχή είναι ένα σημαντικό ζήτημα που επηρεάζει τον κβαντικό υπολογισμό και την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών, επειδή η συνοχή είναι βασικός πόρος στον κβαντικό υπολογισμό. Ως εκ τούτου, η μελέτη του τρόπου επέκτασης του χρόνου συνοχής των κβαντικών καταστάσεων και μείωσης του αντίκτυπου της κβαντικής αποσυνοχής είναι ένα από τα τρέχοντα ερευνητικά κέντρα στο πεδίο της κβαντικής πληροφορίας.

2. Έρχεται η εποχή της κβαντικής υπεροχής

2.1 Η δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας

Η πρώτη πρόταση της κβαντικής έννοιας μπορεί να ανιχνευθεί πίσω στο 1900, από τον Γερμανό φυσικό Μαξ Πλανκ. Ο Planck πρότεινε την έννοια της κβαντικής ενέργειας, η οποία είναι η βάση της κβαντικής θεωρίας, ξεκινώντας έτσι την επανάσταση της κβαντικής φυσικής στις αρχές του 20ου αιώνα. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανέπτυξε περαιτέρω την κβαντική έννοια και πρότεινε την έννοια των κβαντών φωτός (φωτόνια) για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Η «πρώτη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας» ξεκίνησε στις αρχές του 20ου αιώνα, με τους Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger και Paul. της κβαντικής μηχανικής, συνειδητοποίησε τον συνδυασμό της κβαντικής μηχανικής με τα μαθηματικά, τη χημεία και τη βιολογία, και γέννησε πολλές σημαντικές εφευρέσεις - την ατομική βόμβα, τα λέιζερ, τα τρανζίστορ, τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, τους υπολογιστές κ.λπ.

Το 2014, το Nature, το κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό στον κόσμο, πρότεινε ότι έχει ξεκινήσει η «δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας».

Η «πρώτη κβαντική τεχνολογική επανάσταση» έφερε την ανθρωπότητα από τη βιομηχανική εποχή στην εποχή της πληροφορίας και η συνεχιζόμενη «δεύτερη κβαντική τεχνολογική επανάσταση» σημαίνει ότι η ανθρωπότητα θα ξεπεράσει τα φυσικά όρια της κλασικής τεχνολογίας και θα εισέλθει στην κβαντική εποχή, σηματοδοτώντας την κατανόηση της ανθρωπότητας για το κβαντικός κόσμος Η εξερεύνηση των κβαντικών υπολογιστών έχει περάσει από μια απλή «εποχή ανίχνευσης» σε μια ενεργή «εποχή ρύθμισης», προαναγγέλλοντας σημαντικές ανακαλύψεις στους τομείς των κβαντικών υπολογιστών, των κβαντικών επικοινωνιών και της κβαντικής μέτρησης ακριβείας.

Η «δεύτερη κβαντική τεχνολογική επανάσταση» χρησιμοποιεί κβαντική εμπλοκή, κβαντική υπέρθεση, κβαντική μέτρηση κ.λπ. για να πραγματοποιήσει καινοτόμες εφαρμογές και αναμένεται να προκαλέσει αλλαγές σε πολλά πεδία:

Quantum Computing: Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών θα υποστεί μια μετάβαση από εξειδικευμένους κβαντικούς υπολογιστές σε καθολικούς κβαντικούς υπολογιστές, επιτυγχάνοντας τελικά έναν προγραμματιζόμενο καθολικό κβαντικό υπολογιστή που μπορεί να λύσει συγκεκριμένα προβλήματα που οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν να χειριστούν.

Κβαντική επικοινωνία: Διαθέτει μέθοδο επικοινωνίας κατά της υποκλοπής και δημιουργεί ένα ασφαλές δίκτυο επικοινωνίας με κβαντική μη κλωνοποίηση και άλλα χαρακτηριστικά. Οι κύριες τεχνολογίες περιλαμβάνουν τη διανομή κβαντικών κλειδιών (QKD), την κβαντική τηλεμεταφορά (QT) κ.λπ. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας κβαντικής επικοινωνίας θα προωθήσει επίσης περαιτέρω την κατασκευή κβαντικού Διαδικτύου.

Μέτρηση κβαντικής ακρίβειας: Η τεχνολογία μέτρησης κβαντικής ακρίβειας φέρνει εργαλεία μέτρησης υψηλότερης ακρίβειας στην επιστημονική έρευνα και τη βιομηχανία Δεδομένου ότι οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον, η ευαισθησία και η διακριτική ικανότητα της μέτρησης κβαντικής ακρίβειας θα υπερβεί σημαντικά τα κλασικά όρια και θα προωθήσει την βελτιωμένη ανάπτυξη συναφών τομέων.

Η «δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας» αλλάζει την κατανόησή μας για τον κβαντικό κόσμο και προωθεί την εφαρμογή της κβαντικής τεχνολογίας σε πολλαπλά πεδία. Καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να προοδεύει, η κβαντική τεχνολογία αναμένεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που ζούμε και εργαζόμαστε τις επόμενες δεκαετίες.

2.2 Παγκόσμιος Διαγωνισμός Κβαντικής Τεχνολογίας

«Η επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας έδωσε στην Κίνα την ευκαιρία να «αλλάξει λωρίδα και να προσπεράσει» ο Ζανγκ Κινγκρούι, πρώην εν ενεργεία πρόεδρος του Εθνικού Πανεπιστημίου της Ταϊβάν, καθηγητής του Πανεπιστημίου Τσουνγκ Γιουάν και σύμβουλος του Κβαντικού Ινστιτούτου Ερευνών Foxconn, είπε στο βιβλίο του. Quantum Megatrends».

Στην εποχή της πληροφορικής, η βελτίωση της υπολογιστικής ισχύος των κλασικών υπολογιστών ακολουθεί το νόμο του Moore. Ο νόμος του Moore δηλώνει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια , το φυσικό μέγεθος των τρανζίστορ συνεχίζει να συρρικνώνεται Γίνεται όλο και πιο δύσκολο.

Στη «δεύτερη κβαντική τεχνολογική επανάσταση», ιδιότητες όπως η κβαντική υπέρθεση, η κβαντική εμπλοκή και η κβαντική μέτρηση χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία νέων κβαντικών συνιστωσών Δεν βασίζεται αποκλειστικά στην τεχνολογία συρρίκνωσης του νόμου του Μουρ Η απόδοση των κβαντικών εξαρτημάτων με ιδιότητες εμπλοκής είναι πολύ ανώτερη από εκείνη των κλασσικών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

Ο καθηγητής Παν Τζιανγουέι του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, γνωστός ως «Πατέρας του Κβαντικού» στην Κίνα, είπε κάποτε ότι από την άποψη της σύγχρονης επιστήμης της πληροφορίας, η Κίνα έπαιζε πάντα το ρόλο του μαθητή και του οπαδού τώρα στην εποχή της κβαντικής τεχνολογίας, αν κάνουμε το καλύτερο δυνατό, μπορούμε να Γίνουμε η κύρια δύναμη ανάμεσά τους.

Επί του παρόντος, τα επιτεύγματα της χώρας μου στον τομέα της κβαντικής επικοινωνίας έχουν οδηγήσει τον κόσμο: το 2016, ο πρώτος πειραματικός δορυφόρος κβαντικής επιστήμης στον κόσμο "Mozi" εκτοξεύτηκε με επιτυχία το 2017, η κβαντική γραμμή επικοινωνίας Πεκίνου-Σαγκάης μήκους 2.000 χιλιομέτρων. Το 2018, το "Mozi" "Zihao" πραγματοποίησε διανομή κβαντικού κλειδιού από δορυφόρο σε έδαφος πάνω από 7.600 χιλιόμετρα με τους επίγειους σταθμούς της Κίνας και του Γκρατς το 2022, η ομάδα του καθηγητή Long Guilu του Πανεπιστημίου Tsinghua σχεδίασε ένα υβρίδιο κβαντικής κατάστασης και χρόνου. κβαντική κατάσταση Το νέο κωδικοποιημένο σύστημα κβαντικής άμεσης επικοινωνίας πέτυχε 100 χιλιόμετρα κβαντικής άμεσης επικοινωνίας και κατέρριψε το παγκόσμιο ρεκόρ «κβαντικής άμεσης επικοινωνίας».

Στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών, τον Δεκέμβριο του 2020, το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας ανακοίνωσε την επιτυχημένη κατασκευή του πρωτοτύπου 76 φωτονίων «Jiuzhang», καθιστώντας τη δεύτερη χώρα που πέτυχε την κβαντική υπεροχή (Quantum Supremacy) (Σημείωση). Το 2021, το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας κυκλοφόρησε τον προγραμματιζόμενο υπεραγώγιμο υπολογιστή 56 qubit, συντομεύοντας την εργασία που ο υπερυπολογιστής χρειάστηκε 8 χρόνια για να ολοκληρώσει σε 1,2 ώρες οπτική κβαντική.

Σύμφωνα με στοιχεία από το Qianzhan Industry Research Institute, σε όρους συνολικών επενδύσεων, οι παγκόσμιες επενδύσεις κβαντικής πληροφορίας θα φτάσουν τα 38,6 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023, εκ των οποίων η συνολική επένδυση της Κίνας θα φτάσει τα 15 δισεκατομμύρια δολάρια, καταλαμβάνοντας την πρώτη θέση στον κόσμο.

Προς το παρόν, η Κίνα και οι Ηνωμένες Πολιτείες ηγούνται του ανταγωνισμού στην κβαντική τεχνολογία και η Ευρώπη και άλλες παραδοσιακές τεχνολογικές δυνάμεις πλησιάζουν ενεργά, παρόλο που σήμερα υπάρχουν ηγέτες στην κβαντική τεχνολογία, όλοι οι συμμετέχοντες δεν απέχουν πολύ από τη γραμμή εκκίνησης. Η «αλλαγή λωρίδας και η προσπέραση» είναι πολύ πιο δύσκολη από ό,τι Υπάρχουν περισσότερες ευκαιρίες σε άλλους τομείς της τεχνολογίας.

Το 2021, το περίγραμμα «14ο Πενταετές Σχέδιο» της χώρας μου προτείνει να επιταχυνθεί η ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών όπως ο κβαντικός υπολογισμός και οι κβαντικές επικοινωνίες, με στόχο την ολοκλήρωση της κατασκευής εθνικής υποδομής κβαντικών επικοινωνιών και την ανάπτυξη καθολικών κβαντικών υπολογιστών έως το 2030.

(Σημείωση: Η κβαντική υπεροχή, γνωστή και ως κβαντική υπεροχή, αναφέρεται στην ικανότητα ενός κβαντικού υπολογιστή να ξεπερνά τον πιο ισχυρό συμβατικό υπολογιστή όταν εκτελεί συγκεκριμένες εργασίες. Αυτή η ιδέα αναπτύχθηκε από τον φυσικό John Price Προτάθηκε από τον John Preskill το 2012 για να περιγράψει τα σημαντικά πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών έναντι των κλασικών υπολογιστών στην επίλυση ορισμένων προβλημάτων).

3. Κβαντική Υπολογιστική

Ως τεχνολογία αιχμής, ο κβαντικός υπολογιστής έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή από τους παγκόσμιους επιστημονικούς ερευνητές και το κεφάλαιο τα τελευταία χρόνια. Χρησιμοποιεί τις αρχές της κβαντικής μηχανικής για να ξεπεράσει τη δυαδική μέθοδο υπολογισμού των παραδοσιακών υπολογιστών, δείχνοντας τη δυνατότητα να υπερβεί κατά πολύ τους κλασικούς υπολογιστές σε ορισμένα συγκεκριμένα προβλήματα. Με τη συνεχή εμβάθυνση της θεωρίας της κβαντικής φυσικής και την αυξανόμενη ωριμότητα της κβαντικής τεχνολογίας, ο κβαντικός υπολογισμός έχει περάσει σταδιακά από τη θεωρία στην πρακτικότητα και θεωρείται μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης της μελλοντικής τεχνολογίας υπολογιστών.

3.1 Ορισμός και πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογισμού

Ο κβαντικός υπολογισμός είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί κβαντικά bit ως βασική μονάδα πληροφοριών για την εκτέλεση υπολογισμών με βάση τις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Ο υπερ-παραλληλισμός των κβαντικών υπολογιστών προέρχεται από την κατάσταση υπέρθεσης των qubits Σε σύγκριση με τον ίδιο αριθμό κλασικών bit, η διαφορά στην υπολογιστική ισχύ μεταξύ πολλαπλών qubits είναι εκθετική.

Οι παραδοσιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν δυαδικά bit (bit), κάθε bit είναι είτε 0 είτε 1, ενώ το κβαντικό bit (qubit) ενός κβαντικού υπολογιστή μπορεί να βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης 0 και 1 ταυτόχρονα. Καθώς ο αριθμός των qubit αυξάνεται, τα N qubits μπορούν να έχουν τιμές ταυτόχρονα, κάτι που ισοδυναμεί με την εκτέλεση μιας λειτουργίας ταυτόχρονα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χειρίζονται αυτές τις καταστάσεις υπέρθεσης και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits μέσω κβαντικών αλγορίθμων και μπορούν να επεξεργαστούν μεγάλο αριθμό πιθανών μονοπατιών υπολογισμού ταυτόχρονα, καθιστώντας τους κβαντικούς υπολογιστές πιο αποτελεσματικούς από τους παραδοσιακούς κατά την επίλυση ορισμένων τύπων προβλημάτων, όπως η αποσύνθεση ακεραίων και Οι αλγόριθμοι αναζήτησης είναι πολύ πιο γρήγοροι.

3.2 Βασικές τεχνικές διαδρομές του κβαντικού υπολογισμού

Η χώρα μας δίνει μεγάλη σημασία στην έρευνα της κβαντικής επιστήμης και έχει θεσπίσει διαδοχικά μια σειρά από πολιτικές και σχέδια για την υποστήριξη της έρευνας και εφαρμογής της κβαντικής τεχνολογίας. Στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών, κινεζικά επιστημονικά ερευνητικά ιδρύματα και επιχειρήσεις έχουν επιτύχει μια σειρά διεθνούς επιρροής αποτελεσμάτων σε βασικές τεχνικές διαδρομές, όπως ο υπεραγώγιμος κβαντικός υπολογισμός και ο οπτικός κβαντικός υπολογισμός, και κατέχουν ηγετική θέση στον παγκόσμιο ανταγωνισμό κβαντικών υπολογιστών.

Επί του παρόντος, ο κβαντικός υπολογισμός βρίσκεται στο πρώιμο στάδιο εξερεύνησης και οι κατευθύνσεις ανάπτυξης των qubits είναι πολύ διαφορετικές. βασίζονται βασικά στα πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογισμού ——Εξειδικευμένος Κβαντικός Υπολογισμός—Ανάπτυξη χάρτη πορείας για τον καθολικό κβαντικό υπολογισμό.

Σύμφωνα με την έκθεση «Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024» που κυκλοφόρησε από την ICV, έναν τεχνολογικό συμβουλευτικό οργανισμό αιχμής, η Κίνα και οι Ηνωμένες Πολιτείες κυριαρχούν στη διανομή των μεγάλων εταιρειών κβαντικών υπολογιστών στον κόσμο, με 20 εταιρείες στις Ηνωμένες Πολιτείες και 18 εταιρείες στην Κίνα, αντιπροσωπεύοντας το 28% αντίστοιχα. Από την άποψη της τεχνικής κατανομής διαδρομής, οι υπεραγώγιμες, οι παγίδες ιόντων και οι οπτικές κβαντικές διαδρομές λαμβάνουν τη μεγαλύτερη προσοχή. Μεταξύ των 71 μεγάλων εταιρειών κβαντικών υπολογιστών στον κόσμο το 2023, οι 19 βρίσκονται στο μονοπάτι των υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστών, αντιπροσωπεύοντας το 27%, συμπεριλαμβανομένων 8 στις Ηνωμένες Πολιτείες και 5 στην Κίνα, ακολουθούμενες από τον οπτικό κβαντικό υπολογιστή, με συνολικά 13 εταιρείες , αντιπροσωπεύοντας το 18%, μεταξύ των οποίων οι κινεζικές εταιρείες έχουν τον μεγαλύτερο αριθμό, φτάνοντας τις 4, οι 10 εταιρείες βρίσκονται στην κβαντική υπολογιστική διαδρομή της παγίδας ιόντων, αντιπροσωπεύοντας το 14%, και οι κινεζικές εταιρείες αντιπροσωπεύουν 4.

(1) Υπεραγώγιμη κβαντική υπολογιστική διαδρομή

Ο υπεραγώγιμος κβαντικός υπολογισμός είναι μια από τις πιο ώριμες τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών αυτή τη στιγμή. Βασίζεται σε υπεραγώγιμα κβαντικά κυκλώματα και επεξεργάζεται πληροφορίες χειρίζοντας υπεραγώγιμα qubits. Τα υπεραγώγιμα κβαντικά κυκλώματα είναι εξαιρετικά συμβατά με τα υπάρχοντα συστήματα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων όσον αφορά το σχεδιασμό, την προετοιμασία και τη μέτρηση και μπορούν να χρησιμοποιήσουν παραδοσιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα ως συστήματα ελέγχου. Η IBM, η Intel, η Google, η Origin Quantum, η Guodun Quantum κ.λπ. διεξάγουν έρευνα και ανάπτυξη στο μονοπάτι των υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστών.

Τα πλεονεκτήματα των υπεραγώγιμων qubits είναι η υψηλή τους συνέχεια και επεκτασιμότητα, καθώς και οι σχετικά χαμηλοί ρυθμοί παραμόρφωσής τους. Αυτή η τεχνική διαδρομή έχει επιτύχει εμπλοκή μεταξύ πολλαπλών qubits και λειτουργιών κβαντικής πύλης, θέτοντας τα θεμέλια για την κατασκευή πρακτικών κβαντικών υπολογιστών. Ωστόσο, τα υπεραγώγιμα qubits είναι πολύ ευαίσθητα στη θερμοκρασία και τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές του περιβάλλοντος, επομένως τα πειράματα πρέπει να διεξάγονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και σε καλά θωρακισμένο περιβάλλον.

Η αλυσίδα της βιομηχανίας κβαντικών υπολογιστών των ΗΠΑ έχει πλήρη διάταξη, με κορυφαίες εταιρείες τεχνολογίας όπως η IBM, η Google και η Microsoft να εισέρχονται στη βιομηχανία, ειδικά στη διαδρομή των υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστών. Στον τομέα των υπεραγώγιμων κβαντικών τσιπ, τον Δεκέμβριο του 2023, η IBM κυκλοφόρησε το πρώτο στον κόσμο τσιπ επεξεργαστή κβαντικών υπολογιστών Condor με περισσότερα από 1.000 qubits, το οποίο έχει 1.121 qubits.

Τον Απρίλιο του 2024, το Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορίας και Καινοτομίας Κβαντικής Τεχνολογίας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών κυκλοφόρησε ένα υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογιστικό τσιπ 504 bit "Xiaohong", σπάζοντας το εγχώριο ρεκόρ για τον αριθμό των υπεραγώγιμων qubits.

Ο Peng Chengzhi, καθηγητής στο Ινστιτούτο Κβαντικών Πληροφοριών και Καινοτομίας Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και επικεφαλής επιστήμονας του China Telecom Quantum Group και του Guodun Quantum (688027.SH), δήλωσε ότι τα υπεραγώγιμα κβαντικά υπολογιστικά τσιπ μπορούν να επαναχρησιμοποιήσουν πιο ώριμα Τεχνολογίες επεξεργασίας τσιπ ημιαγωγών Είναι ιδιαίτερα επωφελής από την άποψη της επέκτασης, επομένως η έρευνα και η ανάπτυξη «δεν είναι δύσκολη». ακριβέστερα έλεγχος qubit μεγάλης κλίμακας Αυτό είναι ένα διεθνές mainstream. Η επιστημονική ερευνητική ομάδα εργάζεται σκληρά.

Η υπολογιστική ισχύς που μπορεί να επιτύχει ένας κβαντικός υπολογιστής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, λαμβάνοντας ως παράδειγμα τους υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές, συμπεριλαμβανομένου του αριθμού των bit, της πιστότητας, του χρόνου συνοχής, της ταχύτητας λειτουργίας πύλης, της συνδεσιμότητας κ.λπ. Μεταξύ αυτών, ο αριθμός των bit είναι ένας βασικός δείκτης. Ωστόσο, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο γεγονός ότι δεν έχει νόημα να μιλάμε μόνο για τον αριθμό των bit Αυτό που είναι πιο σημαντικό είναι η πιστότητα πύλης (ειδικά η πιστότητα πύλης δύο bit), ο χρόνος συνοχής και η συνδεσιμότητα bit. κλίμακα qubits.

Επιπλέον, η ιδιότητα των υπεραγώγιμων υλικών είναι ότι όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, η αντίσταση είναι μηδενική και το ρεύμα μπορεί να ρέει χωρίς απώλειες. Προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική λειτουργία και σταθερή αποθήκευση των qubits, τα κβαντικά τσιπ πρέπει να λειτουργούν σε περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας -273,12°C ή χαμηλότερη, επομένως το ψυγείο αραίωσης είναι ένας από τους βασικούς εξοπλισμούς για υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές.

Επί του παρόντος, τα εγχώρια ψυγεία αραίωσης της χώρας μου έχουν κάνει σημαντικές ανακαλύψεις και οι πραγματικοί δείκτες λειτουργίας τους έχουν φτάσει στο διεθνές βασικό επίπεδο παρόμοιων προϊόντων. Το εμπορικά διαθέσιμο και μαζικής παραγωγής οικιακό ψυγείο ez-Q που κυκλοφόρησε από την Guodun Quantum παρέχει κβαντικά τσιπ με περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας και χαμηλού θορύβου μέχρι το επίπεδο των 10 mK. το ψυγείο αραίωσης σε Η ισχύς ψύξης σε θερμοκρασία 100 mK μπορεί να φτάσει τα 450uW Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς ψύξης, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των bits του κβαντικού υπολογισμού) και εξυπηρετεί το "Zuchong-2" για να πραγματοποιήσει το κβαντικό. Το πείραμα υπολογιστικής υπεροχής αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από την Origin Quantum Το ψυγείο αραίωσης SL1000 μπορεί να παρέχει ένα περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας κάτω από 10 mK και μια ικανότητα ψύξης όχι μικρότερη από 1000 μW @100 mK, καλύπτοντας τις ανάγκες περιβαλλόντων εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. πεδία τεχνολογίας αιχμής, όπως η υπεραγώγιμη κβαντική πληροφορική, η φυσική συμπυκνωμένης ύλης, η επιστήμη των υλικών και η εξερεύνηση του διαστήματος στο βάθος.

Η επίτευξη «κβαντικής υπεροχής» είναι ένα βασικό μέτρο της απόδοσης ενός κβαντικού υπολογιστή, δηλαδή η ικανότητά του να υπολογίζει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα πέρα ​​από αυτό ενός κλασικού υπερυπολογιστή. Προς το παρόν, υπάρχουν μόνο δύο υπεραγώγιμοι κβαντικοί υπολογιστές στον κόσμο: ο αμερικανικός «Platanus» και ο κινεζικός «Zuchong-2».

Το "Zuchong-2" είναι ένα προγραμματιζόμενο υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογιστικό πρωτότυπο 66 qubit που αναπτύχθηκε από μια ερευνητική ομάδα που αποτελείται από τους Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi και άλλους από το Institute of Quantum Information and Quantum Technology Innovation, την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών και την Ινστιτούτο Τεχνικής Φυσικής της Σαγκάης, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών. Τον Μάιο του 2023, η ομάδα βελτίωσε το αρχικό τσιπ 66 qubit "Zuchong-2" και πρόσθεσε μια διεπαφή ελέγχου σύζευξης 110 bit, ανεβάζοντας τον αριθμό των qubit που μπορούν να ελέγξουν οι χρήστες στα 176 bit.

Η Guodun Quantum, ως η μόνη επιχειρησιακή μονάδα που συμμετέχει στην έρευνα και ανάπτυξη του "Zuchongzhi", χρησιμοποιεί τις δυνατότητες διαχείρισης και ολοκλήρωσης της εφοδιαστικής αλυσίδας του πρωτοτύπου υπεραγώγιμου κβαντικού υπολογισμού (συμπεριλαμβανομένου συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας δωματίου, συστήματος μετάδοσης σήματος χαμηλής θερμοκρασίας, συστήματος συσκευασίας τσιπ , σύστημα λογισμικού ελέγχου, κ.λπ.).

Επιπλέον, ο ανεξάρτητος υπεραγώγιμος κβαντικός υπολογιστής τρίτης γενιάς "Origin Wukong" που αναπτύχθηκε από την Origin Quantum θα κυκλοφορήσει διαδικτυακά τον Ιανουάριο του 2024. Το "Original Wukong" είναι εξοπλισμένο με ένα υπεραγώγιμο κβαντικό τσιπ 72 bit "Wukong Core" με συνολικά 198 qubits , που περιέχει 72 qubits εργασίας και 126 συζευγμένα qubits.

(Σημείωση: Το Qubit (qubit) είναι η βασική μονάδα του κβαντικού υπολογισμού. Είναι ο φορέας κβαντικών πληροφοριών, παρόμοια με τα bit στον κλασικό υπολογισμό. Τα Qubit μπορούν να βρίσκονται σε κατάσταση υπέρθεσης, δηλαδή υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων ταυτόχρονα , που κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές Πολλαπλές υπολογιστικές εργασίες μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία ταυτόχρονα Τα συζευγμένα qubits (cQubits) είναι ειδικά qubits που έχουν αλληλεπιδράσεις ή συζεύξεις μεταξύ τους Τα συζευγμένα qubits χρησιμοποιούνται συχνά για την υλοποίηση λειτουργιών κβαντικής πύλης. Άλλο Για την ανταλλαγή πληροφοριών και την αλληλεπίδραση μεταξύ τους Γενικά, τα qubits είναι η βασική μονάδα του κβαντικού υπολογισμού, και τα qubits σύζευξης είναι μια ειδική μορφή qubits που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση λειτουργιών κβαντικής πύλης.

(2) Οπτική κβαντική διαδρομή υπολογιστών

Η οπτική κβαντική υπολογιστική διαδρομή χρησιμοποιεί φωτόνια ως φορέα πληροφοριών και πραγματοποιεί τη διαδικασία κβαντικού υπολογισμού μέσω κβαντικών οπτικών στοιχείων. Το βασικό πλεονέκτημα του οπτικού κβαντικού υπολογισμού είναι ότι το ίδιο το φωτόνιο αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με το περιβάλλον και μπορεί να διατηρήσει μια σταθερή κβαντική κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα με υψηλή πιστότητα. Επιπλέον, ο οπτικός κβαντικός υπολογισμός μπορεί να εκτελεστεί σε θερμοκρασία δωματίου, σε αντίθεση με τον υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογισμό που απαιτεί περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Η τεχνική πρόκληση έγκειται στη δημιουργία, λειτουργία και ανίχνευση φωτονίων, η οποία απαιτεί τεχνολογία και εξοπλισμό ελέγχου υψηλής ακρίβειας. Οι εταιρείες που χρησιμοποιούν σήμερα φωτόνια ως διαδρομή προς τους κβαντικούς υπολογιστές περιλαμβάνουν τους PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum και Bose Quantum.

Η Κίνα είναι η μόνη χώρα που έχει επιτύχει κβαντική υπεροχή τόσο στην υπεραγώγιμη όσο και στην οπτική κβαντική τεχνολογία. το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας Η σειρά "Εννέα Κεφάλαια" που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Παν Τζιανγουέι υιοθετεί την οπτική κβαντική υπολογιστική διαδρομή.

Όσον αφορά τους κβαντικούς υπολογιστές συγκεκριμένης λειτουργίας, η Κίνα έχει κάνει μεγάλες ανακαλύψεις και πρόοδο στην πορεία των οπτικών κβαντικών υπολογιστών. Τον Οκτώβριο του 2023, η ομάδα του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας κατασκεύασε με επιτυχία το πρωτότυπο κβαντικών υπολογιστών 255 φωτονίων "Jiuzhang-3". Το πρωτότυπο αποτελείται από 255 φωτόνια και μπορεί να λύσει το μαθηματικό πρόβλημα δειγματοληψίας Gaussian Bose 100 δισεκατομμύρια φορές πιο γρήγορα από τον ταχύτερο υπερυπολογιστή στον κόσμο, σπάζοντας για άλλη μια φορά το παγκόσμιο ρεκόρ για την οπτική κβαντική τεχνολογία πληροφοριών. Επιπλέον, ο συνεκτικός οπτικός κβαντικός υπολογιστής επόμενης γενιάς της Bose Quantum με 550 υπολογιστικά qubits κυκλοφόρησε τον Απρίλιο του 2024 - "Tiangong Quantum Brain 550W", μέσω κιτ ανάπτυξης που αντιπροσωπεύεται από το "Kaiwu SDK" και την οικολογία πολλαπλών βιομηχανιών Ο συνδυασμός του "quantum" algorit που αναπτύχθηκε από συνεργάτες έχει επιτύχει μια σημαντική ανακάλυψη στον πρακτικό κβαντικό υπολογισμό.

Σε αντίθεση με τους κβαντικούς υπολογιστές γενικής χρήσης που μπορούν να αλλάξουν το πρόγραμμα υπολογισμού εκτέλεσης κατά βούληση, οι κβαντικοί υπολογιστές συγκεκριμένης λειτουργίας μπορούν να εκτελέσουν μόνο συγκεκριμένους κβαντικούς αλγόριθμους Εάν θέλουν να χειριστούν υπολογισμούς πέρα ​​από την αρχική λειτουργία σχεδίασης, το υλικό ή ο εξοπλισμός πρέπει να αλλάξει.

Στον τομέα των προγραμματιζόμενων οπτικών κβαντικών υπολογιστών γενικής χρήσης, η Turing Quantum κυκλοφόρησε το DeepQuantum, το πρώτο πλαίσιο προγραμματισμού οπτικών κβαντικών υπολογιστών της Κίνας. Χρησιμοποιώντας το QubitCircuit στο DeepQuantum, οι προγραμματιστές μπορούν εύκολα να δημιουργήσουν και να προσομοιώσουν κβαντικά κυκλώματα και να σχεδιάσουν και να βελτιστοποιήσουν γρήγορα τα κβαντικά νευρωνικά δίκτυα. Επιπλέον, μέσω του QumodeCircuit του DeepQuantum, οι χρήστες μπορούν να μελετήσουν σε βάθος τα οπτικά κβαντικά κυκλώματα και να αναπτύξουν πρακτικές εφαρμογές που βασίζονται σε αλγόριθμους όπως η δειγματοληψία Gaussian Bose. Το DeepQuantum όχι μόνο περιλαμβάνει λειτουργίες αυτόματης διαφοροποίησης, αλλά διαθέτει επίσης μια ποικιλία από ενσωματωμένους βελτιστοποιητές χωρίς κλίση για να βοηθήσει τους χρήστες να εφαρμόσουν και να εξερευνήσουν αποτελεσματικά κβαντικούς αλγόριθμους παραλλαγών. Ταυτόχρονα, η Turing Quantum θα αναπτύξει υλικό οπτικού κβαντικού υπολογισμού στην πλατφόρμα Quantum Cloud και οι χρήστες θα μπορούν να βιώσουν πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές μέσω του DeepQuantum.

(3) Κβαντική υπολογιστική διαδρομή παγίδας ιόντων

Η κβαντική υπολογιστική διαδρομή παγίδας ιόντων είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί ιόντα (συνήθως φορτισμένα άτομα ή μόρια) ως qubits για την εκτέλεση κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών. Το εξωτερικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο χρησιμοποιείται για να «παγιδέψει» τα ιόντα σε ένα συγκεκριμένο εύρος και η κίνηση των ιόντων ελέγχεται από τη δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ του φορτίου και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Τα πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογισμού παγίδας ιόντων έγκεινται στον μακρύ σταθερό χρόνο εμπλοκής και στην υψηλή πιστότητα των λογικών πυλών, ωστόσο, η τεχνική δυσκολία έγκειται στην επίτευξη σταθερής «φυλάκισης» και στον ακριβή έλεγχο μεγάλου αριθμού ιόντων ταυτόχρονα, κάτι που απαιτεί. Τεχνολογία ψύξης λέιζερ και περιβάλλον εξαιρετικά υψηλού κενού και ενοποίηση Η συμβατότητα του κυκλώματος δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί, με αποτέλεσμα περιορισμένη επεκτασιμότητα. Επί του παρόντος, οι εταιρείες που ασχολούνται βαθιά με την τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών παγίδας ιόντων περιλαμβάνουν τις Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum κ.λπ.

Το 2023, η Huayi Quantum κυκλοφόρησε το HYQ-A37, ένα εμπορικό πρωτότυπο του κβαντικού υπολογιστή παγίδας ιόντων πρώτης γενιάς με κλίμακα 37 qubits Ο χρόνος συνοχής qubit, η πιστότητα και άλλοι σχετικοί δείκτες απόδοσης έχουν φτάσει στο επίπεδο πρώτης κατηγορίας στον κόσμο. Επί του παρόντος, οι χρήστες μπορούν να χρησιμοποιούν οπτικά εργαλεία ή επεξεργαστές κώδικα για να σχεδιάζουν γρήγορα κβαντικά κυκλώματα κατόπιν ραντεβού και να έχουν απομακρυσμένη πρόσβαση στο HYQ-A37 για να εκτελέσουν εργασίες υπολογιστών και να λάβουν ανατροφοδότηση γραφικών υπολογιστικών αποτελεσμάτων σε πραγματικό χρόνο. Η Huayi Quantum αναμένεται να κυκλοφορήσει έναν κβαντικό υπολογιστή παγίδας ιόντων 110-bit χαμηλής θερμοκρασίας το 2024.

3.3 Το ιστορικό ανάπτυξης και οι τεχνικές δυσκολίες των κβαντικών υπολογιστών

Από τη δεκαετία του 1980, ο κβαντικός υπολογιστής έχει επαληθευτεί από βασικές φυσικές ιδέες και πρωταρχικές αρχές, και τώρα οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν φτάσει στο στάδιο NISQ (θορυβώδης κβαντικός υπολογιστής μέσης κλίμακας).

Οι υπολογιστές με κβαντικές πύλες υψηλής πιστότητας 50 έως 100 qubits ονομάζονται υπολογιστές NISQ, σημαίνει ότι υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός θορύβου και σφαλμάτων μεταξύ των qubits, οι οποίοι έχουν χαμηλή ανοχή σε σφάλματα και δεν μπορούν ακόμη να επιτύχουν ακριβείς κβαντικούς υπολογισμούς. Οι κβαντικοί υπολογιστές γενικής χρήσης με ανοχή σε σφάλματα είναι ένας μακροπρόθεσμος στόχος ανάπτυξης και θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να επιτευχθεί εργασίες και έχουν ήδη επιδείξει εξαιρετική απόδοση σε ορισμένα πεδία εφαρμογών.

Οι κύριοι περιορισμοί στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών σε αυτό το στάδιο είναι:

(1) Απαιτήσεις ακραίων χαμηλών θερμοκρασιών: Για να διατηρηθεί η σταθερότητα της κβαντικής κατάστασης των qubits, οι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να λειτουργούν σε περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας κοντά στο απόλυτο μηδέν. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα qubits μπορούν να εμφανίσουν αποτελεσματικά τα χαρακτηριστικά της κβαντικής εμπλοκής και της κβαντικής υπέρθεσης. Τα συστήματα ψύξης είναι ακριβά στη συντήρηση και τη λειτουργία τους, και καθώς ο αριθμός των qubits αυξάνεται, οι αντίστοιχες απαιτήσεις ψύξης θα πρέπει να βελτιωθούν.

(2) Ζήτημα σταθερότητας Qubit: Τα Qubit (ή qubits) είναι οι βασικές μονάδες πληροφοριών των κβαντικών υπολογιστών, αλλά είναι πολύ εύθραυστες και επιρρεπείς σε θόρυβο και εξωτερικές παρεμβολές, που οδηγούν σε κβαντική αποσυνοχή. Η αποσυνοχή καταστρέφει τις κβαντικές πληροφορίες, καθιστώντας τους υπολογισμούς αναξιόπιστους. Η αύξηση του χρόνου συνοχής των qubits είναι ένα τρέχον ερευνητικό hotspot.

(3) Κβαντική διόρθωση σφαλμάτων: Τα σφάλματα συμβαίνουν αναπόφευκτα κατά τον κβαντικό υπολογισμό και λόγω των ειδικών ιδιοτήτων των qubits, αυτά τα σφάλματα διαφέρουν από εκείνα των παραδοσιακών υπολογιστών. Η ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνικών διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων είναι κρίσιμης σημασίας για την ενεργοποίηση αξιόπιστων κβαντικών υπολογισμών, αλλά οι τρέχοντες αλγόριθμοι διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων παραμένουν πολύπλοκοι και δύσκολο να κλιμακωθούν.

(4) Επεκτασιμότητα: Ο αριθμός των qubits στους υπάρχοντες κβαντικούς υπολογιστές είναι σχετικά μικρός, αλλά ο υπολογισμός πολύπλοκων προβλημάτων απαιτεί εκατοντάδες, χιλιάδες ή και περισσότερα qubits. Το πώς να κλιμακώσετε τους κβαντικούς υπολογιστές χωρίς να μειώσετε την ποιότητα ενός μόνο qubit είναι μια τεράστια τεχνική πρόκληση.

(5) Περιορισμοί υλικού και τεχνολογίας: Η κατασκευή qubits υψηλής ποιότητας απαιτεί προηγμένα υλικά και ακριβείς διαδικασίες κατασκευής. Για παράδειγμα, τα υπεραγώγιμα qubit απαιτούν υπεραγώγιμα υλικά υψηλής καθαρότητας, ενώ η τεχνολογία παγίδας ιόντων απαιτεί συστήματα λέιζερ και κενού υψηλής ακρίβειας. Η ανάπτυξη και η ωριμότητα αυτών των τεχνολογιών επηρεάζει άμεσα την απόδοση και τη σκοπιμότητα των κβαντικών υπολογιστών.

(6) Ανεπαρκής ανάπτυξη αλγορίθμων και λογισμικού: Αν και είναι γνωστό ότι ορισμένοι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν θεωρητικά να παρέχουν απόδοση πέρα ​​από τον κλασικό υπολογισμό, οι βιβλιοθήκες αλγορίθμων και τα εργαλεία λογισμικού των κβαντικών υπολογιστών εξακολουθούν να είναι περιορισμένα και υπάρχει έλλειψη ευρέως εφαρμόσιμων πλατφορμών κβαντικού λογισμικού και τα πλαίσια προγραμματισμού.

(7) Το χάσμα μεταξύ θεωρίας και πειράματος: Ο κβαντικός υπολογισμός σημειώνει ταχεία πρόοδο στη θεωρία, αλλά ο ρυθμός υλοποίησης αυτών των θεωριών στα πραγματικά πειράματα είναι σχετικά αργός. Πολλές θεωρίες δεν έχουν επαληθευτεί πειραματικά, επομένως πρέπει να γίνουν πολλές καινοτομίες και βελτιστοποίηση σε πειραματικές τεχνικές και σχέδια.

(8) Έλλειψη ταλέντων και γνώσεων: Η κβαντική πληροφορική είναι ένα διεπιστημονικό πεδίο που περιλαμβάνει πολλούς κλάδους όπως η φυσική, η επιστήμη των υπολογιστών, η μηχανική και τα μαθηματικά. Επί του παρόντος, οι ερευνητές και οι μηχανικοί με διεπιστημονικές γνώσεις και δεξιότητες είναι σχετικά σπάνιοι, περιορίζοντας τον ρυθμό ανάπτυξης στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών.

(8) Περιορισμοί σεναρίων εφαρμογών: Επί του παρόντος, οι κβαντικοί υπολογιστές παρουσιάζουν δυνατότητες σε ορισμένα συγκεκριμένα προβλήματα, όπως χημικές προσομοιώσεις, διάρρηξη κωδικού πρόσβασης και πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης. Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών δεν είναι ακόμη προφανή σε πολλές υπολογιστικές εργασίες γενικής χρήσης και η πρακτική τους αξία σε εμπορικές και βιομηχανικές εφαρμογές πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αν και η εμπορευματοποίηση των κβαντικών υπολογιστών εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, η κβαντική τεχνολογία έχει εισέλθει στο στάδιο της μηχανικής από το στάδιο της θεωρητικής έρευνας βρίσκεται στη «δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας» Θα υπάρξουν τεράστιες αλλαγές στο μέλλον και πρέπει να προετοιμαστούμε εκ των προτέρων για να μπούμε σε μια νέα κβαντική εποχή.

3.4 Εφαρμογές Κβαντικών Υπολογιστών

(1) Πλατφόρμα cloud κβαντικών υπολογιστών

Η επίτευξη «κβαντικής ανωτερότητας» είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την εμπορευματοποίηση και τη διάδοση του κβαντικού υπολογισμού και η πλατφόρμα cloud του κβαντικού υπολογισμού είναι το κλειδί για την ανάπτυξη πρακτικών εφαρμογών του κβαντικού υπολογισμού.

Προς το παρόν, το κόστος υλικού των κβαντικών υπολογιστών είναι εξαιρετικά υψηλό, ειδικά για συστήματα qubit υψηλής πιστότητας και μεγάλης κλίμακας. Ταυτόχρονα, η λειτουργία και η συντήρηση των κβαντικών υπολογιστών απαιτεί επαγγελματική τεχνολογία και περιβάλλον. Η πλατφόρμα cloud quantum computing παρέχει σε πανεπιστήμια, ερευνητικά ιδρύματα, επιχειρήσεις κ.λπ. έναν τρόπο χαμηλού κόστους πρόσβασης σε συστήματα κβαντικών υπολογιστών.

Από τη μία πλευρά, η πλατφόρμα cloud μπορεί γρήγορα να ενημερώσει και να αναπτύξει την πιο πρόσφατη τεχνολογία και αλγόριθμους κβαντικών υπολογιστών και οι χρήστες μπορούν να βιώσουν άμεσα τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η τεχνολογική πρόοδος, από την άλλη, όταν οι χρήστες δοκιμάζουν την πλατφόρμα cloud για ανάπτυξη και δοκιμή εφαρμογών , μπορούν να παρέχουν στην πλατφόρμα Παροχή ανατροφοδότησης για προβλήματα και ανάγκες από προμηθευτές για την προώθηση της επανάληψης και της βελτιστοποίησης της τεχνολογίας. Η πλατφόρμα κβαντικού υπολογιστικού νέφους χρησιμεύει ως γέφυρα που συνδέει διαφορετικές εταιρείες κβαντικών υπολογιστών, επιστημονικά ερευνητικά ιδρύματα και εταιρικούς χρήστες, προάγοντας τη συνεργασία μεταξύ των κβαντικών υπολογιστών και όλων των κοινωνικών στρωμάτων και προάγοντας από κοινού την ανάπτυξη και εφαρμογή της τεχνολογίας κβαντικών υπολογιστών.

Τον Μάιο του 2023, η Guodun Quantum κυκλοφόρησε μια νέα γενιά κβαντικής πλατφόρμας υπολογιστικού νέφους, η οποία συνδέθηκε με τον αυτοαναπτυγμένο κβαντικό υπολογιστή 176-bit του ίδιου τύπου με τον "Zuchongzhihao". ρεκόρ για εγχώριες πλατφόρμες cloud, έχει γίνει επίσης η πρώτη πλατφόρμα cloud κβαντικών υπολογιστών στον κόσμο που έχει τη δυνατότητα να επιτύχει κβαντική υπεροχή στην υπεραγώγιμη κβαντική διαδρομή και είναι ανοιχτή στον έξω κόσμο. Η Guodun Quantum δήλωσε ότι στο μέλλον, σχεδιάζει να αποκτήσει πρόσβαση σε πολλούς κβαντικούς υπολογιστές υψηλής απόδοσης για αμοιβαία ανάκτηση από καταστροφές και επαναληπτικές ενημερώσεις, έτσι ώστε το υλικό της πλατφόρμας cloud να μπορεί να διατηρήσει το διεθνώς προηγμένο επίπεδο.

Τον Νοέμβριο του 2023, η Guodun Quantum βοήθησε την πλατφόρμα κβαντικής υπολογιστικής cloud "Tianyan" του China Telecom Quantum Group και την υπερυπολογιστική πλατφόρμα "Tianyi Cloud" της China Telecom να συνδεθούν για να δημιουργήσουν ένα υβριδικό σύστημα αρχιτεκτονικής υπολογιστών "υπερυπολογιστών-κβαντικών υπολογιστών".

(2) Κύρια σενάρια εφαρμογών κβαντικών υπολογιστών

Σύμφωνα με στοιχεία της ICV, η παγκόσμια κβαντική βιομηχανία θα φτάσει τα 4,7 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023 και ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης (CAGR) από το 2023 έως το 2028 αναμένεται να φτάσει το 44,8%, επωφελούμενος από την τεχνολογική πρόοδο των κβαντικών υπολογιστών γενικής χρήσης και των Η ευρεία χρήση εξειδικευμένων κβαντικών υπολογιστών σε εφαρμογές συγκεκριμένων τομέων, το συνολικό μέγεθος της αγοράς της βιομηχανίας κβαντικών υπολογιστών αναμένεται να φτάσει τα 811,7 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2035.

Ως αναδυόμενη τεχνολογία υπολογιστών, ο κβαντικός υπολογισμός έχει δείξει καινοτόμες δυνατότητες εφαρμογής σε πολλούς τομείς όπως τα χρηματοοικονομικά, η ιατρική και η χημική βιομηχανία. Μεταξύ αυτών, ο χρηματοοικονομικός κλάδος είναι ένας δυνητικά σημαντικός τομέας εφαρμογών του κβαντικού υπολογιστή, σύμφωνα με τις προβλέψεις της ICV, μεταξύ των παγκόσμιων κατάντη εφαρμογών του κβαντικού υπολογισμού, ο χρηματοοικονομικός τομέας θα έχει το υψηλότερο μερίδιο αγοράς το 2035, φθάνοντας το 51,9%, σημειώνοντας σημαντική αύξηση από 15,8% το 2030. Ακολουθούν η φαρμακευτική και η χημική βιομηχανία, με ποσοστό 20,5% και 14,2% αντίστοιχα.

Ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιείται ευρέως στον χρηματοοικονομικό τομέα για τη μείωση του κόστους και του χρόνου επεξεργασίας Επί του παρόντος, περιλαμβάνει κυρίως: διαχείριση και έλεγχο κινδύνου, τιμολόγηση παραγώγων, βελτιστοποίηση χαρτοφυλακίου, διαπραγμάτευση αρμπιτράζ και πιστοληπτική αξιολόγηση κ.λπ.

Οι κύριες χρηματοοικονομικές εταιρείες στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, όπως η JP Morgan και η Goldman Sachs, έχουν δημιουργήσει κβαντικά τμήματα για την ανάπτυξη κβαντικών οικονομικών εφαρμογών Η Origin Quantum και η China Economic Information Service Xinhua Finance κυκλοφόρησαν από κοινού το "Quantum Financial Applications", το οποίο δημοσιεύτηκε στο Xinhua Finance The. Η εφαρμογή είναι διαδικτυακή, παρέχοντας την εφαρμογή κβαντικών υπολογιστών στη βελτιστοποίηση του επενδυτικού χαρτοφυλακίου, την τιμολόγηση παραγώγων και την ανάλυση κινδύνου, η China Construction Bank έχει εξερευνήσει και εξασκήσει ενεργά την εφαρμογή της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών, έχει δημιουργήσει ένα εργαστήριο κβαντικών οικονομικών εφαρμογών και έχει συνεργαστεί με την εγχώρια και ξένη Quantum. ομάδες ασφαλείας και κβαντικών υπολογιστών έχουν συνεργαστεί για να πραγματοποιήσουν μια σειρά από μελλοντικές έρευνες και καινοτόμες εξερευνήσεις. Η China Construction Bank κυκλοφόρησε κβαντικούς αλγόριθμους χρηματοοικονομικών εφαρμογών όπως ο "Quantum Bayesian Network Algorithm" και ο "Quantum Portfolio Optimization Algorithm" Αυτοί οι αλγόριθμοι έχουν δείξει τις δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού στην ανάλυση κινδύνου και τη βελτιστοποίηση χαρτοφυλακίου.

Όσον αφορά την ιατρική έρευνα και ανάπτυξη και την επιστήμη των χημικών υλικών, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να προσομοιώσουν πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις και ιδιότητες υλικών, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων, νέων υλικών και τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών χημικής αντίδρασης.

Τα νέα υλικά και τα νέα φάρμακα έχουν τεράστια οικονομική αξία, ειδικά στον τομέα της ιατρικής, εάν ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να αντικαταστήσει την παραδοσιακή πειραματική μέθοδο δοκιμής και λάθους μέσω υπολογιστικής ανάλυσης, όχι μόνο θα μειώσει σημαντικά τον χρόνο για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων, αλλά και θα εξοικονομήσει τεράστια ποσά. κόστος ιατρικής ανάπτυξης. Προώθηση της εφαρμογής του κβαντικού υπολογισμού στην ιατρική έρευνα και ανάπτυξη και την επιστήμη των υλικών, αλλά εξακολουθεί να χρειάζεται να συντονιστεί με συγκεκριμένους κβαντικούς αλγόριθμους.

Τον Ιούλιο του 2022, το BGI Life Sciences Research Institute συνεργάστηκε με την Quanthuan Technology για να διερευνήσει την εφαρμογή του κβαντικού υπολογισμού στον τομέα των βιοεπιστημών. Χρησιμοποίησαν κβαντικούς αλγόριθμους για να επιτύχουν τη συναρμολόγηση γονιδιώματος, έλυσαν το πρόβλημα της συναρμολόγησης του γονιδιώματος και χρησιμοποίησαν λιγότερους κβαντικούς πόρους για να προσομοιώσουν μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα, παρέχοντας τη δυνατότητα προσομοίωσης συστημάτων μεγάλης κλίμακας στην εποχή NISQ.

Τον Μάρτιο του 2022, η Turing Quantum χρησιμοποίησε τεχνολογία δικτύου τανυστών για να επιτύχει 38 φορές ταχύτερο σχεδιασμό φαρμάκων κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης μέσω της συστολής των τανυστών και κυκλοφόρησε μια σειρά από ενότητες εφαρμογής κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης, συμπεριλαμβανομένων των QuOmics (γονιδιωματική), QuChem (μόρια φαρμάκων) Τέσσερις κύριες ενότητες, συμπεριλαμβανομένου του Structural Design), του QuDocking (Drug Virtual Screening) και του QuSynthesis (Chemical Molecule Retrosynthesis), έχουν επιτύχει ποικίλους βαθμούς βελτίωσης του κβαντικού αλγορίθμου.

Τον Απρίλιο του 2021, η Origin Quantum κυκλοφόρησε το Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0, το οποίο παρέχει τη βάση για την εφαρμογή του κβαντικού υπολογισμού στον τομέα της χημείας και επιτρέπει καινοτόμες εφαρμογές κβαντικού υπολογισμού στη νέα ιατρική, νέα υλικά, νέα ενέργεια και άλλους τομείς .

Στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης, επειδή τα qubits μπορούν να βρίσκονται σε πολλαπλές καταστάσεις, τα κβαντικά νευρωνικά δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία συνόλων δεδομένων μεγάλης κλίμακας και πολύπλοκων μοντέλων. Αυτό θα βοηθήσει στη βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης και θα προωθήσει την τεχνολογία τεχνητής νοημοσύνης προς τα εμπρός.

Ο συνδυασμός κβαντικού υπολογισμού και μηχανικής μάθησης, εκμεταλλευόμενος την ικανότητα των κβαντικών υπολογιστών να επεξεργάζονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων, βοηθά τη μηχανική μάθηση να ξεπεράσει το σημείο συμφόρησης πάρα πολλών παραμέτρων, κάτι που είναι μια σημαντική πρόσφατη ερευνητική κατεύθυνση. Η IBM έχει προσθέσει μια ενότητα μηχανικής μάθησης στην αρχιτεκτονική Qiskit, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογισμού και της μηχανικής μάθησης και αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών στην επεξεργασία μεγάλων δεδομένων για να καθορίσει τα μελλοντικά πλεονεκτήματα των μοντέλων κβαντικής μηχανικής μάθησης.

4. Κβαντική επικοινωνία και ασφάλεια

Ως σημαντικός κλάδος της κβαντικής τεχνολογίας, η κβαντική επικοινωνία είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία μετάδοσης πληροφοριών, είναι επίσης η πρώτη κβαντική τεχνολογία που εισέρχεται στο πρακτικό στάδιο και η πιο ώριμη. Η κβαντική επικοινωνία κάνει την επικοινωνία πιο ασφαλή και η κβαντική επικοινωνία, ειδικά η κβαντική ασφαλής επικοινωνία, έχει βασικά τεθεί σε πρακτική χρήση. Βασισμένη στην τεχνολογία διανομής κβαντικών κλειδιών, η κβαντική ασφαλής επικοινωνία έχει πολλές εφαρμογές μηχανικής στην Κίνα.

Με την υποστήριξη των εθνικών πολιτικών, η βιομηχανία κβαντικών επικοινωνιών της χώρας μου αναπτύχθηκε ραγδαία τα τελευταία χρόνια και έχει γίνει παγκόσμιος ηγέτης. Με τη συνεχή συμμετοχή πολλών εξαιρετικών επιχειρήσεων και επιστημονικών ερευνητικών ιδρυμάτων, ο κλάδος των κβαντικών επικοινωνιών έχει γίνει επίσης το επίκεντρο των πρωτογενών και δευτερογενών αγορών.

4.1 Η αναγκαιότητα της κβαντικής ασφαλούς επικοινωνίας

Η κβαντική τεχνολογία θεωρείται το επόμενο ορόσημο στην τεχνολογία. Ο κβαντικός υπολογιστής φέρνει ένα άλμα στην υπολογιστική ισχύ, καθιστώντας την αντιμετώπιση σύνθετων προβλημάτων όσο το δυνατόν πιο παιδαριώδη, είτε πρόκειται για σχεδιασμό φαρμάκων, προσομοίωση κλίματος ή βελτιστοποίηση μεγάλων συστημάτων, ο κβαντικός υπολογισμός αναμένεται να δείξει τα ταλέντα του. Αλλά αυτό το δίκοπο μαχαίρι αποτελεί επίσης μια τεράστια απειλή - μπορεί να σπάσει τις περισσότερες από τις σημερινές τεχνολογίες κρυπτογράφησης σε μια στιγμή.

Τα παραδοσιακά συστήματα κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού, όπως τα RSA, ECC (ελλειπτική κρυπτογράφηση καμπύλης), κ.λπ., βασίζονται στην υπολογιστική δυσκολία της παραγοντοποίησης ακεραίων και των διακριτών λογαρίθμων προβλημάτων τεχνικούς όρους.

Ωστόσο, με την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, οι κβαντικοί αλγόριθμοι όπως ο αλγόριθμος του Shor έχουν βρεθεί ότι μπορούν να λύσουν γρήγορα αυτά τα προβλήματα. Πάρτε για παράδειγμα τον αλγόριθμο RSA, τον πιο δημοφιλή και ευρέως χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο κρυπτογράφησης επί του παρόντος, ο πιο συνηθισμένος τώρα είναι η κρυπτογράφηση 2048 bit (όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του κλειδιού, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος διάρρηξης) και ο αλγόριθμος Shor μπορεί θεωρητικά. κρυπτογράφηση μακράς διάρκειας σε μόλις 8 ώρες Κρυπτογράφηση RSA έως 2048 bit, απειλώντας έτσι την ασφάλεια των παραδοσιακών συστημάτων κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού.

Οι ανησυχίες σχετικά με την απειλή των κβαντικών υπολογιστών στην παραδοσιακή κρυπτογραφία υπάρχουν εδώ και αρκετό καιρό, αλλά δεν έχουν γίνει ακόμη πραγματικότητα. Η υπολογιστική ισχύς ενός κβαντικού υπολογιστή εξαρτάται από τον αριθμό των qubits που μπορεί να επεξεργαστεί Οι τρέχοντες κβαντικοί υπολογιστές έχουν μόνο εκατοντάδες έως χίλια qubits θορύβου, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός μικρού αριθμού σταθερών και διόρθωσης σφαλμάτων. Η απειλή για την παραδοσιακή κρυπτογράφηση απαιτεί χιλιάδες σταθερά qubit, τα οποία μπορεί να απαιτούν εκατομμύρια θορυβώδη qubits. Επομένως, αν και οι δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών αναπτύσσονται γρήγορα, δεν έχουν φτάσει ακόμη σε επίπεδο που απειλεί την κλασική κρυπτογράφηση, αλλά ορισμένοι ειδικοί του κλάδου λένε ότι αυτό το επίπεδο μπορεί να επιτευχθεί μέσα στα επόμενα 5-10 χρόνια ή και λιγότερο.

Αν και η απειλή των κβαντικών υπολογιστών για την παραδοσιακή κρυπτογραφία βρίσκεται ακόμα στο θεωρητικό στάδιο, ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα είναι αυτή τη στιγμή η μελλοντική ασφάλεια των ευαίσθητων πληροφοριών Αν και η τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών δεν έχει ακόμη επιτύχει μια πραγματική ανακάλυψη, πολλές κρυπτογραφημένες ευαίσθητες πληροφορίες κυκλοφορούν. online , πράγμα που σημαίνει ότι οι εγκληματίες μπορούν να κλέψουν κρυπτογραφημένα δεδομένα τώρα και να τα αποθηκεύσουν και στη συνέχεια να τα αποκρυπτογραφήσουν όταν ωριμάσει η τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών.

Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η διανομή κβαντικών κλειδιών (QKD, Quantum Key Distribution), μετακβαντική κρυπτογραφία (PQC, Post-Quantum Cryptography), κβαντική γεννήτρια τυχαίων αριθμών (QRNG, κβαντική γεννήτρια τυχαίων αριθμών), κβαντική τηλεμεταφορά (τεχνολογίες ασφάλειας κβαντικών επικοινωνιών όπως το QT (Quantum Teleportation), μεταξύ των οποίων το QKD θεωρείται η μόνη άνευ όρων ασφαλής μέθοδος επικοινωνίας στη θεωρία, επειδή η ασφάλεια κλειδιού QKD βασίζεται στους νόμους της κβαντικής φυσικής και όχι στην υπολογιστική πολυπλοκότητα των μαθηματικών προβλημάτων. Η κατασκευή κβαντικού ασφαλούς δικτύου επικοινωνίας της χώρας μου που βασίζεται στην τεχνολογία QKD έχει αρχίσει να διαμορφώνεται και οι εμπορικές εφαρμογές συνεχίζουν να προχωρούν, ενώ ο αλγόριθμος PQC βρίσκεται επί του παρόντος σε επίδειξη τυποποίησης.

4.2 Κύριες τεχνολογίες για κβαντική ασφαλή επικοινωνία

Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι το «δόρυ» και η κβαντική ασφαλής επικοινωνία είναι η «ασπίδα». Πριν φτάσει επίσημα η «δεύτερη επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας», η ανάπτυξη της κβαντικής ασφαλούς τεχνολογίας επικοινωνιών παρέχει νέες λύσεις για την ασφάλεια των πληροφοριών, ειδικά σε τομείς με υψηλές απαιτήσεις ασφάλειας, όπως οι κυβερνητικές επικοινωνίες, οι οικονομικές συναλλαγές και η εθνική αμυντική ασφάλεια. Με τη συνεχή ωριμότητα της τεχνολογίας και την προώθηση των εφαρμογών, η κβαντική ασφαλής επικοινωνία αναμένεται να οικοδομήσει ένα πιο ασφαλές και αξιόπιστο δίκτυο επικοινωνίας στο μέλλον.

(1) Κβαντική Γεννήτρια Τυχαίων Αριθμών (QRNG)

Μια γεννήτρια τυχαίων αριθμών είναι μια συσκευή ή αλγόριθμος που μπορεί να δημιουργήσει μια ακολουθία τυχαίων αριθμών Οι γεννήτριες τυχαίων αριθμών είναι πολύ σημαντικές στην κρυπτογραφία και χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κλειδιών κρυπτογράφησης, διανυσμάτων αρχικοποίησης (IV) και άλλων παραμέτρων που πρέπει να διατηρούνται μυστικές. Εξασφαλίζουν την ασφάλεια και το απρόβλεπτο της διαδικασίας κρυπτογράφησης.

Οι γεννήτριες τυχαίων αριθμών χωρίζονται σε γεννήτριες πραγματικών τυχαίων αριθμών (TRNG, γεννήτρια αληθινών τυχαίων αριθμών) και σε γεννήτριες ψευδοτυχαίων αριθμών (PRNG, TRNG γενικά αναφέρεται στη δημιουργία τυχαιότητας που βασίζεται σε φυσικές διεργασίες ή φυσικά φαινόμενα). όπως ηλεκτρόνια, θερμικός θόρυβος εξοπλισμού, ραδιενεργός διάσπαση, χρόνος άφιξης φωτονίων κ.λπ. Επειδή βασίζονται σε απρόβλεπτες φυσικές διαδικασίες, θεωρούνται «πραγματικά» τυχαίες. Το PRNG χρησιμοποιεί έναν ντετερμινιστικό αλγόριθμο, που ξεκινά από μια αρχική κατάσταση (seed) και δημιουργεί μια τυχαία ακολουθία αριθμών σύμφωνα με κανόνες αλγορίθμου.

Δεδομένου ότι το TRNG μπορεί να δημιουργήσει έναν περιορισμένο αριθμό τυχαίων αριθμών ανά δευτερόλεπτο, το TRNG χρησιμοποιείται συνήθως ως ο «σπόρος» του PRNG για τη δημιουργία μιας πραγματικής και ανεπανάληπτης ακολουθίας τυχαίων αριθμών Αν και το PRNG ονομάζεται επίσης γεννήτρια τυχαίων αριθμών, στην πραγματικότητα είναι εξαιρετικά προβλέψιμο. , εφόσον ο αλγόριθμος και η κατάσταση του σπόρου είναι γνωστά, η εύρεση του τέλειου TRNG ήταν πάντα μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση.

Η κβαντική γεννήτρια τυχαίων αριθμών (QRNG) είναι ένα τέλειο TRNG που δανείζεται την κβαντική τυχαία υπέρθεση της κβαντικής μηχανικής και χρησιμοποιεί τα πιθανοτικά χαρακτηριστικά του κβαντικού κόσμου για να δημιουργήσει ένα πραγματικά τυχαίο κλειδί. Δεδομένου ότι ο κβαντικός μηχανισμός του QRNG έχει κατακτηθεί πλήρως και κατανοηθεί, τα κβαντικά συστατικά που παράγουν τυχαίους αριθμούς έχουν χρησιμοποιηθεί στην κρυπτογράφηση πληροφοριών. Η τρέχουσα κύρια κατεύθυνση έρευνας και ανάπτυξης του QRNG είναι να παράγει πιο οικονομικά, ταχύτερα και μικρότερα κβαντικά τυχαία τσιπ.

(2) Κβαντική διανομή κλειδιού (QKD)

Η Quantum Key Distribution (QKD) χρησιμοποιεί κβαντικές καταστάσεις για τη μεταφορά πληροφοριών και την κοινή χρήση κλειδιών μεταξύ των μερών που επικοινωνούν μέσω ενός συγκεκριμένου πρωτοκόλλου για να επιτευχθεί η μοναδική θεωρητικά άνευ όρων ασφαλής μέχρι τώρα μέθοδος επικοινωνίας.

Το κλειδί για τη διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD) είναι να χρησιμοποιηθεί η ύλη με μια κβαντική κατάσταση ως κωδικός πρόσβασης και η κβαντική κατάσταση έχει τις ακόλουθες δύο βασικές ιδιότητες, διασφαλίζοντας έτσι την ασφαλή μετάδοση πληροφοριών:

Πρώτον, η μέτρηση μιας κβαντικής κατάστασης θα αλλάξει την κατάστασή της: Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής, η μέτρηση μιας κβαντικής κατάστασης θα προκαλέσει την αλλαγή της κατάστασής της. Εάν κάποιος προσπαθήσει να κλέψει τις πληροφορίες στη μετάδοση, πρέπει να μετρηθεί η κβαντική κατάσταση, κάτι που θα έχει αντίκτυπο στο κβαντικό σύστημα και θα γίνει αντιληπτό από τους νόμιμους χρήστες.

Δεύτερον, η μη κλωνοποίηση των κβαντικών καταστάσεων: Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, είναι αδύνατο να αντιγραφεί τέλεια μια άγνωστη κβαντική κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι η πλήρης πληροφορία της κβαντικής κατάστασης δεν μπορεί να κλαπεί κατά τη διαδικασία μετάδοσης, διασφαλίζοντας την ασφάλεια των πληροφοριών.

Σε αυτό το στάδιο, η κβαντική ασφαλής τεχνολογία επικοινωνίας χρησιμοποιεί κυρίως το δίκτυο QKD για την επίτευξη ασφαλούς διανομής κλειδιών και στη συνέχεια το συνδυάζει με τεχνολογία συμμετρικής κρυπτογραφίας για να εξασφαλίσει την ασφαλή μετάδοση πληροφοριών. Για να το θέσω απλά, ο εξοπλισμός αποστολής και λήψης οπτικής κβαντικής κατάστασης που μπορεί να αντικαταστήσει τις λειτουργίες κοινώς χρησιμοποιούμενων οπτικών μονάδων προστίθεται και στα δύο άκρα μιας οπτικής ίνας μονής λειτουργίας για να επιτευχθεί ασφαλής επικοινωνία με βάση τη φυσική κρυπτογράφηση.

Η τεχνολογία QKD είναι η βασική τεχνολογία για την υλοποίηση της κβαντικής επικοινωνίας, αλλά με διάφορα ασφαλή πρωτόκολλα QKD, τα κβαντικά δίκτυα με γρήγορη ταχύτητα και μεγάλη απόσταση μετάδοσης αποτελούν επίσης απαραίτητο μέρος της υλοποίησης της κβαντικής επικοινωνίας. Αν και η κβαντική τεχνολογία επικοινωνίας έγινε αρχικά πρακτική με γνώμονα το QKD και άλλες λύσεις, η απόσταση μετάδοσης και το κόστος εξακολουθούν να είναι παράγοντες που περιορίζουν την εφαρμογή και τη βιομηχανική ανάπτυξη ολόκληρης της βιομηχανίας. Η εμπορική, βασισμένη σε ίνες, σημείο σε σημείο QKD είναι περιορισμένη σε απόσταση μετάδοσης, ενώ η μετάδοση QKD σε μεγάλες αποστάσεις από δορυφόρο σε έδαφος απαιτεί ακριβά εξαρτήματα όπως οι δορυφόροι. Ο μελλοντικός στόχος ανάπτυξης της κβαντικής επικοινωνίας είναι η δημιουργία ενός συστήματος κβαντικών δικτύων επικοινωνίας ευρείας περιοχής που θα καλύπτει τον κόσμο και οι σχετικές τεχνολογίες χρειάζονται ακόμη περαιτέρω ανακαλύψεις.

(3) Κβαντική τηλεμεταφορά (QT)

Η κβαντική τηλεμεταφορά (QT) είναι μια μέθοδος μετάδοσης πληροφοριών που βασίζεται στις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Επιτρέπει την ακριβή μετάδοση της κατάστασης ενός κβαντικού συστήματος (όπως ένα qubit) από μια θέση (συχνά αποκαλούμενη "άκρο αποστολής") σε άλλη θέση (συχνά αποκαλούμενη "τέλος λήψης") χωρίς φυσικό μέσο μετάδοσης ). Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν περιλαμβάνει τη στιγμιαία κίνηση της ίδιας της ύλης, αλλά τη στιγμιαία μεταφορά κβαντικών πληροφοριών.

Η υλοποίηση της κβαντικής τηλεμεταφοράς βασίζεται στις ακόλουθες κβαντομηχανικές αρχές:

Κβαντική εμπλοκή: Υπάρχει μια ειδική σύνδεση μεταξύ δύο ή περισσότερων κβαντικών σωματιδίων, ακόμα κι αν απέχουν πολύ μεταξύ τους, μια αλλαγή στην κατάσταση ενός σωματιδίου θα επηρεάσει αμέσως την κατάσταση άλλων σωματιδίων που εμπλέκονται με αυτό.

Θεώρημα μη-κλωνοποίησης κβαντικών καταστάσεων: Είναι αδύνατο να γίνει ένα τέλειο αντίγραφο μιας άγνωστης κβαντικής κατάστασης.

Κβαντική μέτρηση: Η μέτρηση των κβαντικών συστημάτων οδηγεί σε κατάρρευση κατάστασης και τα αποτελέσματα της μέτρησης είναι συνήθως τυχαία.

Τα βασικά βήματα της κβαντικής τηλεμεταφοράς περιλαμβάνουν:

α Προετοιμάστε ένα ζεύγος μπερδεμένων σωματιδίων και στείλτε το ένα στο άκρο λήψης και το άλλο στο άκρο αποστολής.

β) Στο άκρο αποστολής, εκτελέστε μια συγκεκριμένη κοινή μέτρηση του qubit που θα μεταδοθεί και των μπερδεμένων σωματιδίων στο άκρο αποστολής. Αυτή η μέτρηση προκαλεί τη μεταφορά των πληροφοριών του qubit στο μπερδεμένο σωματίδιο στο άκρο λήψης, αλλά η διαδικασία είναι τυχαία και καταστρέφει την αρχική κατάσταση qubit.

γ Στείλτε τα αποτελέσματα της κοινής μέτρησης (κλασικές πληροφορίες) στο άκρο λήψης μέσω συνηθισμένων καναλιών επικοινωνίας (όπως τηλέφωνο ή Διαδίκτυο).

d Με βάση τις λαμβανόμενες κλασικές πληροφορίες, το άκρο λήψης εκτελεί μια σειρά κβαντικών πράξεων στα μπερδεμένα σωματίδια που διαθέτει για να ανακατασκευάσει την αρχική κατάσταση qubit.

Μέσω αυτής της διαδικασίας, οι κβαντικές πληροφορίες στον αποστολέα «μεταδίδονται αόρατα» στον δέκτη. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η κβαντική τηλεμεταφορά δεν επιτρέπει την ταχύτερη από το φως επικοινωνία, καθώς η ανακατασκευή της αρχικής κατάστασης βασίζεται σε πληροφορίες που μεταδίδονται μέσω των κλασικών καναλιών επικοινωνίας και αυτός ο ρυθμός μετάδοσης περιορίζεται από την ταχύτητα του φωτός.

Η κβαντική τηλεμεταφορά επί του παρόντος μελετάται κυρίως σε εργαστηριακό περιβάλλον Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι μια βασική τεχνολογία για την υλοποίηση κβαντικών επικοινωνιών και κβαντικών δικτύων μεγάλων αποστάσεων και αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στο μελλοντικό κβαντικό Διαδίκτυο.

(4) Μετακβαντική κρυπτογραφία (PQC)

Η τεχνολογία PQC αναφέρεται στην ανάπτυξη και το σχεδιασμό αλγορίθμων κρυπτογράφησης που μπορούν να αντισταθούν σε επιθέσεις κβαντικών υπολογιστών. Επί του παρόντος, το PQC και ο τομέας της κβαντικής κρυπτογραφίας έχουν αναπτύξει μια ποικιλία τεχνικών και αλγορίθμων κρυπτογραφίας για την καταπολέμηση των απειλών του κβαντικού υπολογισμού. Οι ειδικές μέθοδοι περιλαμβάνουν κρυπτογραφία βασισμένη σε πλέγμα, κρυπτογραφία βασισμένη σε κατακερματισμό, κρυπτογραφία με βάση κώδικα και κρυπτογραφία βασισμένη σε πολλές μεταβλητές.

Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία κρυπτογράφησης που βασίζεται σε πλέγμα θεωρείται ότι είναι η πιο εξέχουσα και αξιόπιστη επί του παρόντος. Στο έργο τυποποίησης PQC με τη μεγαλύτερη επιρροή στον κόσμο με επικεφαλής το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), τρεις από τους τέσσερις τυποποιημένους αλγόριθμους που επέλεξε το 2023 είναι τεχνολογίες κρυπτογράφησης που βασίζονται σε πλέγμα.

Αν και η νέα μετα-κβαντική κρυπτογραφία είναι ανθεκτική στον κβαντικό αλγόριθμο του Shor, δεν είναι αλάνθαστη. Αφενός, παρόλο που αυτά τα προβλήματα μετακβαντικής κρυπτογραφίας φαίνονται επί του παρόντος δύσκολο να λυθούν, νέες μέθοδοι για την επίλυση αυτών των προβλημάτων ενδέχεται να ανακαλυφθούν στο μέλλον, αφετέρου, η πραγματική εφαρμογή των αλγορίθμων μετά την κβαντική κρυπτογράφηση μπορεί επίσης να έχει ελαττώματα ή προβλήματα στην επιλογή παραμέτρων Τα λάθη μπορεί να γίνουν πιθανά τρωτά σημεία ασφαλείας.

Αναφέρεται ότι η τρέχουσα ασφάλεια του αλγόριθμου PQC έχει επεκταθεί από τα θεωρητικά μαθηματικά τρωτά σημεία σε πρακτικά επίπεδα εφαρμογής Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM), ένας από τους τυποποιημένους αλγόριθμους που ορίστηκε από το NIST, έχει εκτεθεί ως απόκριση στα πλευρικά κανάλια το 2023. Ευπάθειες ασφαλείας σε επιθέσεις.

Η εμφάνιση πραγματικών επιθέσεων υπογραμμίζει τη σημασία του έγκαιρου ελέγχου και επιδιόρθωσης πιθανών τρωτών σημείων κατά την ανάπτυξη του αλγόριθμου PQC, προτρέποντας τη συνεχή βελτίωση και εξέλιξη του αλγορίθμου PQC για τη βελτίωση της ασφάλειας σε πραγματικά σενάρια εφαρμογών.

Η κρυπτογραφική τεχνολογία βρίσκεται σε πολύ σημαντική θέση για την εθνική ασφάλεια. Για να διατηρηθεί ο ψηφιακός κόσμος ασφαλής, η τεχνολογία PQC πρέπει να εξελίσσεται συνεχώς και να ενημερώνεται ώστε να προσαρμόζεται σε νέες απειλές ανά πάσα στιγμή.

4.3 Κβαντικό δίκτυο επικοινωνίας και κβαντικό διαδίκτυο

(1) Κατάσταση κατασκευής κβαντικού δικτύου ασφάλειας επικοινωνιών στη χώρα μου

Ο βασικός εξοπλισμός του κβαντικού ασφαλούς δικτύου επικοινωνίας περιλαμβάνει προϊόντα QKD, προϊόντα ανταλλαγής καναλιών και βασικών δικτύων κ.λπ. Τα επί του παρόντος επιτεύξιμα κβαντικά ασφαλή δίκτυα επικοινωνίας περιλαμβάνουν τοπικά δίκτυα, δίκτυα μητροπολιτικών περιοχών και δίκτυα κορμού.

Το τοπικό δίκτυο πραγματοποιεί την πρόσβαση πολλαπλών τερματικών σε μια μονάδα ή μια τοποθεσία και δεν έχει απαιτήσεις υψηλών αποστάσεων το μητροπολιτικό δίκτυο είναι υπεύθυνο για τη σύνδεση διαφορετικών περιοχών εντός της πόλης, συνδέοντας το δίκτυο κορμού ανόδου και κατερχόμενη σύνδεση με την τοπική. και το δίκτυο κορμού πραγματοποιεί διασυνοριακές και διασυνοριακές επικοινωνίες.

Τον Αύγουστο του 2016, η χώρα μου εκτόξευσε επιτυχώς τον πρώτο πειραματικό δορυφόρο κβαντικής επιστήμης στον κόσμο, τον Mozi, και έγινε η πρώτη χώρα στον κόσμο που πέτυχε κβαντική επικοινωνία μεταξύ ενός δορυφόρου και του εδάφους και επαλήθευσε πλήρως τη χρήση δορυφορικών πλατφορμών για την επίτευξη παγκόσμιας κβαντικής επικοινωνίας. σκοπιμότητα.

Το 2018, με την έγκριση της Εθνικής Επιτροπής Ανάπτυξης και Μεταρρυθμίσεων, η Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., θυγατρική της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, ανέλαβε το έργο της κατασκευής της πρώτης φάσης της εθνικής κβαντικής ασφαλούς επικοινωνίας ευρείας περιοχής δίκτυο κορμού Το 2022, ολόκληρη η γραμμή θα ολοκληρωθεί και θα γίνει αποδεκτή. Το εθνικό δίκτυο κβαντικής ραχοκοκαλιάς καλύπτει σημαντικές εθνικές στρατηγικές περιοχές όπως το Πεκίνο-Τιαντζίν-Χεμπέι, το Δέλτα του ποταμού Γιανγκτσέ, την περιοχή του Ευρύτερου Κόλπου Γκουανγκντόνγκ-Χονγκ Κονγκ-Μακάο και τον Οικονομικό Κύκλο Τσενγκντού-Τσονγκκίνγκ 10.000 χιλιόμετρα Είναι το πρώτο και επί του παρόντος το μοναδικό κβαντικό δίκτυο ραχοκοκαλιάς.

Τον Ιούνιο του 2023, στο 5ο Φόρουμ Ολοκληρωμένης Ανάπτυξης Υψηλού Επιπέδου του Δέλτα του Ποταμού Γιανγκτσέ, κυκλοφόρησαν τα αποτελέσματα κατασκευής του περιφερειακού κβαντικού δικτύου ασφαλούς επικοινωνίας κορμού του Δέλτα του Ποταμού Γιανγκτσέ που κατασκευάστηκε και λειτουργεί από την Guoke Quantum. Η συνολική απόσταση σε μίλια του κβαντικού δικτύου ραχοκοκαλιάς ασφαλούς επικοινωνίας στην περιοχή Δέλτα του ποταμού Yangtze είναι περίπου 2.860 χιλιόμετρα, σχηματίζοντας ένα δίκτυο δακτυλίου με το Hefei και τη Shanghai ως βασικούς κόμβους, που συνδέει το Nanjing, το Hangzhou, το Wuxi, το Jinhua, το Wuhu και άλλες πόλεις.

Όσον αφορά το δίκτυο μητροπολιτικών περιοχών, τον Αύγουστο του 2022, το Hefei της επαρχίας Anhui άνοιξε το Hefei Quantum Metropolitan Area Network, το οποίο ήταν το μεγαλύτερο, ευρύτερα καλυμμένο και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κβαντικό μητροπολιτικό δίκτυο στη χώρα εκείνη την εποχή, συμπεριλαμβανομένων 8 πυρήνων τοποθεσίες δικτύου και 159 δικτυακές τοποθεσίες πρόσβασης, το συνολικό μήκος της οπτικής ίνας είναι 1147 χιλιόμετρα.

Επί του παρόντος, είκοσι ή τριάντα πόλεις έχουν τα δικά τους κβαντικά μητροπολιτικά δίκτυα και η κατασκευή κβαντικών γραμμών κορμού του δικτύου κορμού αναμένεται επίσης να επιταχύνει την κατασκευή δικτύων μητροπολιτικών περιοχών σε αντίστοιχες πόλεις υποστήριξης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τη Σαγκάη, στο Συνέδριο Καινοτομίας Βιομηχανικής Τεχνολογίας της Σαγκάης που πραγματοποιήθηκε στις 22 Μαρτίου 2024, η Shanghai Telecom δήλωσε ότι σχεδιάζει να κατασκευάσει ένα μητροπολιτικό δίκτυο κβαντικής ασφάλειας στην περιοχή της Σαγκάης το 2024, καθιστώντας έτσι ένα εθνικό επίπεδο Το πρώτο παράδειγμα αναφοράς πρακτικού κβαντικού δικτύου επικοινωνίας.

Η επένδυση στην κατασκευή κβαντικού δικτύου κορμού και το μέγεθος ολόκληρου του έργου είναι αρκετά μεγάλες, αλλά επί του παρόντος υπάρχουν λιγότερες εφαρμογές κβαντικών δικτύων και ομάδες πελατών από τα παραδοσιακά έργα. Επομένως, οι επόμενες κβαντικές εφαρμογές πρέπει ακόμη να προωθηθούν από κοινού από διάφορες βιομηχανίες για να επιταχυνθεί η κατασκευή ολόκληρου του κβαντικού δικτύου.

Σύμφωνα με τα πρότυπα "τέσσερις νέες" (νέες διαδρομές, νέες τεχνολογίες, νέες πλατφόρμες και νέοι μηχανισμοί), η Επιτροπή Εποπτείας και Διαχείρισης Κρατικών Περιουσιακών Στοιχείων του Κρατικού Συμβουλίου επέλεξε πρόσφατα και καθόρισε την πρώτη παρτίδα νεοσύστατων επιχειρήσεων να επιταχύνει τη διάταξη νέων πεδίων και νέων τροχιών, να καλλιεργήσει και να αναπτύξει νέες παραγωγικές δυνάμεις και να επικεντρωθεί στη διάταξη Αναδυόμενα πεδία όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι κβαντικές πληροφορίες και η βιοϊατρική.

Προηγουμένως, τον Ιανουάριο του 2024, επτά τμήματα, μεταξύ των οποίων το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής, το Υπουργείο Επιστήμης και Τεχνολογίας, και η Επιτροπή Εποπτείας και Διαχείρισης Κρατικών Περιουσιακών Στοιχείων του Κρατικού Συμβουλίου εξέδωσαν από κοινού τις «Γνωμοδοτήσεις Εφαρμογής για την Προώθηση της Μελλοντικής Βιομηχανικής Καινοτομίας και Ανάπτυξη» και πρότεινε την προληπτική ανάπτυξη νέων τροχιών για την προώθηση της επόμενης γενιάς κινητών επικοινωνιών, βιομηχανικών εφαρμογών δορυφορικού Διαδικτύου, κβαντικών πληροφοριών και άλλων τεχνολογιών.

Η εντατική έκδοση των σχετικών πολιτικών αντικατοπτρίζει την κατανόηση της χώρας μου για τη σημασία της τεχνολογίας κβαντικών επικοινωνιών, παρέχει ισχυρή υποστήριξη πολιτικής για την ανάπτυξη της βιομηχανίας και αναμένεται να προωθήσει τη βιομηχανία κβαντικών επικοινωνιών της Κίνας να φτάσει σε νέα ύψη στο μέλλον.

(2) Κβαντικό Διαδίκτυο

Το Κβαντικό Διαδίκτυο είναι μια νέα έννοια του δικτύου επικοινωνίας που βασίζεται στην κβαντική τεχνολογία πληροφοριών. Χρησιμοποιεί τις αρχές της κβαντικής μηχανικής για να πραγματοποιήσει τη δημιουργία, την αποθήκευση, τη μετάδοση και την επεξεργασία δεδομένων. Διαφορετικό από το παραδοσιακό Διαδίκτυο που βασίζεται στις αρχές της κλασικής φυσικής, ο πυρήνας του κβαντικού Διαδικτύου είναι να χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά των qubits και την κβαντική εμπλοκή για να παρέχει πιο ασφαλείς και αποτελεσματικές δυνατότητες επικοινωνίας.

Εκτός από τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών με απόλυτη ασφάλεια, το κβαντικό Διαδίκτυο μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει κβαντικούς αισθητήρες και κβαντικούς υπολογιστές για να συμμετάσχει σε μετρήσεις κβαντικής ακρίβειας, κβαντικές ψηφιακές θεωρήσεις, κατανεμημένους κβαντικούς υπολογιστές κ.λπ.

Το κβαντικό Διαδίκτυο έχει τρία κύρια σημεία: πρώτον, οι συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο είναι κβαντικές συσκευές, δεύτερον, το δίκτυο μεταδίδει κβαντικές πληροφορίες, τρίτον, η μέθοδος μετάδοσης του δικτύου βασίζεται στην κβαντική μηχανική.

Παρόλο που έχουν κατασκευαστεί μερικοί δορυφόροι κβαντικής επικοινωνίας και επίγειοι σταθμοί βάσης και έχει επιτευχθεί με επιτυχία η διαπεριφερειακή διανομή κβαντικών κλειδιών, η οικοδόμηση ενός παγκόσμιου κβαντικού Διαδικτύου εξακολουθεί να αντιμετωπίζει τεράστιες τεχνικές και μηχανολογικές προκλήσεις, οι οποίες απαιτούν την επίλυση προβλημάτων ασφάλειας σε πραγματικές συνθήκες προβλήματα μετάδοσης σε μεγάλες αποστάσεις.

Προς το παρόν, η ασφαλής απόσταση του QKD από σημείο σε σημείο με χρήση οπτικών ινών φτάνει περίπου τα 100 χιλιόμετρα Σύμφωνα με την υπάρχουσα τεχνολογία, η απόσταση της κβαντικής επικοινωνίας μπορεί να επιμηκυνθεί αποτελεσματικά μέσω αξιόπιστων αναμεταδοτών.

Το 2017, η κβαντική ασφαλής γραμμή κορμού επικοινωνίας της χώρας μου "Beijing-Shanghai Trunk Line", μέσω 32 κόμβων αναμετάδοσης, συνέδεσε ολόκληρο το κβαντικό δίκτυο οπτικών ινών περίπου 2.000 χιλιομέτρων και προσδέθηκε επιτυχώς στον κβαντικό δορυφόρο "Mozi", δημιουργώντας έναν κόσμο το πρώτο κβαντικό Διαδίκτυο από αστέρι σε γη.

Τον Ιανουάριο του 2018, η Κίνα και η Αυστρία πέτυχαν διηπειρωτική διανομή κβαντικού κλειδιού σε απόσταση 7.600 χιλιομέτρων για πρώτη φορά και χρησιμοποίησαν το κοινό κλειδί για να επιτύχουν κρυπτογραφημένη μετάδοση δεδομένων και επικοινωνία βίντεο, επισημαίνοντας ότι το "Mozi" έχει την ικανότητα να επιτύχει διηπειρωτικό κβαντικό Δυνατότητα εμπιστευτικής επικοινωνίας.

Η εφεύρεση του Διαδικτύου έφερε την ανθρωπότητα στην εποχή της πληροφορίας και το κβαντικό Διαδίκτυο θα δώσει την ευκαιρία να αλλάξει ο κόσμος Οι μεγάλες χώρες σε όλο τον κόσμο κάνουν ενεργά σχέδια. Τον Αύγουστο του 2020, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ δημοσίευσε την έκθεση «Δημιουργία Εθνικού Κβαντικού Δικτύου για να ηγηθεί μιας Νέας Εποχής Επικοινωνιών», προτείνοντας ένα στρατηγικό σχέδιο για την κατασκευή ενός εθνικού κβαντικού Διαδικτύου εντός 10 ετών.

Σε γενικές γραμμές, οι εμπορικοί κβαντικοί υπολογιστές δεν έχουν ακόμη εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα και η σύνδεση των κβαντικών υπολογιστών στο Διαδίκτυο εξακολουθεί να είναι μια μελλοντική ιδέα Ο στόχος του κβαντικού Διαδικτύου είναι να συνδυάσει τον κβαντικό υπολογισμό, την κβαντική μέτρηση και άλλη λειτουργική ολοκλήρωση.

4.4 Εφαρμογές Κβαντικής Επικοινωνίας

Σύμφωνα με τις προβλέψεις του ICV, η παγκόσμια αγορά κβαντικών επικοινωνιών θα είναι περίπου 2,3 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2021 και αναμένεται να αυξηθεί σε 15,3 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2025 και σε 42,1 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2030, με CAGR περίπου 34% από το 2021 έως το 2030 .

Η αλυσίδα της βιομηχανίας κβαντικών επικοινωνιών χωρίζεται κυρίως σε ανοδικά εξαρτήματα και βασικό εξοπλισμό, γραμμές μετάδοσης δικτύου και πλατφόρμες συστημάτων μεσαίου ρεύματος και αγορές εφαρμογών ασφαλείας κατάντη. Προς το παρόν, η αγορά κβαντικών επικοινωνιών βρίσκεται ακόμη στο στάδιο κατασκευής υποδομής επικοινωνιακών δικτύων και ο βασικός εξοπλισμός και οι λύσεις εξακολουθούν να είναι το κλειδί για τη βιομηχανική αλυσίδα. Σύμφωνα με τα στοιχεία της ICV, το μέγεθος της αγοράς του βασικού εξοπλισμού και λύσεων ανάντη και μεσαίας ροής αναμένεται να ανέλθει στο 80% το 2025, περίπου 12,24 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ.

Κρίνοντας από την τρέχουσα κατασκευή κβαντικής υποδομής επικοινωνιών στη χώρα μου, έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή περισσότερων από 12.000 χιλιομέτρων κβαντικών δικτύων κορμού. Σύμφωνα με το συνολικό σχέδιο, μπορεί να υπάρξουν σχεδόν 20.000 χιλιόμετρα κατασκευής δικτύου κορμού στο μέλλον, που θα περιλαμβάνει το Πεκίνο έως το Λανζού, το Ζανγκζιάκου, το Σιάν και άλλα μέρη.

Καθώς η υποδομή κβαντικών δικτύων επικοινωνίας της χώρας μου βελτιώνεται περαιτέρω, αξίζει να περιμένουμε και τις κατάντη εμπορικές εφαρμογές. Τα δεδομένα συμβουλευτικής ICV δείχνουν ότι το μέγεθος της αγοράς εφαρμογής κβαντικής επικοινωνίας το 2021 είναι περίπου 230 εκατομμύρια δολάρια Το μέγεθος της αγοράς μεταγενέστερων εφαρμογών κβαντικής επικοινωνίας αναμένεται να είναι 3,06 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2025 και θα φτάσει τα 11,788 δισεκατομμύρια δολάρια το 2030. Το CAGR από το 2021. έως το 2030 είναι περίπου 54,87%.

Προς το παρόν, η κβαντική ασφαλής επικοινωνία εξακολουθεί να περιορίζεται σε τομείς όπως η εθνική άμυνα, τα οικονομικά και οι κυβερνητικές υποθέσεις.

Μεταξύ αυτών, η Guodun Quantum είναι ένας κοινός συνεργάτης για την ενσωμάτωση της τεχνολογίας κβαντικής ασφάλειας με μεγάλα δεδομένα, υπολογιστικό νέφος, Διαδίκτυο των πραγμάτων, τεχνητή νοημοσύνη κ.λπ. για την από κοινού προώθηση της βιομηχανικής οικολογίας «Quantum+». Η Guodun Quantum και η China Telecom κυκλοφόρησαν από κοινού προϊόντα και υπηρεσίες όπως η "Quantum Security OTN Private Line" και η "Quantum Encrypted Intercom". -Η μετοχική εταιρεία Zhejiang Guodun Electricity πραγματοποίησε επιδείξεις εφαρμογής «quantum + 5G» στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας αναπτύσσουν από κοινού μια σειρά από ασφαλή προϊόντα γραφείου, όπως το "Quantum Security Application Portal".

Καθώς η τεχνολογία δικτύωσης διανομής κβαντικού κλειδιού (QKD) ωριμάζει και ο τερματικός εξοπλισμός γίνεται κινητός και μικροσκοπικός, οι εφαρμογές κβαντικής ασφαλούς επικοινωνίας θα επεκταθούν σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών, εταιρικά δίκτυα, προσωπικά οικιακά δίκτυα και άλλα πεδία.

5. Μέτρηση κβαντικής ακρίβειας

Η τεχνολογία μέτρησης κβαντικής ακρίβειας βασίζεται στην κβαντική μηχανική ως βασική θεωρία. Χρησιμοποιεί τεχνικές αρχές όπως η μετάβαση σε επίπεδο ενέργειας σωματιδίων, η κβαντική εμπλοκή και η κβαντική συνοχή για την προετοιμασία, τη μέτρηση και την ανάγνωση κβαντικών καταστάσεων μικροσκοπικών σωματιδίων, όπως τα άτομα και τα φωτόνια. συνειδητοποιούν φυσικές παραμέτρους όπως μέτρηση υψηλής ακρίβειας φυσικών παραμέτρων όπως μαγνητικό πεδίο, συχνότητα, ηλεκτρικό πεδίο, χρόνος, μήκος κ.λπ.

5.1 Ορισμός της μέτρησης κβαντικής ακρίβειας

Σημαντικά τεχνικά μέσα για τη μέτρηση κβαντικής ακρίβειας περιλαμβάνουν: μέτρηση μικροσκοπικής στάθμης ενέργειας σωματιδίων, μέτρηση κβαντικής συνεκτικής υπέρθεσης και μέτρηση κβαντικής εμπλοκής, τα οποία είναι επίσης τα βασικά χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής.

(1) Με βάση τη μικροσκοπική μέτρηση της στάθμης ενέργειας των σωματιδίων

Σύμφωνα με την ατομική θεωρία του Bohr, τα άτομα απελευθερώνουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα όταν μεταβαίνουν από μια υψηλή «ενεργειακή κατάσταση» σε μια χαμηλή «ενεργειακή κατάσταση». Αυτή η χαρακτηριστική συχνότητα ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι ασυνεχής. Όταν η φυσική ποσότητα που θα μετρηθεί αλληλεπιδρά με το κβαντικό σύστημα, το κβαντικό σύστημα υφίσταται αλλαγές όπως η μετάβαση στο επίπεδο ενέργειας, η διάσπαση του ενεργειακού επιπέδου ή ο εκφυλισμός ή το φάσμα απορρόφησης σχετίζεται με την ποσότητα της ενέργειας που μετράται σε σχέση με τα φυσικά μεγέθη. Η τεχνολογία που βασίζεται σε μικροσκοπική μέτρηση ενεργειακών επιπέδων σωματιδίων έχει υψηλές απαιτήσεις στο εξωτερικό περιβάλλον (όπως θερμοκρασία, μαγνητικό πεδίο κ.λπ.) και βασίζεται στην τεχνολογία χειρισμού κβαντικής κατάστασης. Για παράδειγμα, το 1967, 9192631770 φορές η μεταβατική περίοδος της στάθμης ενέργειας των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο καισίου ορίστηκε ως 1 s, το οποίο εφάρμοζε την τεχνική αρχή των επιπέδων ενέργειας μικροσκοπικών σωματιδίων.

(2) Μέτρηση με βάση την κβαντική συνοχή

Η τεχνολογία μέτρησης που βασίζεται στην κβαντική συνοχή χρησιμοποιεί κυρίως τα χαρακτηριστικά διακύμανσης του κβαντικού συστήματος των ατομικών δεσμών. Τα ατομικά γυροσκόπια, τα βαρυτικά κλιμάκια κ.λπ. χρησιμοποιούν τεχνικές αρχές που βασίζονται στην κβαντική συνοχή. Τεχνικά μέσα που βασίζονται στην κβαντική συνοχή έχουν εφαρμοστεί σε πεδία όπως η ανίχνευση βαρύτητας και η αδρανειακή πλοήγηση. Η επόμενη τάση ανάπτυξης είναι προς τη σμίκρυνση και την ανάπτυξη chip για την ενίσχυση της πρακτικότητας του συστήματος.

(3) Μέτρηση με βάση την κβαντική εμπλοκή

Η τεχνολογία μέτρησης που βασίζεται στην κβαντική εμπλοκή θέτει n κβάντα σε μια μπερδεμένη κατάσταση. Αυτή η ακρίβεια ξεπερνά το όριο θορύβου βολής της κλασικής μηχανικής και είναι η υψηλότερη ακρίβεια που μπορεί να επιτευχθεί εντός του πεδίου εφαρμογής της θεωρίας της κβαντικής μηχανικής - το όριο Heisenberg. Επί του παρόντος, τα πεδία εφαρμογής της τεχνολογίας μετρήσεων που βασίζονται στην κβαντική εμπλοκή περιλαμβάνουν τις κβαντικές επικοινωνίες, την κβαντική δορυφορική πλοήγηση, το κβαντικό ραντάρ κ.λπ.

Με απλά λόγια, η κβαντική μέτρηση ακριβείας χρησιμοποιεί τις ιδιότητες της κβαντικής υπέρθεσης και της κβαντικής εμπλοκής για να ξεπεράσει τα κλασικά όρια της παραδοσιακής τεχνολογίας μέτρησης από τις βασικές αρχές και να συνδυάσει διάφορες αλλαγές στο περιβάλλον, όπως θερμοκρασία, μαγνητικό πεδίο, πίεση, χρόνο, μήκος, βάρος, κ.λπ. Διάφορες βασικές φυσικές ποσότητες και παράγωγες ποσότητες έχουν αυξηθεί σε κβαντικά όρια.

5.2 Κατάσταση ανάπτυξης και δυσκολίες της τεχνολογίας μετρήσεων κβαντικής ακρίβειας

Μεταξύ των τριών βασικών πεδίων της κβαντικής πληροφορίας, η κβαντική μέτρηση έχει τα χαρακτηριστικά διαφορετικών τεχνικών κατευθύνσεων, πλούσιων σεναρίων εφαρμογών και σαφείς προοπτικές εκβιομηχάνισης. Η ωριμότητα ανάπτυξης κάθε τεχνικής κατεύθυνσης κβαντικής μέτρησης είναι αρκετά διαφορετική Υπάρχουν ώριμα εμπορικά προϊόντα όπως ατομικά ρολόγια και ατομικά βαρύμετρα, καθώς και πρωτότυπα προϊόντα όπως κβαντικά μαγνητόμετρα, οπτικά κβαντικά ραντάρ και κβαντικά γυροσκόπια που βρίσκονται στη μηχανική έρευνα και. στάδια ανάπτυξης και εξερεύνησης εφαρμογών , καθώς και πρωτότυπα όπως η κβαντική απεικόνιση συσχέτισης και η ατομική κεραία Rydberg που βρίσκονται ακόμη στη διαδικασία επίλυσης προβλημάτων τεχνολογίας του συστήματος.

Η πρόοδος της τεχνολογίας μετρήσεων κβαντικής ακρίβειας απαιτεί διασταυρούμενη σύντηξη και καινοτομία στην κβαντική φυσική, την επιστήμη των υλικών, την οπτική, την ηλεκτρονική και άλλους τομείς, όπως:

(1) Δημιουργία και διατήρηση της κβαντικής εμπλοκής: Η κβαντική εμπλοκή είναι ένας βασικός πόρος στις μετρήσεις κβαντικής ακρίβειας, αλλά δεν είναι εύκολο να δημιουργηθούν καταστάσεις εμπλοκής υψηλής ποιότητας σε πειράματα και οι εμπλεκόμενες καταστάσεις ξεμπλέκονται εύκολα λόγω παρεμβολών από το εξωτερικό περιβάλλον. δηλ. αποσυνοχή).

(2) Αποσυνοχή και έλεγχος θορύβου: Τα κβαντικά συστήματα είναι πολύ εύθραυστα και επηρεάζονται εύκολα από το εξωτερικό περιβάλλον, οδηγώντας σε αποσυνοχή των κβαντικών καταστάσεων. Ταυτόχρονα, διάφορες πηγές θορύβου, όπως θερμικός θόρυβος, ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος κ.λπ., θα επηρεάσουν επίσης τα αποτελέσματα της μέτρησης. Επομένως, η επίτευξη μετρήσεων υψηλής ακρίβειας απαιτεί εξαιρετικό έλεγχο του θορύβου και της αποσυνοχής.

(3) Αποδοτικότητα και ανάλυση ανιχνευτή: Οι μετρήσεις κβαντικής ακρίβειας απαιτούν συχνά ανιχνευτές υψηλής απόδοσης και υψηλής ανάλυσης για την ανίχνευση κβαντικών καταστάσεων. Οι τρέχοντες ανιχνευτές εξακολουθούν να έχουν περιθώρια βελτίωσης, ειδικά όσον αφορά την αποτελεσματικότητα ανίχνευσης και τη χρονική ανάλυση.

(4) Βαθμονόμηση συστήματος και ανάλυση σφαλμάτων: Για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια της μέτρησης, το κβαντικό σύστημα μέτρησης πρέπει να βαθμονομηθεί με ακρίβεια. Επιπλέον, η ανάλυση σφαλμάτων των αποτελεσμάτων των μετρήσεων είναι επίσης πολύ περίπλοκη και πολλοί παράγοντες όπως συστηματικά σφάλματα και στατιστικά σφάλματα πρέπει να ληφθούν υπόψη.

(5) Έλεγχος κβαντικών καταστάσεων: Η κβαντική μέτρηση ακριβείας απαιτεί συχνά ακριβή έλεγχο των κβαντικών καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένης της προετοιμασίας συγκεκριμένων κβαντικών καταστάσεων και της επίτευξης ακριβούς μετατροπής κβαντικών καταστάσεων. Αυτές οι επεμβάσεις απαιτούν εξαιρετικά υψηλές πειραματικές δεξιότητες.

(6) Ανάπτυξη υλικών και συσκευών: Η κατασκευή υλικών και συσκευών για μέτρηση κβαντικής ακρίβειας, όπως κβαντικές κουκκίδες, υπεραγώγιμα κβαντικά παρεμβολόμετρα κ.λπ., πρέπει όχι μόνο να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της κβαντικής μέτρησης, αλλά και να έχει σταθερότητα και επαναληψιμότητα πρόκληση τόσο στην επιστήμη των υλικών όσο και στη μηχανική συσκευών.

(7) Επεκτασιμότητα κβαντικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας: Παρόλο που καταφέραμε να επιτύχουμε σχετικά ακριβή έλεγχο κβαντικών συστημάτων μικρής κλίμακας, ο τρόπος επέκτασης αυτών των τεχνολογιών σε συστήματα μεγάλης κλίμακας προκειμένου να επιτευχθούν αποτελέσματα μετρήσεων υψηλότερης ακρίβειας εξακολουθεί να είναι πρόβλημα.

Με τη συνεχή ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας, αυτές οι δυσκολίες θα ξεπεραστούν σταδιακά, προωθώντας έτσι την επέκταση της κβαντικής μέτρησης ακριβείας σε πεδία πρακτικής εφαρμογής. Το διεθνές σύστημα μετρολογίας βρίσκεται σε μια περίοδο ανάπτυξης και μετασχηματισμού από φυσικά πρότυπα που βασίζονται στην κλασική φυσική σε «κβαντικά πρότυπα».

Το «Σχέδιο Ανάπτυξης Μέτρησης (2021-2035)» που εκδόθηκε από το Συμβούλιο της Επικρατείας το 2021 και το «14ο Πενταετές Σχέδιο Εκσυγχρονισμού Εποπτείας Αγοράς» που εκδόθηκε από το Κρατικό Συμβούλιο το 2022 ανέφεραν ξεκάθαρα την ανάγκη δημιουργίας ενός εθνικού σύγχρονου προηγμένου συστήματος μέτρησης με βασικό σύστημα την κβαντική μετρολογία, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν και να καθιερωθούν πρότυπα κβαντικής μέτρησης, να μελετηθεί η τεχνολογία κβαντικών μετρήσεων με βάση τα κβαντικά αποτελέσματα και οι φυσικές σταθερές και να προωθηθεί η αναβάθμιση των προτύπων μέτρησης.

5.3 Εφαρμογή μέτρησης κβαντικής ακρίβειας

Σύμφωνα με τα στοιχεία της ICV, η παγκόσμια αγορά κβαντικής πυκνότητας ακριβείας αναμένεται να αυξηθεί από 1,47 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023 σε 3,90 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2035, παρουσιάζοντας συνεχή ανοδική τάση, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,79%. Μεταξύ αυτών, τα τρία βασικά τμήματα της αγοράς των κβαντικών ρολογιών, των κβαντικών βαρυτόμετρων και βαθμιδόμετρων και των κβαντικών μαγνητόμετρων έχουν μεγάλα μεγέθη αγοράς και μαζί αντιπροσωπεύουν περίπου το 85% της αγοράς μετρήσεων κβαντικής ακρίβειας.

(1) Κβαντικό ρολόι

Ως ένα σχετικά ώριμο προϊόν μέτρησης κβαντικής ακρίβειας, τα ατομικά ρολόγια έχουν εξαιρετικά ακριβείς και σταθερές δυνατότητες μέτρησης χρόνου. Επί του παρόντος, η τεχνολογία οπτικού ατομικού ρολογιού επεκτείνει ταχέως τα πεδία εφαρμογής της, καλύπτοντας πολλαπλούς κλάδους όπως οι σιδηροδρομικές κινητές επικοινωνίες, τα κέντρα δεδομένων, η εθνική άμυνα και οι επιστημονικές μετρήσεις. Αυτή η τάση δείχνει ότι τα οπτικά ατομικά ρολόγια όχι μόνο έχουν καλή απόδοση σε επιστημονικά εργαστήρια, αλλά προχωρούν σταδιακά σε πρακτικές εφαρμογές, παρέχοντας ακριβείς υπηρεσίες μέτρησης χρόνου και συγχρονισμού για διαφορετικούς κλάδους.

Τα κβαντικά ρολόγια μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο σε πολλά πεδία λόγω της εξαιρετικά υψηλής σταθερότητας και ακρίβειάς τους. Ακολουθούν ορισμένα κύρια σενάρια εφαρμογής:

Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS) και δορυφορική πλοήγηση: Τα κβαντικά ρολόγια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ακρίβειας του GPS και άλλων συστημάτων δορυφορικής πλοήγησης. Επειδή αυτά τα συστήματα βασίζονται σε ακριβείς μετρήσεις χρόνου για τον υπολογισμό των πληροφοριών θέσης, τα κβαντικά ρολόγια θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση και την αξιοπιστία τους.

Επιστημονική έρευνα: Τα πειράματα φυσικής, ειδικά αυτά που περιλαμβάνουν τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών διαφορών στο χρόνο, θα μπορούσαν να ωφεληθούν από την υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα των κβαντικών ρολογιών. Αυτό περιλαμβάνει μετρήσεις θεμελιωδών φυσικών σταθερών, κβαντικά πειράματα ακριβείας, παρατηρήσεις αστροφυσικής και εξερεύνηση των θεμελιωδών νόμων του σύμπαντος.

Δίκτυα επικοινωνίας: Τα κβαντικά ρολόγια μπορούν να βελτιώσουν την ακρίβεια του συγχρονισμού δικτύου, κάτι που είναι κρίσιμο για τη διατήρηση της αξιοπιστίας των συστημάτων μετάδοσης δεδομένων και επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας. Καθώς τα κέντρα δεδομένων και η υποδομή δικτύου συνεχίζουν να επεκτείνονται, η ανάγκη για συγχρονισμό χρόνου συνεχίζει να αυξάνεται.

Χρηματοοικονομικές συναλλαγές: Στον χρηματοπιστωτικό κλάδο, οι συναλλαγές απαιτούν ακριβείς χρονικές σημάνσεις. Η ακρίβεια των κβαντικών ρολογιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της διαφάνειας και της δικαιοσύνης των συστημάτων συναλλαγών, ειδικά στις συναλλαγές υψηλής συχνότητας.

Στρατός και Άμυνα: Η ακριβής μέτρηση του χρόνου είναι κρίσιμη για τις σύγχρονες στρατιωτικές επικοινωνίες, την πλοήγηση, τη συλλογή πληροφοριών και τα οπλικά συστήματα. Τα κβαντικά ρολόγια θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση και την ακρίβεια αυτών των συστημάτων.

Κβαντικοί υπολογιστές και κβαντικές πληροφορίες: Τα κβαντικά ρολόγια θα μπορούσαν επίσης να παίξουν σημαντικό ρόλο στα πεδία των κβαντικών υπολογιστών και των κβαντικών επικοινωνιών, που βασίζονται στον ακριβή έλεγχο και τη μέτρηση της κατάστασης των κβαντικών bit (qubits).

Γεωφυσική και παρακολούθηση του κλίματος: Τα κβαντικά ρολόγια αναμένεται να χρησιμοποιηθούν για την ακριβέστερη παρακολούθηση της περιστροφής της Γης, τις κινήσεις του φλοιού και τις αλλαγές της στάθμης της θάλασσας, δεδομένα που είναι κρίσιμα για την κατανόηση και την πρόβλεψη της κλιματικής αλλαγής και των φυσικών καταστροφών.

Εξερεύνηση στο βάθος: Σε αποστολές στο βαθύ διάστημα, τα κβαντικά ρολόγια μπορούν να παρέχουν ακριβέστερη πλοήγηση και έλεγχο, βοηθώντας τα διαστημόπλοια να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις στο σύμπαν.

Σύμφωνα με τα στοιχεία της ICV, η αγορά του κβαντικού ρολογιού θα παρουσιάσει μια σταθερή αναπτυξιακή τάση από το 2023 έως το 2035, με το μέγεθος της αγοράς να αυξάνεται από 580 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023 σε 1,21 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 5,77%.

(2) Κβαντικό βαρυόμετρο

Το κβαντικό βαρυόμετρο είναι ένα όργανο υψηλής ακρίβειας που χρησιμοποιεί τις αρχές της κβαντικής μηχανικής για να μετρήσει το πεδίο βαρύτητας της Γης. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν συνήθως υπερψυχρά νέφη ατόμων για να ανιχνεύσουν μικροσκοπικές αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο κάνοντας ακριβείς μετρήσεις της κίνησης των ατόμων σε ελεύθερη πτώση. Τα κβαντικά βαρύμετρα λειτουργούν με βάση την κβαντική παρεμβολή, ένα φαινόμενο της κβαντικής φυσικής στο οποίο οι κυματικές συναρτήσεις (ή καταστάσεις) των ατόμων διαχωρίζονται, μεταφέρονται και ανασυνδυάζονται για να παράγουν μετρήσιμα μοτίβα παρεμβολής.

Καθώς η ζήτηση για ακριβή μέτρηση των πεδίων βαρύτητας και των κλίσεων βαρύτητας στην επιστημονική έρευνα και τις εφαρμογές μηχανικής συνεχίζει να αυξάνεται, τα κβαντικά βαρύμετρα και τα κβαντικά βαρυτόμετρα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στο πεδίο λόγω των πλεονεκτημάτων τους στην υψηλή δυναμική αξιοπιστία σκηνής και χωρίς μετατόπιση:

Γεωφυσική έρευνα: ανίχνευση κίνησης φλοιού, παρακολούθηση σεισμών, έρευνα ηφαιστειακής δραστηριότητας, μέτρηση της στάθμης των υπόγειων υδάτων κ.λπ.

Εξερεύνηση ορυκτών και πετρελαίου: Προσδιορίστε την κατανομή πυκνότητας των υπόγειων πετρωμάτων για να βοηθήσετε στην ανακάλυψη ορυκτών πόρων και κοιτασμάτων πετρελαίου.

Μηχανική και Κατασκευή: Στα κατασκευαστικά έργα, οι αλλαγές στη βαρύτητα παρακολουθούνται για την αξιολόγηση της ευστάθειας των θεμελίων.

Άμυνα και εθνική ασφάλεια: Οι δυνατότητες μέτρησης υψηλής ακρίβειας των κβαντικών βαρυμέτρων έχουν πιθανές εφαρμογές στον αμυντικό τομέα, όπως για υποβρύχια πλοήγηση και ανίχνευση υπόγειων κατασκευών.

Σύστημα πλοήγησης: Παρέχει ακριβείς πληροφορίες αδρανειακής πλοήγησης για υποβρύχια ή άλλα οχήματα που απαιτούν ακριβή δεδομένα αναφοράς εδάφους.

Επί του παρόντος, τα κβαντικά βαρυτόμετρα και τα βαθμιδόμετρα χρησιμοποιούνται κυρίως στο στρατιωτικό πεδίο. Σύμφωνα με στοιχεία της ICV, ο στρατιωτικός και αμυντικός τομέας αντιπροσώπευαν το 44% του μεριδίου αγοράς το 2023, ακολουθούμενος από τον ερευνητικό τομέα με μερίδιο 33%, ενώ η μη στρατιωτική αγορά που σχετίζεται με την εξερεύνηση πετρελαίου και φυσικού αερίου αντιπροσώπευε το 23%.

Καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να ωριμάζει και η αγορά των κατάντη εφαρμογών συνεχίζει να επεκτείνεται, η τιμή και η απόδοση του προϊόντος θα διαδραματίσουν βασικό ρόλο. Το μέγεθος της αγοράς θα αυξηθεί γρήγορα από 170 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023 σε 1,07 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2035, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 15,21%, αποδεικνύοντας τις τεράστιες δυνατότητες αυτού του τομέα.

(3) Κβαντικό μαγνητόμετρο

Ένα κβαντικό μαγνητόμετρο είναι ένα όργανο που χρησιμοποιεί κβαντικά εφέ για να μετρήσει την ένταση των μαγνητικών πεδίων. Είναι γενικά πιο ευαίσθητα από τα παραδοσιακά μαγνητόμετρα και μπορούν να ανιχνεύσουν εξαιρετικά ασθενή μαγνητικά πεδία. Η βασική αρχή στην οποία λειτουργούν τα κβαντικά μαγνητόμετρα είναι ότι όταν η κβαντική κατάσταση ορισμένων ουσιών (συνήθως ατόμων ή ηλεκτρονίων) επηρεάζεται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα επίπεδα ενέργειας τους αλλάζουν. Μετρώντας με ακρίβεια αυτές τις αλλαγές στα επίπεδα ενέργειας, μπορεί να συναχθεί η ισχύς του μαγνητικού πεδίου.

Στην τρέχουσα αγορά των κβαντικών μαγνητομέτρων, η τεχνολογική ποικιλομορφία είναι ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό. Διάφορες τεχνολογίες, όπως μαγνητόμετρα πρωτονίων, μαγνητόμετρα SQUID, μαγνητόμετρα OPM, μαγνητόμετρα SERF, μαγνητόμετρα έγχρωμου κέντρου NV, κ.λπ., όλα παίζουν μοναδικά πλεονεκτήματα σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογών. Αυτό επιτρέπει στην αγορά να παρουσιάζει ένα ποικίλο και ευρύ φάσμα επιλογών στην τεχνολογία.

Τα κβαντικά μαγνητόμετρα έχουν υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια και έχουν ένα ευρύ φάσμα σεναρίων εφαρμογής σε πολλά πεδία Τα ακόλουθα είναι μερικά κύρια σενάρια εφαρμογής:

Γεωφυσική εξερεύνηση: Τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση μαγνητικών ορυκτών, όπως το σιδηρομετάλλευμα, στο έδαφος, βοηθώντας τους γεωλόγους να εντοπίσουν ορυκτές πηγές. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση αλλαγών στο γεωμαγνητικό πεδίο για την πρόβλεψη σεισμών και άλλων γεωλογικών γεγονότων.

Ιατρική Απεικόνιση: Στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI), τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να βοηθήσουν στη βελτίωση της ανάλυσης και της ποιότητας της απεικόνισης. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην απεικόνιση μαγνητικών σωματιδίων (MPI), μια αναδυόμενη τεχνολογία απεικόνισης που υπόσχεται να είναι μια μέθοδος ιατρικής απεικόνισης χωρίς ακτινοβολία στο μέλλον.

Βιολογική έρευνα: Τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση ασθενών μαγνητικών πεδίων σε ζωντανούς οργανισμούς, για παράδειγμα, για την παρακολούθηση των αλλαγών του μαγνητικού πεδίου στην καρδιά για τη μελέτη καρδιακών παθήσεων ή για την παρακολούθηση του σήματος στο νευρικό σύστημα.

Στρατός και ασφάλεια: Στο στρατιωτικό πεδίο, τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση υποβρυχίων, ναρκών ή άλλων κρυμμένων μεταλλικών αντικειμένων. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εμποδίσουν τις κατασκοπευτικές συσκευές να ακούν και να παρακολουθούν.

Διάστημα και αστροφυσική: Τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να ανιχνεύσουν ασθενή μαγνητικά πεδία στο διάστημα, βοηθώντας στη μελέτη φαινομένων όπως ο ηλιακός άνεμος, τα πλανητικά μαγνητικά πεδία και τα διαστρικά μαγνητικά πεδία.

Θεμελιώδης έρευνα στη φυσική: Στην πειραματική φυσική, τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση εξαιρετικά αδύναμων μαγνητικών πεδίων, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα σε τομείς όπως η σωματιδιακή φυσική, η κβαντική φυσική και η φυσική συμπυκνωμένης ύλης.

Βιομηχανικές εφαρμογές: Τα κβαντικά μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μη καταστροφικές δοκιμές, όπως η ανίχνευση μικροσκοπικών ρωγμών και διάβρωσης σε αγωγούς, αεροσκάφη και γέφυρες για να διασφαλιστεί η ασφάλεια αυτών των κατασκευών.

Τα κβαντικά μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην επιστημονική έρευνα, ειδικά στη φυσική, τις επιστήμες της γης και τη βιοϊατρική. Ταυτόχρονα, στον βιομηχανικό τομέα, τα κβαντικά μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως στη δοκιμή μαγνητικών υλικών, στην ηλεκτρονική κατασκευή κ.λπ. Η επέκταση αυτών των εφαρμογών οδηγεί περαιτέρω στην ανάπτυξη του μεγέθους της αγοράς.

Σύμφωνα με τα στοιχεία της ICV, η αγορά των κβαντικών μαγνητομέτρων θα παρουσιάσει σταθερή ανάπτυξη από το 2023 έως το 2035, αυξανόμενη από 480 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2023 σε 1,00 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2035. Αυτή η τάση ανάπτυξης καθοδηγείται κυρίως από την επιστημονική έρευνα, τη βιομηχανία και άλλους τομείς συνεχής ζήτηση για μαγνητικές μετρήσεις υψηλής ακρίβειας στο πεδίο.

6. Επενδυτικό πανόραμα κβαντικής τεχνολογίας

6.1 Χάρτης εταιρείας Quantum Technology

(1) Μεγάλες εταιρείες στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών

(2) Μεγάλες εταιρείες στον τομέα των κβαντικών επικοινωνιών

(3) Μεγάλες εταιρείες στον τομέα της κβαντικής μέτρησης

6.2 Αξιολόγηση μεγάλων εγχώριων εταιρειών κβαντικής τεχνολογίας

Παραπομπές για αυτήν την έκθεση

[1] Zhang Qingrui, "Quantum Megatrends"

[2]iCV&Photon Box, "Παγκόσμια Προοπτική Ανάπτυξης Βιομηχανίας Κβαντικών Υπολογιστών 2024"

[3]iCV&Photon Box, "Παγκόσμια προοπτική ανάπτυξης της βιομηχανίας κβαντικής επικοινωνίας και ασφάλειας 2024"

[4]iCV&Photon Box, "Παγκόσμια προοπτική ανάπτυξης βιομηχανίας κβαντικών μετρήσεων ακριβείας 2024"

[5] Soochow Securities, "Quantum Information: The Next Information Revolution"

δείχνουν τα στοιχεία

Δεδομένα｜Υπόθεση｜Πηγή απόψεων

Εκτός εάν ορίζεται διαφορετικά, τα δεδομένα και το περιεχόμενο της αναφοράς προέρχονται από την έρευνα, τις συνεντεύξεις και τις δημόσιες πληροφορίες του China Business Network.

Σημείωση πνευματικών δικαιωμάτων

Τα πνευματικά δικαιώματα όλου του περιεχομένου και του σχεδιασμού σελίδων αυτής της αναφοράς (συμπεριλαμβανομένων, ενδεικτικά, κειμένου, εικόνων, γραφημάτων, λογότυπων, λογότυπων, εμπορικών σημάτων, εμπορικών ονομάτων κ.λπ.) ανήκουν στην Shanghai First Financial Media Co., Ltd. (εφεξής ως «η εταιρεία μας»). Χωρίς τη γραπτή εξουσιοδότηση της εταιρείας μας, καμία μονάδα ή άτομο δεν μπορεί να αντιγράψει, να αναπαράγει, να τροποποιήσει ή να εμφανίσει οποιοδήποτε μέρος ή το σύνολο του περιεχομένου αυτής της αναφοράς δεν επιτρέπεται να παρασχεθεί σε τρίτους σε οποιαδήποτε μορφή. Οποιαδήποτε μονάδα ή άτομο που παραβιάζει τις προαναφερθείσες διατάξεις θα θεωρείται ότι έχει παραβιάσει τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας μας Η εταιρεία μας θα επιδιώξει τη νομική της ευθύνη και θα θεωρήσει τον παραβάτη υπεύθυνο για αποζημίωση με βάση την πραγματική κατάσταση.

παραιτήθηκεΔήλωση ευθύνης

Το περιεχόμενο, οι πληροφορίες και οι σχετικές πηγές δεδομένων που περιέχονται σε αυτήν την αναφορά θεωρείται ότι είναι η κρίση του συγγραφέα την ημέρα της αρχικής δημοσίευσης και δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι το περιεχόμενο και οι απόψεις αυτής της έκθεσης δεν θα αλλάξουν στο μέλλον. Προσπαθούμε, αλλά δεν εγγυόμαστε, την ακρίβεια και την πληρότητα των πληροφοριών που περιέχονται σε αυτήν την αναφορά. Οι απόψεις και οι πληροφορίες που εκφράζονται στην έκθεση δεν αποτελούν επενδυτικές συμβουλές σε κανέναν σε καμία περίπτωση. Υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, οποιοδήποτε πρόσωπο θα είναι αποκλειστικά υπεύθυνο για τις συνέπειες που προκύπτουν από τη χρήση του περιεχομένου αυτής της αναφοράς.

Παραγωγή: China Business News丨China Business News Investment Research Center

Αρχισυντάκτης: Qian Kun

Κύριος συγγραφέας: Wang Yuanli

Επιμέλεια: Huang Yu

Έγκριση: Qian Kun και Huang Yu

Όραμα: Φου Λελέ

Συντονιστής: Zhu Guoquan και Zhou Jin

Υπεύθυνος επικοινωνίας: Wang [email protected]