“新产业50人论坛”之陈柳平：量子通信与量子计算的商业实践

10月23日，由中关村发展集团主办，中关村产业研究院承办的“新产业50人论坛”上，启科量子联合创始人/CTO陈柳平发表了《量子通信与量子计算的商业化、产业化实践》主题演讲。

量子前哨作为特邀媒体参加了此次论坛。

启科量子联合创始人/CTO陈柳平

论坛现场，陈柳平从全球量子信息技术（尤其是量子通信和量子计算技术）的发展背景、产品技术、市场和商业化三大方面进行全面阐述。陈柳平认为，量子计算的产业发展机遇是将引领下一个50年的新一代信息技术。

发展背景

量子信息技术的第二次量子革命包括量子通信、量子计算和量子测量。其中，量子通信是基于量子力学原理提供无条件安全的通信保证，量子计算是具有巨大信息携带量和超强并行计算能力，量子测量是测量超越经典极限的精度、灵敏度和稳定性。陈柳平说道，量子信息技术的原理性优势可以突破经典技术瓶颈，在科技发展、经济及国防建设、新兴产业培育等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响，并成为全球信息技术演进和产业升级的焦点。

演讲现场

论坛现场，陈柳平还将中、美在量子计算的国家战略布局进行了对比。在中国，量子科技发展具有重大意义和战略价值，是对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

在美国，量子计算领域的战略布局明显更早。从1942年的曼哈顿计划，到1961年的阿波罗计划，再到2018年，美国签署了《国家量子促进法案》（NQI）美国历史上在联邦层级对新领域布局的第三次重要立法，2019年，美国发布了《未来工业发展规划》科技和产业发展的四大“基础设施”量子信息技术/人工智能/先进制造业/5G，2020年，美国还公布了十年内建成与现有互联网并行的量子互联网。

那量子计算可以解决我们现在/将会面临的哪些痛点问题呢？

陈柳平提出了两点：信息安全瓶颈和计算能力瓶颈。

信息安全瓶颈：

1、在全球高度信息化、网络化、数字化的背景下，网络信息安全事件每年给全球带来高达近万亿美元的经济损失；

2、涉及国家安全、军事、外交、政务、经济、金融、商业、基础设施等众多领域；

3、经典加密算法随着计算能力的提高，原则上都会被破解。

计算能力瓶颈：

1、半导体制程工艺逐渐接近1—2nm，电子的运动不再遵守经典物理学规律，摩尔定律面临极限，经典计算规模和速度无法再提升；

2、全球数据量呈指数级增长，每两年翻一番，随着大数据与人工智能时代的到来，现有算力已远不能满足发展的需要；

3、超算中心及数据中心能耗巨大，模式难以为继。

演讲现场

以量子通信为例，它是一种产业化条件已经成熟的量子技术。陈柳平提出，量子通信的安全性源于量子力学的基本原理，可实现传递经典信息过程中密钥的绝对安全。

量子密钥分发（QKD）是利用光子的量子状态加载并传输信息，由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆，从而可以实现抵御任何窃听的密钥分发。利用量子密钥分发进行安全通信的网络各节点间产生的量子密钥可以对传统的语音、图像以及数字多媒体等通信数据进行加密和解密，能保证用其加密的内容不可破译，不可复制、并具有实时察觉监听等特性，从而实现无条件安全的通信。

从量子通信技术发展历程上看，1984年，发布了第一个量子密钥分发协议BB84协议；1999年，发布了连续变量QKD方案（CVQKD）；2003年，发布了量子直接通信方案（QSDC）；2005年，发布了诱骗态量子密钥分发理论；2010年，发布了光纤诱骗态量子密钥分发达到200公里。根据公开资料和国金证券研究所，陈柳平讲解梳理了国内外量子通信应用大事件。

陈柳平说道，量子密钥分发网络（QKD）可以克服经典通信被窃听的风险，从而大大提高通信安全系数，量子通信可视作光纤两端加上能代替常用光模块功能、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。

此外，陈柳平认为，量子计算也是信息时代的“核武器”。以量子比特为基本单元，利用量子态叠加和纠缠等性质，具备巨量信息携带和超强并行计算能力，可以在特定问题上实现计算规模和速度指数级提升。举例来看，312万个计算芯片，峰值计算速度每秒5.49亿亿次，即5.49*10^16次。中科院院长白春礼曾说过，使用“天河二号”（由国防科学技术大学研制的超级计算机系统）求解一个亿亿亿变量方程组，所需时间为100年，而使用一台万亿次量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。

随后，陈柳平讲解了量子计算机的发展历程，共分为1981年至1998年的理论研究阶段和2007年至今的商业化阶段。

理论研究阶段：

1981年，费曼提出量子计算机的概念；1985年，David Deutsch描述了通用量子计算机；1992年，Deutsch-Jozsa提出了D-J量子算法；1994年，Peter Shor提出算法破解RSA加密；1996年，Lov Grover量子搜索算法；1998年，MIT与拉斯阿莫斯国家实验室运用液态核磁共振实现量子计算；1998年，Bernhard Omer提出量子计算编程语言。

商业化阶段：

2007年，D-wave公司实现历史上第一台商用量子计算机；2019年10月，谷歌发布了53位量子芯片，实现“量子优越性”。

陈柳平认为，全球主流通用量子计算发展方向有两种：离子阱VS超导，主要原因是离子阱和超导可满足量子计算的五项基本准则：

1、具有表征量子比特的可扩展系统；

2、能很好的将量子态初始化至初态；

3、退相干时间比门操作时间长；

4、拥有一套通用的量子门操作；

5、具有特定量子比特的测量能力。

基于这些，全球都在抢占量子计算技术高地，美国能源部颁布过《量子信息科学与技术路线图》，美国国防部颁布了《量子信息科学与技术现状》，欧洲发布了《量子技术旗舰计划》。

从全球领先的量子计算机综合性能发展现状上看，截至2021年4月公开数据表示，从事离子阱技术路线的IonQ和Honeywell分别以400万和512万的量子体积占据第一、第二，从事超导技术路线的IBM和Google则分别以64和32的量子体积占据第三、第四。其中，量子体积（Quantum Volume）是IBM创建的一个度量标准，用于衡量通用量子计算机的计算能力。更大的QV表示可以以更高的精度操作更多的量子位。

技术与产品

量子通信产品系列主要包含量子通信网络核心设备、量子通信网络运维产品、量子安全应用产品、核心组件。

量子通信网络核心设备：量子密钥分发设备、光量子交换机、波分复用终端、QKD光芯片；

量子通信网络运维产品：量子网络管理服务器、量子密钥控制服务器、量子安全云、抗量子算法；

量子安全应用产品：量子VPN、量子随机数发生器、密钥管理机、量子充注机；

核心组件：高速窄脉冲激光器、高速单光子探测器、单光子探测器、单光子探测模组。

我国量子通信技术上引领世界，具体应用场景上包括京沪干线、墨子号量子卫星、星地QKD网络等。在量子通信技术发展方向上，涉及到增加传输距离，如测量设备无关（MDI）、双场（TF）系统；解决安全漏洞，如卫星中继系统；提高密钥成码率；实现大规模组网，如量子密钥分发（SD-QKDN）组网体系；结合抗量子密码算法，如QKD何PQC融合，可以解决QKD预置密钥问题，提高网络系统安全性，PQC的长期安全性。

量子通信产业发展趋势正趋向于芯片化、国产化、小型化、标准化。

芯片化：由光学模组到集成光电芯片；

小型化：3U——1U——板卡；

国产化：基础元器件（激光器、单光子探测器、电子芯片）——量子通信设备、传统通信设备（QKD设备、光交换机、VPN）——系统集成商与运营商（电信运营、智慧城市）——客户应用软件（量子安全传输、量子保密视频）——行业个人用户（政务、国防、金融、交通、电力）；

标准化：国际组织如中国通信标准化协会（CCSA），ITU等制定量子通信标准——2009年，量子通信相关设备作为城域网、骨干网基础设施（政务网、金融行业、智慧城市）；2017年，重视客户应用需求，通过量子密钥云平台（智能手机、移动终端、智能电车）。

陈柳平还讲解了IonQ离子阱量子计算机处理器（器件层）的尺寸及量子计算机系统（设备层）的小型化、及未来八年的路线图。并将IBM的超导量子计算机的稀释制冷机与Google的超导量子计算机内核进行对比分析，全面讲解了美国IBM在2020年底所公布的产品路线图。

在全球量子信息生态体系中，根据波士顿顾问公司发布报告可知，以顾问服务商、应用服务商、中间件提供商、硬件提供商、硬件技术配套商、中间件及应用商为布局的生态体系已经形成。

市场与商业化

当前，我国量子通信网络建设规划有以下两个方面：

1、十四五期间，量子通信城际网将全面贯穿各省、直辖市、自治区以及特别行政区。

2、我国各省、自治区内的主要城市将同步建设量子通信城域网，各地区的国防、金融、电力、能源、政务等重要领域用户接入量子通信网络，实现我国各领域的全面信息安全。应用场景包括物联网、政务、电力安全、数据采集及共享、云应用、医疗卫生、金融安全、数据中心、国防军事、司法等领域，量子通信的规模点涉及城市级安全云、城市级随机数标配、城市级组网、城市随机数产业园、智能手机单款100万级、数据库服务器标配、游戏单款爆款。

陈柳平表示，在量子通信产业发展上，国内已经初步形成较完善的产业链，技术上达到国际领先水平。同时还布局在五大核心领域：技术应用、系统平台、传输与组网、核心设备、核心器件。据2020年前瞻产业研究院预测，2021至2025年，中国量子通信产业规模将从445亿元达到835亿元。根据中国工业和信息化部、信息通信研究院公布数据显示，全球主要量子通信产业主要聚集在中国。代表公司有问天量子、国盾量子、国科量子、九州量子、国腾量子、启科量子、中创为量子、循态量子。

那量子计算机的行业应用与规模点表现在哪些方面？

行业&应用上，包括量子云量子互联网、密码分析核爆模拟、人工智能算法/大数据、金融风控保险理赔、药物设计基因分析、气象预报灾害预测应急保障、石油勘探等方面；规模点有互联网云计算公司政务大数据、国防军工量子互联网、城市级IDC算力移植、城市级组网应急/治理/海绵、保险单据大垂直用户。

2020年12月波士顿咨询发布报告显示，NISQ时代未来3至5年市场规模将达2至50亿美元，广泛的量子优势在5至10+年市场规模将达25至500亿美元，全面容错在10至20+年市场规模将达450至8500亿美元，可覆盖领域涉及最佳路径、复杂金融建模、化学建模、行为推理、生产优化、荷载优化、人工智能、模拟药物开发、复杂物流、高效电池、密码学、天气预测、物理模拟、农业生产、计算机视觉、能源生产、材料发现、高效化学合成、分子动力学、蛋白质合成、网络优化等方面。

根据中国工业和信息化部、信息通信研究院公布数据显示，全球主要量子计算产业主要分为大型企业和初创公司两类，主要分布在美国（大企业6家、初创公司20家）、欧洲（大企业1家、初创公司12家）、英国（初创公司9家）、中国（大企业4家、初创公司5家）、加拿大（初创公司9家）、日本（大企业3家、初创公司5家）、新加坡（初创公司2家）、澳大利亚（初创公司2家）、白俄罗斯1家、以色列1家、新西兰1家。

其中，中国从事量子计算领域研究的大企业有阿里巴巴、华为、百度、腾讯，初创公司有本源量子、启科量子、图灵量子、量旋量子、玻色量子。而全球近年来初创上市的主要量子信息公司有：专注于量子通信领域的国盾量子2020年7月在科创板上市，专注于量子通信领域的 Arqit 2021年9月在美国NASDAQ上市，专注于量子计算方向的IonQ 2021年10月在美国NYSE上市，专注于量子计算方向的Rigetti 2021年底在美国NYSE上市，还有更多的量子公司正在筹划......

文：慕一

编辑：王珩

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