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Sommario

1. Definizione e caratteristiche del quanto

1.1 Sovrapposizione quantistica

1.2 Entanglement quantistico

1.3 Decoerenza quantistica

2. L’era della supremazia quantistica sta arrivando

2.1 La seconda rivoluzione della tecnologia quantistica

2.2 Concorrenza globale sulla tecnologia quantistica

3. Informatica quantistica

3.1 Definizione e vantaggi dell'informatica quantistica

3.2 Principali percorsi tecnici dell'informatica quantistica

3.3 Stato di sviluppo e difficoltà tecniche dei computer quantistici

3.4 Applicazioni dei computer quantistici

4. Comunicazione e sicurezza quantistica

4.1 La necessità di una comunicazione quantistica sicura

4.2 Stato di sviluppo e difficoltà delle principali tecnologie di comunicazione quantistica sicura

4.3 Rete di comunicazione quantistica e Internet quantistico

4.4 Applicazioni della comunicazione quantistica

5. Misurazione della precisione quantistica

5.1 Definizione di misurazione della precisione quantistica

5.2 Stato di sviluppo e difficoltà della tecnologia di misurazione di precisione quantistica

Applicazioni della misurazione di precisione quantistica

6. Panorama degli investimenti nella tecnologia quantistica

6.1 Informatica quantistica, comunicazione quantistica, mappa aziendale di misurazione quantistica

6.2 Valutazione delle principali società cinesi di tecnologia quantistica

1. Definizione e caratteristiche del quanto

Il quanto è l'unità di base della fisica che descrive le particelle nel mondo microscopico. È un'unità discreta di energia e quantità di moto. Il quanto non è un "sub" come un elettrone. Nel mondo classico, vari fenomeni fisici cambiano continuamente, come la temperatura. Nel mondo microscopico, lo stato dell'energia è discontinuo ed è composto da pezzi di energia, quantità fisiche tali poiché la quantità di moto può essere divisa all'infinito in unità infinitesimamente piccole, e esiste un'unità base più piccola, che è il quanto. Questa divisibilità infinita nel mondo microscopico è chiamata quantizzazione.

La quantistica ha proprietà come la sovrapposizione quantistica, l’entanglement quantistico e la misurazione quantistica. Queste proprietà non sono importanti solo in fisica, ma svolgono anche un ruolo chiave nei campi emergenti della tecnologia quantistica, come l’informatica quantistica, la comunicazione quantistica e la misurazione quantistica. Queste proprietà peculiari della meccanica quantistica ci forniscono una nuova prospettiva per comprendere e sfruttare le leggi fondamentali della natura.

1.1 Sovrapposizione quantistica

La sovrapposizione quantistica è un concetto importante nella meccanica quantistica, che si riferisce a un sistema quantistico che può trovarsi in uno stato di sovrapposizione tra più stati possibili contemporaneamente. Nella fisica classica, un oggetto può trovarsi solo in uno stato definito, mentre nella meccanica quantistica un sistema quantistico può trovarsi in una combinazione lineare di più stati possibili. Ciò significa che in alcuni casi un sistema quantistico può trovarsi in più stati contemporaneamente, solo per collassare in uno dei suoi stati definiti quando misurato.

La sovrapposizione quantistica è la base del calcolo quantistico e dell'informazione quantistica. Utilizzando la sovrapposizione quantistica, è possibile ottenere il calcolo parallelo quantistico e migliorare l'efficienza del calcolo.

1.2 Entanglement quantistico

L'entanglement quantistico è uno speciale fenomeno interconnesso nella meccanica quantistica. Ciò significa che quando due o più sistemi quantistici interagiscono, i loro stati diventano strettamente correlati, non importa quanto siano distanti, lo stato di un sistema influenza immediatamente lo stato di un altro sistema. Questa associazione è chiamata entanglement.

Lo stato di correlazione di due particelle in uno stato entangled non può essere stabilito prima di essere misurato. Tuttavia, non importa quanto siano distanti le due particelle, finché lo stato entangled non viene distrutto, una volta misurata una delle particelle, lo stato di. l'altra particella sarà determinata anch'essa sarà determinata di conseguenza. L’entanglement quantistico non solo fornisce il metodo di elaborazione parallela più efficace per le operazioni quantistiche, ma è anche uno strumento essenziale per realizzare la comunicazione quantistica. Essendo molto sensibile ai cambiamenti ambientali, l’entanglement quantistico può essere utilizzato anche per creare sensori quantistici molto accurati e sensibili.

1.3 Decoerenza quantistica

Decoerenza quantistica significa che in un sistema quantistico, gli stati che originariamente avevano coerenza (cioè le proprietà di interferenza e sovrapposizione degli stati quantistici) perdono questa proprietà di coerenza dopo un certo processo o interazione. La decoerenza quantistica di solito fa sì che gli stati quantistici diventino più classici, cioè più vicini agli stati della fisica classica.

La decoerenza quantistica può verificarsi in diverse circostanze, come la misurazione quantistica, la decoerenza quantistica, l'interferenza ambientale, ecc. Tra questi, l’interferenza ambientale è la causa più comune di decoerenza quantistica. Quando un sistema quantistico interagisce con l’ambiente circostante, l’incertezza ambientale e il rumore faranno sì che l’effetto di interferenza dello stato quantistico scompaia gradualmente e il sistema perda gradualmente la coerenza.

La decoerenza quantistica è una questione importante che riguarda l’informatica quantistica e l’elaborazione delle informazioni quantistiche, perché la coerenza è una risorsa chiave nell’informatica quantistica. Pertanto, studiare come estendere il tempo di coerenza degli stati quantistici e ridurre l’impatto della decoerenza quantistica è uno degli attuali focus della ricerca nel campo dell’informazione quantistica.

2. L’era della supremazia quantistica sta arrivando

2.1 La seconda rivoluzione della tecnologia quantistica

La prima proposta del concetto quantistico può essere fatta risalire al 1900, ad opera del fisico tedesco Max Planck. Planck propose il concetto di quantizzazione dell’energia, che è la base della teoria quantistica, dando così il via alla rivoluzione della fisica quantistica all’inizio del XX secolo. Nel 1905, Albert Einstein sviluppò ulteriormente il concetto quantistico e propose il concetto di quanti di luce (fotoni) per spiegare l'effetto fotoelettrico.

La “prima rivoluzione della tecnologia quantistica” iniziò all’inizio del XX secolo, con Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Paul ·I fisici rappresentati da Dirac e altri stabilirono il quadro teorico della meccanica quantistica, descrissero le caratteristiche di base della meccanica quantistica, realizzò la combinazione della meccanica quantistica con la matematica, la chimica e la biologia e diede vita a molte importanti invenzioni: la bomba atomica, i laser, i transistor, la risonanza magnetica nucleare, i computer, ecc.

Nel 2014, Nature, la rivista scientifica più importante al mondo, ha affermato che la “seconda rivoluzione della tecnologia quantistica” è iniziata.

La “prima rivoluzione tecnologica quantistica” ha portato l’umanità dall’era industriale all’era dell’informazione, e la “seconda rivoluzione tecnologica quantistica” in corso significa che l’umanità supererà i limiti fisici della tecnologia classica ed entrerà nell’era quantistica, segnando la comprensione da parte dell’umanità del mondo quantistico. L'esplorazione dei computer quantistici è passata da una semplice "era di rilevamento" a un'attiva "era di regolamentazione", annunciando importanti scoperte nei campi dell'informatica quantistica, delle comunicazioni quantistiche e della misurazione di precisione quantistica.

La “seconda rivoluzione tecnologica quantistica” utilizza l’entanglement quantistico, la sovrapposizione quantistica, la misurazione quantistica, ecc. per realizzare applicazioni innovative e si prevede che innescherà cambiamenti in molti campi:

Informatica quantistica: lo sviluppo dei computer quantistici subirà una transizione da computer quantistici specializzati a computer quantistici universali, per arrivare infine a un computer quantistico universale programmabile in grado di risolvere problemi specifici che i computer classici non sono in grado di gestire.

Comunicazione quantistica: dispone di un metodo di comunicazione anti-intercettazione e stabilisce una rete di comunicazione sicura con non clonazione quantistica e altre caratteristiche. Le principali tecnologie includono la distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD), il teletrasporto quantistico (QT), ecc. Lo sviluppo della tecnologia di comunicazione quantistica promuoverà inoltre ulteriormente la costruzione dell'Internet quantistica.

Misurazione di precisione quantistica: la tecnologia di misurazione di precisione quantistica offre strumenti di misurazione di precisione più elevata alla ricerca scientifica e all’industria Poiché gli stati quantistici sono estremamente sensibili ai cambiamenti nell’ambiente esterno, la sensibilità e la risoluzione della misurazione di precisione quantistica supereranno significativamente i limiti classici e promuoveranno la. miglioramento dello sviluppo delle competenze correlate.

La “seconda rivoluzione della tecnologia quantistica” sta cambiando la nostra comprensione del mondo quantistico e promuovendo l’applicazione della tecnologia quantistica in molteplici campi. Poiché la tecnologia continua ad avanzare, si prevede che la tecnologia quantistica rivoluzionerà il modo in cui viviamo e lavoriamo nei prossimi decenni.

2.2 Concorrenza globale sulla tecnologia quantistica

"La rivoluzione della tecnologia quantistica ha dato alla Cina l'opportunità di 'cambiare rotta e superare'", ha affermato nel suo libro Zhang Qingrui, ex presidente ad interim dell'Università Nazionale di Taiwan, professore titolare della Chung Yuan University e consulente del Foxconn Quantum Research Institute. Megatrend quantistici".

Nell'era dell'informatica, il miglioramento della potenza di calcolo dei computer classici segue la Legge di Moore. La legge di Moore afferma che il numero di transistor che possono essere inseriti in un circuito integrato raddoppia circa ogni due anni. Tuttavia, il controllo preciso dei processi nanometrici è diventato una tecnologia chiave nell'era della tecnologia dell'informazione, poiché la dimensione dei transistor si avvicina alla scala atomica , le dimensioni fisiche dei transistor continuano a ridursi. Diventa sempre più difficile.

Nella "seconda rivoluzione tecnologica quantistica", proprietà come la sovrapposizione quantistica, l'entanglement quantistico e la misurazione quantistica vengono utilizzate per creare nuovi componenti quantistici. Non si basa esclusivamente sulla tecnologia di contrazione della legge di Moore, purché le caratteristiche degli oggetti possano esserlo Tecnologia padroneggiata, anche submicronica. È possibile realizzare componenti quantistici con proprietà di entanglement quantistico Le prestazioni dei componenti quantistici con proprietà di entanglement sono di gran lunga superiori a quelle dei componenti elettronici classici La "seconda rivoluzione della tecnologia quantistica" porterà industrie innovative più dirompenti.

Il professor Pan Jianwei dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, conosciuto in Cina come il "padre della quantistica", una volta disse che in termini di scienza dell'informazione moderna, la Cina ha sempre svolto il ruolo di studente e seguace nell'era della tecnologia quantistica, se facciamo del nostro meglio, possiamo diventare la forza principale tra loro.

Allo stato attuale, i risultati del mio Paese nel campo della comunicazione quantistica hanno guidato il mondo: nel 2016, il primo satellite sperimentale di scienza quantistica al mondo "Mozi" è stato lanciato con successo nel 2017, la linea di comunicazione quantistica a lunga distanza Pechino-Shanghai di 2.000 chilometri; nel 2018, "Mozi" "Zihao" ha condotto la distribuzione della chiave quantistica satellite-terra per oltre 7.600 chilometri rispettivamente con le stazioni terrestri di Xinglong in Cina e Graz in Austria; nel 2022, il team del professor Long Guilu dell'Università di Tsinghua ha progettato un ibrido di stato quantico di fase e timestamp; Stato quantistico Il nuovo sistema di comunicazione diretta quantistica codificata ha raggiunto 100 chilometri di comunicazione diretta quantistica e ha battuto il record mondiale di "comunicazione diretta quantistica".

Nel campo dell'informatica quantistica, nel dicembre 2020, l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha annunciato la costruzione con successo del prototipo da 76 fotoni "Jiuzhang", diventando il secondo paese a raggiungere la supremazia quantistica (Quantum Supremacy) (Nota giugno); Nel 2021, l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha rilasciato il computer superconduttore programmabile da 56 qubit "Zuchongzhi", riducendo il compito che il supercomputer aveva impiegato 8 anni per completare a 1,2 ore. La Cina è l'unico paese che ha due percorsi tecnologici: superconduttore e quantistici ottici. Paesi che hanno tutti raggiunto la superiorità quantistica.

Secondo i dati del Qianzhan Industry Research Institute, in termini di investimento totale, gli investimenti globali nell’informazione quantistica raggiungeranno i 38,6 miliardi di dollari nel 2023, di cui l’investimento totale della Cina raggiungerà i 15 miliardi di dollari, classificandosi al primo posto nel mondo.

Al momento, la Cina e gli Stati Uniti sono in testa alla competizione nella tecnologia quantistica, e anche l’Europa e altre potenze tecnologiche tradizionali stanno attivamente recuperando terreno. Sebbene attualmente ci siano leader nella tecnologia quantistica, tutti i partecipanti non sono lontani dalla linea di partenza. "Cambiare corsia e sorpassare" è molto più difficile che in altri settori della tecnologia.

Nel 2021, lo schema del "14° piano quinquennale" del mio Paese propone di accelerare l'implementazione di tecnologie avanzate come l'informatica quantistica e le comunicazioni quantistiche, con l'obiettivo di completare la costruzione dell'infrastruttura nazionale di comunicazione quantistica e di sviluppare computer quantistici universali entro il 2030.

(Nota: la supremazia quantistica, nota anche come supremazia quantistica, si riferisce alla capacità di un computer quantistico di superare il computer convenzionale più potente nell'esecuzione di compiti specifici. Questo concetto è stato sviluppato dal fisico John Price Proposto da John Preskill nel 2012 per descrivere il significativo vantaggi dei computer quantistici rispetto ai computer classici nella risoluzione di determinati problemi).

3. Informatica quantistica

Essendo una tecnologia all’avanguardia, negli ultimi anni l’informatica quantistica ha attirato grande attenzione da parte dei ricercatori scientifici e del capitale globale. Utilizza i principi della meccanica quantistica per superare il metodo di calcolo basato su binario dei computer tradizionali, mostrando il potenziale per superare di gran lunga i computer classici su alcuni problemi specifici. Con il continuo approfondimento della teoria della fisica quantistica e la crescente maturità della tecnologia quantistica, l’informatica quantistica è gradualmente passata dalla teoria alla pratica ed è considerata un’importante direzione di sviluppo della futura tecnologia informatica.

3.1 Definizione e vantaggi dell'informatica quantistica

L'informatica quantistica è una tecnologia che utilizza i bit quantistici come unità di base delle informazioni per eseguire calcoli basati sui principi della meccanica quantistica. Il superparallelismo dei computer quantistici deriva dallo stato di sovrapposizione dei qubit. Rispetto allo stesso numero di bit classici, la differenza nella potenza di calcolo tra più qubit è esponenziale.

I computer tradizionali utilizzano bit binari (bit), ogni bit è 0 o 1, mentre il bit quantistico (qubit) di un computer quantistico può trovarsi in uno stato di sovrapposizione di 0 e 1 contemporaneamente. All’aumentare del numero di qubit, N qubit possono avere valori contemporaneamente, il che equivale a eseguire un’operazione contemporaneamente.

I computer quantistici manipolano questi stati di sovrapposizione e le interazioni tra qubit attraverso algoritmi quantistici e possono elaborare un gran numero di possibili percorsi di calcolo contemporaneamente, rendendo i computer quantistici più efficienti di quelli tradizionali nella risoluzione di alcuni tipi di problemi, come la decomposizione di numeri interi e algoritmi di ricerca.

3.2 Principali percorsi tecnici dell'informatica quantistica

Il nostro Paese attribuisce grande importanza alla ricerca sulla scienza quantistica e ha successivamente introdotto una serie di politiche e piani per sostenere la ricerca e l’applicazione della tecnologia quantistica. Nel campo dell’informatica quantistica, gli istituti di ricerca scientifica e le imprese cinesi hanno ottenuto una serie di risultati influenti a livello internazionale su percorsi tecnici chiave come l’informatica quantistica superconduttiva e l’informatica quantistica ottica, e sono in una posizione di leadership nella competizione globale dell’informatica quantistica.

Al momento, l’informatica quantistica è nella fase iniziale di esplorazione e le direzioni di sviluppo dei qubit sono molto diverse tra loro: superconduttori, trappole ioniche, quanti ottici, atomi ultrafreddi, punti quantici a base di silicio e quantistici topologici, ecc. si basano fondamentalmente sui vantaggi del calcolo quantistico —— Calcolo quantistico specializzato: sviluppo della tabella di marcia del calcolo quantistico universale.

Secondo il rapporto “Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024” pubblicato da ICV, un’organizzazione di consulenza tecnologica all’avanguardia, Cina e Stati Uniti dominano la distribuzione delle principali società di calcolo quantistico nel mondo, con 20 società negli Stati Uniti e 18 aziende in Cina, che rappresentano rispettivamente il 28%,25%. Dal punto di vista della distribuzione dei percorsi tecnici, i superconduttori, le trappole ioniche e i percorsi quantistici ottici ricevono la massima attenzione. Tra le 71 principali aziende di calcolo quantistico nel mondo nel 2023, 19 sono nel percorso del calcolo quantistico superconduttore, pari al 27%, di cui 8 negli Stati Uniti e 5 in Cina seguite dal calcolo quantistico ottico, con un totale di 13 società; , che rappresentano il 18%, tra le quali le aziende cinesi hanno il maggior numero, raggiungendo 4,0 aziende che seguono il percorso del calcolo quantistico con trappola ionica, pari al 14%, e le aziende cinesi ne rappresentano 4;

(1) Percorso del calcolo quantistico superconduttore

Il calcolo quantistico superconduttore è attualmente una delle tecnologie di calcolo quantistico più mature. Si basa su circuiti quantistici superconduttori ed elabora le informazioni manipolando qubit superconduttori. I circuiti quantistici superconduttori sono altamente compatibili con i sistemi di circuiti integrati esistenti in termini di progettazione, preparazione e misurazione e possono utilizzare componenti elettronici tradizionali come sistemi di controllo. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum, ecc. stanno conducendo ricerca e sviluppo sul percorso del calcolo quantistico superconduttore.

I vantaggi dei qubit superconduttori sono la loro elevata continuità e scalabilità, nonché i tassi di distorsione relativamente bassi. Questo percorso tecnico ha raggiunto l’entanglement tra più qubit e operazioni di gate quantistici, gettando le basi per la costruzione di computer quantistici pratici. Tuttavia, i qubit superconduttori sono molto sensibili alla temperatura e alle interferenze elettromagnetiche dell’ambiente, quindi gli esperimenti devono essere condotti a temperature estremamente basse e in un ambiente ben schermato.

La catena industriale dell’informatica quantistica negli Stati Uniti ha un layout completo, con aziende tecnologiche leader come IBM, Google e Microsoft che entrano nel settore, in particolare nel percorso dell’informatica quantistica superconduttiva. Nel campo dei chip quantistici superconduttori, nel dicembre 2023, IBM ha rilasciato il primo chip processore per calcolo quantistico Condor al mondo con più di 1.000 qubit, che ha 1.121 qubit.

Nell'aprile 2024, l'Istituto di informazione quantistica e innovazione tecnologica quantistica dell'Accademia cinese delle scienze ha rilasciato un chip di calcolo quantistico superconduttore a 504 bit "Xiaohong", battendo il record nazionale per il numero di qubit superconduttori.

Peng Chengzhi, professore presso l'Istituto di informazione quantistica e innovazione scientifica e tecnologica quantistica dell'Accademia cinese delle scienze e capo scienziato del China Telecom Quantum Group e Guodun Quantum (688027.SH), ha affermato che i chip superconduttori di calcolo quantistico possono riutilizzare componenti più maturi tecnologie di elaborazione dei chip semiconduttori È particolarmente vantaggioso in termini di espansione, quindi la ricerca e lo sviluppo "non sono difficili". "La cosa più difficile è come migliorare contemporaneamente la qualità e la quantità dei qubit, migliorando così veramente le prestazioni del chip e. controllare più precisamente i qubit su larga scala Questo è un mainstream internazionale. Il team di ricerca scientifica sta lavorando duramente”.

La potenza di calcolo che un computer quantistico può raggiungere dipende da molti fattori, prendendo come esempio i computer quantistici superconduttori, tra cui il numero di bit, la fedeltà, il tempo di coerenza, la velocità di funzionamento del gate, la connettività, ecc. Tra questi, il numero di bit è un indicatore chiave. Tuttavia, si dovrebbe prestare particolare attenzione al fatto che non ha senso parlare solo del numero di bit. Ciò che è più importante è la fedeltà del gate (in particolare la fedeltà del gate a due bit), il tempo di coerenza e la connettività dei bit in caso di grandi dimensioni. qubit in scala.

Inoltre, la proprietà dei materiali superconduttori è che quando la temperatura scende al di sotto di una certa temperatura critica, la resistenza è zero e la corrente può fluire senza perdite. Per ottenere un funzionamento efficiente e un’archiviazione stabile dei qubit, i chip quantistici devono funzionare in un ambiente a temperatura estremamente bassa, pari a -273,12°C o inferiore, quindi il frigorifero a diluizione è una delle apparecchiature chiave per il calcolo quantistico superconduttore.

Allo stato attuale, i frigoriferi a diluizione prodotti a livello nazionale hanno fatto importanti passi avanti e i loro effettivi indicatori di funzionamento hanno raggiunto il livello mainstream internazionale di prodotti simili. Il frigorifero a diluizione domestico ez-Q Fridge disponibile in commercio e prodotto in serie lanciato da Guodun Quantum fornisce chip quantistici con una temperatura ultrabassa e un ambiente silenzioso fino al livello di 10 mK. La potenza di raffreddamento raggiunge 450uW@100mK (450uW@100mK rappresenta. il frigorifero di diluizione in La potenza di raffreddamento ad una temperatura di 100 mK può raggiungere 450uW Maggiore è la potenza di raffreddamento, maggiore è il numero di bit di calcolo quantistico che può essere supportato), e serve allo "Zuchong-2" per realizzare il quantistico. esperimento di superiorità computazionale; è sviluppato in modo indipendente da Origin Quantum Il frigorifero a diluizione SL1000 può fornire un ambiente a temperatura ultrabassa inferiore a 10 mK e una capacità di raffreddamento non inferiore a 1000μW a 100 mK, soddisfacendo le esigenze di ambienti a temperatura ultrabassa nel taglio. campi tecnologici all’avanguardia come il calcolo quantistico superconduttore, la fisica della materia condensata, la scienza dei materiali e l’esplorazione dello spazio profondo.

Il raggiungimento della “superiorità quantistica” è una misura chiave delle prestazioni di un computer quantistico, cioè la sua capacità di calcolare un problema specifico oltre a quella di un supercomputer classico. Attualmente esistono solo due computer quantistici superconduttori al mondo: l'americano "Platanus" e il cinese "Zuchong-2".

"Zuchong-2" è un prototipo di calcolo quantistico superconduttore programmabile a 66 qubit sviluppato da un gruppo di ricerca composto da Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi e altri dell'Istituto di informazione quantistica e innovazione tecnologica quantistica, Accademia cinese delle scienze e Istituto di Fisica Tecnica di Shanghai, Accademia Cinese delle Scienze. Nel maggio 2023, il team ha migliorato il chip originale "Zuchong-2" da 66 qubit e ha aggiunto un'interfaccia di controllo dell'accoppiamento a 110 bit, portando il numero di qubit che gli utenti possono controllare a 176 bit.

Guodun Quantum, in quanto unica unità aziendale che partecipa alla ricerca e allo sviluppo di "Zuchongzhi", utilizza la gestione della catena di fornitura e le capacità di integrazione del prototipo di calcolo quantistico superconduttore (compreso il sistema di controllo della temperatura ambiente, il sistema di trasmissione del segnale a bassa temperatura, il sistema di confezionamento dei chip , sistema software di controllo, ecc.). Attualmente, 4 computer quantistici completi sono stati venduti con successo a paesi stranieri.

Inoltre, il computer quantistico superconduttore indipendente di terza generazione "Origin Wukong" sviluppato da Origin Quantum sarà lanciato online nel gennaio 2024. "Original Wukong" è dotato di un chip quantistico superconduttore a 72 bit "Wukong Core" con un totale di 198 qubits, che contiene 72 qubit funzionanti e 126 qubit accoppiati.

(Nota: Qubit (qubit) è l'unità di base dell'informatica quantistica. È il portatore di informazioni quantistiche, simile ai bit nell'informatica classica. I qubit possono trovarsi in uno stato di sovrapposizione, ovvero una sovrapposizione di più stati contemporaneamente , che rende i computer quantistici È possibile elaborare più attività di calcolo contemporaneamente. I qubit accoppiati (cQubit) sono qubit speciali che hanno interazioni o accoppiamenti tra loro. I qubit accoppiati vengono spesso utilizzati per implementare operazioni di gate quantistici, consentendo a diversi qubit di interagire tra loro altro. Per scambiare informazioni e interagire tra loro. In generale, i qubit sono l'unità di base del calcolo quantistico e i qubit di accoppiamento sono una forma speciale di qubit utilizzata per implementare operazioni di gate quantistici e calcolo quantistico.

(2) Percorso del calcolo quantistico ottico

Il percorso del calcolo quantistico ottico utilizza i fotoni come portatore di informazioni e realizza il processo di calcolo quantistico attraverso elementi ottici quantistici. Il vantaggio principale del calcolo quantistico ottico è che il fotone stesso interagisce molto debolmente con l’ambiente e può mantenere uno stato quantistico stabile per lungo tempo con alta fedeltà. Inoltre, il calcolo quantistico ottico può essere eseguito a temperatura ambiente, a differenza del calcolo quantistico superconduttore che richiede un ambiente a temperatura estremamente bassa. La sfida tecnica risiede nella generazione, nel funzionamento e nel rilevamento dei fotoni, che richiedono tecnologie e apparecchiature di controllo ad alta precisione. Le aziende che attualmente utilizzano i fotoni come percorso verso i computer quantistici includono PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum e Bose Quantum.

La Cina è l'unico paese che ha raggiunto la superiorità quantistica sia nella tecnologia quantistica superconduttiva che in quella ottica. Oltre a "Zu Chongzhi" sul percorso del calcolo quantistico superconduttore, nel mio paese c'è un altro computer quantistico che ha raggiunto la "superiorità quantistica". dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina. La serie "Nove capitoli" sviluppata dal team di Pan Jianwei adotta il percorso del calcolo quantistico ottico.

In termini di funzioni specifiche dei computer quantistici, la Cina ha fatto grandi passi avanti e progressi nel percorso del calcolo quantistico ottico. Nell'ottobre 2023, il team dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha costruito con successo il prototipo di calcolo quantistico da 255 fotoni "Jiuzhang-3". Il prototipo è composto da 255 fotoni e può risolvere il problema matematico del campionamento gaussiano di Bose 100 miliardi di volte più velocemente del supercomputer più veloce del mondo, battendo ancora una volta il record mondiale per la tecnologia dell'informazione quantistica ottica. Inoltre, il computer quantistico ottico coerente di nuova generazione di Bose Quantum con 550 qubit di calcolo rilasciato nell'aprile 2024 - "Tiangong Quantum Brain 550W", attraverso kit di sviluppo rappresentati da "Kaiwu SDK" ed ecologia multisettoriale La combinazione di "algoritmi quantistici" congiuntamente sviluppato dai partner ha raggiunto una svolta nella pratica dell’informatica quantistica.

A differenza dei computer quantistici generici che possono modificare a piacimento il programma di calcolo di esecuzione, i computer quantistici con funzioni specifiche possono eseguire solo algoritmi quantistici specifici. Se vogliono gestire calcoli oltre la funzione di progettazione originale, l’hardware o l’attrezzatura devono essere modificati.

Nel campo dei computer quantistici ottici programmabili per uso generale, Turing Quantum ha lanciato DeepQuantum, il primo framework di programmazione per l’informatica quantistica ottica in Cina. Utilizzando QubitCircuit in DeepQuantum, gli sviluppatori possono facilmente costruire e simulare circuiti quantistici e progettare e ottimizzare rapidamente reti neurali quantistiche. Inoltre, attraverso QumodeCircuit di DeepQuantum, gli utenti possono studiare in modo approfondito i circuiti quantistici ottici e sviluppare applicazioni pratiche basate su algoritmi come il campionamento Bose gaussiano. DeepQuantum non solo include funzioni di differenziazione automatica, ma dispone anche di una varietà di ottimizzatori non gradienti integrati per aiutare gli utenti a implementare ed esplorare in modo efficiente algoritmi quantistici variazionali. Allo stesso tempo, Turing Quantum distribuirà hardware di calcolo quantistico ottico sulla piattaforma Quantum Cloud e gli utenti potranno sperimentare il calcolo quantistico reale attraverso DeepQuantum.

(3) Percorso di calcolo quantistico della trappola ionica

Il percorso di calcolo quantistico della trappola ionica è una tecnica che utilizza gli ioni (solitamente atomi o molecole carichi) come qubit per eseguire l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Il campo elettromagnetico esterno viene utilizzato per "intrappolare" gli ioni entro un certo intervallo e il movimento degli ioni è controllato dalla forza di interazione tra la carica e il campo elettromagnetico. I vantaggi del calcolo quantistico con trappola ionica risiedono nel lungo tempo stabile dello stato entangled e nell'elevata fedeltà delle porte logiche. Tuttavia, la difficoltà tecnica risiede nel raggiungimento di un "imprigionamento" stabile e di un controllo accurato di un gran numero di ioni allo stesso tempo, il che richiede. tecnologia di raffreddamento laser, ambiente ad altissimo vuoto e integrazione. La compatibilità del circuito deve ancora essere sviluppata, con conseguente scalabilità limitata. Attualmente, le aziende che sono profondamente coinvolte nella tecnologia di calcolo quantistico con trappola ionica includono Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum, ecc.

Nel 2023, Huayi Quantum ha rilasciato HYQ-A37, un prototipo commerciale del computer quantistico con trappola ionica di prima generazione con una scala di 37 qubit. Il suo tempo di coerenza dei qubit, la fedeltà e altri indicatori di prestazione correlati hanno raggiunto il livello di prima classe a livello mondiale. Attualmente, gli utenti possono utilizzare strumenti visivi o editor di codice per progettare rapidamente circuiti quantistici su appuntamento e accedere in remoto a HYQ-A37 per eseguire attività di calcolo e ottenere feedback sui risultati del calcolo grafico in tempo reale. Si prevede che Huayi Quantum lancerà un computer quantistico con trappola ionica a bassa temperatura a 110 bit nel 2024.

3.3 La storia dello sviluppo e le difficoltà tecniche dei computer quantistici

Dagli anni ’80, l’informatica quantistica è stata verificata mediante idee fisiche di base e principi primari, e ora i computer quantistici hanno raggiunto lo stadio NISQ (computer quantistico su scala intermedia rumoroso).

I computer con porte quantistiche ad alta fedeltà da 50 a 100 qubit sono chiamati computer NISQ. "Rumoroso" significa che c'è un certo grado di rumore ed errori tra i qubit, che ha una bassa tolleranza agli errori e non può ancora ottenere calcoli quantistici accurati. I computer quantistici generici e tolleranti ai guasti sono un obiettivo di sviluppo a lungo termine e richiederanno del tempo per essere raggiunti. Tuttavia, la potenza di calcolo dei rumorosi computer quantistici di media scala ha superato di gran lunga quella dei supercomputer compiti e hanno già dimostrato prestazioni eccezionali in alcuni campi di applicazione.

I principali vincoli allo sviluppo dei computer quantistici in questa fase sono:

(1) Requisiti di temperatura estremamente bassa: per mantenere la stabilità dello stato quantistico dei qubit, i computer quantistici devono operare in un ambiente a temperatura ultrabassa vicino allo zero assoluto. In tali condizioni, i qubit possono effettivamente mostrare le caratteristiche dell’entanglement quantistico e della sovrapposizione quantistica. I sistemi di refrigerazione sono costosi da mantenere e da utilizzare e, con l’aumento del numero di qubit, aumenteranno i corrispondenti requisiti di refrigerazione. È necessario migliorare le tecnologie criogeniche efficaci ed economiche.

(2) Problema di stabilità dei qubit: i qubit (o qubit) sono le unità di informazione di base dei computer quantistici, ma sono molto fragili e suscettibili al rumore e alle interferenze esterne, che portano alla decoerenza quantistica. La decoerenza distrugge le informazioni quantistiche, rendendo i calcoli inaffidabili. Aumentare il tempo di coerenza dei qubit è un punto caldo della ricerca attuale.

(3) Correzione degli errori quantistici: durante il calcolo quantistico si verificano inevitabilmente errori e, a causa delle proprietà speciali dei qubit, questi errori sono diversi da quelli dei computer tradizionali. Lo sviluppo di tecniche efficaci di correzione degli errori quantistici è fondamentale per consentire un calcolo quantistico affidabile, ma gli attuali algoritmi di correzione degli errori quantistici rimangono complessi e difficili da scalare.

(4) Scalabilità: il numero di qubit nei computer quantistici esistenti è relativamente piccolo, ma il calcolo di problemi complessi richiede centinaia, migliaia o anche più qubit. Come espandere i computer quantistici senza ridurre la qualità di un singolo qubit è un’enorme sfida tecnica.

(5) Limitazioni materiali e tecnologiche: la produzione di qubit di alta qualità richiede materiali avanzati e processi di produzione precisi. Ad esempio, i qubit superconduttori richiedono materiali superconduttori di elevata purezza, mentre la tecnologia della trappola ionica richiede laser e sistemi di vuoto ad alta precisione. Lo sviluppo e la maturità di queste tecnologie influiscono direttamente sulle prestazioni e sulla fattibilità dei computer quantistici.

(6) Sviluppo insufficiente di algoritmi e software: sebbene sia noto che alcuni algoritmi quantistici possono teoricamente fornire prestazioni che vanno oltre il calcolo classico, le librerie di algoritmi e gli strumenti software dei computer quantistici sono ancora limitati e mancano piattaforme software quantistiche ampiamente applicabili. e quadri di programmazione.

(7) Il divario tra teoria ed esperimento: l'informatica quantistica sta facendo rapidi progressi in teoria, ma il ritmo con cui queste teorie vengono realizzate negli esperimenti reali è relativamente lento. Molte teorie non sono state verificate sperimentalmente, quindi è necessario apportare molta innovazione e ottimizzazione nelle tecniche e nei progetti sperimentali.

(8) Carenza di talenti e conoscenze: l'informatica quantistica è un campo interdisciplinare che coinvolge molteplici discipline come fisica, informatica, ingegneria e matematica. Attualmente, ricercatori e ingegneri con conoscenze e competenze interdisciplinari sono relativamente scarsi, il che limita il ritmo di sviluppo nel campo dell’informatica quantistica.

(8) Limitazioni degli scenari applicativi: attualmente i computer quantistici mostrano potenzialità in alcuni problemi specifici, come simulazioni chimiche, cracking di password e problemi complessi di ottimizzazione. Tuttavia, i vantaggi dei computer quantistici non sono ancora evidenti in molte attività informatiche generiche e il loro valore pratico nelle applicazioni commerciali e industriali deve essere ulteriormente esplorato.

Come accennato in precedenza, sebbene la commercializzazione dell’informatica quantistica debba ancora affrontare molte sfide, la tecnologia quantistica è entrata nella fase di ingegneria dalla fase di ricerca teorica. L’emergere di computer quantistici universali tolleranti ai guasti in futuro sovvertirà quasi tutte le industrie è nella "seconda rivoluzione della tecnologia quantistica" Ci saranno enormi cambiamenti in futuro e dobbiamo prepararci in anticipo per entrare in una nuova era quantistica.

3.4 Applicazioni dei computer quantistici

(1) Piattaforma cloud di calcolo quantistico

Il raggiungimento della “superiorità quantistica” è un prerequisito necessario per la commercializzazione e la divulgazione dell’informatica quantistica, e la piattaforma cloud dell’informatica quantistica è la chiave per lo sviluppo di applicazioni pratiche dell’informatica quantistica.

Al momento, il costo dell’hardware dei computer quantistici è estremamente elevato, soprattutto per i sistemi qubit ad alta fedeltà e su larga scala. Allo stesso tempo, il funzionamento e la manutenzione dei computer quantistici richiedono tecnologia e ambiente professionali. La piattaforma cloud di calcolo quantistico fornisce a università, istituti di ricerca, imprese, ecc. un modo a basso costo per accedere ai sistemi di calcolo quantistico.

Da un lato, la piattaforma cloud può aggiornare e implementare rapidamente la tecnologia e gli algoritmi di calcolo quantistico più recenti e, dall’altro, gli utenti possono sperimentare immediatamente i vantaggi portati dal progresso tecnologico, quando provano la piattaforma cloud per lo sviluppo e il test delle applicazioni; , possono fornire alla piattaforma feedback sui problemi e sulle esigenze dei fornitori per promuovere l'iterazione e l'ottimizzazione della tecnologia. La piattaforma cloud di calcolo quantistico funge da ponte che collega diverse società di calcolo quantistico, istituti di ricerca scientifica e utenti aziendali, promuovendo la cooperazione tra il calcolo quantistico e tutti gli ambiti della vita e promuovendo congiuntamente lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia del calcolo quantistico.

Nel maggio 2023, Guodun Quantum ha rilasciato una nuova generazione di piattaforma cloud di calcolo quantistico, che era collegata al computer quantistico superconduttore a 176 bit autosviluppato dello stesso tipo di "Zuchongzhihao". Non solo ha rotto il numero di bit del computer quantistico superconduttore record per le piattaforme cloud domestiche, è diventata anche la prima piattaforma cloud di calcolo quantistico al mondo che ha il potenziale per raggiungere la superiorità quantistica sulla via quantistica superconduttiva ed è aperta al mondo esterno. Guodun Quantum ha dichiarato che in futuro prevede di accedere a più computer quantistici ad alte prestazioni per il ripristino di emergenza reciproco e aggiornamenti iterativi, in modo che l'hardware della piattaforma cloud possa mantenere il livello avanzato a livello internazionale.

Nel novembre 2023, Guodun Quantum ha assistito la piattaforma cloud di calcolo quantistico "Tianyan" di China Telecom Quantum Group e la piattaforma di supercalcolo "Tianyi Cloud" di China Telecom per connettersi per costruire un sistema di architettura informatica ibrida "supercalcolo-calcolo quantistico".

(2) Principali scenari applicativi dell'informatica quantistica

Secondo i dati ICV, l’industria quantistica globale raggiungerà i 4,7 miliardi di dollari nel 2023 e il tasso di crescita medio annuo (CAGR) dal 2023 al 2028 dovrebbe raggiungere il 44,8%, beneficiando del progresso tecnologico dei computer quantistici di uso generale e della utilizzo diffuso di computer quantistici specializzati in campi di applicazione specifici, si prevede che la dimensione totale del mercato del settore dell’informatica quantistica raggiungerà gli 811,7 miliardi di dollari entro il 2035.

Essendo una tecnologia informatica emergente, l’informatica quantistica ha mostrato un potenziale di applicazione rivoluzionario in molti campi come la finanza, la medicina e l’industria chimica. Tra questi, il settore finanziario è un campo di applicazione potenzialmente importante dell’informatica quantistica. Secondo le previsioni dell’ICV, tra le applicazioni globali a valle dell’informatica quantistica, il settore finanziario avrà la quota di mercato più elevata nel 2035, raggiungendo il 51,9%, un aumento significativo rispetto a prima. 15,8% nel 2030. Seguono l'industria farmaceutica e quella chimica, che rappresentano rispettivamente il 20,5% e il 14,2%.

L'informatica quantistica è ampiamente utilizzata in campo finanziario per ridurre i costi e i tempi di elaborazione. Attualmente comprende principalmente: gestione e controllo del rischio, determinazione dei prezzi dei derivati, ottimizzazione del portafoglio, negoziazione di arbitraggio e scoring del credito, ecc.

Le principali società finanziarie in patria e all'estero, come JP Morgan e Goldman Sachs, hanno creato dipartimenti quantistici per sviluppare applicazioni finanziarie quantistiche e China Economic Information Service Xinhua Finance ha pubblicato congiuntamente "Quantum Financial Applications", che è stato pubblicato su Xinhua Finance The; L'app è online e fornisce l'applicazione del calcolo quantistico nell'ottimizzazione del portafoglio di investimenti, nella determinazione dei prezzi dei derivati ​​e nell'analisi dei rischi. La China Construction Bank ha esplorato e praticato attivamente l'applicazione della tecnologia dell'informazione quantistica, ha creato un laboratorio di applicazioni finanziarie quantistiche e ha collaborato con Quantum nazionale ed estera; i team di sicurezza e di calcolo quantistico hanno collaborato per portare avanti una serie di ricerche lungimiranti ed esplorazioni innovative. China Construction Bank ha lanciato algoritmi di applicazione finanziaria quantistica come "Quantum Bayesian Network Algorithm" e "Quantum Portfolio Optimization Algorithm". Questi algoritmi hanno dimostrato il potenziale del calcolo quantistico nell'analisi del rischio e nell'ottimizzazione del portafoglio.

In termini di ricerca e sviluppo medico e di scienza dei materiali chimici, i computer quantistici possono simulare reazioni chimiche complesse e proprietà dei materiali, il che è di grande importanza per la scoperta di nuovi farmaci, nuovi materiali e l’ottimizzazione dei processi di reazione chimica.

Nuovi materiali e nuovi farmaci hanno un enorme valore economico, soprattutto nel campo della medicina. Se l’informatica quantistica può sostituire il tradizionale metodo sperimentale per tentativi ed errori attraverso l’analisi computazionale, non solo ridurrà significativamente i tempi per lo sviluppo di nuovi farmaci, ma farà anche enormi risparmi. costi di sviluppo medico. Promuovere l’applicazione dell’informatica quantistica nella ricerca e sviluppo medico e nella scienza dei materiali, ma deve ancora essere coordinata con algoritmi quantistici specifici.

Nel luglio 2022, il BGI Life Sciences Research Institute ha collaborato con Quanthuan Technology per esplorare l'applicazione dell'informatica quantistica nel campo delle scienze della vita. Hanno utilizzato algoritmi quantistici per ottenere l’assemblaggio del genoma, risolto il problema dell’assemblaggio del genoma e utilizzato meno risorse quantistiche per simulare sistemi quantistici più grandi, offrendo la possibilità di simulare sistemi su larga scala nell’era NISQ.

Nel marzo 2022, Turing Quantum ha utilizzato la tecnologia della rete tensore per ottenere una progettazione di farmaci con intelligenza artificiale quantistica 38 volte più veloce attraverso la contrazione dei tensori e ha lanciato una serie di moduli applicativi di intelligenza artificiale quantistica, tra cui QuOmics (genomica), QuChem (molecole di farmaci) Quattro moduli principali, inclusa la progettazione strutturale), QuDocking (screening virtuale dei farmaci) e QuSynthesis (retrosintesi delle molecole chimiche), hanno raggiunto vari gradi di miglioramento dell'algoritmo quantistico.

Nell'aprile 2021, Origin Quantum ha rilasciato Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0, che fornisce una base per l'applicazione dell'informatica quantistica nel campo della chimica e consente applicazioni innovative dell'informatica quantistica nella nuova medicina, nuovi materiali, nuova energia e altri campi .

Nel campo dell’intelligenza artificiale, poiché i qubit possono trovarsi in più stati, le reti neurali quantistiche possono essere utilizzate per elaborare set di dati su larga scala e modelli complessi. Ciò contribuirà a migliorare le prestazioni dei sistemi di intelligenza artificiale e a far avanzare la tecnologia dell’intelligenza artificiale.

La combinazione di calcolo quantistico e apprendimento automatico, sfruttando la capacità dei computer quantistici di elaborare grandi quantità di dati, aiuta l’apprendimento automatico a superare il collo di bottiglia di troppi parametri, che è un’importante direzione di ricerca recente. IBM ha aggiunto un modulo di machine learning all’architettura Qiskit, combinando i vantaggi dell’informatica quantistica e dell’apprendimento automatico e utilizzando i vantaggi dei computer quantistici nell’elaborazione dei big data per stabilire i vantaggi futuri dei modelli di machine learning quantistici.

4. Comunicazione e sicurezza quantistica

Essendo un ramo importante della tecnologia quantistica, la comunicazione quantistica rappresenta un importante passo avanti nella tecnologia di trasmissione delle informazioni. È anche la prima tecnologia quantistica ad entrare nella fase pratica e quella più matura. La comunicazione quantistica rende la comunicazione più sicura e la comunicazione quantistica, in particolare la comunicazione quantistica sicura, è stata sostanzialmente messa in pratica. Basata sulla tecnologia di distribuzione delle chiavi quantistiche, la comunicazione quantistica sicura ha molte applicazioni ingegneristiche in Cina. L’industria a valle è il settore della sicurezza delle informazioni, che è altamente maturo.

Con il sostegno delle politiche nazionali, l’industria della comunicazione quantistica del mio Paese si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni ed è diventata leader mondiale. Con la continua partecipazione di numerose imprese e istituti di ricerca scientifica eccezionali, anche l’industria della comunicazione quantistica è diventata il fulcro dei mercati primari e secondari.

4.1 La necessità di una comunicazione quantistica sicura

La tecnologia quantistica è considerata la prossima pietra miliare della tecnologia. L’informatica quantistica apporta un balzo in avanti nella potenza di calcolo, rendendo la gestione di problemi complessi il più infantile possibile. Che si tratti di progettazione di farmaci, simulazione climatica o ottimizzazione di grandi sistemi, ci si aspetta che l’informatica quantistica dimostri il suo talento. Ma questa arma a doppio taglio rappresenta anche un’enorme minaccia: può rompere in un istante la maggior parte delle tecnologie di crittografia odierne.

I tradizionali sistemi di crittografia a chiave pubblica, come RSA, ECC (crittografia a curva ellittica), ecc., si basano sulla difficoltà computazionale della fattorizzazione degli interi e sui problemi dei logaritmi discreti. Il tempo richiesto per risolverli è estremamente lungo e sono molto sicuri se esistenti condizioni tecniche.

Tuttavia, con lo sviluppo dei computer quantistici, si è scoperto che algoritmi quantistici come l'algoritmo di Shor sono in grado di risolvere rapidamente questi problemi. Prendiamo ad esempio l'algoritmo RSA, l'algoritmo di crittografia più popolare e ampiamente utilizzato al momento. Quello più comune ora è la crittografia a 2048 bit (maggiore è la lunghezza della chiave, maggiore è il tempo di cracking) e l'algoritmo Shor teoricamente può farlo. crackare la crittografia a lungo termine in sole 8 ore. Crittografia RSA fino a 2048 bit, minacciando così la sicurezza dei tradizionali sistemi di crittografia a chiave pubblica.

Le preoccupazioni sulla minaccia dei computer quantistici alla crittografia tradizionale esistono da tempo, ma non sono ancora diventate realtà. La potenza di calcolo di un computer quantistico dipende dal numero di qubit che può elaborare. Gli attuali computer quantistici hanno solo da centinaia a mille qubit di rumore, che vengono utilizzati per creare un piccolo numero di qubit stabili e con correzione degli errori. La minaccia alla crittografia tradizionale richiede migliaia di qubit stabili, che potrebbero richiedere milioni di qubit rumorosi. Pertanto, sebbene le capacità dei computer quantistici si stiano sviluppando rapidamente, non hanno ancora raggiunto un livello tale da minacciare la crittografia classica, ma alcuni esperti del settore affermano che questo livello potrebbe essere raggiunto entro i prossimi 5-10 anni o meno.

Sebbene la minaccia dell’informatica quantistica alla crittografia tradizionale sia ancora in fase teorica, uno dei maggiori problemi attualmente è la sicurezza delle informazioni sensibili. Anche se la tecnologia dell’informatica quantistica non ha ancora raggiunto un vero passo avanti, circolano molte informazioni sensibili crittografate online, il che significa che i criminali possono ora rubare dati crittografati e archiviarli, per poi decrittografarli quando la tecnologia dell’informatica quantistica maturerà.

Per affrontare questo problema, la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD, Quantum Key Distribution), la crittografia post-quantistica (PQC, Post-Quantum Cryptography), il generatore di numeri casuali quantistici (QRNG, Quantum Random Number Generator), il teletrasporto quantistico (tecnologie di sicurezza della comunicazione quantistica) come QT (teletrasporto quantistico), tra i quali QKD è considerato in teoria l'unico metodo di comunicazione incondizionatamente sicuro, perché la sicurezza della chiave QKD si basa sulle leggi della fisica quantistica, non sulla complessità computazionale dei problemi matematici. La costruzione della rete di comunicazione quantistica sicura del mio paese basata sulla tecnologia QKD ha iniziato a prendere forma e le applicazioni commerciali continuano ad avanzare, mentre l'algoritmo PQC è attualmente in fase di dimostrazione di standardizzazione.

4.2 Principali tecnologie per la comunicazione quantistica sicura

L’informatica quantistica è la “lancia” e la comunicazione quantistica sicura è lo “scudo”. Prima che arrivi ufficialmente la “seconda rivoluzione della tecnologia quantistica”, lo sviluppo della tecnologia di comunicazione quantistica sicura fornisce nuove soluzioni per la sicurezza delle informazioni, soprattutto in aree con elevati requisiti di sicurezza, come le comunicazioni governative, le transazioni finanziarie e la sicurezza della difesa nazionale. Con la continua maturità della tecnologia e la promozione delle applicazioni, si prevede che la comunicazione quantistica sicura costruirà in futuro una rete di comunicazione più sicura e affidabile.

(1) Generatore quantistico di numeri casuali (QRNG)

Un generatore di numeri casuali è un dispositivo o algoritmo in grado di generare una sequenza di numeri casuali. I generatori di numeri casuali sono molto importanti nella crittografia e vengono utilizzati per generare chiavi di crittografia, vettori di inizializzazione (IV) e altri parametri che devono essere mantenuti segreti. Garantiscono la sicurezza e l'imprevedibilità del processo di crittografia.

I generatori di numeri casuali si dividono in generatori di numeri casuali veri (TRNG, True Random Number Generator) e generatori di numeri pseudo-casuali (PRNG, Pseudo-Random Number Generator TRNG si riferisce generalmente alla generazione di casualità basata su processi fisici o fenomeni naturali). come gli elettroni, il rumore termico delle apparecchiature, il decadimento radioattivo, il tempo di arrivo dei fotoni, ecc. Poiché si basano su processi fisici imprevedibili, sono considerati “veramente” casuali. PRNG utilizza un algoritmo deterministico, partendo da uno stato iniziale (seme) e generando una sequenza casuale di numeri secondo le regole dell'algoritmo.

Poiché TRNG può generare un numero limitato di numeri casuali al secondo, TRNG viene solitamente utilizzato come "seme" di PRNG per generare una sequenza di numeri casuali reale e irripetibile. Sebbene PRNG sia anche chiamato generatore di numeri casuali, in realtà è altamente prevedibile. , finché l'algoritmo e lo stato seed sono noti, trovare il TRNG perfetto è sempre stata un'importante direzione di ricerca.

Il generatore di numeri casuali quantistici (QRNG) è un TRNG perfetto che prende in prestito la sovrapposizione casuale quantistica della meccanica quantistica e utilizza le caratteristiche probabilistiche del mondo quantistico per creare una chiave veramente casuale. Da quando il meccanismo quantistico del QRNG è stato completamente padroneggiato e compreso, i componenti quantistici che generano numeri casuali sono stati utilizzati nella crittografia delle informazioni. L'attuale direzione principale di ricerca e sviluppo di QRNG è quella di produrre chip casuali quantistici più economici, più veloci e più piccoli.

(2) Distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD)

La distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) utilizza gli stati quantistici per trasportare informazioni e condividere le chiavi tra le parti comunicanti attraverso un protocollo specifico. Questa tecnologia applica le caratteristiche di base della meccanica quantistica per garantire che qualsiasi tentativo di rubare la chiave trasmessa venga scoperto dagli utenti legittimi per ottenere finora l’unico metodo di comunicazione teoricamente incondizionatamente sicuro.

La chiave per la distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è utilizzare la materia con uno stato quantistico come password e lo stato quantistico ha le seguenti due proprietà chiave, garantendo così la trasmissione sicura delle informazioni:

Innanzitutto, la misurazione di uno stato quantistico cambierà il suo stato: secondo il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, la misurazione di uno stato quantistico causerà il suo cambiamento di stato. Se qualcuno tenta di rubare le informazioni in trasmissione, è necessario misurare lo stato quantistico, il che avrà un impatto sul sistema quantistico e verrà notato dagli utenti legittimi.

In secondo luogo, l’implonnabilità degli stati quantistici: secondo i principi della meccanica quantistica, è impossibile copiare perfettamente uno stato quantistico sconosciuto. Ciò significa che l'informazione completa dello stato quantistico non può essere rubata durante il processo di trasmissione, garantendo la sicurezza dell'informazione.

In questa fase, la tecnologia di comunicazione quantistica sicura utilizza principalmente la rete QKD per ottenere una distribuzione sicura delle chiavi, quindi la combina con la tecnologia di crittografia simmetrica per garantire la trasmissione sicura delle informazioni. Per dirla semplicemente, ad entrambe le estremità di una fibra ottica monomodale vengono aggiunte apparecchiature di invio e ricezione dello stato quantico ottico che possono sostituire le funzioni dei moduli ottici comunemente utilizzati per ottenere una comunicazione sicura basata sulla crittografia fisica.

La tecnologia QKD è la tecnologia chiave per realizzare la comunicazione quantistica, ma con vari protocolli QKD sicuri, anche le reti quantistiche ad alta velocità e lunga distanza di trasmissione sono una parte indispensabile per realizzare la comunicazione quantistica. Sebbene la tecnologia della comunicazione quantistica sia inizialmente diventata pratica grazie alla QKD e ad altre soluzioni, la distanza di trasmissione e i costi sono ancora fattori che limitano l’applicazione e lo sviluppo industriale dell’intero settore. La QKD commerciale punto-punto basata su fibra ha una distanza di trasmissione limitata, mentre la trasmissione QKD a lunga distanza da satellite a terra richiede componenti costosi come i satelliti. L’obiettivo di sviluppo futuro della comunicazione quantistica è quello di stabilire un sistema di rete di comunicazione quantistica su vasta area che copra il mondo, e le tecnologie correlate necessitano ancora di ulteriori progressi.

(3) Teletrasporto quantistico (QT)

Il teletrasporto quantistico (QT) è un metodo di trasmissione di informazioni basato sui principi della meccanica quantistica. Consente allo stato di un sistema quantistico (come un qubit) di essere trasmesso accuratamente da una posizione (spesso chiamata "estremità di invio") a un altro luogo (spesso chiamato "estremità di ricezione") senza un mezzo di trasmissione fisico). Il teletrasporto quantistico non implica il movimento istantaneo della materia stessa, ma il trasferimento istantaneo di informazioni quantistiche.

La realizzazione del teletrasporto quantistico si basa sui seguenti principi della meccanica quantistica:

Entanglement quantistico: esiste una connessione speciale tra due o più particelle quantistiche, anche se sono distanti, un cambiamento nello stato di una particella influenzerà immediatamente lo stato delle altre particelle con essa intrecciate.

Teorema di non clonazione degli stati quantistici: è impossibile realizzare una copia perfetta di uno stato quantistico sconosciuto.

Misurazione quantistica: la misurazione dei sistemi quantistici porta al collasso dello stato e i risultati della misurazione sono generalmente casuali.

I passaggi fondamentali del teletrasporto quantistico includono:

a. Preparare una coppia di particelle aggrovigliate e inviarne una all'estremità ricevente e l'altra all'estremità inviante.

b. All'estremità di invio, eseguire una misurazione congiunta specifica del qubit da trasmettere e delle particelle entangled all'estremità di invio. Questa misurazione fa sì che le informazioni del qubit vengano trasferite alla particella entangled all'estremità ricevente, ma il processo è casuale e distrugge lo stato originale del qubit.

c. Inviare i risultati delle misurazioni congiunte (informazioni classiche) al destinatario attraverso i normali canali di comunicazione (come telefono o Internet).

d. Sulla base delle informazioni classiche ricevute, l'estremità ricevente esegue una serie di operazioni quantistiche sulle particelle entangled che possiede per ricostruire lo stato originale del qubit.

Attraverso questo processo, l'informazione quantistica del mittente viene "trasmessa in modo invisibile" al destinatario. È importante notare che il teletrasporto quantistico non consente comunicazioni più veloci della luce, poiché la ricostruzione dello stato originale si basa sulle informazioni trasmesse attraverso i canali di comunicazione classici e questa velocità di trasmissione è limitata dalla velocità della luce.

Il teletrasporto quantistico è attualmente studiato principalmente in un ambiente di laboratorio. Il teletrasporto quantistico è una tecnologia chiave per realizzare comunicazioni quantistiche a lunga distanza e reti quantistiche e si prevede che svolgerà un ruolo importante nel futuro Internet quantistico.

(4) Crittografia post-quantistica (PQC)

La tecnologia PQC si riferisce allo sviluppo e alla progettazione di algoritmi di crittografia in grado di resistere agli attacchi informatici quantistici. Allo stato attuale, PQC e il campo della crittografia quantistica hanno sviluppato una varietà di tecniche e algoritmi di crittografia per combattere le minacce dell’informatica quantistica. L’obiettivo è evitare l’uso della fattorizzazione di numeri interi e di problemi di logaritmi discreti per crittografare i dati. Metodi specifici includono la crittografia basata su reticolo, la crittografia basata su hash, la crittografia basata su codice e la crittografia basata su più variabili.

Tra queste, la tecnologia di crittografia basata su reticolo è attualmente considerata la più importante e affidabile. Nel lavoro di standardizzazione PQC più influente al mondo condotto dal National Institute of Standards and Technology (NIST), tre dei quattro algoritmi standardizzati selezionati da esso nel 2023 sono tecnologie di crittografia basate su reticolo.

Sebbene la nuova crittografia post-quantistica sia resistente all’algoritmo quantistico di Shor, non è infallibile. Da un lato, sebbene questi problemi di crittografia post-quantistica sembrino attualmente difficili da risolvere, in futuro potrebbero essere scoperti nuovi metodi per risolverli, dall'altro l'effettiva implementazione degli algoritmi di crittografia post-quantistica potrebbe anche presentare dei difetti; problemi nella selezione dei parametri. Gli errori possono diventare potenziali vulnerabilità della sicurezza.

È stato riferito che l'attuale sicurezza dell'algoritmo PQC si è estesa dalle vulnerabilità matematiche teoriche ai livelli di applicazione pratica Il Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM), uno degli algoritmi standardizzati nominati dal NIST, è stato esposto in risposta ai canali laterali nel 2023. Vulnerabilità della sicurezza negli attacchi.

L’emergere di attacchi reali sottolinea l’importanza di verificare e riparare tempestivamente le potenziali vulnerabilità durante l’implementazione dell’algoritmo PQC, spingendo al continuo miglioramento ed evoluzione dell’algoritmo PQC per migliorare la sicurezza negli scenari applicativi reali.

La tecnologia crittografica occupa una posizione molto importante per la sicurezza nazionale. Per mantenere sicuro il mondo digitale, la tecnologia PQC deve evolversi costantemente ed essere aggiornata per adattarsi in qualsiasi momento alle nuove minacce.

4.3 Rete di comunicazione quantistica e Internet quantistico

(1) Stato di costruzione della rete di sicurezza della comunicazione quantistica nel mio paese

L'attrezzatura principale della rete di comunicazione quantistica sicura comprende prodotti QKD, prodotti di scambio di canali e reti chiave, ecc. Le reti di comunicazione quantistiche sicure attualmente realizzabili includono reti locali, reti metropolitane e reti dorsali.

La rete locale realizza l'accesso di più terminali in un'unità o in un luogo e non ha requisiti di distanza elevata, la rete metropolitana è responsabile del collegamento di diverse aree all'interno della città, collegando la rete dorsale uplink e downlink quella locale rete d'area; e la rete dorsale realizza la comunicazione interprovinciale e transfrontaliera. Le connessioni urbane (compresi i metodi di implementazione della fibra ottica terrestre e delle stazioni satellitari-terrestri) sono attualmente dominate dalla fibra ottica terrestre, che ha requisiti di distanza elevata.

Nell'agosto 2016, il mio Paese ha lanciato con successo il primo satellite sperimentale di scienza quantistica al mondo, Mozi, diventando il primo Paese al mondo a realizzare la comunicazione quantistica tra un satellite e la terra, e ha verificato completamente l'uso delle piattaforme satellitari per ottenere la comunicazione quantistica globale. fattibilità.

Nel 2018, con l'approvazione della Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma, Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., una filiale dell'Accademia cinese delle scienze, ha assunto il compito di costruire la prima fase della comunicazione nazionale sicura quantistica su vasta area rete dorsale Nel 2022 l'intera linea sarà completata e accettata. La rete quantistica nazionale copre importanti aree strategiche nazionali come Pechino-Tianjin-Hebei, il delta del fiume Yangtze, la Greater Bay Area di Guangdong-Hong Kong-Macao e il circolo economico di Chengdu-Chongqing 10.000 chilometri. È la prima e attualmente unica rete quantistica di dominio su larga scala al mondo.

Nel giugno 2023, in occasione del 5° Forum di alto livello sullo sviluppo integrato del delta del fiume Yangtze, sono stati rilasciati i risultati della costruzione della rete dorsale di comunicazione sicura quantistica regionale del delta del fiume Yangtze costruita e gestita da Guoke Quantum. Il chilometraggio totale della rete dorsale di comunicazione quantistica sicura nella regione del delta del fiume Yangtze è di circa 2.860 chilometri, formando una rete ad anello con Hefei e Shanghai come nodi principali, che collega Nanchino, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu e altre città.

In termini di rete dell'area metropolitana, nell'agosto 2022, Hefei, nella provincia di Anhui, ha aperto la rete dell'area metropolitana quantistica di Hefei, che all'epoca era la rete dell'area metropolitana quantistica più grande, più ampiamente coperta e più utilizzata nel paese, di cui 8 core siti di rete e 159 siti di rete di accesso, la lunghezza totale della fibra ottica è di 1147 chilometri.

Attualmente, venti o trenta città hanno le proprie reti metropolitane quantistiche, e si prevede che la costruzione di linee principali di reti dorsali quantistiche accelererà la costruzione di reti metropolitane nelle corrispondenti città di supporto. Prendendo come esempio Shanghai, alla Shanghai Industrial Technology Innovation Conference tenutasi il 22 marzo 2024, Shanghai Telecom ha dichiarato che prevede di costruire una rete metropolitana di comunicazione quantistica sicura nell'area di Shanghai. Si prevede di completare la prima fase di costruzione nel 2024, diventando così a livello nazionale il primo esempio di riferimento di una pratica rete di comunicazione quantistica.

L’investimento nella costruzione della rete quantistica e le dimensioni dell’intero progetto sono piuttosto ingenti, ma attualmente ci sono meno applicazioni di rete quantistica e gruppi di clienti rispetto ai progetti tradizionali. Pertanto, le successive applicazioni quantistiche devono ancora essere promosse congiuntamente da varie industrie per accelerare la costruzione dell’intera rete quantistica.

In conformità con i "quattro nuovi" standard (nuovi percorsi, nuove tecnologie, nuove piattaforme e nuovi meccanismi), la Commissione per la supervisione e l'amministrazione dei beni di proprietà statale del Consiglio di Stato ha recentemente selezionato e determinato il primo gruppo di imprese start-up accelerare la creazione di nuovi campi e nuovi percorsi, coltivare e sviluppare nuove forze produttive e concentrarsi sulla creazione di campi emergenti come l’intelligenza artificiale, l’informazione quantistica e la biomedicina.

In precedenza, nel gennaio 2024, sette dipartimenti tra cui il Ministero dell'Industria e dell'Informazione, il Ministero della Scienza e della Tecnologia e la Commissione per la supervisione e l'amministrazione dei beni di proprietà statale del Consiglio di Stato hanno pubblicato congiuntamente i "Pareri di attuazione sulla promozione dell'innovazione industriale futura e Development" e ha proposto di implementare in modo proattivo nuovi percorsi per promuovere la prossima generazione di comunicazioni mobili, applicazioni industriali di Internet via satellite, informazioni quantistiche e altre tecnologie.

L’intensa pubblicazione di politiche pertinenti riflette la comprensione da parte del mio Paese dell’importanza della tecnologia di comunicazione quantistica, fornisce un forte sostegno politico per lo sviluppo del settore e si prevede che promuoverà l’industria cinese della comunicazione quantistica per raggiungere nuovi traguardi in futuro.

(2) Internet quantistica

Quantum Internet è un nuovo concetto di rete di comunicazione basato sulla tecnologia dell'informazione quantistica. Utilizza i principi della meccanica quantistica per realizzare la generazione, l'archiviazione, la trasmissione e l'elaborazione dei dati. Diversamente dall’Internet tradizionale basata sui principi della fisica classica, il nucleo dell’Internet quantistica è utilizzare le caratteristiche dei qubit e dell’entanglement quantistico per fornire capacità di comunicazione più sicure ed efficienti.

Oltre a trasmettere informazioni quantistiche in modo assolutamente sicuro, l’Internet quantistica può anche utilizzare sensori quantistici e computer quantistici per impegnarsi in misurazioni di precisione quantistica, visti digitali quantistici, calcolo quantistico distribuito, ecc.

L'Internet quantistica ha tre punti principali: in primo luogo, i dispositivi collegati alla rete sono dispositivi quantistici; in secondo luogo, la rete trasmette informazioni quantistiche; in terzo luogo, il metodo di trasmissione della rete si basa sulla meccanica quantistica;

Sebbene siano stati costruiti alcuni satelliti per comunicazioni quantistiche e stazioni base terrestri e sia stata raggiunta con successo la distribuzione interregionale delle chiavi quantistiche, la costruzione di un Internet quantistico globale deve ancora affrontare enormi sfide tecniche e ingegneristiche, che richiedono la risoluzione di problemi di sicurezza in condizioni reali problemi di trasmissione a lunga distanza.

Attualmente, la distanza di sicurezza della QKD punto a punto utilizzando la fibra ottica raggiunge circa 100 chilometri. Con la tecnologia esistente, la distanza della comunicazione quantistica può essere effettivamente allungata tramite ripetitori affidabili.

Nel 2017, la linea principale di comunicazione quantistica sicura del mio paese "Beijing-Shanghai Trunk Line", attraverso 32 nodi relè, ha collegato l'intera rete quantistica in fibra ottica interurbana di circa 2.000 chilometri e si è agganciata con successo al satellite quantistico "Mozi", costruendo un mondo la prima Internet quantistica stella-terra.

Nel gennaio 2018, Cina e Austria hanno ottenuto per la prima volta la distribuzione della chiave quantistica intercontinentale su una distanza di 7.600 chilometri e hanno utilizzato la chiave condivisa per ottenere trasmissione dati crittografata e comunicazione video, dimostrando che "Mozi" ha la capacità di raggiungere la chiave quantistica intercontinentale. distribuzione delle chiavi. Capacità di comunicare in modo confidenziale.

L’invenzione di Internet ha portato l’umanità nell’era dell’informazione e l’Internet quantistica offrirà l’opportunità di cambiare il mondo. I principali paesi di tutto il mondo stanno attivamente pianificando. Nell'agosto 2020, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha pubblicato il rapporto "Stabilire una rete quantistica nazionale per guidare una nuova era delle comunicazioni", proponendo un progetto strategico per la costruzione di un'Internet quantistica nazionale entro 10 anni.

In generale, i computer quantistici commerciali non sono ancora stati applicati su larga scala e l'Internet quantistica che collega i computer quantistici è ancora un concetto futuro. La rete di comunicazione quantistica sicura QKD attualmente promossa da vari paesi è il prototipo dell'Internet quantistica L’obiettivo dell’Internet quantistica è quello di combinare l’informatica quantistica, la misurazione quantistica e altre integrazioni funzionali.

4.4 Applicazioni della comunicazione quantistica

Secondo le previsioni dell’ICV, il mercato globale delle comunicazioni quantistiche ammonterà a circa 2,3 miliardi di dollari nel 2021 e si prevede che crescerà fino a 15,3 miliardi di dollari entro il 2025 e a 42,1 miliardi di dollari entro il 2030, con un CAGR di circa il 34% dal 2021 al 2030. .

La catena industriale della comunicazione quantistica è principalmente suddivisa in componenti a monte e apparecchiature principali, linee di trasmissione di rete midstream e piattaforme di sistema e mercati delle applicazioni di sicurezza a valle. Allo stato attuale, il mercato della comunicazione quantistica è ancora nella fase di costruzione dell’infrastruttura della rete di comunicazione e le apparecchiature e le soluzioni fondamentali sono ancora la chiave della catena industriale. Secondo i dati ICV, si prevede che la dimensione del mercato delle apparecchiature e delle soluzioni core upstream e midstream rappresenterà l’80% nel 2025, pari a circa 12,24 miliardi di dollari.

A giudicare dall’attuale costruzione dell’infrastruttura di comunicazione quantistica nel mio paese, la costruzione di oltre 12.000 chilometri di reti dorsali quantistiche è stata completata. Secondo il piano complessivo, in futuro potrebbero essere costruiti quasi 20.000 chilometri di rete dorsale, che coinvolgerà Pechino fino a Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an e altri luoghi.

Poiché l’infrastruttura della rete di comunicazione quantistica del mio paese viene ulteriormente migliorata, vale la pena aspettarsi anche applicazioni commerciali a valle. I dati di consulenza ICV mostrano che la dimensione del mercato delle applicazioni downstream della comunicazione quantistica nel 2021 è di circa 230 milioni di dollari. Si prevede che la dimensione del mercato delle applicazioni downstream della comunicazione quantistica sarà di 3,06 miliardi di dollari nel 2025 e raggiungerà gli 11,788 miliardi di dollari nel 2030. Il CAGR dal 2021. al 2030 è pari a circa il 54,87%.

Al momento, la comunicazione quantistica sicura è ancora limitata a campi come la difesa nazionale, la finanza e gli affari governativi. In futuro, il settore della comunicazione quantistica consentirà scenari più a valle e le aziende interessate stanno esplorando attivamente campi di applicazione più commerciali.

Tra questi, Guodun Quantum è un partner congiunto per integrare la tecnologia di sicurezza quantistica con big data, cloud computing, Internet delle cose, intelligenza artificiale, ecc. per promuovere congiuntamente l'ecologia industriale "Quantum+". Guodun Quantum e China Telecom hanno lanciato congiuntamente prodotti e servizi come "Quantum Security OTN Private Line" e "Quantum Encrypted Intercom". Il numero di utenti del settore vocale crittografato quantistico ha ormai raggiunto più di un milione; La società per azioni Zhejiang Guodun Electricity ha effettuato dimostrazioni dell'applicazione "quantum + 5G" nel campo dell'energia elettrica. La prima "sottostazione quantistica +" della provincia di Zhejiang è stata messa in funzione a Shaoxing e ha collaborato con aziende come DingTalk (Cina). sviluppare congiuntamente una serie di prodotti per ufficio sicuri come il "Quantum Security Application Portal".

Man mano che la tecnologia di rete di distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) matura e le apparecchiature terminali diventano mobili e miniaturizzate, le applicazioni di comunicazione quantistica sicura si espanderanno alle reti di telecomunicazioni, alle reti aziendali, alle reti domestiche personali e ad altri campi.

5. Misurazione della precisione quantistica

La tecnologia di misurazione di precisione quantistica si basa sulla meccanica quantistica come teoria di base e utilizza principi tecnici come la transizione del livello di energia delle particelle, l'entanglement quantistico e la coerenza quantistica per preparare, misurare e leggere gli stati quantistici di particelle microscopiche come atomi e fotoni. realizzare parametri fisici come la misurazione di precisione ad alta precisione di parametri fisici come campo magnetico, frequenza, campo elettrico, tempo, lunghezza, ecc.

5.1 Definizione di misurazione della precisione quantistica

Importanti mezzi tecnici per la misurazione della precisione quantistica includono: misurazione del livello di energia delle particelle microscopiche, misurazione della sovrapposizione coerente quantistica e misurazione dell’entanglement quantistico, che sono anche gli attributi di base della meccanica quantistica.

(1) Basato sulla misurazione microscopica del livello di energia delle particelle

Secondo la teoria atomica di Bohr, gli atomi rilasciano onde elettromagnetiche quando passano da uno "stato energetico" elevato a uno "stato energetico basso". Questa frequenza caratteristica dell'onda elettromagnetica è discontinua. Quando la quantità fisica da misurare interagisce con il sistema quantistico, il sistema quantistico subisce cambiamenti come transizione del livello energetico, suddivisione del livello energetico o degenerazione. In questo momento, il sistema quantistico irradierà o assorbirà lo spettro e l'energia della radiazione o lo spettro di assorbimento è correlato alla quantità di energia misurata in relazione alle quantità fisiche. La tecnologia basata sulla misurazione microscopica del livello di energia delle particelle ha requisiti elevati sull'ambiente esterno (come temperatura, campo magnetico, ecc.) e si basa sulla tecnologia di manipolazione dello stato quantistico. Ad esempio, nel 1967, 9192631770 volte il periodo di transizione del livello energetico degli elettroni in un atomo di cesio fu definito come 1 s, applicando il principio tecnico dei livelli energetici delle particelle microscopiche.

(2) Misurazione basata sulla coerenza quantistica

La tecnologia di misurazione basata sulla coerenza quantistica sfrutta principalmente le caratteristiche di fluttuazione del sistema quantistico. La grandezza fisica da misurare ha effetti diversi sui due raggi atomici. Quando i due raggi atomici interferiscono, la grandezza fisica da misurare si riflette nella differenza di fase dei raggi atomici. Giroscopi atomici, gradiometri gravitazionali, ecc. utilizzano principi tecnici basati sulla coerenza quantistica. Mezzi tecnici basati sulla coerenza quantistica sono stati applicati in campi quali il rilevamento della gravità e la navigazione inerziale. La prossima tendenza di sviluppo è verso la miniaturizzazione e lo sviluppo di chip per migliorare la praticità del sistema.

(3) Misurazione basata sull'entanglement quantistico

La tecnologia di misurazione basata sull'entanglement quantistico pone n quanti in uno stato entangled. Gli effetti dell'ambiente esterno sugli n quanti verranno sovrapposti in modo coerente, facendo sì che la precisione della misurazione finale raggiunga 1/n di un singolo quanto. Questa precisione supera il limite del rumore di sparo della meccanica classica ed è la massima precisione ottenibile nell'ambito della teoria della meccanica quantistica: il limite di Heisenberg. Attualmente, i campi di applicazione della tecnologia di misurazione basata sull’entanglement quantistico includono le comunicazioni quantistiche, la navigazione satellitare quantistica, il radar quantistico, ecc.

In poche parole, la misurazione di precisione quantistica utilizza le proprietà della sovrapposizione quantistica e dell’entanglement quantistico per superare i limiti classici della tecnologia di misurazione tradizionale partendo dai principi di base e combinare vari cambiamenti nell’ambiente, come temperatura, campo magnetico, pressione, tempo, lunghezza, peso, ecc. Varie quantità fisiche di base e quantità derivate sono state portate a limiti quantistici.

5.2 Stato di sviluppo e difficoltà della tecnologia di misurazione di precisione quantistica

Tra i tre principali campi dell’informazione quantistica, la misurazione quantistica ha le caratteristiche di diverse direzioni tecniche, ricchi scenari applicativi e chiare prospettive di industrializzazione. La maturità dello sviluppo di ciascuna direzione tecnica della misurazione quantistica è molto diversa. Esistono prodotti commerciali maturi come orologi atomici e gravimetri atomici, nonché prodotti prototipo come magnetometri quantistici, radar quantistici ottici e giroscopi quantistici che sono nella ricerca ingegneristica e. fasi di sviluppo ed esplorazione delle applicazioni, nonché prototipi come l'imaging di correlazione quantistica e l'antenna atomica di Rydberg che sono ancora in fase di risoluzione dei problemi tecnologici del sistema.

Il progresso della tecnologia di misurazione di precisione quantistica richiede fusione incrociata e innovazione nella fisica quantistica, nella scienza dei materiali, nell’ottica, nell’elettronica e in altri campi. Si trova ad affrontare molte difficoltà tecniche, tra cui:

(1) Generazione e mantenimento dell'entanglement quantistico: l'entanglement quantistico è una risorsa chiave nelle misurazioni di precisione quantistica, ma non è facile generare stati entangled di alta qualità negli esperimenti e gli stati entangled vengono facilmente districati a causa dell'interferenza dell'ambiente esterno ( cioè decoerenza).

(2) Decoerenza e controllo del rumore: i sistemi quantistici sono molto fragili e facilmente influenzati dall'ambiente esterno, portando alla decoerenza degli stati quantistici. Allo stesso tempo, anche varie fonti di rumore, come rumore termico, rumore elettromagnetico, ecc., interferiranno con i risultati della misurazione. Pertanto, per ottenere misurazioni di alta precisione è necessario un eccellente controllo del rumore e della decoerenza.

(3) Efficienza e risoluzione del rilevatore: le misurazioni di precisione quantistica spesso richiedono rilevatori ad alta efficienza e ad alta risoluzione per rilevare gli stati quantistici. I rilevatori attuali hanno ancora margini di miglioramento, soprattutto in termini di efficienza di rilevamento e risoluzione temporale.

(4) Calibrazione del sistema e analisi degli errori: per garantire l'accuratezza della misurazione, il sistema di misurazione quantistica deve essere calibrato accuratamente. Inoltre, anche l’analisi degli errori dei risultati delle misurazioni è molto complessa e devono essere considerati molti fattori come errori sistematici ed errori statistici.

(5) Controllo degli stati quantistici: la misurazione della precisione quantistica spesso richiede un controllo preciso degli stati quantistici, inclusa la preparazione di stati quantistici specifici e il raggiungimento di una conversione precisa dello stato quantistico. Queste operazioni richiedono capacità sperimentali estremamente elevate.

(6) Sviluppo di materiali e dispositivi: la realizzazione di materiali e dispositivi per la misurazione di precisione quantistica, come punti quantici, interferometri quantistici superconduttori, ecc., non deve solo soddisfare le esigenze della misurazione quantistica, ma anche avere stabilità e ripetibilità sfida sia nella scienza dei materiali che nell’ingegneria dei dispositivi.

(7) Scalabilità dei sistemi quantistici su larga scala: sebbene siamo stati in grado di ottenere un controllo relativamente preciso dei sistemi quantistici su piccola scala, come estendere queste tecnologie a sistemi su larga scala per ottenere risultati di misurazione di maggiore precisione è ancora una questione da risolvere. problema.Una sfida enorme.

Con il continuo sviluppo della tecnologia quantistica, queste difficoltà verranno gradualmente superate, favorendo così l’espansione della misurazione di precisione quantistica in campi di applicazione pratica. Il sistema metrologico internazionale è in un periodo di sviluppo e trasformazione da standard fisici basati sulla fisica classica a "standard quantistici".

Il "Piano di sviluppo della misurazione (2021-2035)" emanato dal Consiglio di Stato nel 2021 e il "14° Piano quinquennale per la modernizzazione della vigilanza del mercato" emanato dal Consiglio di Stato nel 2022 menzionano chiaramente la necessità di istituire un sistema nazionale di misurazione moderno e avanzato con la metrologia quantistica come sistema centrale, è necessario sviluppare e stabilire standard di misurazione quantistica, studiare la tecnologia di misurazione quantistica basata su effetti quantistici e costanti fisiche e promuovere il miglioramento degli standard di misurazione.

5.3 Applicazione della misura di precisione quantistica

Secondo i dati ICV, si prevede che il mercato globale della densità di precisione quantistica crescerà da 1,47 miliardi di dollari nel 2023 a 3,90 miliardi di dollari nel 2035, mostrando una continua tendenza al rialzo, con un tasso di crescita annuo composto del 7,79%. Tra questi, i tre principali segmenti di mercato degli orologi quantistici, dei gravimetri e gradiometri quantistici e dei magnetometri quantistici hanno dimensioni di mercato di grandi dimensioni e insieme rappresentano circa l’85% del mercato delle misurazioni di precisione quantistica.

(1) Orologio quantistico

Essendo un prodotto di misurazione della precisione quantistica relativamente maturo, gli orologi atomici hanno capacità di misurazione del tempo estremamente precise e stabili. Allo stato attuale, la tecnologia dell’orologio atomico ottico sta rapidamente espandendo i suoi campi di applicazione, coprendo molteplici settori come le comunicazioni mobili ferroviarie, i data center, la difesa nazionale e la misurazione scientifica. Questa tendenza mostra che gli orologi atomici ottici non solo funzionano bene nei laboratori scientifici, ma si stanno gradualmente spostando verso applicazioni pratiche, fornendo servizi di misurazione e sincronizzazione del tempo precisi per diversi settori.

Gli orologi quantistici possono svolgere un ruolo importante in molti campi grazie alla loro stabilità e precisione estremamente elevate. Di seguito sono riportati alcuni principali scenari applicativi:

Sistema di posizionamento globale (GPS) e navigazione satellitare: gli orologi quantistici potrebbero essere utilizzati per migliorare la precisione del GPS e di altri sistemi di navigazione satellitare. Poiché questi sistemi si basano su misurazioni temporali precise per calcolare le informazioni sulla posizione, gli orologi quantistici potrebbero migliorare notevolmente le loro prestazioni e affidabilità.

Ricerca scientifica: gli esperimenti di fisica, in particolare quelli che comportano la misurazione di differenze estremamente piccole nel tempo, potrebbero trarre vantaggio dall’elevata precisione e stabilità degli orologi quantistici. Ciò include misurazioni di costanti fisiche fondamentali, esperimenti quantistici di precisione, osservazioni astrofisiche ed esplorazione delle leggi fondamentali dell'universo.

Reti di comunicazione: gli orologi quantistici possono migliorare la precisione della sincronizzazione della rete, che è fondamentale per mantenere l’affidabilità dei sistemi di trasmissione e comunicazione dati ad alta velocità. Con la continua espansione dei data center e delle infrastrutture di rete, cresce anche la necessità di sincronizzazione temporale.

Transazioni finanziarie: nel settore finanziario, le transazioni richiedono timestamp precisi. La precisione degli orologi quantistici può essere utilizzata per migliorare la trasparenza e l’equità dei sistemi commerciali, soprattutto nel commercio ad alta frequenza.

Militari e difesa: la misurazione precisa del tempo è fondamentale per le moderne comunicazioni militari, la navigazione, la raccolta di informazioni e i sistemi d'arma. Gli orologi quantistici potrebbero migliorare le prestazioni e la precisione di questi sistemi.

Informatica quantistica e informazione quantistica: gli orologi quantistici potrebbero svolgere un ruolo importante anche nel campo dei computer quantistici e delle comunicazioni quantistiche, che si basano sul controllo e sulla misurazione precisi dello stato dei bit quantistici (qubit).

Geofisica e monitoraggio del clima: si prevede che gli orologi quantistici verranno utilizzati per monitorare in modo più accurato la rotazione della Terra, i movimenti della crosta e i cambiamenti del livello del mare, dati fondamentali per comprendere e prevedere i cambiamenti climatici e i disastri naturali.

Esplorazione dello spazio profondo: nelle missioni nello spazio profondo, gli orologi quantistici possono fornire navigazione e controllo più precisi, aiutando i veicoli spaziali a percorrere lunghe distanze nell'universo.

Secondo i dati ICV, il mercato degli orologi quantistici mostrerà un trend di crescita costante dal 2023 al 2035, con una dimensione del mercato che aumenterà da 580 milioni di dollari nel 2023 a 1,21 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 5,77%.

(2) Gravimetro quantistico

Il gravimetro quantistico è uno strumento di alta precisione che utilizza i principi della meccanica quantistica per misurare il campo gravitazionale terrestre. Questi dispositivi utilizzano tipicamente nubi di atomi ultrafredde per rilevare piccoli cambiamenti nel campo gravitazionale effettuando misurazioni precise del movimento di caduta libera degli atomi. I gravimetri quantistici funzionano basandosi sull’interferenza quantistica, un fenomeno della fisica quantistica in cui le funzioni d’onda (o stati) degli atomi vengono divise, trasferite e ricombinate per produrre modelli di interferenza misurabili.

Poiché la richiesta di misurazioni accurate dei campi gravitazionali e dei gradienti gravitazionali nella ricerca scientifica e nelle applicazioni ingegneristiche continua ad aumentare, i gravimetri quantistici e i gradiometri a gravità quantistica sono stati ampiamente utilizzati sul campo grazie ai vantaggi dell'elevata affidabilità della scena dinamica e dell'assenza di deriva:

Ricerca geofisica: rilevamento del movimento della crosta, monitoraggio dei terremoti, ricerca sull'attività vulcanica, misurazione del livello delle acque sotterranee, ecc.

Esplorazione di minerali e petrolio: determina la distribuzione della densità delle rocce sotterranee per aiutare a scoprire risorse minerarie e giacimenti petroliferi.

Ingegneria e costruzione: nei progetti di costruzione, i cambiamenti di gravità vengono monitorati per valutare la stabilità delle fondazioni.

Difesa e sicurezza nazionale: le capacità di misurazione ad alta precisione dei gravimetri quantistici hanno potenziali applicazioni nel settore della difesa, ad esempio per la navigazione subacquea e il rilevamento di strutture sotterranee.

Sistema di navigazione: fornisce informazioni precise sulla navigazione inerziale per sottomarini o altri veicoli che richiedono dati di riferimento a terra precisi.

Attualmente i gravimetri quantistici e i gradiometri vengono utilizzati principalmente in campo militare. Secondo i dati ICV, nel 2023 il settore militare e della difesa rappresentava il 44% della quota di mercato, seguito dal settore della ricerca con una quota del 33%, mentre il mercato civile relativo all’esplorazione di petrolio e gas rappresentava il 23%.

Man mano che la tecnologia continua a maturare e il mercato delle applicazioni a valle continua ad espandersi, il prezzo e le prestazioni del prodotto giocheranno un ruolo chiave. Il mercato civile determinerà una forte crescita nei mercati del gravimetro quantistico e del gradiometro a gravità quantistica. Le dimensioni del mercato cresceranno rapidamente da 170 milioni di dollari nel 2023 a 1,07 miliardi di dollari nel 2035, con un tasso di crescita annuo composto del 15,21%, a dimostrazione dell’enorme potenziale di questo campo.

(3) Magnetometro quantistico

Un magnetometro quantistico è uno strumento che utilizza gli effetti quantistici per misurare l'intensità dei campi magnetici. Sono generalmente più sensibili dei magnetometri tradizionali e possono rilevare campi magnetici estremamente deboli. Il principio di base su cui funzionano i magnetometri quantistici è che quando lo stato quantistico di alcune sostanze (solitamente atomi o elettroni) è influenzato da un campo magnetico esterno, i loro livelli energetici cambiano. Misurando accuratamente questi cambiamenti nei livelli di energia, è possibile dedurre la forza del campo magnetico.

Nell’attuale mercato dei magnetometri quantistici, la diversità tecnologica è una caratteristica notevole. Varie tecnologie, tra cui magnetometri protonici, magnetometri SQUID, magnetometri OPM, magnetometri SERF, magnetometri a centro colore NV, ecc., offrono tutti vantaggi unici in diversi scenari applicativi. Ciò consente al mercato di presentare una gamma diversificata e ampia di scelte tecnologiche.

I magnetometri quantistici hanno elevata sensibilità e precisione e hanno un'ampia gamma di scenari applicativi in ​​molti campi. Di seguito sono riportati alcuni scenari applicativi principali:

Esplorazione geofisica: i magnetometri quantistici possono essere utilizzati per rilevare minerali magnetici, come il minerale di ferro, nel terreno, aiutando i geologi a identificare le risorse minerarie. Inoltre, possono essere utilizzati per monitorare i cambiamenti nel campo geomagnetico per prevedere terremoti e altri eventi geologici.

Imaging medico: nella risonanza magnetica (MRI), i magnetometri quantistici possono aiutare a migliorare la risoluzione e la qualità dell’imaging. Inoltre, possono essere utilizzati nell’imaging con particelle magnetiche (MPI), una tecnologia di imaging emergente che promette di diventare in futuro un metodo di imaging medico privo di radiazioni.

Ricerca biologica: i magnetometri quantistici possono essere utilizzati per misurare i campi magnetici deboli negli organismi viventi, ad esempio per monitorare i cambiamenti del campo magnetico nel cuore per studiare le malattie cardiache o per monitorare i segnali nel sistema nervoso.

Militare e sicurezza: in campo militare, i magnetometri quantistici possono essere utilizzati per rilevare sottomarini, mine o altri oggetti metallici nascosti. Inoltre, possono essere utilizzati per impedire ai dispositivi di spionaggio di ascoltare e monitorare.

Spazio e astrofisica: i magnetometri quantistici possono rilevare deboli campi magnetici nello spazio, aiutando a studiare fenomeni come il vento solare, i campi magnetici planetari e i campi magnetici interstellari.

Ricerca fisica fondamentale: nella fisica sperimentale, i magnetometri quantistici possono essere utilizzati per rilevare campi magnetici estremamente deboli, il che è fondamentale per la ricerca in settori come la fisica delle particelle, la fisica quantistica e la fisica della materia condensata.

Applicazioni industriali: i magnetometri quantistici possono essere utilizzati per test non distruttivi, come il rilevamento di piccole crepe e corrosione in condutture, aerei e ponti per garantire la sicurezza di queste strutture.

I magnetometri quantistici sono sempre più utilizzati nella ricerca scientifica, soprattutto in fisica, scienze della Terra e biomedicina. Allo stesso tempo, in campo industriale, i magnetometri quantistici sono ampiamente utilizzati nei test sui materiali magnetici, nella produzione elettronica, ecc. L’espansione di queste applicazioni guida ulteriormente la crescita delle dimensioni del mercato.

Secondo i dati ICV, il mercato dei magnetometri quantistici mostrerà una crescita costante dal 2023 al 2035, passando da 480 milioni di dollari nel 2023 a 1,00 miliardi di dollari nel 2035. Questo trend di crescita è guidato principalmente dalla ricerca scientifica, dall’industria e da altri campi domanda continua di misurazioni magnetiche ad alta precisione sul campo.

6. Panorama degli investimenti nella tecnologia quantistica

6.1 Mappa aziendale della tecnologia quantistica

(1) Principali aziende nel campo dell'informatica quantistica

(2) Principali aziende nel campo delle comunicazioni quantistiche

(3) Principali aziende nel campo della misurazione quantistica

6.2 Valutazione delle principali società nazionali di tecnologia quantistica

Riferimenti per questo rapporto

[1] Zhang Qingrui, "Megatendenze quantistiche"

[2]iCV&Photon Box, "Prospettive di sviluppo del settore dell'informatica quantistica globale per il 2024"

[3]iCV&Photon Box, "Prospettive globali di sviluppo del settore della comunicazione quantistica e della sicurezza per il 2024"

[4]iCV&Photon Box, "Prospettive globali di sviluppo del settore della misurazione quantistica di precisione per il 2024"

[5] Soochow Securities, "Informazione quantistica: la prossima rivoluzione dell'informazione"

i dati mostrano

Dati｜Caso｜Fonte delle opinioni

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Prodotto da: China Business News丨Centro di ricerca sugli investimenti di China Business News

Redattore capo: Qian Kun

Scrittore principale: Wang Yuanli

Redattore: Huang Yu

Approvazione: Qian Kun e Huang Yu

Visione: Fu Lele

Coordinatore: Zhu Guoquan e Zhou Jin

Persona di contatto: Wang [email protected]