商用得等，大廠撒手，量子計算路在何方？

2024-01-23 18:40:04 編輯： robot

導讀作者：路多物聯網智庫原創 “如果量子力學沒有給你帶來深刻的震撼，那么你還沒有理解它。” ——尼爾斯·玻爾（諾貝爾物理學獎得主）近日，繼2019年的版本之後，國家發改委發布《產業結構調整目錄（20...

作者：路多物聯網智庫原創

“如果量子力學沒有給你帶來深刻的震撼，那么你還沒有理解它。”

——尼爾斯·玻爾（諾貝爾物理學獎得主）

近日，繼2019年的版本之後，國家發改委發布《產業結構調整目錄（2024年本）》，值得關注的是，在信息產業、計算機及相關設備領域，增加了“量子、類腦等新機理計算機系統的研究與制造”；在通信設備領域，增加了“量子通信設備”等描述。從2021年被“十四五”規劃提及以來，越來越多的企業开始關注量子科技，投身參與到與量子科技相關的各個產業領域當中。

不過，盡管學術圈、金融、網絡安全等領域領域都對量子科技持續看好，在太平洋對面的美國也已經多次發布“國家战略”級別的量子信息計劃，甚至在2020年一度出現即使削減美國基礎科研預算，也要加大AI和量子領域投資的情況。不過，“量子”系始終還沒有實現成熟的商業落地开花，本文將對量子科技的發展以及相關產業的相互影響進行梳理，希望能給行業上下遊企業帶來新的理解和思考。

量子科技概述

現階段的研究範疇主要包括：量子密碼與量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感、量子精密測量，也可以簡單地描述爲量子通信、量子精密測量以及量子計算三大方向。簡單來說，量子信息主要指利用量子力學的基本原理（特別是量子態的基本性質）來實現特定的信息任務。這些基本性質主要包括疊加、幹涉和糾纏。

量子態的疊加：

量子態的疊加是指將兩個或多個量子態相加形成一個新的量子態的過程。這意味着量子系統可以同時處於多個可能的狀態。就像是把紅色和藍色的光混在一起，得到紫色的光一樣。量子疊加允許量子系統在多種狀態中同時存在。

量子態的幹涉：

量子態的幹涉是指當兩個或多個量子態疊加後，它們可以相互幹涉，產生一些特殊的結果。這是由量子波函數的性質所決定的。這種狀態像是水波在相遇時產生的波紋擴散效應。當兩個量子態疊加後，它們會相互影響，產生一些特殊的效果，就像是水波相互幹涉形成波峰和波谷一樣。

量子態的糾纏：

量子態的糾纏是指當兩個或多個量子系統之間存在一種特殊的關聯，它們的狀態無法被獨立描述，只能通過對整個系統的觀測來確定。這種狀態就像是兩個有心靈感應的雙胞胎，他們的想法都能隨時互相關聯。

退相幹

退相幹是量子位中量子態的損失。輻射等環境因素會導致量子位的量子態塌縮。構建量子計算機的一項重大工程挑战是設計各種試圖延遲狀態退相幹的功能，例如構建保護量子位免受外部場影響的特殊結構。

在傳統計算機上，已知的最好的經典算法是基於數論的方法，其時間復雜度是指數級的。但是，Shor算法利用量子計算的特殊性質，能夠在多項式時間內分解大整數，從而實現了指數級的加速。一個著名的例子是Shor的因子分解算法，該算法可以用於分解大整數爲其質因數的乘積。

也就是說，每增加一個量子比特，量子計算機的算力就可增加一倍。這就是量子計算對信息處理的指數加速作用，是經典計算機可望而不可即的神話。這種指數加速作用一旦在技術上得以實現，必將帶來信息處理的革命性變革。

然而，並非所有的量子算法都能實現超多項式的加速。有些量子算法與經典算法具有相同的復雜度，或者只是在某些特定條件下才能實現加速。此外，目前爲止，我們還沒有找到一種通用的量子算法，能夠對所有問題都實現指數級的加速。

商用得等，大廠撒手，又愛又恨的量子計算

但是，盡管已經有相當多的機構和組織在此前對量子計算的市場規模和商用時間進行了估算和預測，量子科技商用元年，至今還是一個未知數。

2018年，波士頓咨詢集團就進行預測，在“基本情況”情景下（假設量子比特的發展速度符合摩爾定律，糾錯能力不變化），量子應用市場將在 2035 年達到約 20 億美元，然後隨着採用率的提高，到 2050 年飆升至超過 2600 億美元以上。

2021年，賽迪智庫發布研究《2021量子計算技術創新與趨勢展望》彼時也提出了量子計算商用可能的判斷：量子比特數到到100-1000位之後，量子計算機有望執行一些具有實際意義和應用價值的算法；錯誤率從0.1%減少到0.01%，將帶來“量子體積”的明顯增長，預示着量子計算機商用；3.若量子相幹時間提升至高於1ms，量子計算機將有進入商用的可能。

結合量子計算所需的物理學基礎與算法基礎，量子計算有望在10-15年內實現商用，預計量子計算的商用元年在2030年左右。以2030年爲量子計算商用元年，預計2030年全球量子計算市場規模將達到140.1億美元，並以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預計會達到489.7億美元的量子計算市場規模。

盡管產業結構調整目錄（2024年本）發布了沒有幾天，具有代表性的國盾量子，其數據還是隨着A股的崩潰而走到了一年內新低。

而隨着業務調整，幾家老牌互聯網大廠也开始將原量子產品的團隊捐給了其他組織：2023年11月末，達摩院表示：爲了進一步推動量子科技協同發展，達摩院聯合浙江大學發展量子科技，達摩院將量子實驗室及可移交的量子實驗儀器設備捐贈予浙江大學，並向其他高校和科研機構進行开放；2024年1月，百度也透露了將量子實驗室捐贈的想法，據悉，百度擬將量子實驗室及可移交的量子實驗儀器設備等捐贈予北京量子信息科學研究院，目前雙方正在推進具體細節。

花开兩朵，各表一枝，由於該領域涉及網絡安全乃至國家安全，美國一些企業對於量子領域卻是持續投入和拓展：

一出場就備受關注，後來又被吊打的懸鈴木，就是谷歌的傑作，2023年7月，谷歌宣布實驗將2019年推出的53量子位的Sycamore處理器提升到了70個量子位，業內最先進的超級計算機Frontier需要47.2年才能計算完成的任務，53個量子位的Sycamore處理器只需要6.18秒就能完成，而新版70個量子位的Sycamore處理器速度則更快。

同樣是傳統大廠的IBM，也長期走在量子科技發展的前沿，IBM在量子系統、雲計算平台、量子計算芯片等多個領域均有所布局，同時聯合了美國能源部阿貢國家實驗室、東京大學、華盛頓大學、科隆大學、哈佛大學等研究機構採用其設備進行科學實驗。

量子計算技術發展有“四高”——高門檻、高投入、高風險、高回報，是一個國家的高層次人才隊伍、科技和經濟發展水平和實力的綜合檢驗。出於成本和短期成果的考慮，企業進行業務板塊調整也無可厚非。可以說，企業對量子計算的態度是又愛又恨，愛的是它潛在的算力和變革能力，恨的則是它實在是燒錢。

量子通信——運營商眼裏的大熱點！

盡管量子科技在十年內商用還存在一些阻礙，但是，量子通信對運營商來說可是一個必須佔領的高地，一方面，一旦實現了商用，很可能對其傳統的蜂窩和寬帶、衛星等等網絡服務造成衝擊；另一方面，提前入局量子通信，對於提升企業的競爭力，增加安全系數和技術壁壘都是非常必要的，不論如何，量子通信這個“螃蟹”是必須要啃的——運營商“賭”的就是這個螃蟹有黃！

國內外運營商在量子通信領域均實現了長期布局與落地：

中國移動

中國移動（移動雲）對量子計算的布局开始於2020年，發布4篇論文、6項專利以及3項軟著，同時打造2項標杆應用。2022年12月，中移動與本源量子官宣合作，後者有償提供基於量子計算機真機驗證的相關量子通信算法，爲5G及6G面臨的算力瓶頸探索量子算法解決方案，雙方籤署了《基於真實量子計算機的通信量子算法研究及驗證》技術規範書，將基於“本源悟源”真實量子計算機進行通信量子算法研究。

2023年8月19日，中國移動攜手中國電科發布“量子計算雲平台”，是業界首次實現“量子與通用算力統一納管混合調度”的系統級平台；

2023年8月30日，中國移動掛牌成立央企首個面向行業應用的量子計算實驗室—“中國移動量子計算應用與評測實驗室”（以下簡稱實驗室），並發布《通信網絡中量子計算應用研究報告》和“五岳”量子雲平台等首批量子計算战略性新興產業成果。同年12月，與玻色量子合作的五岳之——恆山光量子算力平台在蘇州發布。

中國電信

2020年，中國電信宣布啓動鑄盾行動1.0，發布量子安全組網產品，並建成了全球規模最大的量子城域網。基於此，中國電信爲超過1000家企業提供了量子安全服務，保護了超過200億條數據的安全，同時還推出了量子安全通話產品——量子密話，截至目前，用戶數量已突破170萬。

2023年5月，中國電信股份有限公司全資設立中電信量子信息科技集團有限公司，注冊資本高達30億元。同年11月，發布超量融合雲平台“天衍”，以及全系列量子安全產品。中國電信啓動鑄盾行動2.0，該階段的主要任務是：量子安全雲、量子安全OTN、量子密信、量子密碼解決方案。

對於包括量子密話等量子科技業務，也被中國電信寫入年報，展示了企業對於該類產品的重視和布局決心。

中國聯通

和前兩家運營商一樣，中國聯通也是立足於雲，關注量子通信。

2020年12月30日，中國聯通、亨通光電和安徽問天量子成功完成區塊鏈BaaS及應用+量子通信的驗證測試。驗證了量子通信+區塊鏈結合的安全性與可行性，爲該技術在金融、政務、供應鏈、智慧城市等領域的落地打下了基礎。

2021年，中國聯通智能城市研究院與中國雄安集團數字城市科技有限公司、雄安新區智能城市創新聯合會還共同成立了“量子通信技術應用研究聯合實驗室(應用示範中心)”，旨在構建安全可信的全域智能化環境。同年12月，中國聯通發布了《雲時代量子通信技術白皮書》，探討了量子通信技術與傳統信息通信技術的融合發展與應用。此外，中國聯通也牽頭成立了量子通信技術應用研究聯合實驗室，开展科研創新，推進成果轉化。產品包括量子雲盾、量子密話等。

AT&T

來自AT&T公司的Shor在1994年提出的快速質因數分解量子算法（Shor算法），用於大型質因數分解的計算復雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統安全性的基礎。該方法一經提出，就引起了人們對量子計算研究的熱潮。要知道，如果用每秒運算萬億次的經典計算機來分解一個300位的大數，需要10萬年以上；而如果利用同樣運算速率、執行Shor算法的量子計算機，則只需要1秒。

2017年6月，AT&T Foundry 創新中心將與加州理工學院聯合組建量子技術聯盟 (AQT)。該聯盟旨在將工業界、政府和學術界聚集在一起，加速量子技術的發展和新興的實際應用。此次合作還將帶來一個名爲INQNET（智能量子網絡和技術）的研發計劃。該計劃將重點關注未來量子網絡技術對通信容量和安全性的需求。同年年底，該公司與噴氣實驗室和費米實驗室开始研發建造量子網絡。

Verizon

2018年，Verizon公司在全美开始測試量子密鑰分發的技術，Verizon的試驗涉及在兩個地點之間實時加密和傳送視頻流。量子密鑰是在一個光纖網絡上創建和交換的，Verizon表示，這種技術可以立即發現黑客，量子密鑰分發（QKD）網絡利用光子的量子特性來獲得密碼密鑰，以防止竊聽。它還使用量子隨機數發生器連續生成加密密鑰。

2021年8月6日，Q-NEXT新增了兩個企業合作夥伴：Verizon和瑞士蘇黎世儀器公司（Zurich Instruments）。而Q-NEXT是由美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室領導的國家量子信息科學研究中心，由3個國家實驗室、9所大學以及12家美國領先量子技術公司（包括新加入的Verizon 和蘇黎世儀器公司）組成。

2021年10月，Verizon發文表示，量子計算將打破電商與VPN等加密標准，並提出要在此前开發量子安全算法和程序競賽，並從物理與數學當中尋找補救措施。

沃達豐

2022年11月，IBM在量子峰會上表示，沃達豐集團正在與IBM就量子安全網絡安全展开合作，同時還將加入IBM量子網絡，這將使該公司有機會對IBM的先進量子計算系統以及IBM業界領先的量子專業知識進行雲訪問。這家跨國電信公司將與IBM合作，幫助驗證和推進電信領域的潛在量子用例。

2023年7月，沃達豐表示，已經與SandboxAQ公司合作，使用標准智能手機對量子安全VPN進行概念驗證測試。沃達豐表示，該VPN已被調整爲使用美國國家標准與技術研究院（NIST）开發的加密代碼 - 所謂的抗量子加密（PQC）算法 - 被認爲可以抵抗通過量子方法破解。

量子科技產業鏈

2023年12月，信通院發布的《量子信息技術發展與應用研究報告(2023 年)》報告當中，繪制了量子計算產業鏈與國內外代表性企業概況圖。量子計算產業鏈的上遊主要涉及環境支撐系統、測控系統、各類光電元器件與线纜連接器等設備組件，是支持各種技術路线开展原型機工程化研制的基礎保障；量子計算產業鏈中遊主要由硬件和軟件研發制造企業構成，量子計算原型機研制是產業鏈的核心環節量子計算產業鏈下遊包括面向用戶提供服務的量子計算雲平台企業和在各領域开展應用探索的行業企業。

量子計算產業鏈與國內外代表性企業概況圖圖源：信通院

2024年1月，光子盒也發布了全球量子計算產業圖譜，主要根據量子計算機的技術路线進行劃分，產業鏈包括低溫微波組件、超導磁體、預制冷設備、稀釋制冷機、光學設備期間及其他、微博測控系統、I/O連接线、真空設備、芯片設計、制造；離子阱量子計算機、光量子計算機、超導量子計算機、半導體量子計算機、中性原子量子計算機、其他路线以及在軟件和算法上的相關企業。

全球量子計算產業圖譜圖源：光子盒

這裏面有我們熟悉的量子大廠，也有一些專攻某一領域的芯片或光學器件企業。它們組成了量子計算技術路线的產業鏈，對量子計算產業的發展甚至未來科技都起到極爲重要的作用。在未來的某個時間，量子計算機也可能會像如今的電腦一樣越來越小型化、集成化，以至於最後成爲其他設備的一部分。綜合來看，高成本、高回報的量子科技帶動了從底層芯片到各硬件設備端再到應用層軟件與算法的各個板塊的發展。

量子科技，等一個ChatGPT式的“王炸”

NLP時代發展了那么多年，始終沒有激起特別大的水花，甚至GPT也是在2018年就已經誕生，直到ChatGPT帶給全世界以“湧現”和“王炸”。

量子科技也在等待一個“閃耀時刻”，吸引更多組織、企業和個人投入到量子科技的研究和產業發展中來。

至於量子計算何時有用，麻省理工學院的一組研究人員與埃森哲合作开發了一個框架，幫助高管評估量子計算解決公司實際業務問題的潛力。”麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室的研究科學家尼爾·湯普森說。該框架建立了量子經濟優勢的基准，當使用量子計算機比使用同等價格的經典計算機更快地解決特定問題時，就會出現這種優勢。

他們的結論是，中小型問題（典型企業最常見的類型）不會從量子計算中受益。然而，那些試圖通過指數算法增益解決大型問題的人以及那些需要處理非常大的數據集的人將獲得優勢。湯普森說：“量子計算不會對所有事情都變得更好，而只會對某些事情變得更好。”

爲了確定量子經濟優勢，領導者應該考慮兩個條件：1.可行性，意味着量子計算機是否存在足以解決特定問題；2.算法優勢，意味着與同等價格的經典計算機相比，量子計算機可以更快地完成特定任務。

兩者的重疊之處就是量子經濟優勢。

2023美國Gartner發布的技術成熟度曲线則表示，預測量子計算已經超過了過高期望的頂點，距離生產力高原依然有10年以上的時間。如果平台在未來幾年當中無法實現“殺手級”的應用，量子計算或許會迎來“幻滅之谷”的低潮期。

寫在最後

量子科技雖然在應用商業化還需時間成熟，但從技術積累與產業規模來看，各國政府和企業都認真對待這一未來技術方向。未來5-10年，隨着硬件能力的提升和算法優化，不同主流計算路线與產業生態的形成，也爲量子計算提供了良好的技術驅動和商業契機。我們可以期待，隨着主流計算路线持續優化，以及跨領域協同創新不斷深入，量子科技的前景將會越來越光明。

在這個經濟形勢不斷變換的時代，量子科技實現商用的話，在硬件環境設備、量子計算算力以及量子算法三者之一必將有階躍級的突破。未來能否實現“遇事不決，量子力學”，以及MOSS量子計算機的科幻設想，就看接下來的十年！

參考內容：

The Coming Quantum Leap in Computing，2018，BCG

一文讀懂：有關量子計算的十個問題，2023，騰訊研究院

中國電信2023中期報告

《2021量子計算技術創新與趨勢展望》，賽迪顧問

《學科發展態勢評估系列研究報告》之《物理學十年：中國與世界》，郭光燦韓永健史保森