周建武 ｜量子工业物联网（QIIoT)的概念提出与发展构想

　　随着量子科技(Quantum Technology,QT)与物联网(Internet of Things, IoT)的逐步融合,量子物联网(Quantum Internet of Things, QIoT)的概念已经形成并被业界和学界普遍接受。然而,量子科技(QT)和工业物联网(Industrial Internet of Things, IIoT)的融合仍处于早期阶段,作为量子物联网(QIoT)与工业物联网(IIoT)的自然延伸,本文首次明确提出量子工业物联网(Quantum Industrial Internet of Things, QIIoT)这一概念术语及相应的发展构想。

　　一、 量子工业物联网(QIIoT) : 概念 术语 的提出

　　工业物联网(IIoT)是当前信息技术和工业制造业深度融合的产物,它以物联网( IoT)技术为基础,通过连接和互联工业设备、系统和人员,将具有感知、监控能力的各类采集、传感器、控制器以及移动通信、智能分析等技术融入到工业生产过程各个环节,从而大幅提高制造效率,改善产品质量,降低产品成本和资源消耗,最终实现工业生产和运营过程的自动化、数字化和智能化。

　　量子物联网(QIoT)是物联网(IoT)的量子化升级版本,其本质是将量子通信(如量子密钥分发QKD)、量子计算、量子传感、量子精密测量等技术融入物联网(IoT)的“感知-传输-处理-应用”全链路,构建“安全可信、精准感知、智能决策”的新型物联网体系。

　　当前,工业物联网(IIoT)与量子物联网(QIoT)的深度融合正在逐步形成,并已成为不可逆转的趋势。量子科技(QT)作为新一轮科技革命的核心领域,涵盖量子计算、量子通信和量子精密测量三大方向。作为未来产业,量子科技(QT)仍处于发展培育期,但充满了无限可能和想象力。随着量子科技(QT)的进一步成熟,“量子工业物联网(QIIoT)”的概念将会逐渐明确。

　　量子工业物联网(QIIoT)是工业物联网(IIoT)的未来形态,是量子科技(QT)和工业物联网(IIoT)的深度融合,其核心价值在于“安全可信”与“能力增强”。随着量子技术的不断成熟与产业生态的完善,量子工业物联网(QIIoT) 通过量子科技(QT)提升通信、感知与计算的能力和效率,支撑未来工业的海量设备连接与高价值应用

　　量子工业物联网(QIIoT)与传统工业物联网(IIoT)的核心差异在于“安全机制”与“能力边界”,其核心特征为“量子安全保障+量子能力增强”,相应地,其发展可分为两个阶段:量子安全量子工业物联网(Quantum Secure Industrial Internet of Things, QSIIoT)、量子增强工业物联网(Quantum-Augmented Industrial Internet of Things, QAIIoT)。

　　二、 量子安全工业物联网 (Q S IIoT) : 量子工业物联网(QIIoT)的 初级 阶段 。

　　量子工业互联网(Quantum Secure Industrial Internet,QSII),由美国学者Joseph James Salvo于2021年在学术论文中首次明确提出,聚焦于量子安全技术与工业互联网的融合,旨在解决工业场景中的网络安全问题。部分文献中,量子工业互联网也可能被称为“Quantum-enhanced Industrial Internet”(量子增强型工业互联网)或“Quantum-integrated Industrial Internet”(量子集成工业互联网),但这些表述未被广泛普及,QSII 仍是学术界与企业界的主流选择。

　　参照上述文献,可以认为,量子工业物联网(QIIoT)的第一阶段即为量子安全工业物联网(Quantum Secure Industrial Internet of Things, QSIIoT),旨在解决工业物联网(IIoT)面临的安全短板,具体是将量子通信技术用于工业设备的能耗监控与协同作业,实现“实时、安全”的数据传输。

　　从安全角度看,量子工业物联网(QIIoT)通过量子密钥分发(QKD)、抗量子密码(PQC)等量子安全技术,解决传统工业物联网(IIoT)“加密算法易被量子计算破解”的核心安全问题,实现数据传输与存储的“绝对安全”。

　　作为量子工业物联网(QIIoT)发展的初级阶段,量子安全工业物联网(QSIIoT)通过量子技术(如量子密钥分发、量子中继)增强现有经典物联网(IoT)的安全性或性能的网络形态,其核心是将量子技术作为“安全保障工具”,叠加于传统工业物联网(IIoT)之上,而不改变工业物联网(IIoT)的核心架构(如TCP/IP协议、分组交换)。

　　传统工业物联网(IIoT)依赖“对称加密(如AES)+非对称加密(如RSA)”,但这些算法易被量子计算破解,因而面临数据泄露、设备篡改等安全风险。而量子工业物联网(QIIoT)则采用“量子密钥分发(QKD)+对称加密”,有效解决了传统物工业物联网(IIoT)面临的“量子安全威胁”。

　　量子安全工业物联网(QSIIoT)基于量子力学的“不可克隆性”与“测量塌缩原理”,量子密钥分发(QKD)生成的加密密钥无法被窃听或复制,实现无条件安全的通信,通过量子密钥的“绝对安全”保障数据传输,有效解决了传统工业物联网(IIoT)的经典加密易被量子计算破解的隐患。同时,通过量子密码验证(如量子数字签名)实现不可伪造的身份认证,解决经典网络中的信任问题(如钓鱼攻击、身份冒用)。从而实现了工业设备之间的实时安全通信,有效提升了生产制造的安全保障。

　　三、 量子增强工业物联网 (Q A IIoT) : 量子工业物联网(QIIoT ) 的 高级 阶段 。

　　量子工业物联网(QIIoT)的高级阶段即为量子增强工业物联网(Quantum-Augmented Industrial Internet of Things, QAIIoT),是在将量子通信技术解决工业物联网(IIoT)面临的安全短板的基础上,强调量子技术(QT)对传统工业物联网(IIoT)的作用,涵盖安全、计算、速度、精准、智能等多维度能力的提升。

　　量子增强工业物联网(QAIIoT)的量子传感、量子精密测量等高精度感知能力以及量子计算面对复杂数据的快速处理能力,弥补了传统工业物联网(IIoT)“感知精度有限、计算效率低下”的瓶颈,支撑更复杂的智能化应用,从而成为未来智能化工业的“神经中枢”。

　　首先,感知精度提升。传统工业物联网(IIoT)的传感器(如温度、压力传感器)精度有限,无法满足高精度场景需求。量子传感技术的测量精度远超传统传感器,可实现“纳弧度级”的角度测量、“微米级”的位置感知,为工业物联网(IIoT)系统提供更敏锐的“感知触角”。例如,量子传感器可实时监测工业设备的运行参数(如温度、湿度、压力、速度等),提前预警故障,提高生产效率。从而使得量子工业物联网(QIIoT)能为工业智能设备、工业机器人等场景提供了更精准的感知支持,实现超精密测量。

　　其次,计算能力增强。传统工业物联网(IIoT)的计算依赖经典计算机和“云计算”,但经典计算和云计算“延迟高、带宽限制”,无法满足实时性需求。而量子计算的“并行处理能力”可快速处理工业物联网中的海量生产数据。量子工业物联网(QIIoT)支持量子计算机与经典服务器的协同计算(如量子云计算),处理经典计算机无法解决的复杂问题(如分子模拟、工业优化算法),同时,“量子计算+边缘计算”可实现“本地数据处理+云端协同”,提高响应速度,实现更高效的决策。

　　再次,融合功能扩展。通过量子-经典工业物联网(IIoT)的深度融合(如量子内存、量子计算节点与经典网络互联互通),扩展经典工业物联网(IIoT)的功能边界。核心是将量子技术(QT)作为“架构延伸”,实现量子资源(如量子比特、量子纠缠)与经典资源的协同利用。量子工业物联网(QIIoT)聚焦“功能扩展”与“新应用赋能”,旨在突破经典工业物联网(IIoT)的功能限制(如无法处理量子计算任务、无法实现超精密量子传感),构建“量子-经典协同”的新型网络生态。

　　量子增强工业物联网(QAIIoT)作为量子工业物联网(QIIoT)发展的高级阶段,其实现和真正应用有待于量子精密测量技术和量子计算技术的成熟。在不久的将来,量子增强工业物联网(QAIIoT)将有效支持超大规模传感器网络、分布式量子计算以及通用人工智能(Artificial General Intelligence,AGI)等未来新型工业应用场景。

　　综上,量子安全工业物联网(QSIIoT)是量子工业物联网(QIIoT)的“初级形态”,旨在解决经典工业物联网(IIoT)所面临的数据泄露等核心痛点;而量子增强工业物联网(QAIIoT)是量子工业物联网(QIIoT)的“高级形态”,旨在突破经典工业物联网(IIoT)的功能限制,构建“量子-经典协同”的新型工业物联网生态。二者的发展路径遵循“从安全保障到功能增强”的逻辑,共同推动量子工业物联网(QIIoT)从理论走向实践。

　　(简介:周建武 博士,研究员,逻辑与软科学专家,量子科技产业化推动者,中咨海外咨询有限公司高级专家,北京工商大学