量子科技行業(yè)發(fā)展趨勢報告

1、 量子科技行業(yè)發(fā)展趨勢報告打破摩爾定律之矛，守護(hù)信息安全之盾 1、 量子科技上升為國家戰(zhàn)略，二次產(chǎn)業(yè)浪潮將至1.1 量子科技上升為國家戰(zhàn)略量子科技產(chǎn)業(yè)獲政策持續(xù)支持，已上升為國家戰(zhàn)略。回顧過去多年國家對量子科技 產(chǎn)業(yè)的支持，中國對量子科技的布局較為超前。早在 2006 年發(fā)布的國家中長期科學(xué) 和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20062020 年）中，就已經(jīng)提出“重點研究量子通信的載體和 調(diào)控原理及方法，量子計算，電荷自旋相位軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控方 法”。在 2013 年發(fā)布的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（20122030 年）中， 再次強調(diào)了“為空間網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)研究提供必要的實驗

2、驗證條件”。2015 年 發(fā)布的中國制造 2025中，提出“積極推動量子計算”的規(guī)劃。2016 年的“十三五 規(guī)劃”以及“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，均對量子計算、量子通信、 量子密鑰技術(shù)等研發(fā)和應(yīng)用提出了要求，量子科技已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略。量子信息技術(shù)或?qū)⒊蔀橹袊皳Q道超車”的核心技術(shù)之一。我們認(rèn)為，當(dāng)前正處于 國家“十四五”規(guī)劃編制的重要窗口期，政治局會議集體學(xué)習(xí)量子科技，再次凸顯量子 科技作為國家戰(zhàn)略的頂層設(shè)計。量子信息技術(shù)在面向“十四五”乃至更長遠(yuǎn)的未來，有 望成為中國在全球科技產(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握產(chǎn)業(yè)鏈話語權(quán)的重要核心技術(shù)，具有深 遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。產(chǎn)業(yè)在政策的驅(qū)動下，將進(jìn)一

3、步迎來加速發(fā)展。1.2 量子科技產(chǎn)業(yè)即將迎來第二次浪潮量子力學(xué)的發(fā)展促使量子科技產(chǎn)業(yè)第一次浪潮興起。量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元， 是不可分割的微觀粒子（譬如光子和電子等）的統(tǒng)稱。量子力學(xué)研究和描述微觀世界基 本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其相互作用，與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論基礎(chǔ)， 上世紀(jì)中葉，隨著量子力學(xué)的蓬勃發(fā)展，以現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)和凝聚態(tài)物理為代表的量 子科技第一次浪潮興起。其中誕生了激光器、半導(dǎo)體和原子能等具有劃時代意義的重大 科技突破，為現(xiàn)代信息社會的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。然而，受限于對微觀物理系統(tǒng)的 觀測與操控能力不足，這一階段的主要技術(shù)特征是認(rèn)識和利用微觀物理學(xué)規(guī)律，例如能 級躍

4、遷、受激輻射和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但對于物理介質(zhì)的觀測和操控仍然停留在宏觀層面，例 如電流、電壓和光強?；A(chǔ)研究帶來技術(shù)突破，量子科技產(chǎn)業(yè)即將迎來第二次發(fā)展浪潮。進(jìn)入二十一世紀(jì)， 隨著激光原子冷卻、單光子探測和單量子系統(tǒng)操控等微觀調(diào)控技術(shù)的突破和發(fā)展，以精 確觀測和調(diào)控微觀粒子系統(tǒng)，利用疊加態(tài)和糾纏態(tài)等獨特量子力學(xué)特性為主要技術(shù)特征 的量子科技第二次浪潮即將來臨。量子科技浪潮的演進(jìn)，有望改變和提升人類獲取、傳 輸和處理信息的方式和能力，為未來信息社會的演進(jìn)和發(fā)展提供強勁動力。量子科技將 與通信、計算和傳感測量等信息學(xué)科相融合，形成全新的量子信息技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)前量子科技主要應(yīng)用于量子計算、量子通信和量子測量

5、三大領(lǐng)域。量子信息技術(shù) 是指通過對光子、電子和冷原子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進(jìn)行精確的人工調(diào)控和觀測， 借助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論無法實現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處 理信息。當(dāng)前量子科技主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大技術(shù)領(lǐng)域。1）量子計算：算力的飛躍。量子計算以量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演 化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲計算，具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力。 量子計算技術(shù)所帶來的算力飛躍，有可能成為未來科技加速演進(jìn)的“催化劑”，一旦取得 突破，將在基礎(chǔ)科研、新型材料與醫(yī)藥研發(fā)、信息安全與人工智能等經(jīng)濟(jì)社會的諸多領(lǐng) 域產(chǎn)生顛覆性影響，其發(fā)展與應(yīng)用對國家

6、科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要促進(jìn)作用。2）量子通信：傳輸?shù)母甙踩浴Ａ孔油ㄐ爬梦⒂^粒子的量子疊加態(tài)或量子糾纏效 應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，基于量子力學(xué)原理保證信息或密鑰傳輸安全性，主要分量子 隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。量子通信和量子信息網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展，將對信息安全 和通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革和影響，成為未來信息通信行業(yè)的科技發(fā)展和技術(shù)演進(jìn) 的關(guān)注焦點之一。3）量子測量：測量精度的顯著提升。量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密 測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方 面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。量子測量主要包括時間基準(zhǔn)、慣性測量、重力測量、磁 場

7、測量和目標(biāo)識別五個方向，應(yīng)用涵蓋基礎(chǔ)科研、空間探測、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地 質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。2 、量子計算：打破摩爾定律的鋒利之茅2.1 從量子計算的前世今生，看量子計算優(yōu)勢何在？上世紀(jì) 50 年代提出量子計算概念，當(dāng)前處于第二次“量子革命”。1959 年，美國理論物理學(xué)家理查德費曼（Richard Feynman）提出利用量子效應(yīng)進(jìn)行計算的概念。 從技術(shù)趨勢上來看，第一次量子革命啟動了基于量子力學(xué)原理的最初一輪技術(shù)革命，人 類開始認(rèn)識和掌握微觀物質(zhì)世界的物理規(guī)律并加以應(yīng)用，誕生了包括激光、半導(dǎo)體和磁 共振成像（MRI）等具有劃時代的重大科技突破。本輪的量子科技創(chuàng)新屬于第二次“量 子革

8、命”。受益于激光原子冷卻、單光子探測和單量子系統(tǒng)操控等微觀調(diào)控技術(shù)的突破和 發(fā)展，人類得以精確觀測和調(diào)控微觀粒子系統(tǒng)。量子計算是一種基于量子力學(xué)的計算模式，量子計算機擁有的計算能力存在遠(yuǎn)超傳 統(tǒng)計算機的潛力。經(jīng)典計算機在執(zhí)行某些任務(wù)時遇到瓶頸，例如：1）大數(shù)因數(shù)分解；2） 數(shù)據(jù)庫隨機搜索。而量子計算中提出的大數(shù)質(zhì)因子（Shor 算法）、隨機數(shù)據(jù)庫搜索（Grover 算法）就很好的解決了這兩個問題。從量子計算的路線圖來看，短期目標(biāo)是實現(xiàn)量子霸權(quán)，即代表量子計算裝置在特定 測試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計算機的計算能力；中期實現(xiàn)量子模擬計算機，即使用 經(jīng)典計算機來模擬某些量子算法；遠(yuǎn)期實現(xiàn)量子通用計

9、算機。從“薛定諤的貓”，到“疊加態(tài)”理論，再到量子比特?！把Χㄖ@的貓”實驗是這樣 描述的：把一只貓放進(jìn)一個封閉的盒子里，然后把這個盒子連接到一個裝置，其中包含 一個原子核和毒氣設(shè)施。設(shè)想這個原子核有 50% 的可能性發(fā)生衰變。衰變時發(fā)射出一個 粒子，這個粒子將會觸發(fā)毒氣設(shè)施，從而殺死這只貓。根據(jù)量子力學(xué)的原理，未進(jìn)行觀 察時，這個原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，因此，這只可憐的貓就應(yīng)該相應(yīng)地處 于“死”和“活”的疊加態(tài)。非死非活，又死又活，狀態(tài)不確定，直到有人打開盒子觀 測它。科研人員在物理世界中的電子自旋中也找到了這樣的疊加態(tài)，電子可以同時是“上” 和“下”，電子的自旋狀態(tài)是“上”和“下”

10、按一定幾率的疊加。物理學(xué)家們把電子的這 種混合狀態(tài)，稱為疊加態(tài)。量子比特在狀態(tài)編碼時就具有這樣的特性。量子計算就是在量子力學(xué)允許的范圍內(nèi)操縱量子比特。量子計算是基于量子力學(xué)的 新型計算方式，利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單 元，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)計算處理。隨著量子比特數(shù)量增加，量子計算算力可呈 指數(shù)級規(guī)模拓展，理論上具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力。為什么量子計算有這樣的優(yōu)勢？由于量子比特可以同時處于比特 0 和比特 1 的狀 態(tài)，量子門操縱它時，實際上同時操縱了其中的比特 0 和比特 1 的狀態(tài)。操縱 1 個量子 比特的量子計算機可以同

11、時操縱 2 個狀態(tài)。為什么說量子計算就可以實現(xiàn)并行運算。而 經(jīng)典計算機中的傳統(tǒng) Bit 位，一位只能編碼一個狀態(tài)。量子計算可以在一個量子位上， 操控 2 個比特位，因此當(dāng)一個量子計算機同時操控 N 個量子比特的時候，它實際上能夠 同時操控 2N 個狀態(tài)，其中每個狀態(tài)都是一個 N 位的經(jīng)典比特，QPU 算力隨比特數(shù) n 的增 長呈冪指數(shù) 2n 增長，這就是量子計算機的并行計算能力。2.2 量子計算目前進(jìn)展到了什么程度？各國政府都非常重視量子科技，國外巨頭紛紛投入量子計算研發(fā)。政府層面上來看， 目前全球主要的經(jīng)濟(jì)體都計劃保持對量子信息的投資。美國近十年來，已通過“量子信 息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”等項

12、目，以每年約 2 億美元的投入力度，持續(xù)支持量子信息各 領(lǐng)域研究。歐盟 2016 年推出“量子宣言”旗艦計劃，在未來十年投資 10 億歐元，支持 量子計算、通信、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應(yīng)用推廣，并在 2018 年 11 月正式啟動 首批 20 個研究項目。日本文部科學(xué)省 2013 年成立量子信息和通信研究促進(jìn)會以及量子 科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)，計劃未來十年內(nèi)投資 400 億日元，支持量子通信和量子信息領(lǐng) 域的研發(fā)。企業(yè)層面上來看，谷歌、IBM、英特爾和微軟等科技巨頭近年來大舉進(jìn)軍量子計算領(lǐng) 域，并且與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)系統(tǒng)等科研機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主 要集中在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域

13、，目前這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域取得較好成果。具體到產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，加拿大公司 D-Wave 一直在自行研發(fā)能夠運行量子退火算法的 量子計算機。根據(jù)公司的披露，D-Wave 下一代量子計算平臺，包括了研發(fā)中的量子處理 器和云服務(wù)的更新，完整的系統(tǒng)將會在最近兩年以本地安裝與云服務(wù)兩種方式的形式投 入市場。IBM 發(fā)布的超導(dǎo)量子比特的量子計算云平臺 IBM Research Quantum Experience， 公眾可以在頁面上注冊賬號，編寫量子算法，通過云平臺模擬或者實際使用位于 IBM 實 驗室的量子計算機運行自己的算法。谷歌也推出了 72 比特的量子計算芯片“狐尾松”。量子計算是國家戰(zhàn)略，

14、我國目前的參與者以科研機構(gòu)和高校為主。我國將量子科技 確定為國家戰(zhàn)略。高校和科研機構(gòu)方面，我國主要有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、中 國科學(xué)院、清華大學(xué)、南京大學(xué)、北京計算科學(xué)研究中心等高校和機構(gòu)參與量子計算的 產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域已取得一定成果。從各國高水平 SCI 論文總量和熱點論文來看， 美國位列第一，我國、德國分列第二和第三位。企業(yè)方面，阿里巴巴、騰訊、百度和華為等也積極參與產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，紛紛建立相 關(guān)實驗室，阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計算云平臺，華為宣布了由量子計算模擬器和編 程框架組成的云平臺。今年 9 月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計 算云平臺，使普通用戶也能通過云

15、技術(shù)使用量子計算。我國在量子計算方面未來需要在 算法、器件、生態(tài)方向?qū)崿F(xiàn)突破。在量子計算領(lǐng)域的細(xì)分領(lǐng)域，我國的科研機構(gòu)已經(jīng)取 得了一些研究成果，具有一定的國際地位，同時也要意識到我國與美國及歐洲主要國家 之間，仍然存在差距。2.3 技術(shù)路線多樣化，短期仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)量子計算還處于原型機研發(fā)階段，技術(shù)上仍面臨多項挑戰(zhàn)。從技術(shù)的維度出發(fā)量子 計算機面臨以下四方面的問題。1）擴(kuò)展性。在進(jìn)行量子計算的時候，要保持量子比特處 于相干態(tài)中，而且隨著量子比特數(shù)量增加，保持相干態(tài)變得越來越難，進(jìn)行量子比特的 進(jìn)一步擴(kuò)展困難重重。2）相干時間短。在極其短暫的時間段內(nèi)，完成一定邏輯操作，對 于量子邏輯門之間的切換

16、速度要求非常高。退相干相對于量子門操作時間要足夠長，以 保證在系統(tǒng)退相干之前能夠完成整個量子計算的過程。3）去相干糾錯。量子計算機因為 無法避免量子比特退相干出錯，引入了糾錯機制；而由于去相干的糾錯機制，目前還無 法實現(xiàn) 1 個真正的能夠容錯的滿足量子計算的邏輯比特。4）輸入和末態(tài)的測量。要能夠 把量子比特初始化為一個標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，即要求量子計算的輸入態(tài)是已知的，同時具備對量子 計算末態(tài)進(jìn)行測量的能力。量子計算存在多種技術(shù)路線，目的是制作出最基本的物理實現(xiàn)粒子。目前實現(xiàn)量子 計算存在多種技術(shù)路線，主要包括離子阱、量子點、拓?fù)淞孔?、核自?電子自旋、超導(dǎo) 體系等。無論采用何種物理機制，目的都是為了制作

17、出糾纏態(tài)的最基本粒子。但總體上 仍然處于探索性研究階段，哪一個方案是最優(yōu)方案還沒有塵埃落定。一方面要高度關(guān)注 目前看來非常有競爭力的方案，另一方面要保持一個相對寬廣的研究面，支持不同方案 的自由探索和相互競爭，做到點面兼顧。超導(dǎo)量子計算路線具有相對優(yōu)勢。就目前而言，谷歌、IBM、英特爾等企業(yè)均在積極 開展超導(dǎo)量子比特實驗研究，超導(dǎo)量子電路具有一定相對優(yōu)勢。超導(dǎo)量子計算利用超低 溫“凍結(jié)”粒子的運動進(jìn)而實現(xiàn)粒子狀態(tài)的控制。由于超導(dǎo)量子電路的能級結(jié)構(gòu)可通過 外加電磁信號進(jìn)行調(diào)控，電路的設(shè)計定制的可控性強，。同時，得益于基于現(xiàn)有的成熟集 成電路工藝，超導(dǎo)量子電路具有多數(shù)量子物理體系難以比擬的可擴(kuò)展性

18、。國際上的研究 顯示，利用超導(dǎo)器件，有望在不遠(yuǎn)的將來，演示量子技術(shù)在計算方面的優(yōu)勢，率先實現(xiàn) “量子霸權(quán)”。2.4 產(chǎn)業(yè)化仍處初級階段，技術(shù)突破或?qū)韽V闊市場量子計算并行能力強、能耗低，作為基礎(chǔ)科技的突破未來有望賦能多個行業(yè)。與經(jīng) 典計算相比，量子計算具有以下特點：并行計算能力更強。由于量子疊加效應(yīng)，量子計算過程中的幺正變換可以對處于 疊加態(tài)的所有分量同時進(jìn)行操作，因此量子計算機可以同時進(jìn)行多路并行運算。在解決 實際問題時量子處理器可以利用量子疊加性快速遍歷問題的各種可能性并找到正確答案。能耗更低。傳統(tǒng)芯片的特征尺寸很?。〝?shù)納米）時，量子隧穿效應(yīng)開始顯著，電 子受到的束縛減小，使得芯片功能降

19、低、能耗提高，這即是傳統(tǒng)摩爾定律面臨失效的原 因。量子計算中的幺正變換屬于可逆操作，因而信息處理過程中的能耗較低，這有利于 大幅提升芯片的集成度，進(jìn)而提升量子計算機算力。作為基礎(chǔ)科技，量子計算機具備超級計算能力。一旦實現(xiàn)突破，將在新材料研發(fā)、 生物醫(yī)療、金融分析乃至人工智能領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，徹底改變當(dāng)前消費、醫(yī)療、網(wǎng) 絡(luò)、金融、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域的發(fā)展格局，能夠促進(jìn)社會進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會 生產(chǎn)力的提高。產(chǎn)業(yè)化處于初期階段，若實現(xiàn)突破未來市場規(guī)模空前。量子計算在核心挑戰(zhàn)沒有突 破之前，市場主要集中于研發(fā)階段，其空間有限，不過量子計算是一個快速增長的市場。 根據(jù) IDC 的預(yù)測，到 202

20、7 年，全球量子計算市場規(guī)模將達(dá)到 107 億美元，與 2017 年相 比，10 年內(nèi)增長超過 40 倍。而前期的商業(yè)模式最有可能以云服務(wù)的方式來實現(xiàn)。量子 和傳統(tǒng)計算的異構(gòu)解決方案將是實現(xiàn)過渡的主要方式，即將量子和古典計算結(jié)合成一個 “混合量子/古典”層來加速計算，應(yīng)用程序可以通過 API 選擇量子計算（或傳統(tǒng)計算） 作為計算層。這種方法使應(yīng)用程序能夠分時共享基于云的量子計算資源，這些資源將由 公共云服務(wù)提供商提供。如果基于邏輯量子比特的制造和集成能力達(dá)到基礎(chǔ)量子計算所 需的最低要求，實現(xiàn)突破，BCG 預(yù)計，到 2030 年，量子計算的應(yīng)用市場規(guī)模有望達(dá)到 500 多億美元。3、 量子通信：

21、守護(hù)信息安全的堅固之盾3.1 量子通信是什么？量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)保證密鑰分發(fā)的安全性。量子通信主要分為量子隱形傳 態(tài)（QT）和量子密鑰分發(fā)（QKD）兩類，目前 QT 研究仍主要局限在各種平臺和環(huán)境下 的實驗探索，因此產(chǎn)業(yè)化的主要是 QKD。QKD 利用量子比特來編碼信息，并使通信雙 方能產(chǎn)生并分享一個隨機的、安全的密鑰，來加密和解密消息。QKD 通信基于 IBM 公司在 1984 年提出的 BB84 協(xié)議，具體來說，QKD 量子通信 有以下步驟：1）在密鑰分發(fā)信道上生成一組糾纏光子對；2）發(fā)送方和測量方分別隨機 選擇測量基（兩種偏振態(tài)的一種）；3）發(fā)送方和接收方通過經(jīng)典信道溝通測量的結(jié)果

22、； 4）收發(fā)兩方確定加密密鑰；5）發(fā)送方將擬傳遞的信息流通過密鑰加密后傳送給接收方。根據(jù)信息論鼻祖香農(nóng)證明的“無條件安全的”密鑰條件：密鑰真隨機且“只使用一 次”、密鑰與明文等長且按位進(jìn)行二進(jìn)制異或操作，QKD 量子通信能夠在數(shù)學(xué)上被嚴(yán)格 證明是安全的。由于量子信道采用光纖、自由空間（包括衛(wèi)星鏈路）等無理媒介，量子通信目前主 要是光纖量子通信和衛(wèi)星量子通信。光纖量子通信需要解決量子態(tài)光信號極低光功率和 探測器超高靈敏度的問題，所以通常需要獨立的暗光纖進(jìn)行傳輸，目前全球最高的無中 繼傳輸距離可達(dá)到 420 公里，我國實現(xiàn)的最高水平為 200 公里。因此通過光纖可以實現(xiàn) 城域范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)，而

23、城際之間則必須通過中繼器，且需要路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 2016 年，我國首顆量子衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，量子通信中繼是其實現(xiàn)的主要功能之 一。通過量子衛(wèi)星上的有效載荷生成和接收特定波段的光，量子衛(wèi)星可以將地面多個城 市建立起的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而實現(xiàn)廣域網(wǎng)通信。此外，在量子通信的應(yīng)用上，目前有量子加密手機等終端產(chǎn)品問世，在傳統(tǒng)手機信 息傳輸中加入了量子加密芯片從而保護(hù)通信隱私，但一方面由于“真隨機性”通過算法 無法實現(xiàn)，另一方面芯片成本較高，量子手機的推廣還需時日。3.2 為什么需要量子通信？未來傳統(tǒng)加密算法將隨著量子計算機的出現(xiàn)變得脆弱。傳統(tǒng)的保密通信技術(shù)基于數(shù) 學(xué)算法，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

24、健全，但其廣泛使用的公鑰密碼所依賴的因子分解和離散對數(shù)問 題，將在高算力的問世下變得脆弱。以 AES 算法為例，如果采用窮舉法，其所需破解時 間隨著算力的提升呈指數(shù)級下降，如果采用量子計算機，秀爾博士的算法證明量子計算 可快速破解大多數(shù)傳統(tǒng)非對稱加密。美國的科學(xué)家已經(jīng)證實了使用 2000 萬個量子位的 量子計算機破解 2048 位的 RSA 加密信息只需要 8 小時。盡管目前最先進(jìn)的量子計算機 只有 70 位，但在可以預(yù)見的將來，量子計算的飛速發(fā)展迫使開發(fā)出更先進(jìn)的加密算法或 是使用“嚴(yán)格安全”的量子通信。量子通信無法被竊聽。棱鏡門事件令全球通信基礎(chǔ)設(shè)施的安全性接受考驗，除了強 大的加密算法，

25、如何防止信息被竊聽也是信息安全的重要因素。對于無線通信，無線電 頻譜是共享的，加密算法及其重要，但密鑰容易被竊取且難做到一文一密；對于光纖通 信，使用探針技術(shù)可輕易獲取光信號而不被通信雙方發(fā)現(xiàn)。對于量子通信，首先單光子 不可分割，竊聽者無法獲取完整的密鑰，并且由于量子“測不準(zhǔn)”原理，一旦竊聽者對 光信號實施測量就會改變光子的量子態(tài)，從而令通信雙方的密鑰比對不一致，竊聽就會 被發(fā)現(xiàn)。量子通信未來有望實現(xiàn)低成本產(chǎn)業(yè)化。量子通信和傳統(tǒng)光通信完全可實現(xiàn)光傳輸網(wǎng) 絡(luò)復(fù)用從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，目前基于 1550nm 的 C 波段 DV-QKD 系統(tǒng)與 1310nm 的 O 波段光通信系統(tǒng)共纖混傳在運營商的

26、測試中已經(jīng)能夠滿足 50 公里的城域傳輸。此 外傳統(tǒng)應(yīng)用場景可以通過部署量子網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信加密的輕量化改造，國盾量子已推出面 對企業(yè)、銀行、公安、政務(wù)等多領(lǐng)域的解決方案。當(dāng)前，一套 QKD 產(chǎn)品的價格約 30 萬 元，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬件加密方案，隨著未來產(chǎn)品批量化成本有較大下降空間。3.3 當(dāng)前市場仍小眾但意義重大當(dāng)前市場主要集中在對保密要求高的黨政軍金融系統(tǒng)。1）受制于技術(shù)因素，量子通 信目前帶寬較低，以國盾量子為例，其 QKD 設(shè)備最高成碼率為 80kbps，僅適合進(jìn)行公 文或語音傳輸；2）量子通信成本較高，一套 QKD 加密設(shè)備約 30 萬，一套量子城域網(wǎng) 需要成百上千套 QKD，如果傳輸距離

27、較長還需要中繼和路由設(shè)備。因此目前量子通信市 場主要在對保密性要求極高的黨政市場、軍用市場、金融市場。政府投資方面，發(fā)改委關(guān)于組織實施 2018 年新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的通 知提出建設(shè)國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)一期工程。我國政府 IT 支出規(guī)模每年在千億 元左右，未來投入量子保密通信網(wǎng)的比重應(yīng)該會增加。軍用市場方面，我國國防信息化 開支近幾年保持 10%-12%的平穩(wěn)增長，新時代的國防信息化對于安全保密的投入逐年 增加。金融方面，量子保密通信系統(tǒng)已進(jìn)入工商銀行、中國銀行、交通銀行、民生銀行、 浦發(fā)銀行以及北京農(nóng)商行等多家銀行的長期規(guī)劃中。中國量子通信實行三步走戰(zhàn)略。關(guān)于量子通信，我國是三

28、步走的策略：一是通過光 纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星 中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)。我們認(rèn)為未來的量子通信將實現(xiàn)三大擴(kuò)展：一是區(qū)域的擴(kuò)展，從京津冀、長三角、 海南等區(qū)域城際量子網(wǎng)擴(kuò)展到全國、全球；二是產(chǎn)品的擴(kuò)展，未來將出現(xiàn)光電集成度更 高、功能更豐富的加密芯片和設(shè)備；三是應(yīng)用的擴(kuò)展，隨著量子通信帶寬的增加以及網(wǎng) 絡(luò)覆蓋的加深，基于圖片、視頻、VR 等傳輸形式的應(yīng)用將出現(xiàn)。目前量子通信技術(shù)主要用于在黨政軍系統(tǒng)建立量子保密通信網(wǎng)，但長期來看有望引 領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計算等先進(jìn)形態(tài)。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計， 我國量子通信整體市場規(guī)模 2019 年達(dá)到 325 億元，同比增長 19%。3.4 中國處于產(chǎn)業(yè)化第一梯隊，QKD 設(shè)備多家爭鳴我國基礎(chǔ)研究實力全球領(lǐng)先，具有產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)。2015 年后，全球量子通信專利 申請和授權(quán)快速增長，顯示出產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入快速導(dǎo)入期。根據(jù)中國信通院，2018 年，我國 在量子通信全球?qū)＠暾?/p>