作者：路多物联网智库 原创
“如果量子力学没有给你带来深刻的震撼，那么你还没有理解它。”
——尼尔斯·玻尔（诺贝尔物理学奖得主）
近日，继2019年的版本之后，国家发改委发布《产业结构调整目录（2024年本）》，值得关注的是，在信息产业、计算机及相关设备领域，增加了“量子、类脑等新机理计算机系统的研究与制造”；在通信设备领域，增加了“量子通信设备”等描述。从2021年被“十四五”规划提及以来，越来越多的企业开始关注量子科技，投身参与到与量子科技相关的各个产业领域当中。
不过，尽管学术圈、金融、网络安全等领域领域都对量子科技持续看好，在太平洋对面的美国也已经多次发布“国家战略”级别的量子信息计划，甚至在2020年一度出现即使削减美国基础科研预算，也要加大AI和量子领域投资的情况。不过，“量子”系始终还没有实现成熟的商业落地开花，本文将对量子科技的发展以及相关产业的相互影响进行梳理，希望能给行业上下游企业带来新的理解和思考。
量子科技概述
现阶段的研究范畴主要包括：量子密码与量子通信、量子计算、量子模拟、量子传感、量子精密测量，也可以简单地描述为量子通信、量子精密测量以及量子计算三大方向。简单来说，量子信息主要指利用量子力学的基本原理（特别是量子态的基本性质）来实现特定的信息任务。这些基本性质主要包括叠加、干涉和纠缠。
量子态的叠加：
量子态的叠加是指将两个或多个量子态相加形成一个新的量子态的过程。这意味着量子系统可以同时处于多个可能的状态。就像是把红色和蓝色的光混在一起，得到紫色的光一样。量子叠加允许量子系统在多种状态中同时存在。
量子态的干涉：
量子态的干涉是指当两个或多个量子态叠加后，它们可以相互干涉，产生一些特殊的结果。这是由量子波函数的性质所决定的。这种状态像是水波在相遇时产生的波纹扩散效应。当两个量子态叠加后，它们会相互影响，产生一些特殊的效果，就像是水波相互干涉形成波峰和波谷一样。
量子态的纠缠：
量子态的纠缠是指当两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关联，它们的状态无法被独立描述，只能通过对整个系统的观测来确定。这种状态就像是两个有心灵感应的双胞胎，他们的想法都能随时互相关联。
退相干
退相干是量子位中量子态的损失。辐射等环境因素会导致量子位的量子态塌缩。构建量子计算机的一项重大工程挑战是设计各种试图延迟状态退相干的功能，例如构建保护量子位免受外部场影响的特殊结构。
在传统计算机上，已知的最好的经典算法是基于数论的方法，其时间复杂度是指数级的。但是，Shor算法利用量子计算的特殊性质，能够在多项式时间内分解大整数，从而实现了指数级的加速。一个著名的例子是Shor的因子分解算法，该算法可以用于分解大整数为其质因数的乘积。
也就是说，每增加一个量子比特，量子计算机的算力就可增加一倍。这就是量子计算对信息处理的指数加速作用，是经典计算机可望而不可即的神话。这种指数加速作用一旦在技术上得以实现，必将带来信息处理的革命性变革。
然而，并非所有的量子算法都能实现超多项式的加速。有些量子算法与经典算法具有相同的复杂度，或者只是在某些特定条件下才能实现加速。此外，目前为止，我们还没有找到一种通用的量子算法，能够对所有问题都实现指数级的加速。
商用得等，大厂撒手，又爱又恨的量子计算
但是，尽管已经有相当多的机构和组织在此前对量子计算的市场规模和商用时间进行了估算和预测，量子科技商用元年，至今还是一个未知数。
2018年，波士顿咨询集团就进行预测，在“基本情况”情景下（假设量子比特的发展速度符合摩尔定律，纠错能力不变化），量子应用市场将在 2035 年达到约 20 亿美元，然后随着采用率的提高，到 2050 年飙升至超过 2600 亿美元以上。
2021年，赛迪智库发布研究《2021量子计算技术创新与趋势展望》彼时也提出了量子计算商用可能的判断：量子比特数到到100-1000位之后，量子计算机有望执行一些具有实际意义和应用价值的算法；错误率从0.1%减少到0.01%，将带来“量子体积”的明显增长，预示着量子计算机商用；3.若量子相干时间提升至高于1ms，量子计算机将有进入商用的可能。
结合量子计算所需的物理学基础与算法基础，量子计算有望在10-15年内实现商用，预计量子计算的商用元年在2030年左右。以2030年为量子计算商用元年，预计2030年全球量子计算市场规模将达到140.1亿美元，并以30%左右的增速平缓上涨，至2035年预计会达到489.7亿美元的量子计算市场规模。
尽管产业结构调整目录（2024年本）发布了没有几天，具有代表性的国盾量子，其数据还是随着A股的崩溃而走到了一年内新低。
而随着业务调整，几家老牌互联网大厂也开始将原量子产品的团队捐给了其他组织：2023年11月末，达摩院表示：为了进一步推动量子科技协同发展，达摩院联合浙江大学发展量子科技，达摩院将量子实验室及可移交的量子实验仪器设备捐赠予浙江大学，并向其他高校和科研机构进行开放；2024年1月，百度也透露了将量子实验室捐赠的想法，据悉，百度拟将量子实验室及可移交的量子实验仪器设备等捐赠予北京量子信息科学研究院，目前双方正在推进具体细节。
花开两朵，各表一枝，由于该领域涉及网络安全乃至国家安全，美国一些企业对于量子领域却是持续投入和拓展：
一出场就备受关注，后来又被吊打的悬铃木，就是谷歌的杰作，2023年7月，谷歌宣布实验将2019年推出的53量子位的Sycamore处理器提升到了70个量子位，业内最先进的超级计算机Frontier需要47.2年才能计算完成的任务，53个量子位的Sycamore处理器只需要6.18秒就能完成，而新版70个量子位的Sycamore处理器速度则更快。
同样是传统大厂的IBM，也长期走在量子科技发展的前沿，IBM在量子系统、云计算平台、量子计算芯片等多个领域均有所布局，同时联合了美国能源部阿贡国家实验室、东京大学、华盛顿大学、科隆大学、哈佛大学等研究机构采用其设备进行科学实验。
量子计算技术发展有“四高”——高门槛、高投入、高风险、高回报，是一个国家的高层次人才队伍、科技和经济发展水平和实力的综合检验。出于成本和短期成果的考虑，企业进行业务板块调整也无可厚非。可以说，企业对量子计算的态度是又爱又恨，爱的是它潜在的算力和变革能力，恨的则是它实在是烧钱。
量子通信——运营商眼里的大热点！
尽管量子科技在十年内商用还存在一些阻碍，但是，量子通信对运营商来说可是一个必须占领的高地，一方面，一旦实现了商用，很可能对其传统的蜂窝和宽带、卫星等等网络服务造成冲击；另一方面，提前入局量子通信，对于提升企业的竞争力，增加安全系数和技术壁垒都是非常必要的，不论如何，量子通信这个“螃蟹”是必须要啃的——运营商“赌”的就是这个螃蟹有黄！
国内外运营商在量子通信领域均实现了长期布局与落地：
中国移动
中国移动（移动云）对量子计算的布局开始于2020年，发布4篇论文、6项专利以及3项软著，同时打造2项标杆应用。2022年12月，中移动与本源量子官宣合作，后者有偿提供基于量子计算机真机验证的相关量子通信算法，为5G及6G面临的算力瓶颈探索量子算法解决方案，双方签署了《基于真实量子计算机的通信量子算法研究及验证》技术规范书，将基于“本源悟源”真实量子计算机进行通信量子算法研究。
2023年8月19日，中国移动携手中国电科发布“量子计算云平台”，是业界首次实现“量子与通用算力统一纳管混合调度”的系统级平台；
2023年8月30日，中国移动挂牌成立央企首个面向行业应用的量子计算实验室—“中国移动量子计算应用与评测实验室”（以下简称实验室），并发布《通信网络中量子计算应用研究报告》和“五岳”量子云平台等首批量子计算战略性新兴产业成果。同年12月，与玻色量子合作的五岳之——恒山光量子算力平台在苏州发布。
中国电信
2020年，中国电信宣布启动铸盾行动1.0，发布量子安全组网产品，并建成了全球规模最大的量子城域网。基于此，中国电信为超过1000家企业提供了量子安全服务，保护了超过200亿条数据的安全，同时还推出了量子安全通话产品——量子密话，截至目前，用户数量已突破170万。
2023年5月，中国电信股份有限公司全资设立中电信量子信息科技集团有限公司，注册资本高达30亿元。同年11月，发布超量融合云平台“天衍”，以及全系列量子安全产品。中国电信启动铸盾行动2.0，该阶段的主要任务是：量子安全云、量子安全OTN、量子密信、量子密码解决方案。
对于包括量子密话等量子科技业务，也被中国电信写入年报，展示了企业对于该类产品的重视和布局决心。
中国联通
和前两家运营商一样，中国联通也是立足于云，关注量子通信。
2020年12月30日，中国联通、亨通光电和安徽问天量子成功完成区块链BaaS及应用+量子通信的验证测试。验证了量子通信+区块链结合的安全性与可行性，为该技术在金融、政务、供应链、智慧城市等领域的落地打下了基础。
2021年，中国联通智能城市研究院与中国雄安集团数字城市科技有限公司、雄安新区智能城市创新联合会还共同成立了“量子通信技术应用研究联合实验室(应用示范中心)”，旨在构建安全可信的全域智能化环境。同年12月，中国联通发布了《云时代量子通信技术白皮书》，探讨了量子通信技术与传统信息通信技术的融合发展与应用。此外，中国联通也牵头成立了量子通信技术应用研究联合实验室，开展科研创新，推进成果转化。产品包括量子云盾、量子密话等。
AT&T
来自AT&T公司的Shor在1994年提出的快速质因数分解量子算法（Shor算法），用于大型质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础。该方法一经提出，就引起了人们对量子计算研究的热潮。要知道，如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数，需要10万年以上；而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机，则只需要1秒。
2017年6月，AT&T Foundry 创新中心将与加州理工学院联合组建量子技术联盟 (AQT)。该联盟旨在将工业界、政府和学术界聚集在一起，加速量子技术的发展和新兴的实际应用。此次合作还将带来一个名为INQNET（智能量子网络和技术）的研发计划。该计划将重点关注未来量子网络技术对通信容量和安全性的需求。同年年底，该公司与喷气实验室和费米实验室开始研发建造量子网络。
Verizon
2018年，Verizon公司在全美开始测试量子密钥分发的技术，Verizon的试验涉及在两个地点之间实时加密和传送视频流。量子密钥是在一个光纤网络上创建和交换的，Verizon表示，这种技术可以立即发现黑客，量子密钥分发（QKD）网络利用光子的量子特性来获得密码密钥，以防止窃听。它还使用量子随机数发生器连续生成加密密钥。
2021年8月6日，Q-NEXT新增了两个企业合作伙伴：Verizon和瑞士苏黎世仪器公司（Zurich Instruments）。而Q-NEXT是由美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室领导的国家量子信息科学研究中心，由3个国家实验室、9所大学以及12家美国领先量子技术公司（包括新加入的Verizon 和苏黎世仪器公司）组成。
2021年10月，Verizon发文表示，量子计算将打破电商与VPN等加密标准，并提出要在此前开发量子安全算法和程序竞赛，并从物理与数学当中寻找补救措施。
沃达丰
2022年11月，IBM在量子峰会上表示，沃达丰集团正在与IBM就量子安全网络安全展开合作，同时还将加入IBM量子网络，这将使该公司有机会对IBM的先进量子计算系统以及IBM业界领先的量子专业知识进行云访问。这家跨国电信公司将与IBM合作，帮助验证和推进电信领域的潜在量子用例。
2023年7月，沃达丰表示，已经与SandboxAQ公司合作，使用标准智能手机对量子安全VPN进行概念验证测试。沃达丰表示，该VPN已被调整为使用美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的加密代码 - 所谓的抗量子加密（PQC）算法 - 被认为可以抵抗通过量子方法破解。
量子科技产业链
2023年12月，信通院发布的《量子信息技术发展与应用 研究报告(2023 年)》报告当中，绘制了量子计算产业链与国内外代表性企业概况图。量子计算产业链的上游主要涉及环境支撑系统、测控系统、各类光电元器件与线缆连接器等设备组件，是支持各种技术路线开展原型机工程化研制的基础保障；量子计算产业链中游主要由硬件和软件研发制造企业构成，量子计算原型机研制是产业链的核心环节量子计算产业链下游包括面向用户提供服务的量子计算云平台企业和在各领域开展应用探索的行业企业。
量子计算产业链与国内外代表性企业概况图 图源：信通院
2024年1月，光子盒也发布了全球量子计算产业图谱，主要根据量子计算机的技术路线进行划分，产业链包括低温微波组件、超导磁体、预制冷设备、稀释制冷机、光学设备期间及其他、微博测控系统、I/O连接线、真空设备、芯片设计、制造；离子阱量子计算机、光量子计算机、超导量子计算机、半导体量子计算机、中性原子量子计算机、其他路线以及在软件和算法上的相关企业。
全球量子计算产业图谱 图源：光子盒
这里面有我们熟悉的量子大厂，也有一些专攻某一领域的芯片或光学器件企业。它们组成了量子计算技术路线的产业链，对量子计算产业的发展甚至未来科技都起到极为重要的作用。在未来的某个时间，量子计算机也可能会像如今的电脑一样越来越小型化、集成化，以至于最后成为其他设备的一部分。综合来看，高成本、高回报的量子科技带动了从底层芯片到各硬件设备端再到应用层软件与算法的各个板块的发展。
量子科技，等一个ChatGPT式的“王炸”
NLP时代发展了那么多年，始终没有激起特别大的水花，甚至GPT也是在2018年就已经诞生，直到ChatGPT带给全世界以“涌现”和“王炸”。
量子科技也在等待一个“闪耀时刻”，吸引更多组织、企业和个人投入到量子科技的研究和产业发展中来。
至于量子计算何时有用，麻省理工学院的一组研究人员与埃森哲合作开发了一个框架，帮助高管评估量子计算解决公司实际业务问题的潜力。”麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的研究科学家尼尔·汤普森说。该框架建立了量子经济优势的基准，当使用量子计算机比使用同等价格的经典计算机更快地解决特定问题时，就会出现这种优势。
他们的结论是，中小型问题（典型企业最常见的类型）不会从量子计算中受益。然而，那些试图通过指数算法增益解决大型问题的人以及那些需要处理非常大的数据集的人将获得优势。汤普森说：“量子计算不会对所有事情都变得更好，而只会对某些事情变得更好。”
为了确定量子经济优势，领导者应该考虑两个条件：1.可行性，意味着量子计算机是否存在足以解决特定问题；2.算法优势，意味着与同等价格的经典计算机相比，量子计算机可以更快地完成特定任务。
两者的重叠之处就是量子经济优势。
2023美国Gartner发布的技术成熟度曲线则表示，预测量子计算已经超过了过高期望的顶点，距离生产力高原依然有10年以上的时间。如果平台在未来几年当中无法实现“杀手级”的应用，量子计算或许会迎来“幻灭之谷”的低潮期。
写在最后
量子科技虽然在应用商业化还需时间成熟，但从技术积累与产业规模来看，各国政府和企业都认真对待这一未来技术方向。未来5-10年，随着硬件能力的提升和算法优化，不同主流计算路线与产业生态的形成，也为量子计算提供了良好的技术驱动和商业契机。我们可以期待，随着主流计算路线持续优化，以及跨领域协同创新不断深入，量子科技的前景将会越来越光明。
在这个经济形势不断变换的时代，量子科技实现商用的话，在硬件环境设备、量子计算算力以及量子算法三者之一必将有阶跃级的突破。未来能否实现“遇事不决，量子力学”，以及MOSS量子计算机的科幻设想，就看接下来的十年！
参考内容：
The Coming Quantum Leap in Computing，2018，BCG
一文读懂：有关量子计算的十个问题，2023，腾讯研究院
中国电信2023中期报告
《2021量子计算技术创新与趋势展望》，赛迪顾问
《学科发展态势评估系列研究报告》之《物理学十年：中国与世界》，郭光灿 韩永健 史保森
《量子计算：信息社会的未来》，向涛
《量子信息技术发展与应用 研究报告(2023 年)》，中国信通院
Quantum computing: What leaders need to know now，mitsloan
原文标题 : 商用得等，大厂撒手，量子计算路在何方？
