2019-2020年量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告

1、2019-2020年量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2019年）2019年12月量子信息技術(shù)以微觀粒子系統(tǒng)為操控對象，借助其中的量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨特物理現(xiàn)象進行信息獲取、處理和傳輸，能夠在提升運算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面帶來原理性優(yōu)勢和突破經(jīng)典技術(shù)瓶頸。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點之一，在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟建設(shè)等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)共性乃至顛覆性重大影響。近年來，以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)的研究與應(yīng)用在全球范圍內(nèi)加速發(fā)展，各國紛紛加大投入力度和拓寬項目布局。三大領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新活躍，專利與

2、論文增長較為迅速，重要研究成果和輿論熱點層出不窮。我國量子信息技術(shù)研究和應(yīng)用探索具備良好的實踐基礎(chǔ)，加大支持力度，突破瓶頸障礙，聚力加快發(fā)展，有望實現(xiàn)與國際先進水平并跑領(lǐng)跑。為推動我國量子信息技術(shù)應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化健康發(fā)展，中國信息通信研究院在2018年發(fā)布研究報告基礎(chǔ)上，組織編寫了量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2019年），深入分析量子信息技術(shù)三大領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、熱點問題、發(fā)展現(xiàn)狀、演進趨勢，闡述我國面臨的機遇與挑戰(zhàn)，以及未來發(fā)展態(tài)勢。一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢1.（一）量子信息技術(shù)成為未來科技發(fā)展關(guān)注焦點之一1（二）各國加大量子信息領(lǐng)域的支持投入和布局推動2（三）量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究受

3、到重視并加速發(fā)展4（四）量子信息技術(shù)創(chuàng)新活躍，論文和專利增長迅速6二、量子計算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展11（一）物理平臺探索發(fā)展迅速，技術(shù)路線仍未收斂11（二）量子優(yōu)越性”突破里程碑，實用化尚有距離12（三）量子計算云平臺成為熱點，發(fā)展方興未艾14（四）產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局正在形成、生態(tài)鏈不斷壯大16（五）應(yīng)用探索持續(xù)深入，殺手級應(yīng)用”或可期待19三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展20（一）量子通信技術(shù)研究和樣機研制取得新成果20（二）量子密鑰分發(fā)技術(shù)演進關(guān)注提升實用化水平23（三）量子保密通信應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化進一步發(fā)展25（四）量子保密通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實安全性成為討論熱點27（五）量子保密通信規(guī)?；瘧?yīng)用與產(chǎn)業(yè)化仍需

4、探索29四、量子測量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進展32（一）量子測量突破經(jīng)典測量極限，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛32（二）自旋量子位測量有望實現(xiàn)芯片化和集成應(yīng)用36（三）量子糾纏測量處于前沿研究，實用尚有距離37（四）超高精度量子時鐘同步有望助力未來通信網(wǎng)38（五）量子測量產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展，仍需多方助力合作40五、量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望42（一）理論與關(guān)鍵技術(shù)待突破，領(lǐng)域發(fā)展前景各異42（二）我國具備良好的實踐基礎(chǔ)，機遇和挑戰(zhàn)并存45圖目錄圖1歐盟量子宣言”旗艦計劃首批科研項目3圖2量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾埣笆跈?quán)情況7圖3量子計算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢及主要發(fā)文機構(gòu)8圖4量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢8圖5量子通信領(lǐng)域論

5、文發(fā)表趨勢及主要發(fā)文機構(gòu)9圖6量子測量領(lǐng)域?qū)＠暾埡驼撐陌l(fā)表趨勢10圖7GoogleSycamore超導(dǎo)量子計算處理器13圖8量子計算云平臺通用體系架構(gòu)15圖9美國量子計算研究與應(yīng)用發(fā)展模式17圖10量子計算領(lǐng)域科技公司和初創(chuàng)企業(yè)分布18圖11量子計算研發(fā)主體與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)19圖12量子安全直接通信原理樣機實驗系統(tǒng)22圖13我國QKD領(lǐng)域主要研究機構(gòu)和設(shè)備商26圖14量子測量的基本流程和主要步驟33圖15外界物理量與量子體系的作用機制34圖16量子測量主要應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)體系35圖17高精度時鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用39圖18量子測量科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況41圖19量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢展望44

6、一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢（一）量子信息技術(shù)成為未來科技發(fā)展關(guān)注焦點之一隨著人類對于量子力學(xué)原理的認識、理解和研究不斷深入，以及對于微觀物理體系的觀測和調(diào)控能力不斷提升，以微觀粒子系統(tǒng)（如電子、光子和冷原子等）為操控對象，借助其中的量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨特物理現(xiàn)象進行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運而生并蓬勃發(fā)展。量子信息技術(shù)主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域，可以在提升運算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點之一，在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟建設(shè)等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)

7、共性乃至顛覆性重大影響。量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理進行量子并行計算，具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力，能夠在特定計算困難問題上提供指數(shù)級加速。量子計算帶來的算力飛躍，有可能在未來引發(fā)改變游戲規(guī)則的計算革命，成為推動科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進的觸發(fā)器”和催化劑”。未來可能在實現(xiàn)特定計算問題求解的專用量子計算處理器，用于分子結(jié)構(gòu)和量子體系模擬的量子模擬機，以及用于機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)集優(yōu)化等應(yīng)用的量子計算新算法等方面率先取得突破。量子通信利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進行信息或密鑰傳輸，基于量子力學(xué)原理保證傳輸安全性，主要分量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。量子

8、密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)原理保證密鑰分發(fā)的安全性，是首個從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的量子通信技術(shù)分支。通過在經(jīng)典通信中加入量子密鑰分發(fā)和信息加密傳輸，可以提升網(wǎng)絡(luò)信息安全保障能力。量子隱形傳態(tài)在經(jīng)典通信輔助之下，可以實現(xiàn)任意未知量子態(tài)信息的傳輸。量子隱形傳態(tài)與量子計算融合形成量子信息網(wǎng)絡(luò)，是未來量子信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。主要包括時間基準(zhǔn)、慣性測量、重力測量、磁場測量和目標(biāo)識別等方向，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、空間探測、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域

9、。量子物理常數(shù)和量子測量技術(shù)已經(jīng)成為定義基本物理量單位和計量基準(zhǔn)的重要參考，未來量子測量有望在生物研究、醫(yī)學(xué)檢測以及面向航天、國防和商業(yè)等應(yīng)用的新一代定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)等方面率先獲得應(yīng)用。（二）各國加大量子信息領(lǐng)域的支持投入和布局推動以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強國都對其高度重視。近年來，歐美國家紛紛啟動了國家級量子科技戰(zhàn)略行動計劃，大幅增加研發(fā)投入，同時開展頂層規(guī)劃及研究應(yīng)用布局。英國2015年正式啟動國家量子技術(shù)計劃”，投資2.7億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心，開展學(xué)術(shù)與應(yīng)用研究。2018年11月進行了

10、第二階段2.35億英鎊投資撥款。德國在2018年9月提出量子技術(shù)一一從基礎(chǔ)到市場”框架計劃，擬于2022年前投資6.5億歐元促進量子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，并可延長資助至2028年。量子通值方向0理西班牙好PI(M(VQK1漏統(tǒng),面向電it適哲而的同鰭郃和應(yīng)用踞證于互蝴MQUkmin,荷蘭基于于中幡的子般傅唐同期，哇修于計平白物理比帶手機觸生成舒QRANGEgvue.n±JK«4tXATCSlE<iPAD,刪機蛾產(chǎn)生速率Tghps芯片他QRMG實用林子通借IZgRYAIT.奧城利川平臺子歸上熊配可用于子用暗傳帝.用光子總院口租用考子計算項M向廉子曙子計KAQTIONJujis

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