12月4日，中科大潘建偉、陸朝陽團隊在《科學》上在線發表了論文，宣布成功構建76個光子的量子計算原型計算機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需 200 秒，而目前世界最快的超級計算機需要用 6 億年。
從中國在量子信息領域的發展情況來看，我們在量子通信領域處於全球領先的地位，在量子計算領域前期落後於美國。但是此次「九章」的問世意味著我國已經在量子計算領域成為了除美國以外，第二個實現量子霸權的國家，同時實現了在量子計算領域對美國的反超。
在未來相當長的一段時間內，量子計算機不會替代經典計算機，而是成為經典計算機的補充。因而在發展量子計算的同時，各國仍然在努力加快 E 級超算的研發和加大對超算應用的探索，來奪取「算力」的制高點。
近期國家持續加大對量子信息領域的關注。10月16日，第十九屆第二十四次中央政治局集體學習會議就是以「量子科技研究和應用前景」為議題的召開。10 月 29 日通過的《中共中央關於制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，也將量子信息定位為十四五科技創新7個重要的發展領域之一。
我國計劃到 2030 年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡， 並在此基礎上，構建信息充分安全的「量子網際網路」。 目前有國家廣域量子骨幹網、山東「齊魯幹線」、廣東粵港澳量子通信骨幹網、江淮量子網、國防領域量子通信項目、量子通信衛星等多個重大工程值得關注。
我國正在進行量子信息科學國家實驗室的建設，這是繼墨子號量子衛星、量子通信「京滬幹線」之後，中國在量子科學領域的又一次大手筆投入，涉及到的國家長期投入將達到千億元，一期工程預計在 2020 年底可竣工。
近年來潘建偉及其團隊在量子計算和量子通信領域接連取得舉世矚目的成就，後續或將成為中國在諾貝爾獎方面有力的爭奪者。
充滿關注和爭議的量子信息
量子信息在眾人眼中是一個神秘而充滿爭議的科技領域，一方面量子信息並沒有走向日常應用，還處於非常前沿的科技領域；
另一方面，我國科研團隊在量子信息部分領域走在了世界 的前沿，高層在量子信息領域給予了極大的關注度，讓量子信息頻頻出現在眾多政策規劃之中。
1.1. 量子信息的高光時刻
從資本市場角度來看，量子信息在兩個階段獲得了市場較高的關注，一個是2016年到2017 年我國在量子保密通信領域獲得了重大突破，先後發射了全球第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」和開通了世界上第一條量子保密通信幹線——「京滬幹線」；
第二個是 2020 年 10 月 16 日，第十九屆第二十四次中央政治局集體學習會議就是以「量子科技研究和應用前景」為議題的，而在此之前中央政治局在 4 季度都會進行一次信息科技領域相關的議題，包括了網絡強國、 大數據、人工智慧、區塊鏈等相關重要領域，也充分說明了量子信息對科技發展的重要性。
此外，潘建偉、彭承志、陳宇翔、陸朝陽、陳增兵團隊還因為在多光子糾纏及幹涉度量方面的成績獲得了 2015 年度的國家自然科學獎一等獎。
2016 年由科技部牽頭的科技創新 2030 的 16 個項目中也包括了「量子通信與量子計算機」，目標是「研發城域、城際、自由空間量子通信技術，研製通用量子計算原型機和實用化量子模擬機」。
2020 年 10 月 29 日通過的《中共 中央關於制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，也將量子信息定位為科技創新 7 個重要的發展領域之一。
全球來看，美國 2018 年在出口管制方面新加入的 14 類新興技術限制方向中也包括了「量子信息和傳感技術」。於此同時，2018 年 12 月美國將《國家量子倡議法案》籤署為法律，2020 年 2 月發布了《美國量子網絡戰略構想》，明確提出將開闢量子網際網路，而且還設立了未來 5 年和 20 年兩個目標和計劃。
此外，2020 年 8 月川普公布的 2021 年預算提案中，聯邦研究 經費被再次削減，但是在人工智慧和量子技術領域的預算卻逆勢增長了 54%和 60%。
1.2. 目前量子信息發展中面臨的主要問題
量子信息作為一種前沿科學，目前僅有的落地的應用集中在量子保密通信領域。在這個應用方向中，以中科大潘建偉為首的團隊已經實現了全球領先，成為了近現代唯一一個由中國新創造的產業，因而也面對了更多的市場質疑。
2020 年 7 月 9 日，國盾量子作為 A 股唯一一家專業從事量子通信技術的企業正式登陸科創板。而通過審視國盾量子的基本面情況我們可以看到，公司收入在 2017 年達到峰值 2.84 億 以後，仍然處於逐年減少的過程中。
從量子保密通信核心產品 QKD 設備的工作距離這一核心指標來看，目前量子保密通信已經可以實現 509 公裡真實環境光纖的雙量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，而在我們京滬幹線相鄰站點最大距離僅為 89km，從實驗環境到工業化產品落地還有大量技術難題需要突破。
此次技術突破意義何在？
2.1. 量子信息是什麼？
量子信息是量子力學與信息科學的交叉學科，是藉助量子力學的特性，實現經典信息科學 中實現不了的功能。
在量子力學的諸多原理中，疊加、測量、糾纏三大違反宏觀世界認知的奧 義對量子信息的研究起到了決定性作用。傳統的信息科學使用比特作為最基本的表示單位，對應了 0 和 1 兩個可能的狀態；而量子信息中使用的量子比特是一個旋鈕，對應無窮多個狀態， 信息量大幅增加。
因而面對計算量指數級增長的問題時，量子信息可以發揮出潛在的巨大優勢。 但是量子信息的利用對算法要求較高，目前人類僅僅在少數特定應用上取得了突破。
量子信息按照研究內容可以分為量子計算、量子通信、量子測量三個大類，其下又可以分為量子因數分解、量子搜索、量子保密通信（又稱量子密鑰分發、量子密碼術，QKD）、量子隱 性傳態（QT）等應用領域。
2.2. 九章的問世讓我國在量子計算領域實現對美國的反超
從中國在量子信息領域的發展情況來看，我們在量子通信領域處於全球領先的地位，在量子計算領域前期落後於美國。
但是此次「九章」的問世意味著我國已經在量子計算領域成為了 除美國以外，第二個實現量子霸權的國家，同時實現了在量子計算領域對美國的反超。
量子計算機對經典計算機的超越過程可以劃分為 3 個步驟：
（1）超越早期計算機；
（2）超越個人電腦；
（3）超越超級計算機：涉及就是量子霸權（也稱「量子計算優越性」）的概念，具體來說是指量子計算在解決特定計算困難問題時，相比於超級計算機可實現指數量級的運算處理加速， 從而體現量子計算原理性優勢。
業界認為，如果量子計算機能以足夠低的誤差有效操縱５０個左右量子比特，計算能力就能實現量子霸權。 2019 年 10 月，google 宣布首次實現「量子霸權」。
Google 稱其新的 53 位量子計算機懸鈴木可以在 200 秒內運行需要全球最龐大的超級計算機耗時 10000 年才能完成的測試。
根據目前最優的經典算法，「九章」對於處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍，等效地比 google 的量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。
同時，九章通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴於樣本數量，克服了 google 53 比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。
此外，學術界關於 google 是否實現 了量子霸權仍然存在爭議，IBM 就宣稱可以通過對算法的經典模擬優化來提升超算的能力，讓 google 稱霸失敗，而對於九章的成果業界給出了近乎一致的肯定。
2.3. 九章出現以後，量子計算機對經典計算機的替代之路仍然漫長
在九章出現以後，量子計算要實現對經典計算機的替代仍然長路漫漫。從量子計算發展的三個階段來看這個過程：
第一階段，針對一些特殊問題實現量子霸權。雖然目前這一步我們已經實現，但是隨著經典算法和硬體的不斷優化，量子計算與經典計算的競爭還是處於長期的動態過程。此外九章處理的「高斯玻色取樣」問題和懸鈴木處理的「隨機線路採樣」問題都是有利於證明量子霸權的 問題，目前都沒有實用價值。
第二階段，實現一種專用的量子模擬機，可以解決高溫超導機制、特殊材料設計等目前計算機無法處理的、有實用價值的問題，預計需要幾百個量子比特量級來實現； 第三階段，造出可編程的通用量子計算機，具備容錯能力，以及軟體、算法的支撐，可能 需要上百萬甚至更多的物理比特來實現。
在未來相當長的一段時間內，量子計算機不會替代經典計算機，而是成為經典計算機的補充。因而在發展量子計算的同時，各國仍然在努力加快 E 級超算的研發和加大對超算應用的探 索，來奪取「算力」的制高點。
量子信息領域接下來的看點
3.1. 衛星發射和網絡建設
我國計劃到 2030 年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡，並在此基礎上，構建信息充分安全的「量子網際網路」。
基於這一規劃我們看到國內正在建設以及擬建設的重大項目主要有：
（1）國家廣域量子骨幹網，總長度約 3.5 萬公裡。2018 年 2 月發改委批覆建設國家廣域 量子骨幹網絡建設一期工程項目，總投資 7.78 億元（包括京漢段、漢廣段、滬合段三段骨幹網 約 3,800 公裡），建設期三年。
（2）山東「齊魯幹線」：2020 年 3 月山東省出臺《關於山東省數字基礎設施建設的指導意 見》，提出依託濟南、淄博、濰坊和青島等市，構建橫貫東西的量子保密通信「齊魯幹線」，滿 足與京津冀、長三角及海外重要城市間廣域量子保密通信需求。項目已有明確的建設投資計劃， 用三年分兩期建設。
（3）國盾量子與中國電信合作及試點安徽省「江淮量子網」：中國電信將通過與國盾量子 的合資公司逐步建成覆蓋安徽省 16 個地市的量子通信江淮網和量子安全雲。
（4）廣東粵港澳量子通信骨幹網：2020 年 11 月 5 日出臺《廣東省推進新型基礎設施建設 三年實施方案（2020—2022 年）》，提出加快建成廣佛肇量子安全通信示範網，規劃建設粵港澳 量子通信骨幹網，部署建設量子衛星地面站，推動與國家廣域量子保密通信骨幹網絡無縫對接， 探索構建量子網際網路。
（5）國防領域量子通信項目：國盾量子 6 月公告稱「在預研及演示驗證階段，有關科研 類項目已持續為科大國盾帶來訂單。
目前發行人正在配合相關主管部門進行型號研製前期準備工作，型號研製完成後待列裝可能帶來持續性訂單。」 未來，我國還將發射多顆由中高軌道和低軌道衛星共同組成的量子星座，與地面光纖量子 通信共同組成天地一體化的、全天候通信的量子通信網絡。
3.2. 量子信息科學國家實驗室的建設
目前，我國正在進行量子信息科學國家實驗室的建設，這是繼墨子號量子衛星、量子通信 「京滬幹線」之後，中國在量子科學領域的又一次大手筆投入，涉及到的國家長期投入將達到千 億元。
作為國家重點支持的重大前沿科技項目，量子信息科學國家實驗室涉及合肥、上海和北京等地，僅合肥實驗室佔地就將達 554 畝，是安徽省科技創新的「一號工程」。 2016 年，為貫徹落實習近平總書記視察安徽重要講話精神，安徽省委、省政府決定依託中科大創建量子信息科學國家實驗室。
按照科技部要求，由中科大潘建偉院士牽頭按照與科技創 新 2030—重大項目「量子通信與量子計算機」一體化實施的思路，編制了國家實驗室組建方案，提出了「一總部、兩分中心加網絡」的建設格局。
該項目已經獲得安徽省和上海市政府各 10 億元左右的配套啟動資金，2017 年安徽省財政 還設立了總規模 100 億元的量子科學產業發展基金。 量子信息科學國家實驗室一期計劃總投資 70 億元，預計 2020 年底可竣工。項目建成後將進一步推動國家量子科技發展。
3.3. 潘建偉將成為諾貝爾獎有力爭奪者
近年來，潘建偉及其團隊在量子計算和量子通信領域接連取得舉世矚目的成就，後續或將 成為中國在諾貝爾獎方面有力的爭奪者。
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作者：中原證券 朱宇澍
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