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Índice

1. Definição e características do quantum

1.1 Superposição quântica

1.2 Emaranhamento quântico

1.3 Decoerência quântica

2. A era da supremacia quântica está chegando

2.1 A segunda revolução da tecnologia quântica

2.2 Competição Global de Tecnologia Quântica

3. Computação Quântica

3.1 Definição e vantagens da computação quântica

3.2 Principais caminhos técnicos da computação quântica

3.3 Estado de desenvolvimento e dificuldades técnicas dos computadores quânticos

3.4 Aplicações de Computadores Quânticos

4. Comunicação e segurança quântica

4.1 A necessidade de comunicação quântica segura

4.2 Situação de desenvolvimento e dificuldades das principais tecnologias quânticas de comunicação segura

4.3 Rede de comunicação quântica e Internet quântica

4.4 Aplicações da Comunicação Quântica

5. Medição de precisão quântica

5.1 Definição de Medição de Precisão Quântica

5.2 Status de desenvolvimento e dificuldades da tecnologia de medição de precisão quântica

Aplicações de medição de precisão quântica

6. Panorama do investimento em tecnologia quântica

6.1 Computação quântica, comunicação quântica, mapa da empresa de medição quântica

6.2 Avaliação das principais empresas chinesas de tecnologia quântica

1. Definição e características do quantum

Quantum é a unidade básica da física que descreve as partículas no mundo microscópico. É uma unidade discreta de energia e momento. O quantum não é um “sub” como um elétron. No mundo clássico, vários fenômenos físicos mudam continuamente, como a temperatura. No mundo microscópico, o estado de energia é descontínuo e é composto por pedaços de energia, tais como quantidades físicas. já que o momento pode ser infinitamente dividido em unidades infinitamente pequenas, e existe uma menor unidade básica, que é o quantum. Essa divisibilidade infinita no mundo microscópico é chamada de quantização.

O quantum tem propriedades como superposição quântica, emaranhamento quântico e medição quântica. Essas propriedades não são importantes apenas na física, mas também desempenham um papel fundamental em campos emergentes da tecnologia quântica, como computação quântica, comunicação quântica e medição quântica. Estas propriedades peculiares da mecânica quântica proporcionam-nos uma nova perspectiva para compreender e explorar as leis básicas da natureza.

1.1 Superposição quântica

A superposição quântica é um conceito importante na mecânica quântica, que se refere a um sistema quântico que pode estar em um estado de superposição entre vários estados possíveis ao mesmo tempo. Na física clássica, um objeto só pode estar em um estado definido, enquanto na mecânica quântica, um sistema quântico pode estar em uma combinação linear de múltiplos estados possíveis. Isto significa que, em alguns casos, um sistema quântico pode estar em vários estados ao mesmo tempo, apenas para entrar em colapso para um dos seus estados definidos quando medido.

A superposição quântica é a base da computação quântica e da informação quântica. Ao usar a superposição quântica, a computação quântica paralela pode ser alcançada e a eficiência da computação pode ser melhorada.

1.2 Emaranhamento quântico

O emaranhamento quântico é um fenômeno interconectado especial na mecânica quântica. Significa que quando dois ou mais sistemas quânticos interagem, seus estados se tornam intimamente relacionados, não importa quão distantes estejam, o estado de um sistema afeta imediatamente o estado de outro sistema. Essa associação é chamada de emaranhamento.

O estado de correlação de duas partículas em estado emaranhado não pode ser estabelecido antes de ser medido. No entanto, não importa a distância entre as duas partículas, desde que o estado emaranhado não seja destruído, uma vez medida uma das partículas, o estado de. a outra partícula será determinada. Também será determinada em conformidade. O emaranhamento quântico não apenas fornece o método de processamento paralelo mais eficaz para operações quânticas, mas também é uma ferramenta essencial para realizar a comunicação quântica. Sendo muito sensível às mudanças ambientais, o emaranhamento quântico também pode ser usado para criar sensores quânticos muito precisos e sensíveis.

1.3 Decoerência quântica

A decoerência quântica significa que em um sistema quântico, os estados que originalmente tinham coerência (ou seja, as propriedades de interferência e superposição dos estados quânticos) perdem essa propriedade de coerência após um determinado processo ou interação. A decoerência quântica geralmente faz com que os estados quânticos se tornem mais clássicos, isto é, mais próximos dos estados da física clássica.

A decoerência quântica pode ocorrer em diferentes circunstâncias, como medição quântica, decoerência quântica, interferência ambiental, etc. Entre eles, a interferência ambiental é a causa mais comum de decoerência quântica. Quando um sistema quântico interage com o ambiente circundante, a incerteza ambiental e o ruído farão com que o efeito de interferência do estado quântico desapareça gradualmente e o sistema perca gradualmente a coerência.

A decoerência quântica é uma questão importante que afeta a computação quântica e o processamento de informações quânticas, porque a coerência é um recurso fundamental na computação quântica. Portanto, estudar como estender o tempo de coerência dos estados quânticos e reduzir o impacto da decoerência quântica é um dos focos atuais de pesquisa no campo da informação quântica.

2. A era da supremacia quântica está chegando

2.1 A segunda revolução da tecnologia quântica

A primeira proposta do conceito quântico remonta a 1900, pelo físico alemão Max Planck. Planck propôs o conceito de quantização de energia, que é a base da teoria quântica, dando início à revolução da física quântica no início do século XX. Em 1905, Albert Einstein desenvolveu ainda mais o conceito quântico e propôs o conceito de quanta de luz (fótons) para explicar o efeito fotoelétrico.

A “primeira revolução da tecnologia quântica” começou no início do século 20, com Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Paul ·Físicos representados por Dirac e outros estabeleceram a estrutura teórica da mecânica quântica, descreveram as características básicas da mecânica quântica, realizou a combinação da mecânica quântica com matemática, química e biologia, e deu origem a muitas invenções importantes - a bomba atômica, lasers, transistores, ressonância magnética nuclear, computadores, etc.

Em 2014, a Nature, a principal revista científica do mundo, propôs que a “segunda revolução da tecnologia quântica” tivesse começado.

A "primeira revolução tecnológica quântica" trouxe a humanidade da era industrial para a era da informação, e a "segunda revolução tecnológica quântica" em curso significa que a humanidade romperá os limites físicos da tecnologia clássica e entrará na era quântica, marcando a compreensão da humanidade sobre o mundo quântico. A exploração de computadores quânticos passou de uma simples "era de detecção" para uma "era de regulação" ativa, anunciando grandes avanços nas áreas de computação quântica, comunicações quânticas e medição de precisão quântica.

A “segunda revolução tecnológica quântica” utiliza emaranhamento quântico, superposição quântica, medição quântica, etc. para realizar aplicações inovadoras e deverá desencadear mudanças em muitos campos:

Computação Quântica: O desenvolvimento de computadores quânticos passará por uma transição de computadores quânticos especializados para computadores quânticos universais, alcançando, em última análise, um computador quântico universal programável que pode resolver problemas específicos que os computadores clássicos não conseguem resolver.

Comunicação quântica: Possui método de comunicação anti-espionagem e estabelece uma rede de comunicação segura com não clonagem quântica e outras características. As principais tecnologias incluem distribuição quântica de chaves (QKD), teletransporte quântico (QT), etc. O desenvolvimento da tecnologia de comunicação quântica também promoverá ainda mais a construção da Internet quântica.

Medição de precisão quântica: A tecnologia de medição de precisão quântica traz ferramentas de medição de maior precisão para a pesquisa científica e a indústria. Como os estados quânticos são extremamente sensíveis às mudanças no ambiente externo, a sensibilidade e a resolução da medição de precisão quântica excederão significativamente os limites clássicos e promoverão o. desenvolvimento de habilidades relacionadas melhorou.

A “segunda revolução da tecnologia quântica” está a mudar a nossa compreensão do mundo quântico e a promover a aplicação da tecnologia quântica em múltiplos campos. À medida que a tecnologia continua a avançar, espera-se que a tecnologia quântica revolucione a forma como vivemos e trabalhamos nas próximas décadas.

2.2 Competição Global de Tecnologia Quântica

"A revolução da tecnologia quântica deu à China a oportunidade de 'mudar de rumo e ultrapassar'." Zhang Qingrui, ex-presidente interino da Universidade Nacional de Taiwan, professor titular da Universidade Chung Yuan e consultor do Foxconn Quantum Research Institute, disse em seu livro " Megatendências Quânticas".

Na era da tecnologia da informação, a melhoria do poder computacional dos computadores clássicos segue a Lei de Moore. A Lei de Moore afirma que o número de transistores que podem ser acomodados em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada dois anos. O controle preciso de processos nanométricos tornou-se uma tecnologia chave na era da tecnologia da informação. , o tamanho físico dos transistores continua diminuindo. Está ficando cada vez mais difícil.

Na "segunda revolução tecnológica quântica", propriedades como superposição quântica, emaranhamento quântico e medição quântica são usadas para criar novos componentes quânticos. Não depende apenas da tecnologia de encolhimento da Lei de Moore, desde que as características dos objetos possam ser. dominada, até mesmo tecnologia submícron Componentes quânticos com propriedades de emaranhamento quântico podem ser fabricados O desempenho dos componentes quânticos com propriedades de emaranhamento é muito superior ao dos componentes eletrônicos clássicos. A "segunda revolução da tecnologia quântica" trará indústrias inovadoras mais disruptivas.

O professor Pan Jianwei, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, conhecido como o "Pai da Quântica" na China, disse certa vez que, em termos de ciência da informação moderna, a China sempre desempenhou o papel de aprendiz e seguidor. da tecnologia quântica, se tentarmos o nosso melhor, podemos nos tornar a principal força entre eles.

Atualmente, as conquistas do meu país no campo da comunicação quântica lideraram o mundo: em 2016, o primeiro satélite experimental de ciência quântica do mundo "Mozi" foi lançado com sucesso em 2017, a linha de comunicação quântica de longa distância Pequim-Xangai de 2.000 quilômetros; ; em 2018, "Mozi" "Zihao" conduziu a distribuição de chaves quânticas satélite-solo ao longo de 7.600 quilômetros com as estações terrestres de Xinglong da China e Graz da Áustria, respectivamente, em 2022, a equipe do professor Long Guilu da Universidade de Tsinghua projetou um híbrido de estado quântico de fase e carimbo de data / hora; estado quântico O novo sistema de comunicação direta quântica codificada alcançou 100 quilômetros de comunicação direta quântica e quebrou o recorde mundial de "comunicação direta quântica".

No campo da computação quântica, em dezembro de 2020, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China anunciou a construção bem-sucedida do protótipo de 76 fótons "Jiuzhang", tornando-se o segundo país a alcançar a supremacia quântica (Supremacia Quântica) (Nota de junho); 2021 , a Universidade de Ciência e Tecnologia da China lançou o computador supercondutor programável de 56 qubit "Zuchongzhi", encurtando para 1,2 horas a tarefa que o supercomputador levou 8 anos para concluir. A China é o único país que possui dois caminhos tecnológicos: supercondutor e. quantum óptico. Países que alcançaram superioridade quântica.

De acordo com dados do Instituto de Pesquisa Industrial Qianzhan, em termos de investimento total, o investimento global em informação quântica atingirá 38,6 mil milhões de dólares em 2023, dos quais o investimento total da China atingirá 15 mil milhões de dólares, ocupando o primeiro lugar no mundo.

Actualmente, a China e os Estados Unidos lideram a competição na tecnologia quântica, e a Europa e outras potências tecnológicas tradicionais também estão a recuperar activamente. Embora existam actualmente líderes na tecnologia quântica, todos os participantes não estão longe da linha de partida. “mudar de faixa e ultrapassar” é muito mais difícil do que Existem mais oportunidades em outras áreas da tecnologia.

Em 2021, o esboço do "14º Plano Quinquenal" do meu país propõe acelerar a implantação de tecnologias avançadas, como a computação quântica e as comunicações quânticas, com o objectivo de concluir a construção da infra-estrutura nacional de comunicações quânticas e desenvolver computadores quânticos universais até 2030.

(Nota: Supremacia Quântica, também conhecida como supremacia quântica, refere-se à capacidade de um computador quântico de superar o computador convencional mais poderoso ao executar tarefas específicas. Este conceito foi desenvolvido pelo físico John Price. Proposto por John Preskill em 2012 para descrever o significativo vantagens dos computadores quânticos sobre os computadores clássicos na resolução de certos problemas).

3. Computação Quântica

Como tecnologia de ponta, a computação quântica tem atraído grande atenção de pesquisadores científicos globais e do capital nos últimos anos. Ele usa os princípios da mecânica quântica para romper o método de cálculo baseado em binário dos computadores tradicionais, mostrando o potencial de exceder em muito os computadores clássicos em certos problemas específicos. Com o aprofundamento contínuo da teoria da física quântica e a crescente maturidade da tecnologia quântica, a computação quântica passou gradualmente da teoria à praticidade e é considerada uma importante direção de desenvolvimento da futura tecnologia de computação.

3.1 Definição e vantagens da computação quântica

A computação quântica é uma tecnologia que utiliza bits quânticos como unidade básica de informação para realizar cálculos baseados nos princípios da mecânica quântica. O superparalelismo dos computadores quânticos vem do estado de superposição de qubits. Comparado com o mesmo número de bits clássicos, a diferença no poder de computação entre vários qubits é exponencial.

Os computadores tradicionais usam bits binários (bits), cada bit é 0 ou 1, enquanto o bit quântico (qubit) de um computador quântico pode estar em um estado de superposição de 0 e 1 ao mesmo tempo. À medida que o número de qubits aumenta, N qubits podem ter valores ao mesmo tempo, o que equivale a realizar uma operação ao mesmo tempo.

Os computadores quânticos manipulam esses estados de superposição e as interações entre qubits através de algoritmos quânticos, e podem processar um grande número de caminhos de cálculo possíveis ao mesmo tempo, tornando os computadores quânticos mais eficientes que os tradicionais na resolução de certos tipos de problemas, como decomposição de inteiros e algoritmos de pesquisa. Os computadores são muito mais rápidos.

3.2 Principais caminhos técnicos da computação quântica

O nosso país atribui grande importância à investigação da ciência quântica e introduziu sucessivamente uma série de políticas e planos para apoiar a investigação e aplicação da tecnologia quântica. No campo da computação quântica, as instituições e empresas de investigação científica chinesas alcançaram uma série de resultados de influência internacional em rotas técnicas importantes, como a computação quântica supercondutora e a computação quântica óptica, e estão numa posição de liderança na competição global de computação quântica.

Atualmente, a computação quântica está no estágio inicial de exploração e as direções de desenvolvimento dos qubits são muito diversas. As soluções convencionais incluem supercondutores, armadilhas de íons, quantum óptico, átomos ultrafrios, pontos quânticos baseados em silício e quantum topológico, etc. são basicamente baseados nas vantagens da computação quântica —— Computação Quântica Especializada — Desenvolvimento de roteiro da computação quântica universal.

De acordo com o relatório "Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024" divulgado pela ICV, uma organização de consultoria em tecnologia de ponta, a China e os Estados Unidos dominam a distribuição das principais empresas de computação quântica do mundo, com 20 empresas nos Estados Unidos e 18 empresas na China, representando 28%,25%. Do ponto de vista da distribuição de rotas técnicas, supercondutores, armadilhas de íons e caminhos quânticos ópticos recebem mais atenção. Entre as 71 principais empresas de computação quântica do mundo em 2023, 19 estão no caminho da computação quântica supercondutora, representando 27%, incluindo 8 nos Estados Unidos e 5 na China seguidas pela computação quântica óptica, com um total de 13 empresas; , representando 18%, entre as quais as empresas chinesas têm o maior número, chegando a 4;

(1) Caminho de computação quântica supercondutora

A computação quântica supercondutora é uma das tecnologias de computação quântica mais maduras atualmente. É baseado em circuitos quânticos supercondutores e processa informações manipulando qubits supercondutores. Os circuitos quânticos supercondutores são altamente compatíveis com os sistemas de circuitos integrados existentes em termos de projeto, preparação e medição, e podem usar componentes eletrônicos tradicionais como sistemas de controle. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum, etc. estão conduzindo pesquisa e desenvolvimento no caminho da computação quântica supercondutora.

As vantagens dos qubits supercondutores são a sua alta continuidade e escalabilidade, bem como as suas taxas de distorção relativamente baixas. Esta rota técnica alcançou o emaranhamento entre vários qubits e operações de portas quânticas, estabelecendo as bases para a construção de computadores quânticos práticos. No entanto, os qubits supercondutores são muito sensíveis à temperatura e à interferência eletromagnética do ambiente, por isso os experimentos precisam ser conduzidos em temperaturas extremamente baixas e em um ambiente bem protegido.

A cadeia da indústria de computação quântica dos EUA tem um layout completo, com empresas líderes de tecnologia como IBM, Google e Microsoft entrando na indústria, especialmente no caminho da computação quântica supercondutora. No campo de chips quânticos supercondutores, em dezembro de 2023, a IBM lançou o primeiro chip de processador de computação quântica do mundo, Condor, com mais de 1.000 qubits, que possui 1.121 qubits.

Em abril de 2024, o Instituto de Informação Quântica e Inovação em Tecnologia Quântica da Academia Chinesa de Ciências lançou um chip de computação quântica supercondutor de 504 bits "Xiaohong", quebrando o recorde nacional de número de qubits supercondutores.

Peng Chengzhi, professor do Instituto de Informação Quântica e Inovação de Ciência e Tecnologia Quântica da Academia Chinesa de Ciências e cientista-chefe do China Telecom Quantum Group e Guodun Quantum (688027.SH), disse que chips de computação quântica supercondutores podem reutilizar chips mais maduros tecnologias de processamento de chips semicondutores. É particularmente vantajoso em termos de expansão, então pesquisa e desenvolvimento "não são difíceis". "O mais difícil é como melhorar simultaneamente a qualidade e a quantidade de qubits, melhorando assim verdadeiramente o desempenho do chip e controlando mais precisamente qubits em grande escala. Esta é uma tendência internacional. A equipe de pesquisa científica está trabalhando duro.

O poder de computação que um computador quântico pode alcançar depende de muitos fatores, tomando como exemplo computadores quânticos supercondutores, incluindo o número de bits, fidelidade, tempo de coerência, velocidade de operação da porta, conectividade, etc. Entre eles, o número de bits é um indicador chave. No entanto, atenção especial deve ser dada ao fato de que não faz sentido falar apenas sobre o número de bits. O que é mais importante é a fidelidade da porta (especialmente a fidelidade da porta de dois bits), o tempo de coerência e a conectividade de bits sob grandes dimensões. escalar qubits.

Além disso, a propriedade dos materiais supercondutores é que quando a temperatura cai abaixo de uma determinada temperatura crítica, a resistência é zero e a corrente pode fluir sem perdas. Para alcançar uma operação eficiente e armazenamento estável de qubits, os chips quânticos precisam operar em um ambiente de temperatura extremamente baixa de -273,12°C ou menos, de modo que o refrigerador de diluição é um dos principais equipamentos para a computação quântica supercondutora.

Actualmente, os frigoríficos de diluição produzidos internamente no meu país fizeram grandes avanços e os seus indicadores operacionais reais atingiram o nível internacional de produtos similares. O refrigerador de diluição doméstico comercialmente disponível e produzido em massa ez-Q Fridge, lançado pela Guodun Quantum, fornece chips quânticos com temperatura ultrabaixa e ambiente de baixo ruído até o nível de 10mK. A potência de resfriamento atinge 450uW@100mK (450uW@100mK representa. o refrigerador de diluição em O poder de resfriamento a uma temperatura de 100 mK pode chegar a 450uW. Quanto maior o poder de resfriamento, maior o número de bits de computação quântica que pode ser suportado), e serve o "Zuchong-2" para realizar o quantum. experimento de superioridade computacional; é desenvolvido de forma independente pela Origin Quantum O refrigerador de diluição SL1000 pode fornecer um ambiente de temperatura ultrabaixa abaixo de 10mK e uma capacidade de resfriamento de não menos que 1000μW @100mK, atendendo às necessidades de ambientes de temperatura ultrabaixa no corte. campos de tecnologia de ponta, como computação quântica supercondutora, física da matéria condensada, ciência dos materiais e exploração do espaço profundo.

Alcançar a “superioridade quântica” é uma medida fundamental do desempenho de um computador quântico, ou seja, sua capacidade de calcular um problema específico além do de um supercomputador clássico. Atualmente, existem apenas dois computadores quânticos supercondutores no mundo: o americano "Platanus" e o chinês "Zuchong-2".

"Zuchong-2" é um protótipo de computação quântica supercondutor programável de 66 qubit desenvolvido por uma equipe de pesquisa composta por Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi e outros do Instituto de Informação Quântica e Inovação em Tecnologia Quântica, da Academia Chinesa de Ciências e do Instituto de Física Técnica de Xangai, Academia Chinesa de Ciências. Em maio de 2023, a equipe aprimorou o chip original "Zuchong-2" de 66 qubit e adicionou uma interface de controle de acoplamento de 110 bits, elevando o número de qubits que os usuários podem controlar para 176 bits.

Guodun Quantum, como a única unidade empresarial participante da pesquisa e desenvolvimento de "Zuchongzhi", usa os recursos de gerenciamento e integração da cadeia de suprimentos do protótipo de computação quântica supercondutor (incluindo sistema de controle de temperatura ambiente, sistema de transmissão de sinal de baixa temperatura, sistema de embalagem de chips , sistema de software de controle, etc.). Atualmente, 4 computadores quânticos completos foram vendidos com sucesso para países estrangeiros.

Além disso, o computador quântico supercondutor independente de terceira geração "Origin Wukong" desenvolvido pela Origin Quantum será lançado online em janeiro de 2024. "Original Wukong" está equipado com um chip quântico supercondutor de 72 bits "Wukong Core" com um total de 198 qubits., que contém 72 qubits funcionais e 126 qubits acoplados.

(Nota: Qubit (qubit) é a unidade básica da computação quântica. É o portador de informações quânticas, semelhante aos bits da computação clássica. Qubits podem estar em um estado de superposição, ou seja, uma superposição de vários estados ao mesmo tempo , o que torna os computadores quânticos múltiplas tarefas de computação podem ser processadas ao mesmo tempo. Qubits acoplados (cQubits) são qubits especiais que possuem interações ou acoplamentos entre eles. Qubits acoplados são frequentemente usados ​​para implementar operações de porta quântica, permitindo que diferentes qubits interajam com cada um. outros Para trocar informações e interagir uns com os outros Em geral, os qubits são a unidade básica da computação quântica, e os qubits de acoplamento são uma forma especial de qubits usados ​​para implementar operações de porta quântica e computação quântica.

(2) Caminho de computação quântica óptica

O caminho da computação quântica óptica usa fótons como transportadores de informações e realiza o processo de computação quântica por meio de elementos ópticos quânticos. A principal vantagem da computação quântica óptica é que o próprio fóton interage muito fracamente com o ambiente e pode manter um estado quântico estável por um longo tempo com alta fidelidade. Além disso, a computação quântica óptica pode ser realizada à temperatura ambiente, ao contrário da computação quântica supercondutora, que requer um ambiente de temperatura extremamente baixa. O desafio técnico está na geração, operação e detecção de fótons, o que requer tecnologia e equipamentos de controle de alta precisão. As empresas que atualmente usam fótons como caminho para computadores quânticos incluem PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum e Bose Quantum.

A China é o único país que alcançou superioridade quântica tanto em tecnologia quântica supercondutora quanto óptica. Além do "Zu Chongzhi" no caminho da computação quântica supercondutora, há outro computador quântico em meu país que alcançou "superioridade quântica" - por. a Universidade de Ciência e Tecnologia da China A série "Nove Capítulos" desenvolvida pela equipe de Pan Jianwei adota o caminho da computação quântica óptica.

Em termos de computadores quânticos com funções específicas, a China fez grandes avanços e progressos no caminho da computação quântica óptica. Em outubro de 2023, a equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China construiu com sucesso o protótipo de computação quântica de 255 fótons "Jiuzhang-3". O protótipo é composto por 255 fótons e pode resolver o problema matemático de amostragem Gaussiana de Bose 100 bilhões de vezes mais rápido que o supercomputador mais rápido do mundo, quebrando mais uma vez o recorde mundial de tecnologia de informação quântica óptica. Além disso, o computador quântico óptico coerente de próxima geração da Bose Quantum com 550 qubits de computação lançado em abril de 2024 - "Tiangong Quantum Brain 550W", por meio de kits de desenvolvimento representados por "Kaiwu SDK" e ecologia multissetorial A combinação de "algoritmos quânticos" em conjunto desenvolvido por parceiros alcançou um avanço na computação quântica prática.

Ao contrário dos computadores quânticos de uso geral que podem alterar o programa de cálculo de execução à vontade, os computadores quânticos de funções específicas só podem executar algoritmos quânticos específicos. Se quiserem lidar com cálculos além da função de design original, o hardware ou equipamento deve ser alterado.

No campo de computadores quânticos ópticos programáveis ​​de uso geral, a Turing Quantum lançou o DeepQuantum, a primeira estrutura de programação de computação quântica óptica da China. Usando QubitCircuit no DeepQuantum, os desenvolvedores podem construir e simular facilmente circuitos quânticos e projetar e otimizar rapidamente redes neurais quânticas. Além disso, por meio do QumodeCircuit do DeepQuantum, os usuários podem estudar profundamente circuitos quânticos ópticos e desenvolver aplicações práticas baseadas em algoritmos como a amostragem Gaussiana de Bose. DeepQuantum não inclui apenas funções de diferenciação automática, mas também possui uma variedade de otimizadores não gradientes integrados para ajudar os usuários a implementar e explorar com eficiência algoritmos quânticos variacionais. Ao mesmo tempo, a Turing Quantum implantará hardware de computação quântica óptica na plataforma Quantum Cloud, e os usuários poderão experimentar a computação quântica real por meio do DeepQuantum.

(3) Caminho de computação quântica de armadilha de íons

O caminho da computação quântica com armadilha de íons é uma técnica que usa íons (geralmente átomos ou moléculas carregadas) como qubits para realizar o processamento de informações quânticas. O campo eletromagnético externo é usado para “capturar” os íons dentro de uma certa faixa, e o movimento dos íons é controlado pela força de interação entre a carga e o campo eletromagnético. As vantagens da computação quântica com armadilha de íons residem no tempo de estado emaranhado estável e longo e na alta fidelidade das portas lógicas. No entanto, a dificuldade técnica reside em alcançar "aprisionamento" estável e controle preciso de um grande número de íons ao mesmo tempo, o que requer. tecnologia de resfriamento a laser e ambiente de vácuo ultra-alto e integração A compatibilidade do circuito ainda não foi desenvolvida, resultando em escalabilidade limitada. Atualmente, as empresas que estão profundamente envolvidas na tecnologia de computação quântica de armadilha de íons incluem Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum, etc.

Em 2023, Huayi Quantum lançou o HYQ-A37, um protótipo comercial do computador quântico de armadilha de íons de primeira geração com uma escala de 37 qubits. Seu tempo de coerência de qubit, fidelidade e outros indicadores de desempenho relacionados atingiram o nível de primeira classe do mundo. Atualmente, os usuários podem usar ferramentas visuais ou editores de código para projetar circuitos quânticos rapidamente mediante agendamento e acessar remotamente o HYQ-A37 para executar tarefas de computação e obter feedback dos resultados da computação gráfica em tempo real. Espera-se que Huayi Quantum lance um computador quântico com armadilha de íons de baixa temperatura e 110 bits em 2024.

3.3 A história do desenvolvimento e as dificuldades técnicas dos computadores quânticos

Desde a década de 1980, a computação quântica foi verificada por ideias físicas básicas e princípios primários, e agora os computadores quânticos atingiram o estágio NISQ (computador quântico de escala intermediária barulhento).

Computadores com portas quânticas de alta fidelidade de 50 a 100 qubits são chamados de computadores NISQ. "Noisy" significa que há um certo grau de ruído e erros entre qubits, que apresentam baixa tolerância a falhas e ainda não conseguem obter cálculos quânticos precisos. Computadores quânticos de uso geral tolerantes a falhas são uma meta de desenvolvimento de longo prazo e levarão algum tempo para serem alcançados. No entanto, o poder de computação dos computadores quânticos ruidosos de média escala excedeu em muito o dos supercomputadores. tarefas e já demonstraram excelente desempenho em alguns campos de aplicação.

As principais restrições ao desenvolvimento de computadores quânticos nesta fase são:

(1) Requisitos de temperatura extremamente baixa: Para manter a estabilidade do estado quântico dos qubits, os computadores quânticos precisam operar em um ambiente de temperatura ultrabaixa próximo ao zero absoluto. Sob tais condições, os qubits podem efetivamente exibir as características de emaranhamento quântico e superposição quântica. Os sistemas de refrigeração são caros para manter e operar e, à medida que o número de qubits aumenta, os requisitos de refrigeração correspondentes aumentarão.

(2) Questão de estabilidade do Qubit: Qubits (ou qubits) são as unidades básicas de informação dos computadores quânticos, mas são muito frágeis e suscetíveis a ruídos e interferências externas, levando à decoerência quântica. A decoerência destrói as informações quânticas, tornando os cálculos pouco confiáveis. Aumentar o tempo de coerência dos qubits é um ponto importante de pesquisa atual.

(3) Correção de erros quânticos: Erros ocorrem inevitavelmente durante a computação quântica e, devido às propriedades especiais dos qubits, esses erros são diferentes daqueles dos computadores tradicionais. O desenvolvimento de técnicas eficazes de correção de erros quânticos é fundamental para permitir a computação quântica confiável, mas os algoritmos atuais de correção de erros quânticos permanecem complexos e difíceis de escalar.

(4) Escalabilidade: O número de qubits nos computadores quânticos existentes é relativamente pequeno, mas o cálculo de problemas complexos requer centenas, milhares ou até mais qubits. Como ampliar computadores quânticos sem reduzir a qualidade de um único qubit é um enorme desafio técnico.

(5) Limitações de materiais e tecnologia: A fabricação de qubits de alta qualidade requer materiais avançados e processos de fabricação precisos. Por exemplo, qubits supercondutores requerem materiais supercondutores de alta pureza, enquanto a tecnologia de armadilha de íons requer laser de alta precisão e sistemas de vácuo. O desenvolvimento e a maturidade destas tecnologias afetam diretamente o desempenho e a viabilidade dos computadores quânticos.

(6) Desenvolvimento insuficiente de algoritmos e software: Embora se saiba que alguns algoritmos quânticos podem, teoricamente, fornecer desempenho além da computação clássica, as bibliotecas de algoritmos e ferramentas de software de computadores quânticos ainda são limitadas e faltam plataformas de software quântico amplamente aplicáveis. e estruturas de programação.

(7) A lacuna entre teoria e experimento: A computação quântica está progredindo rapidamente na teoria, mas o ritmo de concretização dessas teorias em experimentos reais é relativamente lento. Muitas teorias não foram verificadas experimentalmente, portanto, muita inovação e otimização devem ser feitas em técnicas e projetos experimentais.

(8) Escassez de talentos e conhecimento: A computação quântica é um campo interdisciplinar que envolve múltiplas disciplinas, como física, ciência da computação, engenharia e matemática. Atualmente, investigadores e engenheiros com conhecimentos e competências interdisciplinares são relativamente escassos, limitando o ritmo de desenvolvimento no campo da computação quântica.

(8) Limitações dos cenários de aplicação: Atualmente, os computadores quânticos apresentam potencial em determinados problemas específicos, como simulações químicas, quebra de senhas e problemas complexos de otimização. No entanto, as vantagens dos computadores quânticos ainda não são óbvias em muitas tarefas de computação de uso geral, e o seu valor prático em aplicações comerciais e industriais precisa de ser mais explorado.

Como mencionado acima, embora a comercialização da computação quântica ainda enfrente muitos desafios, a tecnologia quântica entrou na fase de engenharia a partir da fase de investigação teórica. O surgimento de computadores quânticos universais tolerantes a falhas no futuro subverterá quase todas as indústrias da indústria tecnológica existente. está na "segunda revolução da tecnologia quântica". Haverá grandes mudanças no futuro e devemos nos preparar com antecedência para entrar em uma nova era quântica.

3.4 Aplicações de Computadores Quânticos

(1) Plataforma de computação quântica em nuvem

Alcançar a "superioridade quântica" é um pré-requisito necessário para a comercialização e popularização da computação quântica, e a plataforma de computação quântica em nuvem é a chave para o desenvolvimento de aplicações práticas da computação quântica.

Atualmente, o custo de hardware dos computadores quânticos é extremamente alto, especialmente para sistemas qubit de alta fidelidade e de grande escala. Ao mesmo tempo, a operação e manutenção de computadores quânticos exigem tecnologia e ambiente profissionais. A plataforma de computação quântica em nuvem oferece às universidades, institutos de pesquisa, empresas, etc. uma maneira de baixo custo de acessar sistemas de computação quântica.

Por um lado, a plataforma em nuvem pode atualizar e implantar rapidamente as mais recentes tecnologias e algoritmos de computação quântica, e os usuários podem experimentar instantaneamente as vantagens trazidas pelo progresso tecnológico, por outro lado, quando os usuários experimentam a plataforma em nuvem para desenvolvimento e teste de aplicativos; , eles podem fornecer à plataforma Fornecer feedback sobre problemas e necessidades dos fornecedores para promover a iteração e otimização da tecnologia. A plataforma de computação quântica em nuvem serve como uma ponte que conecta diferentes empresas de computação quântica, instituições de pesquisa científica e usuários corporativos, promovendo a cooperação entre a computação quântica e todas as esferas da vida, e promovendo conjuntamente o desenvolvimento e a aplicação da tecnologia de computação quântica.

Em maio de 2023, Guodun Quantum lançou uma nova geração de plataforma de computação quântica em nuvem, que foi conectada ao computador quântico supercondutor de 176 bits autodesenvolvido do mesmo tipo que o "Zuchongzhihao", mas não apenas quebrou o número de bits do computador quântico supercondutor. recorde para plataformas de nuvem domésticas, tornou-se também a primeira plataforma de computação quântica em nuvem do mundo que tem o potencial de alcançar superioridade quântica na rota quântica supercondutora e está aberta ao mundo exterior. Guodun Quantum afirmou que, no futuro, planeja acessar vários computadores quânticos de alto desempenho para recuperação mútua de desastres e atualizações iterativas, para que o hardware da plataforma em nuvem possa manter o nível internacionalmente avançado.

Em novembro de 2023, Guodun Quantum ajudou a plataforma de computação quântica "Tianyan" da China Telecom Quantum Group e a plataforma de supercomputação "Tianyi Cloud" da China Telecom a se conectarem para construir um sistema de arquitetura de computação híbrida "supercomputação-computação quântica".

(2) Principais cenários de aplicação da computação quântica

De acordo com dados do ICV, a indústria quântica global atingirá US$ 4,7 bilhões em 2023, e a taxa média de crescimento anual (CAGR) de 2023 a 2028 deverá atingir 44,8%, beneficiando-se do progresso tecnológico dos computadores quânticos de uso geral e da uso generalizado de computadores quânticos especializados em aplicações de campos específicos, o tamanho total do mercado da indústria de computação quântica deverá atingir US$ 811,7 bilhões até 2035.

Como uma tecnologia de computação emergente, a computação quântica mostrou um potencial de aplicação inovador em muitos campos, como finanças, medicina e indústria química. Entre eles, a indústria financeira é um campo de aplicação potencialmente importante da computação quântica. De acordo com as previsões do ICV, entre as aplicações globais downstream da computação quântica, o setor financeiro terá a maior participação de mercado em 2035, atingindo 51,9%, um aumento significativo em relação a 2035. 15,8% em 2030. Seguidas pelas indústrias farmacêutica e química, com 20,5% e 14,2%, respectivamente.

A computação quântica é amplamente utilizada na área financeira para reduzir custos e tempo de processamento. Atualmente, inclui principalmente: gerenciamento e controle de risco, precificação de derivativos, otimização de portfólio, negociação de arbitragem e pontuação de crédito, etc.

As principais empresas financeiras nacionais e estrangeiras, como JP Morgan e Goldman Sachs, estabeleceram departamentos quânticos para desenvolver aplicações financeiras quânticas; O aplicativo está on-line, fornecendo a aplicação da computação quântica na otimização de portfólio de investimentos, preços de derivativos e análise de risco; equipes de segurança e computação quântica colaboraram para realizar uma série de pesquisas prospectivas e explorações inovadoras. O China Construction Bank lançou algoritmos quânticos de aplicação financeira, como "Algoritmo de Rede Bayesiana Quântica" e "Algoritmo de Otimização de Portfólio Quântico". Esses algoritmos demonstraram o potencial da computação quântica na análise de risco e otimização de portfólio.

Em termos de pesquisa e desenvolvimento médico e ciência de materiais químicos, os computadores quânticos podem simular reações químicas complexas e propriedades de materiais, o que é de grande importância para a descoberta de novos medicamentos, novos materiais e otimização de processos de reações químicas.

Novos materiais e novos medicamentos têm enorme valor econômico, especialmente no campo da medicina. Se a computação quântica puder substituir o método experimental tradicional de tentativa e erro por meio de análise computacional, isso não apenas reduzirá significativamente o tempo para o desenvolvimento de novos medicamentos, mas também economizará enormemente. custos de desenvolvimento médico. Promover a aplicação da computação quântica na investigação e desenvolvimento médico e na ciência dos materiais, mas ainda precisa de ser coordenada com algoritmos quânticos específicos.

Em julho de 2022, o BGI Life Sciences Research Institute cooperou com a Quanthuan Technology para explorar a aplicação da computação quântica no campo das ciências da vida. Eles usaram algoritmos quânticos para conseguir a montagem do genoma, resolveram o problema da montagem do genoma e usaram menos recursos quânticos para simular sistemas quânticos maiores, proporcionando a possibilidade de simular sistemas de grande escala na era NISQ.

Em março de 2022, Turing Quantum usou tecnologia de rede de tensores para alcançar um projeto de medicamentos de IA quântica 38 vezes mais rápido por meio da contração de tensores e lançou uma série de módulos de aplicação de IA quântica, incluindo QuOmics (genômica), QuChem (moléculas de medicamentos) Quatro módulos principais, incluindo Design Estrutural), QuDocking (Triagem Virtual de Drogas) e QuSynthesis (Retrossíntese de Moléculas Químicas), alcançaram vários graus de aprimoramento do algoritmo quântico.

Em abril de 2021, a Origin Quantum lançou o Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0, que fornece uma base para a aplicação da computação quântica no campo da química e permite aplicações inovadoras da computação quântica em novos medicamentos, novos materiais, novas energias e outros campos. .

No campo da inteligência artificial, como os qubits podem estar em vários estados, as redes neurais quânticas podem ser usadas para processar conjuntos de dados em grande escala e modelos complexos. Isto ajudará a melhorar o desempenho dos sistemas de inteligência artificial e a impulsionar a tecnologia de inteligência artificial.

A combinação de computação quântica e aprendizado de máquina, aproveitando a capacidade dos computadores quânticos de processar grandes quantidades de dados, ajuda o aprendizado de máquina a romper o gargalo de muitos parâmetros, o que é uma importante direção de pesquisa recente. A IBM adicionou um módulo de aprendizado de máquina à arquitetura Qiskit, combinando as vantagens da computação quântica e do aprendizado de máquina e utilizando as vantagens dos computadores quânticos no processamento de big data para estabelecer as vantagens futuras dos modelos de aprendizado de máquina quântico.

4. Comunicação e segurança quântica

Como um importante ramo da tecnologia quântica, a comunicação quântica é um grande avanço na tecnologia de transmissão de informação. É também a primeira tecnologia quântica a entrar na fase prática e a mais madura. A comunicação quântica torna a comunicação mais segura, e a comunicação quântica, especialmente a comunicação quântica segura, foi basicamente colocada em uso prático. Com base na tecnologia de distribuição quântica de chaves, a comunicação segura quântica tem muitas aplicações de engenharia na China. A indústria downstream é a indústria de segurança da informação, que é altamente madura.

Com o apoio das políticas nacionais, a indústria de comunicação quântica do meu país desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos e tornou-se líder mundial. Com a participação contínua de muitas empresas e instituições de investigação científica de destaque, a indústria da comunicação quântica também se tornou o foco dos mercados primários e secundários.

4.1 A necessidade de comunicação quântica segura

A tecnologia quântica é considerada o próximo marco na tecnologia. A computação quântica traz um salto no poder da computação, tornando o tratamento de problemas complexos o mais infantil possível. Seja no projeto de medicamentos, na simulação climática ou na otimização de grandes sistemas, espera-se que a computação quântica mostre seus talentos. Mas esta faca de dois gumes também representa uma enorme ameaça – pode quebrar a maioria das tecnologias de criptografia atuais num instante.

Os sistemas tradicionais de criptografia de chave pública, como RSA, ECC (criptografia de curva elíptica), etc., dependem da dificuldade computacional de fatoração de números inteiros e de problemas de logaritmo discreto. condições técnicas.

No entanto, com o desenvolvimento de computadores quânticos, descobriu-se que algoritmos quânticos, como o algoritmo de Shor, são capazes de resolver esses problemas rapidamente. Pegue o algoritmo RSA, o algoritmo de criptografia mais popular e amplamente usado atualmente, como exemplo. O mais comum agora é a criptografia de 2.048 bits (quanto maior o comprimento da chave, maior o tempo de cracking), e o algoritmo Shor pode, teoricamente. quebrar a criptografia de longo prazo em apenas 8 horas. Criptografia RSA de até 2.048 bits, ameaçando assim a segurança dos sistemas tradicionais de criptografia de chave pública.

As preocupações com a ameaça dos computadores quânticos à criptografia tradicional já existem há algum tempo, mas ainda não se tornaram realidade. O poder de computação de um computador quântico depende do número de qubits que ele pode processar. Os computadores quânticos atuais têm apenas centenas a mil qubits de ruído, que são usados ​​para criar um pequeno número de qubits estáveis ​​e com correção de erros. A ameaça à criptografia tradicional requer milhares de qubits estáveis, o que pode exigir milhões de qubits barulhentos. Portanto, embora as capacidades dos computadores quânticos estejam se desenvolvendo rapidamente, elas ainda não atingiram um nível que ameace a criptografia clássica, mas alguns especialistas da indústria dizem que esse nível pode ser alcançado nos próximos 5 a 10 anos ou menos.

Embora a ameaça da computação quântica à criptografia tradicional ainda esteja em estágio teórico, um dos maiores problemas atualmente é a segurança futura de informações confidenciais. Embora a tecnologia de computação quântica ainda não tenha alcançado um avanço real, muitas informações confidenciais criptografadas estão circulando. online, o que significa que os criminosos podem roubar dados criptografados agora e armazená-los, e então descriptografá-los quando a tecnologia de computação quântica amadurecer.

Para lidar com este problema, distribuição quântica de chaves (QKD, Quantum Key Distribution), criptografia pós-quântica (PQC, Post-Quantum Cryptography), gerador quântico de números aleatórios (QRNG, Quantum Random Number Generator), teletransporte quântico (tecnologias de segurança de comunicação quântica como QT (Teletransporte Quântico), entre os quais o QKD é considerado o único método de comunicação incondicionalmente seguro em teoria, porque a segurança da chave QKD é baseada nas leis da física quântica, não na complexidade computacional de problemas matemáticos. a construção da rede de comunicação quântica segura do meu país baseada na tecnologia QKD começou a tomar forma e as aplicações comerciais continuam a avançar, enquanto o algoritmo PQC está atualmente em demonstração de padronização.

4.2 Principais tecnologias para comunicação quântica segura

A computação quântica é a “lança” e a comunicação quântica segura é o “escudo”. Antes da chegada oficial da "segunda revolução da tecnologia quântica", o desenvolvimento da tecnologia de comunicação quântica segura fornece novas soluções para a segurança da informação, especialmente em áreas com elevados requisitos de segurança, como comunicações governamentais, transações financeiras e segurança de defesa nacional. Com a maturidade contínua da tecnologia e a promoção de aplicações, espera-se que a comunicação quântica segura construa uma rede de comunicação mais segura e confiável no futuro.

(1) Gerador Quântico de Números Aleatórios (QRNG)

Um gerador de números aleatórios é um dispositivo ou algoritmo que pode gerar uma sequência de números aleatórios. Geradores de números aleatórios são muito importantes em criptografia e são usados ​​para gerar chaves de criptografia, vetores de inicialização (IVs) e outros parâmetros que precisam ser mantidos em segredo. Eles garantem a segurança e a imprevisibilidade do processo de criptografia.

Os geradores de números aleatórios são divididos em geradores de números aleatórios verdadeiros (TRNG, True Random Number Generator) e geradores de números pseudo-aleatórios (PRNG, Pseudo-Random Number Generator). como elétrons, ruído térmico de equipamentos, decaimento radioativo, tempo de chegada de fótons, etc. Por dependerem de processos físicos imprevisíveis, são considerados “verdadeiramente” aleatórios. PRNG utiliza um algoritmo determinístico, partindo de um estado inicial (semente) e gerando uma sequência aleatória de números de acordo com as regras do algoritmo.

Como o TRNG pode gerar um número limitado de números aleatórios por segundo, o TRNG é geralmente usado como a "semente" do PRNG para gerar uma sequência de números aleatórios real e irrepetível. Embora o PRNG também seja chamado de gerador de números aleatórios, na verdade é altamente previsível. , desde que o algoritmo e o estado inicial sejam conhecidos, encontrar o TRNG perfeito sempre foi uma importante direção de pesquisa.

O gerador quântico de números aleatórios (QRNG) é um TRNG perfeito que toma emprestada a superposição aleatória quântica da mecânica quântica e usa as características probabilísticas do mundo quântico para criar uma chave verdadeiramente aleatória. Como o mecanismo quântico do QRNG foi totalmente dominado e compreendido, componentes quânticos que geram números aleatórios têm sido utilizados na criptografia de informações. A principal direção atual de pesquisa e desenvolvimento da QRNG é produzir chips aleatórios quânticos mais econômicos, mais rápidos e menores.

(2) Distribuição de Chave Quântica (QKD)

A Distribuição Quântica de Chaves (QKD) usa estados quânticos para transportar informações e compartilhar chaves entre as partes comunicantes por meio de um protocolo específico. Esta tecnologia aplica as características básicas da mecânica quântica para garantir que qualquer tentativa de roubo da chave transmitida será descoberta por usuários legítimos. para alcançar o único método de comunicação teoricamente incondicionalmente seguro até agora.

A chave para a distribuição de chaves quânticas (QKD) é usar a matéria com um estado quântico como senha, e o estado quântico tem as duas propriedades principais a seguir, garantindo assim a transmissão segura de informações:

Primeiro, a medição de um estado quântico mudará o seu estado: De acordo com o princípio da incerteza da mecânica quântica, a medição de um estado quântico fará com que o seu estado mude. Se alguém tentar roubar as informações em transmissão, o estado quântico deverá ser medido, o que terá impacto no sistema quântico e será percebido pelos usuários legítimos.

Em segundo lugar, a não clonabilidade dos estados quânticos: De acordo com os princípios da mecânica quântica, é impossível copiar perfeitamente um estado quântico desconhecido. Isso significa que as informações completas do estado quântico não podem ser roubadas durante o processo de transmissão, garantindo a segurança das informações.

Nesta fase, a tecnologia de comunicação quântica segura utiliza principalmente a rede QKD para obter uma distribuição segura de chaves e, em seguida, combina-a com a tecnologia de criptografia simétrica para garantir a transmissão segura de informações. Simplificando, equipamentos ópticos de envio e recepção de estado quântico que podem substituir as funções de módulos ópticos comumente usados ​​são adicionados a ambas as extremidades de uma fibra óptica monomodo para obter comunicação segura baseada em criptografia física.

A tecnologia QKD é a tecnologia chave para realizar a comunicação quântica, mas com vários protocolos QKD seguros, redes quânticas com velocidade rápida e longa distância de transmissão também são uma parte indispensável da realização da comunicação quântica. Embora a tecnologia de comunicação quântica tenha inicialmente se tornado prática impulsionada pelo QKD e outras soluções, a distância e o custo de transmissão ainda são fatores que restringem a aplicação e o desenvolvimento industrial de toda a indústria. O QKD comercial ponto a ponto baseado em fibra é limitado na distância de transmissão, enquanto a transmissão de longa distância QKD satélite-solo requer componentes caros, como satélites. O futuro objetivo de desenvolvimento da comunicação quântica é estabelecer um sistema de rede de comunicação quântica de área ampla que cubra o mundo, e as tecnologias relacionadas ainda precisam de mais avanços.

(3) Teletransporte quântico (QT)

O teletransporte quântico (QT) é um método de transmissão de informações baseado nos princípios da mecânica quântica. Ele permite que o estado de um sistema quântico (como um qubit) seja transmitido com precisão de um local (muitas vezes chamado de "extremidade emissora") para outro local (muitas vezes chamado de "extremidade receptora") sem um meio de transmissão físico). O teletransporte quântico não envolve o movimento instantâneo da matéria em si, mas a transferência instantânea de informação quântica.

A realização do teletransporte quântico é baseada nos seguintes princípios da mecânica quântica:

Emaranhamento Quântico: Existe uma conexão especial entre duas ou mais partículas quânticas. Mesmo que estejam distantes uma da outra, uma mudança no estado de uma partícula afetará imediatamente o estado de outras partículas emaranhadas com ela.

Teorema da Não Clonagem de estados quânticos: É impossível fazer uma cópia perfeita de um estado quântico desconhecido.

Medição Quântica: A medição de sistemas quânticos leva ao colapso do estado e os resultados da medição são geralmente aleatórios.

As etapas básicas do teletransporte quântico incluem:

a. Prepare um par de partículas emaranhadas e envie uma para a extremidade receptora e a outra para a extremidade emissora.

b. Na extremidade de envio, realize uma medição conjunta específica do qubit a ser transmitido e das partículas emaranhadas na extremidade de envio. Essa medição faz com que as informações do qubit sejam transferidas para a partícula emaranhada na extremidade receptora, mas o processo é aleatório e destrói o estado original do qubit.

c. Enviar os resultados da medição conjunta (informações clássicas) ao destinatário através de canais de comunicação comuns (como telefone ou Internet).

d. Com base nas informações clássicas recebidas, a extremidade receptora realiza uma série de operações quânticas nas partículas emaranhadas que possui para reconstruir o estado original do qubit.

Através deste processo, a informação quântica do remetente é “transmitida de forma invisível” ao receptor. É importante notar que o teletransporte quântico não permite uma comunicação mais rápida que a luz, uma vez que a reconstrução do estado original depende de informações transmitidas através de canais de comunicação clássicos, e esta taxa de transmissão é limitada pela velocidade da luz.

O teletransporte quântico é atualmente estudado principalmente em um ambiente de laboratório. O teletransporte quântico é uma tecnologia chave para a realização de redes quânticas e de comunicação quântica de longa distância, e espera-se que desempenhe um papel importante na futura Internet quântica.

(4) Criptografia pós-quântica (PQC)

A tecnologia PQC refere-se ao desenvolvimento e design de algoritmos de criptografia que podem resistir a ataques de computadores quânticos. Atualmente, o PQC e o campo da criptografia quântica desenvolveram uma variedade de técnicas e algoritmos de criptografia para combater as ameaças da computação quântica. O foco é evitar o uso de fatoração de números inteiros e problemas de logaritmo discreto para criptografar dados. Métodos específicos incluem criptografia baseada em rede, criptografia baseada em hash, criptografia baseada em código e criptografia baseada em múltiplas variáveis.

Entre eles, a tecnologia de criptografia baseada em rede é considerada a mais proeminente e confiável atualmente. No trabalho de padronização PQC mais influente do mundo, liderado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), três dos quatro algoritmos padronizados selecionados por ele em 2023 são tecnologias de criptografia baseadas em rede.

Embora a nova criptografia pós-quântica seja resistente ao algoritmo quântico de Shor, ela não é infalível. Por um lado, embora estes problemas de criptografia pós-quântica pareçam atualmente difíceis de resolver, novos métodos para resolver estes problemas podem ser descobertos no futuro, por outro lado, a implementação real de algoritmos de criptografia pós-quântica também pode ter falhas ou; problemas na seleção de parâmetros. Erros podem se tornar vulnerabilidades de segurança potenciais.

É relatado que a segurança atual do algoritmo PQC expandiu-se de vulnerabilidades matemáticas teóricas para níveis de aplicação práticos. O Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM), um dos algoritmos padronizados nomeados pelo NIST, foi exposto em resposta a canais secundários em 2023. Vulnerabilidades de segurança em ataques.

O surgimento de ataques reais enfatiza a importância de verificar e reparar prontamente possíveis vulnerabilidades ao implantar o algoritmo PQC, estimulando a melhoria contínua e a evolução do algoritmo PQC para melhorar a segurança em cenários reais de aplicação.

A tecnologia criptográfica ocupa uma posição muito importante para a segurança nacional. Para manter o mundo digital seguro, a tecnologia PQC precisa evoluir e ser atualizada constantemente para se adaptar a novas ameaças a qualquer momento.

4.3 Rede de comunicação quântica e Internet quântica

(1) Situação de construção da rede de segurança de comunicação quântica no meu país

O equipamento principal da rede de comunicação segura quântica inclui produtos QKD, canais e produtos de troca de rede chave, etc. As redes de comunicação seguras quânticas atualmente alcançáveis ​​incluem redes locais, redes metropolitanas e redes de backbone.

A rede local realiza o acesso de múltiplos terminais em uma unidade ou local, e não possui requisitos de grande distância, a rede metropolitana é responsável pela conexão de diferentes áreas da cidade, conectando a rede backbone uplink e downlink a local; rede de área; e a rede de backbone realiza comunicação interprovincial e transfronteiriça. As conexões urbanas (incluindo fibra óptica terrestre e métodos de implementação de estações terrestres de satélite) são atualmente dominadas por fibra óptica terrestre, que tem requisitos de alta distância.

Em Agosto de 2016, o meu país lançou com sucesso o primeiro satélite experimental de ciência quântica do mundo, Mozi, tornando-se o primeiro país do mundo a alcançar a comunicação quântica entre um satélite e a terra, e verificou plenamente o uso de plataformas de satélite para alcançar a comunicação quântica global. viabilidade.

Em 2018, com a aprovação da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, a Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., uma subsidiária da Academia Chinesa de Ciências, assumiu a tarefa de construir a primeira fase do sistema nacional de comunicação segura quântica de área ampla rede backbone. Em 2022, toda a linha estará concluída e aceita. A rede de base quântica nacional cobre importantes áreas estratégicas nacionais, como Pequim-Tianjin-Hebei, o Delta do Rio Yangtze, a Grande Área da Baía Guangdong-Hong Kong-Macau e o Círculo Económico Chengdu-Chongqing. A quilometragem total das linhas troncais terrestres excede. 10.000 quilômetros É a primeira e atualmente a única rede quântica de domínio em grande escala.

Em junho de 2023, no 5º Fórum de Alto Nível de Desenvolvimento Integrado do Delta do Rio Yangtze, foram divulgados os resultados da construção da rede regional de espinha dorsal de comunicação quântica segura do Delta do Rio Yangtze, construída e operada pela Guoke Quantum. A quilometragem total da rede de backbone de comunicação segura quântica na região do Delta do Rio Yangtze é de aproximadamente 2.860 quilômetros, formando uma rede em anel com Hefei e Xangai como nós principais, ligando Nanjing, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu e outras cidades.

Em termos de rede de área metropolitana, em agosto de 2022, Hefei, província de Anhui, abriu a Rede de Área Metropolitana Hefei Quantum, que era a maior, mais amplamente coberta e mais usada rede quântica de área metropolitana no país naquela época, incluindo 8 núcleos sites de rede e 159 sites de rede de acesso, o comprimento total da fibra óptica é de 1.147 quilômetros.

Atualmente, vinte ou trinta cidades têm suas próprias redes quânticas de área metropolitana, e a construção de linhas troncais de rede de backbone quântica também deverá acelerar a construção de redes de área metropolitana nas cidades de apoio correspondentes. Tomando Xangai como exemplo, na Conferência de Inovação de Tecnologia Industrial de Xangai realizada em 22 de março de 2024, a Shanghai Telecom declarou que planeja construir uma rede quântica de comunicação segura na área metropolitana na área de Xangai. em 2024, tornando-se assim um primeiro exemplo de referência nacional de rede prática de comunicação quântica.

O investimento na construção de redes quânticas de backbone e o tamanho de todo o projeto são bastante grandes, mas atualmente há menos aplicações de redes quânticas e grupos de clientes do que os projetos tradicionais. Portanto, as aplicações quânticas subsequentes ainda precisam ser promovidas conjuntamente por diversas indústrias para acelerar a construção de toda a rede quântica.

De acordo com os "quatro novos" padrões (novas vias, novas tecnologias, novas plataformas e novos mecanismos), a Comissão de Supervisão e Administração de Ativos Estatais do Conselho de Estado selecionou e determinou recentemente o primeiro lote de empresas start-up acelerar o layout de novos campos e novas trilhas, cultivar e desenvolver novas forças produtivas e focar no layout Campos emergentes, como inteligência artificial, informação quântica e biomedicina.

Anteriormente, em janeiro de 2024, sete departamentos, incluindo o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação, o Ministério da Ciência e Tecnologia e a Comissão de Supervisão e Administração de Ativos Estatais do Conselho de Estado, emitiram conjuntamente os "Pareceres de Implementação sobre a Promoção da Futura Inovação Industrial e Desenvolvimento" e propôs implantar proativamente novos caminhos para promover a próxima geração de comunicações móveis, aplicações industriais de Internet via satélite, informação quântica e outras tecnologias.

A divulgação intensiva de políticas relevantes reflete a compreensão do meu país sobre a importância da tecnologia de comunicação quântica, fornece um forte apoio político para o desenvolvimento da indústria e espera-se que promova a indústria de comunicação quântica da China a alcançar novos patamares no futuro.

(2) Internet Quântica

A Internet Quântica é um novo conceito de rede de comunicação baseado na tecnologia de informação quântica. Ela utiliza os princípios da mecânica quântica para realizar a geração, armazenamento, transmissão e processamento de dados. Diferente da Internet tradicional baseada nos princípios da física clássica, o núcleo da Internet quântica é usar as características dos qubits e do emaranhamento quântico para fornecer capacidades de comunicação mais seguras e eficientes.

Além de transmitir informações quânticas de forma absolutamente segura, a Internet quântica também pode usar sensores quânticos e computadores quânticos para realizar medições de precisão quântica, vistos digitais quânticos, computação quântica distribuída, etc.

A Internet quântica tem três pontos principais: primeiro, os dispositivos conectados à rede são dispositivos quânticos, em segundo lugar, a rede transmite informações quânticas; em terceiro lugar, o método de transmissão da rede é baseado na mecânica quântica;

Embora alguns satélites de comunicação quântica e estações base terrestres tenham sido construídos e a distribuição inter-regional de chaves quânticas tenha sido alcançada com sucesso, a construção de uma Internet quântica global ainda enfrenta enormes desafios técnicos e de engenharia, que exigem a resolução de problemas de segurança em condições do mundo real. problemas de transmissão de longa distância.

Atualmente, a distância segura do QKD ponto a ponto usando fibra óptica chega a cerca de 100 quilômetros. Com a tecnologia existente, a distância da comunicação quântica pode ser efetivamente aumentada por meio de repetidores confiáveis.

Em 2017, a linha tronco de comunicação segura quântica do meu país "Linha Tronco Pequim-Xangai", por meio de 32 nós de retransmissão, conectou toda a rede quântica de fibra óptica intermunicipal de aproximadamente 2.000 quilômetros e acoplou-se com sucesso ao satélite quântico "Mozi", construindo um mundo O primeira internet quântica estrela-terra.

Em janeiro de 2018, a China e a Áustria alcançaram pela primeira vez a distribuição intercontinental de chaves quânticas a uma distância de 7.600 quilômetros e usaram a chave compartilhada para obter transmissão de dados criptografados e comunicação de vídeo, marcando que o "Mozi" tem a capacidade de alcançar quântica intercontinental distribuição de chaves. Capacidade de se comunicar confidencialmente.

A invenção da Internet trouxe a humanidade para a era da informação, e a Internet quântica proporcionará uma oportunidade para mudar o mundo. Os principais países ao redor do mundo estão ativamente fazendo planos. Em agosto de 2020, o Departamento de Energia dos EUA divulgou o relatório "Estabelecendo uma Rede Quântica Nacional para Liderar uma Nova Era de Comunicações", propondo um plano estratégico para a construção de uma Internet quântica nacional dentro de 10 anos.

De modo geral, os computadores quânticos comerciais ainda não foram aplicados em grande escala, e a Internet quântica conectando computadores quânticos ainda é um conceito futuro. A rede de comunicação quântica segura QKD atualmente promovida por vários países é o protótipo da Internet quântica. O objetivo da Internet quântica é combinar computação quântica, medição quântica e outras integrações funcionais.

4.4 Aplicações da Comunicação Quântica

De acordo com as previsões do ICV, o mercado global de comunicação quântica será de aproximadamente US$ 2,3 bilhões em 2021 e deverá crescer para US$ 15,3 bilhões até 2025 e para US$ 42,1 bilhões até 2030, com um CAGR de aproximadamente 34% de 2021 a 2030. .

A cadeia da indústria de comunicação quântica é dividida principalmente em componentes upstream e equipamentos principais, linhas de transmissão de rede midstream e plataformas de sistema e mercados de aplicativos de segurança downstream. Atualmente, o mercado de comunicação quântica ainda está em fase de construção de infraestrutura de rede de comunicação, e os equipamentos e soluções essenciais ainda são a chave para a cadeia industrial. De acordo com dados do ICV, o tamanho do mercado de equipamentos e soluções principais upstream e midstream deverá representar 80% em 2025, aproximadamente US$ 12,24 bilhões.

A julgar pela construção actual da infra-estrutura de comunicação quântica no meu país, a construção de mais de 12.000 quilómetros de redes de backbone quântica foi concluída. De acordo com o plano geral, pode haver quase 20 mil quilômetros de construção de rede de backbone no futuro, envolvendo Pequim a Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an e outros lugares.

À medida que a infra-estrutura da rede de comunicação quântica do meu país é melhorada, também vale a pena esperar pelas aplicações comerciais a jusante. Os dados de consultoria da ICV mostram que o tamanho do mercado de aplicativos downstream de comunicação quântica em 2021 é de aproximadamente US$ 230 milhões. O tamanho do mercado de aplicativos downstream de comunicação quântica deverá ser de US$ 3,06 bilhões em 2025 e atingirá US$ 11,788 bilhões em 2030. O CAGR de 2021. até 2030 é de aproximadamente 54,87%.

Actualmente, a comunicação quântica segura ainda está limitada a domínios como a defesa nacional, finanças e assuntos governamentais. No futuro, a indústria da comunicação quântica capacitará mais cenários a jusante, e as empresas relevantes estão a explorar activamente mais campos de aplicação comercial.

Entre eles, Guodun Quantum é um parceiro conjunto para integrar a tecnologia de segurança quântica com big data, computação em nuvem, Internet das Coisas, inteligência artificial, etc. para promover conjuntamente a ecologia industrial "Quantum+". Guodun Quantum e China Telecom lançaram conjuntamente produtos e serviços como "Quantum Security OTN Private Line" e "Quantum Encrypted Intercom". O número de usuários do negócio de voz criptografada quântica já atingiu mais de um milhão; -a sociedade anônima Zhejiang Guodun Electricity realizou demonstrações de aplicação "quântica + 5G" no campo de energia elétrica. A primeira "subestação quântica +" da província de Zhejiang foi colocada em operação em Shaoxing e cooperou com empresas como DingTalk (China) para; desenvolver em conjunto uma série de produtos de escritório seguros, como o "Quantum Security Application Portal".

À medida que a tecnologia de rede de distribuição quântica de chaves (QKD) amadurece e os equipamentos terminais se tornam móveis e miniaturizados, as aplicações de comunicação quântica segura expandir-se-ão para redes de telecomunicações, redes empresariais, redes domésticas pessoais e outros campos.

5. Medição de precisão quântica

A tecnologia de medição de precisão quântica é baseada na mecânica quântica como teoria básica. Ela usa princípios técnicos como transição de nível de energia de partículas, emaranhamento quântico e coerência quântica para preparar, medir e ler estados quânticos de partículas microscópicas, como átomos e fótons, e. realizar parâmetros físicos, como medição de alta precisão de parâmetros físicos, como campo magnético, frequência, campo elétrico, tempo, comprimento, etc.

5.1 Definição de Medição de Precisão Quântica

Meios técnicos importantes para medição de precisão quântica incluem: medição microscópica do nível de energia de partículas, medição de superposição coerente quântica e medição de emaranhamento quântico, que também são os atributos básicos da mecânica quântica.

(1) Baseado na medição microscópica do nível de energia das partículas

De acordo com a teoria atômica de Bohr, os átomos liberam ondas eletromagnéticas quando passam de um "estado de energia" alto para um "estado de energia" baixo. Esta frequência característica da onda eletromagnética é descontínua. Quando a quantidade física a ser medida interage com o sistema quântico, o sistema quântico sofre mudanças como transição de nível de energia, divisão ou degeneração do nível de energia. Neste momento, o sistema quântico irá irradiar ou absorver o espectro e a energia da radiação. ou o espectro de absorção está relacionado à quantidade de energia que está sendo medida em relação às quantidades físicas. A tecnologia baseada na medição do nível de energia de partículas microscópicas tem altos requisitos no ambiente externo (como temperatura, campo magnético, etc.) e depende da tecnologia de manipulação de estado quântico. Por exemplo, em 1967, 9192631770 vezes o período de transição do nível de energia do elétron em um átomo de césio foi definido como 1 s, o que aplicou o princípio técnico dos níveis de energia das partículas microscópicas.

(2) Medição baseada na coerência quântica

A tecnologia de medição baseada na coerência quântica utiliza principalmente as características de flutuação do sistema quântico. A quantidade física a ser medida tem efeitos diferentes nos dois feixes atômicos. Quando os dois feixes atômicos interferem, a quantidade física a ser medida é refletida na diferença de fase. dos feixes atômicos. Giroscópios atômicos, gradiômetros de gravidade, etc. usam princípios técnicos baseados na coerência quântica. Meios técnicos baseados na coerência quântica têm sido aplicados em áreas como detecção de gravidade e navegação inercial. A próxima tendência de desenvolvimento é a miniaturização e o desenvolvimento de chips para aumentar a praticidade do sistema.

(3) Medição baseada no emaranhamento quântico

A tecnologia de medição baseada no emaranhamento quântico coloca n quanta em um estado emaranhado. Os efeitos do ambiente externo sobre os n quanta serão sobrepostos de forma coerente, fazendo com que a precisão final da medição alcance 1/n de um único quantum. Essa precisão ultrapassa o limite de ruído de disparo da mecânica clássica e é a mais alta precisão alcançável no âmbito da teoria da mecânica quântica - o limite de Heisenberg. Atualmente, os campos de aplicação da tecnologia de medição baseada no emaranhamento quântico incluem comunicações quânticas, navegação quântica por satélite, radar quântico, etc.

Simplificando, a medição de precisão quântica usa as propriedades de superposição quântica e emaranhamento quântico para romper os limites clássicos da tecnologia de medição tradicional a partir dos princípios básicos e combinar várias mudanças no ambiente, como temperatura, campo magnético, pressão, tempo, comprimento, peso, etc. Várias grandezas físicas básicas e grandezas derivadas foram elevadas a limites quânticos.

5.2 Status de desenvolvimento e dificuldades da tecnologia de medição de precisão quântica

Entre os três principais campos da informação quântica, a medição quântica tem características de diversas direções técnicas, cenários de aplicação ricos e perspectivas claras de industrialização. A maturidade de desenvolvimento de cada direção técnica da medição quântica é bastante diferente. Existem produtos comerciais maduros, como relógios atômicos e gravímetros atômicos, bem como produtos protótipos, como magnetômetros quânticos, radares quânticos ópticos e giroscópios quânticos que estão na pesquisa de engenharia e. estágios de desenvolvimento e exploração de aplicativos, bem como protótipos como imagem de correlação quântica e antena atômica Rydberg que ainda estão em processo de solução de problemas de tecnologia de sistema.

O progresso da tecnologia de medição de precisão quântica requer fusão cruzada e inovação na física quântica, ciência dos materiais, óptica, electrónica e outros campos. Enfrenta muitas dificuldades técnicas, incluindo:

(1) Geração e manutenção de emaranhamento quântico: O emaranhamento quântico é um recurso chave em medições de precisão quântica, mas não é fácil gerar estados emaranhados de alta qualidade em experimentos, e os estados emaranhados são facilmente desembaraçados devido à interferência do ambiente externo ( ou seja, decoerência).

(2) Decoerência e controle de ruído: Os sistemas quânticos são muito frágeis e facilmente afetados pelo ambiente externo, levando à decoerência dos estados quânticos. Ao mesmo tempo, várias fontes de ruído, como ruído térmico, ruído eletromagnético, etc., também interferirão nos resultados da medição. Portanto, alcançar medições de alta precisão requer excelente controle de ruído e decoerência.

(3) Eficiência e resolução do detector: Medições de precisão quântica geralmente requerem detectores de alta eficiência e alta resolução para detectar estados quânticos. Os detectores atuais ainda têm espaço para melhorias, especialmente em termos de eficiência de detecção e resolução temporal.

(4) Calibração do sistema e análise de erros: Para garantir a precisão da medição, o sistema de medição quântica precisa ser calibrado com precisão. Além disso, a análise de erros dos resultados da medição também é muito complexa e muitos fatores, como erros sistemáticos e erros estatísticos, precisam ser considerados.

(5) Controle de estados quânticos: A medição de precisão quântica geralmente requer controle preciso de estados quânticos, incluindo a preparação de estados quânticos específicos e a obtenção de uma conversão precisa de estados quânticos. Essas operações exigem habilidades experimentais extremamente elevadas.

(6) Desenvolvimento de materiais e dispositivos: A fabricação de materiais e dispositivos para medição de precisão quântica, como pontos quânticos, interferômetros quânticos supercondutores, etc., não deve apenas atender às necessidades de medição quântica, mas também ter estabilidade e repetibilidade. desafio tanto na ciência dos materiais quanto na engenharia de dispositivos.

(7) Escalabilidade de sistemas quânticos de grande escala: Embora tenhamos conseguido um controle relativamente preciso de sistemas quânticos de pequena escala, como estender essas tecnologias a sistemas de grande escala, a fim de obter resultados de medição de maior precisão, ainda é uma questão problema. Um enorme desafio.

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia quântica, estas dificuldades serão gradualmente superadas, promovendo assim a expansão da medição de precisão quântica em campos de aplicação prática. O sistema metrológico internacional está num período de desenvolvimento e transformação de padrões físicos baseados na física clássica para "padrões quânticos".

O "Plano de Desenvolvimento de Medição (2021-2035)" emitido pelo Conselho de Estado em 2021 e o "14º Plano Quinquenal para a Modernização da Supervisão do Mercado" emitido pelo Conselho de Estado em 2022 mencionaram claramente a necessidade de estabelecer um sistema nacional de medição avançado moderno tendo a metrologia quântica como sistema central, é necessário desenvolver e estabelecer padrões de medição quântica, estudar a tecnologia de medição quântica baseada em efeitos quânticos e constantes físicas e promover a atualização dos padrões de medição.

5.3 Aplicação de medição de precisão quântica

De acordo com dados do ICV, espera-se que o mercado global de densidade de precisão quântica cresça de US$ 1,47 bilhão em 2023 para US$ 3,90 bilhões em 2035, mostrando uma tendência contínua de crescimento, com uma taxa composta de crescimento anual de 7,79%. Entre eles, os três principais segmentos de mercado de relógios quânticos, gravímetros e gradiômetros quânticos e magnetômetros quânticos têm grandes tamanhos de mercado e, juntos, respondem por aproximadamente 85% do mercado de medição de precisão quântica.

(1) Relógio quântico

Como um produto de medição de precisão quântica relativamente maduro, os relógios atômicos possuem capacidades de medição de tempo altamente precisas e estáveis. Actualmente, a tecnologia do relógio atómico óptico está a expandir rapidamente os seus campos de aplicação, abrangendo múltiplas indústrias, tais como comunicações móveis ferroviárias, centros de dados, defesa nacional e medição científica. Esta tendência mostra que os relógios atômicos ópticos não só têm um bom desempenho em laboratórios científicos, mas também estão gradualmente se movendo para aplicações práticas, fornecendo serviços precisos de medição e sincronização de tempo para diferentes indústrias.

Os relógios quânticos podem desempenhar um papel importante em muitos campos devido à sua estabilidade e precisão extremamente altas. A seguir estão alguns cenários principais de aplicação:

Sistema de Posicionamento Global (GPS) e navegação por satélite: Os relógios quânticos poderiam ser usados ​​para melhorar a precisão do GPS e de outros sistemas de navegação por satélite. Como esses sistemas dependem de medições de tempo precisas para calcular informações de posição, os relógios quânticos poderiam melhorar muito seu desempenho e confiabilidade.

Investigação científica: As experiências físicas, especialmente as que envolvem a medição de diferenças de tempo extremamente pequenas, poderiam beneficiar da elevada precisão e estabilidade dos relógios quânticos. Isto inclui medições de constantes físicas fundamentais, experimentos quânticos de precisão, observações astrofísicas e exploração das leis fundamentais do universo.

Redes de comunicação: Os relógios quânticos podem melhorar a precisão da sincronização da rede, o que é fundamental para manter a confiabilidade dos sistemas de transmissão e comunicação de dados em alta velocidade. À medida que os data centers e a infraestrutura de rede continuam a se expandir, a necessidade de sincronização de horário continua a crescer.

Transações Financeiras: No setor financeiro, as transações exigem carimbos de data/hora precisos. A precisão dos relógios quânticos pode ser utilizada para melhorar a transparência e a justiça dos sistemas de negociação, especialmente nas negociações de alta frequência.

Militar e de Defesa: A medição precisa do tempo é fundamental para as modernas comunicações militares, navegação, recolha de informações e sistemas de armas. Os relógios quânticos poderiam melhorar o desempenho e a precisão desses sistemas.

Computação quântica e informação quântica: Os relógios quânticos também podem desempenhar um papel importante nos campos dos computadores quânticos e das comunicações quânticas, que dependem do controlo preciso e da medição do estado dos bits quânticos (qubits).

Geofísica e monitorização climática: Espera-se que os relógios quânticos sejam utilizados para monitorizar com maior precisão a rotação da Terra, os movimentos da crosta terrestre e as alterações do nível do mar, dados que são críticos para a compreensão e previsão das alterações climáticas e dos desastres naturais.

Exploração do espaço profundo: Em missões no espaço profundo, os relógios quânticos podem fornecer navegação e controle mais precisos, ajudando as espaçonaves a viajar longas distâncias no universo.

De acordo com dados do ICV, o mercado de relógios quânticos apresentará uma tendência de crescimento constante de 2023 a 2035, com o tamanho do mercado aumentando de US$ 580 milhões em 2023 para US$ 1,21 bilhão, com uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 5,77%.

(2) Gravímetro quântico

O gravímetro quântico é um instrumento de alta precisão que utiliza os princípios da mecânica quântica para medir o campo gravitacional da Terra. Esses dispositivos normalmente usam nuvens ultrafrias de átomos para detectar pequenas mudanças no campo gravitacional, fazendo medições precisas do movimento de queda livre dos átomos. Os gravímetros quânticos funcionam com base na interferência quântica, um fenômeno da física quântica no qual as funções de onda (ou estados) dos átomos são divididas, transferidas e recombinadas para produzir padrões de interferência mensuráveis.

À medida que a demanda por medição precisa de campos de gravidade e gradientes de gravidade em pesquisas científicas e aplicações de engenharia continua a aumentar, gravímetros quânticos e gradiômetros de gravidade quântica têm sido amplamente utilizados no campo devido às suas vantagens de alta confiabilidade de cena dinâmica e sem desvio:

Pesquisa geofísica: detecção de movimento da crosta terrestre, monitoramento de terremotos, pesquisa de atividade vulcânica, medição do nível das águas subterrâneas, etc.

Exploração mineral e de petróleo: determine a distribuição de densidade das rochas subterrâneas para ajudar a descobrir recursos minerais e campos de petróleo.

Engenharia e Construção: Em projetos de construção, as alterações na gravidade são monitoradas para avaliar a estabilidade das fundações.

Defesa e segurança nacional: As capacidades de medição de alta precisão dos gravímetros quânticos têm aplicações potenciais no setor de defesa, como na navegação subaquática e na detecção de estruturas subterrâneas.

Sistema de navegação: Fornece informações precisas de navegação inercial para submarinos ou outros veículos que requerem dados precisos de referência terrestre.

Atualmente, gravímetros e gradiômetros quânticos são usados ​​principalmente no campo militar. Segundo dados do ICV, o setor militar e de defesa representou 44% da quota de mercado em 2023, seguido pela área de investigação com 33% de quota, enquanto o mercado civil relacionado com a exploração de petróleo e gás representou 23%.

À medida que a tecnologia continua a amadurecer e o mercado de aplicações downstream continua a se expandir, o preço e o desempenho do produto desempenharão um papel fundamental. O mercado civil trará um forte crescimento nos mercados de gravímetros quânticos e gradiômetros de gravidade quântica. O tamanho do mercado crescerá rapidamente de US$ 170 milhões em 2023 para US$ 1,07 bilhão em 2035, com uma taxa composta de crescimento anual de 15,21%, demonstrando o enorme potencial deste campo.

(3) Magnetômetro quântico

Um magnetômetro quântico é um instrumento que usa efeitos quânticos para medir a força dos campos magnéticos. Eles são geralmente mais sensíveis que os magnetômetros tradicionais e podem detectar campos magnéticos extremamente fracos. O princípio básico sobre o qual funcionam os magnetômetros quânticos é que quando o estado quântico de certas substâncias (geralmente átomos ou elétrons) é afetado por um campo magnético externo, seus níveis de energia mudam. Medindo com precisão essas mudanças nos níveis de energia, a força do campo magnético pode ser deduzida.

No atual mercado de magnetômetros quânticos, a diversidade tecnológica é uma característica notável. Várias tecnologias, incluindo magnetômetros de prótons, magnetômetros SQUID, magnetômetros OPM, magnetômetros SERF, magnetômetros de centro de cores NV, etc., todas apresentam vantagens exclusivas em diferentes cenários de aplicação. Isso permite que o mercado apresente uma gama diversificada e ampla de opções em tecnologia.

Os magnetômetros quânticos têm alta sensibilidade e precisão e possuem uma ampla gama de cenários de aplicação em muitos campos.

Exploração geofísica: Magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para detectar minerais magnéticos, como minério de ferro, no solo, ajudando os geólogos a identificar recursos minerais. Além disso, eles podem ser usados ​​para monitorar mudanças no campo geomagnético para prever terremotos e outros eventos geológicos.

Imagens Médicas: Na ressonância magnética (MRI), os magnetômetros quânticos podem ajudar a melhorar a resolução e a qualidade da imagem. Além disso, eles podem ser usados ​​em imagens de partículas magnéticas (MPI), uma tecnologia de imagem emergente que promete ser um método de imagem médica livre de radiação no futuro.

Pesquisa biológica: Os magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para medir campos magnéticos fracos em organismos vivos, por exemplo, para monitorar mudanças no campo magnético no coração para estudar doenças cardíacas ou para rastrear sinalização no sistema nervoso.

Militar e Segurança: No campo militar, magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para detectar submarinos, minas ou outros objetos metálicos ocultos. Além disso, eles podem ser usados ​​para impedir que dispositivos espiões escutem e monitorem.

Espaço e astrofísica: Os magnetômetros quânticos podem detectar campos magnéticos fracos no espaço, ajudando a estudar fenômenos como o vento solar, campos magnéticos planetários e campos magnéticos interestelares.

Pesquisa em física fundamental: Na física experimental, os magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para detectar campos magnéticos extremamente fracos, o que é crucial para pesquisas em áreas como física de partículas, física quântica e física da matéria condensada.

Aplicações industriais: Os magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para testes não destrutivos, como detecção de pequenas rachaduras e corrosão em tubulações, aeronaves e pontes para garantir a segurança dessas estruturas.

Os magnetômetros quânticos são cada vez mais utilizados na pesquisa científica, especialmente em física, ciências da terra e biomedicina. Ao mesmo tempo, no campo industrial, os magnetômetros quânticos são amplamente utilizados em testes de materiais magnéticos, fabricação de eletrônicos, etc. A expansão dessas aplicações impulsiona ainda mais o crescimento do tamanho do mercado.

De acordo com dados do ICV, o mercado de magnetômetros quânticos apresentará crescimento constante de 2023 a 2035, passando de US$ 480 milhões em 2023 para US$ 1,00 bilhão em 2035. Essa tendência de crescimento é impulsionada principalmente pela pesquisa científica, indústria e outros campos. demanda contínua por medição magnética de alta precisão em campo.

6. Panorama do investimento em tecnologia quântica

6.1 Mapa da Empresa de Tecnologia Quântica

(1) Grandes empresas na área de computação quântica

(2) Grandes empresas na área de comunicações quânticas

(3) Grandes empresas na área de medição quântica

6.2 Avaliação das principais empresas nacionais de tecnologia quântica

Referências para este relatório

[1] Zhang Qingrui, "Megatendências Quânticas"

[2]iCV&Photon Box, "Perspectivas de desenvolvimento da indústria de computação quântica global para 2024"

[3]iCV&Photon Box, "Perspectivas de desenvolvimento da indústria de segurança e comunicação quântica global para 2024"

[4]iCV&Photon Box, "Perspectiva de desenvolvimento da indústria de medição de precisão quântica global para 2024"

[5] Soochow Securities, "Informação Quântica: A Próxima Revolução da Informação"

os dados mostram

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