IBM继续引领量子云，但在服务早期量子应用方面面临真正的竞争。打造这个市场的未来看起来仍是一场持久战。选择一个有正确战略的合作伙伴可能比仅仅比较当今的产品功能更重要。
量子革命所依赖的远不止是构建一种新形式的计算硬件。创新的量子算法也同样重要，因此，让这些算法更容易开发和部署到实际的商业应用将是一个核心问题。
找到正确的框架将这些数学转化为程序形式也是关键，但门模型量子计算的电路和量子退火求解器并不是唯一的故事。纠错是量子故事的关键部分，也需要找到它的位置。在最底层，量子比特需要模拟控制，这本身就是一个充满挑战和机遇的接缝。量子堆栈中没有一层不值得我们密切关注。量子堆栈如下所示：
图18 量子堆栈
应用程序——面向商业的最终用途应用程序。在很大程度上，这些工作仍在进行中。许多参与者强调早期研究和用户社区参与，以开发概念验证和试用应用程序。
算法——解决各类问题的独特量子方法，请参阅量子算法展望2022。
框架——大多数早期参与者强调电路模型量子计算（尽管这种方法有重要的变化）。各种提供商提供了自己描述和执行所需量子电路的方式。
架构——协调计算操作的运行时环境。包括量子门、测量和紧密耦合的经典逻辑。最终，我们可以期待核得到优化，以高效地实现量子纠错，并协调对专业资源的访问，如魔法态（magic state）工厂和QRAM。
控制——模拟脉冲驱动的低电平操作（通常基于微波或激光）。脉冲形状和时间至关重要，需要高级协议来优化门操作和抑制串扰。
量子——实际的量子比特硬件。请参阅量子硬件展望2022。
模拟器——传统模拟器是软件堆栈中的一个关键附加元素，这不仅仅是因为当前量子处理器的性能有限，而且也是为了支持正在进行的程序开发和调试。
量子软件行业的发展正在迅速进行。然而，对量子硬件和量子算法进展的回顾表明，这可能仍然是一场漫长的游戏。对于早期采用量子的人和潜在的量子开发者来说，最重要的考虑可能不是立即可用的软件产品功能，而是选择正确的合作伙伴。要了解当前的市场状况，投资者必须了解早期参与者面临的挑战和机遇，以及他们正在发展的不同长期商业战略。
一、量子先驱
在量子软件的“萌芽”阶段，IBM显然是早期的胜利者。虽然是其他人第一次将量子处理器应用到云上（2013年布里斯托大学的Jeremy O’Brien，现在他是PsiQ的创始人），但是真正成功推动参与度发生一步变化的是2016年IBM Quantum Experience的推出。现在更名为IBM Quantum，拥有超过36万名注册用户，2021年平均每天执行22亿次电路，通常任何时候都有25个量子处理器在线。
IBM Quantum Experience最初专注于通过提供一个简单的图形化web界面允许用户创建（编写）简单的量子程序（电路），然后在早期的量子硬件上运行它们。IBM在这一成功的基础上引入了Qiskit，这是一种适合于科学和早期行业采用者使用的开源编程框架。与该方案一致的教育资源和活动一直是重点。它的OpenQASM底层电路表示语言已成为事实上的行业标准。OpenQASM 3.0规范草案于2021年发布，并继续吸引跨行业的兴趣并支持。与AQT以及最近与IonQ的一系列概念验证展示了Qiskit对多种量子比特硬件类型的适用性。如今，IBM Quantum Network的合作伙伴包括商业巨头戴姆勒、埃克森美孚、摩根大通、三星、高盛、埃森哲、波音和LG电子，总共有130多名成员。内部设施和战略合作伙伴包括弗劳恩霍夫（德国）、东京大学（日本）、克利夫兰诊所（医疗保健）和延世大学（韩国）。这与IBM的整体业务技术和服务产品齐头并进。
要真正理解IBM思想的战略方面，请回想一下，在狭义上，实际上并不需要这种全局硬件访问。广义地说，我们可以很容易地模拟40Q左右的量子处理器。IBM正确地认识到，教育和更广泛的生态系统参与需要获得真正设备的兴奋。它还认识到，帮助人们学习量子基础知识将建立强大的商业势头。
D-Wave在其早期战略方面也取得了重大成功。2011年，D-Wave首次推出商用量子计算机，关于其独特的硬件战略的争论至今仍在继续，尽管现在各方都普遍接受了其局限性和可能性。尽管如此，，D-Wave独特的、用户主导的试验方法的成功值得关注。虽然让应用进入日常的生产使用是很困难的，但我们相信客户已经看到了业务价值。企业需要激励他们最优秀和最聪明的人以新的方式思考他们的业务问题。收益通过多种方式返回到业务中。D-Wave在为长期留住客户的战斗中不断创新。
D-Wave Leap云和Ocean开发环境为面向商业的量子退火应用提供了平台。这套工具已经发展到包括混合量子退火/经典求解器。该服务的最新发展强调了算法工具的易用性，以及工作跟踪和可视化界面。对简单性和稳健性的关注是为支持生产应用程序而设计的。在坚持量子退火优化问题的同时，D-Wave还宣布了建造门模型量子计算机的计划，以解决材料科学和量子化学模拟问题。
图19 领先的量子公司
门模型量子计算界的一些人可能会试图将应用投入生产的延迟解释为某种程度上反映了量子退火的一个弱点。然而，换个角度来说，在没有纠错和大规模机器的情况下，早期门模型的成功也可能是渐进的，而不是革命性的。D-Wave的经验实际上提醒我们，在任何大型客户组织中实施变革是多么困难。专业服务部门早就明白这一点，并越来越愿意提供帮助。不应低估其未来作用的重要性。
二、早期门模型量子计算全栈公司
对于门模型量子计算中的许多早期硬件玩家来说，创建自己的完整软件堆栈只是一个必要的事情。然而，“全栈”并不意味着一个进化到IBM能够构建的程度的服务产品。
Google——在2019年展示了“量子霸权”之后，Google围绕Cirq框架明确了其堆栈。2021的一个值得注意的是Stim，这是一款稳定器电路模拟器，其独特之处在于专注于支持量子纠错研究。
Rigetti Computing——在紧密的经典循环中率先执行量子电路。这种对VQA友好的技术最近才进入IBM运行时环境。Rigetti现在跟随IBM的脚步，引入了Quil-T（Quil指令集架构的脉冲级扩展），以开放对系统的控制。这是Quil的一个扩展，它允许Rigetti设备作为三能级系统，即qutrit，而不仅仅是作为标准量子比特进行操作。
Xanadu——Strawberry Fields框架支持Xanadu独特的光量子计算方法。此外，他们有影响力的算法库PennyLane与其他各种门模型机器兼容。
本源量子——中国量子计算的先驱。他们的堆栈已经在他们自主开发的超导和硅量子比特处理器上得到了验证。
稍晚加入的硬件玩家现在可以利用一个生态系统，让他们不必构建软件堆栈的上层。我们仍然可以期待进一步的创新，即玩家将寻找与他们的量子比特平台相关的特定机会。
Pasqal——引入脉冲发生器，以支持其设备的脉冲电平控制。由于中性原子器件在量子模拟中的潜在应用，这对中性原子器件具有双重意义。
图20 早期门模型全栈公司
花时间公开披露、记录和支持堆栈的较低层会带来成本。这种精细特性可能会为供应商的本地生态系统带来额外的创新和性能。但是有多少最终用户将直接访问它们？策略师必须根据具体情况权衡成本和收益。
三、量子平台即服务
没有人真正知道什么样的量子硬件战略会胜出。因此，早期采用者通常会寻求一个最大程度上不依赖硬件的平台。这非常符合PaaS（平台即服务）产品的概念。领先的传统云计算巨头AWS和微软Azure已经与IBM等开始争夺量子云市场。
图21 量子PaaS
IBM Quantum一直强调它为自己的量子后端提供的访问权限。（Qiskit支持访问其他提供商后端，但这些后端目前尚未完全集成到真正的PaaS产品中）。
IBM在其处理器群中增加了VQA友好的Qiskit运行时容器（从2022年开始包括动态中间电路测量和前馈），这是IBM构建真正的“无服务器”云产品计划的第一步。这不仅需要与核紧密耦合的经典资源，还需要计算的实质部分可以卸载的资源。2021年，IBM完成了对电路编织和电路嵌入的概念论证（通过将部分计算部分卸载到经典资源中来减少所需的量子资源的技术），并演示了IBM云代码引擎如何将这些资源结合起来。量子无服务器模型的引入是IBM从2023年开始准备好支持真正应用程序（具有量子优势）部署的关键部分。
一名用户评论道：“IBM花了大量的时间和金钱来完善基于web的终端用户前端，它提供了复杂的作业管理、排队和处理功能、数据存储、研究团队、资源认证和授权，所有这些都在一个处理10万用户的服务中。而其他供应商都无法达到这里提供的复杂程度。”随着硬件的成熟，IBM似乎已经做好了充分的准备，利用他们的能力来服务大量的用户。其他供应商将需要努力完善他们的服务基础设施到这个程度。
亚马逊Braket已经开始在这个市场上提供D-Wave、IonQ、Rigetti和OQC设备的接入服务，QuEra也将很快加入。对PennyLane的支持是另一个值得注意的特点。以及各种强大的模拟器。为了自主开发量子计算机，亚马逊在加州理工学院的AWS量子计算中心和亚马逊量子解决方案实验室进行投资并招募了大量专家。
一名用户评论道：“Braket框架和电路API没有Qiskit提供的全面，在一定程度上限制了目前可以运行的应用程序的复杂性。”因此，亚马逊要想成功，就必须改善这一点。然而，几乎所有人都同意，量子计算将始终是计算的一种混合形式。通过AWS在更广泛的云市场的领导地位，Braket很好地利用了对企业友好的供应灵活性。
微软Azure Quantum也在利用其母公司在更广泛的云计算领域的竞争地位。其Azure Quantum平台已正式公开。微软开发了Q#作为一种专门用于编写量子算法的语言，以及相关的库和培训资源。最近增加了还对Qiskit和Cirq框架中编写的代码的支持，承认了这些方法在更广泛的生态系统中的影响。微软通过其Q Station网络在量子研究方面有着悠久的历史。
或许，微软比其他主要玩家更倾向于将真正的量子优越性视为一场持久战。因此，在Azure Quantum中看到受量子启发的数字退火解决方案备受瞩目或许并不令人意外。
Braket和Azure Quantum产品与IBM的不同之处在于，它们提供高级作业管理和服务工具，以补充越来越多的硬件供应商。
Google在量子领域处于领先地位，在传统云计算领域排名第三。然而它的量子计算服务尚未越过早期访问计划阶段。这反映了公司将设备操作从“一次性科学实验”转移到常规生产服务所需的时间。它也不想推出一项仅基于仍可经典模拟的处理器的服务。
值得一提的是，Xanadu的Borealis是唯一云上提供的可以实现“量子计算优越性”的机器。
四、量子模拟器
传统的模拟器仍然是量子研发的有效并行途径。模拟通常可以达到大约40量子比特（如果我们能够简化，则可以更多）。高级模拟器甚至可以内置真实的噪声模型。无论如何，量子模拟器都可能在调试和验证量子应用程序中发挥关键的持续作用。
图22 量子模拟器
QLM（量子学习机）——Atos公司已经在其专用的量子模拟器硬件QLM上建立了一个完整的软件堆栈。这正在扩展到针对数字退火应用的量子启发算法的执行。
学术项目——一些具有学术渊源的模拟器，如ProjectQ和QuEST，为量子算法实验提供了自己的学术基础。模拟器也是Quantum Inspire平台产品的重要组成部分。
英伟达推出了cuQuantum，以便在其基于GPU的硬件上进行快速量子模拟。2022年晚些时候，包括cuQuantum和Google的Cirq框架在内的容器将可用于英伟达DGX硬件，届时采用将变得更加容易。
两个著名的开源模拟器，阿里巴巴“太章”和华为HiQsimulator在2021年没有看到进一步的发展。然而，华为一直在积极支持ProjectQ。
五、量子软件初创公司
也许最初的数字革命中最大的惊喜之一是由软件初创公司驱动的持续创新的重要性。在当前的量子革命中，我们看到全球范围内出现了一波量子软件创业浪潮，这并不令人惊讶。一个关键的问题是，在量子计算的广泛商业应用深入人心和更传统的市场发展起来之前，他们的战略是什么？对于管理层和投资者来说，一个至关重要的问题是，企业要运营多少年才能实现这一理想？
量子软件初创公司一直在追求各种策略。
1、寻求长期支持
一种策略是被另一家公司收购/合并，获得至少中期所需的资金支持。例如，实现量子硬件所需的资金规模，可以让软件开发活动看起来很便宜。从炙手可热的最终用途部门溢出的资金正在创造替代机会。
澳大利亚量子软件公司QxBranch可能是第一家采取这种做法的公司，他们在2019年被Rigetti收购。它的关系帮助Rigetti将其足迹扩展到美国以外。然而，软件和应用在2021年Rigetti的SPAC上市中并没有占据显著位置。
剑桥量子与霍尼韦尔分拆出来的量子解决方案部门的合并是另一项将硬件和软件结合在一起的交易。然而，这里的策略似乎明显是为了保持与硬件无关的软件程序的势头。
英国量子软件公司Rakho最近被Odyssey Therapeutics收购，Odyssey本身是一家新近成立的精密医学初创公司，专注于尖端药物发现方法。生物技术领域现有的巨额资金让这些公司能够选择自己想要开发的工具，作为自己长期发展的一部分。Odyssey公司实际上拥有重要的量子算法能力。
Qu&Co和Pasqal也宣布合并。Qu&Co对现有的NISQ方法（如VQE）能在多快的时间内达到真正的量子化学应用所需的精度持怀疑态度。同样，Pasqal的中性原子硬件开辟了有趣的替代方案的可能性，如模拟量子模拟。Pasqal将欢迎顶尖软件人才关注这个相对未开发的领域。
其他软件初创公司对其融资和成长历程有不同的看法。
2、从算法到应用
许多参与者面临的一个挑战是，如何将深度和高度专业化的量子算法专业知识构建成能够应用于各种潜在的现实世界应用的能力。一个重要的障碍是，业务洞察力是行业领域特定的，有时甚至是地理位置特定的，而且往往需要终生学习！
（1）扩大专有技术
一个关键战略是将算法智能与使能软件结合起来，并与潜在的最终用户一起应对识别和构建关键应用用例的挑战。最终目标是将学到的知识转化为最终可以产品化的服务。国家量子计划往往乐于提供帮助。面临的挑战是如何避免被拖入传统的咨询业务模式：稀缺的量子算法专业知识不容易扩展，传统咨询不能提供量子风险投资支持者通常寻求的回报。
一种常见的方法是提供量子机会评估和试点项目。理想的情况是看到这些公司发展成为与知名客户的大额客户关系。客户将从被视为活跃在重要的未来领域，以及从启动到他们自己的研发活动中受益。
QC Ware有一个活跃的算法研究项目，并利用他们的Forge平台来支持高效的项目执行，以及将专有技术打包到未来的服务产品中。值得注意的功能包括具有广泛适用性的组件，如数据加载器和低电路深度振幅估计。这些都被用于优化库、QML、线性代数库和蒙特卡罗模拟库。基于他们的混合动力优化方法，他们在2021年成功赢得了宝马量子计算挑战赛，并赢得了罗氏、勃林格殷格翰和科思创等著名客户。他们对行业领先的Q2B活动的长期推广已经证明是一个有远见的成功举措。
Zapata也以其算法研究而闻名。其Orquestra平台针对的是工作流和数据管理问题，这些问题可能是部署应用程序时面临的常见挑战。Orquestra提供创作和运营支持，并支持公共和私有云解决方案。客户包括化工、能源和食品饮料行业的前五大公司。我们认为，这一工具特别适合帮助客户将个人的专业知识转化为组织学习。
1Qbit一直是量子服务领域的先驱，它通过利用其1QCloud优化平台建立了这一领域。1Qbit率先强调量子启发的解决方案，将其作为提供给客户的一部分（现在其他公司也在效仿）。基于他们在优化方面的工作，1Qbit在2021年取得了显著的成功，赢得了宝马量子计算挑战。
Quantinuum（前身为剑桥量子）利用其TKET编译器的领先性能及其所提供的跨硬件能力，在潜在的量子应用领域占有一席之地。它正利用这一势头，直接瞄准与主要商业和机构合作伙伴的长期合作关系。
软件即服务（SaaS）——Quantinuum推出了Quantum Origin网络安全密钥生成解决方案。我们可以预期这项服务将发展到其他网络安全应用领域。像这样的服务能在多大程度上产生持续的收入增长，将是更广泛市场备受关注的焦点。
图23 算法到应用
（2）专注于专业知识
这种策略的一种变体是更具体地关注应用领域的专业知识。这样一种策略的好处是，可以磨练内部、行业特定的应用程序/算法技能，这可能是未来差异化的关键。在传统的软件世界中，这是一条很常见的道路。这也为量子启发的应用提供了一个更容易获得早期收益的途径。
Multiverse Computing专注于金融服务。他们的Singularity工具包强调在安全意识强的银行环境中运行的能力，并提供量子启发和量子解决方案。同时提供Python和Excel前端集成，这是客户端工作流意识的一个标志。Multiverse一直处于金融领域概念验证应用示范的最前沿。
Qu&Co以量子化学为重点，开始了他们的发展。他们的QUBEC软件平台现在处于测试阶段。一个显著的特点是与Schrdinger公司领先的传统量子化学软件包的Maestro化学建模接口集成。Qu&Co也有能力扩大这一基础，最近凭借其开创性的偏微分方程量子算法赢得了宝马量子计算挑战。目前Qu&Co已被Pasqal收购。
Phasecraft专注于材料科学，将其作为量子优势最快实现的领域。其重点是在NISQ设备上以有用的规模运行算法的基本智能（必要时达到脉冲级）。这并不是说该团队没有能力解决其他问题。只是他们认为首先解决这个问题是现实的。他们正受益于UKRI（英国研究与创新）为电池材料设计项目提供的资金。
（3）打包算法
许多玩家正在将特定的经验构建到算法库中。为了推动采用，这些软件通常都是在开源的基础上开发的，但是它们仍然有望成为为其赞助商建立重要价值链影响力的一种方式。事实上，有两个突出的例子说明了如何利用该领域的活动来补充公司的长期战略。
Xanadu的PennyLane是一个量子机器学习库，其影响力已经远远超出了其母公司自身硬件的范围。最初的构想是作为量子机器学习的工具，提供机器学习社区熟悉的NumPy接口。这种格式已被证明适用于支持多种VQA，因此PennyLane也在其他潜在的NISQ应用领域（如量子化学）中得到了应用。这是一个很好的方法，可以应对任何威胁，即其母公司天生独特的软件堆栈可能会与更广泛的社区“分离”。
Quantinuum的Lambeq致力于开发面向量子自然语言处理（QNLP）应用的量子开发者的新生态系统；量子计算在这个领域有着引人入胜的、相对来说尚未开发的潜力。就好比，当你可以和其他人一起进行水电项目时，为什么还要控制一个小池塘呢？
（4）让改变发生
基础更广泛的咨询公司也将在这个市场上发挥重要作用。既有Reply等技术专家（赢得空客2020量子计算挑战赛），也有更广泛的参与者：埃森哲（也是宝马QC挑战赛的获胜者）、波士顿咨询公司、德勤和麦肯锡都非常积极地建立自己的量子业务。主流咨询公司在将新想法转化为商业变革方面有着丰富的经验。他们还拥有推动实际项目所需的行业技能和国内资源。
值得一提的是，IBM也是商业服务领域的一个强有力的参与者。随着价值创造的重点在这一领域的建立，它正朝着IBM相对于其他科技巨头的优势领域发展。IBM已经推出量子加速器，开始利用这一点。
3、更好的量子工具
一个互补的策略是提供量子软件开发者自己想要在近期、中期和长期使用的工具。然而，软件界对开源工具有强烈的偏好。面临的挑战是如何设计一种与此相适应的商业模式。
（1）社区门户
一种选择是寻求提供比别处更好的平台体验。这与培养量子新手兴趣的机会，以及真正认真避免与任何单一云供应商锁定的参与者结合得很好。Strangeworks在开发平台的战略上一直处于领先地位，但我们也看到了其他领域的活动。
Strangeworks QC提供了一个硬件无关的开发前端，它是新手最容易建立和运行的。关键它还提供了对尖端工具的访问，例如TKET编译器和IBM Qiskit运行时。社区库功能是一个很好的学习工具（跨多个框架），它将吸引那些理解这种思维方式给传统软件带来的价值的人。
Strangeworks EQ（企业量子）将后端访问添加到各种各样（且不断增长）的量子后端列表中。最近宣布的Quantinuum的Quantum Origin服务的集成是一个自然的选择。
Qapitan是一家新成立的公司，有着建立量子API市场的有趣计划。目前处于私人测试阶段，这为开发者提供了一条简单的途径来交付和商业化SaaS产品，同时允许最终用户在市场发展过程中对替代产品进行基准测试和升级。
这类企业面临的一个中期挑战是，在客户更好地了解自己的需求和市场成熟之后，如何避免客户转移到其他地方，并使服务非中介化。这些平台将需要专注于它们所创造的真正可持续价值。
（2）扩展算法创作
一些公司正在瞄准解决量子算法设计挑战的工具。目前已知只有三种量子原语可以提供量子加速。然而，这些可以组合成算法来解决各种问题类。这些需要进一步调整，以便在更广泛的业务应用中使用。为了解决实际感兴趣的问题，这些算法最终需要在很多很多量子比特的规模上实现。大多数专家设想，量子优势至少需要100个量子比特（要么是保真度比现在高得多的物理量子比特，要么是应用量子纠错后的逻辑量子比特）。
Classiq试图在为具有更大数量量子比特的设备设计量子电路的问题上走在前面。正如我们不在门层编程传统设备一样，Classiq通过实现可重用的模块化块结构简化了这一过程。它的聪明之处在于，相对于系统范围的约束，它自动化了优化多个独立块的过程，并允许程序员进行关键的权衡（如总体量子比特数或电路深度）。输出代码兼容所有主流平台。当使用今天的小型设备时，这似乎是一个概念性的开销，但类似的东西在未来可能是必不可少的。Classiq相信它的方法将使复杂的电路更容易调试和维护。这可能是一个关键的证据。
Horizon Quantum Computing正在追求一个特别大胆的愿景。它的目的是让用户只需使用高级经典语言编写代码，然后就可以从传统或量子执行中获益，而无需任何量子计算方面的特殊知识。一个关键的观点是，加速的机会不仅来自抽象的问题类，还来自常见的程序结构，如循环和数组操作。总的来说，Horizon设想了一个编译链，它可以在多个细节层次上解包。许多量子算法面临的挑战是如何有效地实现从加减到求幂等常见函数。Horizon已经在这一领域展示了概念验证方面的改进。Horizon的愿景是大多数用户希望社区到达的目的地。然而，全面实现其承诺需要实现FTQC、QRAM和更快的量子体系结构等技术。
高级创作解决方案面临的一个短期挑战是当今量子硬件的能力有限。领先于开发游戏并探索未来的资源需求是一种有效的策略，但是客户对真正的量子执行的时间线的期望将不得不被管理。
（3）优化的低级编译
在堆栈的底层，优化量子编译器必须处理一系列额外的独特量子挑战（本机门集映射、量子位放置和路由、电路优化、错误缓解）。从技术上讲，我们实际上经常谈论一个编译（transpiling）操作，因为编译器链的多个部分都在发挥各自的作用。
三个独立的低级量子编译器脱颖而出。每一个都展示了在这个市场上取得成功所必需的专有技术的独特方面。
TKET——这款旗舰版NISQ编译器能够在各种独特的量子框架之间高效传输，从而提供无与伦比的跨硬件能力。它为量子比特的放置和路由提供了有效的启发式方法。制作一个成功的量子优化编译器有一个强大的数学维度，在TKET的例子中，它利用了量子力学ZX演算公式中的概念。最近，Qermit模块的添加简化了对常见错误缓解协议的支持。TKET已被广泛用于各种前沿研究工作。TKET现在是开源的，Quantinuum希望在量子生态系统的核心建立自己的角色。
True-Q——Quantum Benchmark公司在描述和缓解量子错误方面有着很强的传统。True-Q采用随机编译技术，最初开发该技术是为了克服系统控制错误。现在，以多量子比特过程中的保真度为目标的周期基准测试技术增强了这一点。True-Q在2021年的学术工作中因错误抑制和/或错误诊断获得了许多引用（包括谷歌QAI、LBNL的高级量子试验台、NASA、ORNL、NCSU，包括Qiskit、Cirq和Quil在内的各种框架，以及AQT的离子阱设备）。Quantum Benchmark已于2021年被Keysight Technologies（是德科技）收购。这是趋势的一部分，它将为量子堆栈提供一系列新的可能性。
Fire Opal——2022年初向终端用户发布，这是低级编译器的新成员。它已经显示出令人印象深刻的初步成果。Q-Ctrl在脉冲级“鲁棒”量子比特控制协议方面有着良好的记录。Fire Opal作为一个物理门和脉冲级编译器，能够补充更高层级的优化编译器，如TKET。2021年，随着Rigetti和Quantum Machines加入IBM，向第三方开放他们的硬件脉冲电平控制，市场已经转向Q-Ctrl的优势。Q-Ctrl提供了与这些玩家的集成。它现在也在积极寻求利用其技术在量子传感应用。
图24 量子工具
随着这一领域的不断发展，公开地比较编译器性能的能力将变得越来越重要。我们希望看到更多基准工作，例如编译器对QV和CLOPS的影响，以及整个QED-C基准测试套件。
在编译器领域，学术发展仍然非常重要。一个重要的主题是如何利用形式化方法的传统计算机科学技术。它们正在寻求一种数学上严格的方法来验证程序的正确性。在高度数学化但难以调试的量子电路编译世界中，这些技术可能比经典编程更有意义。
VOQC的突出之处不仅在于其性能可与领先的编译器（如Qiskit或Tket）媲美，还在于其电路优化在Coq proof assistant中被证明是正确的。
PyZX是一款基于ZX演算的著名研究编译器。
六、建立低层控制
在传统计算中，门操作的低层控制早已转移到微体系结构和固件领域。然而，关键的挑战仍然存在于量子堆栈的这一层。量子比特从根本上说是模拟系统，它加剧了噪声和串扰的挑战，但也为智能优化控制和校准技术开辟了可能性。量子纠错可能需要在扩展的代码补丁之间的紧密同步的读出和反馈。
一些参与者在专业控制电子领域拥有核心基础。这本身就是好东西。然而，我们需要明白，这些参与者中的许多人的雄心壮志并不仅仅停留在最底层。如果实现NISQ量子优势依赖于高度优化的低层性能，尤其是在这个将特定于应用的量子计算机推向前沿的世界中，这样的公司有望大放异彩。这可能会为他们创造一个获取更多价值的机会。
Quantum Machines在为商业和学术量子计算工作提供控制系统方面有强大的全球影响力。该公司的量子编排平台（Quantum Orchestration Platform，QOP）专为规模化设计，并提供动态中间电路测量和前馈等重要功能。QOP将经典和量子处理与QUA脉冲级语言和定制设计的脉冲处理器紧密结合，它将经典处理一直带到实时控制硬件。这是为了跨量子比特平台类型支持各种各样的量子用例而设计的。该公司认为，这种架构为HPC和云基础结构中异构量子计算的全面架构奠定了基础。
苏黎世仪器是一家成熟的科学仪器供应商。它的核心优势在于其硬件性能（尤其是锁定放大器）。目前它构建了一个完整的、专门的QC控制堆栈。这已经支持多种量子比特类型和低延迟测量反馈。苏黎世仪器最近被Rohde&Schwarz收购。它在量子控制中的强势地位是这一举措的关键部分，预计它将进一步加速这一进程。
Qblox是从荷兰QuTech生态系统中衍生出来的公司（因此受益于多种量子比特硬件类型的直接体验）。它目前服务于25个学术和工业实验室。它提供了一个完全集成的控制和读出模块化解决方案，注重可扩展性。Qblox赢得了瑞典查尔姆斯理工大学20Q解决方案的公开招标。核心优势在于其硬件（SYNQ协议）的稳定性和时间同步性，以及低延迟反馈/控制流（LINQ协议）。通过与另一家QuTech衍生公司OrangeQS合作，它在软件堆栈中的地位正在提升：它们共同维护开源的Quantify自动校准和表征软件。
随着Keysight Technologies（是德科技）收购Quantum Benchmark，将继续加强其现有的量子产品套件——目前包括Signadyne的硬件和Labber Quantum的软件。我们预计，这些功能将结合到量子堆栈基础上的强大产品中。
除此之外，中国的中微达信、国盾量子、本源量子、国仪量子也是量子计算控制领域的核心参与者。
软件初创公司也被吸引到这一领域。
Riverlane正在开发Deltaflow.OS量子计算操作系统，并获得由UKRI的拨款支持。这旨在为量子比特硬件开发者提供一个快速、可扩展的关键功能解决方案：低延迟、可扩展控制；自动校准和调整；在量子资源和经典资源之间协调运行时任务；纠错解码。这利用了分布式而非分层的节点网络。它已经用Artiq（一种流行的离子阱控制系统）演示了试点集成。QHAL硬件抽象层已经承诺兼容涉及四种量子比特技术的六种硬件。另一个由UKRI资助的项目AutoQT正在将机器学习领域的领先见解引入这项工作。
操作系统的一个问题是没有将量子堆栈的工作方式纳入一个模型中。它可以支持但确实需要传统的电路模型。它承诺将把最好的可用资源集中在困难的解码问题上，但它没有明确说明应该如何集成。
其他量子计算操作系统包括中国本源量子的本源司南、奥地利量子计算公司ParityQC的ParityOS。
图25 建立低层控制
在更广泛的背景下，OpenQASM 3.0（仍是一个“实时规范”）的定义明确地在之前在架构层表达的门概念和经典控制概念以及通常在控制层表达的脉冲和定时概念之间建立了一座桥梁。量子栈将会进化。量子堆栈即将进化。
七、量子教育
IBM早期成功的一个重要方面是它强调让IBM Quantum成为一个非常有用的教育工具。
Qiskit和IBM量子挑战赛——Qiskit教科书和教程资源被广泛认为是量子计算的重要入门资源。这些已经被成功的IBM量子系列挑战赛所补充。这些半辅导半竞赛的活动已经成为量子季的固定活动，对于有编程兴趣的个人来说，这是培养他们的量子技能的一个很好的方式。
Black Opal——Q-Ctrl专注于量子比特的最佳控制。他们的内部可视化也是向量子新手教授量子比特和量子计算机的一种很好的方式。Black Opal在线学习平台填补了市场上的巨大空白。它涵盖从波等基本物理原理，一直到使用自定义界面和电路可视化工具编程量子算法。Black Opal对于量子新手来说是一个理想的起点，即使他们计划通过更高级的特定于框架的课程继续进步。
Quantum Network Explorer——QuTech之前进军教育领域的尝试是Quantum Inspire。这继续提供了一个很好的学习环境，在一个已经由IBM Quantum主导的细分市场中追赶上来了。另一方面，它的Quantum Network Explorer将受益于率先进入更广阔的空间：如何通过网络处理量子比特。这引入了它自己的一系列新资源和概念，许多人认为这些资源和概念有朝一日将构成量子互联网的基础。
SpinQ（量旋科技）利用基于NMR量子比特的独特“桌面”量子计算机加速量子教育。2Q双子座和3Q三角座使学生能够学习量子概念，并在真正的桌面设备上运行实验。量旋科技已经在他们的系统的基础上成功举办了一场高中量子计算竞赛，并为课堂提供了教材。接下来计划推出更紧凑的设备。
量子国际象棋——AWS的Aleksander Kubica在Q2B量子国际象棋锦标赛上捍卫了自己的王冠，击败了来自Zapata、D-Wave、Nvidia、谷歌、Quantinuum、Horizon和QC Ware的对手。有时玩游戏是激发学生热情的最好方式。
教育是一种社会福利，同时也是一个很好的策略。它与那些有朝一日将推动量子革命向前发展的个人建立了密切的关系。这也为真正的收入机会打开了大门。
八、当前的研究主题——房间里的大象
目前，量子软件领域的许多实际焦点都集中在研究错误缓解技术上，这些技术旨在帮助我们在有限的NISQ设备上运行有用的算法。这些通常是增量的，在许多情况下，它们最终将无缝集成到堆栈中。然而，一些突出的挑战可能更具破坏性。
量子纠错是一个关键的量子计算概念，正迅速进入实用议程。对于许多硬件厂商来说，其开发是其硬件路线图的中心主题。越来越多的人指出，它不是一种全有或全无的开销，而是指它精心定制的应用程序如何通过量子优势线获得其他无法获得的算法。那么，为什么我们没有听到更多关于它在软件堆栈中的位置呢？
本报告的简化模型名义上将其置于架构层。然而，这不是既定的共识。一些从控制层建立起来的参与者会把它视为自己的自然领地。一些早期的算法参与者会希望密切监督它在早期应用中是如何使用的。对许多人来说，这里的数学将是一个挑战。
QEC 2021——正如纠错变得越来越实际，由于疫情的旅行限制，关于量子纠错的两年一度的前沿会议没有在2021年举行，希望我们不必等到2023年才能举行。
诸如线性时间联合查找解码器、改进的晶格手术协议、量子LDPC码和容错3D块等创新表明，这个领域仍然大有可为。
图26 当前研究主题
用户最终不会关心量子纠错在哪里以及如何实现，只关心他们看到的量子比特是他们需要的质量。但量子堆栈的投资者现在需要关注这个问题。
我们很可能会面对这样一个世界：广泛的量子优势要求至少在某种程度上应用量子纠错。电路模型可以使物理量子比特和逻辑量子比特实现看起来非常相似。然而，这种转变可能会更加混乱。随着软件市场开始争论堆栈必须如何适应，预计会出现动荡。
九、展望2022
超越经典——还没有可云访问的量子处理器展示“超越经典”的计算。2022年这种情况会改变吗？
生产使用——哪个平台将率先在日常生产使用中托管量子应用？
中性原子——希望看到Pasqal软件团队探测这些系统的特殊能力，比如模拟量子模拟。ColdQuanta的Hilbert云系统会鼓励其他人效仿吗？
光子学——既然PsiQ已经退出了隐身模式，我们会听到更多关于其FBQC将如何插入软件堆栈的信息吗？
云指标——只有IBM发布了有关其量子云使用情况的数据。其他人会效仿吗？注意竞争正在升温的迹象。
云基准——QED -C在2021年产生了基于算法的优秀基准。我们会看到捕捉在量子云平台上运行的端到端体验的用户基准吗？
模拟器——如果你是认真的，你需要一个认真的模拟器。注意优化的模拟器性能，这是高端产品的一大优势。
商业模式——看看公司能否创造出适合自己的商业模式。很多人乐意做顾问，但谁能创造出专业知识呢？
SaaS——Quantum Origin等早期产品会引起什么兴趣？2022年我们还会看到多少类似的服务？
编译器——注意特性、支持和开源策略的组合正在竞相推动编译器链的发展。标准度量和基准能够使性能对比更清晰吗？
量子OS（操作系统）——低层控制系统能否进一步证明它们能够突破学术中心地带，成为商用量子计算机的真正独立操作系统？
参与和教育——IBM Quantum在用户参与方面仍然保持着巨大的优势。我们会看到其他人正在迎头赶上的迹象吗？
量子国际象棋——Aleksander Kubica是否会第三次蝉联量子象棋桂冠？我们会看到Quantum Chess 2.0的商业版吗？
量子纠错——它在堆栈中的位置如何？
由于未来量子计算机带来的威胁，世界比以往任何时候都更需要更好的网络安全。大量新技术不断涌现，以满足用户的多样化需求。然而，要充分了解这一领域正在出现的竞争动态和政府行动，我们还必须了解长期的技术革命，许多人认为这场革命有朝一日将推动量子互联网的诞生。
我们的数字世界已经被许多黑客包围了。这些现有的威胁现在在一个完全不同的层面上又加入了一个。当一个足够大的量子计算机可用时，我们就知道它将能够破解当前互联网和企业网络安全所依赖的公钥密码。更糟糕的是，今天截获和存储的数据已经很容易被这种未来的威胁解密。
世界范围内正在开展许多活动来应对这一威胁，包括新的基于数学的抗量子协议——后量子密码（PQC），以及基于物理的量子密码方法，尤其是量子密钥分发（QKD）和量子随机数发生器（QRNG）。新技术也为带外密钥传递的传统技术注入了活力。
然而，量子通信最终有望带来许多其他好处。一旦我们能够在远程位置之间可靠地共享量子纠缠，我们就知道如何利用它从根本上扩展量子计算机的能力并提供其他新功能。
与此同时，纳米卫星技术为网络安全解决方案和挑战打开新的视野。从长远来看，基于太空的分发有望加速纠缠网络的实现并模糊传统用例之间的区别。
要了解挑战和商业机会，我们必须了解这三个深度技术领域之间的相互作用——密码学、量子技术和太空。它们之间具有深远的协同作用的关系。
一、直接威胁
埃里克·施密特（前谷歌CEO）说：“我强烈建议企业现在就应该采取行动。我们知道外国势力已经在忙着记录一切了，他们的计划是在10年后解密一切。”
Q-day（量子计算机可以破坏公钥加密的那一天）——Michele Mosca和全球风险研究所发布了关于未来量子计算机何时能够威胁当前密码协议的最权威的专家意见调查。
当企业需要一个“合理的最坏情况”日期来做准备时，我们的建议是 2027 年，这建立在一个国家开展“曼哈顿式”项目的可能性之上。需要注意的是，更可能的日期是2035年或之后。
重要的是要认识到，这种威胁的规模和性质与我们通常面临的日常网络安全威胁完全不同。我们将可能面临的网络安全的系统性故障将是前所未有的。行业监管机构和保险承保人可能会越来越看不清未能做好准备的问题。
加密术语——完全部署的加密系统非常复杂。然而，简单地说，一个有用的高级模型有四个主要组成部分：熵、身份验证、密钥协议和消息加密：
表 1 不同加密技术的对比
二、后量子密码到达拐点
自2006年以来，一直在开发被认为能够抵抗量子攻击的基于数学的新加密协议，即后量子密码（PQC）。自2016年以来，美国国家标准与技术研究院（NIST）一直领导的一个项目，重点是标准化新的抗量子数字签名（PQC DS）和密钥封装机制（PQC KEM）协议。
NIST PQC流程——第1轮评估了69个候选算法，其中21个被破坏或受到严重攻击。第2轮有26个候选算法，其中8个遭受攻击。第三轮完成了7个入围算法的评估，其中一个遭受了重大打击。NIST预计将在2022年宣布将使用哪些协议作为新标准的基础。草案将于2022年发布以征询公众意见，并于2024年定稿。
KEM/公钥加密决赛入围者：NTRU、CRYSTALS-KYBER、SABRE和Classic McEliece。其中，前三个是基于结构化格的方案，提供了良好安全性的同时拥有较高的性能，使其适合作为互联网安全性的替代方案。NIST将最终标准化其中一种。Classic McEliece有一个非常不同的配置文件，它提供非常短的密文长度，但是公钥非常长（262 KB）。重要的是，这是一种完全不同的基于代码的方案，已经经受住了30多年的攻击。
数字签名决赛入围者包括：FALCON、CRYSTALS-DILITHIUM、Rainbow。同样，前两个是基于结构化格的方案，NIST将最终标准化其中一个。Rainbow是一种多变量方案，虽然非常大的密钥大小使其不适合作为通用方案算法，但它增加了决赛算法的多样性。此前，比利时鲁汶大学（KU Leuven University）的工作降低了其安全性，迫使其作者调整他们的参数模型，Rainbow遭受了又一次打击。
KEM备选方案（5个）：BIKE是一种高效的基于结构化代码的方案，如果基于结构化格的方案失败，它则是互联网的潜在支持方案。HQC是另一种基于代码的方案，其性能较差但可能具有更高的安全性。SIKE是基于椭圆曲线同源的方案，拥有良好的带宽，但处理开销很高。NTRU Prime是一种基于结构化格的方案，但它依赖于不同的结构假设（特别是避免解密失败）。FrodoKEM是一种基于非结构化格的方案，性能受到很大影响，但提供了非常强大的安全承诺。
DS备选方案：GeMSS是另一种基于多变量的方案，也受到安全问题的影响。Picnic是一种基于对称加密的方案，可提供更强的安全性。SPHINCS+是另一种对称的基于哈希的方案，可能提供最强的PQC签名。
根据2022年7月5日NIST公布名单，选择用于标准化的算法包括：用于密钥建立的CRYSTALS-KYBER，用于数字签名的CRYSTALS-Dilithium、Falcon和SPHINCS+。此外，以下算法进入第四轮筛选：BIKE、Classic McEliece、HQC和SIKE。
虽然现在大多数人更喜欢干净利落地结束选择过程，但这对NIST来说仍然一项艰难的权衡任务。
长期以来，结构化格加密一直被许多人视为NIST进程的主要竞争者。按照设计，它是安全性和性能之间的权衡。NIST已经权衡了这些要求，选择的任何方案几乎肯定将构成未来常规安全部署的核心。
基于格的加密——于1996年首次推出，这一系列技术基于格上定义问题的计算难度。在其最强的实现中，安全性证明可以表明它们等价于最短向量问题的最坏情况困难。这简化为求解二面体群的隐藏子群问题，对于二面体群没有已知的有效的经典或量子攻击。
结构化的格——为了适应大多数常规部署（互联网和正常商业用途）的性能要求，密码学家通常建议使用“结构化”格。这牺牲了理论上的安全性以减少密钥大小并提高处理速度。
有一些知名人士表达了担忧。指出那些不熟悉NIST进程的人可能无法理解真正的风险权衡。
NTRU Prime团队（NIST进程中的一个备选协议）直言不讳：“NIST PQC项目正在考虑的基于格的KEM比通常公认的要风险大得多”。该团队指出他们的方法（一种不同类型的结构化格）有着特定防御优势。
也有其他声音说NTRU Prime并不是中立的一方。但最重要的问题是NIST进程能够在多大程度上刺激真正的量子密码分析？大多数成功的攻击都是由于经典方法的创新（例如饱和、筛分、最小秩）。可以理解，这些是首先要解决的问题，但这也是对可能实现的目标的限制。
以及关于专利权的争论。
专利——法国国家科学研究中心CRNS继续声称，两个NIST结构化格决赛方案Kyber和SABRE都属于其专利范围（US 9094189B，EP 2537284）。Kyber和SABRE团队（他们自己都由法国领导/大力参与）以数学为由对这一说法提出异议。然而，问题不在于数学，而在于未来的专利法院如何裁决，这是一个法律问题而不是科学问题。
NIST和CRNS之间为解决此问题而进行的谈判因成本问题而陷入停滞。一个不经意的商业观察者可能会期望一个简单的谈判解决方案。然而，任何熟悉PQC论坛的人都会知道，在加密社区中，对这些问题的情绪高涨，他们的绝大多数工作都是在这个过程中以无IP的方式提供的。有些人甚至争辩说，向CNRS支付任何费用都将开创一个糟糕的先例，特别是因为他们认为该专利不适用技术理由。具有讽刺意味的是，在NIST进程中，损失最多的是两个法国方案。一封由60名社区成员签名的信函已发送至CRNS，要求其改变立场。
最重要的是，未来潜在诉讼的任何不确定性都将成为商业部署的一大障碍。一个更微妙的问题是，如果NIST的最终选择被视为完全由非技术问题驱动，则可能会削弱其在该领域中的支持。一些想法是标准化多个结构化格KEM方法。
对于backdoors（后门）的恐惧——很少有人认为NIST会故意批准带有后门或已知漏洞的协议。但是，由于情报界（美国国家安全局NSA、GCHQ、DGSE或其他机构）操纵这个过程，或者根本没有分享已知的秘密漏洞的知识，那么就会导致批准带有后门或已知漏洞的协议被轻易被批准。尽管NIST已经大大加强了其流程，但仍有许多人认为这在过去曾发生过。
Dustin Moody（NIST）强调“NIST独立的做出决定，并将NSA排除在我们的标准化过程之外。我们也会接受他们的意见，就像我们接受任何重要利益相关者的意见一样。”
实际上，所有参与这些争论的团体都相信格加密的巨大潜力。
1、问题类别的多样性很重要
寻求具有不同性能权衡的强大PQC的企业用户将不得不等待更长的时间来等待更多PQC标准的出台。在NIST的PQC第4轮中对备选方案的持续评估将有助于弥补这一差距。
多样性非常重要，因为这仍然是一个正在发展中的领域。如果在一个协议或一系列协议中发现未来的弱点，我们需要准备好替代方案。
我们可以期望结构化格加密形成新一代互联网安全标准的基础。尽管早期存在担忧，但我们拥有可以以这种方式运作的协议，这是非常积极的。然而，应该指出的是，这种“最佳情况”的结果取决于一条相对狭窄的路径。
一个特别的担忧是，对于基于结构化格的数字签名方案，仍然没有通用的互联网兼容替代方案。这代表了新型量子攻击或常规攻击的潜在单点故障。NIST已确认将向PQC业内发布征集提案，以寻求专门填补这一空白。
2、迁移是一个更大的挑战
在正式标准完成之前，企业在推广这些新方法时都必须谨慎。然而，为标准文档选择的协议的知识将成为活动的转折点。
互联网是一个疯狂且多样的地方。并非所有协议和硬件都可以在新的更大的密钥和所需的处理开销下顺利运行，尤其是旧硬件和旧应用程序。迁移准备和测试对许多公司来说都是一个具有挑战性的问题。在物联网设备不断增长的环境下，仍然存在一种危险的诱惑，即选择推迟对安全性能采取行动以选择更轻的重量和更高功率的设备。
NIST国家网络安全卓越中心（NCCoE）现已启动了“迁移到PQC”项目，以帮助企业规划和执行这种迁移。这是至关重要的一步。如今，大多数黑客攻击的都是实现中的漏洞，而不是底层协议。通过迁移到量子安全协议的仓促或错误想法实际上可能会使这种情况恶化。总的来说，我们对加密安全的理解在过去二十年里不断发展。我们现在更清楚地意识到安全是一个旅程，而不是一个目的地。大多数公司会将加密灵活性置于他们现在想要构建的系统的核心。
图27 迁移至后量子密码
加密繁荣时期——PQC迁移活动有望成为网络安全服务提供商的大生意。
IBM、微软和Atos等大公司都密切参与了NIST PQC进程。许多专业公司都致力于帮助实现NIST套件中的算法，包括PQShield、PQSecure、CrypotoNext和ISARA等。
Quantropi提供自己专有的PQC解决方案QiSpace。这包括MASQ（多变量PQC KEM）及其专有的“quantum permutation pad”技术。这受到量子计算架构的启发，但在经典处理器上实现。这被用作其对称加密QEEP的基础，并提供伪QRNG。
Post-Quantum专注于身份和安全应用程序。EvolutionQ在提供PQC和量子密码学的见解方面具有独特的地位。
那些已经计划开始制定后量子迁移战略的企业可能希望早点开始行动。专家资源是一种稀缺商品，而且将变得更加稀缺。
三、量子密码提供了一个不断发展的工具集
量子技术还为网络安全提供了新工具。这包括帮助应对未来量子计算机构成的威胁，以及更常见的当前威胁。正如我们稍后将看到的，它还承诺提供面向未来的新功能。
为了理解这些可能性，我们必须研究量子随机性提供的独特属性，了解它是如何实现新的带外加密解决方案以及量子密钥交付的额外独特承诺。我们将看到，在其最强大的用例中，量子密码并不作为传统的基于数学的密码的竞争者，而是对其进行补充和增强。
1、量子随机性很重要
随机数是所有加密系统的基本构建块。它还可用于游戏和数据科学应用。传统系统通常使用基于数学的伪随机数发生器结合一些硬件随机种子值。与来自量子计算机的任何未来威胁完全不同，这些算法或其实现中的漏洞一直是一个反复出现的问题。著名的例子包括台湾“公民智能卡”数据库中的漏洞和Reductor恶意软件攻击。目前互联网上使用的RSA数字证书中有很大一部分被认为容易受到这种方式的攻击。
看好熵（熵可以被认为是随机性的数量，或者等同于信息的缺失）的人认为，升级的随机性是一种有用且具有成本效益的增强。作为更广泛的量子安全迁移策略的一部分，这也是一个需要及时解决的问题。最有安全意识的人还注意到，格加密协议的安全证明非常重视把高质量的随机性作为基本输入。而反对的人认为有其他的优先事项，并质疑如何才能证明支出额外资金的合理性。
量子随机性——随机测量结果是量子力学固有的。事实上，量子系统是我们所知的自然界中唯一表现出真正随机性的事物。
基本的QRNG（量子随机数发生器）设备是许多量子领域参与者早期盈利的机会。一系列设备已投放市场。通常比其他物理随机性源提供更高的性能，并且承诺它们的输出是真正随机的。
IDQ、国盾量子和QuintessenceLabs为市场提供QRNG解决方案。初创公司Quside初创公司Quside正在销售一款基于FPGA的产品。KETS强调了其原型在低SWaP环境中的演示。东芝新的集成加密芯片展示了令人印象深刻的4 Gbps随机数速率。
IDQ一直是嵌入式应用小型化QRNG的早期领导者。SK电讯已售出超过45万部包含IDQ的Quantis QRNG芯片的三星Galaxy A Quantum智能手机。继此成功之后，还推出了更新的三星Galaxy Quantum 2。支持Quantis的Vsmart Aris 5G（越南）正在美国上市。Quantis也在寻找进入许多嵌入式应用的方法，这些方法中包括与物理不可克隆（PUF）芯片一起用于物联网身份验证。
国盾量子和中国电信也试行了“量子加密”手机解决方案。这可能是基于sim分布式量子随机数和基于对称加密的智能手机应用程序。
在第一波QRNG实施中，我们必须相信制造商的芯片正在按照他们所说的那样做。行业采用者希望至少得到认可的保证和认证流程。ITU-TX.1702是QRNG架构的初步建议（更多人认为基本定义）。
英国国家物理实验室正在领导AQuRand——一个由英国皇家研究院资助的项目——旨在定义QRNG的保证流程。然而，QRNG市场开始显得拥挤（仅英国就有七个商业参与者）。在尺寸、重量、功率、随机比特率和成本方面的竞争差异，也将与更高级功能的差异相结合。
高级协议（Advanced protocols）——量子随机性不是一个松散的概念。我们可以进行实时统计测试，以验证设备是否以独特的量子方式运行（例如违反贝尔不等式）。这为量子设备证明它们正在产生真正的量子随机性打开了大门。更高级的协议可以让运营商在使用时验证量子随机数（因此他们不需要信任设备制造商）。在其最完整的形式下，我们可能能够实现远程和公开地执行协议来形成公开认证的量子随机数。
X.1702根据验证指定熵的传递方式确定了两类QRNG设备：QES1——通过监控实施缺陷是否在容许范围内；QES2——通过测量量子过程的签名。后一种情况是对量子随机性的持续性自我验证，是一种更为严格的测试。
Quantinuum（前身剑桥量子）的SaaS产品Quantum Origin是第一个实施强QES2式熵验证的QRNG产品。以前名为Ironbridge，剑桥量子已经展示了它与IBM Key Protect套件作为加密密钥源的集成，最近还与富士通进行了概念验证PQCVPN部署，并与IDB Lab和Tec de Monterrey进行了量子安全区块链部署。Quantum Origin目前在霍尼韦尔的H系列量子计算机上运行，但在任何通用量子计算硬件上都可以运行。
量子计算机似乎是一种非常昂贵的产生随机数的方法。然而，熵验证是黄金标准应用的有效区分因素。此类服务未来可能是专门的低成本专用设备，但这些设备尚未投入生产。这项服务现已推出。
新的参与者Quantum Dice计划寻求芯片级解决方案，它强调其DISQ协议能够提供高级自我认证。Anametric也是如此。希望他们重点关注专门针对PQC需求量身定制高级协议的方法。我们可以期待听到更多的行业新人的声音，包括Nu Quantum和Quaid。
QRNG作为领先的量子技术被低估了，但这种情况正在发生转变。量子芯片进入手机等无处不在的消费设备，对整个行业来说都是一笔大买卖。同样，通过私人甚至公共认证为量子随机数增加价值的能力可能是专业量子计算机的首批真正商业应用之一。
2、带外密钥传递
如果我不想信任公钥基础设施，一个自然的替代方法是找到一些其他方法来跨位置传递共享密钥。
TLS handshake——互联网（以及许多企业安全）目前建立都在TLS handshake之上。使用公钥基础设施来认证用户并允许他们同意共享密钥。为了方便和灵活，这一切都是在“带内”完成的，在同一通信信道内发送数据。
另一方面，如果我将密钥“带外”传递给将用于数据的通信信道，那么我就大大复杂了对任何攻击者的挑战，尤其是对“现在窃取，以后解密”的攻击。
在高安全性应用程序中，带外密钥传递并不是什么新鲜事（想想在外交公文包中交付的装满随机数的硬盘）。现代技术正在提供新的方法来使这个过程更加高效。带外解决方案不必使用量子密码学技术。然而，在现在进入市场的新解决方案浪潮中，我们经常看到它们的结合，无论是现在还是未来的升级路径。
Quantum Xchange是先行者，它的Phio TX解决方案是用于按需分发临时的带外密钥（不需要密钥存储）。Phio TX Hive支持各种交付机制，包括基于云的VPN。现在可以仅使用传统密码学的技术来实现；同时它还为未来多个量子加密选项提供了升级路径。Quantum Xchange强调，这种逻辑解耦和灵活性对于未来完全的加密灵活性是必要的。他们已经成功完成了与Verizon的概念验证，以及将一艘船与美国和澳大利亚的高灵敏度位置连接起来的基于卫星的演示。
在这个基于数学和基于物理的密码学家经常出现争执的领域中，出现了混合系统的创新。这些将基于物理的QRNG与基于数学的高级技术相结合，有望在全球范围内大规模分发秘密共享的随机数。
Qrypt利用QRNG信标的网状结构。BLAST协议允许任意两个客户端秘密同意这些随机数的共享段，以安全地提取共享随机数。这个协议非常简单，可以通过最安全的PQC进行协调（例如，rodo KEM）。但它也可以生成大量的密钥材料，使其甚至可以为OTP加密提供实际的支持。由于这些随机数是在不同的时间形成的，并且通过不同的信道传输到以后的数据，因此“现在窃取以后解密”的攻击变得更加困难。
Arqit提出了一个卫星网络，通过任意两个地面站之间的量子下行链路分发共享的量子随机数。对称密码术保护这些数字与密钥的协调。至关重要的是，随机数永远不会通过地面信道，因此传输是完全带外的，并且还受到下行链路的物理量子特性的保护。Arqit的QuantumCloud协调使用这些密钥来保护受完全对称加密保护的网络中的数据中心和用户端点节点。客户现在可以探索该系统的地面实现。第一颗卫星预计将于2023年发射。
五眼联盟正在研究Arqit系统的一个私有实例——联合量子系统（Federated Quantum System）的潜力，以满足他们的需求。2021年在英国康沃尔举行的G7会议上几个与北约结盟的政府表达了它们的兴趣。其中包括美国、英国、日本、加拿大、意大利、比利时和奥地利。这是基于Arqit在英国研究与创新局（UKRI）支持的更广泛的量子密码应用上所做的工作。
安全和创新并非易事。早期采用者应该参考已建立和即将到来的标准（例如NIST）；信誉良好的期刊/存储库（例如IACR）中发布协议和安全证明；蓝筹客户的概念验证演示，特别是在国家计划和/或国家实验室的参与允许独立专家参与的情况下的。
3、量子密钥分发（QKD）基本成熟
量子技术还可以用于在两个位置之间提供量子信道。利用量子信号的非经典特性为密钥分发提供新工具。
量子信道——QKD可以作为带内或带外解决方案。在任何一种情况下，其独特的安全声明都是基于无法克隆量子态的事实。窃听者根本无法在不被检测到的情况下复制和存储量子信号。
P&M QKD——在最简单的“制备和测量”（P&M）形式中，QKD仅取决于量子不确定性和量子叠加原理。这提供了与传统的基于数学的系统完全不同的安全保证。现实世界的系统可能仍然存在漏洞，但是，不可克隆定理意味着OKD只能在传输过程中实时受到攻击，因此可用于提供独特持久的安全承诺。今天几乎所有可用的商业QKD系统都实现了这种技术的一些变体。
纠缠QKD——QKD的最高级形式直接采用量子纠缠。这使得我们不必非得通过对中间设备制造商和运营商的信任，可以显著提高安全承诺。
安全性证明——相对于许多其他类型的物理层防御，QKD一个微妙优势是其安全性可以被形式化和数学分析。在其最强大的实现中，QKD可以提供信息理论上的安全性。
可信节点——由于量子信号传输范围有限，而且目前没有强大的量子中继器来扩大原生量子信号的范围。因此依靠可信节点作为中继，这是安全性中的一个潜在弱点。
过去，QKD的主要缺点是早期系统相对不成熟和成本非常高。现在这已经不是问题了。如今，覆盖范围、密钥速率以及量子连接在传统基础设施上路由的灵活性已经成为至关重要的考虑因素。
世界各地的QKD部署差异显著。
中国拥有迄今为止世界上最大的QKD运营网络。2000公里纵向骨干网连接北京、合肥、济南、上海的城域QKD网络；其中济南是最大的，有50个终端节点。该网络使用了700多条光纤链路和32个可信节点中继站。安全密钥速率在20-30kbs的范围内。中国的设备越来越成熟，已经可以抵御28种已知的潜在物理攻击。合肥和武汉之间700公里的额外横向主干道已经完工，还有360公里在建，2200公里拟建。
科大国盾量子技术股份有限公司（QuantumCTek）是为中国不断增长的量子网络提供硬件的量子独角兽。其骨干网QKD产品包括QKD-PHA300（50kbs@损耗10dB，最大范围100km）和QKD-POL1250（80kbs@损耗10dB，最大范围100km）。
SK电讯（SKT）已经将其LTE/5G骨干网QKD扩展到超过330公里，包括使用5个可信节点站的首尔-大田-太平核心网络枢纽。SK Broadband公司和IDQ已签订合同，为韩国48家政府机构建设一个2000公里的QKD网络。
IDQ是量子通信领域的先行者，其总部位于瑞士，自2007年以来一直提供商业QKD系统。该公司新推出的Cerberis XG QKD（2kbps@损耗12dB，标称范围50km可能达到80km）强调了部署和操作的方便性。SKT已经收购了IDQ。
英国电信（BT）和东芝（Toshiba）宣布了一项联合项目，在伦敦（包括伦敦码头区、伦敦金融城和M4走廊）建设和试用商用QKD网络。这建立在他们在英国量子网络测试平台以及英国国家复合材料中心（NCC）的点对点商业解决方案中合作经验的基础上。东芝还在美国与芝加哥量子交易所建立了200公里的量子网络，与日本情报通信研究机构（NICT）在日本建立了一个试验台，以及与总部位于新加坡的SpeQtral合作，为东南亚的潜在客户提供服务。
东芝目前在QKD范围和性能方面处于领先地位。它们提供了“长距离”解决方案（300kbps@损耗10dB，标称范围120km最大175km）；以及“多路复用”系统，其优势在于允许在C波段（40kbps@损耗10dB，标称范围70km）中复用客户数据。
英国电信和东芝在伦敦取得的成功将非常有趣。Quantum Xchange花了2年时间在纽约试用其Phio QX QKD解决方案，然后将其战略转移到Phio TX。伦敦的努力将受益于最新一代东芝QKD套件更高的功能和英国电信的客户覆盖范围。这足以改变现状吗？
在国际量子密码会议QCrypt 2021上，东芝指出，“国家光纤OKD网络今天已经可以实现”。对于英国这样的国家，现有的电信网络核心节点通常位于主要城市。这些位置已经是适用于可信节点实现的严格控制的位置（今天已经被这样使用）。英国的量子产业集团UKQuantum已向政府建议创建英国量子通信基础设施。最初提议的骨干网将在五年内连接6个主要的大都市中心。
在欧洲，所有27个欧盟国家都加入了欧洲量子通信基础设施EuroQCI倡议，其具体目标是建立泛欧安全量子通信基础设施。ESA（欧洲航天局）正在协调EuroQCI的空间部分（尽管英国和加拿大是ESA的成员，但它们被排除在EuroQCI参与之外）。OpenQKD在欧洲建立了14个测试平台中心，以展示各种用例。其中包括电信骨干网和云数据中心等核心领域，以及智能电网、电子健康和电子政务等发人深省的应用（英国已通过剑桥测试平台参与了OpenQKD）。
图28 欧洲量子通信基础设施计划
VeriQloud公司正在开发标准QKD技术的有趣变体。Qline是P&M QKD的一种形式，它在一次光纤运行中引入了中间节点。每个中间节点可以使用简化的硬件来修改量子信号。任何一对节点都可以形成共享密钥，而无需信任任何其他节点。这只在相对较短的范围内起作用，但有可能提供成本优势，因为许多用户可以通过一次短距离光纤服务。该系统的原型已经准备好部署在柏林OpenQKD测试平台上。
在世界其他地方，俄罗斯和澳大利亚在QKD开发方面尤为活跃。
俄罗斯初创公司QRate提供QKD312（50kbps@损耗12dB，标称范围30km最大120km）。该公司的设备是俄罗斯国立科技大学（NUST MISIS）和莫斯科通信和信息学技术大学（MTUCI）之间的试验台网络的基础。
澳大利亚网络安全公司Quintessecelabs提供qOptica 100，使用的是连续变量QKD（CV-QKD）（上面讨论的其他系统使用的是离散变量DV-QKD）。CV-QKD提供了更高的理论效率，但是当前实现的实际速度比DV-QKD低得多，目前在实践中的密钥速率更低、范围更短。Quintessence并没有公开qOptica 100的密钥速率。（作为对比，CV-QKD的学术现场试验为6kbps@损耗12dB）。CV-QKD的支持者指出，QKD与标准光学元件的兼容性增强，在日光、自由空间条件下具有优势。我们可以期待这项技术的进一步发展。
上海循态量子科技有限公司（XT Quantech）是一家中国初创公司，也提供CV-QKD技术。他们声称密钥率为25kpb@损耗10dB。
尽管美国是这项技术的早期先驱，但在P&M QKD中明显缺席，而是选择强调基于纠缠的技术。
Qubitekk是一家美国初创公司，利用其纠缠光子源技术提供量子数据链路。它使用纠缠QKD来提供独特的安全保证，尽管目前的范围仅限于1公里。如今，这似乎是一项很难使用的技术，但这种方法具有长期前景。
东芝目前在QKD市场拥有强大的主动权。他们当前一代的套件在任何可用系统的光纤链路上都具有最高的性能。研究也非常强大，其英国研究团队发明的TF-QKD协议承诺将实用的QKD扩展到长达500公里的城际距离。东芝不久前还利用UKRI AQuaSec项目实现了一种芯片级解决方案——在光子芯片中结合QRNG和QKD功能。安全密钥速率令人印象深刻（470kbps@10km）。
KETS是芯片级QRNG和QKD解决方案的另一个先行者。其原型现在处于卡片/机架阶段，KETS是AQuaSec项目的另一个合作伙伴。KETS的创始人仍然保持着他们早期演示芯片的安全密钥速率记录（916kbps@20km，使用片外激光源和SNSPD）。
中国在TF-QKD研究方面处于领先地位，保持着光纤量子密钥分发距离的世界纪录。
2021年6月，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，利用时频传递技术实现了现场511公里TF-QKD。
2022年1月，郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室的韩正甫教授及其合作者王双、银振强、何德勇、陈巍等基于TF-QDK实现了830公里光纤信道量子密钥分发。
2022年5月，潘建伟、张强、王向斌、刘洋等合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）的同时，实现了658公里远距离光纤传感，定位精度达到1公里。
4、标准在成倍增加
与任何技术领域一样，尤其是在密码学领域，我们可以期待标准在赢得商业信心方面发挥关键作用：用于设备制造方式的保证测试，作为认证机构（如国家实验室或测试机构）认证的基础；证明特定级别的保证和认证足以满足业务目的的认证；为了便于用户验收，测试系统是否适用于实际操作。
量子密钥分发（QKD）的标准化活动正在三个主要机构之间进行，即国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）、欧洲电信标准化协会（ETSI）和国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）。
ITU-T发布的建议包括：
X系列（数据网络、安全）：X.1702、X.1710、X.1712、X.1714
Y系列（互联网、下一代）：Y.3800、Y.3801、Y.3802、Y.3803和Y.3804
也叫FG-QIT4N——网络量子信息技术焦点小组。
ETSI公布的一系列规范包括：
GS QKD 015、GS QKD 014、GS QKD 012、GS QKD 011、GS QKD 008
GS QKD 016即将推出，此“保护配置文件”是ISO/IEC认证流程的重要环节。
ISO/IEC正在进行多项活动：
JTC 1/SC 27（IT安全技术）致力于CD 23837第1和2部分
还有JTC 1/WG 14（量子计算）致力于AWI 4879
5、数学与物理之间的紧张局势持续发酵
数学家和物理学家多年来一直在争论PQC KEM和QKD各自的优点。NSA和英国NCSC（GCHQ的一部分）都警告不要过早采用QKD技术。然而私下里，许多物理学家对以数学为主导的加密机构叫屈不已。但一些团体也犯了夸大宣传和忽视PQC优势的错误。
对于传统的互联网和“正常的”商业应用，PQC显然是我们现在可以采用的首选方案。但PQC和QKD显然也是互补的，两者都允许我们形成新的灵活的带内协议，并在需要更高级别的持久安全性时作为分层防御。
确保商业案例支持QKD的额外成本是一个重要的考虑因素。在这里，QKD还必须面对来自传统带外解决方案的成本竞争。
NCSC最近强调以基于原则的方法来保证安全技术，这可能是超越过去争论的一种建设性方式。这场辩论也扩大到包括其他地方。英国电信行业监管机构Ofcom已经迈出了进入这一领域的第一步。
在中国，2021年，中国科大、国盾量子、国科量子、济南量子技术研究院与上海交大等单位的研究人员完成了全球首次量子密钥分发（QKD）和后量子密码（PQC）融合可用性的现网验证。
四、太空带来了新的潜力
空间技术正在经历一场革命。大型卫星正在让位给成本效益更高的纳米卫星星座。新的发射方案即将推出。LEO、MEO和GEO（低中高轨道卫星）部署都存在机会，每种部署都会在区域覆盖与全球覆盖之间进行不同的权衡，最终可以分担哪些用户群成本。从长远来看，地月拉格朗日点和月球本身存在独特的机会。
卫星链路可用于扩大近期量子密码学应用的范围。然而，它们也提供了一种潜在的方法来加速依赖于量子纠缠分发的更高级协议的交付。
1、卫星QKD火起来了
从卫星节点发送量子信号本身就非常有吸引力。大气层的厚度只有大约10公里，量子信号能够在太空真空中以低得多的损耗传播。该行业还受益于对经典光通信的大量投资。
地月——40万公里的估计损耗为80 dB（10厘米发射器和1米接收器@1550纳米）。这与仅270公里光纤的损耗相同（0.3 dB损耗/公里）
P&M QKD的指示性参数
LEO-地面：130 kbps（1.2GHz，发射13厘米，接收80厘米，<30度仰角）；
GEO-地面：1 kpbs（1.2GHz，发射60厘米，接收120米，30度仰角）。
想要研究卫星QKD还有其他重要的原因。安全意识强的用户通常最关心到远程全球位置的链接：他们无法通过中间可信节点到达的位置。另一方面，他们可能对他们的卫星充当可信节点感到满意。
中国凭借墨子号卫星开创了量子空间技术的先河。然而，这是一颗640公斤的大型研究卫星，功率为560瓦；所需的地面站为10吨（目前已有小型化移动地面站），使用60千瓦，维护成本很高。世界各地的倡议都在竞相为卫星QKD开发更具可扩展性和成本效益的平台。
图29 中国“墨子号”量子卫星
微型量子卫星——中国计划到2021年底在低地球轨道上拥有一颗100公斤的微型卫星，到2022年将增加到2颗卫星和10个地面站。目标是快速架设100公斤300瓦地面站。已经在北京、上海和重庆进行了实地试验。
ROKS——英国的一项任务，旨在在2022年展示QKD下行链路。合作伙伴包括Craft Prospect和Fraunhofer。
QEYSSat——这项由加拿大主导的任务将于2022年发射，主要目的是展示卫星的量子上行链路。作为英国-加拿大量子技术计划协议的一部分，包括Craft Prospect在内的英国财团正在提供额外的下行链路源。
Speqtre（以前称为QKD Qubesat）——英国和新加坡之间的联合QKD测试平台任务由卫星制造商ISISPACE建造。发射日期现在已经推迟到2023年以后。它建立在2020年的任务SpooQy-1的基础上，该任务成功完成了CQT（新加坡量子技术中心）纠缠光子源的在轨测试。
英国量子通信中心（UK Quantum Communications Hub）正在寻求从立方星到英国地面站的QKD的单独在轨演示（IOD），计划于2024年发射。
QKDSat——Arqit和ESA（欧空局）的一个项目计划在2023年使用维珍轨道公司的发射器发射两颗卫星，其中一颗来自康沃尔郡的Newquay，以支持其QuantumCloud服务。这些卫星将在Harwell的英国国家卫星测试设施进行集成和测试。随后可能会有更多的FQS卫星。
SAGA——一项ESA（欧空局）计划的任务，旨在展示基于纠缠的QKD，并有望在现有欧洲进展的基础上再接再厉。德国QUBE和法国Nanobob均预计2022年发射。Qtlabs正在协调任务设计和技术选择。这是EuroQCI的主要空间部分，预计将与欧洲量子旗舰计划进行紧密合作。
传统的带外卫星解决方案，例如Quantum Xchange的2021年概念验证也将得到扩展。
星座设计的一个重要机会是允许全球用户分摊成本。现在，一个光学地面站的成本可能约为100万欧元，但如果批量生产，成本可能只有10万欧元。一颗专用的量子卫星可能耗资1亿欧元，但租用商业卫星服务（可能类似于Arqit的FQS提案）可能每年就耗资2500万欧元。包括卫星、任务控制和100个接收器。此类成本并非微不足道，但对于政府或具有安全意识的大公司而言，也并非无法承受。
关于光纤与卫星QKD的距离/成本权衡的争论已经开始。卫星套件似乎很贵，但可以跨越很远的距离并且成本可以分摊。光纤安装看起来更便宜，但成本随着距离的增加而增加。卫星支持者Qtlab认为，这种权衡将出现在200公里，IDQ出现在1500公里，东芝在10,000公里。
2、纠缠分发的敲门砖？
卫星可能是我们可以部署基于纠缠的QKD的首批领域之一；只要两个地面站同时可见，就不需要信任卫星。在ICQT 2021上，中国科大的徐飞虎推测实用的地面量子中继器可能还需要10年的时间。另一种选择是使用卫星，中国科大已经演示了使用卫星在1120公里范围内的纠缠分发。
纠缠QKD的指示性参数（来自Qtlab）
LEO对地：25bps（1GHz对速率，发射13厘米，接收80厘米，<30度仰角）
GEO对地：0.1bps（1GHz对速率，发射60厘米，接收120米，30度仰角）
重要的是，卫星系统可以加速实际的基于纠缠的链路的部署。这样，它们将有许多其他用途。
五、未来的量子网络即将出现
1、量子网络指数级地增加量子计算机的能力
对网络安全的讨论自然地将我们从后量子密码引导到量子随机数，再到用于创建量子安全密钥的协议。但量子网络的潜力并不止于此。长期来看这些甚至不是主要的好处。
在短期内，短距离量子网络的一个关键驱动因素将是相干连接本地量子处理器（例如在稀释制冷机或俘获离子架之间）。然而，这种组合的本质优势并不受距离的限制。
经典计算机联网，它们的能力呈线性增长。当我们纠缠量子计算机时，它们的能力呈指数级增长。独立和统一量子处理器之间的能力差距可能会为建立真正基于纠缠的量子互联网提供强有力的案例支持。
2、高级密码协议的持续进展
量子通信领域还提供了一系列高级加密协议，有望扩展基于传统数学技术的可能性。
Stephen Wiesner（1942-2021年）——为现代量子信息领域尤其是量子密码铺平道路。他写于20世纪60年代末但直到1983年才发表的关于共轭码的论文为我们现在所知的量子比特铺平了道路。
近年来，在更实用的协议和实验演示方面都取得了稳步进展：
表 2 高级密码协议
NP证明验证——2021年，来自CNRS、爱丁堡大学和QC Ware的一个团队实现了NP证明验证的真实世界演示，其中证明者仅获得有关他们被要求验证的解决方案的有限知识。这使用简单的双模式光学装置（相当于1量子比特计算机）。这是经典密码学中一个经过充分研究的工具——零知识证明的量子变体。这没有直接的应用，但很可能在未来的量子互联网中用作识别、身份验证和区块链等功能的原语。更有趣的是，它提醒我们，通信协议中的“量子优势”甚至可以基于一个1量子比特的设备。
Quantum Blockchains是一家波兰初创公司。它们为将PQC技术与量子增强协议相结合可能实现的创新提供了一个有趣的、面向未来的例子。
即使在今天，出于数据隐私的考虑，一些客户已经开始寻求在内部安装量子计算机。盲量子计算提供了在云计算环境中完全有效地解决隐私问题的工具。
3、联网量子传感器的突破？
另一种可能性是将量子传感器连接到量子网络。在2021年，量子物互联网得到了显著的提升。包括加州理工学院和谷歌在内的工作表明，如果我们在应用经典机器学习之前，首先在量子计算机中完成预处理，那么在学习量子态的性质方面会有指数优势。
从实验中学习——加州理工学院和谷歌的工作要求我们分两部分考虑谷歌的Sycamore量子处理器。
首先第一部分，它的量子比特代表一些假设物理实验的输出（或一系列量子传感器的输出）。我们的任务是了解这种状态的一些特性（研究实验的物理特性，或者读取我们的传感器网络）。量子处理器的其余部分在将输出传递给经典机器学习例程之前，对这些输入执行纠缠操作。这种设置能够在比任何经典算法都少的指数级试验中学习状态的性质。
一个显著的特点是指数优势不依赖于以任何方式预先纠缠的输入状态。这可能与我们的预期相反，并且使得实现这样的设置看起来比我们预期的要容易得多。
这些新结果可能会为基础物理实验中的新分析方法带来短期机会。从中长期来看，它为联网量子传感器可能实现的目标开辟了有趣的可能性。
4、实验室中的纠缠网络
量子纠缠通常首先在量子计算的一般介绍中讨论，或者作为高级形式的QKD的促成因素。然而，它的作用远不止这些应用。纠缠是未来量子互联网的重要的可消耗资源。
量子态隐形传态——如果我们在位置A和B之间共享纠缠，那么我们可以使用它来将任意量子比特从A传输到B，只需发送一个简单的经典信号。无论距离如何，这都有效。
量子中继器——这项新兴技术旨在扩大我们可以共享量子纠缠的范围。典型的中继器设计需要量子存储器（是一个刚刚从实验室兴起的领域）。最近，基于光子图态提出了替代的无存储器方法。
世界各地正在发生越来越令人印象深刻的纠缠网络演示。这些越来越多地突破纯物理领域，以解决工程的实际问题。
中国科大已经在22公里的距离上证明了量子存储器的纠缠。他们还展示了使用光子团簇态作为基于物质的量子存储器的替代方案。
2020年，英国量子通信中心的合作伙伴布里斯托大学演示了8节点网络上的纠缠分发。量子旗舰项目UNIQORN展示了灵活交换纠缠共享所需的q-ROADM技术。2021年，赫瑞-瓦特大学的一个团队演示了四个节点之间基于纠缠的量子会议密钥协议。QuTech则更进一步，演示了通过一个中间节点进行纠缠交换，形成一个3节点量子网络。
QuTech使用了三个金刚石NV节点（每个节点冷却到4K），每个节点包含一个用于通信的量子比特。中间节点使用了一个额外的存储量子比特。虽然只是实验室规模的演示（节点相隔30米和2米），但这种设置复制了量子中继器的关键功能。这提醒我们，量子通信中的应用将利用并不总是需要极端mK冷却的硬件平台。
阿贡国家实验室和芝加哥大学已经成功地在80公里的网络上纠缠光子。
布鲁克海文国家实验室和纽约大学石溪分校石溪大学正在开发一个专注于开发量子中继器的网络实验台。干涉效应已被证实超过160公里。有计划将网络扩展到纽约市。
Qunnect是一个著名的早期衍生公司，它拥有基于原子蒸汽电池的量子存储专利技术。这保证了室温部署和光纤兼容性。据报道，存储时间已经在数百微秒的范围内。这可能为真正的量子中继器和其他量子互联网协议打开大门。
QuTech不仅完成了3节点网络演示，还部署了一个完整的软件堆栈。各类参与者现在都在推出量子网络模拟产品。
Quantum Network Explorer（量子网络浏览器，QNE）——QuTech已经推出QNE和相关SDK，其他感兴趣的各方可以出于教育、研究和开发目的访问他们的网络。
Aliro Quantum——一家美国初创公司，他们提供了Q.Network来解决网络堆栈问题。他们的硬件无关量子网络设计和模拟平台使他们能够解决EaaS如何帮助客户解决安全、计算以及定位、导航和计时问题的前瞻性问题。
NodeQ——一家英国初创公司，提供用于量子网络设计和优化的软件。利用其创始人在英国量子通信中心的工作以及该领域深厚的理论积累。
EvolutionQ——加拿大初创公司，为量子网络设计提供BasejumpQDN。最初的重点是帮助客户避免与单一QKD供应商的供应商锁定。EvolutionQ在基于数学的密码学方面的优势与此产品相得益彰。
许多人都知道IBM在量子计算领域抓住了势头，这是因为它早期提供了IBM Quantum Experience，并推广了OpenQASM等早期标准。然而，它在量子互联网堆栈是否存在类似的机会？
六、策略之争
在构建量子互联网的过程中，投资者、公司和政府面临着复杂的局势，其中三大深层次的技术部门相互重叠和互动：加密、量子和空间。避免被锁定在任何一种技术或狭窄的专业领域是一个挑战。评估短期、中期和长期收入机会的权衡是一项挑战；因此，当我们考虑经济与地缘政治因素的相互作用时，可能会影响更广泛的部门的发展。
一些专注于如何在当前互联网上部署量子安全加密技术。另一些专注于使用可信节点构建“制备和测量”量子网络，以形成量子互联网。其他人则设想真正的基于纠缠的量子互联网。这最终还包括量子传感器，从而实现量子物联网。
中国将其目前在早期QKD网络中的主导地位视为未来完全纠缠网络的铺垫。EuroQCI和QIA在欧盟数字欧洲计划中的作用似乎体现了相同的愿景。而美国似乎更倾向于直接关注纠缠的目标。
七、展望2022
NIST PQC决策——哪些PQC协议将进行标准化？
NIST PQC第4轮——哪些替代方案将进行进一步研究？哪些新的数字签名方案将进入流程？
QRNG智能手机——这一细分市场会继续增长吗？
QRNG功能之争——在日益拥挤的细分市场中，在成本、随机比特率、SWaP和高级协议功能方面的竞争。
Quantum Xchange——建立了带外概念后，我们将看到哪些客户采用？
Qrypt——我们会看到这种有趣的新方法的旗舰装置吗？
Arqit——我们会看到更多细节和安全证明进入公共领域吗？
东芝和英国电信——我们会听到伦敦QKD试点客户的消息吗？
IDQ——韩国之后的下一站是哪里？
芯片级QKD——观察来自东芝和KETS的芯片将竞争推向新的前沿。
OpenQKD——注意欧洲试验台位置的各种用例的概念演示证明。
EuroQCI——数字欧洲计划下的项目资助，是否会为我们提供有关该计划将如何进行的更多指示？
UKQCI——英国是否会承诺推出国家量子通信基础设施？
卫星QKD——随着多颗卫星的发射；谁将赢得演示纳米卫星QKD的竞赛？
国际标准——关注美国关于中国在国际标准制定中日益重要的作用的研究结论。
保证流程——将QRNG保证视为NPL和NCSC新思维的测试案例。
纠缠网络——关注领先的研究中心的进展，如中国科学技术大学、英国量子通信中心、荷兰QuTech、美国Q-NEXT/阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、MARQI/马里兰大学、CQT/普渡大学等。
高级协议——注意对高级协议的新兴趣。云上的安全时钟同步和盲量子计算可能值得关注。
欧洲量子旗舰——有影响力的量子互联网联盟将在下一轮地平线欧洲项目拨款中获得哪些支持？
网络堆栈——哪个平台将在量子网络模拟方面取得领先？