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澳门威尼斯人开户网址赖俊森:白皮书发布:《量子信息技术白皮书》

2019-12-26 16:20

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  量子信息技术今年热点比较多,同时也有一些争议问题,我们希望进一步为大家做阐述,起到凝聚共识,推动我国应用和产业发展的作用。

  白皮书首先是总体的发展态势,然后是三个领域今年的主要发展应用热点,最后是整体技术与应用展望。量子信息技术包含量子计算、量子通信和量子测量三个领域,从全球发展趋势来看,近两年来全球主要科技强国纷纷加大支持投入,美国出台国家战略概述推动NQI立法,进一步追加量子领域投资,欧盟正式启动量子旗舰计划的首批科研项目,英国2014年首期投资2018年进一步的追加了投资。

  我国科技部、发改委和工信部等部委对量子信息技术发展也积极的给予了支持和引导。今年有量子信息技术的国际标准化是一个热点,全球主要的主流的国际标准化组织纷纷启动信息技术的标准化工作,目前各大标准组织的布局来看,处于启动和加速研究的状态,国内的量子的产业单位也积极愿意参与其中,推动量子技术标准化的工作,澳门威尼斯人开户网址推动在ITU-T成立了量子信息技术焦点组(FG-QIT4N)。

  国内量子信息标准化工作也持续的进展,目前澳门威尼斯人开户网址通信标准化协会,关于量子保密通信相关的标准基本体系已经建立,相关的国标和行标也在正在逐步研究制定过程中,QKD技术也涉及到密码的管理和使用,在澳门威尼斯人开户网址密码技术标准化委员会开展标准研究,2019年正式批复成立的量子技术与测量标准化委员会。从知识产权角度看,量子计算方面专利申请量也非常大,2018年超过了美国,前期与美国有一些差距,整个专利授权是处于第二的位置,专利申请上咱们和主流国家有一些差异,高校和研究机构占据主导。

  在过去的五年量子计算论文发表机构统计上看,可以看出美国研究机构在处于比较领先的地位,前20名占据了10席,咱们国家这几年上升的趋势也比较明显,量子通信专利申请量,咱们国家从应用部署和网络建设已经走得比较快,量子通信专利的申请和授权的数量发展也比较快,量子通信论文领域咱们国家从中科大、清华等等是发文重量级的机构,QKD近年来论文数量逐步的提高,QT研究论文发表的数量有一定的下降,主要与关键技术为突破,没有进入实验和应用的阶段是有关的。

  量子计算,谷歌做的超导量子芯片是53的超导的量子比特,在解决一个特定的计算问题时验证了量子计算优越性,但目前的计算困难问题是没有实用化意义的问题,它的意义在于首次在一个实验中验证了以前理论推导出来的量子计算优势和能力,首次找到了实验的例证,不亚于在量子科技领域放了一颗卫星,这个里面还有一个热点是量子霸权,霸权在公共舆论的语境中有一定的合理性,在可编程通用量子化的能力在科技研究和产业发展升级角度会掌握压倒性的优势,但是这种“量子霸权”的实现有比较遥远的距离,我们也很难预测十年以后的事情,但是综合业界专家的意见还有十年以上的时间,下一步的可预期的目标在哪里?是基于现有量子处理器的芯片或者是量子模拟器专用处理器的芯片,可以真正找到实际的应用,找到一个应用场景可以真正发挥其优势和作用,并产生其价值,这是未来三到五年会有所突破。

  我国量子计算领域研究成果,学术研究是各有亮点,但是应用探索和工程化样机的研制水平方面,包括跟业内的院校和业内公司进行交流和调研,普遍反馈还是有一定的差距,这也不可否认,近年来随着国家量子计算技术领域投资和关注,和国外的差距也在缩小。我们也要保证量子比特其质量,包括相关时间、保证度、拓展性等等方面,现阶段一方面量子物理比特数量提升的曲线上升率非常快,整个发展阶段来看,还是处于做着越来越多的量子物理比特,一方面是探索应用,也希望提炼出来通过纠错等手段提炼出逻辑比特,目前尚未时间这一台阶的跨越。 

  先进国家发展模式上看,美国政府不管是从立法方向还是科技计划上看,第一大要素是通过量子计算的研究和应用的接入,从初创企业到研究机构的并驾齐驱的状态,以美国为代表欧美的这些国际强国开始形成了量子计算研究联盟的优势,这种优势对于我国有隔离和排外的趋势在其中,其他国家像日本、韩国和俄罗斯、以色列这些国家也开始纷纷加大这方面的投入。全球的科技巨头和创业企业的发展态势来看,全球目前已经有量子计算的出厂企业超过一百家,分布图中可以明显的看出,是以欧美科技巨头、创业公司的数量和活跃程度来看,已经覆盖了从软硬件到基础配套到下游的算法和应用的探索整个的全产业链,澳门威尼斯人开户网址是以科技巨头的初步的探索和通过引入一些澳门威尼斯人开户网址籍的外国专家或者是国外公司合作,初创企业目前还是比较初步启动的状态。整个生态发展来看,三大主体、研究机构、初创研究技术推动领域很活跃,但是下一步应用探索,不是从这三大主体就可以自发生长出来的,而是要和不同的行业,航天、军工、材料、工业企业等等进行广泛交流与合作,形成产业和机构研究的联盟,形成联合研发的过程,这是我国整个应用和转化方面相对的短板所在。

  量子计算云平台成为未来杀手级应用的探索的重要途径,未来量子计算能力的开放和介入,国际巨头已经以量子云计算为主战场,也纷纷发布了自己量子计算的云平台,包括上层的量子算法和量子软件开发的功能,初步对量子计算云平台通用架构进行了分析,量子信息目前最大的云平台的结合是机器平台的结合,基础开发、通用开发等等几个层次,对标传统云计算的模式,第一层是量子基础设施服务,通过开放自己的量子比特或者是量子的模拟,通过云计算、经典计算模拟量子处理能力和基础能力的开放,二是量子平台服务,提供基于量子学习软件开发的平台,三是量子软件服务,根据具体应用场景分析设计机器学习的算法,直接面向应用进行打包的量子信息能力的提高。

  量子通信方面去年的白皮书也进行过整体体系的介绍,这里介绍一些今年的热点和趋势,值得一提的是所谓的量子安全直接通信,这是我国的首创,清华大学物理系提出并且团队在持续的跟进研究,为什么前期进展缓慢呢?主要是前期计算方案是需要量子存储的瓶颈,这是一直没有实用化,近年来基于QKD和QT技术的融合和信道编码理论的创新,可以实现不需要存储的量子安全通信,今年也实现了样机的生产,在测试中可以实现文件的加密传输,信息平均传输速率4.96kbps,具有一定实用化的价值,但是同样有瓶颈,需要低温超导相关的探测器,样机工程化水平有很大提升空间。

  目前QKD的调制解调器芯片化是一个趋势,以英国Bristol大学和咱们国内的华为等单位为例,也开始了研究,未来数年可以应用级的方案出台了,预计未来三年会有商用化的产品,但是也有一些瓶颈,包括光源和SPD等核心的器件还是很难实现集成。CV-QKD技术优势是无需SPD,可以重用高科技成熟的产业链,同时探测效率会有提升,同时后处理的DSP的要求也会非常高,长距离的密钥成码率需要进一步的提升,。预计未来在几十公里城域范围之内会是规模化应用可行的方案,目前也逐渐受到了多方的重视,产业化趋势上也会看出,传统的通信设备商,例如华为和烽火等的关注,CV-QKD未来十年有可以发展的场景。

  QKD和无线通信的加密应用结合也是一个重要方向,脱离量子密钥分发的数据已经是经典随机数了,通过加载密钥之后和通信网当中的私有服务器,可以实现加密技术的融合,目前这个商业化方案也已经出来了,也经过了初步的测评。咱们国家前期的投入、各地网络建设也发展的发达,有很多新的玩家加入。

  量子保密通信问题的方面,量子保密通信绝对安全的概念是有争议的,因为密钥分发仅有kbps级的密钥速率,而信息业务都是上千兆信息速率,不能实现一字一密的加密。主要价值在于,首先密钥分发安全性能力上会有所提升,原来协商密钥安全技术的节点,这个节点是信息安全领域高等级安全防护手段保证节点本身自己的安全,但是节点安全的标准各方面研究也在进展过程中,目前没有正式的标准出台。

  漏洞攻击,设备有现实安全性的漏洞,如果这种攻击的手段和防御改进手段不断的出来,也需要对现有设备进行测评与升级。产业化发展方面,也是比较谨慎的看法,CV-QKD工程化水平有比较大提升的空间,设备在各个方面还有技术的难点和短板,整体的系统运维也没有太成熟,从量子计算真正实现破解密码威胁来看还是值得需要很长时间的努力,传统信息安全行业专家也没有闲着,也在积极的进行应对,如何在技术路线竞争取得先机,只能是自己的实用化、工程化水平和网络建设运维的能力整体提升才能市场上占有先机。量子信息主要是面向具有长期高安全需求专网的应用场景,整体市场容量也比较有限,同时也面临市场化的考验。

  量子精密测量是未来测量传感技术发展的必然趋势,量子测定包含五大应用领域与多种技术解决方案,国际上研究向着小型化、芯片化的方向发展,包括芯片上实现的传感器和微波领域,在光学上有了很大的应用,传递精度方面可以光频率的转换,欧美以研究高校和企业为主导,包括雷达、陀螺是航空航天应用比较多,咱们国家是集中在推动领域,相关转化和交流也比较有限。

  总结,量子物理学的基础理论和关键技术还是仍然有待突破的,现阶段量子物理学理论可以很好的描述实验现象,但是仍有一些疑惑难以解释,包括宏观和微观层面的界限在哪等,未来量子物理学的突破是信息技术发展极大的推动,但是出现理论的突破是做产业研究很难来预测的。未来的发展,量子测量的传感器和原形样机应用的探索,量子计算未来杀手级的应用是可以期待的。量子通信中量子信息未来组网是重要的发展方向,量子测量在国防和航天领域有所应用。

  我国在经费的投入、研究人员论文的数量和成果水平也具备比较好条件,我国也有体制机制上的优势,较为完备的工业体系和统一市场,我们是具备和国际先进水平并跑和领跑的机会,当然也面临挑战,我们首先是对顶层设计没有形成有机的整体。领域会存在产业链转化不完全的情况,整体上比较欠缺,同时在芯片、器件、关键工艺上存在着短板,人才培养产业提升程度也不够。

  建议是国家层面出台科研规划和指导产业建议,加快国家重大科技专项的实施,协同通过国家实验室的落地,建立研究与应用的合作机制,推动标准的制定和测评,促进商业化的探索,促进应用的转化。谢谢大家!

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