量子芯片生产线到底能生产哪些类型的芯片?能解决中国当前的芯片需求吗?

量子芯片与传统芯片不同，其基本单位是量子比特（qubit），具有比传统计算机更强的计算能力和更高的安全性。但是，目前的量子芯片技术还处于发展阶段，生产线能够生产的芯片类型有限，主要分为两种：

量子计算芯片：用于实现量子计算，例如IBM、Google等公司生产的量子计算芯片。

量子通信芯片：用于实现量子密钥分发和量子隐形传态等量子通信功能，例如国内的安恒信息、紫光展锐等公司生产的量子通信芯片。

当前，全球的量子芯片产业链还处于初级阶段，产业链上游的技术、设备、原材料等供应链还未完全成熟，对于量子芯片的研发、生产、测试等环节仍然存在很大的挑战。而中国在量子计算和量子通信方面的研究也处于全球领先地位，但在芯片生产线上的建设相对滞后。

因此，当前的量子芯片生产线主要用于研发和实验，对于中国当前的芯片需求来说，量子芯片还无法完全替代传统的半导体芯片。但是，随着量子计算和量子通信的发展，量子芯片将会成为未来的重要技术和产业，对于我国产业升级和技术创新具有重要意义。

与传统的通信技术相比，量子通信技术的特点及优势体现在具有较高时效性、具有较强的抗干扰性、具有较好的保密性、所需信噪比低等。

政策方面，我国出台多项政策推动量子通信发展，2021年开始实行的“十四五”规划提出，要使全社会研发经费投入年均增长7%以上，并把量子技术与人工智能和半导体一起列为重点研发对象。

技术方面，中国量子通信专利数超3000项，领先美国。随着国家逐渐完善量子科技领域的顶层设计，加强技术支持，我国有望成为全球量子信息技术研究和应用的主要推动者。

量子通信较传统通信优势明显

与传统的通信技术相比，量子通信技术的特点及优势体现在具有较高时效性、具有较强的抗干扰性、具有较好的保密性、所需信噪比低等。量子通信线路时延几乎为零，信息传递速度快，过程无障碍量子通信中的信息传输与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能

由于量子不可克隆，成为量子密钥的基础，量子密码安全性很高，一般不能被破译相比于传统的通信手段，同等条件下量子通信技术获得可靠通信所需的信噪比低30-40dB。

“十四五”规划推动量子通信发展

我国出台多项政策推动量子通信发展，2021年开始实行的“十四五”规划提出，要使全社会研发经费投入年均增长7%以上，并把量子技术与人工智能和半导体一起列为重点研发对象。

在十四五建设时期要加强关键数字技术创新应用，加快布局量子计算、量子通信等前沿技术，并在量子信息等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局未来产业。我国将构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，率先推动量子通信技术在金融、政务和能源等领域广泛应用。

2021年3月15-3月21日通信细分板块中只有量子通信上涨3.1%，其他如移动互联、卫星通信导航、区块链、云计算、物联网均下跌。可知通信板块表现下跌，但是量子通信表现最佳，可知量子通信发展势头较好。

中国量子通信专利数超3000项，领先美国

2013年“斯诺登事件”发生后，我国大力研发量子通信和密钥技术，2016年，我国成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，并获得了千公里级星地量子密钥分发、量子隐形传态以及纠缠分发等多项具有国际领先水平的科学成果。

2020年美国政府提出了打造量子互联网的计划中国也在切实建设量子通信体系，中国科学技术大学2021年1月宣布成功组建跨越4600公里的天地一体化量子通信网络。

据日本信息分析机构VALUENEX，在光量子交换机等硬件相关专利方面，中国优势明显：华为公司拥有100项专利，居世界第二位北京邮电大学拥有84项专利，排在第四位。

在软件方面，中国也拥有很强的实力，中国建设了连接北京和上海的量子通信网，积累了设备开发和应用的知识经验。中国量子通信专利数超3000项，遥遥领先于美国。

量子通信朝着量子互联网发展

量子通信技术是未来保障信息安全的重要手段，是国家重点支持发展的行业。云计算、移动互联网、物联网、大数据等新技术、新应用和新模式的出现，对信息安全提出了新的要求，信息安全牵涉到国家安全和社会稳定，我国已将信息安全提升为国家安全战略。

近年来，我国加快在量子科技领域的发展，相关的科研经费投入，专利申请布局和应用探索等方面都具备较好的实践基础和发展条件。随着国家逐渐完善量子科技领域的顶层设计，我国的量子科技行业或将快速发展，成为全球量子信息技术研究和应用的主要推动者。

更多数据请参考前瞻产业研究院发布的《中国量子通信行业市场前瞻与投资策略分析报告》。

怎么才能把量子力学的神奇性质应用到日常生活中，科学家可谓是煞费苦心。当然原则上只要用到原子的东西，像原子钟、激光、半导体芯片这些应用，都默默地用到了量子力学 —— 但它们并不叫“量子钟”“量子光”“量子芯片”，因为它们没有直接使用像量子纠缠那样的性质。对比之下，民间流行的那些打着量子旗号的神秘产品，什么量子波动速读、量子鞋垫、量子挂坠，全都是伪科学。

你要知道制备一对相干的光子在技术上有多难，就不会相信那些东西了。量子力学中有个技术叫“量子隐形传态（Quantum teleportation）”，原则上可以把一个量子态完美地复制到遥远的地方而不需要时间。有人据此说量子技术可以像《星际迷航（Star Trek）》电影里那样，把一个人瞬间隔空传输到另一个城市，这也是胡说。你要知道，量子隐形传态现在最多只能传递几个粒子 —— 的量子态 —— 而不是物质本身，而且它本质上就是量子纠缠，并不能做到超光速的信息传递。

而在中国引起强烈关注的“量子通信”，则是一个真技术。因为中国在量子通信上的领先地位，有人说量子通信能改变世界，甚至是“第四次工业革命”的一部分 —— 但是也有人认为量子通信没啥用。我看很多争论是因为人们不了解原理胡乱猜，这一讲我们来看看量子通信的底层原理，相信你自己就能做出判断。

这里面有个精妙的想法。

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量子通信要用到量子纠缠，而我们已经一再强调，量子纠缠本身并不能传递信息。我们设想有一对纠缠的光子，分开很远，两个人各自测量一个。根据约定俗成的习惯，他们一个叫爱丽丝（Alice），一个叫鲍勃（Bob）。爱丽丝和鲍勃选定了一个共同的空间方向，0 度角，一起测量各自光子的偏振态。

光子原本是处于“水平”和“垂直”两种偏振的叠加态，而根据“鬼魅般的超距作用”，任何一个人的测量，都会让两个光子的波函数一起坍缩。如果爱丽丝测量到自己这个光子是处于水平态，她立即就可以得知，鲍勃那边测量的也是水平态。而你知道爱丽丝并不能用这个方法向鲍勃传递信息，因为她无法控制测量结果！水平态还是垂直态的结果是完全随机的，两人只是共同收听了一个信息，就好像他们都看到世界杯现场直播进球了，但是进球这个信息不是他俩能决定的。

但是这个共同收听到的信息也很有用，可以用来做密码本。只要爱丽丝不断地制造纠缠光子对，自己记录一个鲍勃记录一个，水平态就记为“0”、垂直就是“1”，两人就有了一大串共同的、而且是随机的“0100011001111……”这样的字符。做一个简单的转换，这段字符就可以代表比如说 [1]“把这个字母向前走4位、向前走6位、向前走7位……”这么一个加密解密 *** 作，这就是两人共同的密码本。

有了密码本，爱丽丝就可以把自己想说的话按照这个 *** 作加密。她再通过普通的渠道，比如说发微信或者发邮件，把加密的信息传递给鲍勃，鲍勃收到再用同一个密码本解密。因为密码本中的 *** 作是完全随机的，而且二人只用一次，这就是一次绝对不可能被破译的保密通信。

密码本是“收听”来的，量子纠缠只允许收听，真正的消息需要另外的、传统的、不超光速的方式传递，这一点非常重要。这就是量子通信的核心思想。 量子通信是个收听密码本 —— 而不是传递消息 —— 的方法，学术上叫做“量子密钥分发”。

但是实际 *** 作不能这么简单，因为鲍勃无法确认它收到的光子是不是跟爱丽丝纠缠的。他们还需要一个验证机制。

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最早的量子密码分发协议是1984年查尔斯·贝内特（Charles Bennett）和吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）发明的，现在叫“BB84协议”。我们这里说一个牛津大学亚瑟·埃克特（Artur Ekert）1991 年发明的协议，叫“E91”，其实所有这些协议的本质都差不多。

为了验证纠缠，爱丽丝和鲍勃要时不时地改变一下测量方式。本来两个人都是在 0 度方向上测量光子的偏振，现在爱丽丝要随机地选择一些时候，在比如说向右偏转 30 度的方向上测量，鲍勃则是随机地选择一些时候在向左偏 30 度的方向上测量。这就相当于我们前面说的“戴眼镜观察乒乓球”，我们知道，只要二人中有一个人偏转了，他们的测量结果就对不上。

对不上没关系，爱丽丝可以跟鲍勃打个电话，告诉他，自己只在比如说第 1、2、5、8、9、11、12、13、17、……这些次的的测量用的是 0 度角，其他时候用的是右偏 30 度；鲍勃则告诉爱丽丝，自己只有在第 2、3、4、6、8、10、11、12、16、17、……这些次的测量用的是 0 度角，其他时候用的是左偏 30 度角。不管怎么随机，总会有一些时候，两人用的都是 0 度角，那些测量还是能对上的。这么一比对，两人知道，第 2、8、11、12、17 这些次的测量，两人都是用的 0 度角，他们的读数应该是一样的 —— 这些读数就是共同的密码本。

这么做的好处是能验证量子纠缠，而且不怕窃听。

爱丽丝跟鲍勃打的这个电话是不怕窃听的，哪怕公开都没关系。这是因为两人这里交流的只是观测位置，而不是观测结果，观测结果只有二人自己知道。

那二人使用的那个量子纠缠的光子，会不会被人 —— 按照习俗这个人叫伊芙（Eve）—— 给拦截了呢？拦截了也就拦截了。光子一旦遭遇拦截就被吸收了，信号中断，而任何通信都有可能被敌人阻断，这没办法。真正需要担心的是伊芙会不会一边拦下爱丽丝发来的光子，一边给鲍勃发一串“假”光子，让鲍勃不知道信号已经被第三方复制了，这也就是“窃听”。

但是伊芙发射的光子不会跟爱丽丝的光子纠缠！只有来自同一个源的两个光子才能纠缠。只要鲍勃和爱丽丝确保两人收到的光子是纠缠的，他们就知道没有被窃听。那他们怎么知道呢？

那当然是贝尔定理。两人可以随时比对一下在二人都使用了偏转角度测量的时候，那些测量结果的协调程度，是否违反了贝尔不等式，就知道有没有量子纠缠了。

这就是量子通信的好处：它不可能被窃听，具有绝对的保密性。

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要在技术上实现这一切，特别是远距离传输保持纠缠态而没有发生退相干的光子，是非常困难的。美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助，在 2004 到 2007 年之间，哈佛大学和波士顿大学等地连接起来，建成了一个量子通信网络。欧洲在 2008 年、中国在 2009 年都建成了量子通信网络。特别是中国科大潘建伟的组做成了世界最长的量子通信线路，而且还实现了卫星传递，可以说是世界最强。

但你要说量子通信是像人类发明蒸汽机、电力、计算机一样的“第四次工业革命”，能改变世界，那我看就是言过其实了。量子通信解决的问题仅仅是保密而已。信息的加密解密在 历史 上曾经起到过重要作用，二战时候动不动就是英国破解了德军密码、美国破解日军密码的故事，但是今天，密码并不是问题。

今天的人们使用数学家发明的“公共密钥”，并不需要专门传递一个什么密码本。你听说过现代有什么破译了密码的事情吗？公共密钥体系是一套软件，但是是一个非常安全的系统，因为它依靠的是数学！现在你让一个本来就十分安全的东西变得绝对安全，这叫改变世界吗？

现代真实场景中的泄密可以发生在各个环节，最常见的还是间谍、是人犯了错误、是人的疏忽，而不是技术问题。加密技术是保密环节的长板，而不是短板。

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很多人推崇量子通信是因为公共密钥体系有可能会被“量子计算”给破解掉。现在最广泛使用的公共密钥叫“RSA”，这个系统之所以安全，是因为它是基于两个超大质数的乘积。把大数字相乘，这个运算对计算机很容易，但是有了乘积让你把它分解成那两个大质数，对现有的“经典”计算机非常困难 —— 加密容易解密难，靠的就是这一点。但是即将出现的量子计算机，又恰好特别擅长分解质因数，那这不正好用来解密吗？

所以这个逻辑是量子计算机将是现有加密方法的威胁，而为了应对这个威胁，我们必须抛弃 RSA 体系，使用量子通信，确保绝对的保密。

也就是说，量子计算可能会改变世界，量子通信的作用是确保世界不被改变。

但是这个逻辑也是不成立的。根据最乐观的估计，量子计算的确有可能在五年之内威胁到 RSA 的安全性。可是数学家并不是只有 RSA 这一种加密方法！有很多加密方法即使在理论上，也不怕量子计算机。“后量子时代”的加密算法已经出来了，美国国家标准技术研究所（NIST）正在评估的，就有 69 种 [2]。

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划重点：

注释

[1] 我用了一个最简单的办法，每四位数转换成一个十进制数字：0100 = 4，0110 = 6，……其实什么方法都可以。

[2] Karen Martin, Waiting for quantum computing: Why encryption has nothing to worry about, https://techbeacon.com/security/waiting-quantum-computing-why-encryption-has-nothing-worry-about

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