量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告

1、量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告前言量子信息技術(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(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸， 能夠在提升運(yùn)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(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點(diǎn)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(jì)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(jì)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(xiàng)目布局。三大領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新活躍，專利與論文增長較為迅速，重要研究成果和輿論熱點(diǎn)層出

2、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(shí)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(shí)現(xiàn)與國際先進(jìn)水平并跑領(lǐng)跑。目錄 HYPERLINK l _bookmark0 一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢1 HYPERLINK l _bookmark1 （一）量子信息技術(shù)成為未來科技發(fā)展關(guān)注焦點(diǎn)之一1 HYPERLINK l _bookmark2 （二）各國加大量子信息領(lǐng)域的支持投入和布局推動2 HYPERLINK l _bookmark4 （三）量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究受到重視并加速發(fā)展4 HYPERLINK l _bookmark5 （四）量子信息技術(shù)創(chuàng)新活躍，論文和專利增長迅速6

3、HYPERLINK l _bookmark11 二、量子計(jì)算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展11 HYPERLINK l _bookmark12 （一）物理平臺探索發(fā)展迅速，技術(shù)路線仍未收斂11 HYPERLINK l _bookmark13 （二）“量子優(yōu)越性”突破里程碑，實(shí)用化尚有距離12 HYPERLINK l _bookmark15 （三）量子計(jì)算云平臺成為熱點(diǎn)，發(fā)展方興未艾14 HYPERLINK l _bookmark17 （四）產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局正在形成、生態(tài)鏈不斷壯大16 HYPERLINK l _bookmark21 （五）應(yīng)用探索持續(xù)深入，“殺手級應(yīng)用”或可期待19 HYPERLINK l _

4、bookmark22 三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展20 HYPERLINK l _bookmark23 （一）量子通信技術(shù)研究和樣機(jī)研制取得新成果20 HYPERLINK l _bookmark25 （二）量子密鑰分發(fā)技術(shù)演進(jìn)關(guān)注提升實(shí)用化水平23 HYPERLINK l _bookmark26 （三）量子保密通信應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展25 HYPERLINK l _bookmark28 （四）量子保密通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性成為討論熱點(diǎn)27 HYPERLINK l _bookmark29 （五）量子保密通信規(guī)?；瘧?yīng)用與產(chǎn)業(yè)化仍需探索29 HYPERLINK l _bookmark30 四、量

5、子測量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展32 HYPERLINK l _bookmark31 （一）量子測量突破經(jīng)典測量極限，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛32 HYPERLINK l _bookmark35 （二）自旋量子位測量有望實(shí)現(xiàn)芯片化和集成應(yīng)用36 HYPERLINK l _bookmark36 （三）量子糾纏測量處于前沿研究，實(shí)用尚有距離37 HYPERLINK l _bookmark37 （四）超高精度量子時(shí)鐘同步有望助力未來通信網(wǎng)38 HYPERLINK l _bookmark39 （五）量子測量產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展，仍需多方助力合作40 HYPERLINK l _bookmark41 五、量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望4

6、2 HYPERLINK l _bookmark42 （一）理論與關(guān)鍵技術(shù)待突破，領(lǐng)域發(fā)展前景各異42 HYPERLINK l _bookmark44 （二）我國具備良好的實(shí)踐基礎(chǔ)，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存45圖 目 錄 HYPERLINK l _bookmark3 圖 1 歐盟“量子宣言”旗艦計(jì)劃首批科研項(xiàng)目3 HYPERLINK l _bookmark6 圖 2 量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾埣笆跈?quán)情況7 HYPERLINK l _bookmark7 圖 3 量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)8 HYPERLINK l _bookmark8 圖 4 量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢8 HYPERLIN

7、K l _bookmark9 圖 5 量子通信領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)9 HYPERLINK l _bookmark10 圖 6 量子測量領(lǐng)域?qū)＠暾埡驼撐陌l(fā)表趨勢10 HYPERLINK l _bookmark14 圖 7 Google Sycamore 超導(dǎo)量子計(jì)算處理器13 HYPERLINK l _bookmark16 圖 8 量子計(jì)算云平臺通用體系架構(gòu)15 HYPERLINK l _bookmark18 圖 9 美國量子計(jì)算研究與應(yīng)用發(fā)展模式17 HYPERLINK l _bookmark19 圖 10 量子計(jì)算領(lǐng)域科技公司和初創(chuàng)企業(yè)分布18 HYPERLINK l _book

8、mark20 圖 11 量子計(jì)算研發(fā)主體與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)19 HYPERLINK l _bookmark24 圖 12 量子安全直接通信原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)22 HYPERLINK l _bookmark27 圖 13 我國 QKD 領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備商26 HYPERLINK l _bookmark32 圖 14 量子測量的基本流程和主要步驟33 HYPERLINK l _bookmark33 圖 15 外界物理量與量子體系的作用機(jī)制34 HYPERLINK l _bookmark34 圖 16 量子測量主要應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)體系35 HYPERLINK l _bookmark38 圖 17 高精

9、度時(shí)鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用39 HYPERLINK l _bookmark40 圖 18 量子測量科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況41 HYPERLINK l _bookmark43 圖 19 量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢展望44一、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(diǎn)之一隨著人類對于量子力學(xué)原理的認(rèn)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(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生并蓬勃發(fā)展。量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)

10、域，可以在提升運(yùn)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(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點(diǎn)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(jì)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。量子計(jì)算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理進(jìn)行量子并行計(jì)算，具有經(jīng)典計(jì)算無法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，能夠在特定計(jì)算困難問題上提供指數(shù)級加速。量子計(jì)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(jì)算革命，成為推動科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進(jìn)的“觸發(fā)器”和“催化劑”。未來可能在實(shí)現(xiàn)特定計(jì)算問題求解的專用量子計(jì)算處理器，用于分子結(jié)構(gòu)和量子體系模

11、擬的量子模擬機(jī)，以及用于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)集優(yōu)化等應(yīng)用的量子計(jì)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(jìn)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(gè)從實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)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

12、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(shí)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。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(jì)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(shí)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(jì)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(qiáng)國都對其高度重視。近年來，歐美國家紛紛啟動了

13、國家級量子科技戰(zhàn)略行動計(jì)劃，大幅增加研發(fā)投入，同時(shí)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(jì)劃”，投資 2.7 億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計(jì)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(jìn)行了第二階段 2.35 億英鎊投資撥款。德國在 2018 年9 月提出“量子技術(shù)從基礎(chǔ)到市場”框架計(jì)劃，擬于 2022 年前投資億歐元促進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，并可延長資助至 2028 年。來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖 1 歐盟“量子宣言”旗艦計(jì)劃首批科研項(xiàng)目歐盟 2016 年推出為期十年，總投資額超過 10 億歐元的“量子宣言”旗艦計(jì)劃，并于 201

14、8 年 10 月啟動首批 19 個(gè)科研類項(xiàng)目， HYPERLINK l _bookmark3 如圖 1所示。2019 年 7 月歐盟 10 國簽署量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（QCI）聲明， 探討未來十年在歐洲范圍內(nèi)將量子技術(shù)和系統(tǒng)整合到傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施之中，以保護(hù)智能能源網(wǎng)絡(luò)、空中交通管制、銀行和醫(yī)療保健設(shè)施等加密通信系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅。美國 2018 年 12 月通過國家量子行動計(jì)劃（NQI）立法，計(jì)劃在未來四年增加量子信息科學(xué)領(lǐng)域投資 12.75 億美元，以確保美國在量子技術(shù)時(shí)代的科技領(lǐng)導(dǎo)力，以及經(jīng)濟(jì)安全、信息安全和國家安全。同期發(fā)布的量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述，規(guī)劃推動量子計(jì)算超大規(guī)模數(shù)據(jù)集優(yōu)化處

15、理，量子模擬新材料設(shè)計(jì)和分子功能研究，基于量子隱形傳態(tài)的安全通信以及量子傳感與精密測量等領(lǐng)域的研究，同時(shí)設(shè)立 36 個(gè)量子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（QILabs），建立全美量子科研網(wǎng)絡(luò)（QRNet），推動量子計(jì)算接入計(jì)劃（QCAP）。我國對量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用高度重視。2018 年 5 月，習(xí)近平總書記在兩院院士大會上的講話中指出，“以人工智能、量子信息、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用?！?國務(wù)院發(fā)布“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃，“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和“十三五”國家信息化規(guī)劃等文件，指導(dǎo)量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用?？萍疾亢椭锌圃和ㄟ^自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和戰(zhàn)略先導(dǎo)

16、專項(xiàng)等項(xiàng)目對量子信息科研給予支持，同時(shí)論證籌備重大科技項(xiàng)目和國家實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步推動基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)改委牽頭組織實(shí)施量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范項(xiàng)目， 國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。工信部開展量子保密通信應(yīng)用評估與產(chǎn)業(yè)研究，大力支持和引導(dǎo)量子信息技術(shù)國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化研究。（三）量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究受到重視并加速發(fā)展近年來，全球范圍內(nèi)量子信息技術(shù)領(lǐng)域的樣機(jī)研究、試點(diǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化迅速發(fā)展，隨著量子計(jì)算、量子通信和量子測量等領(lǐng)域新興應(yīng)用的演進(jìn)，在術(shù)語定義、性能評價(jià)、系統(tǒng)模塊、接口協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理運(yùn)維等方面的標(biāo)準(zhǔn)化需求也開始逐漸出現(xiàn)。國際標(biāo)準(zhǔn)

17、化組織紛紛成立量子信息技術(shù)相關(guān)研究組和標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目并開展工作，2018 年以來相關(guān)布局與研究工作明顯提速。歐洲多國在完成 QKD 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)之后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）成立ISG-QKD 標(biāo)準(zhǔn)組，已發(fā)布包括術(shù)語定義、系統(tǒng)器件、應(yīng)用接口、安全證明、部署參數(shù)等 9 項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，另有 3 項(xiàng)在研。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會的第一聯(lián)合技術(shù)委員會（ISO/IEC JTC1）成立了有我國專家參與的量子計(jì)算研究組（SG2）和咨詢組（AG），發(fā)布量子 計(jì)算研究報(bào)告和技術(shù)趨勢報(bào)告，同時(shí)在信息安全分技術(shù)委員會（SC27） 立項(xiàng)由我國專家牽頭的 QKD 安全需求與測評方法標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。國際電氣和電子工程師協(xié)會（I

18、EEE）啟動了量子技術(shù)術(shù)語定義、量子計(jì)算 性能指標(biāo)和軟件定義量子通信協(xié)議等 3 個(gè)研究項(xiàng)目。國際互聯(lián)網(wǎng)工程 任務(wù)組（IETF）成立量子互聯(lián)網(wǎng)研究組（QIRG）開展量子互聯(lián)網(wǎng)路 由、資源分配、連接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）對量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)及其未來對信息通信網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)業(yè)的影響保持高度關(guān)注。未來網(wǎng)絡(luò)研究組（SG13）已開展 QKD 網(wǎng)絡(luò)的基本框架、功能架構(gòu)、密鑰管理和軟件定義控制等方面研究項(xiàng)目，網(wǎng)絡(luò)安全研究組（SG17）則在QKD 網(wǎng)絡(luò)安全要求、密鑰管理安全要求、可信節(jié)點(diǎn)安全要求、加密功能要求等方面開展研究，我國部門成員和學(xué)術(shù)成員擔(dān)任部分標(biāo)準(zhǔn)編

19、輯人并做出重要技術(shù)貢獻(xiàn)。此外，我國還推動在 ITU-T 成立面向網(wǎng)絡(luò)的量子信息技術(shù)研究焦點(diǎn)組（FG-QIT4N），全面開展量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。2019 年 6 月，在上海成功舉辦了首屆 ITU 量子信息技術(shù)國際研討會，廣泛邀請全球研究機(jī)構(gòu)和科技公司的專家學(xué)者，對量子計(jì)算、量子通信、量子測量、量子信息網(wǎng)絡(luò)（QIN）等議題開展交流和討論。2019 年 9 月，F(xiàn)G-QIT4N 在電信標(biāo)準(zhǔn)化顧問組（TSAG）全會期間正式成立，由中俄美專家共同擔(dān)任主席，計(jì)劃在焦點(diǎn)組研究期內(nèi)， 對QKD 網(wǎng)絡(luò)和QIN 等相關(guān)議題開展標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研，為 ITU-T 下一個(gè)研究期的量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作奠定基礎(chǔ)并提出

20、建議。我國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點(diǎn)應(yīng)用方面具備較好的研究基礎(chǔ)和實(shí)踐積累，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也逐步開展。2017 年，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）成立量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ST7），開展量子通信和網(wǎng)絡(luò)以及量子信息技術(shù)關(guān)鍵器件的標(biāo)準(zhǔn)研究，目前已完成 6 項(xiàng)研究報(bào)告，并開展量子保密通信術(shù)語定義和應(yīng)用場景，QKD 系統(tǒng)技術(shù)要求、測試方法和應(yīng)用接口等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。QKD 技術(shù)還涉及密碼的產(chǎn)生、管理和使用，中國密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（CSTC）也開展了 QKD 技術(shù)規(guī)范和測評體系等密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究。2019 年1 月，量子計(jì)算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC578） 正式成立，計(jì)

21、劃開展量子計(jì)算和量子測量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。（四）量子信息技術(shù)創(chuàng)新活躍，論文和專利增長迅速量子計(jì)算近年來論文和專利增長迅速自上世紀(jì) 90 年代開始，各科技強(qiáng)國開始在量子技術(shù)領(lǐng)域加大投入，量子計(jì)算專利申請開始出現(xiàn)。近年來，量子計(jì)算領(lǐng)域的專利申請和授權(quán)發(fā)展態(tài)勢情 HYPERLINK l _bookmark6 況如圖 2 所示，2012 年之前全球量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量整體保持平穩(wěn)，專利申請主要來自美國和日本。注：專利申請的公開存在滯后性，2019 年數(shù)據(jù)未計(jì)入，后同。來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心（檢索時(shí)間 2019.10）圖 2 量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾埣笆跈?quán)情況2012 年開始，隨著歐美

22、科技巨頭開始大力投入和持續(xù)推動，以及全球各國科技企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)之間的相互競爭，更加重視量子計(jì)算領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)布局，專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯增長。美國在布局時(shí)間和申請總量上占有優(yōu)勢，近年來我國量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量的增長趨勢更快。通過對比中、美、日、加的專利申請人的類型可以看出， 我國專利更多的來自高校和科研機(jī)構(gòu)，國內(nèi)科技企業(yè)多與科研院所合作，相關(guān)研究工作和知識產(chǎn)權(quán)布局大多處于起步階段。近 20 年來全球量子計(jì)算領(lǐng)域研究論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機(jī)構(gòu)統(tǒng) HYPERLINK l _bookmark7 計(jì)如圖 3 所示，隨著量子計(jì)算從理論走向物理實(shí)現(xiàn)，全球論文發(fā)表量也保持增長態(tài)勢，特別是在 2018-19

23、 年研究論文數(shù)量激增。從發(fā)表論文研究機(jī)構(gòu)來看，近五年來排名前 20 的機(jī)構(gòu)中，中國占據(jù) 3 席， 分別是中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)。其中，中國科學(xué)院的發(fā)文量持續(xù)快速上升，過去一年的新增論文數(shù)量僅次于美國 MIT 和荷蘭 TU Delft。美國量子計(jì)算研究重要機(jī)構(gòu)多達(dá) 10 個(gè)，除了高校外，IBM、Microsoft 和 Google 等科技巨頭也有較多研究成果發(fā)表。此外，德國 ETH Zurich、Max Planck Society、加拿大 Waterloo 大學(xué)、蒙特利爾大學(xué)、日本東京大學(xué)也是重要的創(chuàng)新主體。來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心（Microsoft Academ

24、ic 檢索時(shí)間 2019.10）圖 3 量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)量子通信領(lǐng)域中美兩國專利數(shù)量領(lǐng)先隨著美、歐、英、日、韓等國的量子通信研發(fā)及試點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展， 專利作為重要的技術(shù)保護(hù)手段受到產(chǎn)學(xué)研界的重視，相關(guān)專利快速增長，量子通信領(lǐng)域全球?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢 HYPERLINK l _bookmark8 如圖 4 所示。來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心（檢索時(shí)間 2019.10）圖 4 量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢美國和日本在量子通信領(lǐng)域的早期專利申請量較多，但近年來， 專利申請地域向中國轉(zhuǎn)移。對比專利申請和專利授權(quán)來看，由于早期中國專利申請量較少，所以目前看中

25、國授權(quán)專利數(shù)量少于美國，但是隨著我國在量子通信基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索的不斷深入，以及量子保密通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來專利授權(quán)量還將繼續(xù)上升，而且也將吸引更多的外國公司來華布局專利。來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心（Microsoft Academic 檢索時(shí)間 2019.10）圖 5 量子通信領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)2005 年之后，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)研究從理論探索開始走向?qū)嵱没?，相關(guān)研究論文數(shù)量持續(xù)上升，近年 QKD 領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機(jī) HYPERLINK l _bookmark9 構(gòu)如圖 5 所示。其中，QKD 領(lǐng)域 70%的研究論文在近十年發(fā)表，文獻(xiàn)引證數(shù)量也在不

26、斷增加，2018 年發(fā)文量創(chuàng)新高。中、美、加、德、新、英等國以科研機(jī)構(gòu)為主，日本則主要來自企業(yè)。我國中科大、北郵、清華、中科院、上交等院校的科研論文數(shù)量排名前列。相比之下，量子隱形傳態(tài)（QT）的論文數(shù)量在 2005 年之前一直高于 QKD，但近年來論文數(shù)量保持平穩(wěn)并呈下降趨勢，與其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍未取得突破有一定關(guān)系。除歐、美、日科研機(jī)構(gòu)外，我國的中科大、中科院、電子科大和清華的論文發(fā)表數(shù)量也名列前茅。量子測量和量子計(jì)量的專利論文增長與量子計(jì)算和量子通信相比，量子測量和量子計(jì)量領(lǐng)域的專利申請和研究論文總量偏少，近年也呈現(xiàn)增長趨勢，如 HYPERLINK l _bookmark10 圖 6 所示。

27、來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心（Microsoft Academic 檢索時(shí)間 2019.10）圖 6 量子測量領(lǐng)域?qū)＠暾埡驼撐陌l(fā)表趨勢截至 2019 年 10 月公開的相關(guān)專利近千件，并且增長趨勢強(qiáng)勁， 從專利申請地域來看，美、中、日的專利申請量較多。論文方面，與量子計(jì)量（Quantum metrology）相關(guān)的論文數(shù)量持續(xù)上升，美國加州理工學(xué)院、德國蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院以及澳大利亞的高校和科研機(jī)構(gòu)發(fā)表了較多的論文。我國的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測量領(lǐng)域持續(xù)開展科研攻關(guān)，開始步入量子測量和量子計(jì)量研究論文發(fā)表數(shù)量的國際前沿行列。二、量子計(jì)算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）物理平臺

28、探索發(fā)展迅速，技術(shù)路線仍未收斂量子計(jì)算研究始于上世紀(jì)八十年代，經(jīng)歷了由科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的基礎(chǔ)理論探索和編碼算法研究階段，目前已進(jìn)入由產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界共同合作的工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和原理樣機(jī)攻關(guān)階段。量子計(jì)算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件、以及外圍保障和上層應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中，量子處理器是制備和操控量子物理比特的平臺，量子編碼是基于眾多物理比特實(shí)現(xiàn)可容錯邏輯比特的糾錯編碼，量子算法和軟件是將計(jì)算困難問題與量子計(jì)算并行處理能力結(jié)合的映射和橋梁。目前，量子處理器的物理比特實(shí)現(xiàn)仍是量子計(jì)算研究的核心瓶頸，主要包含超導(dǎo)、離子阱、硅量子點(diǎn)、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞榷喾N方案，研究取得一定進(jìn)展，但

29、仍未實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線收斂。超導(dǎo)路線方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特處理器，Rigetti 正在構(gòu)建更強(qiáng)大的 128 量子比特處理器。我國中科大在 2019年已實(shí)現(xiàn) 24 位超導(dǎo)量子比特處理器，并進(jìn)行多體量子系統(tǒng)模擬；同時(shí)，清華大學(xué)利用單量子比特實(shí)現(xiàn)了精度為 98.8%的量子生成對抗網(wǎng)絡(luò)，未來可應(yīng)用于圖像生成等領(lǐng)域。量子比特間的糾纏或連接程度是影響量子計(jì)算處理能力的重要因素之一，目前報(bào)道的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和量子比特糾纏程度不盡統(tǒng)一，大部分并未實(shí)現(xiàn)全局糾纏。離子阱路線方面，IonQ 已實(shí)現(xiàn) 79 位處理量子比特和 160 位存儲量子比特。光量子路線方面，中科大已實(shí)現(xiàn) 18 位光

30、量子糾纏操控，處于國際領(lǐng)先地位。硅量子點(diǎn)路線方面，新南威爾士大學(xué)報(bào)道了保真度為 99.96%的單比特邏輯門和保真度為 98%的雙比特邏輯門，中科大也實(shí)現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門。此外，我國本源量子研發(fā)了適用于 20 位量子比特的量子測控一體機(jī)，用于提供量子處理器芯片運(yùn)行所需要的關(guān)鍵信號，實(shí)現(xiàn)量子芯片操控。目前，量子計(jì)算物理平臺中的超導(dǎo)和離子阱路線相對領(lǐng)先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計(jì)算技術(shù)實(shí)用化的 DiVincenzo 條件，包括：（1）可定義量子比特，（2）量子比特有足夠的相干時(shí)間，（3）量子比特可以初始化，（4）可以實(shí)現(xiàn)通用的量子門集合，（5）量子比特可以被讀出。為充分利用每種技術(shù)的

31、優(yōu)勢，未來的量子計(jì)算機(jī)也可能是多種路線并存的混合體系。（二）“量子優(yōu)越性”突破里程碑，實(shí)用化尚有距離量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權(quán)”）的概念由 MIT 的John Preskill 教授首先提出，指量子計(jì)算在解決特定計(jì)算困難問題時(shí)，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級的運(yùn)算處理加速，從而體現(xiàn)量子計(jì)算原理性優(yōu)勢。其中，特定計(jì)算困難問題是指該問題的計(jì)算處理，能夠充分適配量子計(jì)算基于量子比特的疊加特性和量子比特間的糾纏演化特性而提供的并行處理能力，從而發(fā)揮出量子計(jì)算方法相比于傳統(tǒng)計(jì)算方法在解決該問題時(shí)的顯著算力優(yōu)勢。來源：Nature, 2019. 574(7779):

32、p. 505-510.圖 7 Google Sycamore 超導(dǎo)量子計(jì)算處理器2019 年 10 月，自然雜志以封面論文形式報(bào)道了 Google 公司基于可編程超導(dǎo)處理器 Sycamore，如 HYPERLINK l _bookmark14 圖 7 所示，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的重要研究成果。該處理器采用倒裝焊封裝技術(shù)和可調(diào)量子耦合器等先進(jìn)工藝和架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了 53 位量子物理比特二維陣列的糾纏與可控耦合，在解決隨機(jī)量子線路采樣問題時(shí)，具有遠(yuǎn)超過現(xiàn)有超級計(jì)算機(jī)的處理能力。Google 研究成果是證明量子計(jì)算原理優(yōu)勢和技術(shù)潛力的首個(gè)實(shí)際案例，具有里程碑意義。這一熱點(diǎn)事件所引發(fā)的震動和關(guān)注，將進(jìn)一步推

33、動全球各國在量子計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實(shí)踐和應(yīng)用探索，為加快量子計(jì)算機(jī)的研制和實(shí)用化注入新動力。需要指出的是，現(xiàn)階段量子計(jì)算的研究發(fā)展水平距離實(shí)用化仍有較大差距。量子計(jì)算系統(tǒng)非常脆弱，極易受到材料雜質(zhì)、環(huán)境溫度和噪聲等外界因素影響而引發(fā)退相干效應(yīng)，使計(jì)算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計(jì)算能力遭到破壞。發(fā)展速度最快的超導(dǎo)技術(shù)路線，在可擴(kuò)展性、操控時(shí)間和保真度等方面也存在局限。此外，可編程通用量子計(jì)算機(jī)需要大量滿足容錯閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。以運(yùn)行 Shor 算法破譯密碼為例，要攻破 AES 加密算法需要數(shù)千個(gè)量子邏輯比特，轉(zhuǎn)換為量子物理比特可能需要數(shù)萬

34、個(gè)或者更多。現(xiàn)有研究報(bào)道中的物理量子比特?cái)?shù)量和容錯能力與實(shí)際需求尚有很大差距，量子邏輯比特仍未實(shí)現(xiàn)。通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化，業(yè)界普遍預(yù)計(jì)仍需十年以上時(shí)間。在達(dá)到通用量子計(jì)算所需的量子比特?cái)?shù)量、量子容錯能力和工程 化條件等要求之前，專用量子計(jì)算機(jī)或量子模擬器將成為量子計(jì)算發(fā) 展的下一個(gè)重要目標(biāo)。結(jié)合量子計(jì)算和量子模擬應(yīng)用算法等方面研究， 在量子體系模擬、分子結(jié)構(gòu)解析、大數(shù)據(jù)集優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)算法加速 等領(lǐng)域開發(fā)能夠發(fā)揮量子計(jì)算處理能力優(yōu)勢的“殺手級應(yīng)用”，將為量 子計(jì)算技術(shù)打開實(shí)用化之門。（三）量子計(jì)算云平臺成為熱點(diǎn)，發(fā)展方興未艾量子處理器需要在苛刻的環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)算和儲存，通過云服務(wù)進(jìn)行量子處理器

35、的接入和量子計(jì)算應(yīng)用推廣成為量子計(jì)算算法及應(yīng)用研究的主要形式之一。用戶在本地編寫量子線路和代碼，將待執(zhí)行的量子程序提交給遠(yuǎn)程調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器安排用戶任務(wù)按照次序傳遞給后端量子處理器，量子處理器完成任務(wù)后將計(jì)算結(jié)果返回給調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器再將計(jì)算結(jié)果變成可視化的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)送給用戶，完成整個(gè)計(jì)算過程。近年來，越來越多的量子計(jì)算公司和研究機(jī)構(gòu)發(fā)布量子計(jì)算云平臺，以實(shí)現(xiàn)對量子處理器資源的充分共享，并提供各種基于量子計(jì)算的衍生服務(wù)。應(yīng)用組件層應(yīng)用服務(wù)層5GIoT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。搜索組件向量計(jì)算組件分類組件。量子計(jì)算IDE量子計(jì)算SDK量子算法lib。量子匯編量子門電路量子制備。量子芯片量子云模擬器

36、第三方模擬器。計(jì)算引擎層基礎(chǔ)開發(fā)層通用開發(fā)層來源：中國信息通信研究院圖 8 量子計(jì)算云平臺通用體系架構(gòu)量子計(jì)算云平臺的通用體系架構(gòu)如 HYPERLINK l _bookmark16 圖 8 所示，主要包括計(jì)算引擎層、基礎(chǔ)開發(fā)層、通用開發(fā)層、應(yīng)用組件層和應(yīng)用服務(wù)層。量子計(jì)算云平臺的服務(wù)模式主要分為三種：一是量子基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（q-IaaS），即提供量子計(jì)算云服務(wù)器、量子模擬器和真實(shí)量子處理器等計(jì)算及存儲類基礎(chǔ)資源；二是量子計(jì)算平臺服務(wù)（q-PaaS），即提供量子計(jì)算和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法的軟件開發(fā)平臺，包括量子門電路、量子匯編、量子開發(fā)套件、量子算法庫、量子加速引擎等；三是量子應(yīng)用軟件服務(wù)（q-Saa

37、S），即根據(jù)具體行業(yè)的應(yīng)用場景和需求設(shè)計(jì)量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提供量子加速版本的 AI 應(yīng)用服務(wù)，如生物制藥、分子化學(xué)和交通治理等。目前，量子計(jì)算云平臺以 q-PaaS 模式為主，提供量子模擬器、計(jì)算工具和開發(fā)套件等軟件服務(wù)。隨著量子計(jì)算物理平臺與云基礎(chǔ)設(shè)施的深度結(jié)合，以及量子處理器功能和性能的不斷發(fā)展， q-IaaS 模式比重將逐步增多。未來，隨著量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展成熟、生態(tài)逐步開放，將有更多的行業(yè)和企業(yè)嘗試通過 q-SaaS 模式對其業(yè)務(wù)處理進(jìn)行賦能。美國量子計(jì)算云平臺布局較早，發(fā)展迅速。IBM 已推出 20 位量子比特的量子云服務(wù)，提供 QiKit 量子程序開發(fā)套件，建立了較為完善的開源

38、社區(qū)。Google 開發(fā)了 Cirq 量子開源框架和OpenFermion-Cirq 量子計(jì)算應(yīng)用案例，可搭建量子變分算法（Variational Algorithms），模擬分子或者復(fù)雜材料的相關(guān)特性。Rigetti 推出的量子計(jì)算云平臺以混合量子+經(jīng)典的方法開發(fā)量子計(jì)算運(yùn)行環(huán)境，使用 19 位量子比特超導(dǎo)芯片進(jìn)行無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練及推理演示，提供支持多種操作系統(tǒng)的Forest SDK 量子軟件開發(fā)環(huán)境。我國量子計(jì)算云平臺起步較晚，目前發(fā)展態(tài)勢良好，與國際先進(jìn)水平相比在量子處理器、量子計(jì)算軟件方面的差距逐步縮小。中科大與阿里云共同推出 11 位超導(dǎo)量子計(jì)算云接入服務(wù)。華為發(fā)布 HiQ 量子計(jì)

39、算模擬云服務(wù)平臺，可模擬全振幅的 42 位量子比特，單振幅的81 位量子比特，并開發(fā)兼容 ProjectQ 的量子編程框架。本源量子推出的量子計(jì)算云平臺可提供 64 位量子比特模擬器和基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實(shí)量子處理器，提供 Qrunes 編程指令集，Qpanda SDK 開發(fā)套件，推出移動端與桌面端應(yīng)用程序，兼具科普、教學(xué)和編程等功能， 為我國量子計(jì)算的研究和應(yīng)用推廣提供了有益探索。（四）產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局正在形成、生態(tài)鏈不斷壯大在量子計(jì)算領(lǐng)域，美國近年來持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，如 HYPERLINK l _bookmark18 圖 9 所示，并建立了在

40、技術(shù)研究、樣機(jī)研制和應(yīng)用探索等方面的全面領(lǐng)先優(yōu)勢。來源：中國信息通信研究院圖 9 美國量子計(jì)算研究與應(yīng)用發(fā)展模式英、歐、日、澳等國緊密跟隨，領(lǐng)先國家之間通過聯(lián)合攻關(guān)和成果共享，正在形成并不斷強(qiáng)化聯(lián)盟優(yōu)勢。我國近年來取得系列研究成果，但與美國相比仍有一定差距。此外，印度、韓國、俄羅斯、以色列等國也開始將量子計(jì)算技術(shù)列入國家技術(shù)計(jì)劃加大投入。科技巨頭間的激烈競爭，推動量子計(jì)算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計(jì)算領(lǐng)域布局多年，霍尼韋爾隨后加入， 產(chǎn)業(yè)巨頭基于雄厚的資金投入、工程實(shí)現(xiàn)和軟件控制能力積極開發(fā)原型產(chǎn)品、展開激烈競爭，對量子計(jì)算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。Google

41、在 2018 年實(shí)現(xiàn) 72 位超導(dǎo)量子比特，在 2019 年證明量子計(jì)算優(yōu)越性。IBM 在 2019 年 1 月展示具有 20 位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，并在 9 月將量子比特?cái)?shù)量更新為 53 位。微軟在 2019 年推出量子計(jì)算云服務(wù)Azure Quantum，可以與多種類型的硬件配合使用?；裟犴f爾的離子阱量子比特裝置已進(jìn)入測試階段。我國阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來通過與科研機(jī)構(gòu)合作或聘請具有國際知名度的科學(xué)家成立量子實(shí)驗(yàn)室，在量子計(jì)算云平臺、量子軟件及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計(jì)算云平臺并在 2018 年推出量子模擬器“太章”。騰訊在量子AI、藥物研發(fā)和科學(xué)計(jì)算

42、平臺等應(yīng)用領(lǐng)域展開研發(fā)。百度在 2018 年成立量子計(jì)算研究所，開展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等業(yè)務(wù)研究。華為在2018 年發(fā)布HiQ 量子云平臺，并在 2019 年推出昆侖量子計(jì)算模擬一體原型機(jī)。我國科技企業(yè)進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域相對較晚，在樣機(jī)研制及應(yīng)用推動方面與美國存在較大差距。初創(chuàng)企業(yè)是量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機(jī)構(gòu)或科技公司，近年來，來自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機(jī)構(gòu)的創(chuàng)業(yè)資本大幅增加，初創(chuàng)企業(yè)快速發(fā)展。目前，全球有超過百余家初創(chuàng)企業(yè)，涵蓋軟硬件、基礎(chǔ)配套及上層應(yīng)用各環(huán)節(jié)，如 HYPERLINK l _bookmark19 圖 HYPERLINK l _boo

43、kmark19 10 所示，企業(yè)集聚度以北美和歐洲（含英國）最高。來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖 10 量子計(jì)算領(lǐng)域科技公司和初創(chuàng)企業(yè)分布盡管量子計(jì)算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，但軍工、氣象、金融、石油化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、汽車交通、圖像識別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ_始與科技公司合作探索潛在用途，生態(tài)鏈不斷壯大，如 HYPERLINK l _bookmark20 圖 11 所示。來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖 11 量子計(jì)算研發(fā)主體與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)在量子計(jì)算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，其產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套也在不斷完善。2019 年英特爾與 Bluef

44、ors 和Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測試工具，加速硅量子比特測試過程。本源量子創(chuàng)立本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2019 年攜手中船鵬力共建量子計(jì)算低溫平臺。（五）應(yīng)用探索持續(xù)深入，“殺手級應(yīng)用”或可期待當(dāng)前階段，量子計(jì)算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計(jì)算困難問題（NP）。機(jī)器學(xué)習(xí)在過去十幾年里不斷發(fā)展，對計(jì)算能力提出巨大需求，結(jié)合了量子計(jì)算高并行性的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法可實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)算法的加速優(yōu)化，是目前的研究熱點(diǎn)。量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要包括異質(zhì)學(xué)習(xí)（HHL）算法、量子主成分分析（qPCA）、量子支持向量機(jī)（qSVM）和量子深度學(xué)習(xí)等。目前，量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法在計(jì)算加速效果方面取得一定

45、進(jìn)展，理論上已證明量子算法對部分經(jīng)典計(jì)算問題具有提速效果，但處理器物理實(shí)現(xiàn)能力有限，算法大多只通過模擬驗(yàn)證，并未在真實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行迭代，仍處發(fā)展初期。目前，基于量子退火和其他數(shù)據(jù)處理算法的專用量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)展開系列應(yīng)用探索。Google 聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)將量子退火技術(shù)應(yīng)用于圖像處理、蛋白質(zhì)折疊、交通流量優(yōu)化、空中交通管制、海嘯疏散等領(lǐng)域。JSR 和三星嘗試使用量子計(jì)算研發(fā)新材料特性。埃森哲、Biogen 和 1Qbit 聯(lián)合開發(fā)量子化分子比較應(yīng)用，改善分子設(shè)計(jì)加速藥物研究。德國 HQS 開發(fā)的算法可以在量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)上有效地模擬化學(xué)過程。摩根大通、巴克萊希望通過蒙特卡洛模擬加速來優(yōu)化投

46、資組合，以提高量化交易和基金管理策略的調(diào)整能力，優(yōu)化資產(chǎn)定價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)對沖。量子計(jì)算應(yīng)用探索正持續(xù)深入，未來 3-5 年有望基于量子模擬和嘈雜中型量子計(jì)算（NISQ）原型機(jī)在生物醫(yī)療、分子模擬、大數(shù)據(jù)集優(yōu)化、量化投資等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）量子通信技術(shù)研究和樣機(jī)研制取得新成果量子通信主要分量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation，簡稱 QT） 和量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡稱 QKD）兩類。QT 基于通信雙方的光子糾纏對分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測量（信息調(diào)制）和幺正變換（信息解調(diào)）實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息直接傳輸，其中量子

47、態(tài)信息解調(diào)需要借助傳統(tǒng)通信輔助才能完成。QKD 通過對單光子或光場正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測量，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，再與傳統(tǒng)加密技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息加密和安全傳輸，基于QKD 的保密通信稱為量子保密通信。近年來，QT 研究在空、天、地等平臺積極開展實(shí)驗(yàn)探索。2017 年，中科大基于“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星地之間 QT 傳輸， 低軌衛(wèi)星與地面站采用上行鏈路實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到 1400 公里，成為目前 QT 自由空間傳輸距離的最遠(yuǎn)記錄。2018 年，歐盟量子旗艦計(jì)劃成立量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（QIA），由 Delft 技術(shù)大學(xué)牽頭，采用囚禁離子和

48、光子波長轉(zhuǎn)換技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)和量子存儲中繼，計(jì)劃在荷蘭四城市之間建立全球首個(gè)光纖 QT 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，基于糾纏交換實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸和多點(diǎn)組網(wǎng)。2019 年， 南京大學(xué)報(bào)道基于無人機(jī)開展空地量子糾纏分發(fā)和測量實(shí)驗(yàn)，無人機(jī)攜帶光學(xué)發(fā)射機(jī)載荷，完成與地面接收站點(diǎn)之間 200 米距離的量子糾纏分發(fā)測量。目前，QT 研究仍主要局限在各種平臺和環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)探索，包括高品質(zhì)糾纏制備、量子態(tài)存儲中繼和高效率量子態(tài)檢測等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破，距離實(shí)用化仍有較大距離。近年來，QKD 的實(shí)驗(yàn)研究不斷突破傳輸距離和密鑰成碼率的記錄。2018 年，東芝歐研所報(bào)道了新型相位隨機(jī)化雙光場編碼和傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)

49、 550 公里超低損耗光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場中心測量節(jié)點(diǎn)可以作為量子中繼的一種替代方案。中科大和奧地利科學(xué)院聯(lián)合報(bào)道了基于“墨子號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)7600 公里距離的洲際QKD 和量子保密通信，在可用時(shí)間窗口內(nèi)，基于衛(wèi)星中繼的密鑰傳輸平均速率3kbps，在兩地 QKD 密鑰累積一定數(shù)量之后，可以用于進(jìn)行圖片和視頻會議等應(yīng)用的加密傳輸。日內(nèi)瓦大學(xué)報(bào)道了采用極低暗記數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測器的QKD 傳輸實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了 421 公里的單跨段光纖傳輸最遠(yuǎn)距離，對應(yīng)密鑰成碼率 0.25bit/s，在 250 公里光纖傳輸距離對應(yīng)密鑰成碼率為 5kbit/s。東芝歐研所也報(bào)道基于 T12 改進(jìn)型QKD

50、協(xié)議和 LDPC 糾錯編碼的 QKD 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在 10 公里光纖信道連續(xù)運(yùn)行 4 天，平均密鑰成碼率達(dá)到 13.72Mbps。QKD 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能和傳輸能力，為應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。在量子通信領(lǐng)域，還有量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，簡稱 QSDC）技術(shù)方向也值得關(guān)注。QSDC 系統(tǒng)中信息接收端為 Bob，信息發(fā)射端為 Alice。Bob 端脈沖光源經(jīng)過衰減器和隨機(jī)信號控制相位調(diào)制后，輸出單光子量子態(tài)信號，在 Alice 端隨機(jī)抽樣檢測一部分量子態(tài)信號，對剩余的量子態(tài)信號用兩種不同幺正變換編碼，發(fā)送經(jīng)典信息，并通過原信道以時(shí)

51、分復(fù)用方式反向回傳到Bob 端，Bob 端根據(jù)接收到的單光子量子態(tài)與初始制備態(tài)的差異性檢測，解調(diào)出Alice 的編碼信息。來源：清華大學(xué)物理系圖 12 量子安全直接通信原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2019 年，清華大學(xué)物理系基于首創(chuàng)的 QSDC 理論和實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制， HYPERLINK l _bookmark24 如圖 12 所示，并完成實(shí)驗(yàn)室光纖環(huán)境中基于QSDC 的信息直接傳輸演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 10 公里光纖信道傳輸文件的信息傳輸平均速率約為 4.69 kbit/s。QSDC 的技術(shù)結(jié)合了QKD 和QT 的部分技術(shù)思想，以及信道安全容量分析等信息論方法， 能夠基于量子物理學(xué)和信

52、息論同步實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信道安全狀態(tài)監(jiān)測和信息加密傳輸。目前實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的信息傳輸速率較為有限，需使用低溫制冷超導(dǎo)探測器，實(shí)用化和工程化水平仍有較大提升空間。（二）量子密鑰分發(fā)技術(shù)演進(jìn)關(guān)注提升實(shí)用化水平隨著 QKD 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，并不斷開展試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，進(jìn)一步提升其實(shí)用化和商用化水平成為科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注和技術(shù)演進(jìn)的主要方向。QKD 實(shí)用化技術(shù)和應(yīng)用演進(jìn)的主要方向包括基于光子集成（PIC）技術(shù)提升收發(fā)機(jī)的集成度，采用連續(xù)變量（CV）QKD 技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)和商用設(shè)備開發(fā)，以及開展 QKD 與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)的共纖傳輸和融合組網(wǎng)等方面的研究與探索。QKD 技術(shù)的商用化需要在設(shè)備集成度，系統(tǒng)

53、可靠性，解決方案性價(jià)比和標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面進(jìn)行提升。通過與 PIC 和硅光等新型技術(shù)進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) QKD 設(shè)備光學(xué)組件的小型化和集成化， 同時(shí)提升系統(tǒng)的功能性能和可靠性，目前已經(jīng)成為研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注的焦點(diǎn)之一。英國 Bristol 大學(xué)已報(bào)道了基于 InP 和 SiON 等材料的PIC 技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)QKD 設(shè)備量子態(tài)信號調(diào)制器和解調(diào)器的芯片化集成，支持多種編碼調(diào)制方案，可一定程度提高 QKD 系統(tǒng)工程化水平，但目前脈沖光源和單光子探測器（SPD）模塊仍難以實(shí)現(xiàn)集成。我國深圳海思半導(dǎo)體有限公司和山東國訊量子芯科技有限公司等，在QKD 調(diào)制解調(diào)芯片化領(lǐng)域也進(jìn)行了研究布局。

54、CV-QKD 中的高斯調(diào)制相干態(tài)（GG02）協(xié)議應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)采用與經(jīng)典光通信相同的相干激光器和平衡零差探測器，具有集成度與成本方面的優(yōu)勢，量子態(tài)信號檢測效率可達(dá) 80%，便于和現(xiàn)有光通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合部署。主要局限是協(xié)議后處理算法復(fù)雜度高，長距離高損耗信道下的密鑰成碼率較低，并且協(xié)議安全性證明仍有待進(jìn)一步完善。CV-QKD 具有低成本實(shí)現(xiàn)城域安全密鑰分發(fā)的潛力，應(yīng)用部署難度小，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度高，未來可能成為QKD 規(guī)模應(yīng)用可行解決方案。2019 年，北大和北郵報(bào)道了在西安和廣州現(xiàn)網(wǎng) 30 公里和 50 公里光纖，采用線路噪聲自適應(yīng)調(diào)節(jié)和發(fā)射機(jī)本振共纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn) 5.91kbit/s 和

55、 5.77kbit/s 的密鑰成碼率，為 CV-QKD 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的新成果，并在青島開展現(xiàn)網(wǎng)示范應(yīng)用。QKD 商用化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署過程中，由于量子態(tài)光信號的極低光功率，以及單光子探測器的超高檢測靈敏度，所以通常需要獨(dú)立的暗光纖進(jìn)行傳輸，而與其他光通信信號進(jìn)行共纖混合傳輸，可能導(dǎo)致光纖內(nèi)產(chǎn)生的拉曼散射噪聲影響單光子檢測事件響應(yīng)的正確率。QKD 系統(tǒng)與光通信系統(tǒng)的共纖混傳能力是限制現(xiàn)網(wǎng)部署的一個(gè)關(guān)鍵性因素，也是未來發(fā)展演進(jìn)的重要研究方向之一。目前，已有中科大，東芝歐研所，中國電信和中國聯(lián)通等報(bào)道了基于 1310nm 的O 波段 DV-QKD 系統(tǒng)與 1550nm 的 C 波段光通信系統(tǒng)的共纖混

56、傳實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)網(wǎng)測試，但 QKD 系統(tǒng)的密鑰成碼率對光纖的損耗敏感，在實(shí)際應(yīng)用部署中并不推薦使用 O 波段，并且 1310nm 的 QKD 系統(tǒng)商用化程度較低。商用 QKD 系統(tǒng)通常采用 1550nm 的 C 波段作為量子態(tài)光信號波長，與 1310nm 的O 波段光通信設(shè)備的共纖混傳，也在部分運(yùn) 營商進(jìn)行了相關(guān)測試。在限制光通信信號功率至接收機(jī)靈敏度范圍的 條件下，可以支持 QKD 在約 50 公里的城域范圍內(nèi)共纖傳輸和融合部署，并且密鑰成碼率與獨(dú)占光纖傳輸條件仍基本保持相同量級。未 來，在含有光放大器的商用光通信系統(tǒng)中，進(jìn)行 QKD 系統(tǒng)的融合組 網(wǎng)和共纖傳輸，仍然是重要研究方向，在共纖傳輸方面

57、，CV-QKD 采用本振光相干探測和平衡接收，對于拉曼散射噪聲具有較強(qiáng)的容忍度， 相比 DV-QKD 具有一定原理性優(yōu)勢。（三）量子保密通信應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展基于 QKD 的量子保密通信在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步開展了試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，歐盟“量子旗艦計(jì)劃”項(xiàng)目支持西班牙和法國等地運(yùn)營商， 開展 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，與科研項(xiàng)目結(jié)合進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用探索。韓國 SKT 等運(yùn)營商通過收購瑞士 IDQ 股權(quán)等方式，也開始介入 QKD 技術(shù)領(lǐng)域，并承建了韓國首爾地區(qū)的QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。我國量子保密通信的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用發(fā)展較為迅速，近年來中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)及其產(chǎn)業(yè)公司開展了“京滬干線”和國家廣域量子

58、保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等 QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目。中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)建設(shè)了從合肥到蕪湖的“合巢蕪城際量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)”，以及從南京到蘇州總長近 600 公里的“寧蘇量子干線”；華南師大劉頌豪院士團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合啟動建設(shè)覆蓋粵港澳大灣區(qū)的“廣佛肇量子安全通信網(wǎng)絡(luò)”。我國的QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模已處于世界領(lǐng)先。來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理圖 13 我國 QKD 領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備商在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方面，近年來我國又新增了一批由科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化或海外歸國人才創(chuàng)立的 QKD 設(shè)備供應(yīng)商，并且在技術(shù)路線上呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢，QKD 技術(shù)研究

59、機(jī)構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)商情況如 HYPERLINK l _bookmark27 圖 13 所示。CV-QKD 技術(shù)在北大、北郵、上海交大和山西大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)中取得大量研究成果。上海循態(tài)量子、北京啟科量子、北京中創(chuàng)為量子和廣東國騰量子等公司加入 QKD 設(shè)備供應(yīng)商行列，同時(shí)傳統(tǒng)通信設(shè)備行業(yè)中的華為和烽火等設(shè)備供應(yīng)商，也開始關(guān)注基于 CV-QKD 等技術(shù)的商用化設(shè)備，并與傳統(tǒng)通信設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行整合，探索為信息網(wǎng)絡(luò)中的加密通信和安全增值服務(wù)提供解決方案。基于 QKD 的量子保密通信目前主要用于點(diǎn)到點(diǎn)的密鑰共享和基于 VPN 和路由器等有線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸加密。探索將 QKD 與無線通信加密應(yīng)用場景結(jié)合，

60、對于擴(kuò)展量子保密通信的應(yīng)用場景，開拓商業(yè)化應(yīng)用市場，以及推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價(jià)值。其中的主要難點(diǎn)是量子密鑰一旦生成之后，就不再具有由量子物理特性保證的安全性， 所以密鑰本身不能再通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次傳輸。通過使用 QKD 網(wǎng)絡(luò)作為密鑰分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，在不同 QKD 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的安全管理域內(nèi)， 使用密鑰充注設(shè)備可以為符合一定安全性等級要求的移動存儲介質(zhì)， 例如 SD 卡等，進(jìn)行密鑰充注。密鑰存儲介質(zhì)再與具備身份認(rèn)證和加密通信功能的無線終端進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)使用量子密鑰對無線終端 與加密服務(wù)器之間的身份認(rèn)證和會話密鑰協(xié)商過程的加密保護(hù)，從而 為無線通信領(lǐng)域的加密應(yīng)用提供一定程度的量子加密服務(wù)。目前該