中國信通院量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2020年）

中國信通院量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2020年）近年來，量子信息技術(shù)已經(jīng)成為全球各主要國家在科技領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一，規(guī)劃布局和投資支持力度進(jìn)一步加大，量子計(jì)算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域科研探索和技術(shù)創(chuàng)新保持活躍，代表性研究成果和應(yīng)用探索進(jìn)展亮點(diǎn)紛呈、前景可期，在前沿科技領(lǐng)域和信息通信行業(yè)受到廣泛關(guān)注和討論。我國量子信息技術(shù)領(lǐng)域具備良好的研究與應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)，三大領(lǐng)域總體發(fā)展態(tài)勢良好，未來有望進(jìn)一步取得更多技術(shù)研究與應(yīng)用探索的新成果。一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢（一）量子科技將為信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)注入新動能進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著人類對微觀世界認(rèn)識理解的深入和觀測調(diào)控能力的提升，以操控光子、電子和冷原子等人造量子體系，利用量子疊加、糾纏和隧穿等獨(dú)特微觀物理現(xiàn)象為主要特征的第二次量子科技革命浪潮將至。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)的研究和應(yīng)用探索，未來有望突破計(jì)算處理能力、信息安全保障和測量精度極限等方面的難題和瓶頸，成為推動基礎(chǔ)科學(xué)研究探索、信息通信技術(shù)演進(jìn)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動能。（二）全球量子信息領(lǐng)域進(jìn)一步規(guī)劃布局加大投入量子信息技術(shù)具有重要科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值，可能引發(fā)對傳統(tǒng)信息技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊和重構(gòu)的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，并對信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要驅(qū)動作用。近年來，各主要國家紛紛在量子信息技術(shù)領(lǐng)域加強(qiáng)布局規(guī)劃并進(jìn)一步加大支持投入力度，推出發(fā)展戰(zhàn)略和研究應(yīng)用項(xiàng)目規(guī)劃，公開的相關(guān)項(xiàng)目規(guī)劃和投資情況如圖

2

所示。量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用，有望成為未來重大技術(shù)創(chuàng)新“動力源”和“助推器”，已成為全球人類科技的共同探索與關(guān)注焦點(diǎn)之一。在各國發(fā)展規(guī)劃和項(xiàng)目布局中，量子計(jì)算、量子通信和量子測量等重點(diǎn)技術(shù)方向已形成普遍共識。針對三大領(lǐng)域的不同發(fā)展階段、技術(shù)成熟度和應(yīng)用前景，以分領(lǐng)域和分階段方式，對前沿研究、應(yīng)用探索、創(chuàng)業(yè)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)推動和人才培養(yǎng)等方面進(jìn)行綜合規(guī)劃布局和長期滾動投入也是各國在量子信息領(lǐng)域布局規(guī)劃的通行做法。我國對量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、示范應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)培育一直高度重視?？萍疾亢椭锌圃和ㄟ^自然科學(xué)基金、“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等多項(xiàng)科技項(xiàng)目，對量子信息基礎(chǔ)科研應(yīng)用探索進(jìn)行支持。發(fā)改委牽頭組織實(shí)施量子保密通信“京滬干線”，國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)等試點(diǎn)項(xiàng)目和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。工信部組織開展量子保密通信應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)研究，支持和引導(dǎo)量子信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究和產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新。（三）量子信息三大領(lǐng)域科研和技術(shù)創(chuàng)新保持活躍量子信息技術(shù)已成為全球科研領(lǐng)域關(guān)注焦點(diǎn)之一。量子信息科研論文主要分布在物理學(xué)、光學(xué)和工程領(lǐng)域，同時(shí)與計(jì)算科學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域也有較多關(guān)聯(lián)，覆蓋面廣，交叉特點(diǎn)明顯，其中，科研論文發(fā)表量排名前

20

名的高水平期刊匯聚了超過

45%的科研論文。近年來，量子信息三大領(lǐng)域科研論文發(fā)文量持續(xù)上升，研究創(chuàng)新活躍，如圖

4

所示。其中，量子計(jì)算上升趨勢最明顯，美國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的論文數(shù)量超過

8000

篇，位列第一，中國緊隨其后超過

4000篇，其次是德、日、英、加、法等，成為量子計(jì)算技術(shù)研究創(chuàng)新主要來源。量子通信領(lǐng)域，量子密鑰分發(fā)（QKD）相關(guān)論文數(shù)量持續(xù)上升，量子隱形傳態(tài)（QT）相關(guān)論文近年來數(shù)量相對保持平穩(wěn)，或與其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍未取得突破有一定關(guān)系。中國量子通信論文量位列第一，超過

4000

篇，其次是美、日、德、英、加、意、澳等國，在全球發(fā)文量前

25

中有

10

家是中國高?；蚩蒲袉挝?。外國機(jī)構(gòu)中，滑鐵盧大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、MIT、多倫多大學(xué)、日內(nèi)瓦大學(xué)等有較多研究成果。量子測量論文量超過

4000

篇，美國科研機(jī)構(gòu)發(fā)文量位列第一，中、德、日、英等國緊隨其后。二、量子計(jì)算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展（一）物理平臺仍處攻堅(jiān)期，多條技術(shù)路線并行發(fā)展量子處理器作為量子計(jì)算的“核心引擎”，其物理平臺實(shí)現(xiàn)仍是當(dāng)前階段量子計(jì)算研究與應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一，技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化和并行發(fā)展態(tài)勢，主流方案包含超導(dǎo)、離子阱、硅基半導(dǎo)體、光量子和拓?fù)涞取＝陙?，量子?jì)算處理器物理平臺的技術(shù)研究和樣機(jī)研制發(fā)展進(jìn)一步加速，各技術(shù)路線的量子物理比特位數(shù)和量子體積指標(biāo)的主要發(fā)展情況如圖

8

所示，除拓?fù)渎肪€之外，前四種技術(shù)路線均已實(shí)現(xiàn)量子物理比特，正在向?qū)崿F(xiàn)可糾錯的量子邏輯比特邁進(jìn)。未來，業(yè)界或?qū)⒉辉賳渭冏非笪锢肀忍財(cái)?shù)量規(guī)模的擴(kuò)展，而在邏輯門保真度、相干時(shí)間等質(zhì)量方面同步提升，關(guān)注量子體積等綜合性能評價(jià)指標(biāo)。部分科技巨頭與初創(chuàng)企業(yè)量子計(jì)算硬件的布局投入情況如圖

9所示，超導(dǎo)和離子阱技術(shù)路線目前仍處于領(lǐng)先地位，受到關(guān)注程度最高，硅基半導(dǎo)體和光量子路線發(fā)展提速，但目前仍無任何一種路線能夠完全滿足實(shí)用化條件要求從而推動技術(shù)方案的融合收斂。超導(dǎo)技術(shù)路線得到

Google和

IBM兩大科技巨頭加持，量子物理比特?cái)?shù)量近年來穩(wěn)步提升，IBM近期公布

2023

年實(shí)現(xiàn)超

1000

位量子物理比特的愿景。超導(dǎo)路線可以借力先進(jìn)集成電路加工工藝從而實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)量規(guī)模的快速擴(kuò)展，但邏輯門保真度和相干時(shí)間方面存在一定短板，比特間連接的物理布線工藝難度要求將隨著比特?cái)?shù)增加而大幅提升，實(shí)現(xiàn)所有物理比特之間的全局糾纏聯(lián)通將十分困難。此外，mK溫區(qū)的工作環(huán)境要求，將導(dǎo)致配套設(shè)備系統(tǒng)隨比特?cái)?shù)量的增長而出現(xiàn)更為嚴(yán)苛的工程化挑戰(zhàn)。我國中科大、南方科大、中電科、阿里巴巴和本源量子等研究機(jī)構(gòu)和公司在超導(dǎo)路線開展了研究和布局。離子阱技術(shù)路線在物理比特質(zhì)量和邏輯門保真度等方面具有一定優(yōu)勢，同時(shí)具備室溫條件工作的優(yōu)點(diǎn)，近年來

Honeywell和

IonQ等公司也在物理比特?cái)?shù)量和量子體積指標(biāo)等方面屢創(chuàng)新高，成為量子計(jì)算物理平臺技術(shù)方案的另一個有力競爭者。2020

年

10

月，IonQ公司報(bào)道僅依靠

32

位高質(zhì)量全連接的量子物理比特即可實(shí)現(xiàn)四百萬量子體積性能指標(biāo)，將該指標(biāo)直接推向指數(shù)增長區(qū)間。2020

年

11

月，美國

MIT林肯實(shí)驗(yàn)室報(bào)道實(shí)現(xiàn)基于集成光學(xué)的離子阱處理芯片，同期

Honeywell報(bào)道差異化量子電荷耦合離子阱

10

位全連接物理比特樣機(jī)，計(jì)劃

2030

年提升至

40

位。離子阱方案在真空工作環(huán)境要求，門操作時(shí)間指標(biāo)和激光讀寫操控復(fù)雜度等方面存在一定短板，單平臺實(shí)現(xiàn)物理比特?cái)?shù)量的大規(guī)模擴(kuò)展也存在瓶頸。一種可能思路是通過多個中小規(guī)模的模塊化平臺，基于光子糾纏的傳輸和互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模塊級的物理比特?cái)?shù)量擴(kuò)展，而離子阱平臺基于激光操控的光學(xué)方案也適用于實(shí)現(xiàn)此類量子信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)，乃至遠(yuǎn)距離傳輸構(gòu)建所謂量子互聯(lián)網(wǎng)。我國清華大學(xué)、中山大學(xué)和啟科量子等研究機(jī)構(gòu)和公司在離子阱路線有所布局和研究。硅半導(dǎo)體技術(shù)路線與現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路工藝兼容，在可擴(kuò)展性和可集成性等方面具有優(yōu)勢，Intel、TUDelft和新南威爾士大學(xué)等公司和研究機(jī)構(gòu)長期重點(diǎn)投入。近期研究包括推動硅基自旋方案和電荷方案融合，探索基于“納米線”腔的量子互聯(lián)總線，將雙比特邏輯門保真度提升至

99.99%的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，以及將環(huán)境工作溫度提升至

1K量級的實(shí)驗(yàn)成果等。但硅基半導(dǎo)體路線物理比特易受環(huán)境噪聲影響且物理機(jī)制復(fù)雜，對于硅材料雜化制備工藝和測控技術(shù)要求較高，近年來在物理比特?cái)?shù)量等指標(biāo)方面暫無突破性提升。我國中科大和本源量子等研究機(jī)構(gòu)和公司在硅半導(dǎo)體路線持續(xù)開展研究。光量子技術(shù)路線在相干時(shí)間、室溫工作、高維糾纏操控等方面具有優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)量子信息系統(tǒng)互聯(lián)方面也具有天然優(yōu)勢。我國中科大在光量子計(jì)算研究探索方面處于領(lǐng)先，近期報(bào)道實(shí)現(xiàn)

50

位光量子物理比特糾纏操控和玻色取樣實(shí)驗(yàn)。但基于離散器件平臺的光量子計(jì)算探索在比特?cái)?shù)量大規(guī)模擴(kuò)展方面將面臨很大困難，基于光子集成的光量子芯片或?qū)⒊蔀槲磥戆l(fā)展演進(jìn)的重要方向，上海交大在該領(lǐng)域開展了布局研究。美國初創(chuàng)公司

PsiQuantum宣稱有望數(shù)年內(nèi)基于硅光集成實(shí)現(xiàn)擁有百萬位量子物理比特的光量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算硬件物理平臺研究與發(fā)展演進(jìn)可大致分為三個階段，如圖

10

所示。當(dāng)前正處于工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和原型樣機(jī)研發(fā)的技術(shù)攻堅(jiān)期，即將進(jìn)入中等規(guī)模含噪量子（NoisyIntermediateScaleQuantum，簡稱NISQ）專用處理器研制與應(yīng)用探索階段。在此階段將基于百位量級物理量子物理比特，在含有噪聲，即未實(shí)現(xiàn)量子糾錯的條件下，探索開發(fā)相關(guān)應(yīng)用和解決特定計(jì)算困難問題。隨著量子物理比特?cái)?shù)量和質(zhì)量未來的提升，遠(yuǎn)期有望實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，并進(jìn)一步面向更廣泛的應(yīng)用場景，如

RSA密鑰破解和大規(guī)模無序數(shù)據(jù)集搜索等。（二）量子軟件全新構(gòu)建，量子算法展開實(shí)用化探索量子計(jì)算在底層運(yùn)行邏輯和算法軟件設(shè)計(jì)等方面，與經(jīng)典計(jì)算有很大不同，需要軟件編程者和應(yīng)用開發(fā)者具備量子計(jì)算的思維邏輯和工程適配能力，量子計(jì)算軟件的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)棧目前處于新構(gòu)階段，量子計(jì)算的軟件生態(tài)還在初步培育期。量子計(jì)算軟件的分類如圖

11所示，大致可分為底座型基礎(chǔ)運(yùn)行類軟件、中臺型計(jì)算開發(fā)類軟件和門戶型應(yīng)用服務(wù)類軟件等三種不同類型。基礎(chǔ)運(yùn)行類軟件基于硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)軟件功能，包括量子邏輯門、量子電路、量子模擬加速組件、量子編譯器和量子測控器等，是量子計(jì)算軟件技術(shù)發(fā)展核心，也是上層軟件開發(fā)和應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。技術(shù)門檻高，專業(yè)人才匱乏，目前僅少數(shù)高端測控或精密儀器類型企業(yè)布局參與，軟件類型較為稀缺，處于發(fā)展初期。計(jì)算開發(fā)類軟件通過封裝基礎(chǔ)組件實(shí)現(xiàn)開發(fā)功能，包括量子編程語言、量子算法庫、量子計(jì)算

GUI和量子計(jì)算

SDK等，定位于提供量子計(jì)算軟件技術(shù)應(yīng)用開發(fā)平臺。編程框架及開發(fā)庫主要以開源項(xiàng)目方式呈現(xiàn)，軟件體量大，應(yīng)用生態(tài)建立逐步開展。目前，科技巨頭利用產(chǎn)業(yè)生態(tài)位優(yōu)勢，聯(lián)合上下游企業(yè)與用戶，積極開展相關(guān)布局和開源社區(qū)建設(shè)，正在快速迭代，產(chǎn)業(yè)參與度高發(fā)展活躍。應(yīng)用服務(wù)類軟件通過上層編程開發(fā)，探索面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的業(yè)務(wù)與服務(wù)軟件，包括分子化學(xué)、網(wǎng)絡(luò)搜索、智能識別、量化金融、材料設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件等。應(yīng)用服務(wù)類軟件定位于匹配行業(yè)應(yīng)用需求，開展計(jì)算困難問題建模，體現(xiàn)量子計(jì)算的算力優(yōu)勢，是量子計(jì)算階段開展實(shí)用化探索的關(guān)鍵。應(yīng)用軟件研發(fā)多以量子計(jì)算和行業(yè)應(yīng)用企業(yè)合作的方式開展，目前處于開放探索階段。量子計(jì)算未來有望進(jìn)入

NISQ專用機(jī)的應(yīng)用探索階段，挖掘含噪約束下的量子計(jì)算能力，探索未來大規(guī)模通用量子計(jì)算的算力潛力是算法領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。量子算法研究存在多種探索方向，主要代表性算法的發(fā)展歷程如圖

12

所示，其中

NISQ條件下經(jīng)典+混合量子算法、通用量子算法和量子啟發(fā)式經(jīng)典算法成為近期熱點(diǎn)。NISQ條件下經(jīng)典+混合量子算法是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，其中以

VQE和

QAOA為代表的算法有望在

NISQ計(jì)算架構(gòu)下解決化學(xué)模擬和組合優(yōu)化等特定計(jì)算問題。2020

年

8

月

Google報(bào)道實(shí)現(xiàn)兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構(gòu)化反應(yīng)的過程模擬，華為發(fā)布

HiQFermion量子化學(xué)模擬應(yīng)用軟件，利用

VQE算法進(jìn)行化學(xué)分子能量預(yù)測，為近期代表性成果。通用量子算法中的量子機(jī)器學(xué)習(xí)是目前研究熱點(diǎn)之一，但仍有諸多開放性問題處于探索階段，如數(shù)據(jù)與特征的量子編碼與制備問題，量子版本機(jī)器學(xué)習(xí)是否可以真正發(fā)揮量子計(jì)算優(yōu)勢，復(fù)雜靈活的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)如何與量子計(jì)算硬件進(jìn)行協(xié)同等問題，仍有待進(jìn)一步探索。Google發(fā)布

TensorFlowQuantum和量子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案，提供在線訓(xùn)練和模型評估功能，有望加速量子機(jī)器學(xué)習(xí)探索。量子啟發(fā)式經(jīng)典算法是近期提出的新研究方向，通過在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上借鑒量子計(jì)算的設(shè)計(jì)思想、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算邏輯，可實(shí)現(xiàn)對推薦系統(tǒng)等特定問題的處理加速，有望成為新的實(shí)用化探索方向。（三）量子計(jì)算應(yīng)用場景探索多元化開展，前景看好近期，量子計(jì)算在不同領(lǐng)域和行業(yè)開展了較為廣泛的應(yīng)用探索，未來將進(jìn)入應(yīng)用探索和成果涌現(xiàn)的“活躍期”。未來五年左右，基于NISQ專用量子計(jì)算機(jī)，有望在量子化學(xué)模擬、量子組合優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿探索領(lǐng)域率先取得突破，出現(xiàn)“殺手級應(yīng)用”，打開量子計(jì)算實(shí)用化之門。在量子計(jì)算應(yīng)用探索中代表性的典型應(yīng)用場景和領(lǐng)域如圖

13

所示，近期主要進(jìn)展集中在量子化學(xué)模擬、量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子組合優(yōu)化等應(yīng)用探索方面?；瘜W(xué)反應(yīng)過程的模擬和分析對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，由于變量復(fù)雜和建模困難，計(jì)算量將呈指數(shù)級增長，非常具有挑戰(zhàn)性。量子化學(xué)模擬在化學(xué)制劑和生物醫(yī)藥研發(fā)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用潛力，或?qū)⒊蔀槲磥砹孔佑?jì)算可切入的市場之一。據(jù)相關(guān)報(bào)道，量子模擬可提高藥物發(fā)現(xiàn)率，并節(jié)約研發(fā)時(shí)間，同時(shí)更優(yōu)的分子設(shè)計(jì)將提高藥物審批率。國內(nèi)外已有若干量子云計(jì)算企業(yè)與醫(yī)藥行業(yè)企業(yè)合作，開展量子化學(xué)模擬的應(yīng)用探索研究工作。2020

年

8

月，Google報(bào)道量子計(jì)算機(jī)模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，再次震驚量子領(lǐng)域。量子處理器模擬一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構(gòu)化反應(yīng)，結(jié)果與經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了此次實(shí)驗(yàn)正確性。在數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增長，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理能力接近極限的背景下，量子計(jì)算潛在的算力優(yōu)勢讓其與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合成為業(yè)界關(guān)注的方向。將量子計(jì)算運(yùn)用于機(jī)器學(xué)習(xí)，不僅能突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題，更會為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域帶來全新的技術(shù)變革。組合優(yōu)化問題是在一定約束條件下，尋找某個多變量目標(biāo)函數(shù)的極小值，這個極小值被認(rèn)為是全局最優(yōu)解，然而組合優(yōu)化問題的搜索空間往往隨著搜索規(guī)模呈指數(shù)級增長，導(dǎo)致有效時(shí)間內(nèi)難以求解，或難以獲得全局性最優(yōu)解。量子退火算法和量子近似優(yōu)化算法等有希望為超大規(guī)模的特定組合優(yōu)化問題提供解決方案。自從

2019

年

Google在量子隨機(jī)線路采樣問題上展示了量子優(yōu)越性，對量子計(jì)算實(shí)用化探索形成了良性激勵。以應(yīng)用為導(dǎo)向，在諸多領(lǐng)域開展量子計(jì)算解決實(shí)際計(jì)算困難問題的先導(dǎo)性探索，將成為量子計(jì)算未來發(fā)展的主要特征之一。當(dāng)前階段，諸多行業(yè)看好量子計(jì)算的商業(yè)潛力，如果某個具有應(yīng)用價(jià)值的算法一旦驗(yàn)證其加速有效性后，可能會具有巨大的市場需求。根據(jù)波士頓咨詢（BCG）公司預(yù)測，到2030

年量子計(jì)算應(yīng)用的市場規(guī)模有望達(dá)到

500

億美元。近期，法國航天巨頭空客（AirBus）公司組織量子計(jì)算應(yīng)用挑戰(zhàn)賽，邀請全球量子計(jì)算企業(yè)參加，我國本源量子成為進(jìn)入決賽五支隊(duì)伍之一。（四）量子云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)逐漸成型，競爭日益激烈量子云計(jì)算通過經(jīng)典云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供量子計(jì)算硬件接入、模擬及軟件服務(wù)，將成為未來量子計(jì)算能力輸出的主要途徑之一。國內(nèi)外云計(jì)算企業(yè)、初創(chuàng)公司和科研機(jī)構(gòu)普遍看好量子云計(jì)算應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿?，加快布局推動，在技術(shù)能力和服務(wù)模式等方面各具特色。量子云平臺在量子計(jì)算研究和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的角色定位日漸清晰，主要應(yīng)用與服務(wù)發(fā)展定位包含三個方面，如圖

17

所示。一是，助推量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。二是，促進(jìn)多領(lǐng)域創(chuàng)新融合。三是，加速量子計(jì)算科普與教育。國外科技巨頭

IBM、Google、微軟、Amazon等紛紛布局量子云計(jì)算，搶占未來發(fā)展先機(jī)，初創(chuàng)企業(yè)百家爭鳴，為培養(yǎng)用戶習(xí)慣與生態(tài)地位，目前競爭如火如荼，量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。國內(nèi)量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前典型企業(yè)包括阿里巴巴、華為、百度等科技公司和本源、量旋等初創(chuàng)企業(yè)，在軟硬件研發(fā)、生態(tài)建設(shè)方面與全球先進(jìn)水平仍有一定距離，但發(fā)展勢頭和前景良好，依托國內(nèi)海量的用戶群體與信息化基礎(chǔ)，量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)將逐步興起。量子云計(jì)算當(dāng)前處于快速發(fā)展階段，不但具有復(fù)雜的技術(shù)特征，同時(shí)具備多態(tài)的應(yīng)用場景與服務(wù)體驗(yàn)。量子云計(jì)算的科學(xué)測評，在方法論和實(shí)踐層面，對引導(dǎo)量子計(jì)算的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、服務(wù)良性發(fā)展具有重要推動作用。如圖

18

所示，針對量子云計(jì)算的技術(shù)現(xiàn)狀、服務(wù)模式和應(yīng)用需求，中國信通院與業(yè)界協(xié)同探索量子云計(jì)算評測體系研究，提出量子云計(jì)算測評體系框架，包括測評原則、測評方法、測評流程、測評框架等方面。基于體系框架和測評維度對國內(nèi)外量子云計(jì)算平臺和相關(guān)服務(wù)開展初步評測探索，相關(guān)發(fā)展態(tài)勢研究分析和量子云平臺測評內(nèi)容可參見中國信通院于

2020

年

10

月發(fā)布的《量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢研究報(bào)告（2020）》。（五）應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步構(gòu)建，標(biāo)準(zhǔn)化研究同步推進(jìn)在量子計(jì)算樣機(jī)研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建等方面，美國多年來持續(xù)大力投入，已建立領(lǐng)先優(yōu)勢，更將量子計(jì)算研發(fā)提升至阿波羅登月計(jì)劃的高度，認(rèn)為是必須占領(lǐng)的下一個技術(shù)高地。加、英、歐、日、澳等國也具備很強(qiáng)技術(shù)實(shí)力并緊密跟隨，相關(guān)國家之間形成并不斷強(qiáng)化聯(lián)盟優(yōu)勢?？萍季揞^間的激烈競爭，有力推動了量子計(jì)算技術(shù)的加速發(fā)展。IBM、Google、Honeywell、微軟均采取硬件、軟件及量子計(jì)算云服務(wù)的多方位全棧式商業(yè)模式；量子處理器硬件方面，IBM、Google主攻超導(dǎo)路線，Honeywell專注離子阱路線，微軟布局拓?fù)浜屯顿Y光量子兩種路線。四家科技巨頭均推出量子計(jì)算云平臺，微軟可提供三家合作企業(yè)和不同技術(shù)路線的量子硬件云接入服務(wù)。Intel側(cè)重量子處理器硬件研發(fā)及制造代工，同時(shí)布局硅量子點(diǎn)和超導(dǎo)技術(shù)路線。Amazon專注量子云服務(wù)，硬件方面與初創(chuàng)企業(yè)及高校合作，可提供退火、離子阱和超導(dǎo)不同量子處理器接入方案。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)合作或聘請國際知名科學(xué)家成立量子實(shí)驗(yàn)室，在量子處理器硬件、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。總體而言，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)用推動等方面存在一定差距。初創(chuàng)企業(yè)是推動量子計(jì)算技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一重要力量。近年來，各國政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機(jī)構(gòu)的投入持續(xù)增加，全球已有百余家量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)。量子計(jì)算目前仍處于應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)探索的初期，但氣象、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、圖像識別等眾多行業(yè)已開始關(guān)注和重視到其中的巨大發(fā)展?jié)摿?，開始與科技企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)合作探索，生態(tài)鏈不斷壯大。其中，不同類型的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在量子計(jì)算生態(tài)建設(shè)中起到了巨大的推動作用。IBM發(fā)起

QNetwork聯(lián)盟，全球超過

100

家組織、160

個國家、20

萬名用戶使用其量子計(jì)算云服務(wù)，探索在人工智能、金融、智慧交通、生物醫(yī)藥、航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。微軟成立“微軟量子網(wǎng)絡(luò)”和“西北量子聯(lián)盟”，成員包括數(shù)十家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)。加拿大成立了量子產(chǎn)業(yè)部（QuantumIndustryCanada，QIC），聚集了量子領(lǐng)域的

24

家公司，向全球的量子技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)、人才和投資者宣傳加拿大的量子準(zhǔn)備，同時(shí)與省政府和聯(lián)邦政府合作，從戰(zhàn)略上支持量子技術(shù)這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在產(chǎn)業(yè)配套設(shè)施設(shè)備供應(yīng)鏈方面，精密機(jī)械、低溫平臺、真空室、微波器件、光學(xué)組件及系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套不斷完善，既有

JanisResearch等老牌企業(yè)提供已有工業(yè)基礎(chǔ)平臺的共享，也有

ColdQuanta、Qblox和QuantumMicrowave等新興企業(yè)推動助力發(fā)展。ITU-T、IEEE、ISO/IEC等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛開展量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化布局以及標(biāo)準(zhǔn)化研究的前期工作。IEEEP7130

正在開展量子計(jì)算術(shù)語定義相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，P7131

開展量子計(jì)算性能度量指標(biāo)和基準(zhǔn)測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。ITU-TQIT4N焦點(diǎn)組在

WG1

中開展量子計(jì)算應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)影響等方面的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研工作。ISO/IEC開展對量子計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化需求、應(yīng)用場景和術(shù)語定義研究。全國量子計(jì)算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC578）目前正開展量子計(jì)算術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目

1

項(xiàng)，研究課題

4

項(xiàng)。三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展外界對量子通信或存在一些誤解和過度解讀，容易引發(fā)不必要的爭議，不利于凝聚共識形成合力，此處擇要做幾點(diǎn)解釋說明。第一，QKD只是量子通信的應(yīng)用之一，直接將二者劃等號以偏概全，并非恰當(dāng)表述；第二，量子通信的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)（Qubit）的傳輸，與傳輸確定信息（Bit）的經(jīng)典通信面向不同應(yīng)用場景，更不存在替代關(guān)系；第三，量子通信必須借助經(jīng)典通信的輔助才能完成，例如

QKD中的協(xié)議后處理信息交互，QT中的貝爾態(tài)聯(lián)合測量結(jié)果傳輸?shù)?，不存在信息超光速傳輸?shù)那闆r；第四，量子通信中的

QKD和

QT等應(yīng)用，有望為提升經(jīng)典通信的安全性或組網(wǎng)協(xié)議功能等方面提供新型解決方案，但實(shí)用化和工程化等方面仍有問題瓶頸需探索突破。（一）構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)是量子通信發(fā)展遠(yuǎn)期目標(biāo)量子信息網(wǎng)絡(luò)基于

QT實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)信息的傳輸和組網(wǎng)。收發(fā)雙方首先通過糾纏光子對

A、B的制備與分發(fā)，即量子糾纏分發(fā)，構(gòu)建量子通信信道。之后發(fā)送方將包含未知量子態(tài)信息的光子

X與糾纏光子

A進(jìn)行貝爾態(tài)聯(lián)合測量，并通過經(jīng)典通信信道告知接收方測量結(jié)果。最后接收方據(jù)此對糾纏光子

B進(jìn)行相應(yīng)的酉變換操作，得到發(fā)送方光子

X的量子態(tài)信息，完成量子通信過程。其中，量子態(tài)信息的物理載體是單光子或光子糾纏對，也稱“飛行量子比特”；傳輸介質(zhì)可采用光纖或自由空間信道；為克服環(huán)境噪聲、傳輸退相干和信道損耗等影響，需要進(jìn)行量子態(tài)信息存儲，以及基于量子糾錯、糾纏純化和糾纏交換實(shí)現(xiàn)的量子中繼；各種量子態(tài)信息處理器節(jié)點(diǎn)，如量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器等，其中的物質(zhì)量子比特，如電子自旋和冷原子等，也需要與光子進(jìn)行量子態(tài)的轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)傳輸。量子信息網(wǎng)絡(luò)通過量子隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息在處理系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，可以形成多個量子信息處理模塊的互聯(lián)互通。對于量子計(jì)算模塊而言，由于量子態(tài)的疊加特性，實(shí)現(xiàn)

n位量子態(tài)信息的互聯(lián)，將可以使其表征的狀態(tài)空間，以及相應(yīng)的狀態(tài)演化處理能力得到

2n倍指數(shù)量級提升，擴(kuò)展量子計(jì)算處理能力。對于量子測量模塊而言，在多參數(shù)的全局變量測量條件下，基于糾纏互聯(lián)形成量子傳感器網(wǎng)絡(luò)，將可以進(jìn)行提升測量精度，突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，在量子時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)和量子限精密成像設(shè)備組網(wǎng)等方面獲得應(yīng)用。此外，實(shí)現(xiàn)廣域端到端量子態(tài)確定性傳輸，也將為提升安全通信能力，發(fā)掘新型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議方案等方面提供目前無法企及的解決方案。在量子信息網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用探索方面，國內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得一些初步進(jìn)展，但多為原理性探索和概念性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，距離實(shí)用化仍有較大差距。量子信息網(wǎng)絡(luò)是集量子態(tài)信息傳輸、轉(zhuǎn)換、中繼和處理等功能為一體的綜合形態(tài)，被認(rèn)為是量子通信技術(shù)發(fā)展的遠(yuǎn)期目標(biāo)。根據(jù)關(guān)鍵使能技術(shù)需求和預(yù)期應(yīng)用場景，量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和組網(wǎng)應(yīng)用大致可分為量子加密網(wǎng)絡(luò)、量子存儲網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)三個階段。量子加密網(wǎng)絡(luò)可被認(rèn)為是量子信息網(wǎng)絡(luò)的初級階段，基于量子疊加態(tài)或糾纏態(tài)的概率性制備與測量，可以實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)、安全識別和位置驗(yàn)證等加密功能，典型應(yīng)用是已進(jìn)入實(shí)用化的

QKD網(wǎng)絡(luò)。我國量子通信領(lǐng)域研究和應(yīng)用探索目前側(cè)重于量子加密網(wǎng)絡(luò)層面。目前，由于量子存儲中繼技術(shù)無法實(shí)用，QKD遠(yuǎn)距離傳輸和組網(wǎng)依靠密鑰落地逐段中繼的“可信中繼”方案。量子存儲網(wǎng)絡(luò)是量子信息網(wǎng)絡(luò)下一階段研究和應(yīng)用探索關(guān)注的重點(diǎn)，將具備確定性糾纏分發(fā)、量子態(tài)存儲和糾纏中繼等功能和能力，可支持盲量子計(jì)算、量子時(shí)頻同步組網(wǎng)和量子計(jì)量基線擴(kuò)展等新型應(yīng)用。量子存儲網(wǎng)絡(luò)是未來量子通信研究和應(yīng)用探索關(guān)注的重要方向，國外開始在基礎(chǔ)組件、系統(tǒng)集成、組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和協(xié)議開發(fā)等方面進(jìn)行布局研討與推動，發(fā)展趨勢應(yīng)引起關(guān)注和重視。量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是量子信息網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成熟融合之后的高級階段，將進(jìn)一步包含可容錯和糾錯的通用量子計(jì)算處理和大規(guī)模量子糾纏組網(wǎng)等功能和能力，可用于分布式量子計(jì)算提升量子態(tài)信息處理能力，以及實(shí)現(xiàn)量子糾纏協(xié)議組網(wǎng)等應(yīng)用場景。需要說明的是，對于量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)終極形態(tài)中可能誕生的潛在應(yīng)用和引發(fā)的技術(shù)變革，當(dāng)前階段僅為管中窺豹，無法全面預(yù)測分析，但其中所蘊(yùn)含的可能性和想象空間，或不亞于今日之互聯(lián)網(wǎng)。（二）實(shí)現(xiàn)量子信息組網(wǎng)仍有待核心關(guān)鍵技術(shù)突破量子信息網(wǎng)絡(luò)將是通過量子糾纏信道進(jìn)行量子態(tài)傳輸?shù)男滦途W(wǎng)絡(luò)，與經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)物理資源，信息傳輸和承載物理信道，信號狀態(tài)的調(diào)控、轉(zhuǎn)換、存儲與中繼方案，組網(wǎng)設(shè)備和連接對象，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，組網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)及應(yīng)用演進(jìn)發(fā)展趨勢等各方面都存在較大差異，本節(jié)嘗試從上述各方面對量子信息網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性進(jìn)行初步的梳理與對比，如圖

21

所示。從中可以看出，構(gòu)成量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵使能技術(shù)，核心組網(wǎng)控制機(jī)理，基礎(chǔ)使能組件和架構(gòu)接口協(xié)議等問題尚處于研究和討論的初步階段，其研究和應(yīng)用探索剛剛起步，短期內(nèi)并不存在大規(guī)模部署和落地應(yīng)用前景。量子信息網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)組件處于研究探索階段，近年來國內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)取得一些初步進(jìn)展。2019

年，中科大報(bào)道基于多維糾纏簇態(tài)制備和后選擇貝爾態(tài)測量實(shí)現(xiàn)多信道間光子對任意連接，提升糾纏態(tài)分發(fā)效率，基于六個獨(dú)立參量下轉(zhuǎn)換雙光子糾纏源實(shí)現(xiàn)

12

光子無存儲量子中繼器。荷蘭德爾福特理工報(bào)道基于固態(tài)電子自旋量子位，實(shí)現(xiàn)存儲時(shí)間可達(dá)一分鐘的

10

位量子存儲器，通過

NV色心控制電子自旋，以微波脈沖進(jìn)行控制和光脈沖讀出，未來可擴(kuò)展進(jìn)行糾錯編碼。美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局報(bào)道基于離子阱體系實(shí)現(xiàn)

340um間隔量子比特位之間受控非門（CNOT）邏輯運(yùn)算操作隱形傳態(tài)，其中以鎂離子糾纏對分發(fā)和鈹-鎂離子

BSM實(shí)現(xiàn)聯(lián)合邏輯門操作，成功率達(dá)87%。2020

年，中科大報(bào)道冷原子系綜存儲器之間糾纏操作實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室

50

公里距離和現(xiàn)網(wǎng)

22

公里距離實(shí)現(xiàn)量子糾纏操作實(shí)驗(yàn)，其中采用環(huán)形腔增強(qiáng)光子與原子系綜耦合，非線性頻率轉(zhuǎn)換優(yōu)化光纖傳輸效率，雙重相位鎖定控制光程差。中科大和美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合報(bào)道在離子阱體系中對帶電的鈣原子和氫化鈣分子進(jìn)行基于激光調(diào)控的聯(lián)合調(diào)控，觀測二者之間能量狀態(tài)變化的關(guān)聯(lián)系，首次制備和觀測到單原子和單分子之間的量子糾纏態(tài)。中科大報(bào)道采用飛秒激光加工實(shí)現(xiàn)稀土離子晶體光波導(dǎo)固態(tài)量子存儲器，保真度達(dá)到

99%并具有可集成和擴(kuò)展性，使用

0.5K深低溫共振譜儀，提高自旋回波信噪比，提升量子存儲時(shí)間至

40ms量級。量子信息網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)組件研究目前仍處于開放式探索階段，解決方案和技術(shù)路線尚未收斂，控制性因素在短期內(nèi)獲得重大突破并達(dá)到實(shí)用化水平可能性較小。在量子信息網(wǎng)絡(luò)核心基礎(chǔ)組件研究的基礎(chǔ)上，網(wǎng)元設(shè)備系統(tǒng)化集成和組網(wǎng)傳輸技術(shù)驗(yàn)證也開始初步布局和探索。在系統(tǒng)化集成方面，主要是借鑒經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)的解決方案和成熟經(jīng)驗(yàn)，將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的超低損耗光纖、光路交換開關(guān)和復(fù)用解復(fù)用器等輔助性組件，與前述的核心組件進(jìn)行波長帶寬規(guī)劃和光學(xué)接口規(guī)范等方面的系統(tǒng)化集成和軟件定義化管控。由于目前核心基礎(chǔ)組件尚未實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案定型和實(shí)用化突破，目前所提出的系統(tǒng)化集成仍是初級階段的框架性和總體性概念，具體實(shí)現(xiàn)方式仍需要長期發(fā)展演進(jìn)。預(yù)計(jì)在基礎(chǔ)組件獲得突破之后，系統(tǒng)集成和管控等方面的成熟方案和經(jīng)驗(yàn)將可以較為快速的重用和移植，預(yù)計(jì)將不會是量子信息組網(wǎng)的主要技術(shù)障礙。在組網(wǎng)傳輸技術(shù)驗(yàn)證方面，國外計(jì)劃和部署開展包含初步量子存儲中繼功能的多節(jié)點(diǎn)和中長距離組網(wǎng)傳輸試驗(yàn)網(wǎng)的技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用場景探索，同時(shí)推動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、堆棧和協(xié)議等方面的探討和標(biāo)準(zhǔn)化。目前組網(wǎng)傳輸技術(shù)驗(yàn)證仍處于布局起步階段，主要是針對現(xiàn)階段可用的初級基礎(chǔ)組件原理樣機(jī)開展驗(yàn)證，并為基礎(chǔ)組件研究提供引導(dǎo)、助力和檢驗(yàn)。未來將在系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議接口、配置方案和互聯(lián)互通等方面開展研究、驗(yàn)證和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。（三）QKD科研取得新成果，應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化持續(xù)探索作為量子通信領(lǐng)域目前進(jìn)入初步實(shí)用化的應(yīng)用方向，QKD技術(shù)在國內(nèi)外相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的持續(xù)推動下，科學(xué)研究方向逐步聚焦，實(shí)驗(yàn)探索進(jìn)一步深入，在新型協(xié)議系統(tǒng)，最遠(yuǎn)傳輸距離，芯片化集成和組網(wǎng)場景開發(fā)等方面取得一系列新成果。本節(jié)對

QKD領(lǐng)域最新代表性科研進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述，供業(yè)界參考。在離散變量量子密鑰分發(fā)（DV-QKD）技術(shù)路線方面，基于中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單光子干涉測量的新型雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議（TF-QKD）能夠消除測量節(jié)點(diǎn)的安全漏洞并進(jìn)一步提升

QKD系統(tǒng)的傳輸能力，成為未來

QKD技術(shù)升級演進(jìn)和設(shè)備研發(fā)關(guān)注的重要方向。2020

年，中科大和清華聯(lián)合報(bào)道了基于改進(jìn)型

TF-QKD協(xié)議和超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）實(shí)現(xiàn)

509

公里距離超低損光纖傳輸，成碼率約為

0.1bit/s，成為

DV-QKD系統(tǒng)傳輸距離的新紀(jì)錄。將

QKD系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的調(diào)制解調(diào)器件進(jìn)行片上光學(xué)集成，可以提升系統(tǒng)集成度、可靠性和性價(jià)比，是未來

QKD設(shè)備升級研發(fā)的重要方向。2020

年，中科大報(bào)道基

1.25GHz工作頻率，偏振編碼硅光集成調(diào)制器的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）系統(tǒng)，通過使用SNSPD作為中間測量節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)

36dB傳輸信道損耗條件下的

31bit/s密鑰成碼率。以衛(wèi)星平臺作為密鑰中繼、中間測量點(diǎn)或糾纏分發(fā)源，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的

QKD直接傳輸或中繼組網(wǎng)，是未來

QKD

前沿研究和應(yīng)用探索的重要方向。2020

年，中科大報(bào)道基于墨子號衛(wèi)星進(jìn)行糾纏分發(fā)，首次實(shí)現(xiàn)在相隔

1120

公里的無中繼地面站之間的

BBM92協(xié)議糾纏態(tài)

QKD傳輸，密鑰成碼率可達(dá)到

0.12bit/s。如何實(shí)現(xiàn)

QKD系統(tǒng)與光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的共纖傳輸和融合組網(wǎng)，是推動實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署和規(guī)?；瘧?yīng)用的重要研究方向。2020

年，英國布里斯托大學(xué)報(bào)道基于波長選擇開關(guān)和光開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)波長級和端口級聯(lián)合調(diào)度的

QKD系統(tǒng)與光網(wǎng)絡(luò)多維度組網(wǎng)調(diào)度的實(shí)驗(yàn)方案，為

QKD的網(wǎng)絡(luò)級集成部署提供了新思路。系統(tǒng)在成本和集成度方面具有潛在優(yōu)勢，但遠(yuǎn)距離傳輸能力方面與DV-QKD相比有一定差距。2020

年，北郵和北大聯(lián)合報(bào)道在如圖

23所示的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)

202.81

公里距離超低損光纖傳輸和6.214bit/s成碼率，成為

CV-QKD系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男录o(jì)錄。CV-QKD本地本振方案成為實(shí)用化研究的發(fā)展趨勢，但對激光器線寬和鎖頻穩(wěn)定度提出更高要求。2020

年，西班牙

ICFO報(bào)道基于單激光器的即插即用式

CV-QKD系統(tǒng)方案，在

13

公里傳輸距離實(shí)現(xiàn)

0.88Mbit/s成碼率。日本

NICT報(bào)道通過采用發(fā)送端高斯調(diào)制信號與導(dǎo)頻信號的偏分復(fù)用，對接收端本地進(jìn)行數(shù)字域

DSP相位偏振補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)

194

波信道波分復(fù)用的

CV-QKD系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，25

公里距離的系統(tǒng)整體成碼率可達(dá)到

172.6Mbit/s。CV-QKD系統(tǒng)硬件采用傳統(tǒng)相干光通信器件，易于實(shí)現(xiàn)光學(xué)集成，能夠有效提升系統(tǒng)集成度與性價(jià)比。新加坡南洋理工報(bào)道了基于硅光集成的芯片化

CV-QKD系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在

100

公里傳輸距離實(shí)現(xiàn)成碼率為

0.14kbit/s。2016

年

8

月，我國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，至今已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過四年，在此期間持續(xù)開展星地量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得一系列具有國際影響力的重大創(chuàng)新成果，如圖

24

所示。2017年報(bào)道首次實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星糾纏光子分發(fā)的

1200

公里距離地面站間糾纏態(tài)測量；首次在衛(wèi)星和地面站間完成

1200

公里距離

1.1kbit/s碼率的

BB84

協(xié)議

QKD傳輸；首次在星地之間

1400

公里上行鏈路完成單光子比特量子隱形傳態(tài)。2018

年報(bào)道基于衛(wèi)星中繼的中國-奧地利7600

公里洲際

QKD和量子保密通信視頻和圖像傳輸實(shí)驗(yàn)。2019

年報(bào)道基于衛(wèi)星的大尺度引力誘發(fā)量子退相干模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2020

年報(bào)道基于衛(wèi)星糾纏分發(fā)的

1120

公里距離地面站之間

BBM92

協(xié)議QKD傳輸實(shí)驗(yàn)；基于衛(wèi)星和地面站單光子探測的量子安全時(shí)頻傳輸實(shí)驗(yàn)；研制成功可機(jī)動運(yùn)輸和快速部署的小型化量子衛(wèi)星地面接收站，并在電網(wǎng)等應(yīng)用場景完成星地

QKD實(shí)用化技術(shù)驗(yàn)證，集成化水平和系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提升。我國在星地量子通信領(lǐng)域的科學(xué)研究處于全球領(lǐng)先，既體現(xiàn)了集中力量辦大事的體制優(yōu)勢，也得益于相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)和科技工作者的前瞻性規(guī)劃布局和長期艱苦努力。在

QKD應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面，國外開展了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和商用化方案探索等工作。2019

年歐盟推出

OPENQKD項(xiàng)目，聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)、QKD設(shè)備商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，建立開放測試實(shí)驗(yàn)床，開展多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證和現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。美國

QuantumXChange公司發(fā)布

PhioTX2.0

量子保密通信解決方案，集成

QKD、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）和抗量子計(jì)算破解加密算法（PQC）應(yīng)用。韓國

SKT聯(lián)合瑞士

IDQ公司，推出基于

QRNG芯片的三星

5G加密手機(jī)。近年來，我國相關(guān)管理部門組織開展

QKD系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)實(shí)安全性測評。國家電網(wǎng)組織開展多項(xiàng)量子保密通信技術(shù)實(shí)用化應(yīng)用研究項(xiàng)目。國科量子網(wǎng)絡(luò)承建國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程，陸續(xù)開展實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和外場部署等工作。成都、南京、武漢和海口等地進(jìn)一步開展或規(guī)劃量子保密通信在政務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)的試點(diǎn)應(yīng)用。公司層面，科大國盾量子于

2020

年

7

月登陸科創(chuàng)板，受到資本市場和社會輿論的關(guān)注；上海循態(tài)、北京啟科和廣東國騰等

QKD市場新玩家陸續(xù)推出各具特色的商用化系統(tǒng)和應(yīng)用解決方案；易科騰等加密應(yīng)用方案提供商，在政企專網(wǎng)等高安全性需求領(lǐng)域持續(xù)開展探索。在

QKD標(biāo)準(zhǔn)化方面，ITU-T在

SG13

和

SG17

開展

18

項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究，至

2020

年

10

月已有三項(xiàng)獲批，研究工作以中日韓為主要推動力量，歐洲成員參與度有所提高，同時(shí)在

FG-QIT4N焦點(diǎn)組開展QKD網(wǎng)絡(luò)的術(shù)語、應(yīng)用場景、協(xié)議和傳輸技術(shù)等方面標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研。ETSI的

ISG-QKD正持續(xù)開展六項(xiàng)

QKD系統(tǒng)新規(guī)范或修訂規(guī)范項(xiàng)目研究。ISO/IEC的

QKD系統(tǒng)安全性要求和測評方法標(biāo)準(zhǔn)研制進(jìn)一步推進(jìn)。CCSAST7

發(fā)布我國首個量子保密通信領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，YD/T3834.1-2020《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)技術(shù)要求

第

1

部分：基于誘騙態(tài)

BB84

協(xié)議的

QKD系統(tǒng)》和

YD/T3835.1-2020《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)測試方法

第

1

部分：基于誘騙態(tài)

BB84

協(xié)議的

QKD系統(tǒng)》，后續(xù)可為業(yè)界和用戶在

QKD設(shè)備選型、應(yīng)用部署和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等過程中提供必要的功能性能驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)參考。（四）QKD應(yīng)用觀點(diǎn)尚未統(tǒng)一，PQC將成為競爭者近期，歐美多家研究機(jī)構(gòu)和政府部門公開發(fā)布了關(guān)于

QKD技術(shù)特性、問題瓶頸、應(yīng)用場景和發(fā)展前景的研究分析和觀點(diǎn)立場，其中的認(rèn)識理解觀點(diǎn)各異，應(yīng)用建議也是見仁見智。（五）QKD問題探討應(yīng)區(qū)分科研、工程和應(yīng)用三層面近年來，業(yè)界對于

QKD和量子保密通信在科研、工程和應(yīng)用等層面問題的認(rèn)識和討論進(jìn)一步深入，未來各方聚焦

QKD技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題，明確定位、凝聚共識、協(xié)同推動將有望成為趨勢。對于

QKD問題的分析，應(yīng)當(dāng)區(qū)分科學(xué)研究、工程研發(fā)和應(yīng)用探索三個不同層面，以利于業(yè)界各方厘清技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，定位存在問題和瓶頸，以及探討未來發(fā)展趨勢。1.

科研層面2020

年

5

月，中科大在全球物理學(xué)領(lǐng)域的頂級刊物《現(xiàn)代物理評論》發(fā)表

QKD長篇綜述論文，全面回顧了

QKD科研歷程，關(guān)鍵技術(shù)和重要成果，并從學(xué)術(shù)界視角回應(yīng)了關(guān)于

QKD技術(shù)的十個疑問，如圖

26

所示，文中觀點(diǎn)也代表了

QKD學(xué)術(shù)界的主流看法，認(rèn)為當(dāng)前

QKD技術(shù)面臨的質(zhì)疑與問題，在科研層面都