近日，繼2019年的版本之后，國家發(fā)改委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄（2024年本）》，值得關(guān)注的是，在信息產(chǎn)業(yè)、計算機及相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域，增加了“量子、類腦等新機理計算機系統(tǒng)的研究與制造”；在通信設(shè)備領(lǐng)域，增加了“量子通信設(shè)備”等描述。從2021年被“十四五”規(guī)劃提及以來，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注量子科技，投身參與到與量子科技相關(guān)的各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域當中。

不過，盡管學術(shù)圈、金融、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域領(lǐng)域都對量子科技持續(xù)看好，在太平洋對面的美國也已經(jīng)多次發(fā)布“國家戰(zhàn)略”級別的量子信息計劃，甚至在2020年一度出現(xiàn)即使削減美國基礎(chǔ)科研預(yù)算，也要加大AI和量子領(lǐng)域投資的情況。不過，“量子”系始終還沒有實現(xiàn)成熟的商業(yè)落地開花，本文將對量子科技的發(fā)展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的相互影響進行梳理，希望能給行業(yè)上下游企業(yè)帶來新的理解和思考。

量子科技概述

現(xiàn)階段的研究范疇主要包括：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，也可以簡單地描述為量子通信、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(tài)的基本性質(zhì)）來實現(xiàn)特定的信息任務(wù)。這些基本性質(zhì)主要包括疊加、干涉和糾纏。

量子態(tài)的疊加：

量子態(tài)的疊加是指將兩個或多個量子態(tài)相加形成一個新的量子態(tài)的過程。這意味著量子系統(tǒng)可以同時處于多個可能的狀態(tài)。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(tǒng)在多種狀態(tài)中同時存在。

量子態(tài)的干涉：

量子態(tài)的干涉是指當兩個或多個量子態(tài)疊加后，它們可以相互干涉，產(chǎn)生一些特殊的結(jié)果。這是由量子波函數(shù)的性質(zhì)所決定的。這種狀態(tài)像是水波在相遇時產(chǎn)生的波紋擴散效應(yīng)。當兩個量子態(tài)疊加后，它們會相互影響，產(chǎn)生一些特殊的效果，就像是水波相互干涉形成波峰和波谷一樣。

量子態(tài)的糾纏：

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

退相干

退相干是量子位中量子態(tài)的損失。輻射等環(huán)境因素會導致量子位的量子態(tài)塌縮。構(gòu)建量子計算機的一項重大工程挑戰(zhàn)是設(shè)計各種試圖延遲狀態(tài)退相干的功能，例如構(gòu)建保護量子位免受外部場影響的特殊結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)計算機上，已知的最好的經(jīng)典算法是基于數(shù)論的方法，其時間復(fù)雜度是指數(shù)級的。但是，Shor算法利用量子計算的特殊性質(zhì)，能夠在多項式時間內(nèi)分解大整數(shù)，從而實現(xiàn)了指數(shù)級的加速。一個著名的例子是Shor的因子分解算法，該算法可以用于分解大整數(shù)為其質(zhì)因數(shù)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(shù)加速作用，是經(jīng)典計算機可望而不可即的神話。這種指數(shù)加速作用一旦在技術(shù)上得以實現(xiàn)，必將帶來信息處理的革命性變革。

然而，并非所有的量子算法都能實現(xiàn)超多項式的加速。有些量子算法與經(jīng)典算法具有相同的復(fù)雜度，或者只是在某些特定條件下才能實現(xiàn)加速。此外，目前為止，我們還沒有找到一種通用的量子算法，能夠?qū)λ袉栴}都實現(xiàn)指數(shù)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(jīng)有相當多的機構(gòu)和組織在此前對量子計算的市場規(guī)模和商用時間進行了估算和預(yù)測，量子科技商用元年，至今還是一個未知數(shù)。

2018年，波士頓咨詢集團就進行預(yù)測，在“基本情況”情景下（假設(shè)量子比特的發(fā)展速度符合摩爾定律，糾錯能力不變化），量子應(yīng)用市場將在 2035 年達到約 20 億美元，然后隨著采用率的提高，到 2050 年飆升至超過 2600 億美元以上。

2021年，賽迪智庫發(fā)布研究《2021量子計算技術(shù)創(chuàng)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(shù)到到100-1000位之后，量子計算機有望執(zhí)行一些具有實際意義和應(yīng)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(yù)示著量子計算機商用；3.若量子相干時間提升至高于1ms，量子計算機將有進入商用的可能。

結(jié)合量子計算所需的物理學基礎(chǔ)與算法基礎(chǔ)，量子計算有望在10-15年內(nèi)實現(xiàn)商用，預(yù)計量子計算的商用元年在2030年左右。以2030年為量子計算商用元年，預(yù)計2030年全球量子計算市場規(guī)模將達到140.1億美元，并以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預(yù)計會達到489.7億美元的量子計算市場規(guī)模。

盡管產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄（2024年本）發(fā)布了沒有幾天，具有代表性的國盾量子，其數(shù)據(jù)還是隨著A股的崩潰而走到了一年內(nèi)新低。

而隨著業(yè)務(wù)調(diào)整，幾家老牌互聯(lián)網(wǎng)大廠也開始將原量子產(chǎn)品的團隊捐給了其他組織：2023年11月末，達摩院表示：為了進一步推動量子科技協(xié)同發(fā)展，達摩院聯(lián)合浙江大學發(fā)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(shè)備捐贈予浙江大學，并向其他高校和科研機構(gòu)進行開放；2024年1月，百度也透露了將量子實驗室捐贈的想法，據(jù)悉，百度擬將量子實驗室及可移交的量子實驗儀器設(shè)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(jié)。

花開兩朵，各表一枝，由于該領(lǐng)域涉及網(wǎng)絡(luò)安全乃至國家安全，美國一些企業(yè)對于量子領(lǐng)域卻是持續(xù)投入和拓展：

一出場就備受關(guān)注，后來又被吊打的懸鈴木，就是谷歌的杰作，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(yè)內(nèi)最先進的超級計算機Frontier需要47.2年才能計算完成的任務(wù)，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(tǒng)大廠的IBM，也長期走在量子科技發(fā)展的前沿，IBM在量子系統(tǒng)、云計算平臺、量子計算芯片等多個領(lǐng)域均有所布局，同時聯(lián)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(gòu)采用其設(shè)備進行科學實驗。

量子計算技術(shù)發(fā)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(jīng)濟發(fā)展水平和實力的綜合檢驗。出于成本和短期成果的考慮，企業(yè)進行業(yè)務(wù)板塊調(diào)整也無可厚非。可以說，企業(yè)對量子計算的態(tài)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——運營商眼里的大熱點！

盡管量子科技在十年內(nèi)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占領(lǐng)的高地，一方面，一旦實現(xiàn)了商用，很可能對其傳統(tǒng)的蜂窩和寬帶、衛(wèi)星等等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)造成沖擊；另一方面，提前入局量子通信，對于提升企業(yè)的競爭力，增加安全系數(shù)和技術(shù)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(nèi)外運營商在量子通信領(lǐng)域均實現(xiàn)了長期布局與落地：

中國移動

中國移動（移動云）對量子計算的布局開始于2020年，發(fā)布4篇論文、6項專利以及3項軟著，同時打造2項標桿應(yīng)用。2022年12月，中移動與本源量子官宣合作，后者有償提供基于量子計算機真機驗證的相關(guān)量子通信算法，為5G及6G面臨的算力瓶頸探索量子算法解決方案，雙方簽署了《基于真實量子計算機的通信量子算法研究及驗證》技術(shù)規(guī)范書，將基于“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(fā)布“量子計算云平臺”，是業(yè)界首次實現(xiàn)“量子與通用算力統(tǒng)一納管混合調(diào)度”的系統(tǒng)級平臺；

2023年8月30日，中國移動掛牌成立央企首個面向行業(yè)應(yīng)用的量子計算實驗室—“中國移動量子計算應(yīng)用與評測實驗室”（以下簡稱實驗室），并發(fā)布《通信網(wǎng)絡(luò)中量子計算應(yīng)用研究報告》和“五岳”量子云平臺等首批量子計算戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)成果。同年12月，與玻色量子合作的五岳之——恒山光量子算力平臺在蘇州發(fā)布。

中國電信

2020年，中國電信宣布啟動鑄盾行動1.0，發(fā)布量子安全組網(wǎng)產(chǎn)品，并建成了全球規(guī)模最大的量子城域網(wǎng)?；诖耍袊娦艦槌^1000家企業(yè)提供了量子安全服務(wù)，保護了超過200億條數(shù)據(jù)的安全，同時還推出了量子安全通話產(chǎn)品——量子密話，截至目前，用戶數(shù)量已突破170萬。

2023年5月，中國電信股份有限公司全資設(shè)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(fā)布超量融合云平臺“天衍”，以及全系列量子安全產(chǎn)品。中國電信啟動鑄盾行動2.0，該階段的主要任務(wù)是：量子安全云、量子安全OTN、量子密信、量子密碼解決方案。

對于包括量子密話等量子科技業(yè)務(wù)，也被中國電信寫入年報，展示了企業(yè)對于該類產(chǎn)品的重視和布局決心。

中國聯(lián)通

和前兩家運營商一樣，中國聯(lián)通也是立足于云，關(guān)注量子通信。

2020年12月30日，中國聯(lián)通、亨通光電和安徽問天量子成功完成區(qū)塊鏈BaaS及應(yīng)用+量子通信的驗證測試。驗證了量子通信+區(qū)塊鏈結(jié)合的安全性與可行性，為該技術(shù)在金融、政務(wù)、供應(yīng)鏈、智慧城市等領(lǐng)域的落地打下了基礎(chǔ)。

2021年，中國聯(lián)通智能城市研究院與中國雄安集團數(shù)字城市科技有限公司、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會還共同成立了“量子通信技術(shù)應(yīng)用研究聯(lián)合實驗室(應(yīng)用示范中心)”，旨在構(gòu)建安全可信的全域智能化環(huán)境。同年12月，中國聯(lián)通發(fā)布了《云時代量子通信技術(shù)白皮書》，探討了量子通信技術(shù)與傳統(tǒng)信息通信技術(shù)的融合發(fā)展與應(yīng)用。此外，中國聯(lián)通也牽頭成立了量子通信技術(shù)應(yīng)用研究聯(lián)合實驗室，開展科研創(chuàng)新，推進成果轉(zhuǎn)化。產(chǎn)品包括量子云盾、量子密話等。

AT&T

來自AT&T公司的Shor在1994年提出的快速質(zhì)因數(shù)分解量子算法（Shor算法），用于大型質(zhì)因數(shù)分解的計算復(fù)雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。該方法一經(jīng)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(jīng)典計算機來分解一個300位的大數(shù)，需要10萬年以上；而如果利用同樣運算速率、執(zhí)行Shor算法的量子計算機，則只需要1秒。

2017年6月，AT&T Foundry 創(chuàng)新中心將與加州理工學院聯(lián)合組建量子技術(shù)聯(lián)盟 (AQT)。該聯(lián)盟旨在將工業(yè)界、政府和學術(shù)界聚集在一起，加速量子技術(shù)的發(fā)展和新興的實際應(yīng)用。此次合作還將帶來一個名為INQNET（智能量子網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)）的研發(fā)計劃。該計劃將重點關(guān)注未來量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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開始研發(fā)建造量子網(wǎng)絡(luò)。

Verizon

2018年，Verizon公司在全美開始測試量子密鑰分發(fā)的技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建和交換的，Verizon表示，這種技術(shù)可以立即發(fā)現(xiàn)黑客，量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)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(shù)發(fā)生器連續(xù)生成加密密鑰。

2021年8月6日，Q-NEXT新增了兩個企業(yè)合作伙伴：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(lǐng)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(lǐng)先量子技術(shù)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(fā)文表示，量子計算將打破電商與VPN等加密標準，并提出要在此前開發(fā)量子安全算法和程序競賽，并從物理與數(shù)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(wǎng)絡(luò)安全展開合作，同時還將加入IBM量子網(wǎng)絡(luò)，這將使該公司有機會對IBM的先進量子計算系統(tǒng)以及IBM業(yè)界領(lǐng)先的量子專業(yè)知識進行云訪問。這家跨國電信公司將與IBM合作，幫助驗證和推進電信領(lǐng)域的潛在量子用例。

2023年7月，沃達豐表示，已經(jīng)與SandboxAQ公司合作，使用標準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(diào)整為使用美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的加密代碼 - 所謂的抗量子加密（PQC）算法 - 被認為可以抵抗通過量子方法破解。

量子科技產(chǎn)業(yè)鏈

2023年12月，信通院發(fā)布的《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用 研究報告(2023 年)》報告當中，繪制了量子計算產(chǎn)業(yè)鏈與國內(nèi)外代表性企業(yè)概況圖。量子計算產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要涉及環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類光電元器件與線纜連接器等設(shè)備組件，是支持各種技術(shù)路線開展原型機工程化研制的基礎(chǔ)保障；量子計算產(chǎn)業(yè)鏈中游主要由硬件和軟件研發(fā)制造企業(yè)構(gòu)成，量子計算原型機研制是產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)量子計算產(chǎn)業(yè)鏈下游包括面向用戶提供服務(wù)的量子計算云平臺企業(yè)和在各領(lǐng)域開展應(yīng)用探索的行業(yè)企業(yè)。

量子計算產(chǎn)業(yè)鏈與國內(nèi)外代表性企業(yè)概況圖 圖源：信通院

2024年1月，光子盒也發(fā)布了全球量子計算產(chǎn)業(yè)圖譜，主要根據(jù)量子計算機的技術(shù)路線進行劃分，產(chǎn)業(yè)鏈包括低溫微波組件、超導磁體、預(yù)制冷設(shè)備、稀釋制冷機、光學設(shè)備期間及其他、微博測控系統(tǒng)、I/O連接線、真空設(shè)備、芯片設(shè)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、其他路線以及在軟件和算法上的相關(guān)企業(yè)。

全球量子計算產(chǎn)業(yè)圖譜 圖源：光子盒

這里面有我們熟悉的量子大廠，也有一些專攻某一領(lǐng)域的芯片或光學器件企業(yè)。它們組成了量子計算技術(shù)路線的產(chǎn)業(yè)鏈，對量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展甚至未來科技都起到極為重要的作用。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，以至于最后成為其他設(shè)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(shè)備端再到應(yīng)用層軟件與算法的各個板塊的發(fā)展。

量子科技，等一個ChatGPT式的“王炸”

NLP時代發(fā)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(jīng)誕生，直到ChatGPT帶給全世界以“涌現(xiàn)”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(yè)和個人投入到量子科技的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中來。

至于量子計算何時有用，麻省理工學院的一組研究人員與埃森哲合作開發(fā)了一個框架，幫助高管評估量子計算解決公司實際業(yè)務(wù)問題的潛力?！甭槭±砉W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(jīng)濟優(yōu)勢的基準，當使用量子計算機比使用同等價格的經(jīng)典計算機更快地解決特定問題時，就會出現(xiàn)這種優(yōu)勢。

他們的結(jié)論是，中小型問題（典型企業(yè)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(shù)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(shù)據(jù)集的人將獲得優(yōu)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?！?/span>

為了確定量子經(jīng)濟優(yōu)勢，領(lǐng)導者應(yīng)該考慮兩個條件：1.可行性，意味著量子計算機是否存在足以解決特定問題；2.算法優(yōu)勢，意味著與同等價格的經(jīng)典計算機相比，量子計算機可以更快地完成特定任務(wù)。

兩者的重疊之處就是量子經(jīng)濟優(yōu)勢。

2023美國Gartner發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線則表示，預(yù)測量子計算已經(jīng)超過了過高期望的頂點，距離生產(chǎn)力高原依然有10年以上的時間。如果平臺在未來幾年當中無法實現(xiàn)“殺手級”的應(yīng)用，量子計算或許會迎來“幻滅之谷”的低潮期。

寫在最后

量子科技雖然在應(yīng)用商業(yè)化還需時間成熟，但從技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，各國政府和企業(yè)都認真對待這一未來技術(shù)方向。未來5-10年，隨著硬件能力的提升和算法優(yōu)化，不同主流計算路線與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形成，也為量子計算提供了良好的技術(shù)驅(qū)動和商業(yè)契機。我們可以期待，隨著主流計算路線持續(xù)優(yōu)化，以及跨領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新不斷深入，量子科技的前景將會越來越光明。

在這個經(jīng)濟形勢不斷變換的時代，量子科技實現(xiàn)商用的話，在硬件環(huán)境設(shè)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(xiàn)“遇事不決，量子力學”，以及MOSS量子計算機的科幻設(shè)想，就看接下來的十年！

參考內(nèi)容：

The Coming Quantum Leap in Computing，2018，BCG

一文讀懂：有關(guān)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(shù)創(chuàng)新與趨勢展望》，賽迪顧問

《學科發(fā)展態(tài)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

《量子計算：信息社會的未來》，向濤

《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用 研究報告（2023年）》，中國信通院

Quantum computing： What leaders need to know now，mitsloan