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Tabla de contenido

1. Definición y características de lo cuántico

1.1 Superposición cuántica

1.2 Entrelazamiento cuántico

1.3 Decoherencia cuántica

2. Se acerca la era de la supremacía cuántica

2.1 La segunda revolución de la tecnología cuántica

2.2 Competencia global de tecnología cuántica

3. Computación cuántica

3.1 Definición y ventajas de la computación cuántica

3.2 Principales caminos técnicos de la computación cuántica

3.3 Estado de desarrollo y dificultades técnicas de las computadoras cuánticas

3.4 Aplicaciones de las computadoras cuánticas

4. Comunicación y seguridad cuánticas

4.1 La necesidad de una comunicación cuántica segura

4.2 Estado de desarrollo y dificultades de las principales tecnologías de comunicación segura cuántica

4.3 Red de comunicación cuántica e Internet cuántica

4.4 Aplicaciones de la comunicación cuántica

5. Medición de precisión cuántica

5.1 Definición de medición de precisión cuántica

5.2 Estado de desarrollo y dificultades de la tecnología de medición de precisión cuántica

Aplicaciones de la medición de precisión cuántica

6. Panorama de inversión en tecnología cuántica

6.1 Mapa de la empresa de computación cuántica, comunicación cuántica y medición cuántica

6.2 Evaluación de las principales empresas chinas de tecnología cuántica

1. Definición y características de lo cuántico

El cuanto es la unidad básica de la física que describe las partículas en el mundo microscópico. Es una unidad discreta de energía y momento. El cuántico no es un "sub" como un electrón. En el mundo clásico, varios fenómenos físicos cambian continuamente, como la temperatura. En el mundo microscópico, el estado de la energía es discontinuo y está compuesto de cantidades físicas de energía. ya que el impulso se puede dividir infinitamente en unidades infinitamente pequeñas, y hay una unidad básica más pequeña, que es el cuanto. Esta divisibilidad infinita en el mundo microscópico se llama cuantificación.

Lo cuántico tiene propiedades como la superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico y la medición cuántica. Estas propiedades no solo son importantes en física, sino que también desempeñan un papel clave en campos emergentes de tecnología cuántica, como la computación cuántica, la comunicación cuántica y la medición cuántica. Estas peculiares propiedades de la mecánica cuántica nos brindan una nueva perspectiva para comprender y explotar las leyes básicas de la naturaleza.

1.1 Superposición cuántica

La superposición cuántica es un concepto importante en la mecánica cuántica, que se refiere a un sistema cuántico que puede estar en un estado de superposición entre múltiples estados posibles al mismo tiempo. En la física clásica, un objeto sólo puede estar en un estado definido, mientras que en la mecánica cuántica, un sistema cuántico puede estar en una combinación lineal de múltiples estados posibles. Esto significa que en algunos casos un sistema cuántico puede estar en múltiples estados a la vez, sólo para colapsar en uno de sus estados definidos cuando se mide.

La superposición cuántica es la base de la computación cuántica y de la información cuántica. Mediante el uso de la superposición cuántica, se puede lograr la computación cuántica paralela y se puede mejorar la eficiencia de la computación.

1.2 Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno interconectado especial en la mecánica cuántica. Significa que cuando dos o más sistemas cuánticos interactúan, sus estados se vuelven estrechamente relacionados, sin importar cuán separados estén, el estado de un sistema afecta inmediatamente al estado de otro sistema. Esta asociación se llama entrelazamiento.

El estado de correlación de dos partículas en un estado entrelazado no se puede establecer antes de medirlas. Sin embargo, no importa qué tan separadas estén las dos partículas, siempre que no se destruya el estado entrelazado, una vez que se mide una de las partículas, el estado de. la otra partícula será determinada también en consecuencia. El entrelazamiento cuántico no sólo proporciona el método de procesamiento paralelo más eficaz para operaciones cuánticas, sino que también es una herramienta esencial para realizar la comunicación cuántica. Al ser muy sensible a los cambios ambientales, el entrelazamiento cuántico también se puede utilizar para crear sensores cuánticos muy precisos y sensibles.

1.3 Decoherencia cuántica

La decoherencia cuántica significa que en un sistema cuántico, los estados que originalmente tenían coherencia (es decir, las propiedades de interferencia y superposición de los estados cuánticos) pierden esta propiedad de coherencia después de un determinado proceso o interacción. La decoherencia cuántica suele hacer que los estados cuánticos se vuelvan más clásicos, es decir, más cercanos a los estados de la física clásica.

La decoherencia cuántica puede ocurrir bajo diferentes circunstancias, como medición cuántica, decoherencia cuántica, interferencia ambiental, etc. Entre ellos, la interferencia ambiental es la causa más común de decoherencia cuántica. Cuando un sistema cuántico interactúa con su entorno, la incertidumbre ambiental y el ruido harán que el efecto de interferencia del estado cuántico desaparezca gradualmente y el sistema pierda coherencia gradualmente.

La decoherencia cuántica es una cuestión importante que afecta a la computación cuántica y al procesamiento de información cuántica, porque la coherencia es un recurso clave en la computación cuántica. Por tanto, estudiar cómo ampliar el tiempo de coherencia de los estados cuánticos y reducir el impacto de la decoherencia cuántica es uno de los focos actuales de investigación en el campo de la información cuántica.

2. Se acerca la era de la supremacía cuántica

2.1 La segunda revolución de la tecnología cuántica

La primera propuesta del concepto cuántico se remonta a 1900, por parte del físico alemán Max Planck. Planck propuso el concepto de cuantificación de energía, que es la base de la teoría cuántica, iniciando así la revolución de la física cuántica a principios del siglo XX. En 1905, Albert Einstein desarrolló aún más el concepto cuántico y propuso el concepto de cuantos de luz (fotones) para explicar el efecto fotoeléctrico.

La “primera revolución de la tecnología cuántica” comenzó a principios del siglo XX, con Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul ·Los físicos representados por Dirac y otros establecieron el marco teórico de la mecánica cuántica, describieron las características básicas de la mecánica cuántica, realizó la combinación de la mecánica cuántica con las matemáticas, la química y la biología, y dio origen a muchos inventos importantes: la bomba atómica, los láseres, los transistores, la resonancia magnética nuclear, las computadoras, etc.

En 2014, Nature, la revista científica más importante del mundo, propuso que la "segunda revolución de la tecnología cuántica" había comenzado.

La "primera revolución tecnológica cuántica" llevó a la humanidad de la era industrial a la era de la información, y la "segunda revolución tecnológica cuántica" en curso significa que la humanidad superará los límites físicos de la tecnología clásica y entrará en la era cuántica, lo que marcará la comprensión de la humanidad sobre el mundo cuántico La exploración de las computadoras cuánticas ha pasado de una simple "era de detección" a una "era de regulación" activa, presagiando importantes avances en los campos de la computación cuántica, las comunicaciones cuánticas y la medición de precisión cuántica.

La “segunda revolución tecnológica cuántica” utiliza el entrelazamiento cuántico, la superposición cuántica, la medición cuántica, etc. para llevar a cabo aplicaciones innovadoras y se espera que desencadene cambios en muchos campos:

Computación cuántica: El desarrollo de las computadoras cuánticas experimentará una transición de computadoras cuánticas especializadas a computadoras cuánticas universales, logrando en última instancia una computadora cuántica universal programable que pueda resolver problemas específicos que las computadoras clásicas no pueden manejar.

Comunicación cuántica: Tiene un método de comunicación anti-espionaje y establece una red de comunicación segura con no clonación cuántica y otras características. Las principales tecnologías incluyen la distribución de claves cuánticas (QKD), la teletransportación cuántica (QT), etc. El desarrollo de la tecnología de comunicación cuántica también promoverá aún más la construcción de Internet cuántica.

Medición de precisión cuántica: la tecnología de medición de precisión cuántica brinda herramientas de medición de mayor precisión a la investigación científica y la industria. Dado que los estados cuánticos son extremadamente sensibles a los cambios en el entorno externo, la sensibilidad y la resolución de la medición de precisión cuántica excederán significativamente los límites clásicos y promoverán la precisión. Se mejoró el desarrollo de habilidades relacionadas.

La “segunda revolución de la tecnología cuántica” está cambiando nuestra comprensión del mundo cuántico y promoviendo la aplicación de la tecnología cuántica en múltiples campos. A medida que la tecnología continúa avanzando, se espera que la tecnología cuántica revolucione la forma en que vivimos y trabajamos en las próximas décadas.

2.2 Competencia global de tecnología cuántica

"La revolución de la tecnología cuántica ha dado a China la oportunidad de 'cambiar de carril y adelantar'", afirmó en su libro Zhang Qingrui, ex presidente en funciones de la Universidad Nacional de Taiwán, profesor titular de la Universidad Chung Yuan y consultor del Instituto de Investigación Cuántica Foxconn. Megatendencias cuánticas".

En la era de la tecnología de la información, la mejora de la potencia informática de las computadoras clásicas sigue la Ley de Moore. La Ley de Moore establece que el número de transistores que se pueden acomodar en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años. Sin embargo, el control preciso de los procesos nanométricos se ha convertido en una tecnología clave en la era de la tecnología de la información. , el tamaño físico de los transistores sigue reduciéndose. Cada vez es más difícil.

En la "segunda revolución tecnológica cuántica", se utilizan propiedades como la superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico y la medición cuántica para crear nuevos componentes cuánticos. No se basa únicamente en la tecnología de contracción de la Ley de Moore, siempre que las características de los objetos puedan ser. Si se domina la tecnología submicrónica, se pueden fabricar componentes cuánticos con propiedades de entrelazamiento cuántico. El rendimiento de los componentes cuánticos con propiedades de entrelazamiento es muy superior al de los componentes electrónicos clásicos. La "segunda revolución de la tecnología cuántica" generará industrias innovadoras más disruptivas.

El profesor Pan Jianwei de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, conocido como el "padre de la tecnología cuántica" en China, dijo una vez que en términos de ciencia de la información moderna, China siempre ha desempeñado el papel de aprendiz y seguidor en la era actual. de la tecnología cuántica, si hacemos nuestro mejor esfuerzo, podemos convertirnos en la fuerza principal entre ellos.

En la actualidad, los logros de China en el campo de la comunicación cuántica han liderado el mundo: en 2016, se lanzó con éxito el primer satélite experimental de ciencia cuántica del mundo, "Mozi", en 2017, la línea de comunicación cuántica de larga distancia Beijing-Shanghai de 2.000 kilómetros; en 2018, "Mozi" "Zihao" realizó una distribución de claves cuánticas satélite-tierra a lo largo de 7.600 kilómetros con las estaciones terrestres Xinglong de China y Graz de Austria respectivamente; en 2022, el equipo del profesor Long Guilu de la Universidad de Tsinghua diseñó un híbrido de estado cuántico de fase y marca de tiempo; Estado cuántico El nuevo sistema codificado de comunicación cuántica directa alcanzó 100 kilómetros de comunicación cuántica directa y batió el récord mundial de "comunicación cuántica directa".

En el campo de la computación cuántica, en diciembre de 2020, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China anunció la construcción exitosa del prototipo de 76 fotones "Jiuzhang", convirtiéndose en el segundo país en alcanzar la supremacía cuántica (Quantum Supremacy) (Nota de junio); En 2021, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China lanzó la computadora superconductora programable de 56 qubits "Zuchongzhi", acortando a 1,2 horas la tarea que la supercomputadora tardó 8 años en completar. China es el único país que tiene dos caminos tecnológicos: superconductor y. cuántico óptico. Países que han alcanzado la superioridad cuántica.

Según datos del Instituto de Investigación Industrial Qianzhan, en términos de inversión total, la inversión global en información cuántica alcanzará los 38.600 millones de dólares en 2023, de los cuales la inversión total de China alcanzará los 15.000 millones de dólares, ocupando el primer lugar en el mundo.

En la actualidad, China y Estados Unidos lideran la competencia en tecnología cuántica, y Europa y otras potencias tecnológicas tradicionales también se están poniendo al día activamente. Aunque actualmente hay líderes en tecnología cuántica, todos los participantes no están lejos de la línea de partida. "cambiar de carril y adelantar" es mucho más difícil que Hay más oportunidades en otras áreas de la tecnología.

En 2021, el esquema del "14º Plan Quinquenal" de mi país propone acelerar el despliegue de tecnologías avanzadas como la computación cuántica y las comunicaciones cuánticas, con el objetivo de completar la construcción de la infraestructura nacional de comunicaciones cuánticas y desarrollar computadoras cuánticas universales para 2030.

(Nota: La supremacía cuántica, también conocida como supremacía cuántica, se refiere a la capacidad de una computadora cuántica para superar a la computadora convencional más poderosa al realizar tareas específicas. Este concepto fue desarrollado por el físico John Price. Propuesto por John Preskill en 2012 para describir la importante ventajas de los ordenadores cuánticos sobre los clásicos a la hora de resolver determinados problemas).

3. Computación cuántica

Como tecnología de vanguardia, la computación cuántica ha atraído gran atención por parte de investigadores científicos y capital a nivel mundial en los últimos años. Utiliza los principios de la mecánica cuántica para romper con el método de cálculo binario de las computadoras tradicionales, mostrando el potencial de superar con creces a las computadoras clásicas en ciertos problemas específicos. Con la continua profundización de la teoría de la física cuántica y la creciente madurez de la tecnología cuántica, la computación cuántica ha pasado gradualmente de la teoría a la práctica y se considera una importante dirección de desarrollo de la tecnología informática del futuro.

3.1 Definición y ventajas de la computación cuántica

La computación cuántica es una tecnología que utiliza bits cuánticos como unidad básica de información para realizar cálculos basados ​​en los principios de la mecánica cuántica. El superparalelismo de las computadoras cuánticas proviene del estado de superposición de los qubits. En comparación con el mismo número de bits clásicos, la diferencia en la potencia de cálculo entre múltiples qubits es exponencial.

Las computadoras tradicionales usan bits binarios (bits), cada bit es 0 o 1, mientras que el bit cuántico (qubit) de una computadora cuántica puede estar en un estado de superposición de 0 y 1 al mismo tiempo. A medida que aumenta el número de qubits, N qubits pueden tener valores al mismo tiempo, lo que equivale a realizar una operación al mismo tiempo.

Los ordenadores cuánticos manipulan estos estados de superposición y las interacciones entre qubits mediante algoritmos cuánticos, y pueden procesar un gran número de posibles rutas de cálculo al mismo tiempo, lo que hace que los ordenadores cuánticos sean más eficientes que los tradicionales a la hora de resolver cierto tipo de problemas, como la descomposición de números enteros y Los algoritmos de búsqueda son mucho más rápidos.

3.2 Principales caminos técnicos de la computación cuántica

Nuestro país concede gran importancia a la investigación de la ciencia cuántica y ha introducido sucesivamente una serie de políticas y planes para apoyar la investigación y aplicación de la tecnología cuántica. En el campo de la computación cuántica, las instituciones y empresas de investigación científica chinas han logrado una serie de resultados influyentes a nivel internacional en rutas técnicas clave, como la computación cuántica superconductora y la computación cuántica óptica, y se encuentran en una posición de liderazgo en la competencia mundial de la computación cuántica.

En la actualidad, la computación cuántica se encuentra en la etapa inicial de exploración y las direcciones de desarrollo de los qubits son muy diversas. Las soluciones principales incluyen superconductores, trampas de iones, cuánticos ópticos, átomos ultrafríos, puntos cuánticos basados ​​en silicio y cuánticos topológicos, etc. se basan básicamente en las ventajas de la computación cuántica ——Computación cuántica especializada—Desarrollo de la hoja de ruta de la computación cuántica universal.

Según el informe "Global Quantum Computing Industry Development Outlook 2024" publicado por ICV, una organización de consultoría tecnológica de vanguardia, China y Estados Unidos dominan la distribución de las principales empresas de computación cuántica en el mundo, con 20 empresas en Estados Unidos y 18 empresas en China, que representan el 28%, 25% respectivamente. Desde la perspectiva de la distribución técnica de rutas, los superconductores, las trampas de iones y las rutas cuánticas ópticas reciben la mayor atención. Entre las 71 principales empresas de computación cuántica del mundo en 2023, 19 están en el camino de la computación cuántica superconductora, lo que representa el 27%, incluidas 8 en los Estados Unidos y 5 en China, seguidas por la computación cuántica óptica, con un total de 13 empresas; , que representan el 18%, de las cuales las empresas chinas tienen el mayor número, llegando a 4, 10 empresas están en el camino de la computación cuántica con trampa de iones, lo que representa el 14%, y las empresas chinas representan 4;

(1) Ruta de la computación cuántica superconductora

La computación cuántica superconductora es una de las tecnologías de computación cuántica más maduras en la actualidad. Se basa en circuitos cuánticos superconductores y procesa información manipulando qubits superconductores. Los circuitos cuánticos superconductores son altamente compatibles con los sistemas de circuitos integrados existentes en términos de diseño, preparación y medición, y pueden utilizar componentes electrónicos tradicionales como sistemas de control. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum, etc. están realizando investigaciones y desarrollo en el camino de la computación cuántica superconductora.

Las ventajas de los qubits superconductores son su alta continuidad y escalabilidad, así como sus tasas de distorsión relativamente bajas. Esta ruta técnica ha logrado el entrelazamiento entre múltiples qubits y operaciones de puertas cuánticas, sentando las bases para la construcción de computadoras cuánticas prácticas. Sin embargo, los qubits superconductores son muy sensibles a la temperatura y a las interferencias electromagnéticas del entorno, por lo que los experimentos deben realizarse a temperaturas extremadamente bajas y en un entorno bien protegido.

La cadena de la industria de la computación cuántica de EE. UU. tiene un diseño completo, con empresas de tecnología líderes como IBM, Google y Microsoft ingresando a la industria, especialmente en el camino de la computación cuántica superconductora. En el campo de los chips cuánticos superconductores, IBM lanzó en diciembre de 2023 el primer chip procesador de computación cuántica del mundo, Condor, con más de 1.000 qubits, que tiene 1.121 qubits.

En abril de 2024, el Instituto de Información Cuántica e Innovación en Tecnología Cuántica de la Academia de Ciencias de China lanzó un chip de computación cuántica superconductor de 504 bits "Xiaohong", rompiendo el récord nacional de número de qubits superconductores.

Peng Chengzhi, profesor del Instituto de Información Cuántica y Ciencia y Tecnología Cuánticas de la Academia de Ciencias de China y científico jefe de China Telecom Quantum Group y Guodun Quantum (688027.SH), dijo que los chips de computación cuántica superconductores pueden reutilizarse más maduros. Las tecnologías de procesamiento de chips semiconductores son particularmente ventajosas en términos de expansión, por lo que la investigación y el desarrollo "no son difíciles". "Lo más difícil es cómo mejorar simultáneamente la calidad y la cantidad de qubits, mejorando así realmente el rendimiento del chip y controlar con mayor precisión qubits a gran escala. Esta es una corriente internacional. El equipo de investigación científica está trabajando duro”.

La potencia de cálculo que puede alcanzar una computadora cuántica depende de muchos factores, tomando como ejemplo las computadoras cuánticas superconductoras, incluido el número de bits, la fidelidad, el tiempo de coherencia, la velocidad de operación de la puerta, la conectividad, etc. Entre ellos, el número de bits es un indicador clave. Sin embargo, se debe prestar especial atención al hecho de que no tiene sentido hablar únicamente del número de bits. Lo que es más importante es la fidelidad de la puerta (especialmente la fidelidad de la puerta de dos bits), el tiempo de coherencia y la conectividad de bits en condiciones de gran tamaño. qubits de escala.

Además, la propiedad de los materiales superconductores es que cuando la temperatura cae por debajo de cierta temperatura crítica, la resistencia es cero y la corriente puede fluir sin pérdidas. Para lograr un funcionamiento eficiente y un almacenamiento estable de qubits, los chips cuánticos deben funcionar en un entorno de temperatura extremadamente baja, de -273,12 °C o menos, por lo que el refrigerador de dilución es uno de los equipos clave para la computación cuántica superconductora.

En la actualidad, los refrigeradores de dilución producidos en el país han logrado avances importantes y sus indicadores operativos reales han alcanzado el nivel internacional de productos similares. El refrigerador de dilución doméstico ez-Q Fridge, disponible comercialmente y producido en masa, lanzado por Guodun Quantum, proporciona chips cuánticos con una temperatura ultrabaja y un entorno de bajo ruido hasta el nivel de 10 mK. La potencia de enfriamiento alcanza 450 uW @ 100 mK (450 uW @ 100 mK representa). el refrigerador de dilución en La potencia de enfriamiento a una temperatura de 100 mK puede alcanzar los 450 uW. Cuanto mayor es la potencia de enfriamiento, mayor es el número de bits de computación cuántica que se pueden admitir), y sirve al "Zuchong-2" para realizar la computación cuántica. experimento de superioridad informática desarrollado independientemente por Origin Quantum. El refrigerador de dilución SL1000 puede proporcionar un ambiente de temperatura ultrabaja por debajo de 10 mK y una capacidad de enfriamiento de no menos de 1000 μW a 100 mK, satisfaciendo las necesidades de entornos de temperatura ultrabaja en corte. campos de tecnología de vanguardia como la computación cuántica superconductora, la física de la materia condensada, la ciencia de los materiales y la exploración del espacio profundo.

Lograr la "superioridad cuántica" es una medida clave del rendimiento de una computadora cuántica, es decir, su capacidad para calcular un problema específico más allá del de una supercomputadora clásica. Actualmente, sólo existen dos ordenadores cuánticos superconductores en el mundo: el estadounidense "Platanus" y el chino "Zuchong-2".

"Zuchong-2" es un prototipo de computación cuántica superconductora programable de 66 qubits desarrollado por un equipo de investigación compuesto por Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi y otros del Instituto de Información Cuántica e Innovación en Tecnología Cuántica de la Academia China de Ciencias y la Instituto de Física Técnica de Shanghai, Academia de Ciencias de China. En mayo de 2023, el equipo mejoró el chip original de 66 qubits "Zuchong-2" y agregó una interfaz de control de acoplamiento de 110 bits, lo que elevó la cantidad de qubits que los usuarios pueden controlar a 176 bits.

Guodun Quantum, como única unidad empresarial que participa en la investigación y el desarrollo de "Zuchongzhi", utiliza las capacidades de integración y gestión de la cadena de suministro del prototipo de computación cuántica superconductora (incluido el sistema de control de temperatura ambiente, el sistema de transmisión de señales de baja temperatura y el sistema de empaquetado de chips). , sistema de software de control, etc.). En la actualidad, se han vendido con éxito 4 computadoras cuánticas completas a países extranjeros.

Además, la computadora cuántica superconductora independiente de tercera generación "Origin Wukong" desarrollada por Origin Quantum se lanzará en línea en enero de 2024. "Original Wukong" está equipado con un chip cuántico superconductor de 72 bits "Wukong Core" con un total de 198 qubits, que contiene 72 qubits en funcionamiento y 126 qubits acoplados.

(Nota: Qubit (qubit) es la unidad básica de la computación cuántica. Es el portador de información cuántica, similar a los bits en la computación clásica. Los Qubits pueden estar en un estado de superposición, es decir, una superposición de múltiples estados al mismo tiempo. , que fabrica computadoras cuánticas. Se pueden procesar múltiples tareas informáticas al mismo tiempo. Los qubits acoplados (cQubits) son qubits especiales que tienen interacciones o acoplamientos entre ellos. Los qubits acoplados a menudo se utilizan para implementar operaciones de puerta cuántica, lo que permite que diferentes qubits interactúen con cada uno. otros para intercambiar información e interactuar entre sí. En general, los qubits son la unidad básica de la computación cuántica, y los qubits de acoplamiento son una forma especial de qubits que se utilizan para implementar operaciones de puerta cuántica y computación cuántica.

(2) Ruta de la computación cuántica óptica

La ruta de la computación cuántica óptica utiliza fotones como portadores de información y realiza el proceso de computación cuántica a través de elementos ópticos cuánticos. La ventaja clave de la computación cuántica óptica es que el fotón en sí interactúa muy débilmente con el medio ambiente y puede mantener un estado cuántico estable durante mucho tiempo con alta fidelidad. Además, la computación cuántica óptica se puede realizar a temperatura ambiente, a diferencia de la computación cuántica superconductora que requiere un entorno de temperatura extremadamente baja. El desafío técnico radica en la generación, operación y detección de fotones, lo que requiere tecnología y equipos de control de alta precisión. Las empresas que actualmente utilizan fotones como camino hacia las computadoras cuánticas incluyen PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum y Bose Quantum.

China es el único país que ha alcanzado la superioridad cuántica tanto en tecnología cuántica óptica como superconductora. Además del "Zu Chongzhi" en el camino de la computación cuántica superconductora, en mi país hay otra computadora cuántica que ha logrado la "superioridad cuántica": la Universidad de Ciencia y Tecnología de China La serie "Nine Chapters" desarrollada por el equipo de Pan Jianwei adopta el camino de la computación cuántica óptica.

En términos de computadoras cuánticas con funciones específicas, China ha logrado grandes avances y avances en el camino de la computación cuántica óptica. En octubre de 2023, el equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China construyó con éxito el prototipo de computación cuántica de 255 fotones "Jiuzhang-3". El prototipo está compuesto por 255 fotones y puede resolver el problema matemático de muestreo Gaussiano de Bose 100 mil millones de veces más rápido que la supercomputadora más rápida del mundo, rompiendo una vez más el récord mundial de tecnología de información cuántica óptica. Además, la computadora cuántica óptica coherente de próxima generación de Bose Quantum con 550 qubits informáticos se lanzó en abril de 2024: "Tiangong Quantum Brain 550W", a través de kits de desarrollo representados por "Kaiwu SDK" y ecología multiindustrial La combinación de "algoritmos cuánticos" conjuntamente desarrollado por socios ha logrado un gran avance en la computación cuántica práctica.

A diferencia de las computadoras cuánticas de propósito general que pueden cambiar el programa de cálculo de ejecución a voluntad, las computadoras cuánticas de función específica solo pueden ejecutar algoritmos cuánticos específicos. Si quieren manejar cálculos más allá de la función de diseño original, se debe cambiar el hardware o el equipo.

En el campo de las computadoras cuánticas ópticas programables de uso general, Turing Quantum ha lanzado DeepQuantum, el primer marco de programación de computación cuántica óptica de China. Al utilizar QubitCircuit en DeepQuantum, los desarrolladores pueden construir y simular fácilmente circuitos cuánticos y diseñar y optimizar rápidamente redes neuronales cuánticas. Además, a través de QumodeCircuit de DeepQuantum, los usuarios pueden estudiar en profundidad los circuitos cuánticos ópticos y desarrollar aplicaciones prácticas basadas en algoritmos como el muestreo gaussiano de Bose. DeepQuantum no solo incluye funciones de diferenciación automática, sino que también tiene una variedad de optimizadores sin gradiente integrados para ayudar a los usuarios a implementar y explorar de manera eficiente algoritmos cuánticos variacionales. Al mismo tiempo, Turing Quantum implementará hardware de computación cuántica óptica en la plataforma Quantum Cloud y los usuarios podrán experimentar la computación cuántica real a través de DeepQuantum.

(3) Ruta de computación cuántica de trampa de iones

La ruta de la computación cuántica con trampa de iones es una técnica que utiliza iones (generalmente átomos o moléculas cargados) como qubits para realizar el procesamiento de información cuántica. El campo electromagnético externo se utiliza para "atrapar" los iones dentro de un cierto rango, y el movimiento de los iones está controlado por la fuerza de interacción entre la carga y el campo electromagnético. Las ventajas de la computación cuántica con trampa de iones radican en el largo tiempo estable del estado entrelazado y la alta fidelidad de las puertas lógicas. Sin embargo, la dificultad técnica radica en lograr un "encarcelamiento" estable y un control preciso de una gran cantidad de iones al mismo tiempo, lo que requiere. tecnología de enfriamiento láser y entorno de vacío ultraalto e integración. La compatibilidad del circuito aún no se ha desarrollado, lo que resulta en una escalabilidad limitada. Actualmente, las empresas que están profundamente involucradas en la tecnología de computación cuántica de trampa de iones incluyen Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum, etc.

En 2023, Huayi Quantum lanzó HYQ-A37, un prototipo comercial de computadora cuántica con trampa de iones de primera generación con una escala de 37 qubits. Su tiempo de coherencia de qubit, fidelidad y otros indicadores de rendimiento relacionados han alcanzado el nivel de primera clase del mundo. Actualmente, los usuarios pueden utilizar herramientas visuales o editores de código para diseñar rápidamente circuitos cuánticos con cita previa y acceder de forma remota a HYQ-A37 para realizar tareas informáticas y obtener comentarios de resultados informáticos gráficos en tiempo real. Se espera que Huayi Quantum lance una computadora cuántica con trampa de iones de baja temperatura y 110 bits en 2024.

3.3 La historia del desarrollo y las dificultades técnicas de las computadoras cuánticas

Desde la década de 1980, la computación cuántica ha sido verificada mediante ideas físicas básicas y principios primarios, y ahora las computadoras cuánticas han alcanzado la etapa NISQ (computadora cuántica ruidosa de escala intermedia).

Las computadoras con puertas cuánticas de alta fidelidad de 50 a 100 qubits se denominan computadoras NISQ. "Ruidosas" significa que hay un cierto grado de ruido y errores entre los qubits, lo que tiene una baja tolerancia a fallas y aún no pueden lograr cálculos cuánticos precisos. Las computadoras cuánticas de uso general tolerantes a fallas son un objetivo de desarrollo a largo plazo y llevará algún tiempo lograrlo. Sin embargo, la potencia de cálculo de las ruidosas computadoras cuánticas de escala media ha superado con creces la de las supercomputadoras. Pueden realizar algunos algoritmos cuánticos específicos. tareas y ya han demostrado un rendimiento sobresaliente en algunos campos de aplicación.

Las principales limitaciones al desarrollo de computadoras cuánticas en esta etapa son:

(1) Requisitos de temperatura extremadamente baja: para mantener la estabilidad del estado cuántico de los qubits, las computadoras cuánticas deben funcionar en un entorno de temperatura ultrabaja cerca del cero absoluto. En tales condiciones, los qubits pueden exhibir efectivamente las características de entrelazamiento cuántico y superposición cuántica. Los sistemas de refrigeración son costosos de mantener y operar y, a medida que aumente el número de qubits, aumentarán los requisitos de refrigeración correspondientes. Las tecnologías criogénicas eficaces y económicas deberán mejorarse.

(2) Problema de estabilidad de los qubits: los qubits (o qubits) son las unidades de información básicas de las computadoras cuánticas, pero son muy frágiles y susceptibles al ruido y la interferencia externa, lo que conduce a la decoherencia cuántica. La decoherencia destruye la información cuántica, haciendo que los cálculos no sean fiables. Aumentar el tiempo de coherencia de los qubits es un tema de investigación actual.

(3) Corrección de errores cuánticos: inevitablemente se producen errores durante la computación cuántica y, debido a las propiedades especiales de los qubits, estos errores son diferentes de los de las computadoras tradicionales. Desarrollar técnicas efectivas de corrección de errores cuánticos es fundamental para permitir una computación cuántica confiable, pero los algoritmos de corrección de errores cuánticos actuales siguen siendo complejos y difíciles de escalar.

(4) Escalabilidad: la cantidad de qubits en las computadoras cuánticas existentes es relativamente pequeña, pero el cálculo de problemas complejos requiere cientos, miles o incluso más qubits. Cómo ampliar las computadoras cuánticas sin reducir la calidad de un solo qubit es un enorme desafío técnico.

(5) Limitaciones de materiales y tecnología: la fabricación de qubits de alta calidad requiere materiales avanzados y procesos de fabricación precisos. Por ejemplo, los qubits superconductores requieren materiales superconductores de alta pureza, mientras que la tecnología de trampa de iones requiere sistemas de vacío y láser de alta precisión. El desarrollo y madurez de estas tecnologías afecta directamente al rendimiento y viabilidad de las computadoras cuánticas.

(6) Desarrollo insuficiente de algoritmos y software: aunque se sabe que algunos algoritmos cuánticos pueden teóricamente proporcionar un rendimiento más allá de la computación clásica, las bibliotecas de algoritmos y las herramientas de software de las computadoras cuánticas aún son limitadas y faltan plataformas de software cuántico ampliamente aplicables. y marcos de programación.

(7) La brecha entre la teoría y el experimento: la computación cuántica está progresando rápidamente en la teoría, pero el ritmo de realización de estas teorías en experimentos reales es relativamente lento. Muchas teorías no se han verificado experimentalmente, por lo que se debe realizar mucha innovación y optimización en las técnicas y diseños experimentales.

(8) Escasez de talentos y conocimientos: la computación cuántica es un campo interdisciplinario que involucra múltiples disciplinas como la física, la informática, la ingeniería y las matemáticas. Actualmente, los investigadores e ingenieros con conocimientos y habilidades interdisciplinarios son relativamente escasos, lo que limita el ritmo de desarrollo en el campo de la computación cuántica.

(8) Limitaciones de los escenarios de aplicación: actualmente, las computadoras cuánticas muestran potencial en ciertos problemas específicos, como simulaciones químicas, descifrado de contraseñas y problemas complejos de optimización. Sin embargo, las ventajas de las computadoras cuánticas aún no son obvias en muchas tareas informáticas de propósito general, y es necesario explorar más a fondo su valor práctico en aplicaciones comerciales e industriales.

Como se mencionó anteriormente, aunque la comercialización de la computación cuántica todavía enfrenta muchos desafíos, la tecnología cuántica ha entrado en la etapa de ingeniería desde la etapa de investigación teórica. La aparición de computadoras cuánticas universales tolerantes a fallas en el futuro subvertirá la industria tecnológica existente. En la "segunda revolución de la tecnología cuántica", habrá grandes cambios en el futuro y debemos prepararnos con anticipación para entrar en una nueva era cuántica.

3.4 Aplicaciones de las computadoras cuánticas

(1) Plataforma en la nube de computación cuántica

Lograr la "superioridad cuántica" es un requisito previo necesario para la comercialización y popularización de la computación cuántica, y la plataforma en la nube de computación cuántica es la clave para el desarrollo de aplicaciones prácticas de la computación cuántica.

En la actualidad, el costo del hardware de las computadoras cuánticas es extremadamente alto, especialmente para los sistemas qubit de alta fidelidad y a gran escala. Al mismo tiempo, la operación y el mantenimiento de las computadoras cuánticas requieren tecnología y entorno profesionales. La plataforma en la nube de computación cuántica proporciona a universidades, institutos de investigación, empresas, etc. una forma económica de acceder a los sistemas de computación cuántica.

Por un lado, la plataforma en la nube puede actualizar e implementar rápidamente la última tecnología y algoritmos de computación cuántica, y los usuarios pueden experimentar instantáneamente las ventajas que brinda el progreso tecnológico, por otro lado, cuando los usuarios prueban la plataforma en la nube para el desarrollo y prueba de aplicaciones; , pueden proporcionar a la plataforma Proporcionar comentarios sobre los problemas y necesidades de los proveedores para promover la iteración y optimización de la tecnología. La plataforma en la nube de computación cuántica sirve como un puente que conecta diferentes empresas de computación cuántica, instituciones de investigación científica y usuarios corporativos, promoviendo la cooperación entre la computación cuántica y todos los ámbitos de la vida y promoviendo conjuntamente el desarrollo y la aplicación de la tecnología de computación cuántica.

En mayo de 2023, Guodun Quantum lanzó una nueva generación de plataforma en la nube de computación cuántica, que estaba conectada a una computadora cuántica superconductora de 176 bits de desarrollo propio del mismo tipo que el "Zuchongzhihao". No solo rompió el número de bits de la computadora cuántica superconductora. récord para plataformas de nube nacionales, también se ha convertido en la primera plataforma de computación cuántica en la nube del mundo que tiene el potencial de lograr la superioridad cuántica en la ruta cuántica superconductora y está abierta al mundo exterior. Guodun Quantum afirmó que en el futuro planea acceder a múltiples computadoras cuánticas de alto rendimiento para recuperación mutua de desastres y actualizaciones iterativas, de modo que el hardware de la plataforma en la nube pueda mantener el nivel avanzado internacionalmente.

En noviembre de 2023, Guodun Quantum ayudó a la plataforma de nube de computación cuántica "Tianyan" de China Telecom Quantum Group y a la plataforma de supercomputación "Tianyi Cloud" de China Telecom a conectarse para construir un sistema de arquitectura de computación híbrida "supercomputación-computación cuántica".

(2) Principales escenarios de aplicación de la computación cuántica

Según datos del ICV, la industria cuántica mundial alcanzará los 4.700 millones de dólares en 2023, y se espera que la tasa media de crecimiento anual (CAGR) entre 2023 y 2028 alcance el 44,8%, beneficiándose del progreso tecnológico de los ordenadores cuánticos de uso general y de la Gracias al uso generalizado de computadoras cuánticas especializadas en campos de aplicación específicos, se espera que el tamaño total del mercado de la industria de la computación cuántica alcance los 811,7 mil millones de dólares estadounidenses para 2035.

Como tecnología informática emergente, la computación cuántica ha demostrado un potencial de aplicación revolucionario en muchos campos, como las finanzas, la medicina y la industria química. Entre ellos, la industria financiera es un campo de aplicación potencialmente importante de la computación cuántica. Según las predicciones de ICV, entre las aplicaciones globales posteriores de la computación cuántica, el sector financiero tendrá la mayor participación de mercado en 2035, alcanzando el 51,9%, un aumento significativo desde el año 2035. 15,8% en 2030. Seguida por las industrias farmacéutica y química, que representan el 20,5% y el 14,2% respectivamente.

La computación cuántica se utiliza ampliamente en el campo financiero para reducir costos y tiempo de procesamiento. Actualmente, incluye principalmente: gestión y control de riesgos, fijación de precios de derivados, optimización de carteras, negociación de arbitraje y calificación crediticia, etc.

Las principales empresas financieras nacionales y extranjeras, como JP Morgan y Goldman Sachs, han establecido departamentos cuánticos para desarrollar aplicaciones financieras cuánticas. Origin Quantum y el Servicio de Información Económica de China, Xinhua Finance, lanzaron conjuntamente "Aplicaciones financieras cuánticas", que se publicó en Xinhua Finance The; La aplicación está en línea y proporciona la aplicación de la computación cuántica en la optimización de la cartera de inversiones, la fijación de precios de derivados y el análisis de riesgos. China Construction Bank ha explorado y practicado activamente la aplicación de la tecnología de la información cuántica, ha establecido un laboratorio de aplicaciones financieras cuánticas y ha cooperado con Quantum nacional y extranjero; Los equipos de seguridad y computación cuántica han colaborado para llevar a cabo una serie de investigaciones innovadoras y con visión de futuro. China Construction Bank ha lanzado algoritmos de aplicaciones financieras cuánticas como el "Algoritmo de red bayesiana cuántica" y el "Algoritmo de optimización de cartera cuántica". Estos algoritmos han demostrado el potencial de la computación cuántica en el análisis de riesgos y la optimización de carteras.

En términos de investigación y desarrollo médicos y ciencia de materiales químicos, las computadoras cuánticas pueden simular reacciones químicas complejas y propiedades de materiales, lo cual es de gran importancia para descubrir nuevos medicamentos, nuevos materiales y optimizar los procesos de reacciones químicas.

Los nuevos materiales y nuevos medicamentos tienen un enorme valor económico, especialmente en el campo de la medicina. Si la computación cuántica puede reemplazar el método experimental tradicional de prueba y error mediante el análisis computacional, no solo reducirá significativamente el tiempo para el desarrollo de nuevos medicamentos, sino que también ahorrará enormes cantidades. costos de desarrollo médico. Promover la aplicación de la computación cuántica en la investigación y el desarrollo médicos y en la ciencia de materiales, pero aún debe coordinarse con algoritmos cuánticos específicos.

En julio de 2022, el Instituto de Investigación de Ciencias de la Vida BGI cooperó con Quanthuan Technology para explorar la aplicación de la computación cuántica en el campo de las ciencias de la vida. Utilizaron algoritmos cuánticos para lograr el ensamblaje del genoma, resolvieron el problema del ensamblaje del genoma y utilizaron menos recursos cuánticos para simular sistemas cuánticos más grandes, brindando la posibilidad de simular sistemas a gran escala en la era NISQ.

En marzo de 2022, Turing Quantum utilizó tecnología de red tensorial para lograr un diseño de fármacos de IA cuántica 38 veces más rápido mediante la contracción de tensores y lanzó una serie de módulos de aplicación de IA cuántica, incluidos QuOmics (genómica), QuChem (moléculas de fármacos), cuatro módulos principales. incluido el diseño estructural), QuDocking (detección virtual de fármacos) y QuSynthesis (retrosíntesis de moléculas químicas), han logrado diversos grados de mejora del algoritmo cuántico.

En abril de 2021, Origin Quantum lanzó el sistema de aplicación de química cuántica ChemiQ 2.0 de Origin, que proporciona una base para la aplicación de la computación cuántica en el campo de la química y permite aplicaciones innovadoras de la computación cuántica en nueva medicina, nuevos materiales, nueva energía y otros campos. .

En el campo de la inteligencia artificial, debido a que los qubits pueden estar en múltiples estados, las redes neuronales cuánticas se pueden utilizar para procesar conjuntos de datos a gran escala y modelos complejos. Esto ayudará a mejorar el rendimiento de los sistemas de inteligencia artificial e impulsará la tecnología de inteligencia artificial.

La combinación de computación cuántica y aprendizaje automático, aprovechando la capacidad de las computadoras cuánticas para procesar grandes cantidades de datos, ayuda al aprendizaje automático a superar el cuello de botella de demasiados parámetros, lo cual es una importante dirección de investigación reciente. IBM ha agregado un módulo de aprendizaje automático a la arquitectura Qiskit, combinando las ventajas de la computación cuántica y el aprendizaje automático, y utilizando las ventajas de las computadoras cuánticas en el procesamiento de big data para establecer las ventajas futuras de los modelos de aprendizaje automático cuántico.

4. Comunicación y seguridad cuánticas

Como rama importante de la tecnología cuántica, la comunicación cuántica es un gran avance en la tecnología de transmisión de información. También es la primera tecnología cuántica que ingresa a la etapa práctica y la más madura. La comunicación cuántica hace que la comunicación sea más segura, y la comunicación cuántica, especialmente la comunicación cuántica segura, básicamente se ha puesto en práctica. Basada en la tecnología de distribución de claves cuánticas, la comunicación segura cuántica tiene muchas aplicaciones de ingeniería en China. La industria transformadora es la industria de seguridad de la información, que está muy madura.

Con el apoyo de políticas nacionales, la industria de las comunicaciones cuánticas de mi país se ha desarrollado rápidamente en los últimos años y se ha convertido en un líder mundial. Con la participación continua de muchas empresas e instituciones de investigación científica destacadas, la industria de las comunicaciones cuánticas también se ha convertido en el foco de los mercados primario y secundario.

4.1 La necesidad de una comunicación cuántica segura

La tecnología cuántica se considera el próximo hito en la tecnología. La computación cuántica supone un salto en la potencia informática, haciendo que abordar problemas complejos sea lo más infantil posible, ya sea el diseño de fármacos, la simulación climática o la optimización de grandes sistemas, se espera que la computación cuántica demuestre sus talentos. Pero esta espada de doble filo también representa una gran amenaza: puede romper la mayoría de las tecnologías de cifrado actuales en un instante.

Los sistemas tradicionales de criptografía de clave pública, como RSA, ECC (criptografía de curva elíptica), etc., se basan en la dificultad computacional de la factorización de enteros y los problemas de logaritmos discretos. El tiempo necesario para descifrarlos es extremadamente largo y son muy seguros en los sistemas existentes. condiciones técnicas.

Sin embargo, con el desarrollo de las computadoras cuánticas, se ha descubierto que los algoritmos cuánticos como el algoritmo de Shor pueden resolver rápidamente estos problemas. Tomemos como ejemplo el algoritmo RSA, el algoritmo de cifrado más popular y utilizado en la actualidad. El más común ahora es el cifrado de 2048 bits (cuanto mayor sea la longitud de la clave, mayor será el tiempo de descifrado), y el algoritmo de Shor, en teoría, puede hacerlo. descifrar el cifrado a largo plazo en solo 8 horas. Cifrado RSA de hasta 2048 bits, amenazando así la seguridad de los sistemas tradicionales de criptografía de clave pública.

Las preocupaciones sobre la amenaza de las computadoras cuánticas a la criptografía tradicional existen desde hace algún tiempo, pero aún no se han convertido en una realidad. La potencia de cálculo de una computadora cuántica depende de la cantidad de qubits que puede procesar. Las computadoras cuánticas actuales solo tienen entre cientos y miles de qubits de ruido, que se utilizan para crear una pequeña cantidad de qubits estables y que corrigen errores. La amenaza al cifrado tradicional requiere miles de qubits estables, lo que puede requerir millones de qubits ruidosos. Por lo tanto, aunque las capacidades de las computadoras cuánticas se están desarrollando rápidamente, aún no han alcanzado un nivel que amenace el cifrado clásico, pero algunos expertos de la industria dicen que este nivel puede alcanzarse en los próximos 5 a 10 años o menos.

Aunque la amenaza de la computación cuántica a la criptografía tradicional aún se encuentra en la etapa teórica, uno de los mayores problemas actualmente es la seguridad futura de la información confidencial. Aunque la tecnología de la computación cuántica aún no ha logrado un avance real, está circulando mucha información confidencial cifrada. online, lo que significa que los delincuentes pueden robar datos cifrados ahora, almacenarlos y luego descifrarlos cuando la tecnología de computación cuántica madure.

Para hacer frente a este problema, se utilizan la distribución de claves cuánticas (QKD, Quantum Key Distribution), la criptografía poscuántica (PQC, Post-Quantum Cryptography), el generador cuántico de números aleatorios (QRNG, Quantum Random Number Generator), la teletransportación cuántica (tecnologías de seguridad de comunicación cuántica). como QT (Quantum Teleportation), entre los cuales QKD se considera el único método de comunicación incondicionalmente seguro en teoría, porque la seguridad de las claves QKD se basa en las leyes de la física cuántica, no en la complejidad computacional de los problemas matemáticos. La construcción de una red de comunicación cuántica segura en mi país basada en la tecnología QKD ha comenzado a tomar forma y las aplicaciones comerciales continúan avanzando, mientras que el algoritmo PQC se encuentra actualmente en una demostración de estandarización.

4.2 Principales tecnologías para la comunicación cuántica segura

La computación cuántica es la "lanza" y la comunicación cuántica segura es el "escudo". Antes de que llegue oficialmente la "segunda revolución de la tecnología cuántica", el desarrollo de la tecnología de comunicación cuántica segura proporciona nuevas soluciones para la seguridad de la información, especialmente en áreas con altos requisitos de seguridad, como las comunicaciones gubernamentales, las transacciones financieras y la seguridad de la defensa nacional. Con la continua madurez de la tecnología y la promoción de aplicaciones, se espera que la comunicación cuántica segura construya una red de comunicación más segura y confiable en el futuro.

(1) Generador cuántico de números aleatorios (QRNG)

Un generador de números aleatorios es un dispositivo o algoritmo que puede generar una secuencia de números aleatorios. Los generadores de números aleatorios son muy importantes en criptografía y se utilizan para generar claves de cifrado, vectores de inicialización (IV) y otros parámetros que deben mantenerse en secreto. Garantizan la seguridad y la imprevisibilidad del proceso de cifrado.

Los generadores de números aleatorios se dividen en generadores de números aleatorios verdaderos (TRNG, True Random Number Generator) y generadores de números pseudoaleatorios (PRNG, Pseudo-Random Number Generator, generalmente se refiere a la generación de aleatoriedad basada en procesos físicos o fenómenos naturales). como el ruido térmico de los equipos, la desintegración radiactiva, el tiempo de llegada de los fotones, etc. Debido a que dependen de procesos físicos impredecibles, se consideran "verdaderamente" aleatorios. PRNG utiliza un algoritmo determinista, comenzando desde un estado inicial (semilla) y generando una secuencia aleatoria de números de acuerdo con las reglas del algoritmo.

Dado que TRNG puede generar un número limitado de números aleatorios por segundo, TRNG se suele utilizar como "semilla" de PRNG para generar una secuencia de números aleatorios real e irrepetible. Aunque PRNG también se denomina generador de números aleatorios, en realidad es muy predecible. Siempre que se conozcan el algoritmo y el estado inicial, encontrar el TRNG perfecto siempre ha sido una dirección de investigación importante.

El generador de números aleatorios cuánticos (QRNG) es un TRNG perfecto. Toma prestada la superposición aleatoria cuántica de la mecánica cuántica y utiliza las características probabilísticas del mundo cuántico para crear una clave verdaderamente aleatoria. Desde que se domina y comprende por completo el mecanismo cuántico de QRNG, se han utilizado componentes cuánticos que generan números aleatorios en el cifrado de información. La principal dirección actual de investigación y desarrollo de QRNG es producir chips aleatorios cuánticos más económicos, más rápidos y más pequeños.

(2) Distribución de claves cuánticas (QKD)

La distribución de claves cuánticas (QKD) utiliza estados cuánticos para transportar información y compartir claves entre las partes que se comunican a través de un protocolo específico. Esta tecnología aplica las características básicas de la mecánica cuántica para garantizar que cualquier intento de robar la clave transmitida sea descubierto por usuarios legítimos. lograr el único método de comunicación teóricamente incondicionalmente seguro hasta el momento.

La clave para la distribución de claves cuánticas (QKD) es utilizar materia con un estado cuántico como contraseña, y el estado cuántico tiene las dos propiedades clave siguientes, lo que garantiza la transmisión segura de información:

Primero, la medición de un estado cuántico cambiará su estado: según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, medir un estado cuántico hará que su estado cambie. Si alguien intenta robar la información en transmisión, se debe medir el estado cuántico, lo que tendrá un impacto en el sistema cuántico y será detectado por los usuarios legítimos.

En segundo lugar, la imposibilidad de clonar los estados cuánticos: según los principios de la mecánica cuántica, es imposible copiar perfectamente un estado cuántico desconocido. Esto significa que la información completa del estado cuántico no puede ser robada durante el proceso de transmisión, garantizando la seguridad de la información.

En esta etapa, la tecnología de comunicación cuántica segura utiliza principalmente la red QKD para lograr una distribución segura de claves y luego la combina con tecnología de criptografía simétrica para garantizar la transmisión segura de información. En pocas palabras, se agrega equipo óptico de envío y recepción de estados cuánticos que puede reemplazar las funciones de los módulos ópticos de uso común a ambos extremos de una fibra óptica monomodo para lograr una comunicación segura basada en el cifrado físico.

La tecnología QKD es la tecnología clave para realizar la comunicación cuántica, pero con varios protocolos QKD seguros, las redes cuánticas con alta velocidad y larga distancia de transmisión también son una parte indispensable para lograr la comunicación cuántica. Aunque la tecnología de comunicación cuántica inicialmente se volvió práctica impulsada por QKD y otras soluciones, la distancia de transmisión y el costo siguen siendo factores que restringen la aplicación y el desarrollo industrial de toda la industria. El QKD comercial punto a punto basado en fibra tiene una distancia de transmisión limitada, mientras que la transmisión de larga distancia QKD de satélite a tierra requiere componentes costosos, como satélites. El objetivo de desarrollo futuro de la comunicación cuántica es establecer un sistema de red de comunicación cuántica de área amplia que cubra todo el mundo, y las tecnologías relacionadas aún necesitan más avances.

(3) Teletransportación cuántica (QT)

La teletransportación cuántica (QT) es un método de transmisión de información basado en los principios de la mecánica cuántica. Permite que el estado de un sistema cuántico (como un qubit) se transmita con precisión desde una ubicación (a menudo llamada "extremo de envío") a otro lugar (a menudo llamado "extremo de recepción") sin un medio de transmisión físico. La teletransportación cuántica no implica el movimiento instantáneo de la materia en sí, sino la transferencia instantánea de información cuántica.

La realización de la teletransportación cuántica se basa en los siguientes principios de la mecánica cuántica:

Entrelazamiento cuántico: existe una conexión especial entre dos o más partículas cuánticas, incluso si están muy separadas, un cambio en el estado de una partícula afectará inmediatamente el estado de otras partículas entrelazadas con ella.

Teorema de no clonación de estados cuánticos: es imposible hacer una copia perfecta de un estado cuántico desconocido.

Medición cuántica: la medición de sistemas cuánticos conduce al colapso del estado y los resultados de la medición suelen ser aleatorios.

Los pasos básicos de la teletransportación cuántica incluyen:

a. Prepare un par de partículas entrelazadas y envíe una al extremo receptor y la otra al extremo emisor.

b. En el extremo emisor, realizar una medición conjunta específica del qubit a transmitir y las partículas entrelazadas en el extremo emisor. Esta medición hace que la información del qubit se transfiera a la partícula entrelazada en el extremo receptor, pero el proceso es aleatorio y destruye el estado original del qubit.

c. Enviar los resultados de la medición conjunta (información clásica) al extremo receptor a través de canales de comunicación ordinarios (como teléfono o Internet).

d. Basándose en la información clásica recibida, el extremo receptor realiza una serie de operaciones cuánticas sobre las partículas entrelazadas que posee para reconstruir el estado original del qubit.

A través de este proceso, la información cuántica del emisor se "transmite de forma invisible" al receptor. Es importante señalar que la teletransportación cuántica no permite una comunicación más rápida que la luz, ya que la reconstrucción del estado original se basa en información transmitida a través de canales de comunicación clásicos, y esta velocidad de transmisión está limitada por la velocidad de la luz.

Actualmente, la teletransportación cuántica se estudia principalmente en un entorno de laboratorio. La teletransportación cuántica es una tecnología clave para realizar comunicaciones cuánticas y redes cuánticas a larga distancia, y se espera que desempeñe un papel importante en la futura Internet cuántica.

(4) Criptografía poscuántica (PQC)

La tecnología PQC se refiere al desarrollo y diseño de algoritmos de cifrado que pueden resistir ataques informáticos cuánticos. En la actualidad, PQC y el campo de la criptografía cuántica han desarrollado una variedad de técnicas y algoritmos de criptografía para combatir las amenazas de la computación cuántica. El objetivo es evitar el uso de factorización de números enteros y problemas de logaritmos discretos para cifrar datos. Los métodos específicos incluyen criptografía basada en celosía, criptografía basada en hash, criptografía basada en código y criptografía basada en múltiples variables.

Entre ellas, la tecnología de cifrado basada en celosía se considera la más destacada y fiable en la actualidad. En el trabajo de estandarización de PQC más influyente del mundo dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), tres de los cuatro algoritmos estandarizados seleccionados por él en 2023 son tecnologías de cifrado basadas en celosías.

Aunque la nueva criptografía poscuántica es resistente al algoritmo cuántico de Shor, no es infalible. Por un lado, aunque estos problemas de criptografía poscuántica actualmente parecen difíciles de resolver, es posible que en el futuro se descubran nuevos métodos para resolverlos; por otro lado, la implementación real de los algoritmos de criptografía poscuántica también puede tener fallas o fallas; Los errores en la selección de parámetros pueden convertirse en posibles vulnerabilidades de seguridad.

Se informa que la seguridad actual del algoritmo PQC se ha expandido desde vulnerabilidades matemáticas teóricas a niveles de aplicación práctica. El mecanismo de encapsulación de claves Kyber (KEM), uno de los algoritmos estandarizados nominados por NIST, quedó expuesto en respuesta a los canales laterales en 2023. Vulnerabilidades de seguridad en ataques.

La aparición de ataques reales enfatiza la importancia de verificar y reparar rápidamente las vulnerabilidades potenciales al implementar el algoritmo PQC, lo que impulsa la mejora y evolución continua del algoritmo PQC para mejorar la seguridad en escenarios de aplicaciones reales.

La tecnología criptográfica ocupa una posición muy importante para la seguridad nacional. Para mantener seguro el mundo digital, la tecnología PQC debe evolucionar y actualizarse constantemente para adaptarse a nuevas amenazas en cualquier momento.

4.3 Red de comunicación cuántica e Internet cuántica

(1) Estado de la construcción de la red de seguridad de comunicaciones cuánticas en mi país

El equipo central de la red de comunicación segura cuántica incluye productos QKD, productos de intercambio de redes clave y de canales, etc. Las redes de comunicación cuánticas seguras que se pueden lograr actualmente incluyen redes de área local, redes de área metropolitana y redes troncales.

La red de área local realiza el acceso de múltiples terminales en una unidad o una ubicación, y no tiene requisitos de alta distancia. La red de área metropolitana es responsable de la conexión de diferentes áreas dentro de la ciudad, conectando la red troncal de enlace ascendente y la local de enlace descendente; la red de área y la red troncal realizan comunicaciones transprovinciales y transfronterizas. Las conexiones urbanas (incluidos los métodos de implementación de fibra óptica terrestre y estaciones terrestres de satélite) están actualmente dominadas por la fibra óptica terrestre, que tiene requisitos de gran distancia.

En agosto de 2016, mi país lanzó con éxito el primer satélite experimental de ciencia cuántica del mundo, Mozi, convirtiéndose en el primer país del mundo en lograr una comunicación cuántica entre un satélite y la Tierra, y verificó plenamente el uso de plataformas satelitales para lograr una comunicación cuántica global. factibilidad.

En 2018, con la aprobación de la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma, Guoke Quantum Communication Network Co., Ltd., una filial de la Academia de Ciencias de China, asumió la tarea de construir la primera fase del sistema nacional de comunicación segura cuántica de área amplia. Red troncal. En 2022, toda la línea estará completa y aceptada. La red troncal cuántica nacional cubre importantes áreas estratégicas nacionales como Beijing-Tianjin-Hebei, el delta del río Yangtze, la Gran Área de la Bahía de Guangdong-Hong Kong-Macao y el Círculo Económico Chengdu-Chongqing. El kilometraje total de las líneas troncales terrestres supera. 10.000 kilómetros. Es la primera y actualmente única red troncal cuántica de dominio a gran escala del mundo.

En junio de 2023, en el V Foro de Alto Nivel sobre Desarrollo Integrado del Delta del Río Yangtze, se publicaron los resultados de la construcción de la red troncal regional de comunicaciones seguras cuánticas del Delta del Río Yangtze construida y operada por Guoke Quantum. El kilometraje total de la red troncal de comunicación cuántica segura en la región del delta del río Yangtze es de aproximadamente 2.860 kilómetros, formando una red en anillo con Hefei y Shanghai como nodos centrales, que une Nanjing, Hangzhou, Wuxi, Jinhua, Wuhu y otras ciudades.

En términos de red de área metropolitana, en agosto de 2022, Hefei, provincia de Anhui, abrió la Red de área metropolitana cuántica de Hefei, que era la red de área metropolitana cuántica más grande, más cubierta y más utilizada del país en ese momento, incluidas 8 redes centrales. Sitios de red y 159 sitios de red de acceso, la longitud total de fibra óptica es de 1147 kilómetros.

Actualmente, veinte o treinta ciudades tienen sus propias redes cuánticas de área metropolitana, y también se espera que la construcción de líneas troncales de redes troncales cuánticas acelere la construcción de redes de área metropolitana en las correspondientes ciudades de apoyo. Tomando a Shanghai como ejemplo, en la Conferencia de Innovación de Tecnología Industrial de Shanghai celebrada el 22 de marzo de 2024, Shanghai Telecom declaró que planea construir una red de área metropolitana de comunicación segura cuántica en el área de Shanghai. Se espera que complete la primera fase de construcción. en 2024, convirtiéndose así en el primer ejemplo de referencia de red de comunicación cuántica práctica a nivel nacional.

La inversión en la construcción de una red troncal cuántica y el tamaño de todo el proyecto son bastante grandes, pero actualmente hay menos aplicaciones de redes cuánticas y grupos de clientes que los proyectos tradicionales. Por lo tanto, varias industrias aún deben promover conjuntamente aplicaciones cuánticas posteriores para acelerar la construcción de toda la red cuántica.

De acuerdo con los "cuatro nuevos" estándares (nuevas vías, nuevas tecnologías, nuevas plataformas y nuevos mecanismos), la Comisión de Administración y Supervisión de Activos Estatales del Consejo de Estado recientemente seleccionó y determinó el primer grupo de empresas de nueva creación. acelerar el diseño de nuevos campos y nuevas vías, cultivar y desarrollar nuevas fuerzas productivas y centrarse en el diseño. Campos emergentes como la inteligencia artificial, la información cuántica y la biomedicina.

Anteriormente, en enero de 2024, siete departamentos, incluidos el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información, el Ministerio de Ciencia y Tecnología y la Comisión de Administración y Supervisión de Activos Estatales del Consejo de Estado, emitieron conjuntamente los "Opiniones de implementación para promover la innovación industrial futura y Desarrollo" y propuso implementar de manera proactiva nuevas vías para promover la próxima generación de comunicaciones móviles, aplicaciones industriales de Internet satelital, información cuántica y otras tecnologías.

La publicación intensiva de políticas relevantes refleja la comprensión de mi país de la importancia de la tecnología de comunicación cuántica, brinda un fuerte apoyo político para el desarrollo de la industria y se espera que promueva la industria de comunicación cuántica de China para alcanzar nuevas alturas en el futuro.

(2) Internet cuántica

Quantum Internet es un nuevo concepto de red de comunicación basado en tecnología de información cuántica. Utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar la generación, almacenamiento, transmisión y procesamiento de datos. A diferencia de la Internet tradicional basada en principios de la física clásica, el núcleo de la Internet cuántica es utilizar las características de los qubits y el entrelazamiento cuántico para proporcionar capacidades de comunicación más seguras y eficientes.

Además de transmitir información cuántica de forma absolutamente segura, Internet cuántica también puede utilizar sensores cuánticos y computadoras cuánticas para realizar mediciones de precisión cuántica, visas digitales cuánticas, computación cuántica distribuida, etc.

La Internet cuántica tiene tres puntos principales: primero, los dispositivos conectados a la red son dispositivos cuánticos; segundo, la red transmite información cuántica; tercero, el método de transmisión de la red se basa en la mecánica cuántica;

Aunque se han construido algunos satélites de comunicaciones cuánticas y estaciones base terrestres y se ha logrado con éxito la distribución de claves cuánticas entre regiones, la construcción de una Internet cuántica global aún enfrenta enormes desafíos técnicos y de ingeniería, que requieren resolver problemas de seguridad en condiciones del mundo real. Problemas de transmisión a larga distancia.

En la actualidad, la distancia segura de QKD punto a punto utilizando fibra óptica alcanza alrededor de 100 kilómetros. Con la tecnología existente, la distancia de la comunicación cuántica se puede alargar de manera efectiva mediante repetidores confiables.

En 2017, la línea troncal de comunicación cuántica segura de mi país "Beijing-Shanghai Trunk Line", a través de 32 nodos de retransmisión, conectó toda la red cuántica de fibra óptica interurbana de aproximadamente 2.000 kilómetros y se acopló con éxito al satélite cuántico "Mozi", construyendo un mundo. Primera Internet cuántica estrella-tierra.

En enero de 2018, China y Austria lograron por primera vez la distribución de claves cuánticas intercontinentales a una distancia de 7.600 kilómetros y utilizaron la clave compartida para lograr transmisión de datos cifrada y comunicación por vídeo, lo que demuestra que el "Mozi" tiene la capacidad de lograr comunicaciones cuánticas intercontinentales. Distribución de claves. Capacidad para comunicarse de forma confidencial.

La invención de Internet ha llevado a la humanidad a la era de la información y la Internet cuántica brindará la oportunidad de cambiar el mundo. Los principales países del mundo están haciendo planes activamente. En agosto de 2020, el Departamento de Energía de EE. UU. publicó el informe "Establecimiento de una red cuántica nacional para liderar una nueva era de las comunicaciones", en el que propone un plan estratégico para construir una Internet cuántica nacional en un plazo de 10 años.

En términos generales, las computadoras cuánticas comerciales aún no se han aplicado a gran escala, y la Internet cuántica que conecta computadoras cuánticas sigue siendo un concepto futuro. La red de comunicación segura cuántica QKD actualmente promovida por varios países es el prototipo de la Internet cuántica definitiva. El objetivo de la Internet cuántica es combinar la computación cuántica, la medición cuántica y otras integraciones funcionales.

4.4 Aplicaciones de la comunicación cuántica

Según las previsiones de ICV, el mercado mundial de comunicaciones cuánticas alcanzará aproximadamente los 2.300 millones de dólares en 2021, y se espera que crezca hasta los 15.300 millones de dólares en 2025 y los 42.100 millones de dólares en 2030, con una tasa compuesta anual de aproximadamente el 34% entre 2021 y 2030. .

La cadena de la industria de las comunicaciones cuánticas se divide principalmente en componentes ascendentes y equipos centrales, líneas de transmisión de redes intermedias y plataformas de sistemas, y mercados de aplicaciones de seguridad descendentes. En la actualidad, el mercado de las comunicaciones cuánticas todavía se encuentra en la etapa de construcción de infraestructura de redes de comunicaciones, y los equipos y soluciones centrales siguen siendo la clave de la cadena industrial. Según datos de ICV, se espera que el tamaño del mercado de equipos y soluciones centrales upstream y midstream represente el 80% en 2025, aproximadamente 12.240 millones de dólares.

A juzgar por la construcción actual de infraestructura de comunicaciones cuánticas en mi país, se ha completado la construcción de más de 12.000 kilómetros de redes troncales cuánticas. Según el plan general, es posible que en el futuro se construyan casi 20.000 kilómetros de red troncal, que abarcarán desde Beijing hasta Lanzhou, Zhangjiakou, Xi'an y otros lugares.

A medida que la infraestructura de la red de comunicaciones cuánticas de mi país mejora aún más, también vale la pena esperar las aplicaciones comerciales posteriores. Los datos de consultoría de ICV muestran que el tamaño del mercado de aplicaciones descendentes de comunicación cuántica en 2021 es de aproximadamente 230 millones de dólares. Se espera que el tamaño del mercado de aplicaciones descendentes de comunicación cuántica sea de 3.060 millones de dólares en 2025 y alcance los 11.788 millones de dólares en 2030. La CAGR de 2021. hasta 2030 es aproximadamente del 54,87%.

En la actualidad, la comunicación cuántica segura todavía se limita a campos como la defensa nacional, las finanzas y los asuntos gubernamentales. En el futuro, la industria de la comunicación cuántica potenciará más escenarios posteriores y las empresas relevantes están explorando activamente más campos de aplicaciones comerciales.

Entre ellos, Guodun Quantum es un socio conjunto para integrar la tecnología de seguridad cuántica con big data, computación en la nube, Internet de las cosas, inteligencia artificial, etc. para promover conjuntamente la ecología industrial "Quantum+". Guodun Quantum y China Telecom han lanzado conjuntamente productos y servicios como "Quantum Security OTN Private Line" y "Quantum Encrypted Intercom". El número de usuarios del negocio de voz cifrada cuántica ha alcanzado ya más de un millón. -la sociedad anónima Zhejiang Guodun Electricity ha llevado a cabo demostraciones de la aplicación "cuántica + 5G" en el campo de la energía eléctrica. La primera "subestación cuántica +" de la provincia de Zhejiang se ha puesto en funcionamiento en Shaoxing y ha cooperado con empresas como DingTalk (China) para; desarrollar conjuntamente una serie de productos de oficina seguros como el "Portal de aplicaciones de seguridad cuántica".

A medida que la tecnología de redes de distribución de claves cuánticas (QKD) madure y los equipos terminales se vuelvan móviles y miniaturizados, las aplicaciones de comunicación cuántica segura se expandirán a redes de telecomunicaciones, redes empresariales, redes domésticas personales y otros campos.

5. Medición de precisión cuántica

La tecnología de medición de precisión cuántica se basa en la mecánica cuántica como teoría básica. Utiliza principios técnicos como la transición del nivel de energía de las partículas, el entrelazamiento cuántico y la coherencia cuántica para preparar, medir y leer estados cuánticos de partículas microscópicas como átomos y fotones. realice parámetros físicos como medición de precisión de alta precisión de parámetros físicos como campo magnético, frecuencia, campo eléctrico, tiempo, longitud, etc.

5.1 Definición de medición de precisión cuántica

Los medios técnicos importantes para la medición de precisión cuántica incluyen: medición del nivel de energía de partículas microscópicas, medición de superposición coherente cuántica y medición del entrelazamiento cuántico, que también son atributos básicos de la mecánica cuántica.

(1) Basado en la medición del nivel de energía de partículas microscópicas

Según la teoría atómica de Bohr, los átomos liberan ondas electromagnéticas cuando pasan de un "estado de alta energía" a un "estado de baja energía". Esta frecuencia característica de la onda electromagnética es discontinua. Cuando la cantidad física a medir interactúa con el sistema cuántico, el sistema cuántico sufre cambios como transición del nivel de energía, división del nivel de energía o degeneración. En este momento, el sistema cuántico irradiará o absorberá el espectro y la energía de la radiación. o el espectro de absorción está relacionado con la cantidad de energía que se mide en relación con las cantidades físicas. La tecnología basada en la medición del nivel de energía de partículas microscópicas tiene altos requisitos en cuanto al entorno externo (como la temperatura, el campo magnético, etc.) y se basa en la tecnología de manipulación del estado cuántico. Por ejemplo, en 1967, 9192631770 veces el período de transición del nivel de energía del electrón en un átomo de cesio se definió como 1 s, lo que aplicó el principio técnico de los niveles de energía de partículas microscópicas.

(2) Medición basada en coherencia cuántica

La tecnología de medición basada en la coherencia cuántica utiliza principalmente las características de fluctuación del sistema cuántico. La cantidad física a medir tiene efectos diferentes en los dos haces atómicos. Cuando los dos haces atómicos interfieren, la cantidad física a medir se refleja en la diferencia de fase. de los haces atómicos. Los giroscopios atómicos, los gradiómetros de gravedad, etc. utilizan principios técnicos basados ​​en la coherencia cuántica. Se han aplicado medios técnicos basados ​​en la coherencia cuántica en campos como la detección de la gravedad y la navegación inercial. La próxima tendencia de desarrollo es hacia la miniaturización y el desarrollo de chips para mejorar la practicidad del sistema.

(3) Medición basada en entrelazamiento cuántico

La tecnología de medición basada en el entrelazamiento cuántico coloca n cuantos en un estado entrelazado. Los efectos del entorno externo sobre los n cuantos se superpondrán de manera coherente, haciendo que la precisión de la medición final alcance 1/n de un solo cuanto. Esta precisión supera el límite de ruido de disparo de la mecánica clásica y es la mayor precisión posible en el marco de la teoría de la mecánica cuántica: el límite de Heisenberg. Actualmente, los campos de aplicación de la tecnología de medición basada en el entrelazamiento cuántico incluyen las comunicaciones cuánticas, la navegación por satélite cuántica, el radar cuántico, etc.

En pocas palabras, la medición de precisión cuántica utiliza las propiedades de la superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico para romper los límites clásicos de la tecnología de medición tradicional desde los principios básicos y combinar varios cambios en el entorno, como temperatura, campo magnético, presión, tiempo, longitud, peso, etc. Varias cantidades físicas básicas y cantidades derivadas se han elevado a límites cuánticos.

5.2 Estado de desarrollo y dificultades de la tecnología de medición de precisión cuántica

Entre los tres campos principales de la información cuántica, la medición cuántica tiene las características de diversas direcciones técnicas, ricos escenarios de aplicación y claras perspectivas de industrialización. La madurez de desarrollo de cada dirección técnica de la medición cuántica es bastante diferente. Hay productos comerciales maduros, como relojes atómicos y gravímetros atómicos, así como productos prototipo como magnetómetros cuánticos, radares cuánticos ópticos y giroscopios cuánticos que se encuentran en la investigación de ingeniería. etapas de desarrollo y exploración de aplicaciones, así como prototipos como imágenes de correlación cuántica y antena atómica Rydberg que aún están en el proceso de resolver problemas de tecnología de sistemas.

El progreso de la tecnología de medición de precisión cuántica requiere fusión cruzada e innovación en la física cuántica, la ciencia de los materiales, la óptica, la electrónica y otros campos. Se enfrenta a muchas dificultades técnicas, entre ellas:

(1) Generación y mantenimiento de entrelazamiento cuántico: el entrelazamiento cuántico es un recurso clave en las mediciones de precisión cuántica, pero no es fácil generar estados entrelazados de alta calidad en experimentos, y los estados entrelazados se desenredan fácilmente debido a la interferencia del entorno externo ( es decir, decoherencia).

(2) Decoherencia y control de ruido: los sistemas cuánticos son muy frágiles y se ven fácilmente afectados por el entorno externo, lo que lleva a la decoherencia de los estados cuánticos. Al mismo tiempo, diversas fuentes de ruido, como ruido térmico, ruido electromagnético, etc., también interferirán con los resultados de la medición. Por tanto, lograr mediciones de alta precisión requiere un excelente control del ruido y la decoherencia.

(3) Eficiencia y resolución del detector: las mediciones de precisión cuántica a menudo requieren detectores de alta eficiencia y alta resolución para detectar estados cuánticos. Los detectores actuales todavía tienen margen de mejora, especialmente en términos de eficiencia de detección y resolución temporal.

(4) Calibración del sistema y análisis de errores: para garantizar la precisión de la medición, el sistema de medición cuántica debe calibrarse con precisión. Además, el análisis de errores de los resultados de la medición también es muy complejo y es necesario considerar muchos factores, como errores sistemáticos y errores estadísticos.

(5) Control de estados cuánticos: la medición de precisión cuántica a menudo requiere un control preciso de los estados cuánticos, incluida la preparación de estados cuánticos específicos y el logro de una conversión precisa de estados cuánticos. Estas operaciones requieren habilidades experimentales extremadamente altas.

(6) Desarrollo de materiales y dispositivos: la fabricación de materiales y dispositivos para la medición de precisión cuántica, como puntos cuánticos, interferómetros cuánticos superconductores, etc., no solo debe satisfacer las necesidades de la medición cuántica, sino que también debe tener estabilidad y repetibilidad. desafío tanto en la ciencia de materiales como en la ingeniería de dispositivos.

(7) Escalabilidad de los sistemas cuánticos a gran escala: aunque hemos podido lograr un control relativamente preciso de los sistemas cuánticos a pequeña escala, todavía es un problema cómo extender estas tecnologías a sistemas a gran escala para obtener resultados de medición de mayor precisión. problema.

Con el desarrollo continuo de la tecnología cuántica, estas dificultades se irán superando gradualmente, promoviendo así la expansión de la medición de precisión cuántica a campos de aplicaciones prácticas. El sistema de metrología internacional se encuentra en un período de desarrollo y transformación de patrones físicos basados ​​en la física clásica a "patrones cuánticos".

El "Plan de desarrollo de mediciones (2021-2035)" emitido por el Consejo de Estado en 2021 y el "Decimocuarto Plan Quinquenal para la Modernización de la Supervisión del Mercado" emitido por el Consejo de Estado en 2022 mencionaron claramente la necesidad de establecer un sistema nacional de medición avanzado y moderno. Con la metrología cuántica como sistema central, es necesario desarrollar y establecer estándares de medición cuántica, estudiar la tecnología de medición cuántica basada en efectos cuánticos y constantes físicas y promover la mejora de los estándares de medición.

5.3 Aplicación de la medición de precisión cuántica

Según datos de ICV, se espera que el mercado mundial de densidad de precisión cuántica crezca de 1.470 millones de dólares en 2023 a 3.900 millones de dólares en 2035, lo que muestra una tendencia ascendente continua, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 7,79%. Entre ellos, los tres principales segmentos de mercado de relojes cuánticos, gravímetros y gradiómetros cuánticos y magnetómetros cuánticos tienen tamaños de mercado grandes y juntos representan aproximadamente el 85% del mercado de medición de precisión cuántica.

(1) reloj cuántico

Como producto de medición de precisión cuántica relativamente maduro, los relojes atómicos tienen capacidades de medición del tiempo estables y altamente precisas. En la actualidad, la tecnología de reloj atómico óptico está expandiendo rápidamente sus campos de aplicación, abarcando múltiples industrias, como las comunicaciones móviles ferroviarias, los centros de datos, la defensa nacional y la medición científica. Esta tendencia muestra que los relojes atómicos ópticos no sólo funcionan bien en laboratorios científicos, sino que también se están incorporando gradualmente a aplicaciones prácticas, proporcionando servicios precisos de sincronización y medición del tiempo para diferentes industrias.

Los relojes cuánticos pueden desempeñar un papel importante en muchos campos debido a su altísima estabilidad y precisión. Los siguientes son algunos escenarios de aplicación principales:

Sistema de posicionamiento global (GPS) y navegación por satélite: Los relojes cuánticos podrían utilizarse para mejorar la precisión del GPS y otros sistemas de navegación por satélite. Debido a que estos sistemas se basan en mediciones de tiempo precisas para calcular la información de posición, los relojes cuánticos podrían mejorar enormemente su rendimiento y confiabilidad.

Investigación científica: Los experimentos de física, especialmente aquellos que implican medir diferencias de tiempo extremadamente pequeñas, podrían beneficiarse de la alta precisión y estabilidad de los relojes cuánticos. Esto incluye mediciones de constantes físicas fundamentales, experimentos cuánticos de precisión, observaciones astrofísicas y exploración de las leyes fundamentales del universo.

Redes de comunicación: los relojes cuánticos pueden mejorar la precisión de la sincronización de la red, lo cual es fundamental para mantener la confiabilidad de los sistemas de comunicación y transmisión de datos de alta velocidad. A medida que los centros de datos y la infraestructura de red continúan expandiéndose, la necesidad de sincronización horaria continúa creciendo.

Transacciones financieras: en la industria financiera, las transacciones requieren marcas de tiempo precisas. La precisión de los relojes cuánticos se puede utilizar para mejorar la transparencia y la equidad de los sistemas comerciales, especialmente en el comercio de alta frecuencia.

Ejército y defensa: la medición precisa del tiempo es fundamental para los sistemas militares modernos de comunicaciones, navegación, recopilación de inteligencia y armas. Los relojes cuánticos podrían mejorar el rendimiento y la precisión de estos sistemas.

Computación cuántica e información cuántica: Los relojes cuánticos también podrían desempeñar un papel importante en los campos de las computadoras cuánticas y las comunicaciones cuánticas, que se basan en el control y la medición precisos del estado de los bits cuánticos (qubits).

Geofísica y monitoreo del clima: Se espera que los relojes cuánticos se utilicen para monitorear con mayor precisión la rotación de la Tierra, los movimientos de la corteza terrestre y los cambios en el nivel del mar, datos que son críticos para comprender y predecir el cambio climático y los desastres naturales.

Exploración del espacio profundo: en las misiones al espacio profundo, los relojes cuánticos pueden proporcionar una navegación y un control más precisos, ayudando a las naves espaciales a viajar largas distancias en el universo.

Según datos de ICV, el mercado de relojes cuánticos mostrará una tendencia de crecimiento constante de 2023 a 2035, y el tamaño del mercado aumentará de 580 millones de dólares en 2023 a 1.210 millones de dólares, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 5,77%.

(2) gravímetro cuántico

El gravímetro cuántico es un instrumento de alta precisión que utiliza los principios de la mecánica cuántica para medir el campo gravitatorio de la Tierra. Estos dispositivos suelen utilizar nubes de átomos ultrafrías para detectar pequeños cambios en el campo gravitacional realizando mediciones precisas del movimiento de caída libre de los átomos. Los gravímetros cuánticos funcionan basándose en la interferencia cuántica, un fenómeno de la física cuántica en el que las funciones (o estados) de onda de los átomos se dividen, transfieren y recombinan para producir patrones de interferencia mensurables.

A medida que continúa aumentando la demanda de mediciones precisas de campos de gravedad y gradientes de gravedad en aplicaciones de ingeniería e investigación científica, los gravímetros cuánticos y los gradiómetros de gravedad cuánticos se han utilizado ampliamente en el campo debido a sus ventajas de alta confiabilidad de escena dinámica y sin deriva:

Investigación geofísica: detección de movimientos de la corteza terrestre, seguimiento de terremotos, investigación de actividad volcánica, medición del nivel freático, etc.

Exploración de minerales y petróleo: determine la distribución de densidad de las rocas subterráneas para ayudar a descubrir recursos minerales y campos petroleros.

Ingeniería y Construcción: En proyectos de construcción, se monitorean los cambios en la gravedad para evaluar la estabilidad de los cimientos.

Defensa y seguridad nacional: las capacidades de medición de alta precisión de los gravímetros cuánticos tienen aplicaciones potenciales en el sector de la defensa, como la navegación submarina y la detección de estructuras subterráneas.

Sistema de navegación: proporciona información precisa de navegación inercial para submarinos u otros vehículos que requieren datos de referencia terrestre precisos.

En la actualidad, los gravímetros y gradiómetros cuánticos se utilizan principalmente en el ámbito militar. Según datos de ICV, el sector militar y de defensa representó el 44% de la cuota de mercado en 2023, seguido del campo de investigación con una cuota del 33%, mientras que el mercado civil relacionado con la exploración de petróleo y gas representó el 23%.

A medida que la tecnología continúe madurando y el mercado de aplicaciones posteriores continúe expandiéndose, el precio y el rendimiento del producto desempeñarán un papel clave. El mercado civil generará un fuerte crecimiento en los mercados de gravímetros cuánticos y gradiómetros de gravedad cuántica. El tamaño del mercado crecerá rápidamente de 170 millones de dólares en 2023 a 1.070 millones de dólares en 2035, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 15,21%, lo que demuestra el enorme potencial de este campo.

(3) Magnetómetro cuántico

Un magnetómetro cuántico es un instrumento que utiliza efectos cuánticos para medir la fuerza de los campos magnéticos. Generalmente son más sensibles que los magnetómetros tradicionales y pueden detectar campos magnéticos extremadamente débiles. El principio básico según el cual funcionan los magnetómetros cuánticos es que cuando el estado cuántico de determinadas sustancias (normalmente átomos o electrones) se ve afectado por un campo magnético externo, sus niveles de energía cambian. Midiendo con precisión estos cambios en los niveles de energía, se puede deducir la fuerza del campo magnético.

En el mercado actual de magnetómetros cuánticos, la diversidad tecnológica es una característica notable. Varias tecnologías, incluidos magnetómetros de protones, magnetómetros SQUID, magnetómetros OPM, magnetómetros SERF, magnetómetros de centro de color NV, etc., ofrecen ventajas únicas en diferentes escenarios de aplicación. Esto permite que el mercado presente una amplia y diversa gama de opciones en tecnología.

Los magnetómetros cuánticos tienen alta sensibilidad y precisión y tienen una amplia gama de escenarios de aplicación en muchos campos. Los siguientes son algunos de los principales escenarios de aplicación:

Exploración geofísica: los magnetómetros cuánticos se pueden utilizar para detectar minerales magnéticos, como el mineral de hierro, en el suelo, lo que ayuda a los geólogos a identificar recursos minerales. Además, se pueden utilizar para monitorear cambios en el campo geomagnético para predecir terremotos y otros eventos geológicos.

Imágenes médicas: en las imágenes por resonancia magnética (MRI), los magnetómetros cuánticos pueden ayudar a mejorar la resolución y la calidad de las imágenes. Además, se pueden utilizar en imágenes de partículas magnéticas (MPI), una tecnología de imágenes emergente que promete ser un método de imágenes médicas sin radiación en el futuro.

Investigación biológica: los magnetómetros cuánticos se pueden utilizar para medir campos magnéticos débiles en organismos vivos, por ejemplo, para monitorear los cambios del campo magnético en el corazón para estudiar enfermedades cardíacas o para rastrear señales en el sistema nervioso.

Militar y seguridad: en el campo militar, los magnetómetros cuánticos se pueden utilizar para detectar submarinos, minas u otros objetos metálicos ocultos. Además, se pueden utilizar para evitar que los dispositivos espías escuchen y monitoreen.

Espacio y astrofísica: Los magnetómetros cuánticos pueden detectar campos magnéticos débiles en el espacio, lo que ayuda a estudiar fenómenos como el viento solar, los campos magnéticos planetarios y los campos magnéticos interestelares.

Investigación en física fundamental: en física experimental, los magnetómetros cuánticos se pueden utilizar para detectar campos magnéticos extremadamente débiles, lo cual es crucial para la investigación en áreas como la física de partículas, la física cuántica y la física de la materia condensada.

Aplicaciones industriales: los magnetómetros cuánticos se pueden utilizar para pruebas no destructivas, como la detección de pequeñas grietas y corrosión en tuberías, aviones y puentes para garantizar la seguridad de estas estructuras.

Los magnetómetros cuánticos se utilizan cada vez más en la investigación científica, especialmente en física, ciencias de la tierra y biomedicina. Al mismo tiempo, en el campo industrial, los magnetómetros cuánticos se utilizan ampliamente en pruebas de materiales magnéticos, fabricación electrónica, etc. La expansión de estas aplicaciones impulsa aún más el crecimiento del tamaño del mercado.

Según datos de ICV, el mercado de magnetómetros cuánticos mostrará un crecimiento constante de 2023 a 2035, pasando de 480 millones de dólares en 2023 a 1.000 millones de dólares en 2035. Esta tendencia de crecimiento está impulsada principalmente por la investigación científica, la industria y otros campos. Demanda continua de medición magnética de alta precisión en el campo.

6. Panorama de inversión en tecnología cuántica

6.1 Mapa de la empresa de tecnología cuántica

(1) Principales empresas en el campo de la computación cuántica

(2) Principales empresas en el campo de las comunicaciones cuánticas.

(3) Principales empresas en el campo de la medición cuántica.

6.2 Evaluación de las principales empresas nacionales de tecnología cuántica

Referencias para este informe

[1] Zhang Qingrui, "Megatendencias cuánticas"

[2]iCV&Photon Box, "Perspectivas de desarrollo de la industria de la computación cuántica global para 2024"

[3]iCV&Photon Box, "Perspectivas de desarrollo de la industria de seguridad y comunicación cuántica global para 2024"

[4]iCV&Photon Box, "Perspectivas de desarrollo de la industria global de medición de precisión cuántica para 2024"

[5] Soochow Securities, "Información cuántica: la próxima revolución de la información"

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Producido por: China Business News 丨 Centro de Investigación de Inversiones de China Business News

Editor jefe: Qian Kun

Escritor principal: Wang Yuanli

Editor: Huang Yu

Aprobación: Qian Kun y Huang Yu

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Coordinador: Zhu Guoquan y Zhou Jin

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