berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Daftar isi

1. Pengertian dan ciri-ciri kuantum

1.1 Superposisi kuantum

1.2 Keterikatan kuantum

1.3 Dekoherensi kuantum

2. Era supremasi kuantum akan datang

2.1 Revolusi teknologi kuantum kedua

2.2 Kompetisi Teknologi Kuantum Global

3. Komputasi Kuantum

3.1 Definisi dan keunggulan komputasi kuantum

3.2 Jalur teknis utama komputasi kuantum

3.3 Status pengembangan dan kesulitan teknis komputer kuantum

3.4 Penerapan Komputer Kuantum

4. Komunikasi dan keamanan kuantum

4.1 Perlunya komunikasi kuantum yang aman

4.2 Status pengembangan dan kesulitan teknologi komunikasi aman kuantum utama

4.3 Jaringan komunikasi kuantum dan Internet kuantum

4.4 Penerapan Komunikasi Kuantum

5. Pengukuran presisi kuantum

5.1 Pengertian Pengukuran Presisi Kuantum

5.2 Status perkembangan dan kesulitan teknologi pengukuran presisi kuantum

Penerapan Pengukuran Presisi Kuantum

6. Panorama investasi teknologi kuantum

6.1 Komputasi kuantum, komunikasi kuantum, peta perusahaan pengukuran kuantum

6.2 Evaluasi perusahaan teknologi kuantum besar Tiongkok

1. Pengertian dan ciri-ciri kuantum

Kuantum adalah satuan dasar dalam fisika yang menggambarkan partikel di dunia mikroskopis. Ini adalah satuan energi dan momentum yang terpisah. Kuantum bukanlah "sub" seperti elektron. Dalam dunia klasik, berbagai fenomena fisik berubah secara terus-menerus, seperti suhu. Dalam dunia mikroskopis, keadaan energi bersifat terputus-putus dan terdiri dari potongan-potongan energi karena momentum dapat dibagi menjadi satuan yang sangat kecil, dan ada satu satuan dasar terkecil, yaitu kuantum. Pembagian tak terbatas dalam dunia mikroskopis ini disebut kuantisasi.

Kuantum memiliki sifat-sifat seperti superposisi kuantum, keterikatan kuantum, dan pengukuran kuantum. Sifat-sifat ini tidak hanya penting dalam fisika, tetapi juga memainkan peran penting dalam bidang teknologi kuantum yang sedang berkembang, seperti komputasi kuantum, komunikasi kuantum, dan pengukuran kuantum. Sifat-sifat aneh mekanika kuantum ini memberi kita perspektif baru untuk memahami dan memanfaatkan hukum dasar alam.

1.1 Superposisi kuantum

Superposisi kuantum adalah konsep penting dalam mekanika kuantum, yang mengacu pada sistem kuantum yang dapat berada dalam keadaan superposisi antara beberapa kemungkinan keadaan pada saat yang bersamaan. Dalam fisika klasik, suatu benda hanya dapat berada dalam satu keadaan tertentu, sedangkan dalam mekanika kuantum, sistem kuantum dapat berada dalam kombinasi linier dari beberapa kemungkinan keadaan. Ini berarti bahwa dalam beberapa kasus, sistem kuantum dapat berada dalam beberapa keadaan sekaligus, dan kemudian runtuh ke salah satu keadaan tertentu ketika diukur.

Superposisi kuantum adalah dasar komputasi kuantum dan informasi kuantum. Dengan menggunakan superposisi kuantum, komputasi paralel kuantum dapat dicapai dan efisiensi komputasi dapat ditingkatkan.

1.2 Keterikatan kuantum

Keterikatan kuantum adalah fenomena khusus yang saling berhubungan dalam mekanika kuantum. Artinya, ketika dua atau lebih sistem kuantum berinteraksi, keadaannya menjadi sangat erat hubungannya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya, keadaan suatu sistem akan segera mempengaruhi keadaan sistem lainnya. Asosiasi ini disebut keterikatan.

Keadaan korelasi dua partikel dalam keadaan terjerat tidak dapat ditentukan sebelum diukur. Namun, tidak peduli seberapa jauh jarak kedua partikel tersebut, selama keadaan terjerat tersebut tidak musnah, setelah salah satu partikel diukur, maka keadaan tersebut adalah. partikel lainnya akan ditentukan. Keterikatan kuantum tidak hanya menyediakan metode pemrosesan paralel yang paling efektif untuk operasi kuantum, namun juga merupakan alat penting untuk mewujudkan komunikasi kuantum. Menjadi sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan, keterikatan kuantum juga dapat digunakan untuk membuat sensor kuantum yang sangat akurat dan sensitif.

1.3 Dekoherensi kuantum

Dekoherensi kuantum berarti bahwa dalam sistem kuantum, keadaan yang awalnya memiliki koherensi (yaitu sifat interferensi dan superposisi keadaan kuantum) kehilangan sifat koherensi ini setelah proses atau interaksi tertentu. Dekoherensi kuantum biasanya menyebabkan keadaan kuantum menjadi lebih klasik, yaitu mendekati keadaan dalam fisika klasik.

Dekoherensi kuantum dapat terjadi dalam keadaan yang berbeda, seperti pengukuran kuantum, dekoherensi kuantum, gangguan lingkungan, dll. Diantaranya, gangguan lingkungan adalah penyebab paling umum dari dekoherensi kuantum. Ketika sistem kuantum berinteraksi dengan lingkungan sekitarnya, ketidakpastian lingkungan dan kebisingan akan menyebabkan efek interferensi keadaan kuantum menghilang secara bertahap dan sistem kehilangan koherensi secara bertahap.

Dekoherensi kuantum adalah masalah penting yang mempengaruhi komputasi kuantum dan pemrosesan informasi kuantum, karena koherensi adalah sumber daya utama dalam komputasi kuantum. Oleh karena itu, mempelajari cara memperpanjang waktu koherensi keadaan kuantum dan mengurangi dampak dekoherensi kuantum adalah salah satu fokus penelitian saat ini di bidang informasi kuantum.

2. Era supremasi kuantum akan datang

2.1 Revolusi teknologi kuantum kedua

Usulan pertama konsep kuantum dapat ditelusuri kembali ke tahun 1900, oleh fisikawan Jerman Max Planck. Planck mengajukan konsep kuantisasi energi yang menjadi dasar teori kuantum, sehingga mengawali revolusi fisika kuantum di awal abad ke-20. Pada tahun 1905, Albert Einstein mengembangkan lebih lanjut konsep kuantum dan mengajukan konsep kuanta cahaya (foton) untuk menjelaskan efek fotolistrik.

“Revolusi teknologi kuantum pertama” dimulai pada awal abad ke-20, dengan Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger dan Paul · Fisikawan yang diwakili oleh Dirac dan lainnya menetapkan kerangka teori mekanika kuantum, menjelaskan karakteristik dasar mekanika kuantum, menyadari kombinasi mekanika kuantum dengan matematika, kimia, dan biologi, dan melahirkan banyak penemuan besar—bom atom, Laser, transistor, resonansi magnetik nuklir, komputer, dll.

Pada tahun 2014, Nature, majalah sains terkemuka dunia, mengusulkan bahwa “revolusi teknologi kuantum kedua” telah dimulai.

"Revolusi teknologi kuantum pertama" membawa umat manusia dari era industri ke era informasi, dan "revolusi teknologi kuantum kedua" yang sedang berlangsung berarti bahwa umat manusia akan menerobos batas fisik teknologi klasik dan memasuki era kuantum, menandai pemahaman umat manusia tentang dunia. dunia kuantum. Eksplorasi komputer kuantum telah beralih dari "era deteksi" sederhana ke "era regulasi" aktif, yang menandai terobosan besar di bidang komputasi kuantum, komunikasi kuantum, dan pengukuran presisi kuantum.

“Revolusi teknologi kuantum kedua” menggunakan keterikatan kuantum, superposisi kuantum, pengukuran kuantum, dll. untuk menjalankan aplikasi inovatif dan diharapkan dapat memicu perubahan di banyak bidang:

Komputasi Kuantum: Perkembangan komputer kuantum akan mengalami transisi dari komputer kuantum khusus ke komputer kuantum universal, yang pada akhirnya mencapai komputer kuantum universal yang dapat diprogram yang dapat memecahkan masalah spesifik yang tidak dapat ditangani oleh komputer klasik.

Komunikasi kuantum: Ia memiliki metode komunikasi anti-penyadapan dan membangun jaringan komunikasi yang aman dengan non-kloning kuantum dan karakteristik lainnya. Teknologi utama termasuk distribusi kunci kuantum (QKD), teleportasi kuantum (QT), dll. Perkembangan teknologi komunikasi kuantum juga akan semakin mendorong pembangunan Internet kuantum.

Pengukuran presisi kuantum: Teknologi pengukuran presisi kuantum menghadirkan alat pengukuran presisi lebih tinggi untuk penelitian ilmiah dan industri karena keadaan kuantum sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan eksternal, sensitivitas dan resolusi pengukuran presisi kuantum akan secara signifikan melampaui batas klasik dan mendorong kemajuan. pengembangan keterampilan terkait ditingkatkan.

“Revolusi teknologi kuantum kedua” mengubah pemahaman kita tentang dunia kuantum dan mendorong penerapan teknologi kuantum di berbagai bidang. Seiring dengan kemajuan teknologi, teknologi kuantum diperkirakan akan merevolusi cara kita hidup dan bekerja dalam beberapa dekade mendatang.

2.2 Kompetisi Teknologi Kuantum Global

“Revolusi teknologi kuantum telah memberi Tiongkok peluang untuk 'mengubah jalur dan menyalip'.” Zhang Qingrui, mantan penjabat presiden Universitas Nasional Taiwan, ketua profesor Universitas Chung Yuan, dan konsultan di Foxconn Quantum Research Institute, mengatakan dalam bukunya “ Megatren Kuantum".

Di era teknologi informasi, peningkatan daya komputasi komputer klasik mengikuti Hukum Moore. Hukum Moore menyatakan bahwa jumlah transistor yang dapat ditampung pada sirkuit terpadu meningkat dua kali lipat setiap dua tahun. Kontrol yang tepat terhadap proses nanometer telah menjadi teknologi kunci di era teknologi informasi , ukuran fisik transistor terus menyusut.

Dalam "revolusi teknologi kuantum kedua", sifat-sifat seperti superposisi kuantum, keterikatan kuantum, dan pengukuran kuantum digunakan untuk membuat komponen kuantum baru. Ia tidak hanya mengandalkan teknologi penyusutan Hukum Moore dikuasai, bahkan teknologi sub-mikron Komponen kuantum dengan sifat keterikatan kuantum dapat dibuat. Kinerja komponen kuantum dengan sifat keterikatan jauh lebih unggul daripada komponen elektronik klasik. "Revolusi teknologi kuantum kedua" akan menghasilkan industri inovatif yang lebih disruptif.

Profesor Pan Jianwei dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, yang dikenal sebagai "Bapak Kuantum" di Tiongkok, pernah mengatakan bahwa dalam ilmu informasi modern, Tiongkok selalu memainkan peran sebagai pembelajar dan pengikut teknologi kuantum, jika kita mencoba yang terbaik, kita bisa menjadi kekuatan utama di antara mereka.

Saat ini, pencapaian negara saya di bidang komunikasi kuantum telah memimpin dunia: pada tahun 2016, satelit eksperimental sains kuantum pertama di dunia "Mozi" berhasil diluncurkan pada tahun 2017, jalur komunikasi kuantum jarak jauh Beijing-Shanghai sepanjang 2.000 kilometer; ; pada tahun 2018, "Mozi" "Zihao" melakukan distribusi kunci kuantum dari satelit ke darat sepanjang 7.600 kilometer dengan stasiun bumi Xinglong di Tiongkok dan Graz di Austria pada tahun 2022, tim Profesor Long Guilu dari Universitas Tsinghua merancang gabungan keadaan fase kuantum dan stempel waktu; keadaan kuantum Sistem komunikasi langsung kuantum berkode baru mencapai 100 kilometer komunikasi langsung kuantum dan memecahkan rekor dunia untuk "komunikasi langsung kuantum".

Di bidang komputasi kuantum, pada bulan Desember 2020, Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok mengumumkan keberhasilan pembangunan prototipe 76 foton "Jiuzhang", menjadi negara kedua yang mencapai supremasi kuantum (Quantum Supremacy) (Catatan Juni). Pada tahun 2021, Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok merilis komputer superkonduktor 56-qubit yang dapat diprogram "Zuchongzhi", sehingga mempersingkat tugas yang diselesaikan superkomputer dalam waktu 8 tahun menjadi 1,2 jam. Tiongkok adalah satu-satunya negara yang memiliki dua jalur teknologi: superkonduktor dan kuantum optik. Negara-negara yang semuanya telah mencapai keunggulan kuantum.

Menurut data dari Qianzhan Industry Research Institute, dalam hal total investasi, investasi informasi kuantum global akan mencapai US$38,6 miliar pada tahun 2023, di mana total investasi Tiongkok akan mencapai US$15 miliar, menempati peringkat pertama di dunia.

Saat ini, Tiongkok dan Amerika Serikat memimpin persaingan dalam teknologi kuantum, dan Eropa serta kekuatan teknologi tradisional lainnya juga secara aktif mengejar ketertinggalan. Meskipun saat ini terdapat pemimpin dalam teknologi kuantum, semua peserta tidak jauh dari garis start. "mengubah jalur dan menyalip" jauh lebih sulit dibandingkan Ada lebih banyak peluang di bidang teknologi lainnya.

Pada tahun 2021, garis besar "Rencana Lima Tahun ke-14" negara saya mengusulkan untuk mempercepat penerapan teknologi canggih seperti komputasi kuantum dan komunikasi kuantum, dengan tujuan menyelesaikan pembangunan infrastruktur komunikasi kuantum nasional dan mengembangkan komputer kuantum universal pada tahun 2030.

(Catatan: Supremasi Kuantum, juga dikenal sebagai supremasi kuantum, mengacu pada kemampuan komputer kuantum untuk mengungguli komputer konvensional paling kuat saat melakukan tugas tertentu. Konsep ini dikembangkan oleh fisikawan John Price Diusulkan oleh John Preskill pada tahun 2012 untuk menggambarkan signifikansi kelebihan komputer kuantum dibandingkan komputer klasik dalam menyelesaikan masalah tertentu).

3. Komputasi Kuantum

Sebagai teknologi mutakhir, komputasi kuantum telah menarik perhatian besar dari para peneliti ilmiah dan modal global dalam beberapa tahun terakhir. Ia menggunakan prinsip mekanika kuantum untuk menerobos metode perhitungan berbasis biner pada komputer tradisional, menunjukkan potensi yang jauh melebihi komputer klasik dalam masalah spesifik tertentu. Dengan pendalaman teori fisika kuantum dan semakin matangnya teknologi kuantum, komputasi kuantum secara bertahap beralih dari teori ke praktik dan dianggap sebagai arah pengembangan penting teknologi komputasi masa depan.

3.1 Definisi dan keunggulan komputasi kuantum

Komputasi kuantum adalah teknologi yang menggunakan bit kuantum sebagai unit dasar informasi untuk melakukan perhitungan berdasarkan prinsip mekanika kuantum. Super-paralelisme komputer kuantum berasal dari keadaan superposisi qubit. Dibandingkan dengan jumlah bit klasik yang sama, perbedaan daya komputasi antara beberapa qubit bersifat eksponensial.

Komputer tradisional menggunakan bit biner (bit), setiap bit bernilai 0 atau 1, sedangkan bit kuantum (qubit) komputer kuantum dapat berada dalam keadaan superposisi 0 dan 1 pada saat yang bersamaan. Seiring bertambahnya jumlah qubit, N qubit dapat memiliki nilai pada saat yang sama, yang setara dengan melakukan operasi pada waktu yang sama.

Komputer kuantum memanipulasi keadaan superposisi ini dan interaksi antara qubit melalui algoritma kuantum, dan dapat memproses sejumlah besar kemungkinan jalur kalkulasi pada saat yang sama, menjadikan komputer kuantum lebih efisien daripada komputer tradisional ketika menyelesaikan jenis masalah tertentu, seperti dekomposisi bilangan bulat dan algoritma pencarian. Komputer jauh lebih cepat.

3.2 Jalur teknis utama komputasi kuantum

Negara kita sangat mementingkan penelitian ilmu kuantum dan secara berturut-turut telah memperkenalkan sejumlah kebijakan dan rencana untuk mendukung penelitian dan penerapan teknologi kuantum. Di bidang komputasi kuantum, lembaga dan perusahaan penelitian ilmiah Tiongkok telah mencapai serangkaian hasil yang berpengaruh secara internasional pada jalur teknis utama seperti komputasi kuantum superkonduktor dan komputasi kuantum optik, serta berada dalam posisi terdepan dalam kompetisi komputasi kuantum global.

Saat ini, komputasi kuantum sedang dalam tahap eksplorasi awal, dan arah pengembangan qubit sangat beragam. Solusi utama meliputi superkonduktor, perangkap ion, kuantum optik, atom ultradingin, titik kuantum berbasis silikon, dan kuantum topologi, dll., yang pada dasarnya didasarkan pada keunggulan komputasi kuantum. ——Komputasi Kuantum Khusus—Peta jalan pengembangan komputasi kuantum universal.

Menurut laporan "Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024" yang dirilis oleh ICV, sebuah organisasi konsultan teknologi mutakhir, Tiongkok dan Amerika Serikat mendominasi distribusi perusahaan komputasi kuantum besar di dunia, dengan 20 perusahaan di Amerika Serikat dan 18 perusahaan di Cina, masing-masing menyumbang 28%. Dari perspektif distribusi rute teknis, superkonduktor, perangkap ion, dan jalur kuantum optik mendapat perhatian paling besar. Di antara 71 perusahaan komputasi kuantum besar di dunia pada tahun 2023, 19 perusahaan berada di jalur komputasi kuantum superkonduktor, menyumbang 27%, termasuk 8 di Amerika Serikat dan 5 di Tiongkok diikuti oleh komputasi kuantum optik, dengan total 13 perusahaan , menyumbang 18%, di antaranya perusahaan Tiongkok memiliki jumlah terbesar, mencapai 4; 10 perusahaan berada di jalur komputasi kuantum perangkap ion, menyumbang 14%, dan perusahaan Tiongkok menyumbang 4.

(1) Jalur komputasi kuantum superkonduktor

Komputasi kuantum superkonduktor adalah salah satu teknologi komputasi kuantum paling matang saat ini. Ini didasarkan pada sirkuit kuantum superkonduktor dan memproses informasi dengan memanipulasi qubit superkonduktor. Sirkuit kuantum superkonduktor sangat kompatibel dengan sistem sirkuit terintegrasi yang ada dalam hal desain, persiapan, dan pengukuran, serta dapat menggunakan komponen elektronik tradisional sebagai sistem kontrol. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum, dll. sedang melakukan penelitian dan pengembangan di jalur komputasi kuantum superkonduktor.

Keuntungan qubit superkonduktor adalah kontinuitas dan skalabilitasnya yang tinggi, serta tingkat distorsi yang relatif rendah. Rute teknis ini telah mencapai keterjeratan antara beberapa qubit dan operasi gerbang kuantum, yang meletakkan dasar untuk membangun komputer kuantum praktis. Namun, qubit superkonduktor sangat sensitif terhadap suhu dan interferensi elektromagnetik lingkungan, sehingga eksperimen perlu dilakukan pada suhu yang sangat rendah dan lingkungan yang terlindung dengan baik.

Rantai industri komputasi kuantum AS memiliki tata letak yang lengkap, dengan perusahaan teknologi terkemuka seperti IBM, Google, dan Microsoft memasuki industri ini, terutama di jalur komputasi kuantum superkonduktor. Di bidang chip kuantum superkonduktor, pada bulan Desember 2023, IBM merilis chip prosesor komputasi kuantum pertama di dunia Condor dengan lebih dari 1.000 qubit, yang memiliki 1.121 qubit.

Pada bulan April 2024, Institut Informasi Kuantum dan Inovasi Teknologi Kuantum dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok merilis chip komputasi kuantum superkonduktor 504-bit "Xiaohong", memecahkan rekor domestik untuk jumlah qubit superkonduktor.

Peng Chengzhi, seorang profesor di Institut Informasi Kuantum dan Inovasi Sains dan Teknologi Kuantum dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok dan kepala ilmuwan dari China Telecom Quantum Group dan Guodun Quantum (688027.SH), mengatakan bahwa chip komputasi kuantum superkonduktor dapat menggunakan kembali chip komputasi kuantum yang lebih matang. teknologi pemrosesan chip semikonduktor. Ini sangat menguntungkan dalam hal ekspansi, sehingga penelitian dan pengembangan "tidak sulit". "Hal yang paling sulit adalah bagaimana meningkatkan kualitas dan kuantitas qubit secara bersamaan, sehingga benar-benar meningkatkan kinerja chip dan lebih tepatnya mengendalikan qubit skala besar. Ini adalah arus utama internasional. Tim peneliti ilmiah sedang bekerja keras.”

Kekuatan komputasi yang dapat dicapai komputer kuantum bergantung pada banyak faktor, misalnya komputer kuantum superkonduktor, termasuk jumlah bit, fidelitas, waktu koherensi, kecepatan operasi gerbang, konektivitas, dll. Diantaranya, jumlah bit merupakan indikator kunci. Namun, perhatian khusus harus diberikan pada fakta bahwa tidak ada gunanya membicarakan jumlah bit saja. Yang lebih penting adalah kesetiaan gerbang (terutama kesetiaan gerbang dua-bit), waktu koherensi, dan konektivitas bit dalam skala besar. skala qubit.

Selain itu, sifat bahan superkonduktor adalah ketika suhu turun di bawah suhu kritis tertentu, hambatannya nol dan arus dapat mengalir tanpa kehilangan. Untuk mencapai operasi yang efisien dan penyimpanan qubit yang stabil, chip kuantum perlu beroperasi di lingkungan bersuhu sangat rendah, yaitu -273,12°C atau lebih rendah, sehingga lemari es pengenceran adalah salah satu peralatan utama untuk komputasi kuantum superkonduktor.

Saat ini, lemari es pengenceran yang diproduksi di dalam negeri di negara saya telah membuat terobosan besar, dan indikator pengoperasian sebenarnya telah mencapai tingkat arus utama internasional dari produk serupa. Kulkas pengenceran domestik yang tersedia secara komersial dan diproduksi secara massal, Kulkas ez-Q yang diluncurkan oleh Guodun Quantum menyediakan chip kuantum dengan suhu sangat rendah dan lingkungan kebisingan rendah hingga tingkat 10mK. Daya pendinginan mencapai 450uW@100mK (mewakili 450uW@100mK). kulkas pengenceran di Daya pendinginan pada suhu 100 mK dapat mencapai 450uW. Semakin besar daya pendinginan, semakin tinggi jumlah bit komputasi kuantum yang dapat didukung), dan ini berfungsi untuk "Zuchong-2" untuk mewujudkan kuantum. eksperimen keunggulan komputasi; ini dikembangkan secara independen oleh Origin Quantum. Kulkas pengenceran SL1000 dapat menyediakan lingkungan bersuhu sangat rendah di bawah 10mK dan kapasitas pendinginan tidak kurang dari 1000μW @100mK, memenuhi kebutuhan lingkungan bersuhu sangat rendah dalam pemotongan- bidang teknologi canggih seperti komputasi kuantum superkonduktor, fisika benda terkondensasi, ilmu material, dan eksplorasi luar angkasa.

Mencapai "superioritas kuantum" adalah ukuran utama kinerja komputer kuantum, yaitu kemampuannya menghitung masalah spesifik di luar superkomputer klasik. Saat ini, hanya ada dua komputer kuantum superkonduktor di dunia: "Platanus" Amerika dan "Zuchong-2" China.

"Zuchong-2" adalah prototipe komputasi kuantum superkonduktor 66-qubit yang dapat diprogram yang dikembangkan oleh tim peneliti yang terdiri dari Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi dan lainnya dari Institut Informasi Kuantum dan Inovasi Teknologi Kuantum, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan Institut Teknologi Kuantum. Institut Fisika Teknis Shanghai, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Pada Mei 2023, tim menyempurnakan chip 66-qubit "Zuchong-2" asli dan menambahkan antarmuka kontrol kopling 110-bit, sehingga jumlah qubit yang dapat dikontrol pengguna menjadi 176 bit.

Guodun Quantum, sebagai satu-satunya unit perusahaan yang berpartisipasi dalam penelitian dan pengembangan "Zuchongzhi", menggunakan manajemen rantai pasokan dan kemampuan integrasi prototipe komputasi kuantum superkonduktor (termasuk sistem kontrol suhu ruangan, sistem transmisi sinyal suhu rendah, sistem pengemasan chip , sistem perangkat lunak kontrol, dll.). Saat ini, 4 komputer kuantum lengkap telah berhasil dijual ke luar negeri.

Selain itu, komputer kuantum superkonduktor independen generasi ketiga "Origin Wukong" yang dikembangkan oleh Origin Quantum akan diluncurkan secara online pada Januari 2024. "Original Wukong" dilengkapi dengan chip kuantum superkonduktor 72-bit "Wukong Core" dengan total 198 qubits. , yang berisi 72 qubit yang berfungsi dan 126 qubit berpasangan.

(Catatan: Qubit (qubit) adalah unit dasar komputasi kuantum. Ia adalah pembawa informasi kuantum, mirip dengan bit dalam komputasi klasik. Qubit dapat berada dalam keadaan superposisi, yaitu superposisi beberapa keadaan pada waktu yang sama. , yang membuat komputer kuantum Beberapa tugas komputasi dapat diproses secara bersamaan. Qubit berpasangan (cQubit) adalah qubit khusus yang memiliki interaksi atau penggandengan di antara keduanya. Qubit berpasangan sering kali digunakan untuk mengimplementasikan operasi gerbang kuantum, sehingga memungkinkan qubit berbeda untuk berinteraksi satu sama lain Untuk bertukar informasi dan berinteraksi satu sama lain. Secara umum, qubit adalah unit dasar komputasi kuantum, dan qubit kopling adalah bentuk qubit khusus yang digunakan untuk mengimplementasikan operasi gerbang kuantum dan komputasi kuantum.

(2) Jalur komputasi kuantum optik

Jalur komputasi kuantum optik menggunakan foton sebagai pembawa informasi dan mewujudkan proses komputasi kuantum melalui elemen optik kuantum. Keuntungan utama dari komputasi kuantum optik adalah foton itu sendiri berinteraksi sangat lemah dengan lingkungan dan dapat mempertahankan keadaan kuantum stabil untuk waktu yang lama dengan ketelitian yang tinggi. Selain itu, komputasi kuantum optik dapat dilakukan pada suhu kamar, tidak seperti komputasi kuantum superkonduktor yang memerlukan lingkungan bersuhu sangat rendah. Tantangan teknisnya terletak pada pembangkitan, pengoperasian, dan pendeteksian foton, yang memerlukan teknologi dan peralatan kontrol presisi tinggi. Perusahaan yang saat ini menggunakan foton sebagai jalur menuju komputer kuantum termasuk PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum, dan Bose Quantum.

Tiongkok adalah satu-satunya negara yang telah mencapai keunggulan kuantum dalam teknologi superkonduktor dan kuantum optik Selain "Zu Chongzhi" di jalur komputasi kuantum superkonduktor, ada komputer kuantum lain di negara saya yang telah mencapai "superioritas kuantum" - oleh. Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok. Seri "Sembilan Bab" yang dikembangkan oleh tim Pan Jianwei mengadopsi jalur komputasi kuantum optik.

Dalam hal komputer kuantum dengan fungsi spesifik, Tiongkok telah membuat terobosan dan kemajuan besar di jalur komputasi kuantum optik. Pada bulan Oktober 2023, tim Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok berhasil membangun prototipe komputasi kuantum 255 foton "Jiuzhang-3". Prototipe ini terdiri dari 255 foton dan dapat memecahkan masalah matematika pengambilan sampel Gaussian Bose 100 miliar kali lebih cepat daripada superkomputer tercepat di dunia, sekali lagi memecahkan rekor dunia untuk teknologi informasi kuantum optik. Selain itu, komputer kuantum optik koheren generasi berikutnya dari Bose Quantum dengan 550 qubit komputasi yang dirilis pada April 2024 - "Tiangong Quantum Brain 550W", melalui kit pengembangan yang diwakili oleh "Kaiwu SDK" dan ekologi multi-industri Kombinasi "algoritma kuantum" secara bersama-sama dikembangkan oleh mitra telah mencapai terobosan dalam komputasi kuantum praktis.

Tidak seperti komputer kuantum tujuan umum yang dapat mengubah program kalkulasi eksekusi sesuka hati, komputer kuantum dengan fungsi tertentu hanya dapat menjalankan algoritme kuantum tertentu. Jika ingin menangani kalkulasi di luar fungsi desain aslinya, perangkat keras atau peralatannya harus diubah.

Di bidang komputer kuantum optik tujuan umum yang dapat diprogram, Turing Quantum telah meluncurkan DeepQuantum, kerangka pemrograman komputasi kuantum optik pertama di Tiongkok. Menggunakan QubitCircuit di DeepQuantum, pengembang dapat dengan mudah membangun dan mensimulasikan sirkuit kuantum, serta dengan cepat merancang dan mengoptimalkan jaringan saraf kuantum. Selain itu, melalui QumodeCircuit DeepQuantum, pengguna dapat mempelajari sirkuit kuantum optik secara mendalam dan mengembangkan aplikasi praktis berdasarkan algoritma seperti pengambilan sampel Gaussian Bose. DeepQuantum tidak hanya mencakup fungsi diferensiasi otomatis, tetapi juga memiliki berbagai pengoptimal non-gradien bawaan untuk membantu pengguna menerapkan dan menjelajahi algoritma kuantum variasional secara efisien. Pada saat yang sama, Turing Quantum akan menerapkan perangkat keras komputasi kuantum optik pada platform Quantum Cloud, dan pengguna akan dapat merasakan komputasi kuantum nyata melalui DeepQuantum.

(3) Jalur komputasi kuantum perangkap ion

Jalur komputasi kuantum perangkap ion adalah teknik yang menggunakan ion (biasanya atom atau molekul bermuatan) sebagai qubit untuk melakukan pemrosesan informasi kuantum. Medan elektromagnetik eksternal digunakan untuk "menjebak" ion-ion dalam jarak tertentu, dan pergerakan ion dikendalikan oleh gaya interaksi antara muatan dan medan elektromagnetik. Keuntungan komputasi kuantum perangkap ion terletak pada waktu keadaan terjerat yang lama dan stabil serta gerbang logika dengan ketelitian yang tinggi, namun kesulitan teknisnya terletak pada pencapaian "penahanan" yang stabil dan kontrol akurat terhadap sejumlah besar ion pada saat yang bersamaan, yang memerlukannya. teknologi pendingin laser dan lingkungan vakum ultra-tinggi, serta integrasi Kompatibilitas sirkuit belum dikembangkan, sehingga skalabilitasnya terbatas. Saat ini, perusahaan yang sangat terlibat dalam teknologi komputasi kuantum perangkap ion termasuk Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum, dll.

Pada tahun 2023, Huayi Quantum merilis HYQ-A37, prototipe komersial komputer kuantum perangkap ion generasi pertama dengan skala 37 qubit. Waktu koherensi qubit, fidelitas, dan indikator kinerja terkait lainnya telah mencapai tingkat kelas satu di dunia. Saat ini, pengguna dapat menggunakan alat visual atau editor kode untuk merancang sirkuit kuantum dengan cepat sesuai perjanjian, dan mengakses HYQ-A37 dari jarak jauh untuk melakukan tugas komputasi dan mendapatkan umpan balik hasil komputasi grafis secara real-time. Huayi Quantum diperkirakan akan meluncurkan komputer kuantum perangkap ion suhu rendah 110-bit pada tahun 2024.

3.3 Sejarah perkembangan dan kesulitan teknis komputer kuantum

Sejak 1980-an, komputasi kuantum telah diverifikasi berdasarkan ide-ide fisik dasar dan prinsip-prinsip utama, dan sekarang komputer kuantum telah mencapai tahap NISQ (komputer kuantum skala menengah yang berisik).

Komputer dengan gerbang kuantum fidelitas tinggi 50 hingga 100 qubit disebut komputer NISQ. "Noisy" berarti terdapat tingkat kebisingan dan kesalahan tertentu di antara qubit, yang memiliki toleransi kesalahan rendah dan belum dapat mencapai perhitungan kuantum yang akurat. Komputer kuantum tujuan umum yang toleran terhadap kesalahan adalah tujuan pengembangan jangka panjang dan akan membutuhkan waktu untuk mencapainya. Namun, kekuatan komputasi komputer kuantum skala menengah yang berisik telah jauh melebihi superkomputer tugas dan telah menunjukkan kinerja luar biasa di beberapa bidang aplikasi.

Kendala utama pengembangan komputer kuantum pada tahap ini adalah:

(1) Persyaratan suhu sangat rendah: Untuk menjaga stabilitas keadaan kuantum qubit, komputer kuantum perlu beroperasi di lingkungan bersuhu sangat rendah mendekati nol mutlak. Dalam kondisi seperti itu, qubit dapat secara efektif menunjukkan karakteristik keterikatan kuantum dan superposisi kuantum. Sistem pendingin mahal untuk dipelihara dan dioperasikan, dan seiring dengan meningkatnya jumlah qubit, kebutuhan pendinginan yang sesuai akan meningkat. Teknologi kriogenik yang efektif dan murah perlu ditingkatkan.

(2) Masalah stabilitas qubit: Qubit (atau qubit) adalah unit informasi dasar komputer kuantum, namun sangat rapuh dan rentan terhadap kebisingan dan gangguan eksternal, yang menyebabkan dekoherensi kuantum. Dekoherensi menghancurkan informasi kuantum, membuat perhitungan menjadi tidak dapat diandalkan. Meningkatkan waktu koherensi qubit adalah topik penelitian terkini.

(3) Koreksi kesalahan kuantum: Kesalahan pasti terjadi selama komputasi kuantum, dan karena sifat khusus qubit, kesalahan ini berbeda dengan kesalahan pada komputer tradisional. Mengembangkan teknik koreksi kesalahan kuantum yang efektif sangat penting untuk memungkinkan komputasi kuantum yang andal, namun algoritma koreksi kesalahan kuantum saat ini masih kompleks dan sulit untuk diukur.

(4) Skalabilitas: Jumlah qubit pada komputer kuantum yang ada relatif kecil, namun penghitungan masalah yang kompleks memerlukan ratusan, ribuan, atau bahkan lebih qubit. Cara meningkatkan skala komputer kuantum tanpa mengurangi kualitas satu qubit merupakan tantangan teknis yang sangat besar.

(5) Keterbatasan material dan teknologi: Pembuatan qubit berkualitas tinggi memerlukan material canggih dan proses manufaktur yang presisi. Misalnya, qubit superkonduktor memerlukan bahan superkonduktor dengan kemurnian tinggi, sedangkan teknologi perangkap ion memerlukan sistem laser dan vakum presisi tinggi. Perkembangan dan kematangan teknologi ini secara langsung mempengaruhi kinerja dan kelayakan komputer kuantum.

(6) Pengembangan algoritma dan perangkat lunak yang tidak memadai: Meskipun diketahui bahwa beberapa algoritma kuantum secara teoritis dapat memberikan kinerja di luar komputasi klasik, perpustakaan algoritma dan perangkat lunak komputer kuantum masih terbatas, dan terdapat kekurangan platform perangkat lunak kuantum yang dapat diterapkan secara luas dan kerangka pemrograman.

(7) Kesenjangan antara teori dan eksperimen: Komputasi kuantum mengalami kemajuan pesat dalam teori, namun laju penerapan teori-teori ini dalam eksperimen sebenarnya relatif lambat. Banyak teori yang belum diverifikasi secara eksperimental, sehingga banyak inovasi dan optimalisasi yang harus dilakukan dalam teknik dan desain eksperimental.

(8) Kurangnya bakat dan pengetahuan: Komputasi kuantum adalah bidang interdisipliner yang melibatkan berbagai disiplin ilmu seperti fisika, ilmu komputer, teknik, dan matematika. Saat ini, peneliti dan insinyur dengan pengetahuan dan keterampilan interdisipliner relatif langka, sehingga membatasi laju perkembangan di bidang komputasi kuantum.

(8) Keterbatasan skenario aplikasi: Saat ini, komputer kuantum menunjukkan potensi dalam masalah spesifik tertentu, seperti simulasi kimia, pemecahan kata sandi, dan masalah optimasi yang kompleks. Namun, keunggulan komputer kuantum belum terlihat jelas pada banyak tugas komputasi tujuan umum, dan nilai praktisnya dalam aplikasi komersial dan industri perlu dieksplorasi lebih lanjut.

Seperti disebutkan di atas, meskipun komersialisasi komputasi kuantum masih menghadapi banyak tantangan, teknologi kuantum telah memasuki tahap rekayasa dari tahap penelitian teoretis. Munculnya komputer kuantum universal yang toleran terhadap kesalahan di masa depan akan menumbangkan hampir semua industri teknologi yang ada sedang dalam "revolusi teknologi kuantum kedua" Akan ada perubahan besar di masa depan, dan kita harus bersiap terlebih dahulu untuk memasuki era kuantum baru.

3.4 Penerapan Komputer Kuantum

(1) Platform cloud komputasi kuantum

Mencapai "superioritas kuantum" merupakan prasyarat penting untuk komersialisasi dan mempopulerkan komputasi kuantum, dan platform cloud komputasi kuantum adalah kunci untuk pengembangan aplikasi praktis komputasi kuantum.

Saat ini, biaya perangkat keras komputer kuantum sangat tinggi, terutama untuk sistem qubit dengan ketelitian tinggi dan skala besar. Pada saat yang sama, pengoperasian dan pemeliharaan komputer kuantum memerlukan teknologi dan lingkungan yang profesional. Platform cloud komputasi kuantum memberi universitas, lembaga penelitian, perusahaan, dll. cara berbiaya rendah untuk mengakses sistem komputasi kuantum.

Di satu sisi, platform cloud dapat dengan cepat memperbarui dan menerapkan teknologi dan algoritma komputasi kuantum terbaru, dan pengguna dapat langsung merasakan keuntungan yang dibawa oleh kemajuan teknologi; di sisi lain, ketika pengguna mencoba platform cloud untuk pengembangan dan pengujian aplikasi , mereka dapat menyediakan platform dengan Memberikan umpan balik mengenai masalah dan kebutuhan dari pemasok untuk mendorong iterasi dan optimalisasi teknologi. Platform cloud komputasi kuantum berfungsi sebagai jembatan yang menghubungkan berbagai perusahaan komputasi kuantum, lembaga penelitian ilmiah, dan pengguna korporat, mempromosikan kerja sama antara komputasi kuantum dan semua lapisan masyarakat, dan bersama-sama mempromosikan pengembangan dan penerapan teknologi komputasi kuantum.

Pada Mei 2023, Guodun Quantum merilis platform cloud komputasi kuantum generasi baru, yang dihubungkan ke komputer kuantum superkonduktor 176-bit yang dikembangkan sendiri dengan jenis yang sama dengan "Zuchongzhihao". rekor untuk platform cloud domestik, Ia juga menjadi platform cloud komputasi kuantum pertama di dunia yang memiliki potensi mencapai keunggulan kuantum pada jalur kuantum superkonduktor dan terbuka untuk dunia luar. Guodun Quantum menyatakan bahwa di masa depan, pihaknya berencana untuk mengakses beberapa komputer kuantum berkinerja tinggi untuk pemulihan bencana bersama dan pembaruan berulang, sehingga perangkat keras platform cloud dapat mempertahankan tingkat kemajuan internasional.

Pada bulan November 2023, Guodun Quantum membantu platform cloud komputasi kuantum "Tianyan" milik China Telecom Quantum Group dan platform superkomputer "Tianyi Cloud" milik China Telecom untuk terhubung guna membangun sistem arsitektur komputasi hibrid "komputasi superkomputer-kuantum".

(2) Skenario aplikasi utama komputasi kuantum

Menurut data ICV, industri kuantum global akan mencapai US$4,7 miliar pada tahun 2023, dan tingkat pertumbuhan tahunan rata-rata (CAGR) dari tahun 2023 hingga 2028 diperkirakan akan mencapai 44,8%, memanfaatkan kemajuan teknologi komputer kuantum tujuan umum dan meluasnya penggunaan komputer kuantum khusus dalam aplikasi bidang tertentu, total ukuran pasar industri komputasi kuantum diperkirakan akan mencapai US$811,7 miliar pada tahun 2035.

Sebagai teknologi komputasi yang sedang berkembang, komputasi kuantum telah menunjukkan potensi penerapan terobosan di banyak bidang seperti keuangan, kedokteran, dan industri kimia. Diantaranya, industri keuangan merupakan bidang penerapan komputasi kuantum yang berpotensi penting. Menurut prediksi ICV, di antara aplikasi hilir komputasi kuantum global, sektor keuangan akan memiliki pangsa pasar tertinggi pada tahun 2035, mencapai 51,9%, meningkat secara signifikan dari tahun sebelumnya. 15,8% pada tahun 2030. Diikuti oleh industri farmasi dan kimia yang masing-masing menyumbang 20,5% dan 14,2%.

Komputasi kuantum banyak digunakan di bidang keuangan untuk mengurangi biaya dan waktu pemrosesan. Saat ini, komputasi kuantum terutama mencakup: manajemen dan pengendalian risiko, penetapan harga derivatif, optimalisasi portofolio, perdagangan arbitrase dan penilaian kredit, dll.

Perusahaan keuangan arus utama di dalam dan luar negeri, seperti JP Morgan dan Goldman Sachs, telah mendirikan departemen kuantum untuk mengembangkan aplikasi keuangan kuantum; Origin Quantum dan Layanan Informasi Ekonomi China Xinhua Finance bersama-sama merilis "Aplikasi Keuangan Quantum", yang diterbitkan di Xinhua Finance The Aplikasi online, menyediakan penerapan komputasi kuantum dalam optimalisasi portofolio investasi, penetapan harga derivatif, dan analisis risiko; China Construction Bank telah secara aktif mengeksplorasi dan mempraktikkan penerapan teknologi informasi kuantum, mendirikan laboratorium aplikasi keuangan kuantum, dan bekerja sama dengan Quantum dalam dan luar negeri; tim keamanan dan komputasi kuantum telah berkolaborasi untuk melaksanakan serangkaian penelitian berwawasan ke depan dan eksplorasi inovatif. China Construction Bank telah meluncurkan algoritme aplikasi keuangan kuantum seperti "Algoritma Jaringan Quantum Bayesian" dan "Algoritma Pengoptimalan Portofolio Kuantum". Algoritme ini telah menunjukkan potensi komputasi kuantum dalam analisis risiko dan optimalisasi portofolio.

Dalam hal penelitian dan pengembangan medis serta ilmu material kimia, komputer kuantum dapat mensimulasikan reaksi kimia kompleks dan sifat material, yang sangat penting untuk menemukan obat baru, material baru, dan mengoptimalkan proses reaksi kimia.

Bahan baru dan obat baru memiliki nilai ekonomi yang sangat besar, terutama di bidang kedokteran. Jika komputasi kuantum dapat menggantikan metode coba-coba tradisional melalui analisis komputasi, hal ini tidak hanya akan mengurangi waktu pengembangan obat baru secara signifikan, tetapi juga menghemat banyak waktu. biaya pengembangan medis. Mempromosikan penerapan komputasi kuantum dalam penelitian dan pengembangan medis serta ilmu material, namun tetap perlu dikoordinasikan dengan algoritma kuantum tertentu.

Pada Juli 2022, BGI Life Sciences Research Institute bekerja sama dengan Quanthuan Technology untuk mengeksplorasi penerapan komputasi kuantum di bidang ilmu kehidupan. Mereka menggunakan algoritma kuantum untuk mencapai perakitan genom, memecahkan masalah perakitan genom, dan menggunakan lebih sedikit sumber daya kuantum untuk mensimulasikan sistem kuantum yang lebih besar, memberikan kemungkinan untuk mensimulasikan sistem skala besar di era NISQ.

Pada bulan Maret 2022, Turing Quantum menggunakan teknologi jaringan tensor untuk mencapai desain obat AI kuantum 38 kali lebih cepat melalui kontraksi tensor, dan meluncurkan serangkaian modul aplikasi AI kuantum, termasuk QuOmics (genomics), QuChem (molekul obat) Empat modul utama, termasuk Desain Struktural), QuDocking (Penyaringan Virtual Obat), dan QuSynthesis (Retrosintesis Molekul Kimia), telah mencapai berbagai tingkat peningkatan algoritma kuantum.

Pada bulan April 2021, Origin Quantum merilis Sistem Aplikasi Kimia Kuantum Asal ChemiQ 2.0, yang memberikan landasan bagi penerapan komputasi kuantum di bidang kimia dan memungkinkan penerapan komputasi kuantum yang inovatif dalam pengobatan baru, material baru, energi baru, dan bidang lainnya. .

Di bidang kecerdasan buatan, karena qubit dapat berada dalam banyak keadaan, jaringan saraf kuantum dapat digunakan untuk memproses kumpulan data berskala besar dan model yang kompleks. Hal ini akan membantu meningkatkan kinerja sistem kecerdasan buatan dan mendorong kemajuan teknologi kecerdasan buatan.

Kombinasi komputasi kuantum dan pembelajaran mesin, memanfaatkan kemampuan komputer kuantum untuk memproses data dalam jumlah besar, membantu pembelajaran mesin menerobos hambatan karena terlalu banyak parameter, yang merupakan arah penelitian penting baru-baru ini. IBM telah menambahkan modul pembelajaran mesin ke arsitektur Qiskit, menggabungkan keunggulan komputasi kuantum dan pembelajaran mesin, serta memanfaatkan keunggulan komputer kuantum dalam memproses data besar untuk menetapkan keunggulan model pembelajaran mesin kuantum di masa depan.

4. Komunikasi dan keamanan kuantum

Sebagai cabang penting dari teknologi kuantum, komunikasi kuantum merupakan terobosan besar dalam teknologi transmisi informasi. Ini juga merupakan teknologi kuantum pertama yang memasuki tahap praktis dan paling matang. Komunikasi kuantum membuat komunikasi lebih aman, dan komunikasi kuantum, khususnya komunikasi aman kuantum, pada dasarnya telah diterapkan secara praktis. Berdasarkan teknologi distribusi kunci kuantum, komunikasi aman kuantum memiliki banyak aplikasi teknik di Tiongkok. Industri hilir adalah industri keamanan informasi, yang sudah sangat matang.

Dengan dukungan kebijakan nasional, industri komunikasi kuantum di negara saya telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir dan menjadi pemimpin dunia. Dengan partisipasi berkelanjutan dari banyak perusahaan dan lembaga penelitian ilmiah terkemuka, industri komunikasi kuantum juga telah menjadi fokus pasar primer dan sekunder.

4.1 Perlunya komunikasi kuantum yang aman

Teknologi kuantum dianggap sebagai tonggak sejarah berikutnya dalam teknologi. Komputasi kuantum membawa lompatan dalam kekuatan komputasi, sehingga penanganan masalah kompleks menjadi sangat kekanak-kanakan. Baik itu desain obat, simulasi iklim, atau optimalisasi sistem besar, komputasi kuantum diharapkan menunjukkan bakatnya. Namun pedang bermata dua ini juga menimbulkan ancaman besar - pedang ini dapat menghancurkan sebagian besar teknologi enkripsi saat ini dalam sekejap.

Sistem kriptografi kunci publik tradisional, seperti RSA, ECC (kriptografi kurva elips), dll., mengandalkan kesulitan komputasi dari masalah faktorisasi bilangan bulat dan logaritma diskrit kondisi teknis.

Namun, dengan berkembangnya komputer kuantum, algoritma kuantum seperti algoritma Shor terbukti mampu menyelesaikan masalah ini dengan cepat. Ambil contoh algoritma RSA, algoritma enkripsi yang paling populer dan banyak digunakan saat ini, yang paling umum saat ini adalah enkripsi 2048-bit (semakin panjang kuncinya, semakin lama waktu cracknya), dan algoritma Shor secara teoritis dapat melakukannya. memecahkan enkripsi jangka panjang hanya dalam 8 jam. Enkripsi RSA hingga 2048-bit, sehingga mengancam keamanan sistem kriptografi kunci publik tradisional.

Kekhawatiran mengenai ancaman komputer kuantum terhadap kriptografi tradisional telah ada selama beberapa waktu, namun belum menjadi kenyataan. Kekuatan komputasi komputer kuantum bergantung pada jumlah qubit yang dapat diproses. Komputer kuantum saat ini hanya memiliki ratusan hingga seribu qubit noise, yang digunakan untuk membuat sejumlah kecil qubit yang stabil dan mengoreksi kesalahan. Ancaman terhadap enkripsi tradisional memerlukan ribuan qubit stabil, yang mungkin memerlukan jutaan qubit yang berisik. Oleh karena itu, meskipun kemampuan komputer kuantum berkembang pesat, namun belum mencapai tingkat yang mengancam enkripsi klasik, namun beberapa pakar industri mengatakan bahwa tingkat ini dapat dicapai dalam 5-10 tahun ke depan atau kurang.

Meskipun ancaman komputasi kuantum terhadap kriptografi tradisional masih dalam tahap teoretis, salah satu masalah terbesar saat ini adalah keamanan informasi sensitif ke depan. Meskipun teknologi komputasi kuantum belum mencapai terobosan nyata, banyak informasi sensitif terenkripsi yang beredar online. , yang berarti penjahat sekarang dapat mencuri data terenkripsi dan menyimpannya, lalu mendekripsinya ketika teknologi komputasi kuantum sudah matang.

Untuk mengatasi masalah ini, distribusi kunci kuantum (QKD, Quantum Key Distribution), kriptografi pasca-kuantum (PQC, Kriptografi Pasca-Kuantum), generator bilangan acak kuantum (QRNG, Quantum Random Number Generator), teleportasi kuantum (teknologi keamanan komunikasi kuantum seperti QT (Quantum Teleportation), di antaranya QKD dianggap sebagai satu-satunya metode komunikasi yang aman tanpa syarat secara teori, karena keamanan kunci QKD didasarkan pada hukum fisika kuantum, bukan pada kompleksitas komputasi masalah matematika. konstruksi jaringan komunikasi aman kuantum di negara saya berdasarkan teknologi QKD telah mulai terbentuk, dan aplikasi komersial terus berkembang, sementara algoritma PQC saat ini sedang menjalani demonstrasi standarisasi.

4.2 Teknologi utama untuk komunikasi aman kuantum

Komputasi kuantum adalah "tombak" dan komunikasi aman kuantum adalah "perisai". Sebelum "revolusi teknologi kuantum kedua" resmi tiba, perkembangan teknologi komunikasi aman kuantum memberikan solusi baru untuk keamanan informasi, terutama di bidang dengan persyaratan keamanan tinggi, seperti komunikasi pemerintah, transaksi keuangan, dan keamanan pertahanan nasional. Dengan kematangan teknologi yang berkelanjutan dan kemajuan aplikasi, komunikasi aman kuantum diharapkan dapat membangun jaringan komunikasi yang lebih aman dan andal di masa depan.

(1) Penghasil Bilangan Acak Kuantum (QRNG)

Generator angka acak adalah perangkat atau algoritma yang dapat menghasilkan urutan angka acak. Generator angka acak sangat penting dalam kriptografi dan digunakan untuk menghasilkan kunci enkripsi, vektor inisialisasi (IV), dan parameter lain yang perlu dirahasiakan. Mereka memastikan keamanan dan ketidakpastian proses enkripsi.

Generator bilangan acak dibagi menjadi generator bilangan acak sejati (TRNG, True Random Number Generator) dan generator bilangan acak semu (PRNG, Pseudo-Random Number Generator). TRNG umumnya mengacu pada pembangkitan keacakan berdasarkan proses fisik atau fenomena alam, seperti elektron. Kebisingan termal peralatan, peluruhan radioaktif, waktu kedatangan foton, dll. Karena bergantung pada proses fisik yang tidak dapat diprediksi, maka dianggap "benar-benar" acak. PRNG menggunakan algoritma deterministik, dimulai dari keadaan awal (seed) dan menghasilkan urutan angka acak sesuai aturan algoritma.

Karena TRNG dapat menghasilkan angka acak dalam jumlah terbatas per detik, TRNG biasanya digunakan sebagai "benih" PRNG untuk menghasilkan rangkaian angka acak yang nyata dan tidak dapat diulang. Meskipun PRNG juga disebut sebagai penghasil angka acak, sebenarnya TRNG sangat dapat diprediksi. , selama algoritme dan status awal diketahui, menemukan TRNG yang sempurna selalu menjadi arah penelitian yang penting.

Generator bilangan acak kuantum (QRNG) adalah TRNG sempurna. QRNG meminjam superposisi acak kuantum dari mekanika kuantum dan menggunakan karakteristik probabilistik dunia kuantum untuk menciptakan kunci yang benar-benar acak. Karena mekanisme kuantum QRNG telah dikuasai dan dipahami sepenuhnya, komponen kuantum yang menghasilkan angka acak telah digunakan dalam enkripsi informasi. Arah utama penelitian dan pengembangan QRNG saat ini adalah memproduksi chip acak kuantum yang lebih ekonomis, lebih cepat, dan lebih kecil.

(2) Distribusi Kunci Kuantum (QKD)

Distribusi Kunci Kuantum (QKD) menggunakan keadaan kuantum untuk membawa informasi dan berbagi kunci antara pihak-pihak yang berkomunikasi melalui protokol tertentu melalui protokol tertentu yang menerapkan karakteristik dasar mekanika kuantum untuk memastikan bahwa setiap upaya untuk mencuri kunci yang dikirimkan akan ditemukan oleh pengguna yang sah untuk mencapai satu-satunya metode komunikasi yang secara teoritis aman tanpa syarat sejauh ini.

Kunci distribusi kunci kuantum (QKD) adalah menggunakan materi dengan status kuantum sebagai kata sandi, dan status kuantum memiliki dua properti utama berikut, sehingga memastikan transmisi informasi yang aman:

Pertama, pengukuran keadaan kuantum akan mengubah keadaannya: Menurut prinsip ketidakpastian mekanika kuantum, mengukur keadaan kuantum akan menyebabkan keadaannya berubah. Jika seseorang mencoba mencuri informasi dalam transmisi, keadaan kuantum harus diukur, yang akan berdampak pada sistem kuantum dan diperhatikan oleh pengguna yang sah.

Kedua, keadaan kuantum yang tidak dapat dikloning: Menurut prinsip mekanika kuantum, mustahil untuk secara sempurna meniru keadaan kuantum yang tidak diketahui. Ini berarti bahwa informasi lengkap dari keadaan kuantum tidak dapat dicuri selama proses transmisi, sehingga menjamin keamanan informasi.

Pada tahap ini, teknologi komunikasi aman kuantum terutama menggunakan jaringan QKD untuk mencapai distribusi kunci yang aman, dan kemudian menggabungkannya dengan teknologi kriptografi simetris untuk memastikan transmisi informasi yang aman. Sederhananya, peralatan pengirim dan penerima keadaan kuantum optik yang dapat menggantikan fungsi modul optik yang umum digunakan ditambahkan ke kedua ujung serat optik mode tunggal untuk mencapai komunikasi aman berdasarkan enkripsi fisik.

Teknologi QKD adalah teknologi kunci untuk mewujudkan komunikasi kuantum, namun dengan berbagai protokol QKD yang aman, jaringan kuantum dengan kecepatan tinggi dan jarak transmisi yang jauh juga merupakan bagian tak terpisahkan dalam mewujudkan komunikasi kuantum. Meskipun teknologi komunikasi kuantum pada awalnya menjadi praktis karena didorong oleh QKD dan solusi lainnya, jarak transmisi dan biaya masih menjadi faktor yang membatasi penerapan dan pengembangan industri di seluruh industri. QKD point-to-point komersial berbasis serat memiliki jarak transmisi yang terbatas, sedangkan transmisi jarak jauh QKD satelit-ke-darat memerlukan komponen yang mahal seperti satelit. Tujuan pengembangan komunikasi kuantum di masa depan adalah untuk membangun sistem jaringan komunikasi kuantum dengan cakupan luas yang mencakup dunia, dan teknologi terkait masih memerlukan terobosan lebih lanjut.

(3) Teleportasi kuantum (QT)

Teleportasi kuantum (QT) adalah metode transmisi informasi berdasarkan prinsip mekanika kuantum. Hal ini memungkinkan keadaan sistem kuantum (seperti qubit) ditransmisikan secara akurat dari satu lokasi (sering disebut "ujung pengirim") ke tempat lain (sering disebut "ujung penerima") tanpa media transmisi fisik). Teleportasi kuantum tidak melibatkan pergerakan materi itu sendiri secara instan, tetapi transfer informasi kuantum secara instan.

Realisasi teleportasi kuantum didasarkan pada prinsip mekanika kuantum berikut:

Keterikatan Kuantum: Ada hubungan khusus antara dua atau lebih partikel kuantum. Meskipun jaraknya berjauhan, perubahan keadaan satu partikel akan segera mempengaruhi keadaan partikel lain yang terjerat dengannya.

Teorema Keadaan Kuantum Tanpa Kloning: Tidak mungkin membuat salinan sempurna dari keadaan kuantum yang tidak diketahui.

Pengukuran Kuantum: Pengukuran sistem kuantum menyebabkan keruntuhan keadaan, dan hasil pengukuran biasanya acak.

Langkah-langkah dasar teleportasi kuantum meliputi:

a. Siapkan sepasang partikel terjerat dan kirimkan satu ke pihak penerima dan yang lainnya ke pihak pengirim.

b.Di ujung pengirim, lakukan pengukuran gabungan tertentu antara qubit yang akan ditransmisikan dan partikel yang terjerat di ujung pengirim. Pengukuran ini menyebabkan informasi qubit ditransfer ke partikel terjerat di sisi penerima, namun prosesnya acak dan menghancurkan keadaan qubit asli.

c. Mengirimkan hasil pengukuran gabungan (informasi klasik) ke pihak penerima melalui saluran komunikasi biasa (seperti telepon atau Internet).

d.Berdasarkan informasi klasik yang diterima, pihak penerima melakukan serangkaian operasi kuantum pada partikel terjerat yang dimilikinya untuk merekonstruksi keadaan qubit asli.

Melalui proses ini, informasi kuantum dari pengirim "ditransmisikan secara tidak terlihat" ke penerima. Penting untuk dicatat bahwa teleportasi kuantum tidak memungkinkan komunikasi yang lebih cepat dari cahaya, karena rekonstruksi keadaan semula bergantung pada informasi yang dikirimkan melalui saluran komunikasi klasik, dan kecepatan transmisi ini dibatasi oleh kecepatan cahaya.

Teleportasi kuantum saat ini terutama dipelajari di lingkungan laboratorium. Teleportasi kuantum adalah teknologi kunci untuk mewujudkan komunikasi kuantum jarak jauh dan jaringan kuantum, dan diharapkan memainkan peran penting dalam Internet kuantum di masa depan.

(4) Kriptografi pasca-kuantum (PQC)

Teknologi PQC mengacu pada pengembangan dan desain algoritma enkripsi yang dapat menahan serangan komputer kuantum. Saat ini, PQC dan bidang kriptografi kuantum telah mengembangkan berbagai teknik dan algoritma kriptografi untuk memerangi ancaman komputasi kuantum. Fokusnya adalah menghindari penggunaan faktorisasi bilangan bulat dan masalah logaritma diskrit untuk mengenkripsi data. Metode khusus mencakup kriptografi berbasis kisi, kriptografi berbasis hash, kriptografi berbasis kode, dan kriptografi berbasis multi-variabel.

Diantaranya, teknologi enkripsi berbasis kisi dianggap yang paling menonjol dan dapat diandalkan saat ini. Dalam pekerjaan standardisasi PQC paling berpengaruh di dunia yang dipimpin oleh Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST), tiga dari empat algoritme standar yang dipilih pada tahun 2023 adalah teknologi enkripsi berbasis kisi.

Meskipun kriptografi pasca-kuantum baru tahan terhadap algoritma kuantum Shor, hal ini tidak mudah dilakukan. Di satu sisi, meskipun masalah kriptografi pasca-kuantum saat ini tampaknya sulit untuk dipecahkan, metode baru untuk memecahkan masalah ini mungkin ditemukan di masa depan, di sisi lain, implementasi sebenarnya dari algoritma kriptografi pasca-kuantum mungkin juga memiliki kekurangan atau kekurangan; masalah dalam pemilihan parameter dapat menjadi potensi kerentanan keamanan.

Dilaporkan bahwa keamanan algoritme PQC saat ini telah berkembang dari kerentanan matematis teoretis ke tingkat aplikasi praktis. Mekanisme Enkapsulasi Kunci Kyber (KEM), salah satu algoritme standar yang dinominasikan oleh NIST, telah terungkap sebagai respons terhadap saluran samping pada tahun 2023. Kerentanan keamanan dalam serangan.

Munculnya serangan aktual menekankan pentingnya segera memeriksa dan memperbaiki potensi kerentanan ketika menerapkan algoritma PQC, mendorong perbaikan berkelanjutan dan evolusi algoritma PQC untuk meningkatkan keamanan dalam skenario aplikasi nyata.

Teknologi kriptografi mempunyai posisi yang sangat penting bagi keamanan nasional. Untuk menjaga keamanan dunia digital, teknologi PQC perlu terus berkembang dan diperbarui untuk beradaptasi dengan ancaman baru setiap saat.

4.3 Jaringan komunikasi kuantum dan Internet kuantum

(1) Status pembangunan jaringan keamanan komunikasi kuantum di negara saya

Peralatan inti jaringan komunikasi aman kuantum mencakup produk QKD, saluran dan produk pertukaran jaringan utama, dll. Jaringan komunikasi aman kuantum yang saat ini dapat dicapai mencakup jaringan area lokal, jaringan area metropolitan, dan jaringan tulang punggung.

Jaringan area lokal menyadari akses beberapa terminal dalam satu unit atau lokasi, dan tidak memiliki persyaratan jarak yang tinggi; jaringan area metropolitan bertanggung jawab untuk menghubungkan berbagai area di dalam kota, menghubungkan jaringan tulang punggung uplink dan downlink lokal jaringan area; dan jaringan tulang punggung mewujudkan komunikasi lintas provinsi dan lintas batas. Koneksi perkotaan (termasuk metode penerapan serat optik terestrial dan stasiun bumi satelit) saat ini didominasi oleh serat optik terestrial, yang memiliki kebutuhan jarak jauh.

Pada bulan Agustus 2016, negara saya berhasil meluncurkan satelit eksperimental sains kuantum pertama di dunia, Mozi, menjadi negara pertama di dunia yang mencapai komunikasi kuantum antara satelit dan bumi, dan sepenuhnya memverifikasi penggunaan platform satelit untuk mencapai komunikasi kuantum global. kelayakan.

Pada tahun 2018, dengan persetujuan Komisi Pembangunan dan Reformasi Nasional, Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., anak perusahaan dari Chinese Academy of Sciences, mengemban tugas membangun fase pertama komunikasi aman kuantum area luas nasional jaringan backbone. Pada tahun 2022, seluruh jalur akan selesai dan diterima. Jaringan tulang punggung kuantum nasional mencakup kawasan strategis nasional yang penting seperti Beijing-Tianjin-Hebei, Delta Sungai Yangtze, Wilayah Teluk Besar Guangdong-Hong Kong-Macao, dan Lingkaran Ekonomi Chengdu-Chongqing 10.000 kilometer. Ini adalah jaringan tulang punggung kuantum berskala besar pertama dan satu-satunya di dunia.

Pada bulan Juni 2023, di Forum Tingkat Tinggi Pembangunan Terpadu Delta Sungai Yangtze ke-5, hasil konstruksi jaringan tulang punggung komunikasi aman kuantum regional Delta Sungai Yangtze yang dibangun dan dioperasikan oleh Guoke Quantum dirilis. Total jarak tempuh jaringan tulang punggung komunikasi aman kuantum di wilayah Delta Sungai Yangtze adalah sekitar 2.860 kilometer, membentuk jaringan cincin dengan Hefei dan Shanghai sebagai simpul inti, menghubungkan Nanjing, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu, dan kota-kota lainnya.

Dalam hal jaringan wilayah metropolitan, pada bulan Agustus 2022, Hefei, Provinsi Anhui membuka Jaringan Area Metropolitan Kuantum Hefei, yang merupakan jaringan wilayah metropolitan kuantum terbesar, tercakup secara luas, dan paling banyak digunakan di negara tersebut pada saat itu, termasuk 8 inti situs jaringan dan 159 situs jaringan akses. , total panjang serat optik adalah 1147 kilometer.

Saat ini, dua puluh atau tiga puluh kota memiliki jaringan wilayah metropolitan kuantumnya sendiri, dan pembangunan jalur utama jaringan tulang punggung kuantum juga diharapkan dapat mempercepat pembangunan jaringan wilayah metropolitan di kota-kota pendukung terkait. Mengambil contoh Shanghai, pada Konferensi Inovasi Teknologi Industri Shanghai yang diadakan pada 22 Maret 2024, Shanghai Telecom menyatakan rencananya untuk membangun jaringan area metropolitan komunikasi aman kuantum di wilayah Shanghai pada tahun 2024, sehingga menjadi contoh benchmark pertama jaringan komunikasi kuantum praktis secara nasional.

Investasi dalam pembangunan jaringan tulang punggung kuantum dan ukuran keseluruhan proyek cukup besar, tetapi saat ini jumlah aplikasi jaringan kuantum dan kelompok pelanggan lebih sedikit dibandingkan proyek tradisional. Oleh karena itu, penerapan kuantum selanjutnya masih perlu dipromosikan bersama oleh berbagai industri untuk mempercepat pembangunan seluruh jaringan kuantum.

Sesuai dengan standar "empat baru" (jalur baru, teknologi baru, platform baru, dan mekanisme baru), Komisi Pengawasan dan Administrasi Aset Milik Negara dari Dewan Negara baru-baru ini memilih dan menentukan gelombang pertama perusahaan rintisan. untuk mempercepat tata letak ladang baru dan jalur baru, menumbuhkan dan mengembangkan kekuatan produktif baru, dan fokus pada tata letak bidang-bidang yang sedang berkembang seperti kecerdasan buatan, informasi kuantum, dan biomedis.

Sebelumnya, pada Januari 2024, tujuh departemen termasuk Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi, Kementerian Sains dan Teknologi, dan Komisi Pengawasan dan Administrasi Aset Milik Negara Dewan Negara bersama-sama mengeluarkan "Pendapat Implementasi untuk Mempromosikan Inovasi Industri Masa Depan dan Pengembangan" dan mengusulkan untuk secara proaktif menyebarkan jalur baru untuk mempromosikan komunikasi seluler generasi berikutnya, aplikasi industri Internet satelit, informasi kuantum, dan teknologi lainnya.

Penerbitan kebijakan relevan yang intensif mencerminkan pemahaman negara saya tentang pentingnya teknologi komunikasi kuantum, memberikan dukungan kebijakan yang kuat untuk pengembangan industri, dan diharapkan dapat mendorong industri komunikasi kuantum Tiongkok mencapai tingkatan baru di masa depan.

(2) Internet Kuantum

Quantum Internet adalah konsep jaringan komunikasi baru yang didasarkan pada teknologi informasi kuantum. Ia menggunakan prinsip mekanika kuantum untuk mewujudkan pembangkitan, penyimpanan, transmisi, dan pemrosesan data. Berbeda dari Internet tradisional berdasarkan prinsip fisika klasik, inti dari Internet kuantum adalah menggunakan karakteristik qubit dan keterikatan kuantum untuk menyediakan kemampuan komunikasi yang lebih aman dan efisien.

Selain mengirimkan informasi kuantum dengan benar-benar aman, Internet kuantum juga dapat menggunakan sensor kuantum dan komputer kuantum untuk melakukan pengukuran presisi kuantum, visa digital kuantum, komputasi kuantum terdistribusi, dll.

Internet kuantum memiliki tiga poin utama: pertama, perangkat yang terhubung ke jaringan adalah perangkat kuantum; kedua, jaringan mentransmisikan informasi kuantum; ketiga, metode transmisi jaringan didasarkan pada mekanika kuantum;

Meskipun beberapa satelit komunikasi kuantum dan stasiun pangkalan bumi telah dibangun dan distribusi kunci kuantum lintas wilayah telah berhasil dicapai, pembangunan Internet kuantum global masih menghadapi tantangan teknis dan teknis yang besar, yang memerlukan penyelesaian masalah keamanan dalam kondisi dunia nyata dan masalah transmisi jarak jauh.

Saat ini, jarak aman QKD point-to-point menggunakan serat optik mencapai sekitar 100 kilometer. Dengan teknologi yang ada, jarak komunikasi kuantum dapat diperpanjang secara efektif melalui repeater tepercaya.

Pada tahun 2017, jalur utama komunikasi aman kuantum negara saya "Beijing-Shanghai Trunk Line", melalui 32 node relai, menghubungkan seluruh jaringan kuantum serat optik antarkota sepanjang sekitar 2.000 kilometer dan berhasil merapat dengan satelit kuantum "Mozi", membangun sebuah dunia. internet kuantum bintang-ke-bumi pertama.

Pada bulan Januari 2018, Tiongkok dan Austria mencapai distribusi kunci kuantum antarbenua pada jarak 7.600 kilometer untuk pertama kalinya, dan menggunakan kunci bersama untuk mencapai transmisi data terenkripsi dan komunikasi video, menandai bahwa "Mozi" memiliki kemampuan untuk mencapai kuantum antarbenua distribusi kunci. Kemampuan untuk berkomunikasi secara rahasia.

Penemuan Internet telah membawa umat manusia ke era informasi, dan Internet kuantum akan memberikan peluang untuk mengubah dunia. Negara-negara besar di seluruh dunia secara aktif membuat rencana. Pada bulan Agustus 2020, Departemen Energi A.S. merilis laporan "Membangun Jaringan Kuantum Nasional untuk Memimpin Era Baru Komunikasi", yang mengusulkan cetak biru strategis untuk membangun Internet kuantum nasional dalam waktu 10 tahun.

Secara umum, komputer kuantum komersial belum diterapkan dalam skala besar, dan Internet kuantum yang menghubungkan komputer kuantum masih merupakan konsep masa depan. Jaringan komunikasi aman kuantum QKD yang saat ini dipromosikan oleh berbagai negara adalah prototipe Internet kuantum tujuan Internet kuantum adalah untuk menggabungkan komputasi kuantum, pengukuran kuantum, dan integrasi fungsional lainnya.

4.4 Penerapan Komunikasi Kuantum

Menurut perkiraan ICV, pasar komunikasi kuantum global akan berjumlah sekitar US$2,3 miliar pada tahun 2021, dan diperkirakan akan tumbuh menjadi US$15,3 miliar pada tahun 2025, dan menjadi US$42,1 miliar pada tahun 2030, dengan CAGR sekitar 34% dari tahun 2021 hingga 2030 .

Rantai industri komunikasi kuantum terutama dibagi menjadi komponen hulu dan peralatan inti, jalur transmisi jaringan tengah dan platform sistem, serta pasar aplikasi keamanan hilir. Saat ini, pasar komunikasi kuantum masih dalam tahap pembangunan infrastruktur jaringan komunikasi, dan peralatan serta solusi inti masih menjadi kunci rantai industri. Menurut data ICV, ukuran pasar peralatan dan solusi inti hulu dan tengah diperkirakan mencapai 80% pada tahun 2025, atau sekitar US$12,24 miliar.

Dilihat dari pembangunan infrastruktur komunikasi kuantum saat ini di negara saya, pembangunan lebih dari 12,000 kilometer jaringan tulang punggung kuantum telah selesai. Menurut rencana keseluruhan, mungkin ada hampir 20.000 kilometer pembangunan jaringan tulang punggung di masa depan, yang melibatkan Beijing hingga Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an, dan tempat lainnya.

Seiring dengan semakin ditingkatkannya infrastruktur jaringan komunikasi kuantum di negara saya, aplikasi komersial hilir juga layak untuk dinantikan. Data konsultasi ICV menunjukkan bahwa ukuran pasar aplikasi hilir komunikasi kuantum pada tahun 2021 adalah sekitar US$230 juta. Ukuran pasar aplikasi hilir komunikasi kuantum diperkirakan mencapai US$3,06 miliar pada tahun 2025, dan akan mencapai US$11,788 miliar pada tahun 2030. CAGR mulai tahun 2021 hingga tahun 2030 adalah sekitar 54,87%.

Saat ini, komunikasi aman kuantum masih terbatas pada bidang-bidang seperti pertahanan nasional, keuangan, dan urusan pemerintahan. Di masa depan, industri komunikasi kuantum akan memberdayakan lebih banyak skenario hilir, dan perusahaan terkait secara aktif menjajaki lebih banyak bidang aplikasi komersial.

Diantaranya, Guodun Quantum adalah mitra bersama untuk mengintegrasikan teknologi keamanan kuantum dengan data besar, komputasi awan, Internet of Things, kecerdasan buatan, dll. untuk bersama-sama mempromosikan ekologi industri "Quantum+". Guodun Quantum dan China Telecom bersama-sama meluncurkan produk dan layanan seperti "Quantum Security OTN Private Line" dan "Quantum Encrypted Intercom". Jumlah pengguna bisnis suara terenkripsi kuantum kini telah mencapai lebih dari satu juta; -perusahaan saham Zhejiang Guodun Electricity telah melakukan demonstrasi penerapan "kuantum + 5G" di bidang tenaga listrik. "Stasiun kuantum +" pertama di Provinsi Zhejiang telah dioperasikan di Shaoxing; bersama-sama mengembangkan serangkaian produk perkantoran yang aman seperti "Portal Aplikasi Keamanan Quantum".

Seiring dengan semakin matangnya teknologi jaringan distribusi kunci kuantum (QKD) dan peralatan terminal menjadi mobile dan mini, aplikasi komunikasi aman kuantum akan meluas ke jaringan telekomunikasi, jaringan perusahaan, jaringan rumah pribadi, dan bidang lainnya.

5. Pengukuran presisi kuantum

Teknologi pengukuran presisi kuantum didasarkan pada mekanika kuantum sebagai teori dasar. Teknologi ini menggunakan prinsip-prinsip teknis seperti transisi tingkat energi partikel, keterikatan kuantum, dan koherensi kuantum untuk mempersiapkan, mengukur, dan membaca keadaan kuantum partikel mikroskopis seperti atom dan foton, dan mewujudkan parameter fisik seperti pengukuran presisi akurasi tinggi dari parameter fisik seperti medan magnet, frekuensi, medan listrik, waktu, panjang, dll.

5.1 Pengertian Pengukuran Presisi Kuantum

Sarana teknis penting untuk pengukuran presisi kuantum meliputi: pengukuran tingkat energi partikel mikroskopis, pengukuran superposisi koheren kuantum, dan pengukuran belitan kuantum, yang juga merupakan atribut dasar mekanika kuantum.

(1) Berdasarkan pengukuran tingkat energi partikel secara mikroskopis

Menurut teori atom Bohr, atom melepaskan gelombang elektromagnetik ketika mereka bertransisi dari “keadaan energi” tinggi ke “keadaan energi” rendah. Frekuensi karakteristik gelombang elektromagnetik ini terputus-putus. Ketika besaran fisis yang akan diukur berinteraksi dengan sistem kuantum, sistem kuantum mengalami perubahan seperti transisi tingkat energi, pemisahan atau degenerasi tingkat energi. Pada saat ini, sistem kuantum akan memancarkan atau menyerap spektrum, dan energi radiasi atau spektrum serapan berkaitan dengan jumlah energi yang diukur terkait dengan besaran fisis. Teknologi berdasarkan pengukuran tingkat energi partikel mikroskopis memiliki persyaratan yang tinggi terhadap lingkungan eksternal (seperti suhu, medan magnet, dll.) dan mengandalkan teknologi manipulasi keadaan kuantum. Misalnya, pada tahun 1967, 9192631770 kali periode transisi tingkat energi elektron dalam atom cesium didefinisikan sebagai 1 s, yang menerapkan prinsip teknis tingkat energi partikel mikroskopis.

(2) Pengukuran berdasarkan koherensi kuantum

Teknologi pengukuran berdasarkan koherensi kuantum terutama memanfaatkan karakteristik fluktuasi sistem kuantum. Besaran fisis yang akan diukur mempunyai pengaruh yang berbeda pada dua berkas atom. Ketika dua berkas atom berinterferensi, besaran fisis yang akan diukur tercermin dalam perbedaan fasa dari berkas atom. Giroskop atom, gradiometer gravitasi, dll. menggunakan prinsip teknis berdasarkan koherensi kuantum. Sarana teknis berdasarkan koherensi kuantum telah diterapkan di berbagai bidang seperti deteksi gravitasi dan navigasi inersia. Tren perkembangan berikutnya adalah miniaturisasi dan pengembangan chip untuk meningkatkan kepraktisan sistem.

(3) Pengukuran berdasarkan keterikatan kuantum

Teknologi pengukuran berdasarkan keterjeratan kuantum menempatkan n kuanta dalam keadaan terjerat. Efek lingkungan eksternal pada n kuanta akan ditumpangkan secara koheren, sehingga akurasi pengukuran akhir mencapai 1/n kuantum tunggal. Akurasi ini menembus batas kebisingan tembakan mekanika klasik dan merupakan akurasi tertinggi yang dapat dicapai dalam lingkup teori mekanika kuantum – batas Heisenberg. Saat ini, bidang penerapan teknologi pengukuran berdasarkan keterikatan kuantum meliputi komunikasi kuantum, navigasi satelit kuantum, radar kuantum, dll.

Sederhananya, pengukuran presisi kuantum menggunakan sifat superposisi kuantum dan keterikatan kuantum untuk menerobos batasan klasik teknologi pengukuran tradisional dari prinsip dasar dan menggabungkan berbagai perubahan lingkungan, seperti suhu, medan magnet, tekanan, waktu, panjang, berat, dll. Berbagai besaran fisika dasar dan besaran turunan telah dinaikkan ke batas kuantum.

5.2 Status perkembangan dan kesulitan teknologi pengukuran presisi kuantum

Di antara tiga bidang utama informasi kuantum, pengukuran kuantum memiliki karakteristik arah teknis yang beragam, skenario aplikasi yang kaya, dan prospek industrialisasi yang jelas. Kematangan pengembangan setiap arah teknis pengukuran kuantum sangat berbeda. Ada produk komersial yang matang seperti jam atom dan gravimeter atom, serta produk prototipe seperti magnetometer kuantum, radar kuantum optik, dan giroskop kuantum yang sedang dalam penelitian teknik dan. tahap pengembangan dan eksplorasi aplikasi, serta prototipe seperti pencitraan korelasi kuantum dan antena atom Rydberg yang masih dalam proses penyelesaian permasalahan teknologi sistem.

Kemajuan teknologi pengukuran presisi kuantum memerlukan fusi silang dan inovasi dalam fisika kuantum, ilmu material, optik, elektronik, dan bidang lainnya. Hal ini menghadapi banyak kesulitan teknis, termasuk:

(1) Pembuatan dan pemeliharaan keterjeratan kuantum: Keterjeratan kuantum adalah sumber daya utama dalam pengukuran presisi kuantum, tetapi tidak mudah untuk menghasilkan keadaan terjerat berkualitas tinggi dalam eksperimen, dan keadaan terjerat mudah diurai karena gangguan dari lingkungan eksternal ( yaitu dekoherensi).

(2) Dekoherensi dan pengendalian kebisingan: Sistem kuantum sangat rapuh dan mudah terpengaruh oleh lingkungan eksternal, sehingga menyebabkan dekoherensi keadaan kuantum. Pada saat yang sama, berbagai sumber kebisingan, seperti kebisingan termal, kebisingan elektromagnetik, dll., juga akan mengganggu hasil pengukuran. Oleh karena itu, mencapai pengukuran presisi tinggi memerlukan kontrol kebisingan dan dekoherensi yang sangat baik.

(3) Efisiensi dan resolusi detektor: Pengukuran presisi kuantum seringkali memerlukan detektor dengan efisiensi tinggi dan resolusi tinggi untuk mendeteksi keadaan kuantum. Detektor yang ada saat ini masih memiliki ruang untuk perbaikan, terutama dalam hal efisiensi deteksi dan resolusi temporal.

(4) Kalibrasi sistem dan analisis kesalahan: Untuk memastikan keakuratan pengukuran, sistem pengukuran kuantum perlu dikalibrasi secara akurat. Selain itu, analisis kesalahan hasil pengukuran juga sangat kompleks, dan banyak faktor seperti kesalahan sistematis dan kesalahan statistik yang perlu diperhatikan.

(5) Pengendalian keadaan kuantum: Pengukuran presisi kuantum sering kali memerlukan kontrol keadaan kuantum yang tepat, termasuk mempersiapkan keadaan kuantum tertentu dan mencapai konversi keadaan kuantum yang tepat. Operasi ini memerlukan keterampilan eksperimental yang sangat tinggi.

(6) Pengembangan bahan dan perangkat: Pembuatan bahan dan perangkat untuk pengukuran presisi kuantum, seperti titik kuantum, interferometer kuantum superkonduktor, dll., tidak hanya harus memenuhi kebutuhan pengukuran kuantum, tetapi juga memiliki stabilitas dan pengulangan tantangan dalam ilmu material dan rekayasa perangkat.

(7) Skalabilitas sistem kuantum skala besar: Meskipun kita telah mampu mencapai kendali yang relatif tepat terhadap sistem kuantum skala kecil, bagaimana memperluas teknologi ini ke sistem skala besar untuk mendapatkan hasil pengukuran dengan presisi lebih tinggi masih merupakan sebuah tantangan. sebuah tantangan besar.

Dengan terus berkembangnya teknologi kuantum, kesulitan-kesulitan ini akan diatasi secara bertahap, sehingga mendorong perluasan pengukuran presisi kuantum ke dalam bidang aplikasi praktis. Sistem metrologi internasional sedang dalam masa perkembangan dan transformasi dari standar fisik berdasarkan fisika klasik ke “standar kuantum”.

“Rencana Pengembangan Pengukuran (2021-2035)” yang dikeluarkan oleh Dewan Negara pada tahun 2021 dan “Rencana Lima Tahun Modernisasi Pengawasan Pasar ke-14” yang dikeluarkan oleh Dewan Negara pada tahun 2022 dengan jelas menyebutkan perlunya membangun sistem pengukuran nasional yang modern dan maju. dengan metrologi kuantum sebagai sistem intinya, perlu untuk mengembangkan dan menetapkan standar pengukuran kuantum, mempelajari teknologi pengukuran kuantum berdasarkan efek kuantum dan konstanta fisik, dan mendorong peningkatan standar pengukuran.

5.3 Penerapan pengukuran presisi kuantum

Menurut data ICV, pasar kepadatan presisi kuantum global diperkirakan akan tumbuh dari US$1,47 miliar pada tahun 2023 menjadi US$3,90 miliar pada tahun 2035, menunjukkan tren peningkatan yang berkelanjutan, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 7,79%. Diantaranya, tiga segmen pasar utama jam kuantum, gravimeter & gradiometer kuantum, dan magnetometer kuantum memiliki ukuran pasar yang besar, dan bersama-sama menguasai sekitar 85% pasar pengukuran presisi kuantum.

(1) Jam kuantum

Sebagai produk pengukuran presisi kuantum yang relatif matang, jam atom memiliki kemampuan pengukuran waktu yang sangat akurat dan stabil. Saat ini, teknologi jam atom optik dengan cepat memperluas bidang penerapannya, mencakup berbagai industri seperti komunikasi bergerak kereta api, pusat data, pertahanan nasional, dan pengukuran ilmiah. Tren ini menunjukkan bahwa jam atom optik tidak hanya berkinerja baik di laboratorium ilmiah, tetapi juga secara bertahap beralih ke aplikasi praktis, menyediakan layanan pengukuran dan sinkronisasi waktu yang tepat untuk berbagai industri.

Jam kuantum dapat memainkan peran penting dalam banyak bidang karena stabilitas dan akurasinya yang sangat tinggi. Berikut ini adalah beberapa skenario aplikasi utama:

Global Positioning System (GPS) dan navigasi satelit: Jam kuantum dapat digunakan untuk meningkatkan akurasi GPS dan sistem navigasi satelit lainnya. Karena sistem ini mengandalkan pengukuran waktu yang tepat untuk menghitung informasi posisi, jam kuantum dapat meningkatkan kinerja dan keandalannya secara signifikan.

Penelitian ilmiah: Eksperimen fisika, terutama yang melibatkan pengukuran perbedaan waktu yang sangat kecil, dapat memanfaatkan presisi dan stabilitas jam kuantum yang tinggi. Hal ini mencakup pengukuran konstanta fisika dasar, eksperimen kuantum presisi, pengamatan astrofisika, dan eksplorasi hukum dasar alam semesta.

Jaringan komunikasi: Jam kuantum dapat meningkatkan keakuratan sinkronisasi jaringan, yang sangat penting untuk menjaga keandalan transmisi data dan sistem komunikasi berkecepatan tinggi. Seiring dengan berkembangnya pusat data dan infrastruktur jaringan, kebutuhan akan sinkronisasi waktu terus meningkat.

Transaksi Keuangan: Dalam industri keuangan, transaksi memerlukan stempel waktu yang tepat. Ketepatan jam kuantum dapat digunakan untuk meningkatkan transparansi dan keadilan sistem perdagangan, terutama dalam perdagangan frekuensi tinggi.

Militer dan Pertahanan: Pengukuran waktu yang tepat sangat penting untuk komunikasi militer modern, navigasi, pengumpulan intelijen, dan sistem persenjataan. Jam kuantum dapat meningkatkan kinerja dan akurasi sistem ini.

Komputasi kuantum dan informasi kuantum: Jam kuantum juga dapat memainkan peran penting dalam bidang komputer kuantum dan komunikasi kuantum, yang mengandalkan kontrol dan pengukuran yang tepat terhadap keadaan bit kuantum (qubit).

Geofisika dan pemantauan iklim: Jam kuantum diharapkan dapat digunakan untuk memantau rotasi bumi, pergerakan kerak bumi, dan perubahan permukaan laut dengan lebih akurat, data yang sangat penting untuk memahami dan memprediksi perubahan iklim dan bencana alam.

Eksplorasi luar angkasa: Dalam misi luar angkasa, jam kuantum dapat memberikan navigasi dan kontrol yang lebih tepat, membantu pesawat ruang angkasa melakukan perjalanan jarak jauh di alam semesta.

Menurut data ICV, pasar jam kuantum akan menunjukkan tren pertumbuhan yang stabil dari tahun 2023 hingga 2035, dengan ukuran pasar meningkat dari US$580 juta pada tahun 2023 menjadi US$1,21 miliar, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 5,77%.

(2) Gravimeter kuantum

Gravimeter kuantum adalah instrumen presisi tinggi yang menggunakan prinsip mekanika kuantum untuk mengukur medan gravitasi bumi. Perangkat ini biasanya menggunakan awan atom ultradingin untuk mendeteksi perubahan kecil dalam medan gravitasi dengan melakukan pengukuran tepat terhadap gerakan jatuh bebas atom. Gravimeter kuantum bekerja berdasarkan interferensi kuantum, sebuah fenomena fisika kuantum di mana fungsi gelombang (atau keadaan) atom dipecah, ditransfer, dan digabungkan kembali untuk menghasilkan pola interferensi yang dapat diukur.

Karena permintaan akan pengukuran medan gravitasi dan gradien gravitasi yang akurat dalam penelitian ilmiah dan aplikasi teknik terus meningkat, gravimeter kuantum dan gradiometer gravitasi kuantum telah banyak digunakan di lapangan karena keunggulannya dalam keandalan pemandangan dinamis yang tinggi dan tidak adanya penyimpangan:

Penelitian geofisika: mendeteksi pergerakan kerak bumi, pemantauan gempa bumi, penelitian aktivitas gunung berapi, pengukuran ketinggian air tanah, dll.

Eksplorasi mineral dan minyak: Menentukan distribusi kepadatan batuan bawah tanah untuk membantu menemukan sumber daya mineral dan ladang minyak.

Rekayasa dan Konstruksi: Dalam proyek konstruksi, perubahan gravitasi dipantau untuk menilai stabilitas pondasi.

Pertahanan dan keamanan nasional: Kemampuan pengukuran gravimeter kuantum dengan presisi tinggi memiliki aplikasi potensial di sektor pertahanan, seperti untuk navigasi bawah air dan deteksi struktur bawah tanah.

Sistem navigasi: Memberikan informasi navigasi inersia yang tepat untuk kapal selam atau kendaraan lain yang memerlukan data referensi darat yang tepat.

Saat ini, gravimeter kuantum dan gradiometer terutama digunakan di bidang militer. Berdasarkan data ICV, sektor militer dan pertahanan menyumbang 44% pangsa pasar pada tahun 2023, disusul bidang penelitian dengan pangsa 33%, sedangkan pasar sipil terkait eksplorasi migas menyumbang 23%.

Seiring dengan semakin matangnya teknologi dan pasar aplikasi hilir yang terus berkembang, harga dan kinerja produk akan memainkan peran penting. Pasar sipil akan menghasilkan pertumbuhan yang kuat di pasar gravimeter kuantum dan gravimeter gravitasi kuantum. Ukuran pasarnya akan tumbuh pesat dari US$170 juta pada tahun 2023 menjadi US$1,07 miliar pada tahun 2035, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 15,21%, yang menunjukkan potensi besar dari bidang ini.

(3) Magnetometer kuantum

Magnetometer kuantum adalah instrumen yang menggunakan efek kuantum untuk mengukur kekuatan medan magnet. Mereka umumnya lebih sensitif dibandingkan magnetometer tradisional dan dapat mendeteksi medan magnet yang sangat lemah. Prinsip dasar kerja magnetometer kuantum adalah ketika keadaan kuantum zat tertentu (biasanya atom atau elektron) dipengaruhi oleh medan magnet luar, tingkat energinya berubah. Dengan mengukur secara akurat perubahan tingkat energi ini, kekuatan medan magnet dapat disimpulkan.

Di pasar magnetometer kuantum saat ini, keragaman teknologi adalah fitur penting. Berbagai teknologi, termasuk magnetometer proton, magnetometer SQUID, magnetometer OPM, magnetometer SERF, magnetometer pusat warna NV, dll., semuanya memiliki keunggulan unik dalam berbagai skenario aplikasi. Hal ini memungkinkan pasar menghadirkan pilihan teknologi yang beragam dan luas.

Magnetometer kuantum memiliki sensitivitas dan akurasi yang tinggi serta memiliki skenario penerapan yang luas di banyak bidang. Berikut adalah beberapa skenario penerapan utama:

Eksplorasi geofisika: Magnetometer kuantum dapat digunakan untuk mendeteksi mineral magnetik, seperti bijih besi, di dalam tanah, membantu ahli geologi mengidentifikasi sumber daya mineral. Selain itu, mereka dapat digunakan untuk memantau perubahan medan geomagnetik untuk memprediksi gempa bumi dan kejadian geologi lainnya.

Pencitraan Medis: Dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI), magnetometer kuantum dapat membantu meningkatkan resolusi dan kualitas pencitraan. Selain itu, mereka dapat digunakan dalam pencitraan partikel magnetik (MPI), sebuah teknologi pencitraan baru yang menjanjikan metode pencitraan medis bebas radiasi di masa depan.

Penelitian biologi: Magnetometer kuantum dapat digunakan untuk mengukur medan magnet lemah pada organisme hidup, misalnya untuk memantau perubahan medan magnet di jantung untuk mempelajari penyakit jantung, atau untuk melacak sinyal di sistem saraf.

Militer dan Keamanan: Di bidang militer, magnetometer kuantum dapat digunakan untuk mendeteksi kapal selam, ranjau, atau benda logam tersembunyi lainnya. Selain itu, mereka dapat digunakan untuk mencegah perangkat mata-mata mendengarkan dan memantau.

Luar angkasa dan astrofisika: Magnetometer kuantum dapat mendeteksi medan magnet lemah di luar angkasa, membantu mempelajari fenomena seperti angin matahari, medan magnet planet, dan medan magnet antarbintang.

Penelitian fisika dasar: Dalam fisika eksperimental, magnetometer kuantum dapat digunakan untuk mendeteksi medan magnet yang sangat lemah, yang sangat penting untuk penelitian di berbagai bidang seperti fisika partikel, fisika kuantum, dan fisika benda terkondensasi.

Aplikasi industri: Magnetometer kuantum dapat digunakan untuk pengujian non-destruktif, seperti mendeteksi retakan kecil dan korosi pada pipa, pesawat terbang, dan jembatan untuk memastikan keamanan struktur ini.

Magnetometer kuantum semakin banyak digunakan dalam penelitian ilmiah, terutama di bidang fisika, ilmu bumi, dan biomedis. Pada saat yang sama, di bidang industri, magnetometer kuantum banyak digunakan dalam pengujian bahan magnetik, manufaktur elektronik, dll. Perluasan aplikasi ini semakin mendorong pertumbuhan ukuran pasar.

Menurut data ICV, pasar magnetometer kuantum akan menunjukkan pertumbuhan yang stabil dari tahun 2023 hingga 2035, tumbuh dari US$480 juta pada tahun 2023 menjadi US$1,00 miliar pada tahun 2035. Tren pertumbuhan ini terutama didorong oleh penelitian ilmiah, industri, dan bidang lainnya permintaan terus menerus untuk pengukuran magnetik presisi tinggi di lapangan.

6. Panorama investasi teknologi kuantum

6.1 Peta Perusahaan Teknologi Kuantum

(1) Perusahaan besar di bidang komputasi kuantum

(2) Perusahaan besar di bidang komunikasi kuantum

(3) Perusahaan besar di bidang pengukuran kuantum

6.2 Evaluasi perusahaan teknologi kuantum besar dalam negeri

Referensi untuk laporan ini

[1] Zhang Qingrui, "Tren Mega Kuantum"

[2]iCV&Photon Box, "Prospek Pengembangan Industri Komputasi Kuantum Global 2024"

[3]iCV&Photon Box, "Outlook Pengembangan Industri Komunikasi dan Keamanan Kuantum Global 2024"

[4]iCV&Photon Box, "Outlook Pengembangan Industri Pengukuran Presisi Kuantum Global 2024"

[5] Soochow Securities, "Informasi Kuantum: Revolusi Informasi Berikutnya"

data menunjukkan

Data｜Kasus｜Sumber opini

Kecuali ditentukan lain, data dan konten dalam laporan ini berasal dari penelitian, wawancara, dan informasi publik China Business Network.

Pemberitahuan Hak Cipta

Hak cipta atas semua konten dan desain halaman laporan ini (termasuk namun tidak terbatas pada teks, gambar, bagan, logo, logo, merek dagang, nama dagang, dll.) adalah milik Shanghai First Financial Media Co., Ltd. (selanjutnya disebut sebagai "perusahaan kami"). Tanpa izin tertulis dari perusahaan kami, tidak ada unit atau individu yang boleh menyalin, memperbanyak, memperbanyak, memodifikasi, atau menampilkan sebagian atau seluruh isi laporan ini tidak boleh diberikan kepada pihak ketiga dalam bentuk apa pun; Setiap unit atau individu yang melanggar ketentuan di atas akan dianggap telah melanggar hak kekayaan intelektual kami. Perusahaan kami akan menuntut tanggung jawab hukumnya dan meminta pertanggungjawaban pelanggar atas kompensasi berdasarkan situasi sebenarnya.

dibebaskanPernyataan tanggung jawab

Isi, informasi dan sumber data terkait yang terdapat dalam laporan ini merupakan penilaian penulis pada hari pertama kali dipublikasikan, dan tidak ada jaminan bahwa isi dan opini dalam laporan ini tidak akan berubah di kemudian hari. Kami mengupayakan, namun tidak menjamin, keakuratan dan kelengkapan informasi yang terkandung dalam laporan ini. Pendapat dan informasi yang diungkapkan dalam laporan ini bukan merupakan nasihat investasi bagi siapa pun dalam kondisi apa pun. Dalam keadaan apapun, setiap orang bertanggung jawab penuh atas akibat yang timbul dari penggunaan isi laporan ini.

Diproduksi oleh: China Business News丨China Business News Investment Research Center

Pemimpin Redaksi: Qian Kun

Penulis utama: Wang Yuanli

Penyunting: Huang Yu

Persetujuan: Qian Kun dan Huang Yu

Visi: Fu Lele

Koordinator: Zhu Guoquan dan Zhou Jin

Kontak person: Wang [email protected]