量子计算&通信：面向未来的超级算力 【浙商计算机】

谷歌于2024年12月9日宣布研发出一款运算能力超强、适用量子计算机的芯片，宣称这种芯片只用5分钟即可完成现有运行速度最快的计算机要10尧（10的25次方）年才能完成的任务，相关研究成果发表于9日出版的英国《自然》杂志。这款芯片名为“威洛”，虽然量子比特多，但错误率却减少了一半，而且还具备适时纠错的能力，谷歌宣称其为研制 “实用的大规模量子计算机铺平了道路”。除谷歌外，微软、英伟达、亚马逊也纷纷入局量子计算。 

国内方面，2024年8月以来，华为多条量子计算相关专利申请公开，其中量子计算方法及设备早在2020年1月14日就已经申请。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算机作为执行量子计算任务的设备，以量子比特（qubit）为基本运算单元。在量子计算中，基于量子叠加原理，量子比特的不同状态可被同时存储和处理。量子计算为解决某些经典计算机难以处理的复杂问题提供了新的可能性，有望在密码破译、材料设计以及人工 智能等方面得到广泛应用。

2 量子通信保障通信安全

2.1 量子通信：让通信更安全

量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，可以有效解决信息安全问题。量子通信是迄今唯一被严格证明无条件安全的通信方式，量子通信所依赖的信息载体是量子态，由于量子具备测量坍缩的特点，因此窃听者对量子通信进行的任何观测行为都会对量子态造成改变，从而通信的双方就能够迅速察觉到窃听行为，及时终止通信，并在之后根据需要更改信道。量子密钥分发和量子隐形传态是量子通信的两项主要技术。 

测量坍缩是量子通信中重要的基本原理，表明测量会导致量子的状态发生改变。微观粒子无法用确定的动量和位置描述，但微观系统的运动状态可以完备地用量子态描述，也就是使用波函数。波函数包含了粒子所有可能状态的信息，这些状态可能是多个本征态的叠加。对这个微观粒子进行测量时，粒子的波函数会从多个可能状态的叠加态突然变成其中一个确定的本征态，称之为量子坍缩。 

量子纠缠是量子通信工作的另一个基本原理，微观世界中，纠缠的粒子即使各自相隔距离很遥远，之间也没有任何介质，但是其中一个粒子的行为将立即影响到另一个粒子的状态。

量子通信使用少数量子态传递信息，比如光子。传统的电磁波通信虽然使用到了光子， 但是使用到的光子数量多且冗余，窃听者观测或窃取少量光子即可获取通信信息，而对电磁波产生的影响却难以被察觉。

2.2 量子密钥分发：利用测量坍缩防窃听

量子密钥分发本质是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密钥，主要用于给传统的通信加密。加密通信广泛地应用于军事、金融、商业等领域。用户传输机密的信息时，无论是通过网络还是无线电传输，信息都存在被第三方截取窃听的可能，因此需要对机密信息加密。然而加密信息理论上存在着被破解的可能，且未来如果量子计算技术能够大幅提升计算机的计算能力，则现在的许多密码都可能被暴力破解。量子密钥分发技术利用了量子态测量坍缩的特点，可在双方发送一段信息用于判定通信是否正在被第三方窃听。

如下图所示，蓝色为发送方，绿色为接收方，发送方和接收方拥有不同类型的偏振滤色片，只有偏振方向与偏振滤色片符合的光子才能够通过滤色片。其中，发送方拥有为上下偏振、左右偏振、上左下右偏振、上右下左偏振4种滤色片，接收方则只有2种偏振滤色片，分别是上下+左右、上左下右+上右下左。对于光子，假设上下偏振和上左下右偏振代表 0， 左右偏振和上右下左偏振代表1（也就是说，光子的2种不同的偏振对应于同一个代码，另外2种偏振对应于另一个代码），那么光子的偏振态就可以转化为二进制编码。

通信开始时，发送方（下称Alice）通过随机选取9次滤色片，将9个光子依次发送给 接收方（下称Bob）。Bob随机选取9次“+”字或“×”字偏振滤色片将送来的光子逐一过滤。下一步是关键步骤，Bob 通过常规通信手段将自己使用的偏振滤色片的序列（“+”或 “×”）告知Alice，Alice 把Bob 所告知的滤色片的序列与自己使用的序列逐一对照，然后告知Bob哪几次用了正确的滤色片。如果传输没有受到窃听或干扰，那么下图中，Alice会告诉Bob第1、4、5、7、9次使用了正确的滤色片。上述代码依次排列后，为00110，可作为双方共享的密钥，双方对此都心知肚明。 

对于窃听者，如果不观测传输中的光子，那么至多只能知道 Bob 通过常规通信手段所 发出的Bob使用偏振滤色片的序列，以及Alice告知Bob哪几次使用了正确的滤色片。但是仅凭这两点无法推算出代码信息，因为Bob的偏振滤色片同时支持2种偏振态的光子通过，且这两种光子对应的代码分别是0和1（比如Bob告知Alice第1次接收时自己用的是“+”， Alice 告知 Bob 用的偏振滤色片是正确的，对窃听者而言，只能知道光子可能是上下偏振或者左右偏振，但缺乏更多信息来判断究竟是哪一种。又由于上下对应于“1”，左右对应于“0”，因此这种设计使得窃听者无法进一步推算出对应的代码是哪一个）。

而如果窃听者观测到了传输中的光子，则光子的偏振态会发生改变，Bob接收到的光子偏振态可能与 Alice 发射的不一致，这样双方经过上文所述的沟通后，能够察觉到窃听者。 以第一列光子为例，如果窃密者在接收端前插入“×”滤色片，光子偏振状态可能改变成上右 下左的斜偏振，接收方仍使用“ + ”滤色片，得到左右偏振光子，经确认后此位变成“1”。 此时，Alice认为第一位为“0”，而Bob认为第一位为“1”。这种出错经过奇偶校验核对非常容易发现和纠正，双方将出错段予以删除后留下的部分就是共享密钥。

量子密钥分配所传输的是单个光子序列，因此传输速度低，无法传输大量文件数据，只能用于密钥共享。当双方确认了密钥的安全性后，再使用经过密钥加密后的数据在网络上进 行常规传输。因此，可以认为，量子密钥分发技术应用的本质是加密，而主要信息的传输则依赖于传统的通信手段。

2.3 量子隐形传态：利用量子纠缠传输量子态

量子隐形传态是一种利用量子纠缠进行信息传输的技术，可将一个粒子的量子态以不超过光的速度传输给另一个粒子。量子不可克隆、不可观测，因此在不改变原量子的情况下，直接将一个量子的所有信息完全复制并转移给另一个量子是无法实现的。而量子隐形传态，基于量子纠缠，可以在不测量原来量子全部信息、复制后原量子状态改变的前提下，将原来的量子状态，完全转移给另一个量子。由于量子隐形传态过程中需要借助常规信息传输，因此速度无法超越光速。

如下图所示，假设有一对纠缠的光子，光子1在厦门，光子2在北京。此时，希望把位 于厦门的光子3的量子态传递给北京的光子2。此时使用一块立方晶体（分束器），将光子1 和光子3分别从2个端面打入（如下图所示）。如果2个探测器同时探测到光子，则可以断 定光子2的量子态已经与原来的光子3一样，此时Alice将这一信息告知Bob后，Bob就可以确认传输已经完成。一般地，Alice对光子1和光子3进行测量，将测量结果告知Bob后， Bob 根据信息对光子3做幺正变换，即可将光子2的量子态转换为光子3原来的量子态。

当前的量子隐形传态传输能力有限，要真正实现复杂量子物理系统的完整态传输，并把它应用于可扩展的量子信息技术，量子隐形传态就需要走向多体、多终端、多自由度、高维度和远距离。

3 量子竞争日趋激烈，中国量子技术领先

量子信息领域国际科技竞争日趋激烈：截至2023年10月，29个国家和地区制定和推出了量子信息领域的发展战略规划或法案文件，投资总额累计超过280亿美元。以2018年欧盟“量子旗舰计划”和美国《国家量子倡议（NQI）》法案为重要标志，各国在量子信息领域规划布局持续加速。

在量子计算专利数方面，中国本源量子公司超越美国 IBM 位居首位。根据日本 VALUENEX 统计，自 20 世纪90年代以来，量子计算机方面中国累计拥有3217项相关专利，超过了拥有2740项专利的美国。其中，本源量子公司跃居为全球公开专利数首位，2021 年至2024年，本源量子新增了363项专利，超过同一时期美国IBM公司的212项。本源量子成立于2017年9月11日，是国内首家将量子计算正式推向商用领域的量子计算企业，由中国科学院院士郭光灿和中国科学技术大学郭国平教授带领中科大博士团队创立。

中国在量子通信科研领先。截至2023年9月中国量子通信发文量约为5000篇，是第二名美国的2倍以上。截至2023年9月，全球有98家量子通信企业，其中42家为中国企业。

3.1 我国量子通信领域多次开创先河

我国在量子通信领域的重要实践，包括“墨子号”量子卫星发射、量子保密通信 “京沪干线”建设、城市量子通信网络建设等。

量子卫星：墨子号是中国研制的首颗空间量子科学实验卫星，于2016年发射升空，计划开展星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。中国后续还计划发射“墨子二号”“墨子三号”，并在2030年力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络，构建信息充分安全的“量子互联网”。

量子通信骨干网络是一种基于量子通信技术构建的，连接多个重要节点城市或地区的大型通信网络。它就像是交通网络中的高速公路，承担着大量信息的快速、安全传输任务。我国已拥有全球唯一的大规模广域量子网络。

“京沪干线”：量子通信骨干网络“京沪干线”项目于2013年7月立项，2017年9月 29 日正式开通，是世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线。可满足上万用户的密钥分发业务需求，已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。整个网络覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

国家广域量子保密通信骨干网络：在“京沪干线”基础上进一步拓展，一期工程于2022 年全线贯通并通过验收，覆盖京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈等国家重要战略区域，地面干线总里程超10000公里，是全球首个大规模广域量子网络。

量子城域网：早在2012年，合肥就率先建成了我国乃至全球首个规模化量子通信网络 ——合肥城域量子通信试验示范网。2022年8月，安徽合肥开通了当时全国最大、覆盖最广、应用最多的量子城域网——合肥量子城域网，包含8个核心网站点和159个接入网站点，光纤全长1147公里。项目由中电信量子科技有限公司承建、科大国盾量子技术股份有 限公司提供核心设备。在加密技术领域，合肥量子城域网已实现“量子+政务”“量子+移动办公”，未来可向“量子+数据库”“量子+防伪”等扩展。

4 量子通信实现初步商用

4.1 量子通信已实现初步商用

量子通信在国防、政府、金融等对保密要求高的领域拥有重要价值。例如，包括对数据中心的加密、构建量子保密通信城域网、骨干网及星地量子通信网络，向用户提供安全加密的通信服务，目前中国已实现广域量子保密通信网络的构建。除传统的保密领域外，量子通信的实际应用范围非常广泛，对安全保密有需求的个人、家庭和企业，都可以接入量子保密通信网络。

量子密钥分发（QKD）技术已经实现初步商用。例如，国盾量子作为国内第一家从事量子科技产业化的企业。在量子通信领域，公司已经推出了量子保密通信以及量子安全应用产品。

量子保密通信产品主要用于构建量子保密通信网络，包括应用于城域和骨干网的QKD 产品，用于量子密钥的分发和存储；量子卫星地面站产品是星-地量子密钥分发的核心设备，协同微纳量子卫星可实现量子密钥分发、密钥中继与数据传递等功能；光量子交换设备用于实现量子信道时分复用，解决了量子通信组网的复杂性以及成本高等问题；密钥系统交换密码机适用于数据机房场景，在量子保密通信网络中属于管控层终端设备，该设备可以与量子层设备、管控层服务系统、应用层设备共同搭建量子保密通信网络。

量子安全应用产品范围相当广泛，涵盖G端、B端与C端。产品包括：量子安全服务移动引擎（为用户提供本地接入和漫游接入的功能）、国密邮盾（安全邮件客户端产品，防止邮件泄露）、国盾密语蓝牙耳机（基于量子密钥保护语音通讯隐私，防窃听）、量子身份安全系统（有效保障应用系统访问控制安全）、量子安全智能办公本（实现终端数据加密上云）、量子安全执法记录仪（保障音视频通话中数据传输链路的安全）、国盾密会（保障会议隐私安全）、量子安全高清对讲机（对讲信息安全加密）。

量子通信应用潜力巨大：除了传统的国防、政府、金融机构对保密需求较高外，实际上企业与个人对于通信的保密需求与日俱增。考虑到量子通信技术可以防止任何第三方窃听，因此，如果能够实现完全防窃听，相关应用有望对企业与消费者产生较高吸引力。

5 风险提示

技术进展不及预期：如果量子计算的技术进展放慢，则对量子通信的需求不再急迫。

商业化落地不及预期：量子技术较为前沿，商业化落地过程中存在多种不确定性，只有找到真正有需求的场景，才能实现推广。

市场竞争风险：如果大量企业进入，可能造成竞争加剧。

政府财政不及预期：政府、军队等领域对加密通信要求高，是量子通信的重要市场， 如果财政不及预期，可能会影响相应的采购。