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目次

1. 量子の定義と特徴

1.1 量子の重ね合わせ

1.2 量子もつれ

1.3 量子デコヒーレンス

2. 量子超越性の時代が到来する

2.1 第二次量子技術革命

2.2 世界的な量子技術競争

3. 量子コンピューティング

3.1 量子コンピューティングの定義と利点

3.2 量子コンピューティングの主な技術的パス

3.3 量子コンピュータの開発状況と技術的困難性

3.4 量子コンピュータの応用

4. 量子通信とセキュリティ

4.1 量子安全通信の必要性

4.2 主な量子秘密通信技術の開発状況と課題

4.3 量子通信ネットワークと量子インターネット

4.4 量子通信の応用

5. 量子精度測定

5.1 量子精度測定の定義

5.2 量子精密計測技術の開発状況と困難さ

量子精度測定の応用

6. 量子技術投資のパノラマ

6.1 量子コンピューティング、量子通信、量子測定企業地図

6.2 中国の主要量子技術企業の評価

1. 量子の定義と特徴

量子は、微視的な世界の粒子を記述する物理学の基本単位であり、エネルギーと運動量の離散単位です。量子は電子のような「サブ」ではなく、温度などのさまざまな物理現象は、ミクロの世界ではエネルギーの断片から構成されています。運動量は無限に小さな単位に無限に分割できるため、最小の基本単位が 1 つあり、それが量子です。このミクロの世界での無限の割り切りを量子化といいます。

量子には、量子重ね合わせ、量子もつれ、量子測定などの特性があります。これらの特性は物理学において重要であるだけでなく、量子コンピューティング、量子通信、量子測定などの新興量子技術分野でも重要な役割を果たします。量子力学のこれらの特異な特性は、自然の基本法則を理解して活用するための新しい視点を私たちに提供します。

1.1 量子の重ね合わせ

量子重ね合わせは量子力学の重要な概念であり、同時に複数の可能な状態間で重ね合わせ状態になり得る量子系を指します。古典物理学では、物体は 1 つの明確な状態のみをとることができますが、量子力学では、量子系は複数の可能な状態の線形結合をとることができます。これは、場合によっては、量子システムが一度に複数の状態にあり、測定時に定義された状態の 1 つにのみ崩壊する可能性があることを意味します。

量子重ね合わせは量子コンピューティングと量子情報の基礎です。量子重ね合わせを使用することで、量子並列コンピューティングが実現され、計算効率が向上します。

1.2 量子もつれ

量子もつれとは、量子力学における特別な相互接続現象であり、2 つ以上の量子システムが相互作用すると、それらの状態がどれほど離れていても、あるシステムの状態が別のシステムの状態に即座に影響を与えることを意味します。この関連付けはエンタングルメントと呼ばれます。

絡み合った状態にある 2 つの粒子の相関状態は測定するまではわかりませんが、2 つの粒子がどんなに離れていても、絡み合った状態が崩れない限り、どちらかの粒子を計測すればその状態がわかります。他の粒子もそれに応じて決定されます。量子もつれは、量子演算に最も効果的な並列処理方法を提供するだけでなく、量子通信を実現するために不可欠なツールでもあります。量子もつれは環境変化に非常に敏感であるため、非常に正確で高感度の量子センサーを作成するために使用することもできます。

1.3 量子デコヒーレンス

量子デコヒーレンスとは、量子システムにおいて、もともとコヒーレンス（つまり、量子状態の干渉特性と重ね合わせ特性）を持っていた状態が、特定のプロセスまたは相互作用の後にこのコヒーレンス特性を失うことを意味します。量子デコヒーレンスは通常、量子状態をより古典的に、つまり古典物理学の状態に近づけます。

量子デコヒーレンスは、量子測定、量子デコヒーレンス、環境干渉など、さまざまな状況下で発生する可能性があります。その中で、環境干渉は量子デコヒーレンスの最も一般的な原因です。量子システムが周囲の環境と相互作用すると、環境の不確実性とノイズによって量子状態の干渉効果が徐々に消失し、システムのコヒーレンスが徐々に失われます。

コヒーレンスは量子コンピューティングにおける重要なリソースであるため、量子デコヒーレンスは、量子コンピューティングと量子情報処理に影響を与える重要な問題です。したがって、量子状態のコヒーレンス時間を延長し、量子デコヒーレンスの影響を軽減する方法を研究することは、量子情報分野における現在の研究の焦点の 1 つです。

2. 量子超越性の時代が到来する

2.1 第二次量子技術革命

量子概念の最初の提案は、ドイツの物理学者マックス プランクによる 1900 年に遡ります。プランクは量子論の基礎となるエネルギー量子化の概念を提案し、20 世紀初頭に量子物理学革命が始まりました。 1905 年、アルバート アインシュタインは量子の概念をさらに発展させ、光電効果を説明するために光量子 (光子) の概念を提案しました。

「第一次量子技術革命」は20世紀初頭に始まり、マックス・プランク、アルバート・アインシュタイン、ニールス・ボーア、ヴェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュレーディンガー、パウル・ディラックらに代表される物理学者らが量子力学の理論枠組みを確立し、基本的性質を説明した量子力学の博士号を取得し、量子力学と数学、化学、生物学の組み合わせを実現し、原子爆弾、レーザー、トランジスタ、核磁気共鳴、コンピューターなどの多くの主要な発明を生み出しました。

2014年、世界トップの科学雑誌ネイチャーは「第二次量子技術革命」が始まったと提唱した。

「第一次量子技術革命」は人類を工業時代から情報時代に導き、現在進行中の「第二次量子技術革命」は、人類が古典技術の物理的限界を突破して量子時代に突入することを意味し、人類の理解が深まります。量子の世界。量子コンピューターの探求は、単純な「検出時代」から積極的な「規制時代」に移行し、量子コンピューティング、量子通信、および量子精密測定の分野における大きな進歩を告げています。

「第二次量子技術革命」は、量子もつれ、量子重ね合わせ、量子測定などを利用して革新的な応用を実現し、多くの分野で変化を引き起こすことが期待されています。

量子コンピューティング: 量子コンピューターの開発は、特殊な量子コンピューターから汎用量子コンピューターへの移行を経て、最終的には古典的なコンピューターでは処理できない特定の問題を解決できるプログラム可能な汎用量子コンピューターを実現します。

量子通信：盗聴防止通信方式を備え、量子非複製などの安全な通信ネットワークを確立します。主な技術としては、量子鍵配送（QKD）、量子テレポーテーション（QT）などが挙げられます。量子通信技術の発展により、量子インターネットの構築もさらに促進されます。

量子精密測定: 量子精密測定技術は、科学研究や産業に高精度の測定ツールをもたらします。量子状態は外部環境の変化に非常に敏感であるため、量子精密測定の感度と分解能は古典的な限界を大幅に超え、関連分野のスキルの向上。

「第二次量子技術革命」は、量子の世界に対する私たちの理解を変え、複数の分野での量子技術の応用を促進しています。テクノロジーが進歩し続けるにつれて、量子テクノロジーは今後数十年間で私たちの生活や働き方に革命を起こすと予想されています。

2.2 世界的な量子技術競争

「量子技術革命は中国に『車線を変えて追い抜く』機会を与えた。」元国立台湾大学学長代理、中原大学主任教授、フォックスコン量子研究所顧問の張清瑞氏は著書の中で述べた。量子メガトレンド」。

情報技術の時代では、古典的なコンピューターの計算能力の向上はムーアの法則に従います。ムーアの法則によれば、集積回路上に収容できるトランジスタの数は約 2 年ごとに 2 倍になります。しかし、トランジスタのサイズは原子スケールに近づくにつれて、ナノメートルプロセスの正確な制御が重要な技術になっています。 、トランジスタの物理的なサイズはますます縮小し続けています。

「第二次量子技術革命」では、量子の重ね合わせ、量子もつれ、量子計測などの性質を利用して、ムーアの法則の収縮技術だけに頼らず、物体の性質を利用することが可能になります。量子もつれ特性を備えた量子コンポーネントの作成が可能になり、量子もつれ特性を備えた量子コンポーネントの性能は、従来の電子コンポーネントよりもはるかに優れており、「第 2 の量子技術革命」は、より破壊的な革新的な産業をもたらします。

中国の「量子の父」として知られる中国科学技術大学の潘建偉教授は、現代の情報科学に関して、中国は常に学習者であり追随者の役割を果たしてきたと述べた。量子技術の世界では、頑張ればその中でも主力になれる。

現在、我が国の量子通信分野における成果は世界をリードしており、2016年には世界初の量子科学実験衛星「墨子」の打ち上げに成功し、2017年には北京－上海間の長距離量子通信回線の開設に成功した。 ; 2018年に「Mozi」「Zihao」は、2022年に中国の興隆とオーストリアのグラーツの地上局とそれぞれ7,600キロメートルにわたる衛星から地上への量子鍵配布を実施し、清華大学のLong Guilu教授のチームは位相量子状態とタイムスタンプのハイブリッドを設計した。量子状態 新しい符号化量子直接通信システムは、100キロメートルの量子直接通信を達成し、「量子直接通信」の世界記録を破りました。

量子コンピューティングの分野では、2020年12月に中国科学技術大学が76光子の試作機「九蔵」の構築に成功し、量子超越性（Quantum Supremacy）を達成した2番目の国となったと発表した（注）。 2021年、中国科学技術大学はプログラム可能な56量子ビット超伝導コンピューター「Zucongzhi」を発表し、スーパーコンピューターが完了するまでに8年かかったタスクを1.2時間に短縮した。中国は超伝導と超伝導という2つの技術的道を持つ唯一の国である。光量子。すべてが量子の優位性を達成した国。

銭山産業研究院のデータによると、総投資額では、世界の量子情報投資は2023年に386億米ドルに達し、このうち中国の総投資額は150億米ドルに達し、世界第1位となる見込みだ。

現在、中国と米国が量子技術の競争をリードしており、欧州や他の伝統的な技術大国も積極的に追い上げていますが、現在、すべての参加者がスタートラインから遠く離れていません。 「車線変更と追い越し」は、テクノロジーの他の分野に比べてはるかに困難です。

2021年の我が国の「第14次5カ年計画」概要では、2030年までに国家量子通信インフラの構築を完了し、汎用量子コンピュータを開発することを目標に、量子コンピューティングや量子通信などの先端技術の導入を加速することが提案されている。

(注: 量子超越性とも呼ばれる量子超越性は、特定のタスクを実行するときに、最も強力な従来のコンピューターを上回る量子コンピューターの能力を指します。この概念は物理学者のジョン・プライスによって開発され、2012 年にジョン・プレスキルによって提案され、重要なタスクを説明します。特定の問題を解決する場合、古典的なコンピューターよりも量子コンピューターが優れている)。

3. 量子コンピューティング

最先端技術として、量子コンピューティングは近年、世界の科学研究者や資本から大きな注目を集めています。これは、量子力学の原理を使用して従来のコンピューターのバイナリベースの計算方法を突破し、特定の問題に関して古典的なコンピューターをはるかに超える可能性を示しています。量子物理理論の継続的な深化と量子技術の成熟度の増加に伴い、量子コンピューティングは理論から実用へと徐々に移行しており、将来のコンピューティング技術の重要な発展方向と考えられています。

3.1 量子コンピューティングの定義と利点

量子コンピューティングは、量子力学の原理に基づいて計算を実行するための情報の基本単位として量子ビットを使用する技術です。量子コンピューターの超並列性は、量子ビットの重ね合わせ状態に由来します。同じ数の古典的なビットと比較すると、複数の量子ビット間の計算能力の差は指数関数的です。

従来のコンピューターはバイナリ ビット (ビット) を使用し、各ビットは 0 または 1 のいずれかですが、量子コンピューターの量子ビット (量子ビット) は同時に 0 と 1 の重ね合わせ状態になる可能性があります。量子ビットの数が増えると、N 量子ビットが同時に値を持つことができ、これは同時に演算を実行することと同等になります。

量子コンピューターは、量子アルゴリズムを通じてこれらの重ね合わせ状態と量子ビット間の相互作用を操作し、多数の可能な計算パスを同時に処理できるため、整数の分解や分解などの特定の種類の問題を解決する際に、量子コンピューターが従来のコンピューターよりも効率的になります。コンピューターの検索アルゴリズムははるかに高速です。

3.2 量子コンピューティングの主な技術的パス

我が国は量子科学の研究を非常に重視しており、量子技術の研究と応用を支援する多くの政策や計画を次々と導入してきました。量子コンピューティングの分野では、中国の科学研究機関や企業は超電導量子コンピューティングや光量子コンピューティングなどの主要な技術路線で国際的に影響力のある一連の成果を上げており、世界的な量子コンピューティング競争で主導的な立場にある。

現在、量子コンピューティングは初期の探索段階にあり、量子ビットの開発の方向性は非常に多様であり、主流のソリューションには、超伝導、イオントラップ、光量子、極冷原子、シリコンベースの量子ドット、トポロジカル量子などが含まれます。は基本的に量子コンピューティングの利点に基づいています。 ——特化型量子コンピューティング—ユニバーサル量子コンピューティングのロードマップ開発。

最先端技術コンサルティング機関であるICVが発表した「世界量子コンピューティング産業発展展望2024年」報告書によると、世界の主要な量子コンピューティング企業の分布は中国と米国が独占しており、米国には20社、米国には20社が存在する。中国企業は18社でそれぞれ28％、25％を占めている。技術的なルート分布の観点からは、超伝導、イオントラップ、光量子パスが最も注目されています。 2023 年の世界の主要な量子コンピューティング企業 71 社のうち、19 社が超電導量子コンピューティングの道に進んでおり、27% を占め、そのうち米国の 8 社、中国の 5 社が続き、合計 13 社となっています。 18％を占め、そのうち中国企業が最多で4社に達し、イオントラップ量子コンピューティング分野では10社が参加し、14％を占め、そのうち中国企業が4社を占めた。

(1) 超伝導量子コンピューティング経路

超伝導量子コンピューティングは、現在最も成熟した量子コンピューティング技術の 1 つです。超伝導量子回路に基づいており、超伝導量子ビットを操作することで情報を処理します。超伝導量子回路は、設計、準備、測定の点で既存の集積回路システムと高い互換性があり、従来の電子コンポーネントを制御システムとして使用できます。 IBM、Intel、Google、Origin Quantum、Guodun Quantumなどが超伝導量子コンピューティングの道に向けて研究開発を行っている。

超伝導量子ビットの利点は、高い連続性と拡張性、および比較的低い歪み率です。この技術的ルートは、複数の量子ビット間のもつれと量子ゲート操作を実現し、実用的な量子コンピューターを構築するための基礎を築きました。ただし、超伝導量子ビットは環境の温度や電磁干渉に非常に敏感であるため、実験は極低温で十分にシールドされた環境で行う必要があります。

米国の量子コンピューティング産業チェーンは完全なレイアウトを備えており、IBM、Google、Microsoft などの大手テクノロジー企業が業界、特に超電導量子コンピューティングの道に参入しています。超電導量子チップの分野では、IBMが2023年12月に世界初の1,000量子ビットを超える量子コンピューティングプロセッサチップ「Condor」（1,121量子ビット）を発売した。

中国科学院量子情報・量子技術革新研究所は2024年4月、504ビットの超伝導量子コンピューティングチップ「暁紅」を発表し、超伝導量子ビット数の国内記録を更新した。

中国科学院量子情報・量子科学技術イノベーション研究所の教授であり、中国電信量子グループおよび国屯量子(688027.SH)の主任研究員である彭成志氏は、超伝導量子コンピューティングチップはより成熟したチップを再利用できると述べた。半導体チップの加工技術は特に拡張性に優れており、研究開発は「難しいことではない」とし、「最も難しいのは量子ビットの質と量を同時に向上させ、チップ​​の性能を真に向上させることだ」と述べた。大規模量子ビットをより正確に制御することは、国際的な主流であり、科学研究チームは懸命に取り組んでいます。」

量子コンピューターが達成できる計算能力は、超伝導量子コンピューターを例として、ビット数、忠実度、コヒーレンス時間、ゲート動作速度、接続性などの多くの要因によって決まります。中でもビット数は重要な指標です。ただし、ビット数だけについて話すのは無意味であるという事実に特別な注意を払う必要があります。より重要なのは、ゲート忠実度 (特に 2 ビット ゲート忠実度)、コヒーレンス時間、および大規模環境でのビット接続性です。スケール量子ビット。

また、超電導物質はある臨界温度以下になると抵抗がゼロとなり、損失なく電流が流れるという性質があります。量子チップは量子ビットの効率的な動作と安定した保存を実現するために-273.12℃以下の極低温環境で動作する必要があり、希釈冷凍機は超電導量子コンピューティングの重要な装置の一つとなっています。

現在、我が国の国産希釈冷蔵庫は大きな進歩を遂げ、その実際の動作指標は同様の製品の国際主流レベルに達しています。 Guodun Quantum が発売した市販の量産型家庭用希釈冷蔵庫 ez-Q Fridge は、量子チップに 10mK レベルまでの超低温および低ノイズ環境を提供します。冷却能力は 450uW@100mK に達します (450uW@100mK を表します)。希釈冷凍機は、温度100mKでの冷却能力が450uWに達することがあり、冷却能力が大きいほど、サポートできる量子コンピューティングのビット数が増加し、量子計算を実現する「Zuchong-2」の役割を果たします。 SL1000希釈冷凍機は、10mK以下の超低温環境と100mKで1000μW以上の冷却能力を提供し、切削加工における超低温環境のニーズに応えます。超伝導量子コンピューティング、物性物理学、材料科学、深宇宙探査などの最先端技術分野。

「量子の優位性」を達成することは、量子コンピューターのパフォーマンス、つまり、古典的なスーパーコンピューターを超えて特定の問題を計算する能力の重要な尺度です。現在、超伝導量子コンピューターは世界にアメリカの「プラタナス」と中国の「Zuchong-2」の2台しかない。

「Zuchong-2」は、中国科学院量子情報・量子技術イノベーション研究所のPan Jianwei氏、Zhu Xiaobo氏、Peng Chengzhi氏らで構成される研究チームによって開発された66量子ビットのプログラマブル超伝導量子コンピューティングプロトタイプです。中国科学院上海工業物理研究所。 2023年5月、チームはオリジナルの「Zucong-2」66量子ビットチップを改良し、110ビットのカップリング制御インターフェースを追加し、ユーザーが制御できる量子ビット数を176ビットに引き上げた。

Guodun Quantumは、「Zuchongzhi」の研究開発に参加する唯一の企業部門として、超電導量子コンピューティングプロトタイプのサプライチェーン管理および統合機能（室温制御システム、低温信号伝送システム、チップパッケージングシステムを含む）を利用しています。 、制御ソフトウェアシステムなど）現在、4つの完成した量子コンピュータが海外に販売されています。

また、Origin Quantumが開発した第3世代の独立型超電導量子コンピュータ「Origin Wukong」が2024年1月にオンラインで発売される予定です。「Original Wukong」は合計198個の72ビット超電導量子チップ「Wukong Core」を搭載しています。量子ビット。これには、72 個の動作量子ビットと 126 個の結合量子ビットが含まれます。

(注: 量子ビット (qubit) は、量子コンピューティングの基本単位です。古典的なコンピューティングのビットと同様に、量子情報のキャリアです。量子ビットは、重ね合わせ状態、つまり、同時に複数の状態を重ね合わせた状態になることができます。複数のコンピューティング タスクを同時に処理できる結合量子ビット (cQubits) は、量子ゲート演算の実装によく使用され、異なる量子ビットが相互作用することができます。一般に、量子ビットは量子コンピューティングの基本単位であり、結合量子ビットは量子ゲート演算と量子コンピューティングの実装に使用される特殊な形式の量子ビットです。

(2) 光量子計算パス

光量子コンピューティングパスは、情報のキャリアとして光子を使用し、量子光学素子を通じて量子コンピューティングプロセスを実現します。光量子コンピューティングの主な利点は、光子自体が環境との相互作用が非常に弱く、安定した量子状態を高い忠実度で長期間維持できることです。また、極低温環境を必要とする超伝導量子コンピューティングとは異なり、光量子コンピューティングは室温で実行できます。技術的な課題は光子の生成、操作、検出であり、高精度の制御技術と装置が必要です。現在、量子コンピューターへのパスとして光子を使用している企業には、PsiQuantum、Xanadu、Turing Quantum、Bose Quantum などがあります。

中国は、超伝導技術と光量子技術の両方で量子の優位性を達成した唯一の国である。超伝導量子コンピューティングの道にある「Zu Chongzhi」に加えて、我が国には「量子の優位性」を達成した別の量子コンピューターがある。中国科学技術大学の Pan Jianwei 氏のチームが開発した「Nine Chapters」シリーズは、光量子コンピューティング パスを採用しています。

特定機能量子コンピューターに関して、中国は光量子コンピューティングの道において大きな進歩と進歩を遂げた。 2023年10月、中国科学技術大学のチームは255光子量子コンピューティングのプロトタイプ「Jiuzhang-3」の構築に成功した。このプロトタイプは 255 個の光子で構成されており、ガウス ボーズ サンプリングの数学的問題を世界最速のスーパーコンピューターより 1,000 億倍速く解くことができ、光量子情報技術の世界記録を再び破ることができます。さらに、2024年4月にリリースされる550コンピューティング量子ビットを備えたBose Quantumの次世代コヒーレント光量子コンピュータ「Tiangong Quantum Brain 550W」は、「Kaiwu SDK」に代表される開発キットと多業種エコロジーの共同「量子アルゴリズム」の組み合わせを通じて、パートナーによって開発されたこの技術は、実用的な量子コンピューティングにおいて画期的な進歩を遂げました。

実行計算プログラムを自由に変更できる汎用量子コンピュータとは異なり、特定機能量子コンピュータは特定の量子アルゴリズムしか実行できず、本来の設計機能を超えた計算を行いたい場合には、ハードウェアや装置を変更する必要があります。

プログラマブル汎用光量子コンピュータの分野で、チューリング・クアンタムは中国初の光量子コンピューティング・プログラミング・フレームワークであるDeepQuantumを立ち上げた。 DeepQuantum で QubitCircuit を使用すると、開発者は量子回路を簡単に構築してシミュレーションし、量子ニューラル ネットワークを迅速に設計して最適化できます。さらに、DeepQuantum の QumodeCircuit を通じて、ユーザーは光量子回路を深く研究し、ガウス ボーズ サンプリングなどのアルゴリズムに基づいて実用的なアプリケーションを開発できます。 DeepQuantum には自動微分関数が含まれているだけでなく、ユーザーが変分量子アルゴリズムを効率的に実装および探索できるようにするさまざまな非勾配オプティマイザーも組み込まれています。同時に、Turing Quantum は Quantum Cloud プラットフォーム上に光量子コンピューティング ハードウェアを展開し、ユーザーは DeepQuantum を通じて実際の量子コンピューティングを体験できるようになります。

(3) イオントラップ量子計算パス

イオン トラップ量子コンピューティング パスは、イオン (通常は荷電した原子または分子) を量子ビットとして使用して量子情報処理を実行する技術です。外部電磁場は、イオンを特定の範囲内に「トラップ」するために使用され、イオンの動きは電荷と電磁場の間の相互作用力によって制御されます。イオントラップ量子コンピューティングの利点は、長い安定なエンタングル状態時間と論理ゲートの高い忠実度にありますが、技術的な難しさは、安定した「閉じ込め」と多数のイオンの正確な制御を同時に達成することにあります。レーザー冷却技術と超高真空環境、および統合 回路の互換性がまだ開発されていないため、拡張性が限られています。現在、イオントラップ量子コンピューティング技術に深く関わっている企業には、Quantinuum、IonQ、Qike Quantum、Huayi Quantum、Guoyi Quantumなどが含まれます。

2023年、Huayi Quantumは、37量子ビット規模の第一世代イオントラップ量子コンピュータの商用プロトタイプであるHYQ-A37をリリースし、その量子ビットコヒーレンス時間、忠実度およびその他の関連性能指標は世界一流のレベルに達した。現在、ユーザーはビジュアル ツールまたはコード エディタを使用して、予約に応じて量子回路を迅速に設計し、HYQ-A37 にリモートでアクセスしてコンピューティング タスクを実行し、リアルタイムのグラフィカルなコンピューティング結果のフィードバックを取得できます。 Huayi Quantumは2024年に110ビット低温イオントラップ量子コンピュータを発売する予定だ。

3.3 量子コンピュータの開発経緯と技術的困難

1980 年代以降、量子​​コンピューティングは基本的な物理的考え方と主要原理によって検証され、現在、量子コンピューターは NISQ (ノイジー中規模量子コンピューター) 段階に達しています。

50 ～ 100 量子ビットの高忠実度の量子ゲートを備えたコンピューターは、NISQ コンピューターと呼ばれます。「ノイズがある」とは、量子ビット間にある程度のノイズとエラーがあり、耐障害性が低く、正確な量子計算をまだ実現できないことを意味します。フォールトトレラントな汎用量子コンピューターは長期的な開発目標であり、達成には時間がかかりますが、ノイズの多い中規模の量子コンピューターの計算能力は、いくつかの特定の量子アルゴリズムを実行することができます。タスクに対応しており、すでにいくつかのアプリケーション分野で優れたパフォーマンスを実証しています。

現段階での量子コンピューターの開発に対する主な制約は次のとおりです。

(1) 極低温要件：量子ビットの量子状態の安定性を維持するために、量子コンピュータは絶対零度に近い極低温環境で動作する必要があります。このような条件下では、量子ビットは量子もつれと量子重ね合わせの特性を効果的に示すことができます。冷凍システムは維持と運用に費用がかかり、量子ビットの数が増加するにつれて、それに対応する効果的で安価な極低温技術を改善する必要があります。

(2) 量子ビットの安定性の問題: 量子ビット (または量子ビット) は量子コンピューターの基本的な情報単位ですが、非常に壊れやすく、ノイズや外部干渉の影響を受けやすく、量子デコヒーレンスを引き起こします。デコヒーレンスにより量子情報が破壊され、計算の信頼性が低くなります。量子ビットのコヒーレンス時間を延長することは、現在の研究のホットスポットです。

(3) 量子エラー訂正: 量子コンピューティング中にエラーは必然的に発生します。量子ビットの特殊な特性により、これらのエラーは従来のコンピューターのエラーとは異なります。効果的な量子誤り訂正技術の開発は、信頼性の高い量子コンピューティングを可能にするために重要ですが、現在の量子誤り訂正アルゴリズムは依然として複雑であり、拡張することが困難です。

(4) スケーラビリティ: 既存の量子コンピューターの量子ビットの数は比較的少ないですが、複雑な問題の計算には数百、数千、あるいはそれ以上の量子ビットが必要です。単一量子ビットの品質を低下させることなく量子コンピューターをスケールアップする方法は、大きな技術的課題です。

(5) 材料と技術の制限: 高品質の量子ビットを製造するには、高度な材料と正確な製造プロセスが必要です。たとえば、超伝導量子ビットには高純度の超伝導材料が必要ですが、イオントラップ技術には高精度のレーザーと真空システムが必要です。これらのテクノロジーの開発と成熟度は、量子コンピューターのパフォーマンスと実現可能性に直接影響します。

(6) アルゴリズムとソフトウェアの開発が不十分：一部の量子アルゴリズムは理論的には古典的コンピューティングを超えるパフォーマンスを提供できることが知られていますが、量子コンピュータのアルゴリズム ライブラリとソフトウェア ツールは依然として限られており、広く適用可能な量子ソフトウェア プラットフォームが不足しています。そしてプログラミングフレームワーク。

(7) 理論と実験のギャップ: 量子コンピューティングは理論的には急速に進歩していますが、これらの理論を実際の実験で実現するペースは比較的遅いです。多くの理論は実験的に検証されていないため、実験技術と設計において多くの革新と最適化を行う必要があります。

(8) 才能と知識の不足: 量子コンピューティングは、物理学、コンピューターサイエンス、工学、数学などの複数の分野が関与する学際的な分野です。現在、学際的な知識とスキルを持つ研究者やエンジニアが比較的不足しており、量子コンピューティング分野の開発ペースが制限されています。

(8) 応用シナリオの制限: 現在、量子コンピューターは、化学シミュレーション、パスワードクラッキング、複雑な最適化問題など、特定の問題において潜在性を示しています。ただし、多くの汎用コンピューティング タスクにおける量子コンピューターの利点はまだ明らかではなく、商業および産業用途における量子コンピューターの実用的価値をさらに探求する必要があります。

前述したように、量子コンピューティングの商用化には依然として多くの課題が残されていますが、量子技術は理論研究段階からエンジニアリング段階に入り、将来的にはフォールトトレラントなユニバーサル量子コンピューターの出現により、既存のテクノロジー業界のほぼすべてが破壊されるでしょう。は「第二次量子技術革命」の中にあります。将来的には大きな変化が起こり、新たな量子時代の到来に向けて事前の準備が必要です。

3.4 量子コンピュータの応用

(1) 量子コンピューティングクラウドプラットフォーム

「量子の優位性」の実現は量子コンピューティングの商用化と普及に必要な前提条件であり、量子コンピューティングのクラウドプラットフォームは量子コンピューティングの実用化開発の鍵となります。

現在、量子コンピュータのハードウェアコストは、特に高忠実度で大規模な量子ビットシステムの場合、非常に高価であると同時に、量子コンピュータの運用と保守には専門的な技術と環境が必要です。量子コンピューティング クラウド プラットフォームは、大学、研究機関、企業などに量子コンピューティング システムにアクセスする低コストの方法を提供します。

一方で、クラウド プラットフォームは最新の量子コンピューティング技術とアルゴリズムを迅速に更新して展開でき、ユーザーはアプリケーションの開発とテストのためにクラウド プラットフォームを試すときに、技術の進歩によってもたらされる利点を即座に体験できます。 、サプラ​​イヤーからの問題やニーズに関するフィードバックを提供して、テクノロジーの反復と最適化を促進するプラットフォームを提供できます。量子コンピューティングクラウドプラットフォームは、さまざまな量子コンピューティング企業、科学研究機関、企業ユーザーをつなぐ架け橋として機能し、量子コンピューティングと各界の協力を促進し、量子コンピューティング技術の開発と応用を共同で推進します。

2023年5月、Guodun Quantumは、「Zuchongzhihao」と同じタイプの自社開発の176ビット超伝導量子コンピューターに接続された新世代の量子コンピューティングクラウドプラットフォームをリリースしただけでなく、超伝導量子コンピューターのビット数を突破しました。国内クラウドプラットフォームとしては世界初の記録を達成し、超伝導量子ルートにおいて量子の優位性を達成する可能性を持ち、外部に公開された世界初の量子コンピューティングクラウドプラットフォームでもあります。 Guodun Quantumは、将来的には複数の高性能量子コンピュータにアクセスして相互災害復旧や反復アップデートを行い、クラウドプラットフォームのハードウェアが国際的に先進的なレベルを維持できるようにする予定であると述べた。

2023年11月、Guodun Quantumは、China Telecom Quantum Groupの「Tianyan」量子コンピューティングクラウドプラットフォームとChina Telecomの「Tianyi Cloud」スーパーコンピューティングプラットフォームの接続を支援し、「スーパーコンピューティング-量子コンピューティング」ハイブリッドコンピューティングアーキテクチャシステムを構築しました。

(2) 量子コンピューティングの主な応用シナリオ

ICV データによると、世界の量子産業は 2023 年に 47 億米ドルに達し、汎用量子コンピューターと特殊な量子コンピューターが特定の分野で広く使用されるようになると、量子コンピューター業界の総市場規模は 2035 年までに 8,117 億米ドルに達すると予想されます。

量子コンピューティングは、新興コンピューティング技術として、金融、医療、化学産業などの多くの分野で画期的な応用可能性を示しています。その中でも、金融業界は量子コンピューティングの潜在的に重要な応用分野であり、ICV の予測によると、量子コンピューティングの世界的な下流アプリケーションの中で、金融セクターは 2035 年に最も高い市場シェアを獲得し、51.9% に達し、以前から大幅に増加すると予想されています。 2030年には15.8％。次いで製薬産業と化学産業がそれぞれ20.5%と14.2%を占めています。

量子コンピューティングは、コストと処理時間を削減するために金融分野で現在広く使用されており、主にリスク管理と制御、デリバティブ価格設定、ポートフォリオの最適化、裁定取引と信用スコアリングなどが含まれます。

JPモルガンやゴールドマン・サックスなどの国内外の主流金融企業は、量子金融アプリケーションを開発するための量子部門を設立しており、オリジン・クアンタムと中国経済信息公司新華金融は共同で「量子金融アプリケーション」をリリースし、新華金融に掲載された。アプリはオンラインで、投資ポートフォリオの最適化、デリバティブの価格設定およびリスク分析における量子コンピューティングの応用を提供します。中国建設銀行は、量子情報技術の応用を積極的に調査および実践し、量子金融応用研究所を設立し、国内外の量子企業と協力しています。セキュリティ チームと量子コンピューティング チームは協力して、一連の将来を見据えた研究と革新的な探査を実施してきました。中国建設銀行は、「量子ベイジアンネットワークアルゴリズム」や「量子ポートフォリオ最適化アルゴリズム」などの量子金融応用アルゴリズムを発表し、リスク分析やポートフォリオ最適化における量子コンピューティングの可能性を実証した。

医療研究開発や化学材料科学の観点から、量子コンピュータは複雑な化学反応や材料特性をシミュレートすることができ、新薬や新材料の発見、化学反応プロセスの最適化に非常に重要です。

新素材や新薬は、特に医療分野において多大な経済的価値を持っています。量子コンピューティングが計算機解析による従来の実験的試行錯誤手法を置き換えることができれば、新薬開発にかかる時間が大幅に短縮されるだけでなく、莫大な費用も節約できるでしょう。医療開発コスト。医療研究開発および材料科学における量子コンピューティングの応用を促進しますが、依然として特定の量子アルゴリズムと調整する必要があります。

2022 年 7 月、BGI ライフ サイエンス研究所は Quanthuan Technology と協力して、ライフ サイエンス分野における量子コンピューティングの応用を研究しました。彼らは量子アルゴリズムを使用してゲノムアセンブリを実現し、ゲノムアセンブリの問題を解決し、より少ない量子リソースを使用して大規模な量子システムをシミュレートすることで、NISQ 時代の大規模システムをシミュレートする可能性を提供しました。

2022 年 3 月、Turing Quantum は、テンソル ネットワーク テクノロジーを使用して、テンソルの縮小を通じて 38 倍高速な量子 AI 医薬品設計を達成し、QuOmics (ゲノミクス)、QuChem (薬物分子) の 4 つの主要なモジュールを含む一連の量子 AI アプリケーション モジュールを開始しました。構造設計を含む)、QuDocking (薬物仮想スクリーニング)、および QuSynthesis (化学分子逆合成) は、さまざまな程度の量子アルゴリズムの強化を達成しました。

2021 年 4 月、Origin Quantum は、Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0 をリリースしました。これは、化学分野における量子コンピューティング応用の基盤を提供し、新薬、新材料、新エネルギーおよびその他の分野における量子コンピューティングの革新的な応用を可能にします。 。

人工知能の分野では、量子ビットは複数の状態を取ることができるため、量子ニューラル ネットワークを使用して大規模なデータセットや複雑なモデルを処理できます。これは、人工知能システムのパフォーマンスを向上させ、人工知能技術を前進させるのに役立ちます。

大量のデータを処理する量子コンピューターの能力を利用した量子コンピューティングと機械学習の組み合わせは、機械学習が多すぎるパラメーターのボトルネックを突破するのに役立ちます。これは、最近の重要な研究の方向性です。 IBMは、Qiskitアーキテクチャに機械学習モジュールを追加し、量子コンピューティングと機械学習の利点を組み合わせ、ビッグデータの処理に量子コンピューターの利点を活用して、量子機械学習モデルの将来の利点を確立しました。

4. 量子通信とセキュリティ

量子技術の重要な分野である量子通信は、情報伝送技術における大きな進歩であり、実用段階に入った最初の量子技術でもあり、最も成熟した技術でもあります。量子通信は通信をより安全にするものであり、量子通信、特に量子安全通信は基本的に実用化されている。量子鍵配布技術に基づく量子安全通信は、中国で多くのエンジニアリング用途に応用されており、下流産業は高度に成熟している情報セキュリティ産業です。

国家政策の後押しにより、我が国の量子通信産業は近年急速に発展し、世界のリーダーとなっています。多くの優れた企業や科学研究機関の継続的な参加により、量子通信産業は一次および二次市場の焦点にもなっています。

4.1 量子安全通信の必要性

量子テクノロジーはテクノロジーにおける次のマイルストーンと考えられています。量子コンピューティングはコンピューティング能力の飛躍的な向上をもたらし、医薬品の設計、気候シミュレーション、大規模システムの最適化など、複雑な問題の処理を可能な限り簡単にします。しかし、この両刃の剣は大きな脅威でもあり、今日の暗号化テクノロジーのほとんどを瞬時に破ってしまう可能性があります。

RSA や ECC (楕円曲線暗号) などの従来の公開キー暗号化システムは、整数因数分解や離散対数問題といった計算の難しさに依存しており、解読に必要な時間は非常に長く、既存の暗号化システムでは非常に安全です。技術的条件。

しかし、量子コンピューターの発展により、ショールのアルゴリズムなどの量子アルゴリズムがこれらの問題を迅速に解決できることが判明しました。現在最も一般的で広く使用されている暗号化アルゴリズムである RSA アルゴリズムを例に挙げると、現在最も一般的なものは 2048 ビット暗号化 (キーの長さが長いほど、解読時間は長くなります) であり、Shor アルゴリズムは理論的には可能です。最大 2048 ビットの RSA 暗号化をわずか 8 時間で解読できるため、従来の公開キー暗号化システムのセキュリティが脅かされます。

従来の暗号に対する量子コンピューターの脅威についての懸念はかなり前から存在していましたが、まだ現実にはなっていません。量子コンピューターの計算能力は、処理できる量子ビットの数によって決まります。現在の量子コンピューターには数百から千のノイズ量子ビットしかなく、少数の安定したエラー訂正量子ビットを作成するために使用されます。従来の暗号化に対する脅威には数千の安定した量子ビットが必要ですが、それには数百万のノイズの多い量子ビットが必要になる場合があります。したがって、量子コンピュータの能力は急速に発展しているものの、古典暗号を脅かすレベルにはまだ達していないが、一部の業界専門家は、今後5～10年以内にこのレベルに到達する可能性があると指摘している。

従来の暗号に対する量子コンピューティングの脅威はまだ理論段階にありますが、現在の最大の問題の 1 つは、量子コンピューティング技術がまだ真の進歩を遂げていないにもかかわらず、暗号化された機密情報が大量に出回っていることです。これは、犯罪者が暗号化されたデータを今すぐ盗んで保存し、量子コンピューティング技術が成熟したときに復号化できることを意味します。

この問題に対処するために、量子鍵配布（QKD、Quantum Key Distribution）、ポスト量子暗号（PQC、Post-Quantum Cryptography）、量子乱数生成器（QRNG、Quantum Random Number Generator）、量子テレポーテーション（量子通信セキュリティ技術）が利用されています。 QKD 鍵のセキュリティは、数学的問題の計算の複雑さではなく、量子物理法則に基づいているため、QT (量子テレポーテーション) などがあります。その中で、QKD は、理論上唯一の無条件に安全な通信方式であると考えられています。 QKD技術に基づく我が国の量子安全通信ネットワーク構築は具体化し始めており、商用利用も進み続けている一方、PQCアルゴリズムは現在標準化実証中である。

4.2 量子秘密通信の主な技術

量子コンピューティングは「槍」であり、量子安全通信は「盾」です。 「第 2 の量子技術革命」が正式に到来する前に、量子安全通信技術の開発は、特に政府通信、金融取引、国防セキュリティなどの高度なセキュリティ要件が求められる分野において、情報セキュリティに対する新しいソリューションを提供します。技術の継続的な成熟とアプリケーションの推進により、量子安全通信は将来、より安全で信頼性の高い通信ネットワークを構築すると期待されています。

(1) 量子乱数発生器 (QRNG)

乱数ジェネレーターは、一連の乱数を生成できるデバイスまたはアルゴリズムであり、暗号化において非常に重要であり、暗号化キー、初期化ベクトル (IV)、および秘密にしておく必要があるその他のパラメーターを生成するために使用されます。これらにより、暗号化プロセスのセキュリティと予測不可能性が保証されます。

乱数生成器は、真の乱数生成器 (TRNG、True Random Number Generator) と擬似乱数生成器 (PRNG、Pseudo-Random Number Generator) に分けられます。 TRNG は、一般に、物理的プロセスまたは自然現象に基づく乱数の生成を指します。電子の熱雑音、放射性崩壊、光子の到達時間など。それらは予測不可能な物理プロセスに依存しているため、「真に」ランダムであると考えられます。 PRNG は決定論的アルゴリズムを使用し、初期状態 (シード) から開始して、アルゴリズム ルールに従ってランダムな数値シーケンスを生成します。

TRNG は 1 秒あたりに生成できる乱数の数が限られているため、TRNG は通常、実際の反復不可能な乱数シーケンスを生成するために PRNG の「シード」として使用されますが、PRNG は乱数ジェネレーターとも呼ばれますが、実際には非常に予測可能です。アルゴリズムとシード状態がわかっている限り、完璧な TRNG を見つけることは常に重要な研究方向です。

量子乱数生成器 (QRNG) は完全な TRNG であり、量子力学の量子ランダム重ね合わせを借用し、量子世界の確率的特性を使用して真にランダムなキーを作成します。 QRNG の量子メカニズムは完全に習得され理解されているため、乱数を生成する量子コンポーネントが情報暗号化に使用されています。 QRNG の現在の主な研究開発の方向性は、より経済的で高速かつ小型の量子ランダム チップを製造することです。

(2) 量子鍵配布(QKD)

量子鍵配布 (QKD) は、量子状態を使用して情報を伝達し、特定のプロトコルを通じて通信当事者間で鍵を共有します。このテクノロジーは、送信された鍵を盗もうとする試みが正規のユーザーによって確実に発見されるようにするために適用されます。これまでのところ、理論上唯一無条件に安全な通信方式を実現します。

量子鍵配布 (QKD) の鍵は、量子状態を持つ物質をパスワードとして使用することです。量子状態には次の 2 つの重要な特性があるため、情報の安全な送信が保証されます。

まず、量子状態を測定するとその状態が変化します。量子力学の不確定性原理によれば、量子状態を測定するとその状態が変化します。誰かが送信中の情報を盗もうとした場合、量子状態を測定する必要があります。これは量子システムに影響を与え、正規のユーザーに気づかれてしまいます。

第二に、量子状態の複製不可能性: 量子力学の原理によれば、未知の量子状態を完全にコピーすることは不可能です。これは、量子状態の完全な情報が送信プロセス中に盗まれることがなく、情報の安全性が確保されることを意味します。

現段階では、量子安全通信技術は主に QKD ネットワークを使用して鍵の安全な配布を実現し、それを対称暗号技術と組み合わせて情報の安全な送信を保証します。簡単に説明すると、シングルモード光ファイバの両端に一般的な光モジュールの機能を代替できる光量子状態送受信装置を付加し、物理暗号化に基づく安全な通信を実現します。

QKD技術は量子通信を実現するための鍵となる技術ですが、安全なQKDプロトコルが数多く存在するため、高速かつ伝送距離が長い量子ネットワークも量子通信の実現には不可欠な要素となります。量子通信技術は当初、QKD やその他のソリューションによって実用化されましたが、伝送距離とコストは依然として業界全体の応用と産業発展を制限する要因となっています。商用のファイバーベースのポイントツーポイント QKD は伝送距離に制限がありますが、衛星から地上への QKD 長距離伝送には衛星などの高価なコンポーネントが必要です。量子通信の将来の開発目標は、全世界をカバーする広域量子通信ネットワークシステムの確立であり、関連技術にはさらなるブレークスルーが必要です。

(3) 量子テレポーテーション（QT）

量子テレポーテーション (QT) は、量子力学の原理に基づいた情報伝達方法です。これにより、量子システム (量子ビットなど) の状態を、物理的な伝送媒体を使用せずに、ある場所 (多くの場合「送信端」と呼ばれます) から別の場所 (多くの場合「受信端」と呼ばれます) に正確に伝送できるようになります。量子テレポーテーションは、物質自体の瞬間的な移動ではなく、量子情報の瞬間的な転送を伴います。

量子テレポーテーションの実現は、次の量子力学の原理に基づいています。

量子もつれ: 2 つ以上の量子粒子の間には、たとえ遠く離れていても、1 つの粒子の状態の変化が、それに絡み付いている他の粒子の状態に直ちに影響を与えます。

量子状態の非クローニング定理: 未知の量子状態の完全なコピーを作成することは不可能です。

量子測定: 量子システムの測定は状態の崩壊につながり、測定結果は通常ランダムです。

量子テレポーテーションの基本的な手順は次のとおりです。

a. 絡み合った粒子のペアを準備し、一方を受信側に、もう一方を送信側に送信します。

b. 送信側で、送信される量子ビットと送信側のもつれ粒子の特定の結合測定を実行します。この測定により、量子ビットの情報が受信側のもつれ粒子に転送されますが、そのプロセスはランダムであり、元の量子ビットの状態は破壊されます。

c. 通常の通信チャネル（電話やインターネットなど）を介して、共同測定結果（古典情報）を受信側に送信します。

d. 受信側は、受信した古典情報に基づいて、自身が持つもつれ粒子に対して一連の量子操作を実行し、元の量子ビット状態を再構築します。

このプロセスを通じて、送信側の量子情報は受信側に「目に見えずに送信」されます。元の状態の再構築は古典的な通信チャネルを介して送信される情報に依存し、この送信速度は光の速度によって制限されるため、量子テレポーテーションでは光より速い通信ができないことに注意することが重要です。

量子テレポーテーションは現在主に実験室環境で研究されており、長距離量子通信や量子ネットワークを実現するための鍵となる技術であり、将来の量子インターネットにおいて重要な役割を果たすことが期待されています。

(4) ポスト量子暗号 (PQC)

PQC テクノロジーとは、量子コンピューター攻撃に対抗できる暗号化アルゴリズムの開発と設計を指します。現在、PQC と量子暗号の分野では、量子コンピューティングの脅威に対抗するために、データの暗号化に整数因数分解や離散対数問題を使用しないようにするためのさまざまな暗号技術とアルゴリズムが開発されています。具体的な方法には、格子ベースの暗号化、ハッシュベースの暗号化、コードベースの暗号化、および多変数ベースの暗号化が含まれます。

その中で、現在最も有力で信頼性が高いと考えられているのが格子ベースの暗号化技術です。米国国立標準技術研究所 (NIST) が主導する世界で最も影響力のある PQC 標準化作業では、2023 年に同研究所が選択した 4 つの標準化アルゴリズムのうち 3 つが格子ベースの暗号化テクノロジです。

新しいポスト量子暗号はショールの量子アルゴリズムに対して耐性がありますが、絶対確実というわけではありません。一方で、これらのポスト量子暗号の問題を解くのは現時点では難しいように見えますが、将来的にはこれらの問題を解決する新しい方法が発見される可能性があります。その一方で、ポスト量子暗号アルゴリズムの実際の実装にも欠陥や欠陥がある可能性があります。パラメータの選択に問題があると、潜在的なセキュリティ上の脆弱性が発生する可能性があります。

現在の PQC アルゴリズムのセキュリティは、理論的な数学的脆弱性から実用的な応用レベルにまで拡張されており、NIST によって推薦された標準化アルゴリズムの 1 つである Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM) が、2023 年にサイドチャネルに対応して暴露されたと報告されています。攻撃におけるセキュリティの脆弱性。

実際の攻撃の出現は、PQC アルゴリズムを導入する際に潜在的な脆弱性を迅速にチェックして修復することの重要性を強調しており、実際のアプリケーション シナリオでのセキュリティを向上させるために PQC アルゴリズムの継続的な改善と進化を促しています。

暗号技術は国家安全保障にとって非常に重要な位置にあります。デジタル世界の安全を保つために、PQC テクノロジーは常に進化し、いつでも新しい脅威に適応できるように更新される必要があります。

4.3 量子通信ネットワークと量子インターネット

(1) 我が国における量子通信セキュリティネットワークの構築状況

量子安全通信ネットワークのコア機器には、QKD 製品、チャネルおよびキー ネットワーキング交換製品などが含まれます。現在実現可能な量子安全通信ネットワークには、ローカルエリアネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、バックボーンネットワークなどがあります。

ローカル エリア ネットワークは、1 つのユニットまたは場所で複数の端末のアクセスを実現し、長距離要件はありません。メトロポリタン エリア ネットワークは、アップリンク バックボーン ネットワークとダウンリンク ローカル ネットワークを接続することで、市内のさまざまなエリアの接続を担当します。エリアネットワーク、およびバックボーンネットワークは、州を超えた通信および国境を越えた通信を実現します（地上光ファイバーおよび衛星地上局の実装方法を含む）は、現在、長距離要件が必要な地上光ファイバーが主流です。

2016年8月、我が国は世界初の量子科学実験衛星「墨子」の打ち上げに成功し、世界で初めて衛星と地上との間の量子通信を実現し、地球規模の量子通信を実現するための衛星プラットフォームの利用を完全に検証した。実現可能性。

2018年、国家発展改革委員会の承認を得て、中国科学院の子会社である国科量子通信網有限公司が国家広域量子安全通信の第1段階を構築する任務を引き継いだ。 2022年には全線が完成し、受け入れられる予定だ。国家量子バックボーンネットワークは、北京-天津-河北、長江デルタ、広東-香港-マカオ大湾区、成都-重慶経済圏などの重要な国家戦略地域をカバーしており、地上幹線の総走行距離はそれを超えています。 10,000 キロメートルに及ぶ、世界初かつ現在唯一の大規模な量子ドメイン量子ネットワークです。

2023年6月、第5回長江デルタ統合開発ハイレベルフォーラムで、Guoke Quantumが構築・運営する長江デルタ地域量子安全通信バックボーンネットワークの構築結果が発表された。長江デルタ地域の量子安全通信バックボーンネットワークの総走行距離は約2,860キロメートルで、合肥と上海をコアノードとするリングネットワークを形成し、南京、杭州、無錫、金華、蕪湖などの都市を結んでいる。

大都市圏ネットワークに関しては、2022 年 8 月に安徽省合肥市が合肥量子大都市圏ネットワークを開設しました。これは、当時国内で最大で、最も広くカバーされ、最も広く使用されている量子大都市圏ネットワークであり、8 つのコアが含まれています。ネットワークサイトと159のアクセスネットワークサイト、光ファイバーの全長は1147キロメートルです。

現在、20～30の都市が独自の量子大都市圏ネットワークを保有しており、量子バックボーンネットワーク幹線の構築により、対応する支援都市における大都市圏ネットワークの構築も加速すると予想される。上海を例に挙げると、2024年3月22日に開催された上海産業技術イノベーション会議で、上海電信は上海地域に量子安全通信都市圏ネットワークを構築する計画であり、第1段階の建設が完了する予定であると述べた。 2024 年には全国規模で実用的な量子通信ネットワークの初のベンチマーク例となる。

量子バックボーンネットワーク構築への投資とプロジェクト全体の規模は非常に大きいですが、現在、量子ネットワークのアプリケーションと顧客グループは従来のプロジェクトに比べて少ないです。したがって、その後の量子アプリケーションは、量子ネットワーク全体の構築を加速するために、さまざまな業界が共同で推進する必要があります。

国務院国有資産監督管理委員会はこのほど、「四新」（新路線、新技術、新プラットフォーム、新機構）基準に基づき、第一陣の新興企業を選定・決定した。新しいフィールドと新しいトラックのレイアウトを加速し、新しい生産力を育成および開発し、人工知能、量子情報、生物医学などの新興分野のレイアウトに焦点を当てます。

これに先立ち、2024年1月には工業情報化部、科学技術部、国務院国有資産監督管理委員会など7部門が共同で「将来の産業革新と科学技術の促進に関する実施意見」を発表した。開発」を発表し、次世代の移動通信、衛星インターネットの産業応用、量子情報およびその他の技術を促進するために、新しいトラックを積極的に展開することを提案しました。

関連政策の集中的な発表は、量子通信技術の重要性に対する我が国の理解を反映しており、産業発展に強力な政策支援を提供し、将来的に中国の量子通信産業が新たな高みに達することを促進すると期待されている。

(2) 量子インターネット

量子インターネットは、量子力学の原理を利用してデータの生成、保存、送信、処理を実現する、量子情報技術に基づく新しい通信ネットワークの概念です。古典物理学の原理に基づいた従来のインターネットとは異なり、量子インターネットの核心は、量子ビットと量子もつれの特性を利用して、より安全で効率的な通信機能を提供することです。

量子インターネットは、量子情報を完全に安全に送信することに加えて、量子センサーや量子コンピューターを使用して、量子精度測定、量子デジタルビザ、分散量子コンピューティングなどに取り組むこともできます。

量子インターネットには 3 つの主要な点があります。1 つ目は、ネットワークに接続されるデバイスが量子デバイスであること、2 つ目は、ネットワークが量子情報を送信すること、3 つ目は、ネットワークの送信方法が量子力学に基づいていることです。

いくつかの量子通信衛星と地上基地局が建設され、地域を越えた量子鍵配布は成功しましたが、グローバルな量子インターネットの構築には依然として大きな技術的および工学的課題があり、現実世界の問題や問題の下でのセキュリティ問題を解決する必要があります。長距離伝送の問題。

現在、光ファイバーを使用したポイントツーポイント QKD の安全距離は約 100 キロメートルに達します。既存の技術では、信頼できる中継器を介して量子通信の距離を効果的に延長できます。

2017年、我が国の量子安全通信幹線「北京－上海幹線」は、32の中継ノードを介して、約2,000キロメートルの都市間光ファイバー量子ネットワーク全体を接続し、量子衛星「墨子」とのドッキングに成功し、世界を構築した。初の星から地上までの量子インターネット。

2018年1月、中国とオーストリアは初めて7,600キロメートルの距離にわたる大陸間量子鍵配布を達成し、その共有鍵を使用して暗号化されたデータ伝送とビデオ通信を実現し、「墨子」が大陸間量子鍵を実現する能力を備えていることを示した。鍵の配布。機密通信が可能。

インターネットの発明により人類は情報化の時代を迎え、量子インターネットは世界を変えるチャンスとなると、世界の主要国が積極的に計画を立てている。 2020年8月、米国エネルギー省は「新通信時代を先導する国家量子ネットワークの確立」報告書を発表し、10年以内に国家量子インターネットを構築するための戦略的青写真を提案した。

一般的に、商用量子コンピュータはまだ大規模に応用されておらず、量子コンピュータ間を接続する量子インターネットはまだ将来の概念であり、現在各国で推進されている量子安全通信ネットワークは量子インターネットの原型である。量子インターネットの目標は、量子コンピューティング、量子測定、その他の機能統合を組み合わせることです。

4.4 量子通信の応用

ICVの予測によると、世界の量子通信市場は2021年に約23億米ドルとなり、2021年から2030年までのCAGRは約34%で、2025年までに153億米ドル、2030年までに421億米ドルに成長すると予想されています。 。

量子通信産業チェーンは主に、上流のコンポーネントとコア機器、中流のネットワーク伝送路とシステムプラットフォーム、下流のセキュリティアプリケーション市場に分かれています。現在、量子通信市場はまだ通信ネットワークインフラ構築段階にあり、コア機器とソリューションが依然として産業チェーンの鍵となっている。 ICV データによると、上流および中流のコア機器およびソリューションの市場規模は、2025 年には 80% を占める約 122 億 4,000 万ドルになると予想されています。

現在の我が国の量子通信インフラの構築状況から判断すると、12,000キロメートルを超える量子バックボーンネットワークの構築が完了しています。全体計画によると、将来的には北京から蘭州、張家口、西安などを含む2万キロメートル近くのバックボーンネットワークの建設が行われる可能性がある。

我が国の量子通信ネットワークインフラがさらに改善されるにつれ、下流の商用アプリケーションも期待に値します。 ICV コンサルティング データによると、2021 年の量子通信ダウンストリーム アプリケーション市場規模は約 2 億 3,000 万ドルで、2025 年には 30 億 6 千万ドルになり、2030 年には 117 億 8,800 万ドルに達すると予想されています。2021 年からの CAGR は次のようになります。 2030 年までは約 54.87% です。

現時点では、量子安全通信はまだ国防、金融、政務などの分野に限定されており、将来、量子通信業界はより多くのダウンストリームシナリオを可能にし、関連企業はより多くの商業応用分野を積極的に模索しています。

その中で、Guodun Quantumは、量子セキュリティ技術とビッグデータ、クラウドコンピューティング、モノのインターネット、人工知能などを統合し、「Quantum+」産業エコロジーを共同で推進する共同パートナーです。 Guodun Quantum と China Telecom は共同で「Quantum Security OTN Private Line」や「Quantum Encrypted Intercom」などの製品とサービスを開始しており、量子暗号化音声ビジネスのユーザー数は現在 100 万人を超えています。 -株式会社浙江国屯電力は、浙江省初の「量子+変電所」を電力分野で実証し、DingTalk（中国）などの企業と協力して稼働させた。 「Quantum Security Application Portal」などのセキュアオフィス製品シリーズを共同開発する。

量子鍵配布 (QKD) ネットワーキング技術が成熟し、端末機器のモバイル化と小型化が進むにつれて、量子安全通信アプリケーションは電気通信ネットワーク、企業ネットワーク、個人ホーム ネットワークなどの分野に拡大すると考えられます。

5. 量子精度測定

量子精密測定技術は、量子力学を基礎理論としており、粒子のエネルギー準位遷移、量子もつれ、量子コヒーレンスなどの技術原理を利用して、原子や光子などの微小な粒子の量子状態を準備、測定、読み取ります。磁場、周波数、電場、時間、長さなどの物理パラメータの高精度精密測定を実現します。

5.1 量子精度測定の定義

量子精密測定のための重要な技術手段には、微粒子エネルギー準位測定、量子コヒーレント重ね合わせ測定、および量子もつれ測定が含まれます。これらは量子力学の基本特性でもあります。

(1) 微粒子のエネルギー準位測定に基づく

ボーアの原子理論によれば、原子は高い「エネルギー状態」から低い「エネルギー状態」に遷移するときに電磁波を放出します。この電磁波の固有周波数は不連続です。測定対象の物理量が量子系と相互作用すると、量子系はエネルギー準位の遷移、エネルギー準位の分裂、縮退などの変化を起こすが、このとき量子系はスペクトルや放射線のエネルギーを放射したり吸収したりする。または、吸収スペクトルは、測定されるエネルギーの量に関連し、物理量に関連します。微粒子のエネルギー準位測定に基づく技術は、外部環境（温度、磁場など）に対する高い要件があり、量子状態操作技術に依存しています。例えば、1967年には、微粒子のエネルギー準位の技術原理を応用し、セシウム原子の電子エネルギー準位遷移周期の9192631770倍を1秒と定義しました。

(2) 量子コヒーレンスに基づく測定

量子コヒーレンスに基づく計測技術は、主に量子系の揺らぎ特性を利用したもので、計測対象の物理量が2つの原子線に異なる影響を与えるため、2つの原子線が干渉すると計測対象の物理量が位相差として反映されます。原子ビームの。原子ジャイロスコープや重力勾配計などは、量子コヒーレンスに基づく技術原理を使用しています。量子コヒーレンスに基づく技術的手段は、重力検出や慣性航法などの分野に応用されています。次の開発トレンドは、システムの実用性を高めるための小型化とチップ開発です。

(3) 量子もつれに基づく計測

量子もつれに基づく測定技術では、n 量子がもつれ状態にあり、n 量子に対する外部環境の影響がコヒーレントに重畳されるため、最終的な測定精度は単一量子の 1/n に達します。この精度は古典力学のショットノイズ限界を突破し、量子力学理論の範囲内で達成可能な最高精度、つまりハイゼンベルグ限界です。現在、量子もつれに基づく計測技術の応用分野としては、量子通信、量子衛星航法、量子レーダーなどが挙げられる。

簡単に言えば、量子精密測定は、量子の重ね合わせと量子もつれの特性を利用して、従来の測定技術の古典的な限界を基本原理から突破し、温度、磁場、圧力、時間、長さなどの環境のさまざまな変化を組み合わせます。さまざまな基本物理量と派生量が量子の限界まで引き上げられています。

5.2 量子精密計測技術の開発状況と困難さ

量子情報の 3 つの主要分野の中で、量子計測は、多様な技術的方向性、豊富な応用シナリオ、明確な産業化の見通しという特徴を持っています。量子測定の各技術方向の開発の成熟度は大きく異なります。原子時計や原子重力計などの成熟した商用製品だけでなく、量子磁力計、光量子レーダー、量子ジャイロスコープなどの工学研究段階にあるプロトタイプ製品もあります。開発およびアプリケーションの探索段階、ならびに量子相関イメージングやリュードベリ原子アンテナなどのプロトタイプもまだシステム技術の問題を解決する過程にあります。

量子精密測定技術の進歩には、量子物理学、材料科学、光学、エレクトロニクス、その他の分野における相互融合と革新が必要であり、次のような多くの技術的困難に直面しています。

(1) 量子もつれの生成と維持：量子もつれは量子精密測定における重要な資源であるが、実験で高品質なもつれ状態を生成することは容易ではなく、外部環境からの干渉により容易にもつれ状態が解けてしまう（つまりデコヒーレンス）。

(2) デコヒーレンスとノイズ制御: 量子システムは非常に壊れやすく、外部環境の影響を受けやすいため、量子状態のデコヒーレンスが発生します。同時に、熱ノイズや電磁ノイズなどのさまざまなノイズ源も測定結果に干渉します。したがって、高精度の測定を達成するには、ノイズとデコヒーレンスを適切に制御する必要があります。

(3) 検出器の効率と分解能: 量子精度の測定では、多くの場合、量子状態を検出するために高効率で高分解能の検出器が必要です。現在の検出器には、特に検出効率と時間分解能の点で、まだ改善の余地があります。

(4) システムの校正と誤差分析: 測定の精度を確保するには、量子測定システムを正確に校正する必要があります。さらに、測定結果の誤差分析も非常に複雑で、系統誤差や統計誤差など多くの要因を考慮する必要があります。

(5) 量子状態の制御: 量子精密測定では、多くの場合、特定の量子状態の準備や正確な量子状態変換の達成など、量子状態の正確な制御が必要です。これらの操作には非常に高度な実験スキルが必要です。

(6) 材料およびデバイスの開発：量子ドット、超伝導量子干渉計などの量子精密測定用の材料およびデバイスの作成は、量子測定のニーズを満たすだけでなく、安定性と再現性も備えていなければなりません。材料科学とデバイス工学の両方に挑戦します。

(7) 大規模量子システムのスケーラビリティ：小規模な量子システムでは比較的高精度な制御が可能となったが、より高精度な測定結果を得るために、これらの技術を大規模システムにどのように拡張するかは依然として課題である。大きな課題です。

量子技術の継続的な発展により、これらの困難は徐々に克服され、量子精密測定の実用分野への拡大が促進されるでしょう。国際計量システムは、古典物理学に基づく物理標準から「量子標準」への発展と変革の時期にあります。

2021年に国務院が公布した「計量発展計画（2021～2035年）」と2022年に国務院が公布した「第14次市場監督近代化5カ年計画」には、国家の近代的な先進計量システムを確立する必要性が明記されている。量子計測を中核システムとして、量子計測標準の開発・確立、量子効果や物理定数に基づく量子計測技術の研究、計測標準の高度化を推進する必要がある。

5.3 量子精度測定の応用

ICVのデータによると、世界の量子精度密度市場は2023年の14億7000万米ドルから2035年には39億米ドルに成長すると予想されており、年平均成長率は7.79%と継続的な増加傾向を示している。中でも、量子時計、量子重力計・磁力計、量子磁力計の3大市場セグメントは市場規模が大きく、合わせて量子精密計測市場の約85％を占めています。

(1) 量子時計

比較的成熟した量子精度測定製品である原子時計は、非常に正確で安定した時間測定機能を備えています。現在、光原子時計技術はその応用分野を急速に拡大しており、鉄道移動通信、データセンター、国防、科学計測など複数の産業をカバーしています。この傾向は、光原子時計が科学実験室で優れた性能を発揮するだけでなく、徐々に実用化され、さまざまな業界に正確な時間測定と同期サービスを提供していることを示しています。

量子時計は、その極めて高い安定性と精度により、さまざまな分野で重要な役割を果たします。以下にいくつかの主なアプリケーション シナリオを示します。

全地球測位システム (GPS) と衛星ナビゲーション: 量子時計を使用すると、GPS やその他の衛星ナビゲーション システムの精度を向上させることができます。これらのシステムは位置情報を計算するために正確な時間測定に依存しているため、量子時計はそのパフォーマンスと信頼性を大幅に向上させる可能性があります。

科学研究: 物理実験、特に非常に小さな時間差の測定を伴う実験では、量子時計の高精度と安定性の恩恵を受ける可能性があります。これには、基本的な物理定数の測定、精密な量子実験、天体物理学の観察、宇宙の基本法則の探求が含まれます。

通信ネットワーク: 量子クロックは、高速データ伝送および通信システムの信頼性を維持するために重要なネットワーク同期の精度を向上させることができます。データセンターとネットワークインフラストラクチャが拡大し続けるにつれて、時刻同期の必要性も高まり続けています。

金融取引: 金融業界では、取引には正確なタイムスタンプが必要です。量子時計の精度は、特に高頻度取引における取引システムの透明性と公平性を向上させるために使用できます。

軍事と防衛: 正確な時間測定は、現代の軍事通信、航法、情報収集、兵器システムにとって非常に重要です。量子時計は、これらのシステムのパフォーマンスと精度を向上させる可能性があります。

量子コンピューティングと量子情報: 量子クロックは、量子ビット (量子ビット) の状態の正確な制御と測定に依存する量子コンピューターと量子通信の分野でも重要な役割を果たす可能性があります。

地球物理学と気候監視: 量子時計は、地球の自転、地殻変動、海面変化、気候変動や自然災害の理解と予測に重要なデータをより正確に監視するために使用されることが期待されています。

深宇宙探査: 深宇宙ミッションでは、量子時計はより正確なナビゲーションと制御を提供し、宇宙船が宇宙の長距離を移動するのに役立ちます。

ICVのデータによると、量子時計市場は2023年から2035年にかけて着実な成長傾向を示し、市場規模は2023年の5億8,000万米ドルから12億1,000万米ドルに増加し、年間複合成長率(CAGR)は5.77%となる見込みです。

(2) 量子重力計

量子重力計は、量子力学の原理を使用して地球の重力場を測定する高精度の機器です。これらのデバイスは通常、超低温の原子雲を使用し、原子の自由落下運動を正確に測定することで重力場の小さな変化を検出します。量子重力計は、原子の波動関数 (または状態) が分割、転送、再結合して測定可能な干渉パターンを生成する量子物理現象である量子干渉に基づいて動作します。

科学研究や工学用途における重力場と重力勾配の正確な測定の需要が高まり続けるにつれ、動的シーンの信頼性が高くドリフトがないという利点により、量子重力計と量子重力勾配計が現場で広く使用されています。

地球物理学的研究：地殻変動の検知、地震監視、火山活動の調査、地下水位の測定など。

鉱物および石油の探査: 地下の岩石の密度分布を特定し、鉱物資源や油田の発見に役立てます。

エンジニアリングおよび建設: 建設プロジェクトでは、基礎の安定性を評価するために重力の変化が監視されます。

防衛と国家安全保障: 量子重力計の高精度測定機能は、水中航行や地下構造物の検出など、防衛分野での応用の可能性があります。

ナビゲーション システム: 正確な地上基準データを必要とする潜水艦やその他の車両に正確な慣性航法情報を提供します。

現在、量子重力計と量子磁力計は主に軍事分野で使用されています。 ICVのデータによると、2023年の市場シェアは軍事・防衛部門が44％、次いで研究分野が33％、石油・ガス探査関連の民間市場が23％を占めた。

技術が成熟し続け、下流アプリケーション市場が拡大し続けるにつれて、製品の価格と性能が量子重力計および量子重力勾配計市場に大きな成長をもたらすと考えられます。市場規模は2023年の1億7,000万米ドルから2035年には10億7,000万米ドルへと急速に成長し、年平均成長率は15.21%であり、この分野の大きな可能性を示しています。

(3) 量子磁力計

量子磁力計は、量子効果を利用して磁場の強さを測定する機器です。一般に、従来の磁力計よりも感度が高く、非常に弱い磁場を検出できます。量子磁力計が動作する基本原理は、特定の物質 (通常は原子または電子) の量子状態が外部磁場の影響を受けると、そのエネルギー レベルが変化するというものです。これらのエネルギーレベルの変化を正確に測定することにより、磁場の強さを推定することができます。

現在の量子磁力計市場では、技術の多様性が顕著な特徴です。プロトン磁力計、SQUID 磁力計、OPM 磁力計、SERF 磁力計、NV カラーセンター磁力計などのさまざまなテクノロジーはすべて、さまざまなアプリケーション シナリオで独自の利点を発揮します。これにより、市場はテクノロジーにおいて多様かつ幅広い選択肢を提示できるようになります。

量子磁力計は感度と精度が高く、多くの分野で幅広い応用シナリオを次に示します。

地球物理学的探査: 量子磁力計を使用すると、地中の鉄鉱石などの磁性鉱物を検出でき、地質学者が鉱物資源を特定するのに役立ちます。さらに、地磁気の変化を監視して地震やその他の地質学的現象を予測するために使用することもできます。

医用画像処理: 磁気共鳴画像処理 (MRI) では、量子磁力計は画像処理の解像度と品質の向上に役立ちます。さらに、これらは、将来的には放射線を使用しない医療画像処理方法となることが期待される新興画像技術である磁性粒子画像処理 (MPI) にも使用できます。

生物学的研究: 量子磁力計は、生体内の弱い磁場を測定するために使用できます。たとえば、心臓内の磁場の変化を監視して心臓病を研究したり、神経系の信号伝達を追跡したりすることができます。

軍事および安全保障: 軍事分野では、量子磁力計を使用して潜水艦、地雷、その他の隠された金属物体を検出できます。さらに、スパイ装置による盗聴や監視を防ぐためにも使用できます。

宇宙と天体物理学: 量子磁力計は宇宙の弱い磁場を検出でき、太陽風、惑星磁場、星間磁場などの現象の研究に役立ちます。

基礎物理学の研究: 実験物理学では、量子磁力計を使用して非常に弱い磁場を検出できます。これは、素粒子物理学、量子物理学、物性物理学などの分野の研究にとって非常に重要です。

産業用途: 量子磁力計は、パイプライン、航空機、橋梁の小さな亀裂や腐食を検出してこれらの構造物の安全性を確保するなど、非破壊検査に使用できます。

量子磁力計は科学研究、特に物理学、地球科学、生物医学で使用されることが増えています。同時に、産業分野では、量子磁力計は磁性材料の検査や電子製造などで広く使用されています。これらのアプリケーションの拡大により、市場規模の成長がさらに促進されます。

ICV データによると、量子磁力計市場は 2023 年から 2035 年にかけて着実な成長を示し、2023 年の 4 億 8,000 万米ドルから 2035 年には 10 億米ドルに成長すると予想されています。この成長傾向は主に科学研究、産業、その他の分野によって推進されています。現場での高精度磁気測定に対する継続的な需要。

6. 量子技術投資のパノラマ

6.1 量子テクノロジー企業地図

(1) 量子コンピューティング分野の大手企業

(2) 量子通信分野の大手企業

(3) 量子計測分野の大手企業

6.2 国内量子技術大手企業の評価

このレポートの参考文献

[1] 張清瑞、「量子メガトレンド」

[2]iCV&Photon Box「2024年世界の量子コンピューティング産業発展展望」

[3]iCV&Photon Box「2024年世界の量子通信・セキュリティ産業の発展展望」

[4]iCV&Photon Box「2024年世界の量子精密計測産業発展展望」

[5] 東州証券、「量子情報: 次の情報革命」

データが示している

データ｜事例｜意見の出典

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