量子通信：千亿新兴云加速产业蓄势待发

前言：

量子通信较传统算法更具优势:量子通信在传统算法的基础上进一步扩展，将融合和叠加更多的信息数据，借由量子之间的相干性，整体的传输、分析速率有超倍的提升。

量子通信技术日渐成熟:量子通信技术相较于量子计算更加成熟，目前已经在通讯领域付诸实践，如“京沪干线”、“墨子号”量子通信卫星等实践充分证明了量子通信的可行性，量子通信技术已经开始从理论走向实践。

 

网络流量及用户数的增长将是量子通信的发展驱动力

随着5G时代的到来，移动互联网流量预计将会出现井喷式增长，大量的信息数据也将在云上进行分析和处理，网络信息安全需求也将出现新一轮增长，量子通信的加密式的传递方式将成为网络信息安全解决方案的重要一环。

网信安全市场需求稳增，量子通信龙头企业必将受益

据前瞻产业研究院数据统计初步测算2019年我国量子通信行业市场规模将达到426亿元左右，2024年市场规模有望接近千亿元。目前量子通信的发展势态强劲，相关配套设施与应用场景不断落地，增长空间广阔。

分析师：侯宾

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▌量子计算原理

基本原理

传统计算机的输入态和输出态都是经典信号，输入信号序列按一定算法进行变换，由计算机内部逻辑电路来实现有关的信息分析。

因为本征态的的两个区间限制，传统计算机只能在0和1两个比特之间进行正交变换，每一步都有既定的正交态路线，且不能出现对应的路线叠加。也就是说传统计算机的通用计算是在一个具有限制的框架中进行的，而你不能打破这个框架，不然就毁掉了整个系统机制。

而量子计算机与传统计算机的不同就在这里，量子不像半导体只能记录0与1，它可以同时表示多种状态。因为这个自带优势，量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交。

假设有一条迷宫，选一条路一直走直到死胡同，然后回头重新选择走别的路，假设走一次需要一秒钟。如果我们能同时控制10个量子比特来做运算，2的10次方等于1024，相当于我们1秒钟可以测试1024条路。而传统计算机1秒却只能测试一条路。如果我们能同时控制5000量子比特的量子计算机，甚至就可以瓦解当前所有区块链系统，加密货币的信任体系将被不复存在。

实验结论表明，每一个量子单元之间都存在着并行的必然联系(每有两个量子比特串列，就会作为一个整体动作)，你只需要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。而这一特点，也正是量子计算机能够进行高速运算的关键。

 

▌量子计算发展历程和现状

量子计算可以看作是今天计算资源的无限扩大，而这种资源进化可能性，对于国家和地区经济来说显然是战略性的。在量子计算越来越成熟的今天，国家层面的量子布局甚至争抢，也开始趋近白热化。

2018年12月，美国国会宣布通过了一项旨在加强美国量子计算领域领先地位的法案，特朗普即将签署生效。这项法案包含建设国家级量子计算项目、确保量子计算技术不外流等多个方面。美国科技媒体一致认为，这项法案在国际贸易局势的背景下，将可能把发展量子计算置于美国头等大事的位置。

美国政府直接参与量子计算布局，在这两年呈现愈演愈烈的趋势。相关技术的禁止出口等级也直线上升。很显然，新一轮的科技竞赛已经被美国拉开了大幕。

这一背景下，2018年中国、欧盟、英国、加拿大、日本都开始大手笔投入量子计算布局。到了2019年，很大概率上我们可以想见量子计算会散发出更多竞争甚至火药的味道。然而在一项基础科技开始成熟时，这或许也是国际格局下必然生长出的结果。

量子计算主要玩家

科技公司:谷歌、阿里巴巴、IBM、惠普、英特尔、微软、D-Wave、SiliconQuantumComputing、Rigetti、1QBit、IonQ等。

国防承包商和咨询公司:BoozAllenHamilton、LockheedMartin、Raytheon等等。

除了公司投资，欧盟、美国、澳大利亚和中国也在支持旨在建造量子计算机的项目。

 

量子计算主要研究高校

国外:麻省理工学院、斯坦福大学、西北大学、新加坡国立大学、日内瓦大学、哈佛大学、加州理工学院、奥地利科学院、滑铁卢大学等

国内:中国科学院、中国科学技术大学、北京邮电大学、清华大学、南京大学等

中国科学技术大学、中国科学院以及北京邮电大学在论文发表数量上有着巨大优势

 

谁在投资量子计算?

谷歌风投(GoogleVentures)和亚马逊等公司都投资了IonQ，这家公司正在开发通用量子计算机，以应对广泛的应用。

这个领域中著名的风投公司包括红杉资本，投资了量子计算硬件公司QuantumCircuits。安德森·霍罗威茨公司(A16Z)已经投资了RigettiComputing;DraperFisherJurvetson已经参与到了对D-Wave的多轮投资。推荐阅读：《国内CDN加速中的亚太内容分发》

2018年2月，随着韩国移动电信运营商SKTelecom加入“游戏”，量子计算在通信安全方面的关注也得到了提升，几个月后，德国的DeutscheTelekom也加入了进来。

这两家电信公司在6500万美元的投资中，购买IDQuantique的多数股权和少数股权。IDQuantique提供基于量子技术的多协议网络加密，以确保通信安全。

 

中国量子计算发展

在多光子纠缠领域，我国一直在国际上保持领先的地位，目前，我国已经实现了18个光量子的纠缠。

利用国际一路领先的多光子纠缠和干涉技术，我国在2017年实现了第一台在“波色取样”这个特定任务上能够超越最早期两台经典计算机的光量子计算原型机。这是迈向“量子霸权”先期基础测试的一步。

 

过去的十几年，我们在国际上获得一些比较好的评价。2007年，《新科学家》在其《中国崛起》专刊里提到:“中国科学技术大学—因而也是整个中国—牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

2012年，《自然》年度十大科技亮点中说“标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家，发展为现在的世界劲旅”。之后的2013、15、17、18年，我们也分别有原创成果入选国际上的一些重大进展。

总的来说，量子通信已经比较成熟了，而且我国是全面领先于欧洲和美国的。但量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和集中攻关的阶段，根据其实现难度，基本可以分为三个阶段。

 

量子通信原理

基本原理:所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态(传输)的方式实现信息传递。

根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下:

事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量(一种操作)，则接收方的粒子瞬间发生坍塌(变化)，坍塌(变化)为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌(变化)后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(相当于逆转变换)，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

 

▌量子通信产业链

量子通信产业链上游主要是信号处理芯片、雪崩光电二极管(APD)等元器件及各类核心设备。

国内能够提供核心设备的公司并不多，主要包括国盾量子(浙江东方参与出资成立)、问天量子和神州量通(都飞通信控股51%)。国外厂商主要包括瑞士IDQ公司、美国Bennet公司等。

量子通信产业链中游主要包括网络传输干线提供商和系统集成商。以量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目为例，提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司，提供系统集成服务的公司包括神州数码系统集成服务有线公司(神州信息子公司)、中国通信建设集团有线公司(中国通服子公司)等。

量子通信产业链下游主要是各种行业应用，如金融、军事、政务、商务等领域。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。

 

▌量子计算应用前提

量子计算应用还有很长的路要走:量子模拟大约需要150个逻辑量子比特，每一个逻辑量子比特都由10到数千个“物理”量子比特组成，这些量子比特是修正误差和维持稳定性所必需的。

正如加州理工学院(CaliforniaInstituteofTechnology)的JohnPreskill早些时候指出的那样，如今的量子处理器使用的是噪音很大的物理量子比特，其性能有限，而且容易出错。

对于实际的量子计算业务应用程序，有两个主要的先决条件:具有足够的量子比特以运行量子模拟的处理器，以及解决应用程序背后数学问题的量子算法。在密码学和机器学习等领域，已经有了一些这样的算法。处理器正在积极开发中，越来越强大的处理器的研发速度也在加快。

 

▌量子通信应用前景

从量子通信现阶段的发展来看，在国内还属于实验转测试阶段。但考虑到国家对信息安全的强调和提升信息安全的急迫性，我国已经建设世界最远距离的量子通信干线--北京-上海量子通信干线。这条量子通信干线将首先为政府及金融机构提供安全信息传输，同时也具有一定的实验与测试目的。

未来，量子通信首先应用在政府、公用事业以及金融行业等安全需求较高的行业，运用的项目为密钥分配和安全管理。

随着传统通信的继续发展，量子通信将会往数据传输方面延伸，利用其高效性与及时性对传统通信进行替代。

可以预计，主要应用的有四个市场:

1、城域网受制于经典通信的限制，量子通信的实验一开始只是在单个城市，其工作半径在50km以内，出于试建的目的，量子通信可能最先在城域内进行组网建设。

2、广域网在广域网中进行通信安全级别设臵，在最高级别中运用量子通信，达到一些客户的对安全性的需求。

3、专网专网通信对信息安全的要求很高，但是基于现阶段的标准并不能做到?事中信息安全防护。如果在量子通信辅助信道可达的情况下，运用量子通信来加强专网通信的安全性是一个可选之路。

4、对空、对天、对潜应用对空、对天、对潜通信具有高成本、效率低等特点。引入量子通信以后，可以利用其无通信介质限制、高效的特点进行信息互通，从而解决现在所面临的难题。

量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据、票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。

▌量子通信发力网信安全市场

我国网络安全现状

电脑黑客活动已成重要威胁。许多应用系统处于不设防状态，存在相当大的信息安全风险和隐患。这种几乎不设防的现象，在金融等领域中表现的尤为突出。

国防科技大学的一项研究表明，目前我国95%与互联网相联的网络管理中心都遭受过境内外黑客的攻击或侵入，其中银行、金融和证券机构是黑客攻击的重点。

计算机系统遭受病毒感染和破坏的情况相当严重。从国家计算及病毒应急处理中心日常监测结果看来，计算机病毒呈现出异常活跃的姿态。信息基础设施面临安全的挑战。我国的网络安全系统在预测、反应、防范和恢复能力方面存在许多薄弱环节。

 

5G将至流量将呈现爆发式增长

用户结构的改变和用户数量的提升也体现到移动互联网接入总流量的提升上。移动宽带流量作为移动端app存在的基础，近年来提升速度一直维持在百分之百以上。2013年移动互联网接入总流量仅有13亿GB，在2018年已经达到711亿GB，增速持续上升。

从2G时代到3G时代，再过渡到4G时代，可以看到，不同时代的移动宽带流量是指数级增长的，我们认为在即将到来的5G时代，移动互联网接入总流量和户均移动互联网接入流量将迎来下一轮大增长。

网信市场空间

量子计算与量子通信同属于量子科技，不同的是量子计算

技术难度更大，目前尚处于实验阶段，距离大规模商用还较遥远，但量子通信技术已经比较成熟，而且已投入商用。

根据工信部数据统计，我国移动互联网用户接入连续多年持续增长，我们认为，得益于5G网络的高速传输速度，大量信息将会上传到云并在云端进行分析和处理。

大量数据的传输也对网络信息安全提出了更高的要求。利用量子之间“纠缠”的特性，量子通信在传输过程中，一旦信息在传出过程中被劫持，发送方和接收方都能立刻知晓，而信息劫持者也不能得到信息全貌，确保了信息的绝对安全。所以量子通信的加密式的传递方式将成为网络信息安全解决方案的重要一环。据前瞻产业研究院数据统计初步测算2018年我国量子通信

行业市场规模将达到320亿元左右。目前国内的量子计算发展迅速，但研发主要以芯片和硬件为主，我们认为可以重点关注部分云计算厂商和基础架构厂商。

在电荷量子比特方面的研究，以中科大和中科院为代表的研究团队已经达到国际领先水平。在商业化方面，部分云计算厂商和基础架构厂商也开始进行前期的投入。目前量子通信的发展还处于早期阶段，相关配套设施与应用场景不断落地，增长空间广阔。

 

量子通信:前景光明

量子通信是量子物理和信息科学领域的研究热点，目前成为通信角逐的制高点，在欧洲等国家，早已打响量子技术的攻坚战，其中代表国家为美国、日本以及欧盟等。

目前我国也不断在量子通信方面出台政策，支持产业发展。据统计，从2015年至今，国家出台了多项对量子通信产业的扶持政策。

 

我们认为，量子通信作为高科技新兴产业，未来的应用前景十分广阔，国家对该领域的扶持力度将会继续加大，在最新的文件中即“发改委关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知”，提出要建设国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程，并对建设内容，指标要求，负责机构，投资要求做出了明确规定。“墨子号”号量子通信卫星的发射以及“京沪干线”量子通信工程的建设也充分体现了国家对量子通信领域发展的高度重视，相信量子通信新一期建设将很快落地。