Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Оглавление

1. Определение и характеристики кванта

1.1 Квантовая суперпозиция

1.2. Квантовая запутанность

1.3 Квантовая декогеренция

2. Наступает эра квантового превосходства

2.1 Вторая революция в квантовых технологиях

2.2 Глобальная конкуренция в области квантовых технологий

3. Квантовые вычисления

3.1 Определение и преимущества квантовых вычислений

3.2 Основные технические направления квантовых вычислений

3.3 Состояние разработки и технические трудности квантовых компьютеров

3.4 Применение квантовых компьютеров

4. Квантовая связь и безопасность

4.1 Необходимость квантово-безопасной связи

4.2 Состояние развития и трудности основных квантовых технологий безопасной связи

4.3 Квантовая сеть связи и квантовый Интернет

4.4. Применение квантовой связи

5. Квантовое прецизионное измерение

5.1 Определение квантово-точного измерения

5.2 Состояние развития и трудности технологии квантово-точных измерений

Применение квантовых прецизионных измерений

6. Обзор инвестиций в квантовые технологии

6.1 Квантовые вычисления, квантовая связь, карта компании по квантовым измерениям

6.2 Оценка крупнейших китайских компаний, занимающихся квантовыми технологиями

1. Определение и характеристики кванта

Квант — это основная единица физики, описывающая частицы в микроскопическом мире. Это дискретная единица энергии и импульса. Квант не является «суб», как электрон. В классическом мире различные физические явления изменяются непрерывно, например, температура. В микроскопическом мире состояние энергии является прерывистым и состоит из частей энергии, таких как физические величины. поскольку импульс можно бесконечно разделить на бесконечно малые единицы, и есть одна наименьшая базовая единица — квант. Эта бесконечная делимость в микроскопическом мире называется квантованием.

Квант обладает такими свойствами, как квантовая суперпозиция, квантовая запутанность и квантовое измерение. Эти свойства важны не только в физике, но также играют ключевую роль в новых областях квантовых технологий, таких как квантовые вычисления, квантовая связь и квантовые измерения. Эти своеобразные свойства квантовой механики открывают нам новую перспективу для понимания и использования основных законов природы.

1.1 Квантовая суперпозиция

Квантовая суперпозиция — важное понятие в квантовой механике, которое относится к квантовой системе, которая может находиться в состоянии суперпозиции между несколькими возможными состояниями одновременно. В классической физике объект может находиться только в одном определенном состоянии, тогда как в квантовой механике квантовая система может находиться в линейной комбинации множества возможных состояний. Это означает, что в некоторых случаях квантовая система может находиться в нескольких состояниях одновременно, но при измерении коллапсирует в одно из определенных состояний.

Квантовая суперпозиция является основой квантовых вычислений и квантовой информации. Используя квантовую суперпозицию, можно достичь квантовых параллельных вычислений и повысить эффективность вычислений.

1.2. Квантовая запутанность

Квантовая запутанность — это особое взаимосвязанное явление в квантовой механике. Это означает, что когда две или более квантовые системы взаимодействуют, их состояния становятся тесно связанными, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, состояние одной системы немедленно влияет на состояние другой системы. Эта ассоциация называется запутанностью.

Состояние корреляции двух частиц в запутанном состоянии не может быть установлено до измерения. Однако независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся две частицы, до тех пор, пока запутанное состояние не разрушено, как только одна из частиц будет измерена, изменится состояние. другая частица будет определена также соответственно. Квантовая запутанность не только обеспечивает наиболее эффективный метод параллельной обработки квантовых операций, но также является важным инструментом для реализации квантовой связи. Будучи очень чувствительной к изменениям окружающей среды, квантовая запутанность также может быть использована для создания очень точных и чувствительных квантовых датчиков.

1.3 Квантовая декогеренция

Квантовая декогеренция означает, что в квантовой системе состояния, которые изначально имели когерентность (т. е. свойства интерференции и суперпозиции квантовых состояний), теряют это свойство когерентности после определенного процесса или взаимодействия. Квантовая декогеренция обычно приводит к тому, что квантовые состояния становятся более классическими, то есть ближе к состояниям классической физики.

Квантовая декогеренция может происходить при различных обстоятельствах, таких как квантовые измерения, квантовая декогеренция, вмешательство окружающей среды и т. д. Среди них вмешательство окружающей среды является наиболее распространенной причиной квантовой декогеренции. Когда квантовая система взаимодействует с окружающей средой, неопределенность окружающей среды и шум приводят к постепенному исчезновению эффекта интерференции квантового состояния и постепенной потере когерентности системы.

Квантовая декогеренция — важная проблема, влияющая на квантовые вычисления и обработку квантовой информации, поскольку когерентность — ключевой ресурс в квантовых вычислениях. Поэтому изучение того, как продлить время когерентности квантовых состояний и уменьшить влияние квантовой декогеренции, является одним из текущих направлений исследований в области квантовой информации.

2. Наступает эра квантового превосходства

2.1 Вторая революция в квантовых технологиях

Первое предложение квантовой концепции датируется 1900 годом немецким физиком Максом Планком. Планк предложил концепцию квантования энергии, которая является основой квантовой теории, тем самым положив начало революции в квантовой физике в начале 20 века. В 1905 году Альберт Эйнштейн развил квантовую концепцию и предложил концепцию квантов света (фотонов) для объяснения фотоэлектрического эффекта.

«Первая революция квантовых технологий» началась в начале 20-го века, когда Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Пауль. Физики в лице Дирака и других установили теоретическую основу квантовой механики, описали основные характеристики квантовой механики, осуществил объединение квантовой механики с математикой, химией и биологией и породил множество крупных изобретений — атомную бомбу, лазеры, транзисторы, ядерный магнитный резонанс, компьютеры и т. д.

В 2014 году ведущий мировой научный журнал Nature предположил, что началась «вторая революция квантовых технологий».

«Первая квантовая технологическая революция» вывела человечество из индустриальной эпохи в информационную эпоху, а продолжающаяся «вторая квантовая технологическая революция» означает, что человечество вырвется за физические пределы классической технологии и вступит в квантовую эру, ознаменовав понимание человечеством Исследование квантовых компьютеров перешло от простой «эры обнаружения» к активной «эре регулирования», предвещая крупные прорывы в области квантовых вычислений, квантовой связи и квантовых прецизионных измерений.

«Вторая квантовая технологическая революция» использует квантовую запутанность, квантовую суперпозицию, квантовое измерение и т. д. для реализации инновационных приложений и, как ожидается, вызовет изменения во многих областях:

Квантовые вычисления. Развитие квантовых компьютеров претерпит переход от специализированных квантовых компьютеров к универсальным квантовым компьютерам, что в конечном итоге приведет к созданию программируемого универсального квантового компьютера, способного решать конкретные проблемы, с которыми не могут справиться классические компьютеры.

Квантовая связь: он имеет метод защиты от подслушивания и создает безопасную сеть связи с квантовым отсутствием клонирования и другими характеристиками. К основным технологиям относятся квантовое распределение ключей (QKD), квантовая телепортация (QT) и т. д. Развитие технологий квантовой связи также будет способствовать дальнейшему строительству квантового Интернета.

Квантовые прецизионные измерения. Технология квантовых прецизионных измерений приносит в научные исследования и промышленность более точные измерительные инструменты. Поскольку квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к изменениям во внешней среде, чувствительность и разрешение квантово-точных измерений значительно превысят классические пределы и будут способствовать развитие смежных областей навыков улучшилось.

«Вторая революция квантовых технологий» меняет наше понимание квантового мира и способствует применению квантовых технологий во многих областях. Ожидается, что по мере дальнейшего развития технологий квантовые технологии произведут революцию в том, как мы живем и работаем в ближайшие десятилетия.

2.2 Глобальная конкуренция в области квантовых технологий

«Революция квантовых технологий дала Китаю возможность «сменить полосу движения и обогнать»», — сказал в своей книге Чжан Цинжуй, бывший исполняющий обязанности президента Национального университета Тайваня, профессор Университета Чун Юань и консультант Института квантовых исследований Foxconn. Квантовые мегатренды».

В эпоху информационных технологий улучшение вычислительной мощности классических компьютеров следует закону Мура. Закон Мура гласит, что количество транзисторов, которые можно разместить в интегральной схеме, удваивается примерно каждые два года. Точное управление нанометровыми процессами стало ключевой технологией в эпоху информационных технологий. Однако по мере того, как размер транзисторов приближается к атомному масштабу. Физический размер транзисторов продолжает уменьшаться. Это становится все сложнее.

Во «второй квантовой технологической революции» такие свойства, как квантовая суперпозиция, квантовая запутанность и квантовое измерение, используются для создания новых квантовых компонентов. Она не опирается исключительно на технологию сжатия закона Мура, пока характеристики объектов могут быть такими. освоена даже субмикронная технология. Могут быть созданы квантовые компоненты со свойствами квантовой запутанности. Характеристики квантовых компонентов со свойствами запутанности намного превосходят характеристики классических электронных компонентов. «Вторая революция в квантовых технологиях» приведет к появлению более революционных инновационных отраслей.

Профессор Пан Цзяньвэй из Университета науки и технологий Китая, известный в Китае как «отец квантовой технологии», однажды сказал, что с точки зрения современной информатики Китай всегда играл роль ученика и последователя. квантовых технологий, если мы постараемся изо всех сил, мы можем стать главной силой среди них.

В настоящее время достижения моей страны в области квантовой связи лидируют в мире: в 2016 году был успешно запущен первый в мире экспериментальный спутник квантовой науки «Моцзы», в 2017 году — 2000-километровая квантовая линия связи Пекин-Шанхай; В 2018 году «Моцзы» «Цихао» провел распространение квантовых ключей на расстояние более 7600 километров с китайской наземной станцией Синлун и австрийской Грац соответственно, в 2022 году команда профессора Университета Цинхуа Лонг Гуйлу разработала гибрид фазового квантового состояния и временной метки; квантовое состояние Новая закодированная система квантовой прямой связи достигла 100 километров квантовой прямой связи и побила мировой рекорд «квантовой прямой связи».

В области квантовых вычислений в декабре 2020 года Университет науки и технологий Китая объявил об успешном создании 76-фотонного прототипа «Цзючжан», став второй страной, достигшей квантового превосходства (Quantum Supremacy) (Примечание, июнь); В 2021 году Университет науки и технологий Китая выпустил программируемый 56-кубитный сверхпроводниковый компьютер «Цзунчжи», сократив задачу, на выполнение которой суперкомпьютеру потребовалось 8 лет, до 1,2 часа. Китай — единственная страна, у которой есть два технологических пути: сверхпроводниковый и сверхпроводниковый. оптический квантовый. Все страны достигли квантового превосходства.

По данным Института отраслевых исследований Цяньчжань, с точки зрения общего объема инвестиций глобальные инвестиции в квантовую информацию достигнут 38,6 миллиардов долларов США в 2023 году, из которых общий объем инвестиций Китая достигнет 15 миллиардов долларов США, заняв первое место в мире.

В настоящее время Китай и США лидируют в конкуренции в области квантовых технологий, а Европа и другие традиционные технологические державы также активно их догоняют. Хотя в настоящее время в квантовых технологиях есть лидеры, все участники находятся недалеко от стартовой линии. "перестраиваться и обгонять" гораздо сложнее, чем в других областях техники. Возможностей больше.

В 2021 году в «14-м пятилетнем плане» моей страны предлагается ускорить внедрение передовых технологий, таких как квантовые вычисления и квантовые коммуникации, с целью завершения строительства национальной инфраструктуры квантовых коммуникаций и разработки универсальных квантовых компьютеров к 2030 году.

(Примечание: квантовое превосходство, также известное как квантовое превосходство, относится к способности квантового компьютера превосходить самый мощный обычный компьютер при выполнении конкретных задач. Эта концепция была разработана физиком Джоном Прайсом. Предложена Джоном Прескиллом в 2012 году для описания значительных преимущества квантовых компьютеров перед классическими при решении тех или иных задач).

3. Квантовые вычисления

Как передовая технология, квантовые вычисления в последние годы привлекли большое внимание мировых научных исследователей и капитала. Он использует принципы квантовой механики, чтобы прорваться через двоичный метод вычислений традиционных компьютеров, демонстрируя потенциал значительного превосходства классических компьютеров в некоторых конкретных проблемах. С постоянным углублением теории квантовой физики и ростом зрелости квантовых технологий квантовые вычисления постепенно перешли от теории к практике и считаются важным направлением развития будущих вычислительных технологий.

3.1 Определение и преимущества квантовых вычислений

Квантовые вычисления — это технология, которая использует квантовые биты в качестве базовой единицы информации для выполнения вычислений, основанных на принципах квантовой механики. Суперпараллелизм квантовых компьютеров возникает из-за состояния суперпозиции кубитов. По сравнению с тем же количеством классических битов разница в вычислительной мощности между несколькими кубитами экспоненциальна.

Традиционные компьютеры используют двоичные биты (биты), каждый бит равен либо 0, либо 1, при этом квантовый бит (кубит) квантового компьютера может находиться в состоянии суперпозиции 0 и 1 одновременно. По мере увеличения количества кубитов N кубитов могут иметь значения одновременно, что эквивалентно одновременному выполнению операции.

Квантовые компьютеры манипулируют этими состояниями суперпозиции и взаимодействиями между кубитами с помощью квантовых алгоритмов и могут одновременно обрабатывать большое количество возможных путей вычислений, что делает квантовые компьютеры более эффективными, чем традиционные, при решении определенных типов задач, таких как целочисленное разложение и Алгоритмы поиска работают намного быстрее.

3.2 Основные технические направления квантовых вычислений

Наша страна придает большое значение исследованиям в области квантовой науки и последовательно ввела ряд политик и планов по поддержке исследований и применения квантовых технологий. В области квантовых вычислений китайские научно-исследовательские институты и предприятия достигли ряда влиятельных на международном уровне результатов на ключевых технических направлениях, таких как сверхпроводящие квантовые вычисления и оптические квантовые вычисления, и занимают лидирующие позиции в глобальной конкуренции квантовых вычислений.

В настоящее время квантовые вычисления находятся на ранней стадии исследования, и направления развития кубитов очень разнообразны. Основные решения включают сверхпроводимость, ионные ловушки, оптические квантовые технологии, ультрахолодные атомы, квантовые точки на основе кремния, топологические квантовые технологии и т. д. в основном основаны на преимуществах квантовых вычислений — — Специализированные квантовые вычисления — Дорожная карта развития универсальных квантовых вычислений.

Согласно отчету «Глобальные перспективы развития индустрии квантовых вычислений на 2024 год», опубликованному ICV, передовой консалтинговой организацией в области технологий, Китай и Соединенные Штаты доминируют в распределении крупнейших компаний, занимающихся квантовыми вычислениями в мире: 20 компаний находятся в Соединенных Штатах и ​​​​США. 18 компаний в Китае, что составляет 28%, 25%. С точки зрения технического распределения наибольшее внимание уделяется сверхпроводимости, ионным ловушкам и оптическим квантовым путям. Среди 71 крупнейшей компании, занимающейся квантовыми вычислениями в мире, в 2023 году 19 будут заниматься сверхпроводящими квантовыми вычислениями, что составит 27%, в том числе 8 в США и 5 в Китае, за которыми следуют оптические квантовые вычисления, всего 13 компаний; , что составляет 18 %, среди которых наибольшее количество приходится на китайские компании, достигающие 4; 10 компаний находятся на пути квантовых вычислений с ионной ловушкой, что составляет 14 %, а на долю китайских компаний приходится 4.

(1) Путь сверхпроводящих квантовых вычислений

Сверхпроводящие квантовые вычисления на данный момент являются одной из наиболее зрелых технологий квантовых вычислений. Он основан на сверхпроводящих квантовых схемах и обрабатывает информацию, манипулируя сверхпроводящими кубитами. Сверхпроводящие квантовые схемы хорошо совместимы с существующими системами интегральных схем с точки зрения проектирования, подготовки и измерений и могут использовать традиционные электронные компоненты в качестве систем управления. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum и др. проводят исследования и разработки на пути сверхпроводящих квантовых вычислений.

Преимуществами сверхпроводящих кубитов являются их высокая непрерывность и масштабируемость, а также относительно низкие коэффициенты искажений. Этот технический путь позволил запутать несколько кубитов и операции квантовых вентилей, заложив основу для создания практических квантовых компьютеров. Однако сверхпроводящие кубиты очень чувствительны к температуре и электромагнитным помехам окружающей среды, поэтому эксперименты необходимо проводить при экстремально низких температурах и в хорошо экранированной среде.

Индустрия квантовых вычислений в США имеет полную структуру: в отрасль входят ведущие технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft, особенно на пути сверхпроводящих квантовых вычислений. В области сверхпроводящих квантовых чипов в декабре 2023 года IBM выпустила первый в мире процессорный чип Condor для квантовых вычислений с более чем 1000 кубитами, который имеет 1121 кубит.

В апреле 2024 года Институт квантовой информации и инноваций в квантовых технологиях Китайской академии наук выпустил 504-битный сверхпроводящий квантовый вычислительный чип «Сяохун», побив отечественный рекорд по количеству сверхпроводящих кубитов.

Пэн Чэнчжи, профессор Института квантовой информации, квантовой науки и технологических инноваций Китайской академии наук и главный научный сотрудник China Telecom Quantum Group и Guodun Quantum (688027.SH), сказал, что сверхпроводящие квантовые вычислительные чипы можно повторно использовать более зрелые Технологии обработки полупроводниковых чипов особенно выгодны с точки зрения расширения, поэтому исследования и разработки «не сложны». «Самое сложное — это как одновременно улучшить качество и количество кубитов, тем самым действительно улучшив производительность чипа и более точное управление крупномасштабными кубитами. Это международное направление. Научно-исследовательская группа усердно работает».

Вычислительная мощность, которую может достичь квантовый компьютер, зависит от многих факторов, в качестве примера можно привести сверхпроводящие квантовые компьютеры, включая количество бит, точность воспроизведения, время когерентности, скорость работы вентиля, возможность подключения и т. д. Среди них количество битов является ключевым показателем. Однако следует обратить особое внимание на то, что бессмысленно говорить только о количестве битов. Гораздо важнее точность вентиля (особенно двухбитового вентиля), время когерентности и связность битов при больших значениях. масштабировать кубиты.

Кроме того, свойство сверхпроводящих материалов состоит в том, что при понижении температуры ниже определенной критической сопротивления сопротивление становится равным нулю и ток может протекать без потерь. Чтобы добиться эффективной работы и стабильного хранения кубитов, квантовые чипы должны работать в условиях чрезвычайно низкой температуры (-273,12°C или ниже), поэтому холодильник разбавления является одним из ключевых устройств для сверхпроводящих квантовых вычислений.

В настоящее время отечественные холодильники для разбавления в моей стране добились крупных прорывов, а их фактические эксплуатационные показатели достигли основного международного уровня аналогичных продуктов. Коммерчески доступный и серийно выпускаемый бытовой холодильник с разбавлением ez-Q Fridge, выпущенный Guodun Quantum, обеспечивает квантовые чипы сверхнизкой температурой и низким уровнем шума вплоть до уровня 10 мК. Мощность охлаждения достигает 450 мкВт при 100 мК (что соответствует 450 мкВт при 100 мК). Холодильник разбавления. Мощность охлаждения при температуре 100 мК может достигать 450 мкВт. Чем больше мощность охлаждения, тем большее количество битов квантовых вычислений может поддерживаться), и он служит «Цучонг-2» для реализации кванта. эксперимент по вычислительному превосходству; он независимо разработан Origin Quantum. Холодильник для разбавления SL1000 может обеспечить сверхнизкую температуру ниже 10 мК и охлаждающую способность не менее 1000 мкВт при 100 мК, что соответствует потребностям сверхнизких температур при резке. области передовых технологий, такие как сверхпроводящие квантовые вычисления, физика конденсированного состояния, материаловедение и исследование дальнего космоса.

Достижение «квантового превосходства» является ключевым показателем производительности квантового компьютера, то есть его способности решать конкретные задачи, выходящие за рамки задач классического суперкомпьютера. На данный момент в мире существует всего два сверхпроводящих квантовых компьютера: американский «Платан» и китайский «Цучонг-2».

«Цучун-2» — это прототип программируемого сверхпроводящего квантового компьютера с 66 кубитами, разработанный исследовательской группой, состоящей из Пань Цзяньвэя, Чжу Сяобо, Пэн Чэнчжи и других из Института квантовой информации и инноваций в квантовых технологиях Китайской академии наук и Шанхайский институт технической физики Китайской академии наук. В мае 2023 года команда усовершенствовала оригинальный 66-кубитный чип «Zuchong-2» и добавила 110-битный интерфейс управления связью, в результате чего количество кубитов, которыми пользователи могут управлять, достигло 176 бит.

Guodun Quantum, как единственное предприятие, участвующее в исследованиях и разработках «Zuchongzhi», использует возможности управления цепочкой поставок и интеграции прототипа сверхпроводящих квантовых вычислений (включая систему контроля температуры в помещении, систему передачи низкотемпературных сигналов, систему упаковки чипов). , система управляющего программного обеспечения и т. д.). В настоящее время 4 комплектных квантовых компьютера успешно проданы в зарубежные страны.

Кроме того, в январе 2024 года будет запущен в эксплуатацию независимый сверхпроводящий квантовый компьютер третьего поколения «Origin Wukong», разработанный Origin Quantum. «Original Wukong» оснащен 72-битным сверхпроводящим квантовым чипом «Wukong Core» с общим количеством 198 кубиты, который содержит 72 рабочих кубита и 126 связанных кубитов.

(Примечание: Кубит (кубит) — это базовая единица квантовых вычислений. Он является носителем квантовой информации, подобно битам в классических вычислениях. Кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть суперпозиции нескольких состояний одновременно. , что позволяет квантовым компьютерам одновременно обрабатывать несколько вычислительных задач. Связанные кубиты (cQubits) — это специальные кубиты, между которыми существуют взаимодействия или связи. Связанные кубиты часто используются для реализации операций с квантовыми вентилями, позволяя различным кубитам взаимодействовать с каждым. друг с другом для обмена информацией и взаимодействия друг с другом. В общем, кубиты — это базовая единица квантовых вычислений, а связующие кубиты — это особая форма кубитов, используемая для реализации операций с квантовыми вентилями и квантовых вычислений.

(2) Путь оптических квантовых вычислений

Путь оптических квантовых вычислений использует фотоны в качестве носителя информации и реализует процесс квантовых вычислений посредством квантовых оптических элементов. Ключевое преимущество оптических квантовых вычислений заключается в том, что сам фотон очень слабо взаимодействует с окружающей средой и может поддерживать стабильное квантовое состояние в течение длительного времени с высокой точностью. Кроме того, оптические квантовые вычисления могут выполняться при комнатной температуре, в отличие от сверхпроводящих квантовых вычислений, для которых требуется среда с чрезвычайно низкой температурой. Техническая задача заключается в генерации, эксплуатации и обнаружении фотонов, что требует высокоточных технологий и оборудования управления. Компании, которые в настоящее время используют фотоны как путь к квантовым компьютерам, включают PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum и Bose Quantum.

Китай — единственная страна, которая достигла квантового превосходства как в сверхпроводящих, так и в оптических квантовых технологиях. Помимо «Цу Чунчжи» на пути сверхпроводящих квантовых вычислений, в моей стране есть еще один квантовый компьютер, который достиг «квантового превосходства». Университет науки и технологий Китая Серия «Девять глав», разработанная командой Пан Цзяньвэя, использует путь оптических квантовых вычислений.

Что касается конкретных функций квантовых компьютеров, Китай добился больших прорывов и прогресса на пути оптических квантовых вычислений. В октябре 2023 года команда Университета науки и технологий Китая успешно создала прототип 255-фотонного квантового компьютера «Цзючжан-3». Прототип состоит из 255 фотонов и может решить математическую задачу гауссовой бозе-сэмплирования в 100 миллиардов раз быстрее, чем самый быстрый в мире суперкомпьютер, что в очередной раз побило мировой рекорд в области оптических квантовых информационных технологий. Кроме того, в апреле 2024 года выпущен когерентный оптический квантовый компьютер следующего поколения Bose Quantum с 550 вычислительными кубитами - «Tiangong Quantum Brain 550W», посредством комплектов разработки, представленных «Kaiwu SDK» и многоотраслевой экологией. Комбинация «квантовых алгоритмов» совместно разработанный партнерами, совершил прорыв в практических квантовых вычислениях.

В отличие от квантовых компьютеров общего назначения, которые могут изменять программу расчета выполнения по своему желанию, квантовые компьютеры с конкретными функциями могут выполнять только определенные квантовые алгоритмы. Если они хотят выполнять вычисления, выходящие за рамки исходной проектной функции, необходимо изменить аппаратное обеспечение или оборудование.

В области программируемых оптических квантовых компьютеров общего назначения компания Turing Quantum запустила DeepQuantum, первую в Китае среду программирования оптических квантовых вычислений. Используя QubitCircuit в DeepQuantum, разработчики могут легко создавать и моделировать квантовые схемы, а также быстро проектировать и оптимизировать квантовые нейронные сети. Кроме того, с помощью QumodeCircuit компании DeepQuantum пользователи могут глубоко изучать оптические квантовые схемы и разрабатывать практические приложения на основе таких алгоритмов, как гауссовая бозе-дискретизация. DeepQuantum не только включает функции автоматического дифференцирования, но также имеет множество встроенных неградиентных оптимизаторов, которые помогают пользователям эффективно реализовывать и исследовать вариационные квантовые алгоритмы. В то же время Turing Quantum развернет оборудование для оптических квантовых вычислений на платформе Quantum Cloud, и пользователи смогут испытать настоящие квантовые вычисления через DeepQuantum.

(3) Путь квантовых вычислений с ионной ловушкой

Путь квантовых вычислений с ионной ловушкой — это метод, который использует ионы (обычно заряженные атомы или молекулы) в качестве кубитов для выполнения квантовой обработки информации. Внешнее электромагнитное поле используется для «захвата» ионов в определенном диапазоне, а движение ионов контролируется силой взаимодействия между зарядом и электромагнитным полем. Преимущества квантовых вычислений с ионной ловушкой заключаются в длительном времени стабильного запутанного состояния и высокой точности логических элементов. Однако техническая трудность заключается в достижении стабильного «заточения» и точного управления большим количеством ионов одновременно, что требует усилий. Технология лазерного охлаждения и среда сверхвысокого вакуума, а также интеграция. Совместимость схемы еще предстоит разработать, что приводит к ограничению масштабируемости. В настоящее время к компаниям, которые активно участвуют в технологии квантовых вычислений с ионными ловушками, относятся Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum и т. д.

В 2023 году компания Huayi Quantum выпустила HYQ-A37, коммерческий прототип квантового компьютера с ионной ловушкой первого поколения размером 37 кубитов. Время когерентности кубитов, точность и другие соответствующие показатели производительности достигли первоклассного мирового уровня. В настоящее время пользователи могут использовать визуальные инструменты или редакторы кода для быстрого проектирования квантовых схем по предварительной записи, а также удаленный доступ к HYQ-A37 для выполнения вычислительных задач и получения обратной связи по результатам графических вычислений в режиме реального времени. Ожидается, что Huayi Quantum выпустит 110-битный квантовый компьютер с низкотемпературной ионной ловушкой в ​​2024 году.

3.3 История развития и технические трудности квантовых компьютеров

С 1980-х годов квантовые вычисления проверялись с помощью базовых физических идей и основных принципов, и теперь квантовые компьютеры достигли стадии NISQ (шумный квантовый компьютер промежуточного масштаба).

Компьютеры с высокоточными квантовыми вентилями от 50 до 100 кубитов называются компьютерами NISQ. «Шумный» означает, что между кубитами существует определенная степень шума и ошибок, которые имеют низкую отказоустойчивость и пока не могут обеспечить точные квантовые вычисления. Отказоустойчивые квантовые компьютеры общего назначения являются долгосрочной целью развития, и для ее достижения потребуется некоторое время. Однако вычислительная мощность шумных квантовых компьютеров среднего масштаба намного превышает мощность суперкомпьютеров. задач и уже продемонстрировали выдающуюся производительность в некоторых областях применения Quantum.

Основными ограничениями развития квантовых компьютеров на данном этапе являются:

(1) Требования к экстремально низким температурам. Чтобы поддерживать стабильность квантового состояния кубитов, квантовые компьютеры должны работать в среде со сверхнизкими температурами, близкими к абсолютному нулю. В таких условиях кубиты могут эффективно проявлять характеристики квантовой запутанности и квантовой суперпозиции. Холодильные системы дороги в обслуживании и эксплуатации, и по мере увеличения количества кубитов соответствующие требования к охлаждению будут возрастать. Необходимо совершенствовать эффективные и дешевые криогенные технологии.

(2) Проблема стабильности кубита: кубиты (или кубиты) являются основными информационными единицами квантовых компьютеров, но они очень хрупкие и чувствительны к шуму и внешним помехам, что приводит к квантовой декогеренции. Декогеренция уничтожает квантовую информацию, делая вычисления ненадежными. Увеличение времени когерентности кубитов — актуальная тема для исследований.

(3) Квантовая коррекция ошибок: ошибки неизбежно возникают во время квантовых вычислений, и из-за особых свойств кубитов эти ошибки отличаются от ошибок в традиционных компьютерах. Разработка эффективных методов квантовой коррекции ошибок имеет решающее значение для обеспечения надежных квантовых вычислений, но текущие алгоритмы квантовой коррекции ошибок остаются сложными и трудно масштабируемыми.

(4) Масштабируемость: количество кубитов в существующих квантовых компьютерах относительно невелико, но для расчета сложных задач требуются сотни, тысячи или даже больше кубитов. Как масштабировать квантовые компьютеры без снижения качества одного кубита — огромная техническая задача.

(5) Материальные и технологические ограничения. Производство высококачественных кубитов требует современных материалов и точных производственных процессов. Например, сверхпроводящие кубиты требуют сверхпроводящих материалов высокой чистоты, а технология ионных ловушек требует высокоточных лазерных и вакуумных систем. Развитие и зрелость этих технологий напрямую влияют на производительность и осуществимость квантовых компьютеров.

(6) Недостаточная разработка алгоритмов и программного обеспечения. Хотя известно, что некоторые квантовые алгоритмы теоретически могут обеспечить производительность, превосходящую классические вычисления, библиотеки алгоритмов и программные инструменты квантовых компьютеров по-прежнему ограничены, а широко применимых квантовых программных платформ не хватает. и рамки программирования.

(7) Разрыв между теорией и экспериментом. Квантовые вычисления быстро развиваются в теории, но темпы реализации этих теорий в реальных экспериментах относительно медленны. Многие теории не были проверены экспериментально, поэтому необходимо внести множество инноваций и оптимизации в экспериментальные методы и конструкции.

(8) Нехватка талантов и знаний. Квантовые вычисления — это междисциплинарная область, включающая множество дисциплин, таких как физика, информатика, инженерия и математика. В настоящее время исследователей и инженеров с междисциплинарными знаниями и навыками относительно мало, что ограничивает темпы развития в области квантовых вычислений.

(8) Ограничения сценариев применения. В настоящее время квантовые компьютеры демонстрируют потенциал в решении некоторых конкретных задач, таких как химическое моделирование, взлом паролей и сложные задачи оптимизации. Однако преимущества квантовых компьютеров еще не очевидны для многих вычислительных задач общего назначения, и их практическая ценность в коммерческих и промышленных приложениях требует дальнейшего изучения.

Как упоминалось выше, хотя коммерциализация квантовых вычислений по-прежнему сталкивается со многими проблемами, квантовые технологии перешли на стадию инженерии со стадии теоретических исследований. Появление отказоустойчивых универсальных квантовых компьютеров в будущем разрушит практически все отрасли промышленности. происходит «вторая квантовая технологическая революция». В будущем нас ждут огромные перемены, и мы должны заранее подготовиться к вступлению в новую квантовую эру.

3.4 Применение квантовых компьютеров

(1) Облачная платформа квантовых вычислений

Достижение «квантового превосходства» является необходимой предпосылкой для коммерциализации и популяризации квантовых вычислений, а облачная платформа квантовых вычислений — ключом к развитию практических приложений квантовых вычислений.

В настоящее время стоимость аппаратного обеспечения квантовых компьютеров чрезвычайно высока, особенно для высокоточных и крупномасштабных кубитных систем. В то же время эксплуатация и обслуживание квантовых компьютеров требуют профессиональных технологий и окружающей среды. Облачная платформа квантовых вычислений предоставляет университетам, исследовательским институтам, предприятиям и т. д. недорогой способ доступа к системам квантовых вычислений.

С одной стороны, облачная платформа может быстро обновлять и развертывать новейшие технологии и алгоритмы квантовых вычислений, а пользователи могут мгновенно ощутить преимущества, предоставляемые технологическим прогрессом. С другой стороны, когда пользователи опробуют облачную платформу для разработки и тестирования приложений; , они могут предоставить платформу. Предоставлять отзывы о проблемах и потребностях поставщиков для содействия итерации и оптимизации технологий. Облачная платформа квантовых вычислений служит мостом, соединяющим различные компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, научно-исследовательские учреждения и корпоративных пользователей, способствуя сотрудничеству между квантовыми вычислениями и всеми сферами жизни, а также совместно продвигая разработку и применение технологий квантовых вычислений.

В мае 2023 года компания Guodun Quantum выпустила облачную платформу квантовых вычислений нового поколения, которая была подключена к 176-битному сверхпроводящему квантовому компьютеру собственной разработки того же типа, что и «Цучунчжихао». Это не только нарушило число битов сверхпроводящего квантового компьютера. рекорд для отечественных облачных платформ. Она также стала первой в мире облачной платформой квантовых вычислений, которая имеет потенциал для достижения квантового превосходства на сверхпроводящем квантовом пути и открыта для внешнего мира. Guodun Quantum заявила, что в будущем она планирует получить доступ к нескольким высокопроизводительным квантовым компьютерам для взаимного аварийного восстановления и итеративных обновлений, чтобы оборудование облачной платформы могло поддерживать передовой международный уровень.

В ноябре 2023 года компания Guodun Quantum помогла облачной платформе квантовых вычислений «Tianyan» компании China Telecom Quantum Group и суперкомпьютерной платформе Tiaany Cloud компании China Telecom подключиться для создания системы гибридной вычислительной архитектуры «суперкомпьютеры-квантовые вычисления».

(2) Основные сценарии применения квантовых вычислений

По данным ICV, глобальная квантовая индустрия достигнет 4,7 млрд долларов США в 2023 году, а среднегодовой темп роста (CAGR) с 2023 по 2028 год, как ожидается, достигнет 44,8%, благодаря технологическому прогрессу квантовых компьютеров общего назначения и Широкое использование специализированных квантовых компьютеров в конкретных областях применения, ожидается, что к 2035 году общий размер рынка индустрии квантовых вычислений достигнет 811,7 миллиардов долларов США.

Как новая вычислительная технология, квантовые вычисления продемонстрировали революционный потенциал применения во многих областях, таких как финансы, медицина и химическая промышленность. Среди них финансовая индустрия является потенциально важной областью применения квантовых вычислений. Согласно прогнозам ICV, среди глобальных последующих приложений квантовых вычислений финансовый сектор будет иметь самую высокую долю рынка в 2035 году, достигнув 51,9%, что является значительным увеличением по сравнению с предыдущим годом. 15,8% в 2030 году. Далее следуют фармацевтическая и химическая промышленность, на долю которых приходится 20,5% и 14,2% соответственно.

Квантовые вычисления широко используются в финансовой сфере для сокращения затрат и времени обработки. В настоящее время они в основном включают в себя: управление и контроль рисков, ценообразование деривативов, оптимизацию портфеля, арбитражную торговлю и кредитный скоринг и т. д.

Крупнейшие финансовые компании в стране и за рубежом, такие как JP Morgan и Goldman Sachs, создали квантовые отделы для разработки квантовых финансовых приложений; Origin Quantum и Китайская служба экономической информации Xinhua Finance совместно выпустили книгу «Квантовые финансовые приложения», которая была опубликована в Xinhua Finance. Приложение доступно онлайн, обеспечивая применение квантовых вычислений для оптимизации инвестиционного портфеля, ценообразования деривативов и анализа рисков; Строительный банк Китая активно исследовал и практиковал применение квантовых информационных технологий, создал лабораторию квантовых финансовых приложений и сотрудничал с отечественными и зарубежными Quantum. Команды по безопасности и квантовым вычислениям объединились для проведения серии перспективных исследований и инновационных разработок. Строительный банк Китая запустил алгоритмы квантовых финансовых приложений, такие как «Алгоритм квантовой байесовской сети» и «Алгоритм квантовой оптимизации портфеля». Эти алгоритмы продемонстрировали потенциал квантовых вычислений в анализе рисков и оптимизации портфеля.

С точки зрения медицинских исследований и разработок, а также химического материаловедения, квантовые компьютеры могут моделировать сложные химические реакции и свойства материалов, что имеет большое значение для открытия новых лекарств, новых материалов и оптимизации процессов химических реакций.

Новые материалы и новые лекарства имеют огромную экономическую ценность, особенно в сфере медицины. Если квантовые вычисления смогут заменить традиционный экспериментальный метод проб и ошибок посредством компьютерного анализа, это не только значительно сократит время разработки новых лекарств, но и позволит сэкономить огромную сумму денег. затраты на медицинские разработки. Содействовать применению квантовых вычислений в медицинских исследованиях и разработках, а также в материаловедении, но их все равно необходимо согласовывать с конкретными квантовыми алгоритмами.

В июле 2022 года Научно-исследовательский институт наук о жизни BGI сотрудничал с Quanthuan Technology для изучения применения квантовых вычислений в области наук о жизни. Они использовали квантовые алгоритмы для сборки генома, решили проблему сборки генома и использовали меньше квантовых ресурсов для моделирования более крупных квантовых систем, что дало возможность моделировать крупномасштабные системы в эпоху NISQ.

В марте 2022 года компания Turing Quantum использовала технологию тензорных сетей, чтобы в 38 раз ускорить разработку лекарств с использованием квантового ИИ за счет сокращения тензоров, и запустила серию прикладных модулей квантового ИИ, включая QuOmics (геномика), QuChem (молекулы лекарств). Четыре основных модуля, включая структурное проектирование), QuDocking (виртуальный скрининг лекарств) и QuSynthesis (ретросинтез химических молекул), достигли различной степени улучшения квантовых алгоритмов.

В апреле 2021 года компания Origin Quantum выпустила прикладную систему Origin Quantum Chemistry ChemiQ 2.0, которая обеспечивает основу для применения квантовых вычислений в области химии и обеспечивает инновационные применения квантовых вычислений в новой медицине, новых материалах, новой энергетике и других областях. .

В области искусственного интеллекта, поскольку кубиты могут находиться в нескольких состояниях, квантовые нейронные сети можно использовать для обработки крупномасштабных наборов данных и сложных моделей. Это поможет улучшить производительность систем искусственного интеллекта и продвинуть вперед технологию искусственного интеллекта.

Сочетание квантовых вычислений и машинного обучения, использующее возможности квантовых компьютеров обрабатывать большие объемы данных, помогает машинному обучению преодолеть узкое место, связанное со слишком большим количеством параметров, что является важным недавним направлением исследований. IBM добавила в архитектуру Qiskit модуль машинного обучения, объединив преимущества квантовых вычислений и машинного обучения, а также используя преимущества квантовых компьютеров при обработке больших данных для определения будущих преимуществ моделей квантового машинного обучения.

4. Квантовая связь и безопасность

Будучи важной отраслью квантовых технологий, квантовая связь является крупным прорывом в технологии передачи информации. Это также первая квантовая технология, вышедшая на практическую стадию, и наиболее зрелая. Квантовая связь делает общение более безопасным, а квантовая связь, особенно квантовая безопасная связь, в основном нашла практическое применение. Основанная на технологии квантового распределения ключей, квантовая безопасная связь имеет множество инженерных приложений в Китае. Отрасль последующей переработки — это очень развитая отрасль информационной безопасности.

При поддержке национальной политики индустрия квантовой связи моей страны в последние годы быстро развивалась и стала мировым лидером. Благодаря постоянному участию многих выдающихся предприятий и научно-исследовательских институтов индустрия квантовой связи также стала центром внимания первичных и вторичных рынков.

4.1 Необходимость квантово-безопасной связи

Квантовые технологии считаются следующей вехой в развитии технологий. Квантовые вычисления приносят скачок в вычислительной мощности, делая решение сложных проблем максимально детским. Будь то разработка лекарств, моделирование климата или оптимизация больших систем, ожидается, что квантовые вычисления проявят свои таланты. Но этот обоюдоострый меч также представляет собой огромную угрозу: он может в одно мгновение сломать большинство современных технологий шифрования.

Традиционные системы криптографии с открытым ключом, такие как RSA, ECC (криптография на основе эллиптических кривых) и т. д., полагаются на вычислительную сложность факторизации целых чисел и задач дискретного логарифма. Время, необходимое для их взлома, чрезвычайно велико, и они очень безопасны в существующих условиях. технические условия.

Однако с развитием квантовых компьютеров было обнаружено, что квантовые алгоритмы, такие как алгоритм Шора, способны быстро решать эти проблемы. В качестве примера возьмем алгоритм RSA, самый популярный и широко используемый в настоящее время алгоритм шифрования. Наиболее распространенным сейчас является 2048-битное шифрование (чем больше длина ключа, тем больше время взлома), а алгоритм Шора теоретически может это сделать. взломать долгосрочное шифрование всего за 8 часов. До 2048-битного шифрования RSA, что ставит под угрозу безопасность традиционных систем шифрования с открытым ключом.

Опасения по поводу угрозы квантовых компьютеров для традиционной криптографии существуют уже некоторое время, но еще не стали реальностью. Вычислительная мощность квантового компьютера зависит от количества кубитов, которые он может обработать. Современные квантовые компьютеры имеют от сотен до тысяч шумовых кубитов, которые используются для создания небольшого количества стабильных и исправляющих ошибки кубитов. Угроза традиционному шифрованию требует тысяч стабильных кубитов, для чего могут потребоваться миллионы шумных кубитов. Поэтому, хотя возможности квантовых компьютеров быстро развиваются, они еще не достигли уровня, угрожающего классическому шифрованию, но некоторые эксперты отрасли говорят, что этот уровень может быть достигнут в течение следующих 5-10 лет или раньше.

Хотя угроза квантовых вычислений для традиционной криптографии все еще находится на теоретической стадии, одной из самых больших проблем в настоящее время является прямая безопасность конфиденциальной информации. Хотя технология квантовых вычислений еще не достигла настоящего прорыва, циркулирует много зашифрованной конфиденциальной информации. online, а это означает, что преступники могут украсть зашифрованные данные прямо сейчас и сохранить их, а затем расшифровать, когда технология квантовых вычислений станет более зрелой.

Чтобы справиться с этой проблемой, используются квантовое распределение ключей (QKD, Quantum Key Distribution), постквантовая криптография (PQC, Post-Quantum Cryptography), квантовый генератор случайных чисел (QRNG, Quantum Random Number Generator), квантовая телепортация (технологии безопасности квантовой связи). такие как QT (квантовая телепортация), среди которых QKD считается единственным теоретически безопасным методом связи, поскольку безопасность ключей QKD основана на законах квантовой физики, а не на вычислительной сложности математических задач. Строительство квантовой безопасной сети связи в моей стране на основе технологии QKD начало обретать форму, и коммерческие приложения продолжают развиваться, в то время как алгоритм PQC в настоящее время проходит демонстрацию стандартизации.

4.2 Основные технологии квантово-безопасной связи

Квантовые вычисления — это «копье», а квантовая безопасная связь — «щит». До официального наступления «второй революции квантовых технологий» развитие технологии квантовой безопасной связи предоставляет новые решения для информационной безопасности, особенно в областях с высокими требованиями безопасности, таких как правительственная связь, финансовые транзакции и безопасность национальной обороны. Ожидается, что благодаря постоянному развитию технологий и продвижению приложений квантовая безопасная связь позволит создать более безопасную и надежную сеть связи в будущем.

(1) Квантовый генератор случайных чисел (QRNG)

Генератор случайных чисел — это устройство или алгоритм, который может генерировать последовательность случайных чисел. Генераторы случайных чисел очень важны в криптографии и используются для генерации ключей шифрования, векторов инициализации (IV) и других параметров, которые необходимо хранить в секрете. Они обеспечивают безопасность и непредсказуемость процесса шифрования.

Генераторы случайных чисел делятся на генераторы истинных случайных чисел (TRNG, True Random Number Generator) и генераторы псевдослучайных чисел (PRNG, генератор псевдослучайных чисел) обычно относятся к генерации случайных чисел на основе физических процессов или природных явлений. такие как электроны, тепловой шум оборудования, радиоактивный распад, время прибытия фотонов и т. д. Поскольку они основаны на непредсказуемых физических процессах, их считают «действительно» случайными. PRNG использует детерминированный алгоритм, начиная с начального состояния (начального состояния) и генерируя случайную последовательность чисел в соответствии с правилами алгоритма.

Поскольку TRNG может генерировать ограниченное количество случайных чисел в секунду, TRNG обычно используется в качестве «начального числа» PRNG для генерации реальной и неповторимой последовательности случайных чисел. Хотя PRNG также называют генератором случайных чисел, на самом деле он очень предсказуем. Пока известен алгоритм и начальное состояние, поиск идеального TRNG всегда был важным направлением исследований.

Квантовый генератор случайных чисел (QRNG) — это идеальный TRNG, заимствующий квантовую случайную суперпозицию квантовой механики и использующий вероятностные характеристики квантового мира для создания действительно случайного ключа. Поскольку квантовый механизм QRNG полностью освоен и понят, квантовые компоненты, генерирующие случайные числа, стали использоваться в шифровании информации. В настоящее время основным направлением исследований и разработок QRNG является производство более экономичных, быстрых и меньших квантовых случайных чипов.

(2) Квантовое распределение ключей (QKD)

Квантовое распределение ключей (QKD) использует квантовые состояния для передачи информации и обмена ключами между взаимодействующими сторонами через определенный протокол. Эта технология применяет основные характеристики квантовой механики, чтобы гарантировать, что любая попытка украсть переданный ключ будет обнаружена законными пользователями. создать единственный на данный момент теоретически безусловно безопасный метод связи.

Ключом к распределению квантовых ключей (QKD) является использование материи с квантовым состоянием в качестве пароля, а квантовое состояние имеет следующие два ключевых свойства, обеспечивая тем самым безопасную передачу информации:

Во-первых, измерение квантового состояния изменит его состояние: согласно принципу неопределенности квантовой механики, измерение квантового состояния приведет к изменению его состояния. Если кто-то попытается украсть передаваемую информацию, необходимо измерить квантовое состояние, что окажет влияние на квантовую систему и будет замечено законными пользователями.

Во-вторых, неклонируемость квантовых состояний: согласно принципам квантовой механики невозможно идеально скопировать неизвестное квантовое состояние. Это означает, что полная информация о квантовом состоянии не может быть украдена в процессе передачи, что обеспечивает безопасность информации.

На этом этапе технология квантовой безопасной связи в основном использует сеть QKD для обеспечения безопасного распределения ключей, а затем объединяет ее с технологией симметричной криптографии для обеспечения безопасной передачи информации. Проще говоря, к обоим концам одномодового оптического волокна добавляется оборудование для отправки и получения оптического квантового состояния, которое может заменить функции обычно используемых оптических модулей, чтобы обеспечить безопасную связь на основе физического шифрования.

Технология QKD является ключевой технологией для реализации квантовой связи, но благодаря различным безопасным протоколам QKD квантовые сети с высокой скоростью и большим расстоянием передачи также являются неотъемлемой частью реализации квантовой связи. Хотя технология квантовой связи изначально стала практичной благодаря QKD и другим решениям, расстояние передачи и стоимость по-прежнему являются факторами, ограничивающими применение и промышленное развитие всей отрасли. Коммерческая оптоволоконная двухточечная QKD имеет ограниченное расстояние передачи, в то время как передача QKD со спутника на землю на большие расстояния требует дорогостоящих компонентов, таких как спутники. Целью будущего развития квантовой связи является создание глобальной сети квантовой связи, охватывающей весь мир, и соответствующие технологии все еще нуждаются в дальнейших прорывах.

(3) Квантовая телепортация (QT)

Квантовая телепортация (QT) — это метод передачи информации, основанный на принципах квантовой механики. Это позволяет точно передавать состояние квантовой системы (такой как кубит) из одного места (часто называемого «отправляющим концом») в другое место (часто называемое «принимающим концом») без физической среды передачи). Квантовая телепортация предполагает не мгновенное движение самой материи, а мгновенную передачу квантовой информации.

Реализация квантовой телепортации основана на следующих квантовомеханических принципах:

Квантовая запутанность. Между двумя или более квантовыми частицами существует особая связь. Даже если они находятся далеко друг от друга, изменение состояния одной частицы немедленно повлияет на состояние других запутанных с ней частиц.

Теорема о запрете клонирования квантовых состояний: невозможно сделать точную копию неизвестного квантового состояния.

Квантовые измерения. Измерения квантовых систем приводят к коллапсу состояния, и результаты измерений обычно случайны.

Основные этапы квантовой телепортации включают в себя:

а. Подготовьте пару запутанных частиц и отправьте одну на принимающую сторону, а другую на передающую сторону.

б. На передающей стороне выполнить конкретное совместное измерение передаваемого кубита и запутанных частиц на передающей стороне. Это измерение приводит к передаче информации кубита запутанной частице на принимающем конце, но процесс является случайным и разрушает исходное состояние кубита.

в. Отправьте результаты совместных измерений (классическую информацию) принимающей стороне по обычным каналам связи (например, по телефону или через Интернет).

г. На основе полученной классической информации принимающая сторона выполняет серию квантовых операций над запутанными частицами, которыми она обладает, чтобы восстановить исходное состояние кубита.

Благодаря этому процессу квантовая информация отправителя «невидимо передается» получателю. Важно отметить, что квантовая телепортация не позволяет осуществлять связь со скоростью, превышающей скорость света, поскольку восстановление исходного состояния опирается на информацию, передаваемую по классическим каналам связи, а эта скорость передачи ограничена скоростью света.

Квантовая телепортация в настоящее время в основном изучается в лабораторных условиях. Квантовая телепортация является ключевой технологией для реализации квантовой связи и квантовых сетей на большие расстояния и, как ожидается, сыграет важную роль в будущем квантовом Интернете.

(4) Постквантовая криптография (PQC)

Технология PQC относится к разработке и проектированию алгоритмов шифрования, которые могут противостоять атакам квантовых компьютеров. В настоящее время PQC и область квантовой криптографии разработали множество криптографических методов и алгоритмов для борьбы с угрозами квантовых вычислений. Основное внимание уделяется предотвращению использования целочисленной факторизации и проблем дискретного логарифма для шифрования данных. Конкретные методы включают криптографию на основе решетки, криптографию на основе хеш-функции, криптографию на основе кода и криптографию на основе нескольких переменных.

Среди них технология решетчатого шифрования в настоящее время считается наиболее известной и надежной. В самой влиятельной в мире работе по стандартизации PQC, проводимой Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), три из четырех стандартизированных алгоритмов, выбранных им в 2023 году, представляют собой технологии шифрования на основе решетки.

Хотя новая постквантовая криптография устойчива к квантовому алгоритму Шора, она не является надежной. С одной стороны, хотя в настоящее время эти проблемы постквантовой криптографии кажутся трудноразрешимыми, в будущем могут быть обнаружены новые методы решения этих проблем. С другой стороны, фактическая реализация алгоритмов постквантовой криптографии также может иметь недостатки или; проблемы при выборе параметров могут стать потенциальными уязвимостями безопасности.

Сообщается, что текущая безопасность алгоритма PQC расширилась от теоретических математических уязвимостей до уровней практического применения. Механизм инкапсуляции Kyber Key (KEM), один из стандартизированных алгоритмов, номинированных NIST, был раскрыт в ответ на побочные каналы в 2023 году. Уязвимости безопасности при атаках.

Появление реальных атак подчеркивает важность оперативной проверки и устранения потенциальных уязвимостей при развертывании алгоритма PQC, что побуждает к постоянному совершенствованию и развитию алгоритма PQC для повышения безопасности в реальных сценариях применения.

Криптографические технологии занимают очень важное место для национальной безопасности. Чтобы обеспечить безопасность цифрового мира, технология PQC должна постоянно развиваться и обновляться, чтобы в любое время адаптироваться к новым угрозам.

4.3 Квантовая сеть связи и квантовый Интернет

(1) Статус строительства сети безопасности квантовой связи в моей стране

Основное оборудование квантовой защищенной сети связи включает в себя продукты QKD, продукты обмена сетевыми каналами и ключами и т. д. Достижимые в настоящее время квантовые защищенные сети связи включают в себя локальные сети, городские сети и магистральные сети.

Локальная сеть реализует доступ к нескольким терминалам в единице или месте и не требует больших расстояний; городская сеть отвечает за соединение различных районов города, соединяя магистральную сеть восходящей линии связи и локальную сеть нисходящей линии связи; региональная сеть, а магистральная сеть обеспечивает межпровинциальную и трансграничную связь. В городских соединениях (включая методы реализации наземного оптоволокна и спутниковой наземной станции) в настоящее время преобладает наземное оптоволокно, для которого требуются большие расстояния.

В августе 2016 года моя страна успешно запустила первый в мире экспериментальный спутник квантовой науки «Мози», став первой страной в мире, достигшей квантовой связи между спутником и землей, и полностью подтвердила использование спутниковых платформ для достижения глобальной квантовой связи. осуществимость.

В 2018 году с одобрения Национальной комиссии по развитию и реформам компания Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., дочерняя компания Китайской академии наук, взяла на себя задачу создания первого этапа национальной глобальной квантовой безопасной связи. В 2022 году вся линия будет завершена и принята. Национальная квантовая магистральная сеть охватывает важные национальные стратегические районы, такие как Пекин-Тяньцзинь-Хэбэй, дельта реки Янцзы, район Большого залива Гуандун-Гонконг-Макао и экономический круг Чэнду-Чунцин. Общий пробег наземных магистральных линий превышает. 10 000 километров. Это первая и на данный момент единственная в мире крупномасштабная квантовая магистральная сеть.

В июне 2023 года на 5-м форуме высокого уровня по комплексному развитию дельты реки Янцзы были обнародованы результаты строительства региональной квантовой защищенной магистральной сети связи в дельте реки Янцзы, построенной и эксплуатируемой компанией Guoke Quantum. Общий пробег магистральной сети квантовой защищенной связи в районе дельты реки Янцзы составляет около 2860 километров, образуя кольцевую сеть с Хэфэем и Шанхаем в качестве основных узлов, связывающую Нанкин, Ханчжоу, Уси, Цзиньхуа, Уху и другие города.

Что касается городской сети, то в августе 2022 года в Хэфэе, провинция Аньхой, была открыта квантовая городская сеть Хэфэй, которая на тот момент была крупнейшей, наиболее широко охватываемой и наиболее широко используемой квантовой городской сетью в стране, включая 8 основных узлов сети и 159 узлов сети доступа, общая длина оптоволокна составляет 1147 километров.

В настоящее время двадцать или тридцать городов имеют свои собственные квантовые городские сети, и ожидается, что строительство магистральных линий квантовой магистральной сети ускорит строительство городских сетей в соответствующих поддерживающих городах. На примере Шанхая на Шанхайской конференции по инновациям в области промышленных технологий, состоявшейся 22 марта 2024 года, компания Shanghai Telecom заявила, что планирует построить квантовую защищенную городскую сеть связи в районе Шанхая. Ожидается, что первый этап строительства будет завершен. в 2024 году, став таким образом общенациональной. Первый эталонный пример практической сети квантовой связи.

Инвестиции в строительство квантовой магистральной сети и размер всего проекта довольно велики, но в настоящее время существует меньше приложений и групп клиентов квантовой сети, чем в традиционных проектах. Поэтому последующие квантовые приложения по-прежнему необходимо продвигать совместно различными отраслями, чтобы ускорить строительство всей квантовой сети.

В соответствии со стандартами «четырех новых» (новые треки, новые технологии, новые платформы и новые механизмы) Комиссия Госсовета по надзору и управлению государственным имуществом недавно отобрала и определила первую партию начинающих предприятий. ускорить разработку новых полей и новых путей, культивировать и развивать новые производительные силы и сосредоточиться на разработке новых областей, таких как искусственный интеллект, квантовая информация и биомедицина.

Ранее, в январе 2024 года, семь ведомств, включая Министерство промышленности и информационных технологий, Министерство науки и технологий, а также Комиссию по надзору и управлению государственным имуществом Государственного совета, совместно опубликовали «Заключения по внедрению продвижения будущих промышленных инноваций и Развитие» и предложил активно разворачивать новые направления для продвижения мобильной связи следующего поколения, промышленного применения спутникового Интернета, квантовой информации и других технологий.

Интенсивная публикация соответствующих политик отражает понимание моей страной важности технологии квантовой связи, обеспечивает мощную политическую поддержку развитию отрасли и, как ожидается, будет способствовать достижению китайской индустрией квантовой связи новых высот в будущем.

(2) Квантовый Интернет

Квантовый Интернет — это новая концепция сети связи, основанная на квантовых информационных технологиях. Она использует принципы квантовой механики для реализации генерации, хранения, передачи и обработки данных. В отличие от традиционного Интернета, основанного на принципах классической физики, суть квантового Интернета заключается в использовании характеристик кубитов и квантовой запутанности для обеспечения более безопасных и эффективных возможностей связи.

Помимо абсолютно безопасной передачи квантовой информации, квантовый Интернет также может использовать квантовые датчики и квантовые компьютеры для проведения прецизионных квантовых измерений, квантовых цифровых виз, распределенных квантовых вычислений и т. д.

У квантового Интернета есть три основных момента: во-первых, устройства, подключенные к сети, являются квантовыми устройствами; во-вторых, сеть передает квантовую информацию; в-третьих, метод сетевой передачи основан на квантовой механике.

Несмотря на то, что были построены некоторые спутники квантовой связи и наземные базовые станции, а также было успешно достигнуто межрегиональное распределение квантовых ключей, создание глобального квантового Интернета по-прежнему сталкивается с огромными техническими и инженерными проблемами, которые требуют решения проблем безопасности в реальных условиях. проблемы с передачей на большие расстояния.

В настоящее время безопасное расстояние двухточечной ККД с использованием оптического волокна достигает около 100 километров. При существующей технологии расстояние квантовой связи можно эффективно увеличить с помощью доверенных ретрансляторов.

В 2017 году квантовая защищенная магистральная линия связи моей страны «Магистральная линия Пекин-Шанхай» через 32 ретрансляционных узла соединила всю междугороднюю оптоволоконную квантовую сеть протяженностью около 2000 километров и успешно состыковалась с квантовым спутником «Моцзы», построив мир. первый квантовый интернет «звезда-земля».

В январе 2018 года Китай и Австрия впервые добились межконтинентального распределения квантовых ключей на расстоянии 7600 километров и использовали общий ключ для обеспечения зашифрованной передачи данных и видеосвязи, отметив, что «Мози» обладает способностью достигать межконтинентального квантового распределения. Распределение ключей. Возможность конфиденциального общения.

Изобретение Интернета привело человечество в информационную эпоху, и квантовый Интернет предоставит возможность изменить мир. Крупнейшие страны мира активно строят планы. В августе 2020 года Министерство энергетики США опубликовало отчет «Создание национальной квантовой сети для начала новой эры коммуникаций», в котором предлагается стратегический план создания национального квантового Интернета в течение 10 лет.

Вообще говоря, коммерческие квантовые компьютеры еще не получили широкого применения, и квантовый Интернет, соединяющий квантовые компьютеры, все еще остается концепцией будущего. Квантовая защищенная коммуникационная сеть QKD, которую в настоящее время продвигают различные страны, является прототипом квантового Интернета. Цель квантового Интернета — объединить квантовые вычисления, квантовые измерения и другую функциональную интеграцию.

4.4. Применение квантовой связи

По прогнозам ICV, мировой рынок квантовой связи составит примерно 2,3 миллиарда долларов США в 2021 году и, как ожидается, вырастет до 15,3 миллиарда долларов США к 2025 году и до 42,1 миллиарда долларов США к 2030 году, при этом среднегодовой темп роста составит примерно 34% с 2021 по 2030 год. .

Цепочка индустрии квантовой связи в основном разделена на исходные компоненты и основное оборудование, промежуточные сетевые линии передачи и системные платформы, а также нижестоящие рынки приложений безопасности. В настоящее время рынок квантовой связи все еще находится на стадии строительства инфраструктуры сети связи, а основное оборудование и решения по-прежнему являются ключом к производственной цепочке. По данным ICV, ожидается, что в 2025 году объем рынка основного оборудования и решений для разведки и переработки составит 80% и составит примерно 12,24 миллиарда долларов США.

Судя по нынешнему строительству инфраструктуры квантовой связи в моей стране, завершено строительство более 12 000 километров квантовых магистральных сетей. Согласно общему плану, в будущем может быть построено около 20 000 километров магистральной сети, включающей Пекин в Ланьчжоу, Чжанцзякоу, Сиань и другие места.

Поскольку инфраструктура сети квантовой связи в моей стране продолжает совершенствоваться, стоит ожидать и последующих коммерческих приложений. Данные консалтинга ICV показывают, что объем рынка приложений для квантовой связи в 2021 году составит примерно 230 миллионов долларов США. Ожидается, что объем рынка приложений для квантовой связи в 2025 году составит 3,06 миллиарда долларов США и достигнет 11,788 миллиардов долларов США в 2030 году. Среднегодовой темп роста с 2021 года. к 2030 году составит примерно 54,87%.

В настоящее время квантовая безопасная связь по-прежнему ограничена такими областями, как национальная оборона, финансы и государственные дела. В будущем индустрия квантовой связи расширит возможности последующих сценариев, и соответствующие компании активно изучают новые области коммерческого применения.

Среди них Guodun Quantum является совместным партнером по интеграции технологий квантовой безопасности с большими данными, облачными вычислениями, Интернетом вещей, искусственным интеллектом и т. д. для совместного продвижения промышленной экологии «Quantum+». Guodun Quantum и China Telecom совместно запустили такие продукты и услуги, как «Частная линия Quantum Security OTN» и «Интерком с квантовым шифрованием». Число пользователей компании Guodun Quantum и ее совместных предприятий сейчас превысило один миллион; Акционерная компания Zhejiang Guodun Electricity провела демонстрацию применения технологии «квант + 5G» в области электроэнергетики. В провинции Чжэцзян введена в эксплуатацию первая подстанция «квант + 5G» в Шаосине. Компания сотрудничает с такими компаниями, как DingTalk (Китай). совместно разработать серию безопасных офисных продуктов, таких как «Портал приложений квантовой безопасности».

По мере развития сетевой технологии квантового распределения ключей (QKD), а терминальное оборудование становится мобильным и миниатюрным, приложения квантовой безопасной связи будут распространяться на телекоммуникационные сети, корпоративные сети, персональные домашние сети и другие области.

5. Квантовое прецизионное измерение

Технология квантовых прецизионных измерений основана на квантовой механике в качестве базовой теории. Она использует такие технические принципы, как переход уровней энергии частиц, квантовая запутанность и квантовая когерентность, для подготовки, измерения и считывания квантовых состояний микроскопических частиц, таких как атомы и фотоны, и реализовать физические параметры, такие как высокоточные измерения физических параметров, таких как магнитное поле, частота, электрическое поле, время, длина и т. д.

5.1 Определение квантово-точного измерения

Важные технические средства прецизионного квантового измерения включают в себя: микроскопическое измерение уровня энергии частиц, измерение квантовой когерентной суперпозиции и измерение квантовой запутанности, которые также являются основными атрибутами квантовой механики.

(1) На основе микроскопического измерения уровня энергии частиц.

Согласно атомной теории Бора, атомы испускают электромагнитные волны, когда они переходят из «состояния с высокой энергией» в «состояние с низкой энергией». Эта характеристическая частота электромагнитной волны является прерывистой. Когда измеряемая физическая величина взаимодействует с квантовой системой, квантовая система претерпевает такие изменения, как переход уровня энергии, расщепление или вырождение уровня энергии. В это время квантовая система будет излучать или поглощать спектр и энергию излучения. или спектр поглощения связан с количеством измеряемой энергии, относящейся к физическим величинам. Технология, основанная на микроскопическом измерении уровня энергии частиц, предъявляет высокие требования к внешней среде (например, температуре, магнитному полю и т. д.) и опирается на технологию манипулирования квантовым состоянием. Например, в 1967 году период перехода уровней энергии электронов в атоме цезия в 9192631770 раз был определен как 1 с, что применяло технический принцип микроскопических энергетических уровней частиц.

(2) Измерение на основе квантовой когерентности

Технология измерения, основанная на квантовой когерентности, в основном использует флуктуационные характеристики квантовой системы. Измеряемая физическая величина оказывает различное влияние на два атомных пучка. Когда два атомных пучка интерферируют, измеряемая физическая величина отражается в разности фаз. атомных пучков. Атомные гироскопы, гравитационные градиентометры и т. д. используют технические принципы, основанные на квантовой когерентности. Технические средства, основанные на квантовой когерентности, применяются в таких областях, как обнаружение гравитации и инерциальная навигация. Следующей тенденцией развития является миниатюризация и разработка микросхем для повышения практичности системы.

(3) Измерение на основе квантовой запутанности

Технология измерения, основанная на квантовой запутанности, переводит n квантов в запутанное состояние. Влияние внешней среды на n квантов будет последовательно накладываться, в результате чего конечная точность измерения достигнет 1/n одного кванта. Эта точность выходит за пределы дробового шума классической механики и является наивысшей достижимой точностью в рамках теории квантовой механики - пределом Гейзенберга. В настоящее время к областям применения измерительной техники, основанной на квантовой запутанности, относятся квантовая связь, квантовая спутниковая навигация, квантовый радар и т. д.

Проще говоря, квантовое прецизионное измерение использует свойства квантовой суперпозиции и квантовой запутанности, чтобы преодолеть классические ограничения традиционных измерительных технологий и выйти за рамки базовых принципов и объединить различные изменения в окружающей среде, такие как температура, магнитное поле, давление, время, длина и т. д. вес и т. д. Различные основные физические величины и производные величины были доведены до квантовых пределов.

5.2 Состояние развития и трудности технологии квантово-точных измерений

Среди трех основных областей квантовой информации квантовые измерения характеризуются различными техническими направлениями, богатыми сценариями применения и четкими перспективами индустриализации. Уровень развития каждого технического направления квантовых измерений весьма различен. Существуют зрелые коммерческие продукты, такие как атомные часы и атомные гравиметры, а также прототипы продуктов, таких как квантовые магнитометры, оптические квантовые радары и квантовые гироскопы, которые находятся в стадии инженерных исследований и разработки. стадии разработки и применения, а также прототипы, такие как квантовая корреляционная визуализация и атомная антенна Ридберга, которые все еще находятся в процессе решения системных технологических проблем.

Прогресс технологии квантовых прецизионных измерений требует перекрестного синтеза и инноваций в квантовой физике, материаловедении, оптике, электронике и других областях. Он сталкивается со многими техническими трудностями, в том числе:

(1) Генерация и поддержание квантовой запутанности. Квантовая запутанность является ключевым ресурсом в квантовых прецизионных измерениях, но в экспериментах сложно генерировать высококачественные запутанные состояния, а запутанные состояния легко распутываются из-за помех со стороны внешней среды ( то есть декогеренция).

(2) Декогеренция и контроль шума. Квантовые системы очень хрупкие и легко подвержены влиянию внешней среды, что приводит к декогеренции квантовых состояний. В то же время различные источники шума, такие как тепловой шум, электромагнитный шум и т. д., также будут влиять на результаты измерений. Следовательно, достижение высокоточных измерений требует превосходного контроля шума и декогеренции.

(3) Эффективность и разрешение детектора. Для прецизионных квантовых измерений часто требуются высокоэффективные детекторы с высоким разрешением для обнаружения квантовых состояний. Современные детекторы все еще нуждаются в улучшении, особенно с точки зрения эффективности обнаружения и временного разрешения.

(4) Калибровка системы и анализ ошибок. Чтобы обеспечить точность измерений, система квантовых измерений должна быть точно откалибрована. Кроме того, анализ ошибок результатов измерений также очень сложен, и необходимо учитывать множество факторов, таких как систематические и статистические ошибки.

(5) Управление квантовыми состояниями. Прецизионные квантовые измерения часто требуют точного контроля квантовых состояний, включая подготовку конкретных квантовых состояний и достижение точного преобразования квантовых состояний. Эти операции требуют чрезвычайно высоких экспериментальных навыков.

(6) Разработка материалов и устройств. Создание материалов и устройств для прецизионных квантовых измерений, таких как квантовые точки, сверхпроводящие квантовые интерферометры и т. д., должно не только отвечать потребностям квантовых измерений, но также обладать стабильностью и повторяемостью. вызов как в материаловедении, так и в приборостроении.

(7) Масштабируемость крупномасштабных квантовых систем. Хотя нам удалось добиться относительно точного управления мелкомасштабными квантовыми системами, вопрос о том, как распространить эти технологии на крупномасштабные системы, чтобы получить более точные результаты измерений, все еще остается вопросом. проблема.

Благодаря постоянному развитию квантовых технологий эти трудности будут постепенно преодолеваться, что будет способствовать расширению квантовых прецизионных измерений в области практического применения. Международная метрологическая система находится в периоде развития и трансформации от физических стандартов, основанных на классической физике, к «квантовым стандартам».

В «Плане развития измерений (2021-2035 гг.)», опубликованном Госсоветом в 2021 году, и «14-м пятилетнем плане модернизации надзора за рынком», выпущенном Госсоветом в 2022 году, четко упоминается необходимость создания национальной современной передовой системы измерения. Основой системы является квантовая метрология, поэтому необходимо разработать и установить стандарты квантовых измерений, изучить технологию квантовых измерений, основанную на квантовых эффектах и ​​физических константах, и способствовать совершенствованию стандартов измерений.

5.3 Применение квантово-точных измерений

Согласно данным ICV, ожидается, что мировой рынок плотности квантовой точности вырастет с 1,47 млрд долларов США в 2023 году до 3,90 млрд долларов США в 2035 году, демонстрируя непрерывную тенденцию к росту, при совокупном годовом темпе роста 7,79%. Среди них три основных сегмента рынка: квантовые часы, квантовые гравиметры и градиентометры, а также квантовые магнитометры имеют большие размеры рынка и вместе составляют примерно 85% рынка прецизионных квантовых измерений.

(1) Квантовые часы

Являясь относительно зрелым продуктом квантово-точных измерений, атомные часы обладают высокоточными и стабильными возможностями измерения времени. В настоящее время технология оптических атомных часов быстро расширяет области применения, охватывая различные отрасли, такие как железнодорожная мобильная связь, центры обработки данных, национальная оборона и научные измерения. Эта тенденция показывает, что оптические атомные часы не только хорошо работают в научных лабораториях, но и постепенно переходят в практическое применение, обеспечивая услуги точного измерения времени и синхронизации для различных отраслей.

Квантовые часы могут сыграть важную роль во многих областях благодаря своей чрезвычайно высокой стабильности и точности. Ниже приведены некоторые основные сценарии применения:

Система глобального позиционирования (GPS) и спутниковая навигация. Квантовые часы можно использовать для повышения точности GPS и других спутниковых навигационных систем. Поскольку эти системы полагаются на точные измерения времени для расчета информации о местоположении, квантовые часы могут значительно улучшить их производительность и надежность.

Научные исследования: Физические эксперименты, особенно те, которые связаны с измерением чрезвычайно малых различий во времени, могут выиграть от высокой точности и стабильности квантовых часов. Сюда входят измерения фундаментальных физических констант, точные квантовые эксперименты, астрофизические наблюдения и исследование фундаментальных законов Вселенной.

Сети связи. Квантовые часы могут повысить точность сетевой синхронизации, что имеет решающее значение для поддержания надежности высокоскоростных систем передачи данных и связи. Поскольку центры обработки данных и сетевая инфраструктура продолжают расширяться, потребность в синхронизации времени продолжает расти.

Финансовые транзакции. В финансовой отрасли транзакции требуют точных временных меток. Точность квантовых часов можно использовать для повышения прозрачности и справедливости торговых систем, особенно в высокочастотной торговле.

Вооруженные силы и оборона. Точное измерение времени имеет решающее значение для современных систем военной связи, навигации, сбора разведывательной информации и вооружения. Квантовые часы могут улучшить производительность и точность этих систем.

Квантовые вычисления и квантовая информация. Квантовые часы также могут сыграть важную роль в области квантовых компьютеров и квантовых коммуникаций, которые полагаются на точный контроль и измерение состояния квантовых битов (кубитов).

Геофизика и мониторинг климата. Ожидается, что квантовые часы будут использоваться для более точного мониторинга вращения Земли, движений земной коры и изменений уровня моря. Эти данные имеют решающее значение для понимания и прогнозирования изменения климата и стихийных бедствий.

Исследование дальнего космоса. В ходе миссий в дальний космос квантовые часы могут обеспечить более точную навигацию и контроль, помогая космическим кораблям преодолевать большие расстояния во Вселенной.

Согласно данным ICV, рынок квантовых часов будет демонстрировать устойчивую тенденцию роста с 2023 по 2035 год, при этом размер рынка увеличится с 580 миллионов долларов США в 2023 году до 1,21 миллиарда долларов США, а совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 5,77%.

(2) Квантовый гравиметр

Квантовый гравиметр — это высокоточный прибор, использующий принципы квантовой механики для измерения гравитационного поля Земли. Эти устройства обычно используют ультрахолодные облака атомов для обнаружения крошечных изменений в гравитационном поле путем точных измерений свободного падения атомов. Квантовые гравиметры работают на основе квантовой интерференции — явления квантовой физики, при котором волновые функции (или состояния) атомов расщепляются, передаются и рекомбинируются для создания измеримых интерференционных картин.

Поскольку спрос на точные измерения гравитационных полей и гравитационных градиентов в научных исследованиях и инженерных приложениях продолжает расти, квантовые гравиметры и градиентометры квантовой гравитации широко используются в этой области благодаря их преимуществам, заключающимся в высокой надежности динамической сцены и отсутствии дрейфа:

Геофизические исследования: обнаружение движения земной коры, мониторинг землетрясений, исследование вулканической активности, измерение уровня грунтовых вод и т. д.

Разведка полезных ископаемых и нефти: определите распределение плотности подземных пород, чтобы помочь обнаружить минеральные ресурсы и нефтяные месторождения.

Проектирование и строительство. В строительных проектах отслеживаются изменения силы тяжести для оценки устойчивости фундаментов.

Оборона и национальная безопасность. Возможности высокоточных измерений квантовых гравиметров имеют потенциальное применение в оборонном секторе, например, для подводной навигации и обнаружения подземных сооружений.

Навигационная система: предоставляет точную инерциальную навигационную информацию для подводных лодок или других транспортных средств, которым требуются точные наземные данные.

В настоящее время квантовые гравиметры и градиентометры используются в основном в военной области. По данным ICV, в 2023 году на военный и оборонный сектор приходилось 44% доли рынка, за ним следовала область исследований с долей 33%, а на гражданский рынок, связанный с разведкой нефти и газа, приходилось 23%.

Поскольку технология продолжает развиваться, а рынок последующих приложений продолжает расширяться, цена и производительность продукта будут играть ключевую роль. Гражданский рынок приведет к сильному росту рынков квантовых гравиметров и квантовых гравитационных градиентометров. Размер рынка будет быстро расти со 170 миллионов долларов США в 2023 году до 1,07 миллиарда долларов США в 2035 году, при этом совокупный годовой темп роста составит 15,21%, что демонстрирует огромный потенциал этой области.

(3) Квантовый магнитометр

Квантовый магнитометр — это прибор, который использует квантовые эффекты для измерения силы магнитных полей. Они, как правило, более чувствительны, чем традиционные магнитометры, и могут обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля. Основной принцип работы квантовых магнитометров заключается в том, что когда на квантовое состояние определенных веществ (обычно атомов или электронов) влияет внешнее магнитное поле, их энергетические уровни изменяются. Точно измеряя эти изменения энергетических уровней, можно определить силу магнитного поля.

На современном рынке квантовых магнитометров примечательной особенностью является технологическое разнообразие. Различные технологии, в том числе протонные магнитометры, магнитометры SQUID, магнитометры OPM, магнитометры SERF, магнитометры центров окраски NV и т. д., имеют уникальные преимущества в различных сценариях применения. Это позволяет рынку представить разнообразный и широкий выбор технологий.

Квантовые магнитометры обладают высокой чувствительностью и точностью и имеют широкий спектр сценариев применения во многих областях. Ниже приведены некоторые основные сценарии применения:

Геофизические исследования. Квантовые магнитометры можно использовать для обнаружения в земле магнитных минералов, таких как железная руда, что помогает геологам определять минеральные ресурсы. Кроме того, их можно использовать для мониторинга изменений геомагнитного поля для прогнозирования землетрясений и других геологических событий.

Медицинская визуализация. При магнитно-резонансной томографии (МРТ) квантовые магнитометры могут помочь улучшить разрешение и качество изображений. Кроме того, их можно использовать в магнитопорошковой визуализации (MPI), новой технологии визуализации, которая в будущем обещает стать безрадиационным методом медицинской визуализации.

Биологические исследования. Квантовые магнитометры можно использовать для измерения слабых магнитных полей в живых организмах, например, для мониторинга изменений магнитного поля в сердце, изучения заболеваний сердца или для отслеживания сигналов в нервной системе.

Военные силы и безопасность. В военной сфере квантовые магнитометры можно использовать для обнаружения подводных лодок, мин и других скрытых металлических объектов. Кроме того, их можно использовать для предотвращения прослушивания и мониторинга шпионских устройств.

Космос и астрофизика. Квантовые магнитометры могут обнаруживать слабые магнитные поля в космосе, помогая изучать такие явления, как солнечный ветер, планетарные магнитные поля и межзвездные магнитные поля.

Фундаментальные физические исследования. В экспериментальной физике квантовые магнитометры могут использоваться для обнаружения чрезвычайно слабых магнитных полей, что имеет решающее значение для исследований в таких областях, как физика элементарных частиц, квантовая физика и физика конденсированного состояния.

Промышленное применение: Квантовые магнитометры можно использовать для неразрушающего контроля, например, для обнаружения крошечных трещин и коррозии в трубопроводах, самолетах и ​​мостах, чтобы обеспечить безопасность этих конструкций.

Квантовые магнитометры все чаще используются в научных исследованиях, особенно в физике, науках о Земле и биомедицине. В то же время в промышленной сфере квантовые магнитометры широко используются при испытаниях магнитных материалов, производстве электроники и т. д. Расширение этих приложений способствует дальнейшему росту размера рынка.

Согласно данным ICV, рынок квантовых магнитометров будет демонстрировать устойчивый рост с 2023 по 2035 год, увеличившись с 480 миллионов долларов США в 2023 году до 1,00 миллиарда долларов США в 2035 году. Эта тенденция роста в основном обусловлена ​​научными исследованиями, промышленностью и другими областями. постоянный спрос на высокоточные магнитные измерения в полевых условиях.

6. Обзор инвестиций в квантовые технологии

6.1 Карта компании квантовых технологий

(1) Крупнейшие компании в области квантовых вычислений

(2) Крупнейшие компании в сфере квантовых коммуникаций

(3) Крупнейшие компании в области квантовых измерений

6.2 Оценка крупнейших отечественных компаний, занимающихся квантовыми технологиями

Ссылки на этот отчет

[1] Чжан Цинжуй, «Квантовые мегатенденции».

[2] iCV&Photon Box, «Перспективы развития мировой индустрии квантовых вычислений на 2024 год»

[3] iCV&Photon Box, «Глобальный прогноз развития индустрии квантовых коммуникаций и безопасности на 2024 год»

[4] iCV&Photon Box, «Глобальный прогноз развития отрасли прецизионных квантовых измерений на 2024 год»

[5] Soochow Securities, «Квантовая информация: следующая информационная революция».

данные показывают

Данные｜Кейс｜Источник мнений

Если не указано иное, данные и содержание отчета взяты из исследований, интервью и публичной информации China Business Network.

Уведомление об авторских правах

Авторские права на все содержимое и дизайн страниц настоящего отчета (включая, помимо прочего, текст, изображения, диаграммы, логотипы, логотипы, товарные знаки, торговые наименования и т. д.) принадлежат Shanghai First Financial Media Co., Ltd. (далее именуемой как «наша компания»). Без письменного разрешения нашей компании ни одно подразделение или физическое лицо не может копировать, воспроизводить, изменять или отображать любую часть или все содержание настоящего отчета и не может быть предоставлено третьим лицам в любой форме; Любое подразделение или физическое лицо, нарушающее вышеупомянутые положения, считается нарушившим наши права интеллектуальной собственности. Наша компания будет нести юридическую ответственность и привлекать нарушителя к ответственности за компенсацию в зависимости от реальной ситуации.

отказалсяЗаявление об ответственности

Содержание, информация и соответствующие источники данных, содержащиеся в этом отчете, считаются решением автора на день первоначальной публикации, и нет никакой гарантии, что содержание и мнения в этом отчете не изменятся в будущем. Мы стремимся к точности и полноте информации, содержащейся в данном отчете, но не гарантируем ее. Мнения и информация, выраженные в отчете, ни при каких обстоятельствах не являются инвестиционными рекомендациями для кого-либо. При любых обстоятельствах любое лицо несет единоличную ответственность за последствия, возникшие в результате использования содержания настоящего отчета.

Производство: China Business News丨China Business News Инвестиционно-исследовательский центр

Главный редактор: Цянь Кун

Главный сценарист: Ван Юаньли

Монтажер: Хуан Юй

Одобрение: Цянь Кунь и Хуан Юй

Видение: Фу Леле

Координатор: Чжу Гоцюань и Чжоу Цзинь

Контактное лицо: Ван Юаньливанъюаньли@yicai.com