全景解密量子信息技术,高层集中学习,国家战略, 大领域 文看懂
零月 日下午,高层就量子科技研究和应用前景举行 次会议,强调当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中 个关键变量。要充分认识推动量子科技发展 重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大统计,下好先手棋。
零零 年之后,量子密钥分发（QKD）技术研究从理论探索开始走向实用化,相关研究论文数量持续上升,近年QKD领域论文发表统计和部分发文机构如上图所示。其中,QKD领域 零% 研究论文在近 年发表,文献引证数量也在不断增加,前年发文量创新高。中、美、加、德、新、英等国以科研机构为主,日本则部分来自企业。
过往开始,随着欧美科技巨头开始大力投入和持续推动,以及全世界各国科技企业和研究机构之间 相互竞赛,更加重视量子计算领域 知识产权布局,专利申请数量出现明显攀升。美国在布局时间和申请总量上占有优势,近年来我国量子计算领域专利申请数量 攀升统计更快。通过比较中、美、日、加 专利申请人 类型可以看出,我国专利更多 来自高校和科研机构,国内科技企业多与科研院所合作,相关研究工作和知识产权布局大多处于起步阶段。
前年,欧盟量子旗舰计划成立量子互联网联盟（QIA）,由Delft技术大学牵头,采用囚禁离子和光子波长转换技术探索实现量子隐形传态和量子存储中继,计划在荷兰 地区之间建立全世界首个光纤QT实验网络,基于纠缠交换实现量子态信息 直接传输和多点组网。去年,南京大学报道基于无人机开展空地量子纠缠分发和测量实验,无人机携带光学发射机载荷,完成与地面接收站点之间 零零米距离 量子纠缠分发测量。目前,QT研究仍部分局限在各种平台和环境条件下 实验探索,包括高品质纠缠制备、量子态存储中继和高效率量子态检测等关键技术瓶颈尚未突破,距离实用化仍有较大距离。
去年 零月,《自然》杂志以封面论文形式报道了Google企业基于可编程超导处理器Sycamore,如上图所示,实现量子优越性 重要研究成果。该处理器采用倒装焊封装技术和可调量子耦合器等先进工艺和架构设计,实现了 位量子物理比特 维阵列 纠缠与可控耦合,在解决随机量子线路采样问题时,具有远超过现有超级计算机 处理能力。Google研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜力 首个实际案例,具有里程碑意义。这 热点事件所引发 震动和关注,将进 步推动全世界各国在量子计算领域 研发投入、工程实践和应用探索,为加快量子计算机 研制和实用化注入新动力。
去年,北大和北邮报道了在西安和广州现网 零公里和 零公里光纤,采用线路噪声自适应调节和发射机本振共纤传输方案,实现 . kbit/s和 . kbit/s 密钥成码率,为CV-QKD现网实验 新成果,并在青岛开展现网示范应用。
去年,清华大学物理系基于首创 QSDC理论和实验方案,实现了原理实验样机研制,如下图所示,并完成实验室光纤环境中基于QSDC 信息直接传输演示实验。实验室环境 零公里光纤信道传输文件 信息传输平均速率约为 . kbit/s。QSDC 技术结合了QKD和QT 部分技术思想,以及信道安全容量分析等信息论技术,能够基于量子物理学和信息论同步实现经典信道安全状态监测和信息加密传输。目前实验样机系统 信息传输速率较为有限,需使用低温制冷超导探测器,实用化和工程化水平仍有较大提升空间。
量子信息技术总体发展态势
量子通信领域研究与应用进展
量子计算领域研究与应用进展
量子信息技术发展与应用展望
量子计算专利排名
量子测量领域研究与应用进展
CV-QKD中 高斯调制相干态（GG零 协议应用广泛,系统采用与经典光通信相同 相干激光器和平衡零差探测器,具有集成度与成本方面 优势,量子态信号检测效率可达 零%,便于和现有光通信系统及网络进行融合部署。部分局限是协议后处理算法复杂度高,长距离高损耗信道下 密钥成码率较低,并且协议安全性证明仍有待进 步完善。CV-QKD具有低成本实现城域安全密钥分发 潜力,应用部署难度小,产业链成熟度高,未来可能成为QKD规模应用可行解决方案。
QKD只是量子保密通信系统 个环节,量子保密通信系统整体满足信息论可证明安全性需要QK 次 密加密和安全身份认证 个环节,缺 不可。目前QKD商用系统在现网光纤中 密钥生成速率约为数 kbit/s量级,对于现有信息通信网络中 SD OTN和以太网等高速业务,难以采用 次 密加密,通常与传统对称加密算法（例如AES、SM 和SM 加密算法）相结合,由QKD提供对称加密密钥。在此情况下,由于存在密钥 重复使用,并不满足 次 密 加密体制要求。
QKD商用化系统在网络建设和部署过程中,由于量子态光信号 极低光功率,以及单光子探测器 超高检测灵敏度,所以通常需要独立 暗光纤进行传输,而与产品光通信信号进行共纤混合传输,可能导致光纤内产生 拉曼散射噪声影响单光子检测事件响应 正确率。
QKD技术 信息论可证明安全性是指理论证明层面,对于实际QKD系统而言,由于实际器件（例如光源、探测器和调制器等）无法满足理论证明 假设条件,即可能存在安全性漏洞,所以QKD系统 现实安全性以及漏洞攻击和防御, 直是学术界研究 热点之 。前述 中科大郭光灿院士团队和上海交大金贤敏教授团队 研究报道,都是针对QKD实际系统 安全性漏洞进行攻击和防御改进 学术研究成果。
QKD技术 商用化需要在设备集成度,系统可靠性,解决方案性价比和质量化程度等方面进行提升。通过与PIC和硅光等新型技术进行融合,可以进 步实现QKD设备光学组件 小型化和集成化,同时提升系统 功能性能和可靠性,目前已经成为研究机构和产业链上下游关注 焦点之 。英国Bristol大学已报道了基于InP和SiON等材料 PIC技术方案,可以实现QKD设备量子态信号调制器和解调器 芯片化集成,支持多种编码调制方案,可 定程度提高QKD系统工程化水平,但目前脉冲光源和单光子探测器（SPD）模块仍难以实现集成。我国深圳海思半导体有限企业和山东国讯量子芯科技有限企业等,在QKD调制解调芯片化领域也进行了研究布局。
QKD技术经过近 零年 发展,其中密钥分发 安全性由量子力学 基本原理保证,理论安全性证明也相对完备,QKD技术在提供对称密钥 安全性方面 价值已经获得全世界学术界和产业界 承认和共识,但基于QKD 量子保密通信系统和网络 现实安全性仍然是值得关注和研究 问题。
QKD技术能够保障点到点 光纤或自由空间链路中 密钥分发 安全性。由于量子存储和量子中继技术距离实用化仍有 定距离,长距离 QKD线路和网络需要借助“可信中继节点”技术,进行逐段密钥分发,密钥落地存储和中继。密钥 旦落地存储,就不再具备量子态和由量子力学保证 信息论安全性,QKD线路和网络中 “可信中继节点”需要采用传统信息安全领域 高等级防护和安全管理来保证节点自身 安全性。
QKD系统与光通信系统 共纤混传能力是限制现网部署 个关键性因素,也是未来发展演进 重要研究方向之 。目前,已有中科大,东芝欧研所,国内电信和国内联通等报道了基于 零nm O波段DV-QKD系统与 零nm C波段光通信系统 共纤混传实验和现网测试,但QKD系统 密钥成码率对光纤 损耗敏感,在实际应用部署中并不推荐使用O波段,并且 零nm QKD系统商用化程度较低。
QKD系统 性能指标和实用化水平仍有提升空间。目前由于系统协议,关键器件和后处理算法等方面 限制,商用QKD系统在现网中 单跨段光纤传输距离通常在百公里以内,密钥成码率约为数 kbit/s量级,系统传输能力和密钥成码率有待进 步提高。
▲GoogleSycamore超导量子计算处理器
▲外界物理量与量子体系 作用机制
▲我国QKD领域部分研究机构和设备商
▲欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目
▲美国量子计算研究与应用发展模式
▲量子信息技术发展与应用统计展望
▲量子安全直接通信原理样机实验系统
▲量子测量部分应用领域和技术体系
▲量子测量 基本流程和部分步骤
▲量子测量科研及产业发展情况
▲量子测量领域专利申请和论文发表统计
▲量子计算云平台通用体系架构
▲量子计算研发主体与产业应用生态
▲量子计算领域专利申请及授权情况
▲量子计算领域发明专利申请数量
▲量子计算领域发表论文统计及部分发文机构
▲量子计算领域科技企业和初创企业分布
▲量子通信领域专利申请和专利授权发展统计
▲量子通信领域论文发表统计及部分发文机构
▲高精度时钟同步在通信网络中 应用
方面,量子计算 发展目前还处于多种技术路线探索 样机实验阶段,尽管近年来发展加速,但是距离实现真正具备破解密码体系 大规模可编程通用化量子计算能力仍有很长 距离。
是量子基础设施服务（q-IaaS）,即提供量子计算云服务器、量子模拟器和真实量子处理器等计算及存储类基础资源；
是量子应用软件服务（q-SaaS）,即根据具体市场 应用场景和需求设计量子机器学习算法,提供量子加速版本 AI应用服务,如生物制药、分子化学和交通治理等。目前,量子计算云平台以q-PaaS模式为主,提供量子模拟器、计算工具和开发套件等软件服务。随着量子计算物理平台与云基础设施 深度结合,以及量子处理器功能和性能 不断发展,q-IaaS模式比重将逐步增多。未来,随着量子计算产业进 步发展成熟、生态逐步开启,将有更多 市场和企业尝试通过q-SaaS模式对其业务处理进行赋能。
下面,我们参考IPRdaily 资料统计,对截至今年 月 零日,在全世界公开 量子计算领域发明专利申请数量进行统计排名。入榜前 零零名企业部分来自 个国家和地区,美国占比 %,日本占比 %,国内占比 %。其中来自美国 科技企业IBM以 件专利位列 ,加拿大量子计算企业D-Wave以 零件专利、美国科技企业Google以 件专利分别排名第 位和第 位。
与量子计算和量子通信相比,量子测量和量子计量领域 专利申请和研究论文总量偏少,近年也呈现攀升统计,如下图所示。
是量子计算平台服务（q-PaaS）,即提供量子计算和量子机器学习算法 软件开发平台,包括量子门电路、量子汇编、量子开发套件、量子算法库、量子加速引擎等；
从产业分析来看,量子测量产业企业收入将稳步攀升。根据BCCResearch 统计分析,全世界量子测量企业收入由前年 . 亿美元攀升到去年 . 亿美元,并预测未来 年年复合攀升率将在 %左右。欧美国家,特别是北美地区量子测量产业收入新高,预计将继续主导收入份额。北美地区是量子测量先进技术 领导者和推动者,亚太地区特别是国内,有望为量子测量产业提供巨大 企业。随着国内对车联网、物联网、远程 等新兴技术研究 持续升温,超高精度低成本 传感器、生物探针、导航器件等关键器件 需求量会呈指数攀升,为量子测量产业提供了广阔 企业空间。
以运行Shor算法破译密码为例,要攻破AES加密算法需要数千个量子逻辑比特,转换为量子物理比特可能需要数万个或者更多。现有研究报道中 物理量子比特数量和容错能力与实际需求尚有很大差距,量子逻辑比特仍未实现。通用量子计算机 实用化,业界普遍预计仍需 年以上时间。
以量子计算、量子通信和量子测量为代表 量子信息技术已成为未来国家科技发展 重要领域之 ,世界科技强国都对其高度重视。近年来,欧美国家纷纷启动了 量子科技战略行动计划,大幅增加研发投入,同时开展顶层规划及研究应用布局。
例如美国MIT今年首次报道了在硅芯片上制造了基于金刚石色心 量子传感器,实现对磁场 精密测量,功能包括片上微波 产生和传输,以及来自金刚石量子缺陷 携带信息荧光 片上过滤和检测,器件结构紧凑,功耗较低,在自旋量子位测量和CMOS技术 结合方面迈出关键 步。此外,金刚石色心量子测量还能实现纳米级 空间分辨率。中科大今年首次实现基于金刚石色心 零纳米空间分辨力高精度多功能量子传感。该成果为高空间分辨力非破坏电磁场检测和实用化 量子传感打下了基础,可应用于微纳电磁场及光电子芯片检测,拓宽远场超分辨成像技术应用场景。自旋偶极耦合在密集自旋体系中产生压缩,有望使测量灵敏度接近海森堡极限。
例如,微观世界量子态和宏观世界经典态之间 界限与联系何在；既按照薛定谔方程演化又在测量时坍缩 波函数是物质波还是概率波；微观量子系统和经典测量仪器如何是区分界定等。量子物理学 理论问题仍在激励物理学家不断研究和探索,未来 重大理论突破将进 步促进和推动量子信息技术 研究和应用发展。
信息技术包含信息获取、处理、传递 大部分,与测量、计算和通信 大领域分别对应。精密测量技术作为从物理世界获取信息 部分途径,在信息技术中起着至关重要 作用。精密测量不仅在基础科学研究方面具有重要 学术价值,而且还能服务于国家重大需求,对各领域 科学进步具有推动作用,因此具有重大 研究意义。精密测量 本质是测量系统与待测物理量 相互作用,通过测量系统性质 变化表征待测物理量 大小。经典 测量技术 精度往往受限于衍射极限、散粒噪声和海森堡极限等因素,测量精度提升面临困难。
其中 部分难点是量子密钥 旦生成之后,就不再具有由量子物理特性保证 安全性,所以密钥本身不能再通过通信网络进行 次传输。通过使用QKD网络作为密钥分发基础设施,在不同QKD网络节点 安全管理域内,使用密钥充注设备可以为符合 定安全性等级要求 移动存储介质,例如SD卡等,进行密钥充注。
初创企业是量子计算技术产业发展 另 部分推动力量。初创企业大多脱胎于科研机构或科技企业,近年来,来自政府、产业巨头和投资机构 创业资本大幅增加,初创企业快速发展。目前,全世界有超过百余家初创企业,涵盖软硬件、基础配套及上层应用各环节,如下图所示,企业集聚度以北美和欧洲（含英国）新高。
利用自旋量子位进行精密测量是量子测量领域中 个相对较新 领域。量子体系 自旋态地与磁场强度相关,磁场变化会导致自旋量子位 能级结构变化,从而改变辐射或吸收频谱,通过对谱线 精密测量就可以完成磁场测量。另外,自旋量子位 能级结构还与温度、应力有关,利用类似原理实现温度、应力 精密测量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁场,当自旋量子位发生旋转或者与磁场发生相对位移时,可实现角速度和加速度 精密测量。基于自旋量子位 测量体系 优点在于高灵敏度和高频谱分辨率,自旋量子位 操控和读取对环境要求较低,便于应用。其空间分辨率远小于光学成像 衍射极限,有望用于对微纳芯片和生物组织 检测与成像。
利用量子纠缠这种非定域性可以实现距离 精确测量, 对纠缠光子包含信号光子和闲置光子,将信号光子发往距离未知 待测位置,闲置光子发送到位置固定 光电探测器,分别记录光子 量子态和到达时间,并通过经典信道进行信息交互,通过联合测量两地到达时间可以计算出距离。如果采用 组基点对统 位置进行测量,就可以在 维空间中唯 确定待测点 位置,基于此原理即可实现量子卫星定位系统（QPS）用于高精度量子定位导航。如果距离是已知参数,根据此原理还可用于测量两地 时钟差,进而实现两地 高精度时钟同步,此原理被应用在量子时间同步协议中。类似于量子通信 原理,如果测量过程中存在窃听者,纠缠态会遭到破坏,测量资料统计将不再关联,从而达到防窃听 目 ,也提高了系统 安全性。
去年我们曾做过 期关于全世界 零家量子计算巨头 研究报告, 当天我们来给大家分享下量子计算、量子通信和量子测量 大量子信息技术 发展现状、我国量子技术面临 机遇与挑战,以及全世界量子计算专利排名情况。
另 方面,信息安全市场也在为应对量子计算可能带来 安全性威胁进行积极准备,目前以美国国家质量和技术研究院（NIST）主导 抗量子计算破解 新型加密体系和算法 全世界征集和评比已经完成 轮筛选,计划在 零 年左右完成 轮公开评选,并推出新型加密体制质量,我国上海交大、复旦大学和中科院等企业提交 新型加密方案也参与其中。未来,抗量子计算破解 安全加密体制存在量子保密通信和后量子安全加密 技术路线竞赛,加快提升QKD系统成熟度、实用化水平和性价比,是抢占先机 关键。
同时在支持量子信息技术发展和应用 产业基础,例如材料样品、制冷设备、操控系统等方面仍有 些短板,未来可能成为制约工程化实现和实用化推广 关键瓶颈。在人才引进、培养和选拔机制方面 管理和评价机制缺乏灵活性和多样性,在与量子信息技术配套 工程、工艺、软件、测评和质量化等方向 专业化人力资源 支撑能力较弱。
同时,QKD设备系统 工程化水平也有 定提升空间,例如偏振调制型设备在抗光纤线路扰动方面存在技术难点；单光子探测器需要低温制冷,对机房环境温度变化较为敏感；QKD系统和网络 管理和运维等方面尚未完全成熟。此外,量子保密通信系统和网络需要密钥管理设备和加密通信设备进行联合组网,密钥管理设备属于信息安全领域,加密通信设备属于信息通信领域,目前量子保密通信业界与信息通信市场和信息安全市场 合作与融合还比较有限,设备产品 工程化和质量化水平需进 步提升和演进。
商用QKD系统通常采用 零nm C波段作为量子态光信号波长,与 零nm O波段光通信设备 共纤混传,也在部分运营商进行了相关测试。在限制光通信信号功率至接收机灵敏度范围 条件下,可以支持QKD在约 零公里 城域范围内共纤传输和融合部署,并且密钥成码率与独占光纤传输条件仍基本保持相同量级。未来,在含有光放大器 商用光通信系统中,进行QKD系统 融合组网和共纤传输,仍然是重要研究方向,在共纤传输方面,CV-QKD采用本振光相干探测和平衡接收,对于拉曼散射噪声具有较强 容忍度,相比DV-QKD具有 定原理性优势。
全世界质量化组织和全世界电工委员会 联合技术委员会（ISO/IECJTC 成立了有我国老师参与 量子计算研究组（SG 和咨询组（AG）,发布量子计算研究报告和技术统计报告,同时在信息安全分技术委员会（SC 立项由我国老师牵头 QKD安全需求与测评技术质量项目。全世界电气和电子工程师协会（IEEE）启动了量子技术术语定义、量子计算性能指标和软件定义量子通信协议等 个研究项目。全世界互联网工程任务组（IETF）成立量子互联网研究组（QIRG）开展量子互联网路由、资源分配、连接建立、互操作和安全性等方面 初步研究。
全世界质量化组织纷纷成立量子信息技术相关研究组和质量项目并开展工作,前年以来相关布局与研究工作明显提速。欧洲多国在完成QKD现网实验之后,欧洲电信质量化协会（ETSI）成立ISG-QKD质量组,已发布包括术语定义、系统器件、应用接口、安全证明、部署参数等 项技术规范,另有 项在研。
全世界电信联盟电信质量化部门（ITU-T）对量子信息技术发展演进及其未来对信息通信网络与产业 影响保持高度关注。未来网络研究组（SG 已开展QKD网络 基本框架、功能架构、密钥管理和软件定义控制等方面研究项目,网络安全研究组（SG 则在QKD网络安全要求、密钥管理安全要求、可信节点安全要求、加密功能要求等方面开展研究,我国部门成员和学术成员担任部分质量编辑人并做出重要技术贡献。
在产业链发展方面,近年来我国又新增了 批由科研机构转化或海外归国人才创立 QKD设备供应商,狗粮快讯网网讯,并且在技术路线上呈现多元化发展态势,QKD技术研究机构和设备供应商情况如上图所示。CV-QKD技术在北大、北邮、上海交大和山西大学等高校和研究机构中取得大量研究成果。上海循态量子、北京启科量子、北京中创为量子和广东国腾量子等企业加入QKD设备供应商行列,同时传统通信设备市场中 华为和烽火等设备供应商,也开始关注基于CV-QKD等技术 商用化设备,并与传统通信设备和系统进行整合,探索为信息网络中 加密通信和安全增值服务提供解决方案。
在达到通用量子计算所需 量子比特数量、量子容错能力和工程化条件等要求之前,专用量子计算机或量子模拟器将成为量子计算发展 下 个重要目标。结合量子计算和量子模拟应用算法等方面研究,在量子体系模拟、分子结构解析、大资料统计集优化和机器学习算法加速等领域开发能够发挥量子计算处理能力优势 “ 手级应用”,将为量子计算技术打开实用化之门。
在量子保密通信试点应用和网络建设发展 同时,量子保密通信系统和网络 现实安全性也是学术界、产业界和社会舆论关注 问题之 。近来,中科大郭光灿院士团队和上海交大金贤敏教授团队发表 关于QKD系统现实安全性 研究论文,进 步引发了关于量子保密通信系统和网络现实安全性 讨论。
在量子测量领域,原子钟、核磁共振陀螺和单光子探测等基于已有技术平滑升级演进 量子测量方向发展更加成熟,实用化水平更高。而基于量子相干性检测和量子纠缠探测 新技术方向在技术成熟度、设备集成化和工程化水平等方面仍有较大提升空间。未来量子测量在国防和航天等领域 应用有可能率先取得突破。
在量子计算、量子通信等领域,量子系统 量子状态极易收到外界环境 影响而发生改变,严重 制约着量子系统 稳定性和健壮性。量子测量恰恰利用量子体系 这 “缺点”,使量子体系与待测物理量相互作用,从而引发量子态 改变来对物理量进行测量。对于量子测量 定义, 直存在着争议和疑问。根据国内外量子信息技术领域技术分类和业界调研反馈,广义量子测量可以涵盖利用量子特性来获得比经典测量系统更高 分辨率或灵敏度 测量技术。量子测量技术应具有两大基本特征， 是操控观测对象是微观粒子系统, 是与待测物理量相互作用导致量子态变化,而具备以上两点特征 测量技术可以纳入量子测量 范畴。
在量子计算研究和应用发展 同时,其产业基础配套也在不断完善。去年英特尔与Bluefors和Afore合作推出量子低温晶圆探针测试工具,加速硅量子比特测试过程。本源量子创立本源量子计算产业联盟,去年携手中船鹏力共建量子计算低温平台。
在量子计算领域,基于多种技术路线 物理平台探索和量子物理比特数量提升持续取得进展,“量子优越性”得到首次验证。但可扩展量子计算 物理平台实现方案仍未明确,可容错量子逻辑比特仍未实现,量子计算解决实际计算困难问题 算力优势尚未充分验证,量子计算 适用范围和能力边界仍需进 步探索。未来 年内可能在专用处理器和某些应用领域取得 定突破,但实现通用化可编程量子计算仍是长期而艰巨 任务。
在量子计算领域,美国近年来持续大力投入,已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同 良好局面,如下图所示,并建立了在技术研究、样机研制和应用探索等方面 全面领先优势。
在量子通信领域,对于已经进入实用化 量子密钥分发和量子保密通信,依托现有试点项目和网络建设,组织开展质量制定、测评认证、产业发展政策等应用研究,进 步促进商用化推广和产业发展成熟。在量子测量领域,加强科研项目布局中 工程化和实用化指标考核,推动研究成果落地转化,以及研究机构和市场应用部门 沟通来往合作。此外,量子信息技术研究和应用涉及诸多工业基础配套和工程研究环节,加强在材料工艺、核心器件和测控系统等问题瓶颈 攻关突破,对于应用和产业 可持续发展具有重大意义。
在量子通信领域,还有量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication,简称QSDC）技术方向也值得关注。QSDC系统中信息接收端为Bob,信息发射端为Alice。Bob端脉冲光源经过衰减器和随机信号控制相位调制后,输出单光子量子态信号,在Alice端随机抽样检测 部分量子态信号,对剩余 量子态信号用两种不同幺正变换编码,发送经典信息,并通过原信道以时分复用方式反向回传到Bob端,Bob端根据接收到 单光子量子态与初始制备态 差异性检测,解调出Alice 编码信息。
在量子通信领域,进入实用化阶段 量子密钥分发部分面向信息安全领域应用,其应用范围和影响力相对有限,同时面临后量子安全加密技术 竞赛,商业化应用和产业发展仍需进 步探索。量子隐形传态和量子存储中继技术是实现未来量子信息传输和组网 重要方向,未来仍处于理论研究和实验探索阶段,实用化前景不明朗。
基于QKD 量子保密通信在全世界范围内进 步开展了试点应用和网络建设,欧盟“量子旗舰计划”项目支持西班牙和法国等地运营商,开展QKD实验网络建设,与科研项目结合进行商业化应用探索。韩国SKT等运营商通过收购瑞士IDQ股权等方式,也开始介入QKD技术领域,并承建了韩国首尔地区 QKD实验网络。
基于QKD 量子保密通信目前部分用于点到点 密钥共享和基于VPN和路由器等有线网络 信息传输加密。探索将QKD与无线通信加密应用场景结合,对于扩展量子保密通信 应用场景,开拓商业化应用企业,以及推动产业化发展具有重要价值。
外界物理量和量子系统 相互作用可分为横向作用和纵向作用,其中 横向作用会诱导能级间 跃迁,从而增加其跃迁率；纵向作用通常导致能级 平移,从而改变其跃迁频率。通过测量跃迁率和跃迁频率 变化实现物理量 探测,如下图所示。
密钥存储介质再与具备身份认证和加密通信功能 无线终端进行融合,可以实现使用量子密钥对无线终端与加密服务器之间 身份认证和会话密钥协商过程 加密保护,从而为无线通信领域 加密应用提供 定程度 量子加密服务。目前该解决方案已有初步商用化设备,并开始探索在政务和专网等高安全性需求领域 无线加密通信应用,未来可能成为扩展量子保密通信商业化应用 个重要方向。
尽管量子计算目前仍处于产业发展 初期阶段,但军工、气象、金融、石油化工、材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别和咨询等众多市场已注意到其巨大 发展潜力,开始与科技企业合作探索潜在用途,生态链不断壮大,如下图所示。
当前阶段,量子计算 部分应用目标是解决大规模资料统计优化处理和特定计算困难问题（NP）。机器学习在过去 几年里不断发展,对计算能力提出巨大需求,结合了量子计算高并行性 新型机器学习算法可实现对传统算法 加速优化,是目前 研究热点。量子机器学习算法部分包括异质学习（HHL）算法、量子主成分分析（qPCA）、量子支持向量机（qSVM）和量子深度学习等。目前,量子机器学习算法在计算加速效果方面取得 定进展,理论上已证明量子算法对部分经典计算问题具有提速效果,但处理器物理实现能力有限,算法大多只通过模拟验证,并未在真实系统中进行迭代,仍处发展初期。
德国HQS开发 算法可以在量子计算机和经典计算机上有效地模拟化学过程。摩根大通、巴克莱希望通过蒙特卡洛模拟加速来优化投资组合,以提高量化贸易和基金管理策略 调整能力,优化资产定价及风险对冲。量子计算应用探索正持续深入,未来 - 年有望基于量子模拟和嘈杂中型量子计算（NISQ）原型机在生物 、分子模拟、大资料统计集优化、量化投资等领域率先实现应用。
我国中科大、北邮、清华、中科院、上交等院校 科研论文数量排名前列。相比之下,量子隐形传态（QT） 论文数量在 零零 年之前 直高于QKD,但近年来论文数量保平稳稳并呈下降统计,与其关键技术瓶颈仍未取得突破有 定关系。除欧、美、日科研机构外,我国 中科大、中科院、电子科大和清华 论文发表数量也名列前茅。
我国在重大项目组织协调方面具备集中力量办大事 体制优势,同时快速发展 经济水平,较为完备 工业体系和体量庞大 统 企业也能够为量子信息领域新兴技术 应用和产业发展提供广阔空间和有力支撑。量子信息技术发展演进存在技术路径、应用探索和产业模式不确定性,学术界开启探索和研究合作仍是主流,产业界尚未形成技术壁垒和寡头垄断。我国具备在量子信息技术领域聚力加快发展,力争与全世界先进水平实现并跑或领跑 时间窗口和宝贵机遇。
我国在量子保密通信网络建设和试点应用方面具备较好 研究基础和实践积累,相关质量化研究工作也逐步开展。 零 年,国内通信质量化协会（CCSA）成立量子通信与信息技术特设任务组（ST ,开展量子通信和网络以及量子信息技术关键器件 质量研究,目前已完成 项研究报告,并开展量子保密通信术语定义和应用场景,QKD系统技术要求、测试技术和应用接口等国家质量和市场质量 制定。QKD技术还涉及密码 产生、管理和使用,国内密码市场质量化技术委员会（CSTC）也开展了QKD技术规范和测评体系等密码市场质量 研究。去年 月,量子计算与测量质量化技术委员会（TC 正式成立,计划开展量子计算和量子测量领域 质量化研究工作。
我国在量子信息技术领域 研究和应用虽然起步稍晚,但与全世界先进水平没有明显代差,在量子计算、量子通信和量子测量 大技术领域均有相关研究团队和工作布局。近年来,在科研经费投入,研究人员和论文发表数量,研究成果水平,专利申请布局,应用探索和创业企业等方面具备较好 实践基础和发展条件。我国已经成为全世界量子信息技术研究和应用 重要推动者,与美国和欧洲共同成为推动量子信息技术发展和演进 重要力量。
我国量子保密通信 网络建设和示范应用发展较为迅速,近年来中科大潘建伟院士团队及其产业企业开展了“京沪干线”和国家广域量子保密通信骨干网络建设 期工程等QKD网络建设项目。国内科大郭光灿院士团队联合相关企业建设了从合肥到芜湖 “合巢芜城际量子密码通信网络”,以及从南京到苏州总长近 零零公里 “宁苏量子干线”；华南师大刘颂豪院士团队和清华大学龙桂鲁教授团队联合启动建设覆盖粤港澳大湾区 “广佛肇量子安全通信网络”。我国 QKD网络建设和示范应用项目 数量和规模已处于世界领先。
我国量子信息技术发展和应用探索也存在 些问题瓶颈和挑战。量子信息领域研究发展和应用探索 顶层设计和规划布局尚未形成有机整体,对重点研究领域 规划指导和投入支持力度不足。学术界普遍存在论文导向 科研模式,与产业界融合进行应用探索和产业推动 合作来往有限,科技企业参与度和初创企业活跃度较低,科研合作与应用转化机制待探索。
我国量子计算云平台起步较晚,目前发展态势良好,与全世界先进水平相比在量子处理器、量子计算软件方面 差距逐步缩小。中科大与阿里云共同推出 位超导量子计算云接入服务。华为发布HiQ量子计算模拟云服务平台,可模拟全振幅 位量子比特,单振幅 位量子比特,并开发兼容ProjectQ 量子编程框架。本源量子推出 量子计算云平台可提供 位量子比特模拟器和基于半导体及超导 真实量子处理器,提供Qrunes编程指令集,QpandaSDK开发套件,推出移动端与桌面端应用程序,兼具科普、教学和编程等功能,为我国量子计算 研究和应用推广提供了有益探索。
我国阿里巴巴、腾讯、 和华为近年来通过与科研机构合作或聘请具有全世界知名度 科学家成立量子实验室,在量子计算云平台、量子软件及应用开发等领域进行布局。阿里与中科大联合发布量子计算云平台并在前年推出量子模拟器“太章”。腾讯在量子A 药物研发和科学计算平台等应用领域展开研发。 在前年成立量子计算研究所,开展量子计算软件和信息技术应用等业务研究。华为在前年发布HiQ量子云平台,并在去年推出昆仑量子计算模拟 体原型机。我国科技企业进入量子计算领域相对较晚,在样机研制及应用推动方面与美国存在较大差距。
我国面临 信息安全形势错综复杂,在政务、金融、外交、国防和关键基础设施等领域,提高信息安全保障能力 需求较为紧迫,对量子保密通信技术带来 长期信息安全保障能力有客观需求和应用前景。同时,量子保密通信技术 产业应用和企业化推广,也需要其自身技术成熟度、设备工程化、现实安全性和可靠性水平 不断提升,以满足规模化应用部署和运维管理等方面 条件和要求。
截至去年 零月公开 相关专利近千件,并且攀升统计强劲,从专利申请地域来看,美、中、日 专利申请量较多。论文方面,与量子计量（Quantummetrology）相关 论文数量持续上升,美国加州理工学院、德国苏黎世联邦理工学院以及澳大利亚 高校和科研机构发表了较多 论文。我国 中科大、中科院和北航等企业在量子精密测量领域持续开展科研攻关,开始步入量子测量和量子计量研究论文发表数量 全世界前沿行列。
按照对量子特性 应用,量子测量分 个层次, 层次是基于微观粒子能级测量；第 层次是基于量子相干性（波状空间时间叠加态）测量；第 层次是基于量子纠缠进行测量,突破经典 理论极限。其中,前两个层次虽然没有充分利用量子叠加和纠缠等独特性质,但是目前技术较成熟,涉及面宽,涵盖了大部分量子测量场景,部分领域已经实现产品化。
日内瓦大学报道了采用极低暗记数 超导纳米线单光子探测器 QKD传输实验,创造了 公里 单跨段光纤传输新远距离,对应密钥成码率零. bit/s,在 零公里光纤传输距离对应密钥成码率为 kbit/s。东芝欧研所也报道基于T 改进型QKD协议和LDPC纠错编码 QKD系统实验,在 零公里光纤信道连续运行 天,平均密钥成码率达到 . Mbps。QKD实验研究进 步提升系统性能和传输能力,为应用推广奠定基础。
未来可能在实现特定计算问题求解 专用量子计算处理器,用于分子结构和量子体系模拟 量子模拟机,以及用于机器学习和大资料统计集优化等应用 量子计算新算法等方面率先取得突破。
本期 智能内参,我们推荐国内信通院 研究报告《量子信息技术发展与应用研究报告》和IPRdaily中文网 文章《全世界量子计算技术发明专利排行榜》,深入分析量子信息技术 大领域 关键技术、热点问题、发展现状、演进统计,阐述我国面临 机遇与挑战,以及未来发展态势。
欧盟 零 年推出为期 年,总投资额超过 零亿欧元 “量子宣言”旗舰计划,并于前年 零月启动首批 个科研类项目,如上图所示。去年 月欧盟 零国签署量子通信基础设施（QCI）声明,探讨未来 年在欧洲范围内将量子技术和系统整合到传统通信基础设施之中,以保护智能能源网络、空中交通管制、银行和 保健设施等加密通信系统免受网络安全威胁。
此外,我国还推动在ITU-T成立面向网络 量子信息技术研究焦点组（FG-QIT N）,全面开展量子信息技术质量化研究工作。去年 月,在上海成功举办了首届ITU量子信息技术全世界研讨会,广泛邀请全世界研究机构和科技企业 老师学者,对量子计算、量子通信、量子测量、量子信息网络（QIN）等议题开展来往和讨论。去年 月,FG-QIT N在电信质量化顾问组（TSAG）全会期间正式成立,由中俄美老师共同担任主席,计划在焦点组研究期内,对QKD网络和QIN等相关议题开展质量化预研,为ITU-T下 个研究期 量子信息技术质量研究工作奠定基础并提出建议。
现阶段 量子物理学理论虽然能够对量子叠加、量子纠缠、量子遂穿等微观粒子系统 独特实验现象和观测结果进行严谨描述和精确预测,即回答了“是如何” 问题,但是距离理想和完备 刻画和解释微观物质世界 运行规律,即回答“为如何” 问题,仍有令人困惑之处。
由于还没有电子系统能够直接并准确地记录原子及离子 e 次/秒 光学振动,需要 种有效连接光频与射频 频率链。光学频率梳为超高精度同步实现提供了新 技术手段,可将光频率 稳定性和精度“传递”到微波频率,使得微波原子钟具有与光钟相同 输出特性,提高时钟输出精度。光学频率梳也是量子时钟源 个重要研究方向。高精度与小型化是量子时钟源两大发展统计,高精度量子时钟源可用于协调世界时（UTC）产生,小型化芯片级量子时钟源可用作星载钟,在卫星导航和定位等领域发挥重要作用。
目前量子时钟源、量子磁力计、量子雷达、量子重力仪、量子陀螺、量子加速度计等领域均有样机产品报道,可应用于军事、航天航空、 、能源、通信等领域,国内 研究多集中于高校和科研机构,从科研成果来看,部分领域与欧美国家仍有 定差距,总体稳步推进。但是,与欧美国家相比,国内研究机构和市场企业之间 合作来往 分有限,缺乏沟通合作 平台与机制,成果转化和知识产权开发较为困难。目前国内已经产业化 领域多集中在量子时钟源领域,少数企业致力于量子目标识别,量子态操控与读取等领域 研发。
目前针对“可信中继节点” 安全性防护要求、质量化研究工作正在逐步开展,测评工作有待加强。未来进 步加强可信中继节点技术要求、安全性分析和测评技术等质量 研究与实施,将是保障量子保密通信网络建设和应用 现实安全性 重要措施之 。通过明确可信中继节点 安全防护要求和实施方案并通过相关测评验证,结合符合相应等级要求 密钥中继管理方案,可以实现符合安全性等级保护要求 QKD组网和应用。
目前,基于量子纠缠 量子测量多处于理论研究阶段,原理样机 报道较少。部分原因在于高质量性能稳定 纠缠源制备目前尚未实现突破,另外高性能单光子探测技术瓶颈也制约其发展,单光子探测器 灵敏度、暗计数、时间抖动等性能参数直接决定了量子测量 精度,有待进 步改进和提升。
目前,基于量子退火和产品资料统计处理算法 专用量子计算机,已经展开系列应用探索。Google联合多家研究机构将量子退火技术应用于图像处理、蛋白质折叠、交通流量优化、空中交通管制、海啸疏散等领域。JSR和 星尝试使用量子计算研发新材料特性。埃森哲、Biogen和 Qbit联合开发量子化分子比较应用,改善分子设计加速药物研究。
目前,量子处理器 物理比特实现仍是量子计算研究 核心瓶颈,部分包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种方案,研究取得 定进展,但仍未实现技术路线收敛。
目前,量子计算物理平台中 超导和离子阱路线相对领先,但尚无任何 种路线能够完全满足量子计算技术实用化 DiVincenzo条件,包括， 可定义量子比特, 量子比特有足够 相干时间, 量子比特可以初始化, 可以实现通用 量子门集合, 量子比特可以被读出。为充分利用每种技术 优势,未来 量子计算机也可能是多种路线并存 混合体系。
离子阱路线方面,IonQ已实现 位处理量子比特和 零位存储量子比特。光量子路线方面,中科大已实现 位光量子纠缠操控,处于全世界领先地位。硅量子点路线方面,新南威尔士大学报道了保真度为 . % 单比特逻辑门和保真度为 % 双比特逻辑门,中科大也实现了高保真 单比特逻辑门。此外,我国本源量子研发了适用于 零位量子比特 量子测控 体机,用于提供量子处理器芯片运行所需要 关键信号,实现量子芯片操控。
科技巨头间 激烈竞赛,推动量子计算技术加速发展。Google、IB 英特尔、微软在量子计算领域布局多年,霍尼韦尔随后加入,产业巨头基于雄厚 资金投入、工程实现和软件控制能力积极开发原型产品、展开激烈竞赛,对量子计算成果转化和加速发展助力明显。Google在前年实现 位超导量子比特,狗粮快讯网持续关注及报道,在去年证明量子计算优越性。IBM在去年 月展示具有 零位量子比特 超导量子计算机,并在 月将量子比特数量更新为 位。微软在去年推出量子计算云服务AzureQuantum,可以与多种类型 硬件配合使用。霍尼韦尔 离子阱量子比特装置已进入测试阶段。
层次从 零世纪 零年代就逐步在原子钟等领域开始应用。近些年随着量子态操控技术研究 不断深入,基于自旋量子位 测量系统开始成为研究热点,通过外部物理量改变能级结构,通过探测吸收或发射频谱对外部物理量进行测量。
第 层次部分利用量子系统 物质波特性,通过干涉法进行外部物理量 测量,广泛应用于量子陀螺仪、量子重力仪等领域,技术相对成熟,精度较高,但是系统体积通常较大,短期内较难实现集成化。第 个层次条件新为严苛,同时也新接近量子 本质。基于量子纠缠 量子测量技术研究还比较少,部分集中在量子目标识别、量子时间同步和量子卫星导航领域。受制于量子纠缠态 制备和测量等关键技术瓶颈,目前部分在实验室研究阶段,距离实用化较远。
美国前年 月通过《国家量子行动计划（NQI）》立法,计划在未来 年增加量子信息科学领域投资 . 亿美元,以确保美国在量子技术时代 科技领导力,以及经济安全、信息安全和国家安全。同期发布 《量子信息科学国家战略概述》,规划推动量子计算超大规模资料统计集优化处理,量子模拟新材料设计和分子功能研究,基于量子隐形传态 安全通信以及量子传感与精密测量等领域 研究,同时设立 ~ 个量子创新实验室（QILabs）,建立全美量子科研网络（QRNet）,推动量子计算接入计划（QCAP）。
美国和日本在量子通信领域 早期专利申请量较多,但近年来,专利申请地域向国内转移。比较专利申请和专利授权来看,由于早期国内专利申请量较少,所以目前看国内授权专利数量少于美国,但是随着我国在量子通信基础研究和应用探索 不断深入,以及量子保密通信产业 发展,预计未来专利授权量还将继续上升,而且也将吸引更多 外国企业来华布局专利。
美国量子计算云平台布局较早,发展迅速。IBM已推出 零位量子比特 量子云服务,提供QiKit量子程序开发套件,建立了较为完善 开源社区。Google开发了Cirq量子开源框架和OpenFermion-Cirq量子计算应用案例,可搭建量子变分算法（VariationalAlgorithms）,模拟分子或者复杂材料 相关特性。Rigetti推出 量子计算云平台以混合量子+经典 技术开发量子计算运行环境,使用 位量子比特超导芯片进行无监督机器学习训练及推理演示,提供支持多种操作系统 ForestSDK量子软件开发环境。
自上世纪 零年代开始,各科技强国开始在量子技术领域加大投入,量子计算专利申请开始出现。近年来,量子计算领域 专利申请和授权发展态势情况如图 所示,过往之前全世界量子计算领域专利申请数量整体保平稳稳,专利申请部分来自美国和日本。
英、欧、日、澳等国紧密跟随,领先国家之间通过联合攻关和成果共享,正在形成并不断强化联盟优势。我国近年来取得系列研究成果,但与美国相比仍有 定差距。此外,印度、韩国、俄罗斯、以色列等国也开始将量子计算技术列入国家技术计划加大投入。
英国之前年正式启动“国家量子技术计划”,投资 . 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算 大研发中心,开展学术与应用研究。前年 月进行了第 阶段 . 亿英镑投资拨款。德国在前年 月提出“量子技术——从基础到企业”框架计划,拟于 零 年前投资 . 亿欧元促进量子技术发展与应用,并可延长资助至 零 年。
超导路线方面,狗粮快讯网网民提供,Google在前年推出 位量子比特处理器,Rigetti正在构建更强大 量子比特处理器。我国中科大在去年已实现 位超导量子比特处理器,并进行多体量子系统模拟；同时,清华大学利用单量子比特实现了精度为 . % 量子生成对抗网络,未来可应用于图像生成等领域。量子比特间 纠缠或连接程度是影响量子计算处理能力 重要因素之 ,目前报道 处理器结构设计和量子比特纠缠程度不尽统 ,大部分并未实现全局纠缠。
近 零年来全世界量子计算领域研究论文发表统计和部分发文机构统计如下图所示,随着量子计算从理论走向物理实现,全世界论文发表量也保持攀升态势,特别是在 零 - 年研究论文数量激增。从发表论文研究机构来看,近 年来排名前 零 机构中,国内占据 席,分别是国内科学院、国内科学技术大学和清华大学。其中,国内科学院 发文量持续快速上升,过去 年 新增论文数量仅次于美国MIT和荷兰TUDelft。美国量子计算研究重要机构多达 零个,除了高校外,IB Microsoft和Google等科技巨头也有较多研究成果发表。此外,德国ETHZurich、MaxPlanckSociety、加拿大Waterloo大学、蒙特利尔大学、日本东京大学也是重要 创新主体。
近年来量子技术 发展,使得对微观对象量子态 操纵和控制日趋成熟,量子测量技术也应运而生。利用量子相干、量子纠缠、量子统计等特性可以突破经典力学框架下 测量极限,从而实现更高精度 测量。基于微观粒子系统和量子力学特性实现对物理量进行高精度 测量称为量子测量。在量子测量中,电磁场、重力、加速度、角速度等外界环境直接与原子、离子、电子、光子等量子体系发生相互作用并改变它们 量子状态,新终通过对这些变化后 量子态进行检测实现外界环境 高灵敏度测量。而利用当前成熟 量子态操控技术,可以进 步提高测量 灵敏度。
近年来,QKD 实验研究不断突破传输距离和密钥成码率 记录。前年,东芝欧研所报道了新型相位随机化双光场编码和传输实验,实现 零公里超低损耗光纤传输距离记录,其中 双光场中心测量节点可以作为量子中继 种替代方案。中科大和奥地利科学院联合报道了基于“墨子号”卫星实现 零零公里距离 洲际QKD和量子保密通信,在可用时间窗口内,基于卫星中继 密钥传输平均速率~ kbps,在两地QKD密钥累积 定数量之后,可以用于进行图片和视频会议等应用 加密传输。
近年来,QT研究在空、天、地等平台积极开展实验探索。 零 年,中科大基于“墨子号”量子科学实验卫星,实现星地之间QT传输,低轨卫星与地面站采用上行链路实现量子态信息传输,新远传输距离达到 零零公里,成为目前QT自由空间传输距离 新远记录。
近年来,全世界范围内量子信息技术领域 样机研究、试点应用和产业化迅速发展,随着量子计算、量子通信和量子测量等领域新兴应用 演进,在术语定义、性能评价、系统模块、接口协议、网络架构和管理运维等方面 质量化需求也开始逐渐出现。
通过在经典通信中加入量子密钥分发和信息加密传输,可以提升网络信息安全保障能力。量子隐形传态在经典通信辅助之下,可以实现任意未知量子态信息 传输。量子隐形传态与量子计算融合形成量子信息网络,是未来量子信息技术 重要发展方向之 。
量子优越性（QuantumSupremacy,也译作“量子霸权”） 概念由MIT JohnPreskill教授首先提出,指量子计算在解决特定计算困难问题时,相比于经典计算机可实现指数量级 运算处理加速,从而体现量子计算原理性优势。其中,特定计算困难问题是指该问题 计算处理,能够充分适配量子计算基于量子比特 叠加特性和量子比特间 纠缠演化特性而提供 并行处理能力,从而发挥出量子计算技术相比于传统计算技术在解决该问题时 显著算力优势。
量子保密通信技术 应用发展还面临加密体制 技术路线竞赛。量子保密通信 应用背景部分是面向未来量子计算对于现有公钥加密体系 计算破解威胁。
量子保密通信 商业化应用和企业开拓仍需进 步探索。量子保密通信是对现有 保密通信技术中 对称加密体系 种安全性提升,能够解决密钥分发过程 安全性问题,提升对称加密通信 安全性水平,但是并不能完全解决信息网络中面临 所有安全性问题。量子保密通信部分适用于具有长期性和高安全性需求 保密通信应用场景,例如政务和金融专网,以及电力等关键基础设施网络等,企业容量和产业规模相对有限,目前部分依靠国家和地方政府 支持和投入。量子保密通信技术 商业化应用推广和企业化发展仍然面临技术成熟度、设备可靠性和投入产出性价比等方面 考验,需要产学研用各方共同努力,从设备升级、产业链建设、质量完善和商用化探索等多方面共同推动。
量子信息 大技术领域在研究发展水平,技术实用化程度,产品工程化能力和产业化应用前景等方面各有差异,如下图所示。量子信息技术 研究和应用仍面临 些共性关键技术和核心问题瓶颈需要进 步攻关突破。例如,量子通信中 高品质量子态光源,高效纠缠制备分发及探测,高性能单光子探测,以及量子态存储与中继技术等；量子计算中 高维纠缠态制备与操控,高品质样品材料制备,超低温和磁场隔离环境,高精度操控测量系统等；量子测量中 高精度操控系统和集成化隔离屏蔽环境等。上述基础共性关键问题研究 攻关和突破,是量子信息技术进入实用化和产业化部分控制性因素。
量子信息技术部分包括量子计算、量子通信和量子测量 大领域,可以在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面突破经典技术 瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级 关注焦点之 ,在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域,将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。
量子信息技术 发展和应用具有重要性和长期性,在国家层面制定量子信息领域整体发展战略,推出总体发展规划,加快论证实施相关科技项目,协同推进国家实验室建设,可以有效引导和推动研究和应用发展。在量子计算领域,建立研究机构与产品科研院所,以及信息通信、化工制药、人工智能等领域产业界 合作平台与机制,依托实际需求进行计算困难问题在量子计算处理器和云平台 建模解析、算法映射和协同研发,是促进量子计算实用化研究 有效途径。
量子信息技术 研究和应用发展植根于量子物理学 基础研究和理论探索。通过认识和利用微观粒子系统 物理规律引发了 次量子科技革命,诞生了半导体、激光和核能等新技术领域。而直接观测和操控光子、电子和原子等微观粒子系统,并借助量子叠加和纠缠等特性进行信息采集、传输和处理,则是以量子信息技术为代表 第 次量子科技革命 部分特征。
量子信息技术研究和应用探索发端于上世纪 年代,目前总体处于基础科研向应用研究转化 早期阶段,其技术发展演进和应用产业推广既具有长期性,也存在不确定性。总体而言,真正具有改变游戏规则和颠覆性意义 “ 手级应用”尚未出现,各领域新兴技术 商业化应用和产业化发展 路线有待进 步探索。
量子处理器需要在苛刻 环境下进行运算和储存,通过云服务进行量子处理器 接入和量子计算应用推广成为量子计算算法及应用研究 部分形式之 。用户在本地编写量子线路和代码,将待执行 量子程序提交给远程调度服务器,调度服务器安排用户任务按照次序传递给后端量子处理器,量子处理器完成任务后将计算结果返回给调度服务器,调度服务器再将计算结果变成可视化 统计分析发送给用户,完成整个计算过程。近年来,越来越多 量子计算企业和研究机构发布量子计算云平台,以实现对量子处理器资源 充分共享,并提供各种基于量子计算 衍生服务。
量子时钟源利用原子能级跃迁谱线 稳定频率作为参考,通过频率综合和反馈电路来锁定晶体振荡器 频率,从而得到准确而稳定 频率输出。根据跃迁频率范围分类,量子时钟源可分为光钟和微波钟两大类。目前微波钟 不确定度新高可达到~ e- 量级。由于时钟源 稳定性和精度极大程度上取决于参考谱线 线宽Δv与谱线中心频率v 比值Δv/v。光波频率比微波频率高 ~ 个数量级,并且光学频率质量 频率噪声远小于原子钟,与原子微波钟相比,光钟 稳定性、精度和位相噪声都有数量级 改善。
量子时间同步协议与经典同步协议相比,具有同步精度高、安全防窃听、可消除色散等优点,从而受到广泛 关注。根据理论分析,经典同步协议受限于经典测量 散粒噪声极限,而对于量子时间同步协议,其准确度将达到量子力学中 海森堡极限,比经典时间同步极限提高√????倍,其中N为 个脉冲中包含 平均光子数,M为脉冲数。目前经典时间同步技术新高精度可达 零零ps,目前量子时间同步协议原理性实验中,时间同步精度有望进入ps量级。
量子时间同步系统可以把量子时间同步协议与量子保密通讯相结合,开发出具备保密功能 量子时间同步协议,从而有效对付窃密者 偷听行为。通过通道间 频率纠缠特性还可以消除传播路径中介质色散效应对时钟同步精度 不利影响。目前,远距离量子时间同步协议 研究工作尚处于原理探索研究阶段,关于系统实验和应用 报道较少。
量子测量可以分为以下 个基本步骤,如上图所示。其中,量子态初始化是将量子系统初始化到 个稳定 已知基态；初始测量态根据不同 应用及技术原理,通过控制信号将量子系统调制到初始测量状态；与待测物理量相互作用通过待测物理量（重力、磁场等）作用在量子系统上 段时间,使其量子态发生改变；量子态读取通过测量确定量子系统 新终状态（比如测量跃迁光谱、驰豫时间等）；结果转换则将测量结果转化为经典信号输出,获取测量值。
量子测量基于微观粒子系统及其量子态 精密测量,完成被测系统物理量 执行变换和信息输出,在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。部分包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别等方向,广泛应用于基础科研、空间探测、生物 、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。量子物理常数和量子测量技术已经成为定义基本物理量企业和计量基准 重要参考,未来量子测量有望在生物研究、医学检测以及面向航天、国防和商业等应用 新 代定位、导航和授时系统等方面率先获得应用。
量子测量技术涉及军事、民生、科研诸多领域,各国竞相布局。下图为欧美国家和我国量子测量领域科研和产业发展情况。欧美国家量子测量领域多为高校、研究机构、企业、军队、政府多方联合助力,共同推进技术发展和产业推广,实现研究成果落地和产品化。
量子测量方面,中科大、北航、中科院和航天科工等科研机构在量子陀螺、重力仪、磁力计、时间基准等领域开展了大量研究,研究成果和原理样机 关键指标参数与全世界先进水平 差距正在逐步缩小。在量子随机数参考基准和量子时频同步网络等应用探索方面,也开始进行布局和推动。同时,国耀量子雷达和国仪量子等初创企业在单光子光学雷达和NV色心谱分析等领域开展应用探索。
量子测量涵盖电磁场、重力应力、方向旋转、温度压力等物理量,应用范围涉及基础科研、空间探测、材料分析、惯性制导、地质勘测、灾害预防等诸多领域,当前量子测量研究和应用 部分领域及其技术体系如下图所示。通过对不同种类量子系统中独特 量子特性进行控制与检测,可以实现量子惯性导航、量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子时间基准等领域 测量传感,未来发展统计部分
量子测量领域具有巨大 发展潜力和广阔 企业前景,我国量子测量领域某些关键技术研究仍处于跟随阶段,与世界先进水平 指标参数仍有数量级 差距。量子测量在实际应用中,不同 应用场景对性能指标 要求不尽相同,需要完备 指标体系,不是简单地追求某 个性能参数 不断提升。实验室研究应与实际应用、产业发展紧密结合,在追求性能指标提升 基础上,更加关注集成化、实用化和工程化,并掌握自主知识产权。
量子纠缠作为量子光学乃至量子力学新为核心 课题,获得了研究者们 广泛关注。随着EPR佯谬 提出,人们逐步发现并确认了量子态 非定域性。
量子纠缠及压缩态 光子 制备成为制约该领域发展 重要瓶颈,距离实用化仍较远。量子时钟源提供了超高精度 时间和频率基准源,量子时间同步协议提供了 种高精度、安全防窃听 同步信息传输机制, 者结合有望能够满足未来通信网络时间基准需求。
量子纠缠特性还广泛应用于量子目标识别领域。干涉式量子雷达和量子照射雷达都将纠缠光作为光源。干涉式量子雷达使用非经典源（纠缠态或压缩态）照射目标区域,在接收端进行经典 干涉仪原理进行检测,通过利用光源 量子特性,可以使雷达系统 距离分辨能力和角分辨能力突破经典极限。量子照射雷达在发射信号中使用纠缠光源扫描目标区域,在接收处理中进行量子新优联合检测,从而实现目标 高灵敏探测。
量子计算云平台 通用体系架构如上图所示,部分包括计算引擎层、基础开发层、通用开发层、应用组件层和应用服务层。量子计算云平台 服务模式部分分为 种，
量子计算以量子比特为基本单元,利用量子叠加和干涉等原理进行量子并行计算,具有经典计算无法比拟 巨大信息携带和超强并行处理能力,能够在特定计算困难问题上提供指数级加速。量子计算带来 算力飞跃,有可能在未来引发改变游戏规则 计算革命,成为推动科学技术加速发展演进 “触发器”和“催化剂”。
量子计算方面,中科大、清华、浙大和中科院等研究机构也取得多项具有世界水平 研究成果,例如 零光子量子计算 玻色采样实验处于领先,已报道 零比特超导量子计算实验,预计未来 - 年可达到 零比特量级。同时,阿里、 、腾讯和华为等科技企业开始投入量子计算硬件平台、软件算法和应用探索 研究,本源量子等初创企业也开始崭露头角。
量子计算研究始于上世纪 年代,经历了由科研机构主导 基础理论探索和编码算法研究阶段,目前已进入由产业和学术界共同合作 工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环节。其中,量子处理器是制备和操控量子物理比特 平台,量子编码是基于众多物理比特实现可容错逻辑比特 纠错编码,量子算法和软件是将计算困难问题与量子计算并行处理能力结合 映射和桥梁。
量子计算近些年是各国科学研究 热点,其热度甚至不亚于人工智能和 G。前天,高层组织 量子科技研究和应用前景 第 次集体学习彰显了政府对这 新 科学技术 重视。在 大量子信息技术中,我国在量子通信领域已经走到了世界前列,在量子计算和量子测量方面,虽然在 些领域也取得了世界领先,但整体上还和美国等科技强国有些实力差距。但是,随着国家不断 支持与投入,发挥我国集中力量办大事 能力,未来 定会实现量子技术与全世界先进水平并跑或领跑。
量子通信部分分量子隐形传态（QuantumTeleportation,简称QT）和量子密钥分发（QuantumKeyDistribution,简称QKD）两类。QT基于通信双方 光子纠缠对分发（信道建立）、贝尔态测量（信息调制）和幺正变换（信息解调）实现量子态信息直接传输,其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成。QKD通过对单光子或光场正则分量 量子态制备、传输和测量,首先在收发双方间实现无法被窃听 安全密钥共享,再与传统加密技术相结合完成经典信息加密和安全传输,基于QKD 保密通信称为量子保密通信。
量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输,基于量子力学原理保证传输安全性,部分分量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子密钥分发基于量子力学原理保证密钥分发 安全性,是首个从实验室走向实际应用 量子通信技术分支。
量子通信方面,中科大、清华、北大、北邮和上海交大等研究机构 研究成果与全世界先进水平基本同步,在量子保密通信试点应用、网络建设和星地量子通信探索方面处于领先。量子保密通信产业基本形成,国科量子、科大国盾、安徽问天和上海循态等企业积极探索和推动应用与产业发展,各地方政府、电网、银行和互联网企业等企业开始探索采用量子保密通信进行信息安全保护。
金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy,NV）色心是 种近期备受关注 自旋量子位,可实现对多种物理量 超高灵敏度检测,广泛地应用于磁场、加速度、角速度、温度、压力 精密测量领域,具有巨大 潜力。目前金刚石色心测量系统已实现芯片化,基于金刚石色心 芯片级陀螺仪、磁力计、磁成像装置均有报道。
针对量子保密通信系统设备 工程化和实用化 关键瓶颈开展基础性共性技术,例如高性能单光子探测器、集成化调制解调器和高性能后处理算法等领域 攻关突破,将政策支持 优势真正转化为核心技术和产品功能性能 优势,进 步提升系统工程化水平和解决方案性价比,是应用发展演进和产业做大做强 关键所在。
随着 物联网、车联网等新兴技术 兴起,时间同步精度 需求也日益提高。从早期 日晷,水钟,到机械钟,石英钟,再到原子钟,人类对时间 测量越来越精确。目前通信网络中部分使用GPS卫星信号提供高精度 时间源,但卫星信号不再能满足未来通信网络 全部需求,部分原因包括，卫星信号不能覆盖室内场景,卫星授时可靠性和安全性待提高,卫星接收机成本高。为了满足未来通信网络同步需求,需研究超高精度时钟源和高精度同步传输协议,其未来应用如下图所示。其中,量子时钟源可以提供不确定度优于 e- 超高精度时钟源,量子时间同步协议结合量子纠缠等技术可以为未来通信网络提供高精度和高安全性 同步传输协议。
随着QKD技术进入实用化阶段,并不断开展试点应用和网络建设,进 步提升其实用化和商用化水平成为科研机构和产业链上下游关注和技术演进 部分方向。QKD实用化技术和应用演进 部分方向包括基于光子集成（PIC）技术提升收发机 集成度,采用连续变量（CV）QKD技术开展实验和商用设备开发,以及开展QKD与现有光通信网络 共纤传输和融合组网等方面 研究与探索。
随着人类对于量子力学原理 认识、理解和研究不断深入,以及对于微观物理体系 观测和调控能力不断提升,以微观粒子系统（如电子、光子和冷原子等）为操控对象,借助其中 量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输 量子信息技术应运而生并蓬勃发展。
随着美、欧、英、日、韩等国 量子通信研发及试点应用 发展,专利作为重要 技术保护手段受到产学研界 重视,相关专利快速攀升,量子通信领域全世界专利申请和专利授权发展统计如下图所示。
随着高精度时间同步技术在基础科研、导航、定位、电力、通信以及国防等方面 广泛应用,将对同步传输精度提出更高要求。时频网络由多时钟源组成,即使所有 时钟源都具有非常高 精度,由于时钟源之间存在频率差和初始相位差,各钟面读数仍不相同,需要时间同步协议对网络中 时钟源进行同步和修正。
需要指出 是,此类研究通常在完全控制系统设备 条件下,采用极端条件模拟（例如超高光功率注入等方式）来攻击系统获取密钥信息,与实际系统和网络中可行 攻击和窃听属于不同层面。并且此类研究 出发点和落脚点也是在于改进和提升QKD系统 实际安全性,通常都会给出针对所提出 攻击方式 系统防御策略和解决方案,而非否定QKD系统安全性。针对QKD系统和网络现实安全性 学术研究在未来将会持续进行,从实际应用层面而言,QKD系统和网络也需要持续进行现实安全性研究和测评验证。
需要指出 是,现阶段量子计算 研究发展水平距离实用化仍有较大差距。量子计算系统非常脆弱,极易受到材料杂质、环境温度和噪声等外界因素影响而引发退相干效应,使计算准确性受到影响,甚至计算能力遭到破坏。发展速度新快 超导技术路线,在可扩展性、操控时间和保真度等方面也存在局限。此外,可编程通用量子计算机需要大量满足容错阈值 物理量子比特进行纠错处理,克服退相干效应影响,获得可用 逻辑量子比特。
需要指出 是,相比传统对称加密体系,量子保密通信仍然能够带来安全性提升和应用价值, 方面相比原有对称加密算法 收发双发自协商产生加密密钥,QKD所提供 加密密钥在密钥分发过程 防窃听和破解 能力得到加强；另 方面QKD能够提升对称加密体系中 密钥更新速率,从而降低密钥和加密资料统计被计算破解 风险。
高精度、小型化和芯片化。
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