“量子”是指某个物理量的最小单位；基于此概念，物理学界提出研究物质世界微观粒子运动规律的“量子力学”；“量子科技”则是将“量子力学”引入“信息科学”，交叉而成的一门新生学科。目前，全球围绕着“量子科技”延伸的“量子计算”和“量子通信”两大领域展开博弈，我国在量子通信层面居于世界领先水平，但在量子计算方向还是追赶者。当前形势下，相比“量子计算”尚处理论及实验阶段，“量子通信”迎来“产业前夜”，更具产业化前景，且表现出：（1）“上游元器件及设备”及“中游系统集成”是当前产业核心；（2）“国盾量子、问天量子、九州量子”三足鼎立，均源自中科大；（3）量子通信虽处市场蓝海，但短期内领域产业化存在不确定性。10月16日，中共中央政治局就“量子科技研究和应用前景”举行第24次集体学习；一时间，“量子科技”在上周末刷屏各大媒体网站，成为讨论风口。其实，自十九大以来，十九届中央政治局共进行过24次集体学习，内容涉及党建、法治、经济、城乡建设、国防、媒体、科技等，其中就已多次涉及前沿技术相关问题：2017年12月8日，第2次集体学习主题是“实施国家大数据战略”
2018年10月31日，第9次集体学习主题是“人工智能发展现状和趋势”
2019年10月24日，第18次集体学习主题是“区块链技术发展现状和趋势”
这些集体学习的背后，都在就着前沿科技、核心技术等问题展开布局，确保对最前沿的技术发展有着清晰的认识，并确保适时将其纳入规划和治理中。那么，此次学习“量子科技”意在何为？理解“量子科技”，必须先了解什么是“量子”、什么是“量子力学”。量子一词来自拉丁语“quantus”，意为“有多少”，由德国物理学家普朗克1900年所提出；在学术定义上，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把这个最小单位称为“量子”。通俗来说：在统计人数时，可以有1个人、2个人，但不可能有半个人、1/3个人。在上台阶时，只能上1个台阶、2个台阶，而不能上半个台阶、1/3个台阶。这其中，1个人就是1个量子，1个台阶就是1个量子。因此，量子不是某种粒子，只是某个物理量的最小单位。在“量子”概念上，经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔等人完善，作为研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，“量子力学”在20世纪前半期初步建立。这一深奥理论的详细内容在此不做过多赘述，毕竟，量子力学作为一门挑战人类认知极限的物理学科，仅仅“难懂”二字无法概括其艰难程度。该理论提出后：不仅研究原子、分子、激光这些微观世界时必须用到量子力学，而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构等性质时也必须用量子力学。其实，当前硕果累累的各类技术成就，几乎都与“量子力学”有关： 打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车，燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药，也都离不开量子力学。因此，“万物皆可量子力学”、“遇事不决，量子力学”也不仅仅是戏称。了解完量子、量子力学，理解“量子科技”就有了一定基础，它是将量子力学和信息科学交叉的一门新生学科，即：以量子力学为基础，把量子系统“状态”所带有的物理信息，进行信息编码、计算和传输的全新信息技术。但如果将“量子科技”简单解释为全新信息技术，还不足以凸显其价值，其领先的战略地位以及科学意义在于因“量子力学”所赋予的3大基本原理——“量子比特、量子叠加、量子纠缠”。量子比特：所包含的信息量远超过只能表示0和1的经典比特。量子比特是量子计算机的最小储存信息单位，一个量子比特可以表示0也可以表示1，更可以表示0和1的叠加，即可处在0和1两种状态按照任意比例的叠加。量子叠加：量子的变化是有规律可循的，但又不能精确计算。著名的“薛定谔的猫”理论，就曾形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。量子纠缠：两个量子无论距离多远，都能产生一种关联性互动。量子纠缠在一起时，与距离等因素没有关系，当改变其中一个粒子状态时，另一个粒子会立即作出反应，而且这个反应速度是超光速的，瞬间完成。这3大基本原理交织在一起，让量子科技成为一本“无字天书”——量子叠加带来不可能精确测量及信息保密、量子比特带来超级量子计算机、量子纠缠让隔空传输成为可能等等；换句戏称来说，能研究出啥全凭“感觉”，“最终解释权”归量子力学。自“量子科技”问世以来，从上世纪开始就已先后“孕育”出原子能、激光、核磁共振、光刻机、GPS等新技术，成为20世纪最重要的科学发现之一。进入21世纪，以“量子计算、量子通信”为代表的量子科技研究与应用在全球范围内加速发展，带来了量子科技革命的第二次浪潮。这次浪潮影响之下，将使得传统信息技术迎来“降维式打击”，以当前各国争相竞夺的“量子计算、量子通信”领域来说：在传统计算机中，信息处理只能在0或1中取一个值，要获得问题最优解，就需要把所有的可能性都计算一遍。但在量子计算机中，由于量子叠加态的存在，1个量子比特可以同时记录0和1两个状态，两个处于叠加态的量子比特发生“量子纠缠”后，就会有4种状态（2的2次方）；如果100个量子比特发生“量子纠缠”，则会出现2的100次方种状态。如此海量的状态，可以让量子计算机拥有超强的计算能力。目前，世界上运算最快的计算是我国“天河二号”超级计算机，每秒达到3.39亿亿次的计算量，但量子计算机却是其速度的百万倍；在此情况下，现有计算机要60万年才能破译的密钥，量子计算机只要3小时。摩尔定律，是指“集成电路芯片上所集成的元器件数目，每隔18-24个月就翻一番，但性能提高一倍”。理论上来说，摩尔定律是没有问题的；但芯片材质决定着其物理极限，硅材料的物理极限是3nm，目前芯片正从10nm变成7nm再变成5nm，当制造工艺未来达到3nm时，摩尔定律将不再适用。（1）改变传统晶体管，更换成物理极限更小的材质；但弊端在于，当新材质的物理极限来临时，又需要考虑如何破解。（2）优化当前老算法，考察芯片的好、快，优秀的算法也起着至关重要的作用；但弊端在于，当前老的算法同样存在极限。（3）通过量子计算打造“量子芯片”，破而后立、另辟新路，实现弯道超车。目前，作为国产代表作的华为麒麟990已达到7nm制造工艺，下一步将朝着5nm工艺发展，相信未来达到3nm也只是时间问题；那么，在面临美国打压情况下，朝着“量子芯片”方向发展，不得不说也是一条出路。此外，通过量子计算也能减少计算机因巨大能耗导致的芯片发热、速度减慢等问题，究其原因在于量子霍尔效应及量子反常霍尔效应，而且在应用层面也得到验证。在使用计算机时，设备会经常遇到发热、能量损耗、速度变慢等问题；这是由于常态环境下，芯片中的电子运动没有特定的轨道，导致电子相互碰撞从而发生能量损耗。但量子计算机的量子霍尔效应，则可以对电子的运动制定一个规则，让电子在各自“跑道”上“一往无前”地运行。但是，由于量子霍尔效应需要非常强的磁场，相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。为此，在量子霍尔效应基础上，科学家研究得出“量子反常霍尔效应”，即：不需要任何外加磁场，由材料本身的自发磁化产生，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。这其中，“量子反常霍尔效应”提出者便是此次中共中央政治局“量子科技研究和应用前景”集体学习的“讲师”——中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤先生。量子通信与众不同之处在于，相比经典通信只有0和1两个信号，量子通信不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学不确定性原理和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，这样一来，通信双方就能立即察觉。这其中涉及“量子密钥分发”和“量子隐形传送”两大概念。简单来说，“量子密钥分发”是利用量子的不可克隆性，对信息进行加密，属于解决密钥问题；“量子隐形传送”则是利用量子的纠缠态，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变，这个“改变”不受光速限制的，瞬间完成。图：“量子密钥分发”和“量子隐形传送”
来源：招商证券。
好比古人在通信时，往往在信封上用火漆封口，假如一旦信件在中途被人拆开，马上就会留下泄密的蛛丝马迹。而量子态的作用比火漆完成得更彻底，因为一旦有人打开“信件”，“信件”不仅自动销毁，而且及时告知使用人“信件”已被人打开、并且自动销毁了。在了解量子科技发展如何之前，我们先看看外部形势怎样。就在中共中央政治局第24次集体学习前一周，美国白宫科学和技术政策办公室于10月7日发布了《量子前沿报告》，提出：美国在量子信息科学领域保持领导地位，为了确保美国的长期繁荣、国家安全、科技优势等，政府将继续加大对量子科技的研发，和人才的培养。到目前为止，已有16个联邦部门参与了“国家量子计划”，包括所有国家安全机构。如果你仅仅以为就发布了这一份报告，那就错了，因为从2018年开始，美国在量子科技方面的动作就一直不断：- 2018月6月，白宫国家科技委员会（NSTC）成立量子信息科学子委员会；
- 2018年9月，量子信息科学子委员会发布《国家量子信息科学战略概览》；
- 2018年12月，美国通过《国家量子倡议法案》（NQIA）；
- 2019年3月，白宫科技办宣布成立白宫国家量子协调办公室；
- 2020年2月，美国在2021年预算提案中，提议大幅增加量子信息科学研发开支，并在两年内将量子信息科研的支出增加一倍至8.6亿美元；
- 2020年2月，美国发布《美国量子网络战略远景》，提出国家量子互联网；
- 2020年7月，美国能源部公布“量子互联网发展战略蓝图”。
这架势，给人感觉“没完了”，颇有当年太空竞赛意味。除美国以外，欧盟、英国、德国也都提出了各自在“量子科技”领域相应计划：
2016年3月，欧盟发布《量子宣言》，计划斥资10亿欧元推动量子技术，计划聚焦在量子通信、量子传感器、量子模拟器和量子计算机4个领域；
2016年12月，英国发布《量子技术：时代机会》；
2018年11月，德国通过《量子技术：从基础到市场》计划，将投入6.5亿欧元，重点研究量子卫星、量子计算和测量技术等领域。
此外，日本、韩国、新加坡等也均发布了各自“量子信息科学发展计划”。既然各国都在摩拳擦掌、准备爆发，那么主要集中哪些领域呢？上文已经提到，以“量子计算、量子通信”为代表，开启了21世纪的量子科技革命的第二次浪潮，这也是全球目前主要争夺的两大领域。在量子通信领域，我们称得上一句“老大哥”，先看看“业绩”如何：2016月8月，我国成功发射世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”；
2017年9月，成功开通世界首条2000公里量子保密通信干线“京沪干线”；
2018年，我国科学家为量子技术申请专利的数量是美国的两倍多；
2020年2月，中科大潘建伟院士等团队，成功实现相距50公里光纤存储器间的量子纠缠，为迈向量子互联网做出概念验证；
2020年6月，中科大潘建伟院士等团队，千公里级、无中继、远距离量子保密通信取得突破，向构建量子互联网迈出重要一步。
对比下时间轴线，相信就能明白为何上文美国那么“紧张”。
目前，我国在量子通信方面走在全球前列，2019年我国量子通信市场规模达到425亿元，经相关机构预测，2024年我国量子通信市场规模将达到912亿元。
图：2017-2024年我国量子通信市场规模情况（亿元）（2）量子计算：美国初步实现“量子霸权”，我国目前以理论研究为主
在量子计算赛道，谷歌、微软、英特尔等欧美科技企业拥有先发优势；我们还在追赶，主要以理论研究为主。据全球量子计算技术发明专利排行榜显示：
①从国家层面来看：美国占比43%，已初步实现在量子计算领域的“量子霸权”；我国目前占比12%，位居第3，仅占美国的1/3不到。
图：截至2020年9月全球各国量子计算技术发明专利排行榜②从公司层面来看：在100家入榜企业中，IBM、谷歌、微软、英特尔等巨头正在形成垄断，IBM以554件专利位居第1，前5美国占据4家。
我国仅本源量子入选前20，其他企业都或多或少带有中科院、国防科技大学以及国企平台公司背景；这两年，阿里巴巴、腾讯、百度和华为等科技企业也相继出台量子计算研究计划，先后关注和加大量子计算领域投入。
表：截至2020年9月全球各公司量子计算技术发明专利排行榜2019年1月，IBM推出全球首个独立商用量子计算机，命名为IBM Q System One，这是首台可商用的量子处理器；
2019年10月，Google在Nature上发表论文表示，其用53个量子比特的超导量子芯片，耗时200s完成运算，当前超级计算机需要大约1万年时间。
注：(a), (b) IBM 推出的全球首套商用量子计算机 IBM Q System One；(c), (d) Google 推出的 53 个量子比特的超导量子芯片。图片来自昆仑策研究院。
据相关机构预测，量子计算市场到2035年将达到20亿美元；若量子计算技术迭代速度超出预期，物理量子位的错误率这一瓶颈能够克服，则2035年可突破 600亿美元。尤其面临5G时代来临，对量子计算而言，更说得上是“如鱼得水”，相应市场规模可能有望进一步得到增长：
5G时代，数据爆发增长速度将比以往更加猛烈。2020年，全球产生数据量将超过40ZB，相当于每个人产生5200GB数据；相关机构研究表示，这些数据中，约有40-50%左右数据（将超过16000EB）将被云提供商所“获取”，约有30%左右数据（将超过12000EB）将具有大数据价值。
基于现有超级计算算力，在如此庞大的数据面前，数据量超出了内存和处理器的承载上限，人工智能将需要经历非常漫长的训练学习过程，甚至有可能无法实现的人工智能，这就必须依托量子计算来予以实现。
首先需要明确，“量子科技”在产业化层面还没那么广泛，但扯着“量子概念”的旗号、收割信息差价和智商税的，倒是不少。当前形势下，在“量子通信”和“量子计算”两大赛道中：“量子通信”迎来“产业前夜”，更具产业化前景；而“量子计算”尚处理论及实验阶段，是长远角度的考虑。目前，量子通信产业链已初具雏形，而且伴随着国家量子通信网络部署规模扩大，将有望进一步推动产业化应用：据悉，量子通信通常通过光纤传送单光子，由于单光子量子态信号与传统光信号同光纤混合传输时将导致性能劣化；因此，在量子通信系统组网时，通常需要铺设额外的独立光纤线路。伴随首条量子保密通信干线“京沪干线”建成，截至2018年底，我国已建成的光纤量子通信网络总长达7000余公里。未来随着量子通信骨干网和城域网逐步扩大，有望持续带动量子通信产业发展。
图：我国量子通信网络建设情况
- “上游元器件及设备”及“中游系统集成”是当前产业核心
从产业链来看，量子通信主要包含上游元器件及设备、中游系统集成，下游平台及应用。（1）上游：主要包括量子通信的元器件、光纤、终端，国内能够提供核心设备的公司并不多，目前形成寡头格局，主要有科大国盾量子、安徽问天量子、浙江九州量子等。
（2）中游：主要包括网络传输干线提供商和系统集成商；其中，提供传输干线服务的主要为“移动、联通、电信”三大运营服务商，提供系统集成服务则有“神州信息”、“中国通信”等。（3）下游：主要包括金融、军事、政务等各种行业应用，提供的产品包括量子电话、基于量子保密技术的IDC、量子白板等。注：此处在金融、军事、政务等领域的行业应用企业不做过多统计。在上述量子通信产业链之中，“上游元器件及设备”及“中游系统集成”是当前产业核心；此次中共中央政治局集体学习“讲师”——中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤先生，在面对“中央广电总台中国之声”专访时，更是明确强调了这点：实际上在量子科技、量子技术上，我们国家当前短板和现在传统信息技术的短板有点类似，比如说支撑设备、关键核心元器件等方面，所以我觉得加强关键核心元器件这种高端的技术材料、设备，都是需要解决的一些短板。在“上游元器件及设备”及“中游系统集成”两个环节中，虽然不只有一家参与者，但以“科大国盾量子、安徽问天量子、浙江九州量子”为主，形成了三足鼎立格局。这三家企业都与中科大有渊源，国盾量子和问天量子均起源于中科大，也是最早进行量子科技产业化的公司，分别由量子科学两大带头人潘建伟院士和郭光灿院士创办成立；此外，九州量子创始人郑韶辉也具有中科大背景，曾是中科大博士研究生。但无论是科大国盾、问天量子还是九州量子，最核心的产品都围绕上中游产业链，提供量子密钥分发设备(QKD)以及单光子探测器，并进行产品销售、系统调试服务、运维服务。在三足鼎立格局中，国盾量子率先突围，2020年7月22日在科创板上市（目前，控股股东科大控股持股18%，潘建伟院士持股11.01%，公司认定的9名核心技术人员全部持股），得到资本市场认可，这使得量子通信产业化也开始加速，对整个行业起到积极意义。虽然量子通信这一市场处在蓝海，但同时，量子通信作为前沿技术，需要国家和各地政府对光纤链路、网络建设等方面进行大力投入和支持，这其中就存在着诸多不确定性；国盾量子更是在招股书中，列了30项风险因素，包括技术研发失败、核心人员流失、客户集中度高、发展靠政府补贴等，这些不确定性问题就更为凸出。目前，国盾量子还未找到一个多样、长期的to B/C商业化模式，营收、客户都较为单一，总结下来有两个特点：①政府项目为主，收入主要来源于为各地政府建设的量子通信项目，几乎没有市场化机构参与，甚至没有移动、联通、电信等通信领域项目；②客户圈子很小很窄，几乎都和国盾量子有着千丝万缕的关系。在此情况下，作为量子通信第一股的国盾量子，未来发展尚未明朗；所以，量子通信能否实现整体领域的产业化应用，就更充满了不确定性。因此，短期内，量子通信无法形成大规模产业化，对各类产业载体需求不会有显著增加，对园区招商也无法带来显著增量。掌握创新的主动权，才能掌握发展的主动权。经过此次集体学习，我国量子科技有望在“产业前夜”中再度奋进，加快市场拓展和商业化应用，带动产业发展。 
