2022年量子信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析

1、2022年量子信息技術(shù)開展現(xiàn)狀及未來趨勢分.量子信息技術(shù)可分為三類，其中量子通信最接近商用量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是不可分割的微觀粒子（譬如光子和電子等）的統(tǒng)稱。量子具有不可全面觀測性 （測不準(zhǔn)）、不可復(fù)制性、態(tài)疊加性的性質(zhì)。量子信息是計算機(jī)、信息科學(xué)與量子物理相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科，量子信息技術(shù)已經(jīng)成為世界各國實施高新 技術(shù)戰(zhàn)略競爭的焦點之一。量子信息技術(shù)通過對光子、電子和 冷原子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進(jìn)行精確的人工調(diào)控和觀 測，借助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論 無法實現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息。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)在信息平安、通信網(wǎng)

2、絡(luò)、 人工智能、空間探測、生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生基礎(chǔ)共性 乃至顛覆性的重大影響。量子技術(shù)主要可分為三類，分別為量子計算、量子通信 和量子測量。量子技術(shù)被視為可能引發(fā)信息技術(shù)體系的顛覆性創(chuàng)新和重構(gòu)，并誕生改變游戲規(guī)那么的變革性應(yīng)用，從而推動 信息通信技術(shù)換代演進(jìn)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)突破開展。.量子信息技術(shù)開展具備戰(zhàn)略意義，全球范圍內(nèi)多個國 家均有相關(guān)投入由于量子技術(shù)本身的重要性，各國普遍在量子方面加強(qiáng) 了科研規(guī)劃和布局投入。據(jù)中國信息通信研究院不完全統(tǒng)計, 截至2021年10月，全球各國投資總規(guī)模已經(jīng)超過130億美元。隨著量子信息技術(shù)的開展，量子信息技術(shù)的科研成果轉(zhuǎn) 化、行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新、供應(yīng)鏈建設(shè)和人

3、力資源培養(yǎng)等方向已經(jīng) 成為當(dāng)前全球主要國家的主要發(fā)力方向。在這樣的背景下，各 國成立了一系列的量子信息技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。.量子計算：多種路線并行尚未出現(xiàn)壓倒性技術(shù)，距離 商用化尚遠(yuǎn)量子計算主要依賴量子疊加和干涉等原理實現(xiàn)并行計算, 能在某些傳統(tǒng)計算機(jī)計算困難的問題上提供指數(shù)級加速，即 可實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性“，是未來計算能力跨越式開展的重要 方向。量子計算主要依賴量子比特。量子比特依賴量子的疊 加特性，可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話 講，它可以同時存儲。和1。考慮一個N個物理比特的存儲器, 假設(shè)它是經(jīng)典存儲器，那么它只能存儲2?個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個，假設(shè)它是量子存儲器，那么它

4、可以同時存儲2?個數(shù)，而且隨 著N的增加，其存儲信息的能力將指數(shù)上升。經(jīng)典比特和量子比特比照經(jīng)典比特量子比特資料來源:根源量子官網(wǎng),安信證券研究中心圖：經(jīng)典比特和量子比特比照由于數(shù)學(xué)操作可以同時對存儲器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，因 此，量子計算機(jī)在實施一次的運算中可以同時對2?個輸入數(shù) 進(jìn)行數(shù)學(xué)運算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計算機(jī)要重復(fù)實施2?次操 作，或者采用2?個不同處理器實行并行操作?？梢?，量子計 算機(jī)可以節(jié)省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。多種路線并存，尚處于研發(fā)階段。量子計算依賴量子比 特，根據(jù)實現(xiàn)量子比特的制備操控方案的不同，當(dāng)前量子計算其存在超導(dǎo)、離子阱、硅基半導(dǎo)體和光量子多種技術(shù)路線,

5、目前尚未出現(xiàn)壓倒性的技術(shù)，處于多技術(shù)并行狀態(tài)。另外，當(dāng)前量子計算機(jī)的開展還面臨著如退相干等問題, 導(dǎo)致當(dāng)前量子計算仍主要存在于實驗室階段，距離商業(yè)化較 遠(yuǎn)。但是當(dāng)前也有諸如“九章”等新的具備量子優(yōu)越性的量子計 算機(jī)被制造出來，整體行業(yè)仍保持向好趨勢。.量子通信：量子保密通信已產(chǎn)業(yè)化，京滬干線等代表 性應(yīng)用加速行業(yè)開展量子通信那么主要是指量子加密通信，即利用量子的疊加 態(tài)和糾纏效應(yīng)，在經(jīng)典通信的輔助下進(jìn)行量子密鑰的產(chǎn)生、 分發(fā)和接收，可以在很大程度上提升信息的平安性?；诹孔?密鑰分發(fā)和對稱加密算法的量子保密通信技術(shù)已經(jīng)初步實用 化，在商用設(shè)備、實驗網(wǎng)絡(luò)和示范應(yīng)用等方面取得了一定的 進(jìn)展，但仍面

6、臨下游需求不明，業(yè)績持續(xù)性缺乏等問題。具 體到量子通信的業(yè)務(wù)模式來看，量子通信主要依賴量子隨機(jī)數(shù) 發(fā)生器（QRNG）、量子密鑰分發(fā)設(shè)備（QKD）等一系列量 子密鑰生成和傳輸設(shè)備集合形成密鑰資源，并進(jìn)一步依賴集 成后的量子平安設(shè)備和量子網(wǎng)絡(luò)為政務(wù)、金融、電力、數(shù)據(jù)中 心等客戶提供信息加密服務(wù)。利用量子現(xiàn)象進(jìn)行加密最早由哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家 Stephen Wiesner于1969年在論文共 物編碼（conjugatecoding)中提出。后來其好友IBM公司的研究人員Charlie H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的教授Gilles Brassard受到 了 Stephen Wiesne

7、r的啟發(fā)，在1984年在印度召開的一個國 際學(xué)術(shù)會議上提交了一篇論文量子密碼學(xué)：公鑰分發(fā)和拋幣 (Quantum cryptography ： Public key distribution and coin tossing) o 他們在這篇論文中提出了 BB84協(xié)議，該協(xié)議把密碼以密鑰 的形式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也稱作“量子密鑰分發(fā)(QKD)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(QRNG)當(dāng)前的數(shù)據(jù)加密主要依賴特定的算法，在算法中輸入不 同的參數(shù)從而得到不同的加密結(jié)果，所輸入的一系列參數(shù)就 是加密密鑰。而算法方面，當(dāng)前國際上加密主要均依賴幾種特 定的算法，因此一般對于竊聽者而言，得到密鑰就相當(dāng)于得 到了明

8、文，即破解了本次加密。在這樣的背景下，密鑰的隨 機(jī)性具備重要的意義。而密鑰的隨機(jī)性直接與密鑰生成所依賴的隨機(jī)數(shù)生成方 法相關(guān)，隨機(jī)數(shù)的生成可以分為兩種 基本類型：軟件和硬件。 基于軟件的隨機(jī)數(shù)生成被稱為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器即PRNG,軟件 的問題來自于其生成算法確實定性，假設(shè)其算法被破解，那么可 對其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行預(yù)測，故而平安性較低?；谟布?隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也叫作真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其主要依賴經(jīng)典物理學(xué)的隨機(jī)性，并通過對物理現(xiàn)象的測量將其數(shù)字化，從而生成隨 機(jī)數(shù)，但由于經(jīng)典物理學(xué)過程無法做到完整的控制和監(jiān)控， 故而密碼系統(tǒng)中會存在不確定性，并對平安性造成損害。QRNG （量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器）原理主要是

9、依賴量子本身 的隨機(jī)性特性生產(chǎn)隨機(jī)數(shù)。量子的隨機(jī)性即一個量子經(jīng)過一 段時間演化后的狀態(tài)無法精確預(yù)測，與任何外部因素都無關(guān), 因此基于量子的隨機(jī)性產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是完全真隨機(jī)的，具備 相較傳統(tǒng)隨機(jī)數(shù)生成方式更高的平安性。觸I躅擇 （隨機(jī)性）費字化褶 （初蜘掰前機(jī)性儲 作計性）量子隨機(jī)數(shù)生成過程0101010101 0101010101 0110100111 0101010101 10101圖：量子隨機(jī)數(shù)生成過程量子密鑰分發(fā)設(shè)備（QKD）在QRNG生成了量子隨機(jī)數(shù)密鑰以后，還需要以QKD 產(chǎn)品進(jìn)行量子密鑰的分發(fā)。對于數(shù)據(jù)而言，其生命周期可分 為采集、存儲、傳輸、分析、應(yīng)用、銷毀和備份等階段，QKD產(chǎn)品

10、在數(shù)據(jù)生命周期中主要起到保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的作 用。QKD在對密鑰的分發(fā)傳輸過程中將單個光量子作為信息 的載體，將0、1的信息編碼到一個光子上并通過傳統(tǒng)光纖或 空間將該光子傳輸給對方。對方利用單光子探測器探測該光子 之后獲得傳輸來的0、1信息，經(jīng)過一系列處理實現(xiàn)量子密鑰 分配。而在平安性方面，量子保密通信對平安性的提升主要來 自于兩方面，其一是基于光子不可再分，不可復(fù)制的性質(zhì)， 任何竊聽者都無法將發(fā)送端發(fā)射的光子一分為二或復(fù)制一個， 一個自己保存一個發(fā)送給接收者；其二是基于光子不可被完 全測量的性質(zhì)，竊聽者對光子的觀測會導(dǎo)致光子的狀態(tài)發(fā)生 改變，使得接收者可以獲知存在竊聽者這一事實。所以發(fā)送 者

11、發(fā)送給接收者的光子要么接收者收到，要么竊聽者收到，不 可能接收者和竊聽者同時收到。這樣發(fā)送者和接收者只需要 保存接收者收到的信號，便可生成他人不可能獲取的密鑰。當(dāng)前QKD設(shè)備主要功能為基于光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)點對點的安 全密鑰分發(fā)，一般內(nèi)貉QRNG量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，并采 BB84協(xié)議，可提供百公里量級的可靠量子密鑰分發(fā)。量子通信為當(dāng)前量子三大主要應(yīng)用中最接近商業(yè)化的領(lǐng) 域，且現(xiàn)實中已經(jīng)存在局部應(yīng)用。根據(jù)中科大消息，量子保 密通信的代表性應(yīng)用京滬干線于2013年7月立項，于2017年8月底在合肥完成了全網(wǎng)技術(shù)驗收，2017年9月29日正式開 通，工程全長2000余公里，主要節(jié)點包括北京、濟(jì)南、合肥 和上

12、海，可以基于可信中繼方案實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子平安密鑰分 發(fā)。整個京滬干線由32座中繼站和31段光纖量子通信線路 構(gòu)成主干量子通信線路，另外還包含北京和上海的城域量子 通信網(wǎng)絡(luò)，其在很大程度上為量子通信系統(tǒng)的平安性規(guī)范研究 提供了實驗環(huán)境。.量子測量：高精度測量前景廣闊，但產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化 仍處于起步階段量子測量主要是通過觀察微觀粒子系統(tǒng)量子態(tài)對外界物 理量變化的反響，通過量子態(tài)的變化直接或間接地將環(huán)境物 理量的大小讀取出來，實現(xiàn)精密傳感測量，在精度、靈敏度和 穩(wěn)定性等方面相較傳統(tǒng)技術(shù)可帶來數(shù)量級的提升。量子測量按照對量子特性的應(yīng)用方式不同，可以分為三 種技術(shù)類型：一是使用量子能級測量物理量；二是使用

13、量子 相干性或干涉演化進(jìn)行物理量測量；三是使用量子糾纏態(tài)和壓 縮態(tài)等獨特量子特性來進(jìn)一步提高測量精度或靈敏度。具體到量子測量技術(shù)的系統(tǒng)框架來看，其最底層以量子 力學(xué)為理論基礎(chǔ)，運用相干疊加、量子糾纏等技術(shù)上手段對 原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測量 和讀取，配合數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度的精密探測，甚至有望突破 經(jīng)典物理的理論極限。通過應(yīng)用層的軟件將結(jié)果呈現(xiàn)給行業(yè)用 戶。在理論與技術(shù)基礎(chǔ)層面，基礎(chǔ)物理理論基本完備，但是 局部原理技術(shù)仍有待突破，如量子糾纏態(tài)高效確定性的產(chǎn)生 方法、遠(yuǎn)距離分發(fā)技術(shù)等。具體到技術(shù)方案來看，主要技術(shù)方案包括冷原子干涉測 量、核磁/順磁共振測量、原子自旋測量、糾纏態(tài)/壓縮態(tài)測量 和量子增強(qiáng)測量等。而量子測量的主要開展方向涉及新一代定 位/導(dǎo)航/授時的光學(xué)原子鐘、光學(xué)時頻傳輸系統(tǒng)、原子陀螺儀 與重力儀等，以及高靈敏度檢測與目標(biāo)識別的光學(xué)量子雷達(dá)、 物質(zhì)痕量檢測、磁場精密測量等。主要應(yīng)用場景包括航空航天、防務(wù)裝備、地質(zhì)資源勘測、 基礎(chǔ)科研和生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)開