深度研究 | 政治局學習的量子科技最全解讀

2020-10-26

10月16日，中共中央政治局就“量子科技研究和應用前景”舉行第24次集體學習；一時間，“量子科技”在上周末刷屏各大媒體網站，成為討論風口。其實，自十九大以來，十九屆中央政治局共進行過24次集體學習，內容涉及黨建、法治、經濟、城鄉建設、國防、媒體、科技等

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“量子”是指某個物理量的最小單位；基于此概念，物理學界提出研究物質世界微觀粒子運動規律的“量子力學”；“量子科技”則是將“量子力學”引入“信息科學”，交叉而成的一門新生學科。
目前，全球圍繞著“量子科技”延伸的“量子計算”和“量子通信”兩大領域展開博弈，我國在量子通信層面居于世界領先水平，但在量子計算方向還是追趕者。
當前形勢下，相比“量子計算”尚處理論及實驗階段，“量子通信”迎來“產業前夜”，更具產業化前景，且表現出：（1）“上游元器件及設備”及“中游系統集成”是當前產業核心；（2）“國盾量子、問天量子、九州量子”三足鼎立，均源自中科大；（3）量子通信雖處市場藍海，但短期內領域產業化存在不確定性。
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10月16日，中共中央政治局就“量子科技研究和應用前景”舉行第24次集體學習；一時間，“量子科技”在上周末刷屏各大媒體網站，成為討論風口。其實，自十九大以來，十九屆中央政治局共進行過24次集體學習，內容涉及黨建、法治、經濟、城鄉建設、國防、媒體、科技等，其中就已多次涉及前沿技術相關問題：

  • 2017年12月8日，第2次集體學習主題是“實施國家大數據戰略”

  • 2018年10月31日，第9次集體學習主題是“人工智能發展現狀和趨勢”

  • 2019年10月24日，第18次集體學習主題是“區塊鏈技術發展現狀和趨勢”

這些集體學習的背后，都在就著前沿科技、核心技術等問題展開布局，確保對最前沿的技術發展有著清晰的認識，并確保適時將其納入規劃和治理中。那么，此次學習“量子科技”意在何為？


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量子科技是什么？


理解“量子科技”，必須先了解什么是“量子”、什么是“量子力學”。

  • 首先，什么是“量子”？

量子一詞來自拉丁語“quantus”，意為“有多少”，由德國物理學家普朗克1900年所提出；在學術定義上，一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把這個最小單位稱為“量子”。通俗來說：
在統計人數時，可以有1個人、2個人，但不可能有半個人、1/3個人。在上臺階時，只能上1個臺階、2個臺階，而不能上半個臺階、1/3個臺階。這其中，1個人就是1個量子，1個臺階就是1個量子。
因此，量子不是某種粒子，只是某個物理量的最小單位。

  • 其次，什么是“量子力學”？

在“量子”概念上，經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤等人完善，作為研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，“量子力學”在20世紀前半期初步建立。
圖：1927年第五屆索爾維會議
（這張照片包含很多量子力學先驅人物）
這一深奧理論的詳細內容在此不做過多贅述，畢竟，量子力學作為一門挑戰人類認知極限的物理學科，僅僅“難懂”二字無法概括其艱難程度。
該理論提出后：不僅研究原子、分子、激光這些微觀世界時必須用到量子力學，而且研究宏觀物質的導電性、導熱性、硬度、晶體結構等性質時也必須用量子力學。
其實，當前碩果累累的各類技術成就，幾乎都與“量子力學”有關： 
打開一個電器，導電性是由量子力學解釋的，芯片、存儲器、顯示器的工作原理是基于量子力學的。走進一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車，燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研制新的化學工藝、新材料、新藥，也都離不開量子力學。
因此，“萬物皆可量子力學”、“遇事不決，量子力學”也不僅僅是戲稱。
  • 那么，“量子科技”又是什么呢？
了解完量子、量子力學，理解“量子科技”就有了一定基礎，它是將量子力學和信息科學交叉的一門新生學科，即：以量子力學為基礎，把量子系統“狀態”所帶有的物理信息，進行信息編碼、計算和傳輸的全新信息技術。
但如果將“量子科技”簡單解釋為全新信息技術，還不足以凸顯其價值，其領先的戰略地位以及科學意義在于因“量子力學”所賦予的3大基本原理——“量子比特、量子疊加、量子糾纏”。
量子比特：所包含的信息量遠超過只能表示0和1的經典比特。量子比特是量子計算機的最小儲存信息單位，一個量子比特可以表示0也可以表示1，更可以表示0和1的疊加，即可處在0和1兩種狀態按照任意比例的疊加。
量子疊加：量子的變化是有規律可循的，但又不能精確計算。著名的“薛定諤的貓”理論，就曾形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。
量子糾纏：兩個量子無論距離多遠，都能產生一種關聯性互動。量子糾纏在一起時，與距離等因素沒有關系，當改變其中一個粒子狀態時，另一個粒子會立即作出反應，而且這個反應速度是超光速的，瞬間完成。
這3大基本原理交織在一起，讓量子科技成為一本“無字天書”——量子疊加帶來不可能精確測量及信息保密、量子比特帶來超級量子計算機、量子糾纏讓隔空傳輸成為可能等等；換句戲稱來說，能研究出啥全憑“感覺”，“最終解釋權”歸量子力學。


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量子科技有多重要？

自“量子科技”問世以來，從上世紀開始就已先后“孕育”出原子能、激光、核磁共振、光刻機、GPS等新技術，成為20世紀最重要的科學發現之一。
進入21世紀，以“量子計算、量子通信”為代表的量子科技研究與應用在全球范圍內加速發展，帶來了量子科技革命的第二次浪潮。
圖：量子計算示意圖

圖：量子通信示意圖
這次浪潮影響之下，將使得傳統信息技術迎來“降維式打擊”，以當前各國爭相競奪的“量子計算、量子通信”領域來說：

  • 量子計算：將顛覆摩爾定律，沖擊半導體行業發展

在傳統計算機中，信息處理只能在0或1中取一個值，要獲得問題最優解，就需要把所有的可能性都計算一遍。但在量子計算機中，由于量子疊加態的存在，1個量子比特可以同時記錄0和1兩個狀態，兩個處于疊加態的量子比特發生“量子糾纏”后，就會有4種狀態（2的2次方）；如果100個量子比特發生“量子糾纏”，則會出現2的100次方種狀態。如此海量的狀態，可以讓量子計算機擁有超強的計算能力。
圖：1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態
目前，世界上運算最快的計算是我國“天河二號”超級計算機，每秒達到3.39億億次的計算量，但量子計算機卻是其速度的百萬倍；在此情況下，現有計算機要60萬年才能破譯的密鑰，量子計算機只要3小時。
那么，量子計算如何顛覆摩爾定律呢？
摩爾定律，是指“集成電路芯片上所集成的元器件數目，每隔18-24個月就翻一番，但性能提高一倍”。理論上來說，摩爾定律是沒有問題的；但芯片材質決定著其物理極限，硅材料的物理極限是3nm，目前芯片正從10nm變成7nm再變成5nm，當制造工藝未來達到3nm時，摩爾定律將不再適用。
針對這一尷尬局面，目前有3種方法可以解決：
（1）改變傳統晶體管，更換成物理極限更小的材質；但弊端在于，當新材質的物理極限來臨時，又需要考慮如何破解。
（2）優化當前老算法，考察芯片的好、快，優秀的算法也起著至關重要的作用；但弊端在于，當前老的算法同樣存在極限。
（3）通過量子計算打造“量子芯片”，破而后立、另辟新路，實現彎道超車。目前，作為國產代表作的華為麒麟990已達到7nm制造工藝，下一步將朝著5nm工藝發展，相信未來達到3nm也只是時間問題；那么，在面臨美國打壓情況下，朝著“量子芯片”方向發展，不得不說也是一條出路。
圖：華為麒麟990（7nm工藝制造）
此外，通過量子計算也能減少計算機因巨大能耗導致的芯片發熱、速度減慢等問題，究其原因在于量子霍爾效應及量子反?；魻栃以趹脤用嬉驳玫津炞C。
在使用計算機時，設備會經常遇到發熱、能量損耗、速度變慢等問題；這是由于常態環境下，芯片中的電子運動沒有特定的軌道，導致電子相互碰撞從而發生能量損耗。但量子計算機的量子霍爾效應，則可以對電子的運動制定一個規則，讓電子在各自“跑道”上“一往無前”地運行。
但是，由于量子霍爾效應需要非常強的磁場，相當于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。
為此，在量子霍爾效應基礎上，科學家研究得出“量子反?；魻栃?，即：不需要任何外加磁場，由材料本身的自發磁化產生，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。
這其中，“量子反常霍爾效應”提出者便是此次中共中央政治局“量子科技研究和應用前景”集體學習的“講師”——中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤先生。

  • 量子通信：實現量子保密通信，乃至構建量子互聯網

量子通信與眾不同之處在于，相比經典通信只有0和1兩個信號，量子通信不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。根據量子力學不確定性原理和不可克隆原理，量子信號一旦被竊聽，量子疊加態就會受到擾動，這樣一來，通信雙方就能立即察覺。

圖：經典通信之下的竊聽及黑客攻擊
這其中涉及“量子密鑰分發”和“量子隱形傳送”兩大概念。
簡單來說，“量子密鑰分發”是利用量子的不可克隆性，對信息進行加密，屬于解決密鑰問題；“量子隱形傳送”則是利用量子的糾纏態，即使相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變，這個“改變”不受光速限制的，瞬間完成。

圖：“量子密鑰分發”和“量子隱形傳送”

來源：招商證券。 

好比古人在通信時，往往在信封上用火漆封口，假如一旦信件在中途被人拆開，馬上就會留下泄密的蛛絲馬跡。而量子態的作用比火漆完成得更徹底，因為一旦有人打開“信件”，“信件”不僅自動銷毀，而且及時告知使用人“信件”已被人打開、并且自動銷毀了。


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當前量子科技發展如何？

在了解量子科技發展如何之前，我們先看看外部形勢怎樣。

  • 外部形勢：大國博弈、全球競爭，頗有當年“太空競賽”意味

要相信你的競爭對手更知道你想做什么。
就在中共中央政治局第24次集體學習前一周，美國白宮科學和技術政策辦公室于10月7日發布了《量子前沿報告》，提出：
美國在量子信息科學領域保持領導地位，為了確保美國的長期繁榮、國家安全、科技優勢等，政府將繼續加大對量子科技的研發，和人才的培養。到目前為止，已有16個聯邦部門參與了“國家量子計劃”，包括所有國家安全機構。
如果你僅僅以為就發布了這一份報告，那就錯了，因為從2018年開始，美國在量子科技方面的動作就一直不斷：
  • 2018月6月，白宮國家科技委員會（NSTC）成立量子信息科學子委員會；
  • 2018年9月，量子信息科學子委員會發布《國家量子信息科學戰略概覽》；
  • 2018年12月，美國通過《國家量子倡議法案》（NQIA）；
  • 2019年3月，白宮科技辦宣布成立白宮國家量子協調辦公室；
  • 2020年2月，美國在2021年預算提案中，提議大幅增加量子信息科學研發開支，并在兩年內將量子信息科研的支出增加一倍至8.6億美元；
  • 2020年2月，美國發布《美國量子網絡戰略遠景》，提出國家量子互聯網；
  • 2020年7月，美國能源部公布“量子互聯網發展戰略藍圖”。

圖：2018年12月，美國《國家量子倡議法案》

這架勢，給人感覺“沒完了”，頗有當年太空競賽意味。除美國以外，歐盟、英國、德國也都提出了各自在“量子科技”領域相應計劃：

  • 2016年3月，歐盟發布《量子宣言》，計劃斥資10億歐元推動量子技術，計劃聚焦在量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計算機4個領域；

  • 2016年12月，英國發布《量子技術：時代機會》；

  • 2018年11月，德國通過《量子技術：從基礎到市場》計劃，將投入6.5億歐元，重點研究量子衛星、量子計算和測量技術等領域。

此外，日本、韓國、新加坡等也均發布了各自“量子信息科學發展計劃”。

  • 我國發展：量子通信居于世界領先水平，量子計算我們還是追趕者

既然各國都在摩拳擦掌、準備爆發，那么主要集中哪些領域呢？上文已經提到，以“量子計算、量子通信”為代表，開啟了21世紀的量子科技革命的第二次浪潮，這也是全球目前主要爭奪的兩大領域。
那么，我們在這兩個領域發展如何？
（1）量子通信：處于領先地位，走在了世界前列
在量子通信領域，我們稱得上一句“老大哥”，先看看“業績”如何：

  • 2016月8月，我國成功發射世界上第一顆量子通信衛星“墨子號”；

  • 2017年9月，成功開通世界首條2000公里量子保密通信干線“京滬干線”；

  • 2018年，我國科學家為量子技術申請專利的數量是美國的兩倍多；

  • 2020年2月，中科大潘建偉院士等團隊，成功實現相距50公里光纖存儲器間的量子糾纏，為邁向量子互聯網做出概念驗證；

  • 2020年6月，中科大潘建偉院士等團隊，千公里級、無中繼、遠距離量子保密通信取得突破，向構建量子互聯網邁出重要一步。


圖：世界上第一顆量子通信衛星“墨子號”

對比下時間軸線，相信就能明白為何上文美國那么“緊張”。

目前，我國在量子通信方面走在全球前列，2019年我國量子通信市場規模達到425億元，經相關機構預測，2024年我國量子通信市場規模將達到912億元。

圖：2017-2024年我國量子通信市場規模情況（億元）
來源：根據網絡材料，由金地研究院整理。

（2）量子計算：美國初步實現“量子霸權”，我國目前以理論研究為主

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等歐美科技企業擁有先發優勢；我們還在追趕，主要以理論研究為主。據全球量子計算技術發明專利排行榜顯示：

①從國家層面來看：美國占比43%，已初步實現在量子計算領域的“量子霸權”；我國目前占比12%，位居第3，僅占美國的1/3不到。

圖：截至2020年9月全球各國量子計算技術發明專利排行榜

②從公司層面來看：在100家入榜企業中，IBM、谷歌、微軟、英特爾等巨頭正在形成壟斷，IBM以554件專利位居第1，前5美國占據4家。

我國僅本源量子入選前20，其他企業都或多或少帶有中科院、國防科技大學以及國企平臺公司背景；這兩年，阿里巴巴、騰訊、百度和華為等科技企業也相繼出臺量子計算研究計劃，先后關注和加大量子計算領域投入。


表：截至2020年9月全球各公司量子計算技術發明專利排行榜

2019年1月，IBM推出全球首個獨立商用量子計算機，命名為IBM Q System One，這是首臺可商用的量子處理器；

2019年10月，Google在Nature上發表論文表示，其用53個量子比特的超導量子芯片，耗時200s完成運算，當前超級計算機需要大約1萬年時間。

圖：2019年量子計算機研制取得重大進展

注：(a), (b) IBM 推出的全球首套商用量子計算機 IBM Q System One；(c), (d) Google 推出的 53 個量子比特的超導量子芯片。圖片來自昆侖策研究院。

據相關機構預測，量子計算市場到2035年將達到20億美元；若量子計算技術迭代速度超出預期，物理量子位的錯誤率這一瓶頸能夠克服，則2035年可突破 600億美元。尤其面臨5G時代來臨，對量子計算而言，更說得上是“如魚得水”，相應市場規模可能有望進一步得到增長：

5G時代，數據爆發增長速度將比以往更加猛烈。2020年，全球產生數據量將超過40ZB，相當于每個人產生5200GB數據；相關機構研究表示，這些數據中，約有40-50%左右數據（將超過16000EB）將被云提供商所“獲取”，約有30%左右數據（將超過12000EB）將具有大數據價值。

基于現有超級計算算力，在如此龐大的數據面前，數據量超出了內存和處理器的承載上限，人工智能將需要經歷非常漫長的訓練學習過程，甚至有可能無法實現的人工智能，這就必須依托量子計算來予以實現。



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哪些產業值得關注？

首先需要明確，“量子科技”在產業化層面還沒那么廣泛，但扯著“量子概念”的旗號、收割信息差價和智商稅的，倒是不少。

  • “量子通信”迎來“產業前夜”，更具產業化應用前景

當前形勢下，在“量子通信”和“量子計算”兩大賽道中：“量子通信”迎來“產業前夜”，更具產業化前景；而“量子計算”尚處理論及實驗階段，是長遠角度的考慮。
目前，量子通信產業鏈已初具雛形，而且伴隨著國家量子通信網絡部署規模擴大，將有望進一步推動產業化應用：
據悉，量子通信通常通過光纖傳送單光子，由于單光子量子態信號與傳統光信號同光纖混合傳輸時將導致性能劣化；因此，在量子通信系統組網時，通常需要鋪設額外的獨立光纖線路。
伴隨首條量子保密通信干線“京滬干線”建成，截至2018年底，我國已建成的光纖量子通信網絡總長達7000余公里。未來隨著量子通信骨干網和城域網逐步擴大，有望持續帶動量子通信產業發展。

圖：我國量子通信網絡建設情況

  • “上游元器件及設備”及“中游系統集成”是當前產業核心
從產業鏈來看，量子通信主要包含上游元器件及設備、中游系統集成，下游平臺及應用。
圖：量子通信產業鏈示意圖

來源：天下財經，招商證券

（1）上游：主要包括量子通信的元器件、光纖、終端，國內能夠提供核心設備的公司并不多，目前形成寡頭格局，主要有科大國盾量子、安徽問天量子、浙江九州量子等。

（2）中游：主要包括網絡傳輸干線提供商和系統集成商；其中，提供傳輸干線服務的主要為“移動、聯通、電信”三大運營服務商，提供系統集成服務則有“神州信息”、“中國通信”等。
（3）下游：主要包括金融、軍事、政務等各種行業應用，提供的產品包括量子電話、基于量子保密技術的IDC、量子白板等。

表：部分量子通信產業鏈代表企業
注：此處在金融、軍事、政務等領域的行業應用企業不做過多統計。
在上述量子通信產業鏈之中，“上游元器件及設備”及“中游系統集成”是當前產業核心；此次中共中央政治局集體學習“講師”——中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤先生，在面對“中央廣電總臺中國之聲”專訪時，更是明確強調了這點：
實際上在量子科技、量子技術上，我們國家當前短板和現在傳統信息技術的短板有點類似，比如說支撐設備、關鍵核心元器件等方面，所以我覺得加強關鍵核心元器件這種高端的技術材料、設備，都是需要解決的一些短板。

  • “國盾量子、問天量子、九州量子”三足鼎立，均源自中科大

在“上游元器件及設備”及“中游系統集成”兩個環節中，雖然不只有一家參與者，但以“科大國盾量子、安徽問天量子、浙江九州量子”為主，形成了三足鼎立格局。
這三家企業都與中科大有淵源，國盾量子和問天量子均起源于中科大，也是最早進行量子科技產業化的公司，分別由量子科學兩大帶頭人潘建偉院士和郭光燦院士創辦成立；此外，九州量子創始人鄭韶輝也具有中科大背景，曾是中科大博士研究生。
但無論是科大國盾、問天量子還是九州量子，最核心的產品都圍繞上中游產業鏈，提供量子密鑰分發設備(QKD)以及單光子探測器，并進行產品銷售、系統調試服務、運維服務。
在三足鼎立格局中，國盾量子率先突圍，2020年7月22日在科創板上市（目前，控股股東科大控股持股18%，潘建偉院士持股11.01%，公司認定的9名核心技術人員全部持股），得到資本市場認可，這使得量子通信產業化也開始加速，對整個行業起到積極意義。


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產業化之路還有多遠？

  • 量子通信雖處市場藍海，但產業化卻充滿不確定性
雖然量子通信這一市場處在藍海，但同時，量子通信作為前沿技術，需要國家和各地政府對光纖鏈路、網絡建設等方面進行大力投入和支持，這其中就存在著諸多不確定性；國盾量子更是在招股書中，列了30項風險因素，包括技術研發失敗、核心人員流失、客戶集中度高、發展靠政府補貼等，這些不確定性問題就更為凸出。
目前，國盾量子還未找到一個多樣、長期的to B/C商業化模式，營收、客戶都較為單一，總結下來有兩個特點：
①政府項目為主，收入主要來源于為各地政府建設的量子通信項目，幾乎沒有市場化機構參與，甚至沒有移動、聯通、電信等通信領域項目；
②客戶圈子很小很窄，幾乎都和國盾量子有著千絲萬縷的關系。
在此情況下，作為量子通信第一股的國盾量子，未來發展尚未明朗；所以，量子通信能否實現整體領域的產業化應用，就更充滿了不確定性。
因此，短期內，量子通信無法形成大規模產業化，對各類產業載體需求不會有顯著增加，對園區招商也無法帶來顯著增量。
結語：
掌握創新的主動權，才能掌握發展的主動權。經過此次集體學習，我國量子科技有望在“產業前夜”中再度奮進，加快市場拓展和商業化應用，帶動產業發展。