Квантовые технологии преодолели технологические барьеры и вошли в стадию промышленного тестирования

Погрешность не превышает 1 секунды на 30B лет — квантовые технологии снова обновляют точность измерения времени человека. В марте этого года научно-исследовательская команда Уханьского научно-технического университета Китая (USTC) добилась прорыва на уровне 10-19 в разработке оптических часов, приблизив глобальные стандарты времени к оптической эпохе. Эта новая точность измерений открывает двери для целого ряда передовых применений.

Сто лет назад физики обнаружили, что классическая физика не может объяснить микромир, и на сцену пришла квантовая механика. Сегодня квантовые технологии выходят за пределы классической физики, заново определяя вычислительные возможности человечества, точность восприятия и информационную безопасность.

Будучи одной из шести ключевых будущих отраслей в «плане 15-го пятилетнего периода», квантовые технологии являются важной опорой для Китая в занятии ключевых позиций и права голоса в сфере будущих технологий и отраслевого развития. В настоящее время в Китае по трем основным направлениям — квантовым вычислениям, квантовой связи и квантовой прецизионной метрологии — достигнуты прорывы. Научно-исследовательские институты, представленные Уханьским научно-техническим университетом Китая и Шэньчжэньским международным институтом квантовых исследований, а также ведущие компании, представленные Guodun Quantum, Guoyi Quantum и Yuanben Quantum, вышли на передний план. Сформировавшаяся в целом схема, при которой исследовательские кластеры стимулируют развитие промышленности, уже получила первичное оформление.

Однако от оригинальных прорывов в лабораториях до масштабируемых применений в цепочке поставок квантовым технологиям по-прежнему предстоит преодолеть множество разрывов. При консолидации усилий со стороны разных сторон эта «битва за прорыв» движется к переломному моменту.

Занять три ключевые основные траектории

Квант — это «наименьшая единица», из которой складывается энергия мира. Ученые используют свойства квантов, чтобы по законам микромира перестроить макромир.

В сфере традиционных вычислений бит является наименьшей единицей информации; он представлен двумя состояниями — 0 и 1. А в квантовом мире квантовый бит может одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1 — как монета во вращении, которая обладает одновременно свойствами лицевой и оборотной сторон; между несколькими квантовыми битами возникает запутывание, которое можно использовать для высокоэффективных согласованных вычислений; общее число состояний n квантовых битов может достигать 2 в степени n, что позволяет наращивать измерение вычислительных мощностей.

В трех ключевых направлениях — глобальных квантовых вычислениях, квантовой связи и квантовой прецизионной метрологии — китайские научно-исследовательские институты и предприятия демонстрируют «твердую силу» уровня, сопоставимую с ведущими международными показателями.

Квантовые вычисления общепризнанно являются сферой с самой высокой сложностью в квантовых технологиях. Их цель — изобрести квантовый компьютер и реализовать вычислительные задачи, которые не могут быть выполнены классическими компьютерами. Это также является главным направлением целенаправленных исследований ученых разных стран и технологических гигантов, таких как Microsoft и Google.

Происходящая из Китайской академии наук, Уханьского лабораторного ключевого подразделения по квантовой информации, компания Yuanben Quantum успешно разработала сверхпроводниковый квантовый компьютер «Yuanben Wukong», оснащенный 72-битным автономным сверхпроводниковым квантовым чипом. Как сообщается, «Yuanben Wukong» реализует совместную оптимизацию программно-аппаратного взаимодействия между операционной системой квантового компьютера «Yuanben Sinan» и системой квантовых измерений и управления «Yuanben Tianji». В настоящее время он работает стабильно уже более двух лет и суммарно выполнил более 800 тысяч квантовых вычислительных задач для 163 стран и регионов по всему миру.

В области связи квантовое распределение ключей обладает особенностью: подслушивание сразу обнаруживается, что переводит связь в абсолютную эпоху безопасности. Компания Guodun Quantum, известная благодаря квантовой защищенной связи, опираясь на глобально ведущую патентную раскладку в сфере квантовой связи и т. п., самостоятельно разработала пять поколений ключевого оборудования квантовой защищенной связи, помогая создать первую в мире линию квантовой защищенной связи уровня тысячи километров «Пекин-Шанхайский магистральный коридор», национальную магистральную сеть широкозонной квантовой защищенной связи «Пекин-Шанхайский магистральный коридор», а также крупные проекты, такие как «сеть квантовой защищенной связи широкозонного охвата “небо-земля”». Эти проекты обеспечивают ключевую технологическую поддержку для того, чтобы квантовая связь вышла из лабораторий в демонстрационные применения и для масштабируемого развертывания.

Guoyi Quantum фокусируется в первую очередь на квантовой прецизионной метрологии и разрабатывает высококлассные научные приборы самостоятельно. Соответствующий руководитель компании рассказал репортеру Securities Times: например, ключевой элемент — алмазный квантовый зонд. Диаметр наконечника зонда составляет всего 500 нанометров, что примерно равно 1/100 толщины человеческого волоса. Этот чрезвычайно миниатюрный наконечник зонда интегрирует сенсор на атомном уровне с масштабом порядка 0,5 нанометра. Как термометр может измерять температуру тела человека, так и для «аускультации» отдельной клетки и молекулы требуются более микроскопические и более чувствительные измерительные инструменты — именно тогда на сцену выходят квантовые приборы. В 2018 году Guoyi Quantum представила первый в стране серийный коммерческий X-диапазонный электронный парамагнитный резонансный спектрометр, разработанный на базе отечественных технологий. Этот шаг одним ударом сломал техническую монополию зарубежных брендов и позволил Китаю добиться важного прорыва в области квантовой прецизионной метрологии с точки зрения индустриализации.

В настоящее время структура развития Китая по трем направлениям квантовых технологий различается: в области квантовой защищенной связи Китай занимает ведущие позиции в мире; в исследованиях квантовых компьютеров Китай движется параллельно с США и входит в число первой мировой группы; в области квантовой прецизионной метрологии Китай частично лидирует на отдельных сегментах, но все еще отстает от развитых стран в области высококлассных научных приборов и т. п.

Преодолеть технические узкие места

Отрасль высококлассных научных приборов в Китае стартовала позже, и в верхних звеньях цепочки поставок, где требуются высокоточные и высокотехнологичные компоненты, наблюдаются заметные слабые места в импортозамещении. Сборка полноценных комплексов для квантовой прецизионной измерительной аппаратуры среднего и высокого уровня многие годы была монополией международных гигантов; кроме того, на повестке стояли ограничения экспорта и технологическая блокировка со стороны западных стран. Помимо этого, крайне не хватает междисциплинарных талантов высокого уровня в квантовой сфере, которые одновременно обладают глубокими теоретическими знаниями и опытом индустриализации, что стало важным «узким местом», сдерживающим развитие отрасли.

Суровая реальность вынудила китайские компании идти собственным путем. Как заявил соответствующий руководитель Guoyi Quantum, чтобы справиться с внешними вызовами, компания самостоятельно проросла и освоила целый набор фундаментальных «жестких» технологий: «возникновение и управление высокооднородным и стабильным магнитным полем», «технологии спиновой настройки микроволн», «конструирование и обработка квантовых датчиков» и др., тем самым обеспечив переход инструмента от ключевых компонентов к полностью автономно управляемой и контролируемой системе. Параллельно компания составила четкий план развития: в верхнем звене — углублять сотрудничество локальных цепочек поставок, продвигать разработку и производство ключевых компонентов собственными силами, всесторонне повышать автономность и устойчивость цепочки поставок; в нижнем звене — опираясь на «Quantum Ke Yi Gu (долина квантовых инструментов)», продвигать строительство глобальной сети применений и ускорять индустриализацию квантовых технологий в таких сферах, как промышленное производство, здоровье жизни и энергия.

Заместитель генерального директора Guodun Quantum Чжоу Лэй отметил, что когда лабораторные технологии переходят в индустриализацию, ключевым становится обеспечение автономного контролируемого производства ключевых компонентов, а также продвижение того, чтобы продукты стабильно и надежно реализовывались в инженерном виде и масштабируемых приложениях. В процессе развития компании возникали различные вызовы: ограниченность поставок ключевых радио- и микроэлектронных компонентов, высокая сложность интеграции конечных продуктов, сложность сетевого (инфраструктурного) проекта и т. п. Например, возьмем одни фотонные детекторы. Ранее международные продукты были дорогими и имели низкий выход годных изделий, что серьезно ограничивало развитие индустрии квантовой связи в Китае. Перед лицом пассивной ситуации «компонент застрял на узком месте» Guodun Quantum совместно с отечественными сильными структурами провела более тысячи циклов экспериментальной доводки и разработки, в итоге создав отечественные детекторы одиночных фотонов с характеристиками, заметно превосходящими международные аналоги. Эта линейка продуктов поддержала крупные проекты, включая «Пекин-Шанхайский магистральный коридор», «широкозонную сеть широкополосной квантовой защищенной связи “небо-земля”» и др., закладывая прочную основу для масштабируемого развития квантовой связи.

В 2025 году Guodun Quantum представила в мире первый четырехканальный детектор одиночных фотонов с глубоким охлаждением. По ключевым показателям, таким как эффективность детектирования, уровень темнового шума, интеграция и т. п., устройство обновило мировой рекорд (600628). Объем устройства составляет лишь 1/9 от объема международных аналогов. В настоящее время линейка детекторов одиночных фотонов, разработанная компанией самостоятельно, способна удовлетворить большинство сценариев применения детекторов одиночных фотонов и может предоставлять решения с высокой ценовой эффективностью для практических применений, таких как сверхдальнее распределение квантовых ключей и фотонная визуализация.

Благодаря дальновидному планированию Департамента науки и технологий провинции Гуандун, Шэньчжэньский международный институт квантовых исследований начал довольно рано разворачивать работы по разработке ключевого оборудования квантовых технологий — электронно-лучевых литографических машин, криогенных холодных головок, дилюционных холодильных установок и т. п. До того как за рубежом применили технологический запрет и блокировку в отношении Китая, соответствующие технологии уже были в основном успешно разработаны, и институт успешно прорвал зарубежную «блокировку узкого места» в технологическом плане.

«Несём яйца по дороге» к индустриализации

В одном из лабораторий квантовых вычислений репортер увидел пару надписей на доске: там было написано «измеряем данные, пробивая преграды» и «поднимаем главный стержень, разрезая волны попутным ветром», а в горизонтальной строке было «никогда не сдавать номер (не прекращать публиковаться)». Реальность такова, что после того как в квантовых вычислениях в Китае были опубликованы ключевые статьи и преодолены технические узкие места, все еще нужно двигаться дальше к индустриализации и коммерциализации.

Чжоу Лэй отметил, что путь развития квантовых технологий — это не традиционная схема, когда технологии становятся зрелыми, а затем выходят на рынок. Вместо этого — глубокая интеграция исследований и промышленности, а также инновационный путь развития «несём яйца по дороге».

«Несём яйца по дороге» — это выражение, которое используют в индустрии квантовых технологий. Оно означает: во время восхождения к научным вершинам своевременно превращать поэтапные технологические достижения в продукты для внедрения на практике. Этот подход «несём яйца по дороге» проходит через три основные области — квантовую связь, квантовые вычисления и квантовые измерения — и как раз становится ключевым маршрутом, по которому в ближайший период квантовые технологии будут переходить из лабораторий в рынок.

Глава Шэньчжэньского международного института квантовых исследований, член Китайской академии наук Юй Дапэн сказал репортеру: разработка научных приборов должна обеспечивать серийное производство и индустриализацию (чтобы по-настоящему реализовать ценность). В прошлом во многих странах проекты по разработке приборов после создания прототипа и прохождения приемочных испытаний просто ставили на паузу, из-за чего технологии в итоге терялись. В связи с этим Шэньчжэньский международный институт квантовых исследований сформировал основную команду из молодых специалистов разных команд разработчиков: каждая команда основала свою компанию, сосредоточившись на индустриализации различных ключевых технологий и продуктов. Соответствующие продукты уже начали продаваться на рынке. Только за прошлый год институт инкубировал восемь таких технологических компаний; например, такие компании, как Kunpeng Zhuyue, продемонстрировали сильную научно-исследовательскую мощь и индустриальный потенциал в области квантового вычислительного оборудования. Практика Шэньчжэньского международного института квантовых исследований — это типичный пример подхода «несём яйца по дороге».

В настоящее время, хотя некоторые компании заявляют о прорыве в индустриализации, в целом базис все еще относительно слаб. Например, у большинства компаний целевая аудитория — это в основном университеты и научно-исследовательские институты, а применение связано с научными задачами: масштабы рынка в таких сценариях относительно небольшие. В будущем необходимо дальше расширять сценарии масштабируемого применения в гражданской сфере и промышленности, чтобы отрасль действительно смогла добиться полного перехода от лаборатории к полной цепочке создания стоимости.

По мнению нескольких опрошенных представителей отрасли, развитие технологий квантовых вычислений сегодня далеко не достигло коммерческой стадии, которую представляет себе рынок. Квантовые вычисления все еще являются формой научного оборудования: пока не появился новый вычислительный ресурс, который можно реально внедрять на практике, и поэтому компании не могут получать от этого прямые полезные услуги. Его нижний сегмент клиентов ограничен научными институтами, университетами и небольшим числом инновационных компаний, которые используют его для апробации технологий и исследований. Помимо квантового превосходства, достигнутого на небольшом числе математических задач, специально разработанных под квантовые компьютеры, на текущем этапе ключевая задача квантовых вычислений все еще заключается в том, чтобы догнать классические компьютеры.

«В краткосрочной перспективе ключевая цель компании по квантовым вычислениям — выжить: продолжать наращивать технологии, выращивать рынок и ждать, пока обе стороны — технологии и рынок — созреют одновременно». Юй Дапэн считает, что квантовая индустрия — это долгосрочная дорожка, а квантовые вычисления требуют периода подготовки 5—10 лет. Он предлагает: сохранять высокие расходы на НИОКР, совершенствовать систему подготовки кадров, усиливать координацию по всей цепочке промышленности, а также направлять «терпеливый капитал» на развертывание. Это поможет Китаю перейти от страны с доминированием в квантовых технологиях к стране, сильной в квантовых технологиях, и будет поддерживать достижение цели в период «15—15» (15-й пятилетний период): «глобальное лидерство в квантовой связи, практический прорыв в квантовых вычислениях и масштабное применение в квантовой метрологии».

(Редактор: Чжан Янь )

     【Отказ от ответственности】Настоящая статья отражает только личные взгляды автора и не имеет отношения к Hexun.com. Сайт Hexun сохраняет нейтральность по отношению к утверждениям и оценкам, изложенным в тексте, и не предоставляет каких-либо явных или подразумеваемых гарантий относительно точности, надежности или полноты содержащейся информации. Пожалуйста, читатели используйте данную информацию только для справки и берите на себя всю ответственность самостоятельно. Email: [email protected]

Сообщить