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中國信息通信研究院賴俊森:白皮書發布:《量子信息技術白皮書》

2019-12-26 16:20

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  量子信息技術今年熱點比較多,同時也有一些爭議問題,我們希望進一步為大家做闡述,起到凝聚共識,推動我國應用和產業發展的作用。

  白皮書首先是總體的發展態勢,然后是三個領域今年的主要發展應用熱點,最后是整體技術與應用展望。量子信息技術包含量子計算、量子通信和量子測量三個領域,從全球發展趨勢來看,近兩年來全球主要科技強國紛紛加大支持投入,美國出臺國家戰略概述推動NQI立法,進一步追加量子領域投資,歐盟正式啟動量子旗艦計劃的首批科研項目,英國2014年首期投資2018年進一步的追加了投資。

  我國科技部、發改委和工信部等部委對量子信息技術發展也積極的給予了支持和引導。今年有量子信息技術的國際標準化是一個熱點,全球主要的主流的國際標準化組織紛紛啟動信息技術的標準化工作,目前各大標準組織的布局來看,處于啟動和加速研究的狀態,國內的量子的產業單位也積極愿意參與其中,推動量子技術標準化的工作,中國推動在ITU-T成立了量子信息技術焦點組(FG-QIT4N)。

  國內量子信息標準化工作也持續的進展,目前中國通信標準化協會,關于量子保密通信相關的標準基本體系已經建立,相關的國標和行標也在正在逐步研究制定過程中,QKD技術也涉及到密碼的管理和使用,在中國密碼技術標準化委員會開展標準研究,2019年正式批復成立的量子技術與測量標準化委員會。從知識產權角度看,量子計算方面專利申請量也非常大,2018年超過了美國,前期與美國有一些差距,整個專利授權是處于第二的位置,專利申請上咱們和主流國家有一些差異,高校和研究機構占據主導。

  在過去的五年量子計算論文發表機構統計上看,可以看出美國研究機構在處于比較領先的地位,前20名占據了10席,咱們國家這幾年上升的趨勢也比較明顯,量子通信專利申請量,咱們國家從應用部署和網絡建設已經走得比較快,量子通信專利的申請和授權的數量發展也比較快,量子通信論文領域咱們國家從中科大、清華等等是發文重量級的機構,QKD近年來論文數量逐步的提高,QT研究論文發表的數量有一定的下降,主要與關鍵技術為突破,沒有進入實驗和應用的階段是有關的。

  量子計算,谷歌做的超導量子芯片是53的超導的量子比特,在解決一個特定的計算問題時驗證了量子計算優越性,但目前的計算困難問題是沒有實用化意義的問題,它的意義在于首次在一個實驗中驗證了以前理論推導出來的量子計算優勢和能力,首次找到了實驗的例證,不亞于在量子科技領域放了一顆衛星,這個里面還有一個熱點是量子霸權,霸權在公共輿論的語境中有一定的合理性,在可編程通用量子化的能力在科技研究和產業發展升級角度會掌握壓倒性的優勢,但是這種“量子霸權”的實現有比較遙遠的距離,我們也很難預測十年以后的事情,但是綜合業界專家的意見還有十年以上的時間,下一步的可預期的目標在哪里?是基于現有量子處理器的芯片或者是量子模擬器專用處理器的芯片,可以真正找到實際的應用,找到一個應用場景可以真正發揮其優勢和作用,并產生其價值,這是未來三到五年會有所突破。

  我國量子計算領域研究成果,學術研究是各有亮點,但是應用探索和工程化樣機的研制水平方面,包括跟業內的院校和業內公司進行交流和調研,普遍反饋還是有一定的差距,這也不可否認,近年來隨著國家量子計算技術領域投資和關注,和國外的差距也在縮小。我們也要保證量子比特其質量,包括相關時間、保證度、拓展性等等方面,現階段一方面量子物理比特數量提升的曲線上升率非常快,整個發展階段來看,還是處于做著越來越多的量子物理比特,一方面是探索應用,也希望提煉出來通過糾錯等手段提煉出邏輯比特,目前尚未時間這一臺階的跨越。 

  先進國家發展模式上看,美國政府不管是從立法方向還是科技計劃上看,第一大要素是通過量子計算的研究和應用的接入,從初創企業到研究機構的并駕齊驅的狀態,以美國為代表歐美的這些國際強國開始形成了量子計算研究聯盟的優勢,這種優勢對于我國有隔離和排外的趨勢在其中,其他國家像日本、韓國和俄羅斯、以色列這些國家也開始紛紛加大這方面的投入。全球的科技巨頭和創業企業的發展態勢來看,全球目前已經有量子計算的出廠企業超過一百家,分布圖中可以明顯的看出,是以歐美科技巨頭、創業公司的數量和活躍程度來看,已經覆蓋了從軟硬件到基礎配套到下游的算法和應用的探索整個的全產業鏈,中國是以科技巨頭的初步的探索和通過引入一些中國籍的外國專家或者是國外公司合作,初創企業目前還是比較初步啟動的狀態。整個生態發展來看,三大主體、研究機構、初創研究技術推動領域很活躍,但是下一步應用探索,不是從這三大主體就可以自發生長出來的,而是要和不同的行業,航天、軍工、材料、工業企業等等進行廣泛交流與合作,形成產業和機構研究的聯盟,形成聯合研發的過程,這是我國整個應用和轉化方面相對的短板所在。

  量子計算云平臺成為未來殺手級應用的探索的重要途徑,未來量子計算能力的開放和介入,國際巨頭已經以量子云計算為主戰場,也紛紛發布了自己量子計算的云平臺,包括上層的量子算法和量子軟件開發的功能,初步對量子計算云平臺通用架構進行了分析,量子信息目前最大的云平臺的結合是機器平臺的結合,基礎開發、通用開發等等幾個層次,對標傳統云計算的模式,第一層是量子基礎設施服務,通過開放自己的量子比特或者是量子的模擬,通過云計算、經典計算模擬量子處理能力和基礎能力的開放,二是量子平臺服務,提供基于量子學習軟件開發的平臺,三是量子軟件服務,根據具體應用場景分析設計機器學習的算法,直接面向應用進行打包的量子信息能力的提高。

  量子通信方面去年的白皮書也進行過整體體系的介紹,這里介紹一些今年的熱點和趨勢,值得一提的是所謂的量子安全直接通信,這是我國的首創,清華大學物理系提出并且團隊在持續的跟進研究,為什么前期進展緩慢呢?主要是前期計算方案是需要量子存儲的瓶頸,這是一直沒有實用化,近年來基于QKD和QT技術的融合和信道編碼理論的創新,可以實現不需要存儲的量子安全通信,今年也實現了樣機的生產,在測試中可以實現文件的加密傳輸,信息平均傳輸速率4.96kbps,具有一定實用化的價值,但是同樣有瓶頸,需要低溫超導相關的探測器,樣機工程化水平有很大提升空間。

  目前QKD的調制解調器芯片化是一個趨勢,以英國Bristol大學和咱們國內的華為等單位為例,也開始了研究,未來數年可以應用級的方案出臺了,預計未來三年會有商用化的產品,但是也有一些瓶頸,包括光源和SPD等核心的器件還是很難實現集成。CV-QKD技術優勢是無需SPD,可以重用高科技成熟的產業鏈,同時探測效率會有提升,同時后處理的DSP的要求也會非常高,長距離的密鑰成碼率需要進一步的提升,。預計未來在幾十公里城域范圍之內會是規模化應用可行的方案,目前也逐漸受到了多方的重視,產業化趨勢上也會看出,傳統的通信設備商,例如華為和烽火等的關注,CV-QKD未來十年有可以發展的場景。

  QKD和無線通信的加密應用結合也是一個重要方向,脫離量子密鑰分發的數據已經是經典隨機數了,通過加載密鑰之后和通信網當中的私有服務器,可以實現加密技術的融合,目前這個商業化方案也已經出來了,也經過了初步的測評。咱們國家前期的投入、各地網絡建設也發展的發達,有很多新的玩家加入。

  量子保密通信問題的方面,量子保密通信絕對安全的概念是有爭議的,因為密鑰分發僅有kbps級的密鑰速率,而信息業務都是上千兆信息速率,不能實現一字一密的加密。主要價值在于,首先密鑰分發安全性能力上會有所提升,原來協商密鑰安全技術的節點,這個節點是信息安全領域高等級安全防護手段保證節點本身自己的安全,但是節點安全的標準各方面研究也在進展過程中,目前沒有正式的標準出臺。

  漏洞攻擊,設備有現實安全性的漏洞,如果這種攻擊的手段和防御改進手段不斷的出來,也需要對現有設備進行測評與升級。產業化發展方面,也是比較謹慎的看法,CV-QKD工程化水平有比較大提升的空間,設備在各個方面還有技術的難點和短板,整體的系統運維也沒有太成熟,從量子計算真正實現破解密碼威脅來看還是值得需要很長時間的努力,傳統信息安全行業專家也沒有閑著,也在積極的進行應對,如何在技術路線競爭取得先機,只能是自己的實用化、工程化水平和網絡建設運維的能力整體提升才能市場上占有先機。量子信息主要是面向具有長期高安全需求專網的應用場景,整體市場容量也比較有限,同時也面臨市場化的考驗。

  量子精密測量是未來測量傳感技術發展的必然趨勢,量子測定包含五大應用領域與多種技術解決方案,國際上研究向著小型化、芯片化的方向發展,包括芯片上實現的傳感器和微波領域,在光學上有了很大的應用,傳遞精度方面可以光頻率的轉換,歐美以研究高校和企業為主導,包括雷達、陀螺是航空航天應用比較多,咱們國家是集中在推動領域,相關轉化和交流也比較有限。

  總結,量子物理學的基礎理論和關鍵技術還是仍然有待突破的,現階段量子物理學理論可以很好的描述實驗現象,但是仍有一些疑惑難以解釋,包括宏觀和微觀層面的界限在哪等,未來量子物理學的突破是信息技術發展極大的推動,但是出現理論的突破是做產業研究很難來預測的。未來的發展,量子測量的傳感器和原形樣機應用的探索,量子計算未來殺手級的應用是可以期待的。量子通信中量子信息未來組網是重要的發展方向,量子測量在國防和航天領域有所應用。

  我國在經費的投入、研究人員論文的數量和成果水平也具備比較好條件,我國也有體制機制上的優勢,較為完備的工業體系和統一市場,我們是具備和國際先進水平并跑和領跑的機會,當然也面臨挑戰,我們首先是對頂層設計沒有形成有機的整體。領域會存在產業鏈轉化不完全的情況,整體上比較欠缺,同時在芯片、器件、關鍵工藝上存在著短板,人才培養產業提升程度也不夠。

  建議是國家層面出臺科研規劃和指導產業建議,加快國家重大科技專項的實施,協同通過國家實驗室的落地,建立研究與應用的合作機制,推動標準的制定和測評,促進商業化的探索,促進應用的轉化。謝謝大家!

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