量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2023年）

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告中國信息通信研究院2023年12月版權(quán)聲明本報告版權(quán)屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。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)是量子科技的重要組成部分，也是培育未來產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建新質(zhì)生產(chǎn)力、推動高質(zhì)量發(fā)展的重要方向之一。經(jīng)過四十余年發(fā)展，量子信息領(lǐng)域逐步從基礎(chǔ)研究走向基礎(chǔ)與應(yīng)用研究并重，開始進入科技攻關(guān)、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育一體化推進的發(fā)展階段。至2023年10月，全球29個國家和地區(qū)制定和發(fā)布了量子信息領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或法案，公開信息不完全統(tǒng)計投資總額超過280億美元。加快技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，全球主要國家在量子信息領(lǐng)域布局規(guī)劃的普遍共識。要科研進展與產(chǎn)業(yè)界樣機產(chǎn)品研發(fā)成果亮點紛呈，產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育成為各方關(guān)注熱點，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)布局和研究取得階段性成果。我國高度重視量子信息領(lǐng)域發(fā)展，在政策布局、基礎(chǔ)科研、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和自2018年起，中國信息通信研究院每年組織編寫和發(fā)布《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告》，成為管理部門和業(yè)界掌握量子信息國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)和趨勢的重要參考。本報告對近一年來全球量子信息領(lǐng)域的總體發(fā)展態(tài)勢、最新研究應(yīng)用進展、行業(yè)熱點趨勢問題等進行分析探討，希望為業(yè)界凝聚發(fā)展共識合力持續(xù)做出貢獻。 1 1 3 6 9 14 14 20 23 28 32 35 35 38 42 45 48 52 52 55 58 61 63 66 66 69 6 7 8 8 9 10 11 12 14 19 25 31 32 37 49 53 56 60 64 4 13 15 26 36 43 461量子信息技術(shù)是量子科技重要組成部分，以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過對微觀量子系統(tǒng)中物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和測量，實現(xiàn)信息感知、計算和傳輸。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，在提升計算困難問題運算處理能力、加強信息安全保護能量子信息技術(shù)有望在前沿科學(xué)、信息通信和數(shù)字經(jīng)濟等諸多領(lǐng)域引發(fā)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則的變革性應(yīng)用。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實現(xiàn)并行計算，能在某些計算復(fù)雜問題上提供指數(shù)級加速，是未來計算能力跨越式發(fā)展的重要方向。當(dāng)前，量子計算存在超導(dǎo)量子線路、離子阱、光量子、超冷原子、硅基量子點、金剛石色心和拓撲等七大技術(shù)路線并行發(fā)展，處于中等規(guī)模含噪聲量子處理器階段。量子計算應(yīng)用場景探索廣泛開展，但尚未實現(xiàn)“殺手級”應(yīng)用突破。大規(guī)模可容錯通用量子計算仍需長期艱苦努力，業(yè)界尚無實現(xiàn)時間預(yù)期。量子通信利用量子疊加態(tài)或糾纏效應(yīng)，在經(jīng)典通信輔助下實現(xiàn)密鑰分發(fā)或信息傳輸，理論層面具有可證明安全性?；诹孔用荑€分發(fā)（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步實用化，新型協(xié)議和實驗系統(tǒng)的研究持續(xù)活躍，樣機產(chǎn)品研制和示范應(yīng)用探索逐步開展，但應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)?；诹孔与[形傳態(tài)和量子存儲中繼等技術(shù)構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)是未來重要發(fā)展方向，2科研探索與試驗取得一定進展，但距離實用化有很大差距。量子測量對外界物理量變化導(dǎo)致的微觀系統(tǒng)量子態(tài)變化進行調(diào)控和觀測，實現(xiàn)精密傳感測量，精度、靈敏度和穩(wěn)定性等核心指標(biāo)比傳統(tǒng)技術(shù)有數(shù)量級提升。主要技術(shù)方向包括用于新一代定位/導(dǎo)航/授時的光學(xué)原子鐘、光學(xué)時頻傳輸、原子陀螺儀與重力儀等，以及用于高靈敏度檢測與目標(biāo)識別的光量子雷達、磁場精密測量、物質(zhì)痕量檢測等。主要應(yīng)用場景涵蓋國防軍工、航空航天、地質(zhì)/資源勘測和生物醫(yī)療等眾多行業(yè)領(lǐng)域，多種樣機產(chǎn)品進入實用化與產(chǎn)業(yè)化階段。經(jīng)過四十余年的發(fā)展，量子信息技術(shù)已從僅有學(xué)術(shù)界關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)研究和前沿技術(shù)探索，逐步開啟產(chǎn)業(yè)界共同參與的工程應(yīng)用研究和未來產(chǎn)業(yè)培育。量子信息三大領(lǐng)域的前沿科研與工程研發(fā)亮點成果工程研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育一體化推進的發(fā)展階段。以量子信息技術(shù)為代表的量子科技，已成為未來產(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展子信息等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計引領(lǐng)發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和積極培育未來產(chǎn)業(yè)，加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力，以高質(zhì)量發(fā)展推動中國式現(xiàn)代化。工信部高度重視量子科技發(fā)展，推動量子科技等前沿領(lǐng)域研究，鼓勵各地方先行先試，加快布局未來產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展。2023年，北京市發(fā)布《北京市促進未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實施3方案》1，部署量子物態(tài)科學(xué)、量子通信、量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)、量子傳感等方向的核心技術(shù)攻關(guān)、行業(yè)應(yīng)用拓展、產(chǎn)業(yè)生態(tài)和用戶群體培育等工作。合肥市政府工作報告2提出，合肥國家實驗室入軌運行，量子信息未來產(chǎn)業(yè)科技園入列首批國家試點，后續(xù)進一步加快建設(shè)量子子科技產(chǎn)業(yè)投資基金3，發(fā)布《湖北省加快發(fā)展量子科技產(chǎn)業(yè)三年行動量子信息技術(shù)是挑戰(zhàn)人類調(diào)控微觀世界能力極限的世紀(jì)系統(tǒng)工領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用已成為大國間開展科技、經(jīng)濟等領(lǐng)域綜合國力競爭，維護國家技術(shù)主權(quán)與發(fā)展主動權(quán)的戰(zhàn)略制高點之一。截至2023年10月，29個國家和地區(qū)制定和推出了量子信息領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或法案文件，據(jù)公開信息不完全統(tǒng)計的投資總額已超過280億美元。全球主要國家在量子信息領(lǐng)域的戰(zhàn)略規(guī)劃和投資概況如表1所示，以2018年歐盟“量子旗艦國在量子信息領(lǐng)域的規(guī)劃布局持續(xù)加速。2023年6個國家相繼發(fā)布量子信息相關(guān)國家戰(zhàn)略和投資規(guī)劃，計劃投資總規(guī)模達到67億美元?？傮w而言，量子信息領(lǐng)域的國際科技競爭正日趨激烈。1/zh342023年1月，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布《NQI2023年報》4覆蓋量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)、量子傳感/計量、量子基礎(chǔ)科研和量子工程技術(shù)五大領(lǐng)域。其中，量子計算投資占比最高，共計約10億美元，量子網(wǎng)絡(luò)投資增速最快。美國能源部（DOE）、美國國家科學(xué)基金會（NSF）和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）是NQI法案主要實施部4/wp-content/uploads/2023/01/NQI-Annual-Report-FY2023.pdf5NSF資助了1500余項量子信息領(lǐng)域科研項目，DOE則重點支持國家實驗室體系的五個量子信息研發(fā)中心建設(shè)。此外，2022年8月通過的《芯片與科學(xué)》法案5，還包含了量子科學(xué)網(wǎng)絡(luò)、科學(xué)和技術(shù)量子用戶擴展計劃、量子網(wǎng)絡(luò)和通信研究與標(biāo)準(zhǔn)化、下一代量子領(lǐng)導(dǎo)者領(lǐng)航計劃四個量子信息相關(guān)項目，總投資金額為1.53億美元/年。美國NQI法案第一階段于2023財年結(jié)束，多方就第二階段法案實施和投資問題進行廣泛討論。NQI咨詢委員會發(fā)布《更新國家量子計劃：維持美國在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位建議》報告國際問題研究中心發(fā)布《量子不可照舊：國家量子計劃法案重新授權(quán)的問題》報告7，信息技術(shù)與創(chuàng)新基金會發(fā)布《美國的量子政策方針》報告8，上述報告分析了量子信息領(lǐng)域技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭和國際競爭態(tài)勢，建議NQI法案在2024至2028財年至少每年撥款5.25億美元（不含芯片研發(fā)資金持續(xù)加大基礎(chǔ)科學(xué)投資、打造量子人才隊伍、深化產(chǎn)業(yè)界合作、建設(shè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、維護國家安全和推進盟友國際確保美國在量子信息領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。8月，拜登政府簽署行政令9，將半導(dǎo)體和微電子、量子信息技術(shù)以及人工智能界定為涉及美國國家安全利益的軍民兩用敏感技術(shù)和產(chǎn)品，禁止美國實體與中國大陸、香港和澳門的實體進行交易和開展投資。英國作為全球科技強國，在2014年率先出臺全球首個量子信息5/quantum-in-the-chips-and-s6/nqiac-report-on-renewing-the-national-7/analysis/quantum-cant-be-business-usual-issues-reauthorizatio8/publications/2023/10/10/the-us-approach-to-quan9/briefing-room/presidential-actions/2023/08/09/executive-united-states-investments-in-certain-national-security-technologies-and-products-in-countries-of-concern/6國家級發(fā)展政策《國家量子技術(shù)計劃》，通過兩個五年期規(guī)劃，累積投資超10億英鎊，建立了量子計算、模擬、通信、傳感和成像五大科技研究中心推動技術(shù)攻關(guān)，支持量子初創(chuàng)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用推廣。3月，在計劃實施十年之際，英國政府組建科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)部，發(fā)布《國家量子戰(zhàn)略（NQS）》10，開啟未來十年25億英鎊投資和新一輪量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。NQS提出了四大發(fā)展目標(biāo)：確保英國擁資、供應(yīng)鏈和人才隊伍建設(shè)；加快量子信息技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化；加強量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)監(jiān)管和國際治理合作。計算、量子通信、量子測量、后量子加密（PQC）等領(lǐng)域科研論文和專利申請數(shù)量逐年遞增，如圖1所示。10.uk/government7來超過其他領(lǐng)域總和，量子通信和量子測量保持平穩(wěn)增長，PQC從2016年起逐步成為研究熱點，2023年有340余篇相關(guān)論文。專利方面，量子通信專利的增長趨勢較為穩(wěn)定，量子計算專利申請在2019年超過量子通信并持續(xù)保持快速增長，PQC專利近年來開始快速增長，2023年數(shù)量預(yù)計將達到200項。量子信息各領(lǐng)域的科研論文數(shù)量前十位國家統(tǒng)計如圖2所示，中美占據(jù)前兩位，在科研輸出方面表現(xiàn)突出，量子通信我國論文數(shù)量遠超其他國家。但從論文被引頻次看，我國與歐高水平論文數(shù)量有待提升。量子信息領(lǐng)域主要國家的科研國際合作概況如圖3所示，量子計算領(lǐng)域的國際科研合作較為廣泛和均衡，量子通信領(lǐng)域形成了美國、中國等重點合作節(jié)點，量子測量領(lǐng)域國際合作相對較少。在量子信息8科研國際合作方面，美國在三大領(lǐng)域中均處于中心位置，顯示出在國際學(xué)術(shù)交流與科研合作方面的領(lǐng)先優(yōu)勢。量子信息領(lǐng)域包括不同技術(shù)路線和發(fā)展方向，其中專利申請數(shù)量的對比情況如圖4所示。在量子計算硬件技術(shù)路線中，超導(dǎo)路線專利數(shù)量占比超過50%，光量子和中性原子路線技術(shù)創(chuàng)新熱度高于離子阱和硅半導(dǎo)體。量子通信領(lǐng)域中量子密鑰分發(fā)技術(shù)專利占比超過70%，器件、設(shè)備等系統(tǒng)研發(fā)類專利數(shù)量眾多，量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟度不足，相關(guān)專利尚未大量涌現(xiàn)。量子測量領(lǐng)域中以原子鐘為代表的時頻9基準(zhǔn)方向?qū)＠急冉咏?0%，是技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用主力，磁場測量和慣性測量方向也有較多創(chuàng)新成果積累。中美量子信息各領(lǐng)域?qū)＠暾堉黧w情況對比如圖5所示。我國量子計算和PQC的專利申請中，公司申請數(shù)量占比超過70%，企業(yè)開展專利布局推動力較強，量子測量領(lǐng)域?qū)＠饕獊碜愿咝：涂蒲性核?，科技成果還需進一步向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。對比來看，美國量子信息各領(lǐng)域?qū)＠?，企業(yè)申請數(shù)量占比均超過70%，量子計算和PQC領(lǐng)域的占比接近90%，顯示出產(chǎn)業(yè)界的創(chuàng)新引領(lǐng)實力。量子信息要從前沿技術(shù)走向未來產(chǎn)業(yè)，進而形成新質(zhì)生產(chǎn)力，成為賦能經(jīng)濟社會增長的新引擎，離不開企業(yè)推動的科技成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣。企業(yè)是推動量子信息技術(shù)工程化研發(fā)、應(yīng)用賦能和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的創(chuàng)新主體，也是各國構(gòu)建量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢，贏得發(fā)展主動權(quán)的主力軍。量子信息企業(yè)數(shù)量、分布和投融資情況，是觀察量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢的重要視角，中國信息通信研究院對全球量子信息相關(guān)企業(yè)及投融資情況進行了調(diào)研統(tǒng)計分析，為業(yè)界提供參考。PQC作為應(yīng)對量子計算信息安全威脅的主流技術(shù)方案，與量子信息領(lǐng)域關(guān)系密切，一并進行了統(tǒng)計分析。全球量子計算、量子通信、量子測量和PQC領(lǐng)域的企業(yè)數(shù)量及年度增長趨勢如圖6所示。截至2023年9月，共統(tǒng)計上述四大領(lǐng)域是全球技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭的關(guān)注焦點。全球量子測量和量子通信企業(yè)數(shù)量均在百家左右，占比約為20%。隨著PQC算法評選和標(biāo)準(zhǔn)制定進程的逐步明朗，PQC相關(guān)企業(yè)數(shù)量達到63家。2016年之前，量子信息新增初創(chuàng)企業(yè)63家，其中量子計算企業(yè)27家。2018-2021年間增長稍有回落但仍保持每年新增50余家的高位，2022年起企業(yè)增長數(shù)量前三季度新增企業(yè)數(shù)量僅為3家，雖然當(dāng)年新成立企業(yè)數(shù)量統(tǒng)計會有12企業(yè)數(shù)量統(tǒng)計依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)公開信息，包含了量子信息三大領(lǐng)域和后量子加創(chuàng)業(yè)熱點，近兩年來初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量增長趨勢明顯放緩。全球量子信息各領(lǐng)域企業(yè)數(shù)量及國家分布情況如圖7所示。從超過60%，反映出美國和歐洲是量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)的活躍地區(qū)，中國量子計算領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)共有35家，不及美國一半。量子通信領(lǐng)域中國相關(guān)企業(yè)數(shù)量最多，共有42家，美國僅有13家，歐洲有27家，從一個側(cè)面反映出不同國家和地區(qū)在量子通信領(lǐng)域，主要是進入初步實用化階段的量子密鑰分發(fā)和量子保密通信的投資和推動力度差異。距明顯，未來PQC技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球競爭中恐難與歐美比肩。從企業(yè)國家分布看，美國共有158家量子信息相關(guān)企業(yè)，全球占計算領(lǐng)域業(yè)界標(biāo)桿，IonQ、Quantinuum、PsiQ、AOSense等初創(chuàng)企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動能力突出，在量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中擁有較為明顯的先發(fā)優(yōu)勢。鏈企業(yè)支撐保障能力，以及初創(chuàng)企業(yè)創(chuàng)新成果等方面還有一定差距。全球量子信息領(lǐng)域企業(yè)數(shù)量較多的國家還有加拿大、英國、德國、法國、日本、荷蘭等，在未來技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中也擁有較強競爭力。全球量子信息企業(yè)投融資事件與金額年度變化趨勢如圖8所示。從投融資事件數(shù)量看，2017年起，企業(yè)投融資事件數(shù)量開始出現(xiàn)明顯增長，與企業(yè)數(shù)量爆發(fā)式增長的時間趨勢吻合。大量初創(chuàng)企業(yè)獲得了政府的贈予投資（Grant）和不同輪次的股權(quán)融資等風(fēng)險投資。美國DOE、NSF和國防部（DOD）等政府部門的合同贈予投資占比較高，從2018年開始，每年都有約20筆贈予，占全部投融資數(shù)量20%左事件數(shù)量的40%~50%，孵化器（Incubator）數(shù)量也在逐漸增加?？梢杂谠缙谕顿Y階段。從投融資金額規(guī)?？矗^去5年資本市場對量子信息領(lǐng)域企業(yè)的投資同樣經(jīng)歷了一輪爆發(fā)式增長，2021年和2022年均超過20億美元量級，超過了過去十年的總和。近兩年來，量子信息初創(chuàng)企業(yè)獲得的投融資數(shù)量和金額開始出現(xiàn)一定回落。一方面有全球疫情、經(jīng)濟衰退和美元加息等宏觀層面影響，另一方面也有量子計算等初創(chuàng)企業(yè)技術(shù)產(chǎn)品和投資收益未達市場預(yù)期等具體原因。美國麥肯錫咨詢公司2023年4月發(fā)布《量子技術(shù)監(jiān)測》報告15，15/~/media/mckinsey/business%20functions/um%20technology%20sees%20record%20investments%20progress%20on%20talent%20gap/quantum-technology-monitor-april-2023.pdf統(tǒng)計量子信息領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)十大融資事件如表2所示。其中美國企科技企業(yè)分拆的量子信息領(lǐng)域獨立企業(yè)，獲得大量資金投入，IonQ、D-Wave等歐美初創(chuàng)企業(yè)也從資本市場獲得了大筆研發(fā)資金。我國僅有本源量子在2022年完成B輪10億元人民幣融資上榜，資本市場和社會投融資對量子信息企業(yè)的支持力度有待進一步加強。云平臺是集成三者面向用戶提供服務(wù)的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)匯聚點。當(dāng)前，量子計算硬件包含邏輯門型量子計算機、專用量子計算機和基于經(jīng)典計算的模擬器等主要類型。其中，邏輯門型量子計算機是通往大規(guī)?？扇蒎e通用量子計算的主流發(fā)展方向，也是業(yè)界研究關(guān)注重點；玻色采樣、相干伊辛和量子退火等量子計算模型和系統(tǒng)可能在專用計算復(fù)雜問題中產(chǎn)生算力優(yōu)勢；基于經(jīng)典計算的量子計算模擬器主要用于算法研究和驗證。量子計算硬件目前有多種技術(shù)路線，處于并行發(fā)展階段，大致可以分為兩大類，一是基于微觀結(jié)構(gòu)形成分立能級系統(tǒng)的“人造粒子”路離子阱、光量子和中性原子。近年來，量子計算科研攻關(guān)全球加速發(fā)展，各方你追我趕競爭激烈。表3梳理了五種技術(shù)路線的關(guān)鍵指標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀概況，其中各項指標(biāo)為不同研發(fā)機構(gòu)、技術(shù)方案和樣機系統(tǒng)的代表性成果匯總，部分指標(biāo)基于專家意見給出數(shù)量級估計。超導(dǎo)路線基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)形成擴展二能級系統(tǒng)，包括電荷量受到眾多科研機構(gòu)、科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)重視。2023年超導(dǎo)量子計算原型機指標(biāo)持續(xù)提升，IBM的433位超導(dǎo)量子比特處理器Osprey在其云平臺上線16；中科大在66位超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號”基礎(chǔ)上新增110個耦合比特控制接口，使可操縱比特數(shù)達到176位17；Rigetti推出84位量子比特單芯片量子處理器Ankaa-118?；诔瑢?dǎo)路線的科研成果亮點頻出，蘇黎世理工基于超導(dǎo)量子電路完成無漏洞貝爾實驗19；谷歌使用超導(dǎo)量子處理器模擬操控非阿貝爾任意子，并通過編碼創(chuàng)建新型量子糾纏態(tài)20；中科院物理所利用41位超導(dǎo)量子芯片“莊子”模擬“侯世達蝴蝶”拓撲物態(tài)21。超導(dǎo)技術(shù)路線的比特數(shù)量、操控精度和相干時間等關(guān)鍵指標(biāo)提升迅速且發(fā)展較為均衡，是有望率先實現(xiàn)量子糾錯和突破殺手級應(yīng)用的“種子選手”。硅半導(dǎo)體路線通常利用硅同位素量子點結(jié)構(gòu)中的電子自旋構(gòu)造量子比特，采用硅鍺異質(zhì)結(jié)、砷化鎵和金屬氧化具有制造和測控與集成電路工藝技術(shù)兼容等優(yōu)點。2023年亮點成果主要包括新型比特構(gòu)型設(shè)計、操控方案和芯片比特數(shù)量增長等方面。Intel發(fā)布22的12位硅基自旋量子芯片TunnelFalls，成為硅半導(dǎo)體路線產(chǎn)品的最新紀(jì)錄。新南威爾士大學(xué)報道23設(shè)計了一種電信號控制的16/services/resou17/a/2018/rigetti/introducing-the-ankaa-1-system-rigettis-most-sophi19/a20/articles/s4121/prl/abstract/10.1103/PhysRe22/content/www/us/en/research/quantum新型觸發(fā)器（flip-flop）硅量子比特。休斯研究實驗室提出24硅基自旋量子比特編碼的通用控制新方法，中科大實現(xiàn)25硅基自旋量子比特的超快操控，自旋翻轉(zhuǎn)速率超過1.2GHz。硅半導(dǎo)體路線主要得到Intel等半導(dǎo)體制造商支持，由于同位素材料加工和介電層噪聲影響等瓶頸限制，比特數(shù)量和操控精度等指標(biāo)進展緩慢，在競爭中難言優(yōu)勢。離子阱路線利用電荷與磁場間所產(chǎn)生的交互作用力約束帶電離極桿阱、刀片阱、芯片阱等新構(gòu)型，囚禁離子數(shù)量不斷提升。2023年主要進展包括全連接比特數(shù)量增長和邏輯門操控保真度提升等方面。Quantinuum宣布26其32位全連接量子比特離子阱原型機ModelH2的單比特和雙比特量子邏輯門保真度達到99.997%和99.8%，量子體積指標(biāo)達到52428827，成為業(yè)界最新紀(jì)錄。華翊量子發(fā)布2837位量子比特離子阱原型機HYQ-A37，邏輯門保真度等指標(biāo)稍遜一籌。離子阱路線的天然全同粒子特性在相干時間和保真度等方面有優(yōu)勢，但比特規(guī)模擴展難度大，光學(xué)測控系統(tǒng)復(fù)雜等技術(shù)瓶頸和工程挑戰(zhàn)十分明顯，在技術(shù)路線競爭中能否領(lǐng)先有待觀察。光量子路線可利用光子的偏振、相位等自由度進行量子比特編碼，具有相干時間長、室溫運行和測控相對簡單等優(yōu)點。根據(jù)是否支持邏輯門和量子糾錯等操作，可進一步分為邏輯門型和非邏輯門型兩類，24/articles/s4125/doi/10.1021/acs.nanole26https://www.quantinuu27/news/quantinuum-h-series-quantum-computer-accelerates-throumance-records-for-quantum-volume-217-218-a28/newsinfo/5843439.其中邏輯門型光量子計算是未來實現(xiàn)通用量子計算的發(fā)展方向，而非化和圖論問題求解等專用計算問題。2023年，中科大聯(lián)合團隊發(fā)布采樣速度和量子優(yōu)越性。玻色量子發(fā)布30了100量子比特相干光量子相干伊辛機“天工量子大腦”，并與中國移動合作開展圖像渲染算力調(diào)度優(yōu)化等任務(wù)的可行性驗證31。未來，非邏輯門型光量子計算有望在組合優(yōu)化等專用問題求解中展示實用化優(yōu)勢，邏輯門型光量子計算則仍需突破光子間相互作用弱，雙比特邏輯門構(gòu)建困難和大規(guī)模光子中性原子路線利用光鑷或光晶格囚禁原子，激光激發(fā)原子里德堡態(tài)進行邏輯門操作或量子模擬演化，相干時間和操控精度等特性與離表三篇中性原子量子計算和糾錯最新成果。加州理工展示32“量子橡皮擦”糾錯新方法，使激光照射下的錯誤原子發(fā)出熒光實現(xiàn)錯誤定位以便進一步糾錯處理，系統(tǒng)糾纏率提升10倍。普林斯頓大學(xué)33基于相似擦除原理，將門操作錯誤轉(zhuǎn)化為擦除錯誤，有效提升邏輯門保真度。哈佛大學(xué)34使用基于里德堡阻塞機制的最優(yōu)控制門方案，在60個銣原子陣列實現(xiàn)99.5%的雙比特糾纏門保真度，超過了表面碼糾錯閾值。29/prl/issue30https://www.qb31/10.1007/s32/articles/s33/articles/s34/articles/s美國AtomComputing公司發(fā)布351225原子陣列和1180量子比特的中性原子量子計算原型機，預(yù)計2024年上市。中性原子路線有望在規(guī)模擴展和量子模擬應(yīng)用等方面取得更多突破，已成為在量子計算技術(shù)路線競爭中異軍突起的一匹“黑馬”。近年來量子計算主要技術(shù)路線競爭激烈，比特數(shù)（光子/原子數(shù)）和量子體積指標(biāo)持續(xù)提升，發(fā)展演進趨勢如圖10所示。超導(dǎo)、中性原子和離子阱技術(shù)路線是邁向通用量子計算的有力競爭者，邏輯門型光量子計算和硅半導(dǎo)體技術(shù)路線需要取得重大技術(shù)和工程突破才能保持競爭實力。當(dāng)前量子計算硬件性能水平，距離實現(xiàn)大規(guī)模可容錯通用量子計算還有很大差距，仍需業(yè)界長期艱苦努力攻關(guān)。35/quantum-startup-atom-computing-量子糾錯（QEC）的原理是通過使用多個物理比特編碼一個邏輯響的量子態(tài)可以被識別和區(qū)分，并通過糾錯操作恢復(fù)出原始量子態(tài)。QEC是使量子計算具備理論可行性的底層解決方案，也是支持大規(guī)模量子邏輯門操作，實現(xiàn)通用量子計算的必要環(huán)節(jié)。量子態(tài)的不可克隆性、相干性以及差錯連續(xù)性等決定了QEC與經(jīng)典糾錯有本質(zhì)差異，量子比特當(dāng)前產(chǎn)生的錯誤率比經(jīng)典比特更高，錯誤類型也更加廣泛。自QEC概念提出36以來，已產(chǎn)生了多類基于不同思想構(gòu)造的QEC編碼方案，其中1996年提出的穩(wěn)定子碼37是其中代表，涵蓋顏色碼等多種方案，表面碼是目前研究和實驗驗證熱點，主要優(yōu)勢在于高容錯閾值、僅需近鄰比特間作用、多技術(shù)路線適用等，但也存在物理比特編碼冗余度較高等局限。一度面臨“越糾越錯”的窘境。突破QEC的盈虧平衡點，實現(xiàn)糾錯編碼規(guī)模與相干時間、錯誤率等性能指標(biāo)的正增益，對實現(xiàn)邏輯量子比特具有里程碑意義，近期也取得了多項突破性進展。2023年2月，谷歌報道38首次越過QEC規(guī)模與收益平衡點，證明提升糾錯編碼規(guī)模后可降低錯誤率，驗證了量子糾錯的現(xiàn)實可行性。3月，南方科技大學(xué)報道39以離散變量編碼邏輯量子位突破QEC盈虧平衡點，延長量子36/10.110337/pra/abstract/10.11038/articles/s39/articles/s比特壽命約16%。耶魯大學(xué)報道40利用實時QEC方案超越盈虧平衡點，實現(xiàn)邏輯量子比特壽命增加一倍。雖然QEC突破盈虧平衡點實驗具有重要里程碑意義，但現(xiàn)有QEC技術(shù)方案的糾錯效率、容錯閾值，以及量子計算硬件的邏輯門保真度、可相干操控比特數(shù)等指標(biāo)，距離實現(xiàn)邏輯量子比特操控和容錯計算仍有很大差距。QEC未來發(fā)展的主要方向包括，優(yōu)化利用高維度量子資源實現(xiàn)邏輯量子比特的量子糾錯編碼方案，實現(xiàn)對特定噪聲免疫的量子態(tài)調(diào)控方案，研究分布式量子糾錯架構(gòu)，在考慮計算資源的同時探究切合實際的糾錯性能評價指標(biāo)，實現(xiàn)帶量子糾錯的量子計算優(yōu)越性等。實用化QEC已經(jīng)成為全球量子計算業(yè)界關(guān)注和攻關(guān)突破的重點方向，未來還將有更多進展和成果涌現(xiàn)。量子計算中的疊加和糾纏等狀態(tài)極易受到外界影響而退相干，需要極低溫、高真空等環(huán)境系統(tǒng)支持，同時對大規(guī)模量子比特的微波或光學(xué)調(diào)控與測量，也需要高精度和高集成度的測控系統(tǒng)支持。環(huán)境與測控系統(tǒng)是各種技術(shù)路線的量子計算原型機必不可少的使能組件，也是當(dāng)前提升樣機工程化水平面臨的重要技術(shù)瓶頸。稀釋制冷機采用多級制冷機制，通常使用脈管制冷機降溫至液氦溫區(qū)（~4K之后基于氦-3和氦-4混合液的濃縮相和稀釋相分離和循環(huán)轉(zhuǎn)換進一步降溫，將樣品區(qū)域溫度降低至mK量級，滿足超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體技術(shù)路線量子計算芯片的環(huán)境溫度要求。稀釋制冷機的技術(shù)難點主要在于前級預(yù)制冷所需的脈沖管和冷頭設(shè)備制造，極低溫區(qū)焊40/articles/s415接和檢漏工藝，以及樣品空間和制冷量提升等方面。稀釋制冷機作為量子計算的核心裝備，提升國產(chǎn)化自主供給能力對于保障科研探索與工程研發(fā)意義重大。近年來，國內(nèi)相關(guān)單位持續(xù)研發(fā)攻關(guān)，在樣機產(chǎn)品研制方面取得重要進展。2023年，中科院物理所、中船重工鵬力、本源量子等單位相繼發(fā)布了稀釋制冷機樣機和相關(guān)產(chǎn)品，技術(shù)指標(biāo)與國外商用產(chǎn)品接近。未來，還需進一步提升樣品空間和制冷量，以及設(shè)備集成化水平，支持量子處理器大規(guī)模擴展。真空腔是離子阱和中性原子技術(shù)路線的量子計算機必需的運行碰撞概率，避免離子或原子脫離囚禁，從而提升離子阱或原子陣列囚禁穩(wěn)定性和相干時間。真空腔主要技術(shù)難點在于高性能吸氣劑泵和分子泵等關(guān)鍵組件的研制，以及提升氣體抽速及腔內(nèi)真空度等指標(biāo)。未來進一步提升真空度可以使用更高復(fù)雜度和成本的低溫泵系統(tǒng)。2022年11月，啟科量子發(fā)布41了離子阱用低溫真空系統(tǒng)<Aba|Qu|Cryovac>，將低溫、真空、電氣、光學(xué)四大核心要素進行有機整合，為樣機系統(tǒng)研制提供環(huán)境保障。量子計算測控系統(tǒng)主要用于生成操控和測量量子比特的物理信號，按照技術(shù)路線的不同需求大致可分為兩類。一是離子阱、中性原子和光量子等技術(shù)路線所需的光學(xué)測控系統(tǒng)，通過激光囚禁或激發(fā)天然原子，實現(xiàn)量子比特操縱，再通過單光子探測或熒光成像等方案實現(xiàn)量子態(tài)測量和讀出。二是超導(dǎo)、半導(dǎo)體等技術(shù)路線所需的微波測控41/news系統(tǒng)，通過產(chǎn)生微波信號激勵和測量量子比特狀態(tài)。測控系統(tǒng)屬于傳Q?Engine超導(dǎo)量子計算操控系統(tǒng)，中微達信推出ZW-QCS1000可支持?jǐn)?shù)百位超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體量子計算的測控系統(tǒng)。環(huán)境與測控系統(tǒng)提出更為苛刻的要求。稀釋制冷機支持?jǐn)?shù)千比特量級工程挑戰(zhàn)性，激光和微波測控系統(tǒng)也需要提出新型測控架構(gòu)和進一步提高集成度。當(dāng)前多種量子計算技術(shù)路線的并行發(fā)展，不同技術(shù)路線對于測控系統(tǒng)的需求各有差異，也導(dǎo)致測控系統(tǒng)、低溫電子學(xué)組件和光電元器件等量子計算供應(yīng)鏈的碎片化，上游供應(yīng)商還難以聚焦某種技術(shù)路線開展測控系統(tǒng)和核心組件的集中攻關(guān)和性能提升。量子計算軟件是連接使用者與硬件的關(guān)鍵紐帶，量子計算軟硬件的結(jié)合，有望為多行業(yè)領(lǐng)域研究人員提供理論研究與應(yīng)用探索方面的有力支持。量子計算軟件需要滿足量子計算的底層理論與算法邏輯，提供面向不同技術(shù)路線和硬件方案的量子指令集，編譯功能與中間表于設(shè)計開發(fā)與生態(tài)構(gòu)建的早期階段。業(yè)界在量子計算編譯軟件、應(yīng)用開發(fā)軟件、測控軟件、EDA軟件等多層次開展布局。量子計算編譯軟件用于規(guī)范量子編程邊界并保證編譯正確執(zhí)行，提供完善的、體系化的語法規(guī)則用于協(xié)調(diào)和約束量子操作以及經(jīng)典操作。2023年，Pasqal發(fā)布中性原子量子計算軟件PulserStudio42，能夠以圖形方式構(gòu)建量子寄存器并設(shè)計脈沖序列。應(yīng)用開發(fā)軟件提供創(chuàng)建和操作量子程序的量子計算工具集、組件與算法庫，支持開發(fā)者編寫、運行、檢驗量子算法和程序。Intel發(fā)布量子計算開發(fā)平臺SDK1.043，QCWare推出量子化學(xué)軟件SaaSPromethium44，QuantumBrilliance發(fā)布量子計算開發(fā)工具包QristalSDK45，涵蓋經(jīng)典量子混合應(yīng)用、化學(xué)模擬以及自動駕駛等用例。量子計算測控軟件提供量子芯片控制、處理、運算等功能，同時支持測量結(jié)果反饋以及芯片校準(zhǔn)。2023年，蘇黎世儀器發(fā)布LabOneQ操控軟件，啟科量子發(fā)布離子阱環(huán)境控制系統(tǒng)<Aba|Qu|ENV>46。芯片EDA軟件實現(xiàn)量子芯片自動化設(shè)計、參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化、封裝設(shè)計等功能。亞馬遜推出開源軟件平臺Palace47，可完成復(fù)雜電磁模型模擬并支持量子計算硬件設(shè)計。量旋科技發(fā)布超導(dǎo)芯片EDA軟件天乙48。量子計算軟件作為連接硬件和承載應(yīng)用的中間環(huán)節(jié)，在硬件系統(tǒng)多種技術(shù)路線并行發(fā)展尚未融合收斂，應(yīng)用探索廣泛開展但尚未實現(xiàn)重大突破的情況下，難以完全明確目標(biāo)需求和確定技術(shù)架構(gòu)方案，仍42/a43/content/www/us/en/newsroom/news/intel-releases-quantum-sdk.44/2023/04/17/qc-ware-launches-promethium-a-quantum-chemistry-saa45/article/638267292/quantum-brilliance-releases-open-source-sre-quantum-computers46http://www.qudoor.47/cn/blogs/quantum-computing/aws-releases-open-source-software-palace-for-cloed-electromagnetics-simulations-of-quantum-computing-h48/newsDetail/a915d803-d94d-485e-b6甚遠。未來量子計算軟件發(fā)展需要在量子電路編譯優(yōu)化、模塊化程序研究和量子-經(jīng)典混合算法協(xié)同等方面進一步探索和提升。量子計算云平臺將量子計算與經(jīng)典云服務(wù)融合，通過網(wǎng)絡(luò)提供量的功能架構(gòu)如圖11所示，可劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、服務(wù)層和配套的運維管理與安全服務(wù)功能等主要組成部分?；A(chǔ)設(shè)施層中的外圍設(shè)施層為量子計算硬件提供環(huán)境保障，物理資源層主要包括量子計算機、量子模擬器和經(jīng)典云計算資源，虛擬資源層則主要由量子計算虛擬機、云計算虛擬機、虛擬網(wǎng)絡(luò)等功能模塊組成，資源管理層負責(zé)物理機、虛擬機、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源管理和任務(wù)調(diào)度。平臺層主要完成程序開發(fā)和編譯功能。服務(wù)層提供用戶和開發(fā)者的訪問接口，并提供對服務(wù)目錄和實例的管理功能，應(yīng)用開發(fā)層主要通過應(yīng)用開發(fā)軟件提供量子計算應(yīng)用服務(wù)。運營管理主要實現(xiàn)用戶服務(wù)和運行維護兩個層面的管理功能。安全服務(wù)主要實現(xiàn)接入安全、軟件安全、虛擬化安全、硬件安全和數(shù)據(jù)安全等功能。目前，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)和企業(yè)發(fā)布了不同類型的量子計算云平臺，如表4所示，近期發(fā)展迭代迅速。2023年，加州理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、谷歌等聯(lián)合推出49BlueQubit量子計算開發(fā)平臺，提供超導(dǎo)量子硬件。Pasqal推出50中性原子量子計算平臺QuantumDiscovery，協(xié)助用戶探索中性原子量子計算應(yīng)用。日本量子計算聯(lián)合研究小組啟動51基于64位超導(dǎo)量子計算機云平臺服務(wù)，用戶可通過簽訂合作協(xié)議接入服務(wù)。Strangeworks展示52云平臺多種新工具以及使用優(yōu)化方法。北京量子院53夸父量子計算云平臺上線了具有136、18和10位量子比50https://quantumdisco51https://www.rike52/press/strangeworks-announces-general-availability-of-advanced-compute-p53https://quafu.baqis.ac.c特的三個超導(dǎo)量子芯片。中科大54上線176比特“祖沖之號”量子計算云平臺。中國移動、中國電科等聯(lián)合發(fā)布55“五岳”量子計算云平臺。本源量子等多家單位56共同推出量超融合計算平臺?；诹孔佑嬎阍破脚_或樣機實地部署等方式，推動量子計算與超級計算機等經(jīng)典算力的融合，正成為研究探索熱點。通過將復(fù)雜計算任務(wù)進行分解，在量子計算和超算平臺之間進行聯(lián)合調(diào)度與協(xié)同處理，可以發(fā)揮不同算力平臺的特色優(yōu)勢，相關(guān)混合計算架構(gòu)、量超融合算依托量子計算云平臺推動多類型硬件接入服務(wù)、軟件和編程框架迭代與應(yīng)用場景探索是重要發(fā)展方向。2023年5月，量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（QIIA）組織第一屆量子信息技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新大賽，華為、弧光、本源等成員單位依托量子計算云平臺組織多個賽道活動，有效促進了量子計算國產(chǎn)軟硬件平臺推廣、應(yīng)用探索和人才培育。當(dāng)前，國內(nèi)外量子計算云平臺發(fā)展仍處于起步階段，硬件水平、服務(wù)模式以及功能架構(gòu)等成熟度有限，距離提供商業(yè)價值的目標(biāo)仍有較大差距。未來發(fā)展主要關(guān)注點包括：提升量子計算后端硬件技術(shù)與功能完善與服務(wù)提升，提高不同平臺和硬件間的互操作性。54https://quantumctek-clou55/rmydb/202308/t56/zh/qhComp隨著量子計算硬件進入數(shù)百位量子比特的中等規(guī)模含噪量子處理器（NISQ）時代，在隨機線路采樣和高斯玻色采樣問題中完成量子實際社會經(jīng)濟價值的計算困難問題指數(shù)級加速求解和應(yīng)用，為量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來從量變到質(zhì)變的飛躍。當(dāng)前，基于邏輯門型量子計算處理器和各類專用機的應(yīng)用案例探索在國內(nèi)外廣泛開展。近期，美國摩根大通、洛斯阿拉莫斯實驗室和歐洲核子研究組（CERN）等機構(gòu)和公司，發(fā)表57了量子計算在金融、人工智能和高能物理等領(lǐng)域的應(yīng)用探索和前景展望。量子計算應(yīng)用探索的主要計算問題包括量子組合優(yōu)化、量子模擬、量子人工智能和量子線性代數(shù)四大類型。量子組合優(yōu)化使用量子算法在大量可能方案中以更高效率和準(zhǔn)確性找到最佳方案，被認(rèn)為是當(dāng)前有可能率先突破應(yīng)用的方向之一。2023年，TerraQuantum和泰雷茲公司58使用混合量子計算優(yōu)化衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，展示了改善衛(wèi)星運行效用的潛力。英偉達Classiq合作59嘗試將量子計算用于噴氣發(fā)動機流體動力學(xué)計算以提升效率。Amerijet和Quantum-South宣布60利用量子計算實現(xiàn)飛機物流裝載優(yōu)化，提高貨物裝載率和航班收入。中國移動分別與玻色量子和58https://www.newswire.ca/news-releases/xanadu-and-rolls-royce-to-build-quantum-computing59/2023/05/23/nvidia-rolls-royce-and-classiq-use-quantum-cional-fluid-dynamics-in-jet-eng60/airlinescargo/quantum-south-identifies-alternatives-to-boost-amerijet-internacargo-load-factor-by-up-to-30-with-cutting-本源量子合作61完成基于專用和通用量子計算真機的移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法實驗，驗證了算法加速潛力與應(yīng)用場景可行性。量子模擬運用人工可控的量子系統(tǒng)模擬另外一個量子系統(tǒng)的性質(zhì)和演化規(guī)律，應(yīng)用范圍涵蓋能源、制藥、化工和生命科學(xué)等多個領(lǐng)62在127位Eagle超導(dǎo)量子處理器上基于誤差緩解技術(shù)和量子伊辛模型，無需量子糾錯條件下實現(xiàn)對磁性材料簡化模型的自旋動態(tài)和磁化特性模擬。德國尤利希研究中心63利用量子計算機解決蛋白質(zhì)折疊難題，提升尋找最低能量結(jié)構(gòu)的成功率。牛津大學(xué)實現(xiàn)64基于網(wǎng)格的量子計算機化學(xué)模擬，探索基態(tài)準(zhǔn)備、能量估計和電離動力學(xué)等方面問題。IBM和克利夫蘭診所合作65，推出了醫(yī)療保健用量子計算機，加速生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域量子計算應(yīng)用研究。量子人工智能將量子計算與人工智能相結(jié)合，旨在利用量子計算特性提升解決某些計算困難問題的效率，有望在機器學(xué)習(xí)、自動駕駛超分子復(fù)合物動力學(xué)模擬中引入量子機器學(xué)習(xí)算法，揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)中原子相互作用，從而加速量子化學(xué)的科學(xué)研究。摩根大通和QCWare聯(lián)合67開展使用量子深度學(xué)習(xí)的對沖金融風(fēng)險研究，可更有效地訓(xùn)練預(yù)測模型。Zapata等公司發(fā)布的共同研究68表明混合量子生成人62/articles/63/65/2023-03-20-Cleveland-Clinic-and-IBM-Unveil-First-Quantum-Computer-D66/news/2023-01-algorithm-enables-simulation-complex-q67/off-the-wire/jpmorgan-chase-and-qc-ware-evolve-68/pressreleases/23/06/b32736504/zapata-foxconn-insilico-medicine-antoronto-study-shows-promise-of-hybrid-quantum工智能生成的小分子比經(jīng)典方案具有更理想特性。量子線性代數(shù)包含多種量子算法和方法，可用于因式分解和采樣搜索等計算困難問題，應(yīng)用場景包含密碼分析、數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡(luò)搜索等領(lǐng)域。2023年，中國科大報道69基于144模式的“九章二號”光量子計算原型機完成“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題求解，實驗證明了高斯玻色采樣為搜索算法帶來的加速。美國紐約大學(xué)70提出了可大幅減少量子邏輯門數(shù)或步驟的超大規(guī)模因式分解量子算法方案，分解nbit質(zhì)因數(shù)僅需(n3/2)邏輯門和運行√n+4次。需要說明的是，雖然近年來各類量子計算應(yīng)用探索案例和成果的算法應(yīng)用取得一定加速優(yōu)勢，但距離業(yè)界期待的指數(shù)級加速和算力飛躍相去甚遠。換言之，量子計算尚未在實用化計算復(fù)雜問題中展現(xiàn)出有現(xiàn)實意義的量子計算優(yōu)越性或指數(shù)級加速優(yōu)勢。究其原因，主要在于NISQ平臺的相干操控比特數(shù)、邏輯門保真度和電路深度等硬件性能仍極為有限，難以支撐有明確加速優(yōu)勢的算法實施。以應(yīng)用問題和婦難為無米之炊，提升硬件能力是突破應(yīng)用的前提。2023年美國Gartner發(fā)布技術(shù)成熟度曲線，如圖12所示，預(yù)測量子計算翻越了“過高期望”頂點，距離“生產(chǎn)力高原”仍需超過十年。如果NISQ平臺在未來數(shù)年內(nèi)一直無法實現(xiàn)“殺手級”應(yīng)用落地69/artic突破，則量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展恐將面臨“幻滅之谷”的低潮期。量子計算發(fā)展演進可大致分為三個階段，一是實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性驗證（已完成二是能夠在若干具有實際應(yīng)用價值的計算難題中展現(xiàn)量子計算優(yōu)越性并帶來社會經(jīng)濟價值的專用量子計算機（下一步重點攻關(guān)目標(biāo)三是大規(guī)?？扇蒎e通用量子計算機（遠期目標(biāo)，尚處理器的硬件性能。根據(jù)業(yè)界專家分析，專用量子計算機“殺手級”應(yīng)用突破，也可大致分為三個階段。以超導(dǎo)路線為例，一是相干操控比特數(shù)達數(shù)百位規(guī)模，邏輯門保真度達99.9%以上時，可在運算復(fù)雜度和精度要求不高的組合優(yōu)化場景中率先落地，有望未來3-5年實現(xiàn)；二是相干操控比特數(shù)達數(shù)千位規(guī)模，邏輯門保真度達99.99%以上時，可實現(xiàn)量子模擬在多個領(lǐng)域的落地應(yīng)用，有望未來5-10年實現(xiàn)；三是相干操控比特數(shù)達數(shù)萬位規(guī)模，邏輯門保真度滿足量子糾錯要求時，隨著量近年量子計算原型機研制、軟件研發(fā)、應(yīng)用探索和云平臺應(yīng)用行業(yè)企業(yè)的不斷加入，量子計算領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈初具雛形，如圖13度最高，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的參與者逐步增多，產(chǎn)業(yè)生態(tài)蓬勃發(fā)展。量子計算產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要涉及環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類光電元器件與線纜連接器等設(shè)備組件，是支持各種技術(shù)路線開展原型機工程化研制的基礎(chǔ)保障。目前，多種量子計算處理器技術(shù)路線并行導(dǎo)和硅半導(dǎo)體路線，真空系統(tǒng)主要用于離子阱和中性原子路線，高性能激光器和單光子探測器主要用于光量子路線。供應(yīng)鏈需求的多元化;;和碎片化是當(dāng)前量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大特征，限制了上游供應(yīng)鏈企業(yè)的技術(shù)攻關(guān)和規(guī)?；l(fā)展。國內(nèi)外對比來看，歐美在量子計算鏈企業(yè)數(shù)量、產(chǎn)品豐富程度和自主供給水平占據(jù)優(yōu)勢。我國雖有部分企業(yè)開展布局和推出相關(guān)產(chǎn)品，但在加工制造設(shè)備、高性能光電元器件等一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仍需要進一步提升自主化水平，以保障量子計算技術(shù)研究、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育的可持續(xù)發(fā)展。量子計算產(chǎn)業(yè)鏈中游主要由硬件和軟件研發(fā)制造企業(yè)構(gòu)成，量子硅半導(dǎo)體和中性原子是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的主要技術(shù)路線，其中超導(dǎo)路線受術(shù)路線也得到英特爾和微軟等科技企業(yè)支持，離子阱、中性原子和光發(fā)軟件和應(yīng)用軟件等方面的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高度活躍，涌現(xiàn)出大量初創(chuàng)企業(yè)，成為推動量子計算生態(tài)建設(shè)和應(yīng)用場景探索的重要力量。國內(nèi)外對比來看，我國在量子計算主要硬件技術(shù)路線均有企業(yè)布局，超導(dǎo)和離子企業(yè)在硬件攻關(guān)方面投入推動力度，相比歐美同行仍有較大差距。量量和開源社區(qū)影響力等方面，和國外科技企業(yè)也有差距。量子計算產(chǎn)業(yè)鏈下游包括面向用戶提供服務(wù)的量子計算云平臺企業(yè)和在各領(lǐng)域開展應(yīng)用探索的行業(yè)企業(yè)。目前，以IBM、亞馬遜、微軟等科技企業(yè)為代表的量子計算云平臺，在后端量子計算硬件豐富程度、軟件框架完備性、商業(yè)化運營模式等方面，已成為業(yè)界標(biāo)桿。未來量子計算云平臺構(gòu)建后端多種技術(shù)路線硬件的支撐能力，實現(xiàn)編譯指令、中間表示和編程框架等層面的互聯(lián)互通，是重要發(fā)展方向。量子計算的潛在算力優(yōu)勢受到金融、軍工、航空航天、汽車、制藥等眾多行業(yè)的歐美領(lǐng)軍企業(yè)的高度重視，行業(yè)企業(yè)與量子計算企業(yè)聯(lián)合開展應(yīng)用探索已蔚然成風(fēng)。對比來看，我國量子計算云平臺企業(yè)在后端量子計算硬件水平、平臺應(yīng)用活躍度和商業(yè)化服務(wù)探索等方面，仍需進一步追趕。我國重點領(lǐng)域的行業(yè)企業(yè)對于量子計算應(yīng)用探索的關(guān)注和投入有待進一步加強。在量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化也開始成為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織研究布局的熱點。國際標(biāo)準(zhǔn)方面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會（ISO/IEC）JTC1成立了量子信息工作組（WG14開展了量子計算術(shù)語和詞匯標(biāo)準(zhǔn)研究，還在進一步討論成立量子技術(shù)術(shù)焦點組（FG-QIT4N）完成了盲量子計算和分布式量子計算等應(yīng)用案例研究討論。電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）近期立項了多個量子計算標(biāo)準(zhǔn)項目，涉及術(shù)語定義、性能基準(zhǔn)、功能架構(gòu)、算法開發(fā)和能效測試等多個方面，發(fā)展趨勢值得高度關(guān)注。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，全國量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC578）組織開展了多項量子計算標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研，2023年發(fā)布我國首個量子計算國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T42565-2023《量子計算術(shù)語和定義》，近期討論推動多個國家標(biāo)準(zhǔn)和研究課題的立項。全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會成立了量子信息標(biāo)準(zhǔn)工作組。目前，量子計算技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用的成熟度還非常有限，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)以基礎(chǔ)、功能和框架性研究為主。如果倉促針對特定技術(shù)路線或具體系統(tǒng)推動標(biāo)準(zhǔn)制定，可能導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展脫節(jié)，甚至是對技術(shù)產(chǎn)業(yè)演進的負面影響，不利于行業(yè)整體發(fā)展。量子通信領(lǐng)域的量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)初步實用化，多種協(xié)議類型的QKD系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)實現(xiàn)商用，但商用QKD系統(tǒng)的性圍，密鑰成碼率通常為數(shù)kbps至數(shù)十kbps量級。進一步提升QKD系統(tǒng)的傳輸距離和密鑰成碼率，對于遠距離傳輸、組網(wǎng)和高帶寬加密業(yè)務(wù)應(yīng)用等具有重要意義，也是提升QKD技術(shù)實用化水平，破解應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展困境的必由之路。系統(tǒng)的主要技術(shù)方案。量子態(tài)編解碼可利用光信號的不同自由度實現(xiàn)，如偏振、相位、相鄰脈沖間的位置和相位差等。制備-測量式QKD的密鑰成碼率與傳輸效率相關(guān)，難以突破單跨段500km光纖傳輸距離極限。此外，QKD接收端探測器的不理想特性可能導(dǎo)致側(cè)信道安全漏洞，成為系統(tǒng)現(xiàn)實安全性的風(fēng)險點?？梢韵綔y器引入的側(cè)信道安全漏洞，同時將理論成碼率提高到與傳輸效率的平方根相關(guān)，突破量子信道容量的PLOB界限。近年來，隨著發(fā)送或不發(fā)送（SNS）協(xié)議、雙向經(jīng)典通信（TWCC）和主動奇偶校驗等協(xié)議和方案的改進，TF-QKD已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的下一代遠距離、高安全性QKD技術(shù)方案，也是提升系統(tǒng)極限傳輸能力的研究熱點，代表性QKD實驗系統(tǒng)的傳輸距離提升趨勢如表5所示。2023年，中科大團隊報道71了采用SNS-TF-校驗方法、雙波段相位估計和超低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測器率為0.0034bps，首次將QKD系統(tǒng)的光纖極限傳輸距離提升到千公里量級，200km距離的密鑰成碼率可達47kbps。TF-QKD的中間探測端借助兩端信號的單光子干涉結(jié)果作為有效探測事件，需要兩個發(fā)送端獨立激光器的波長和相位嚴(yán)格匹配。系統(tǒng)在傳輸信道之外還需要相位參考光信道，以實現(xiàn)基于參考光測量的相位跟蹤和鎖定，降低了現(xiàn)網(wǎng)71/10.1103/physre部署的實用性。北京量子院團隊提出72異步配對探測符合計數(shù)和無參考光信道的開放式PMP-QKD架構(gòu)，如圖14（b）所示，簡化了系統(tǒng)配置提升了實用化水平，在508km光纖距離實現(xiàn)了42.64bps成碼率。提升QKD系統(tǒng)的密鑰成碼率指標(biāo)是另一個重要研究目標(biāo)。2023年，中科大聯(lián)合團隊報道73，基于2.5GHz工作密鑰成碼率新紀(jì)錄。瑞士應(yīng)用物理集團報道74了2.5GHz工作頻率，14通道集成SNSPD的BB84協(xié)議QKD系統(tǒng)，如圖14（d）所示，10km距離64Mbps密鑰成碼率。上述四個實驗基本代表了DV-QKD實驗系統(tǒng)當(dāng)前的最高水平，需要指出，單光子干涉和SNSPD等要素72/10.1103/physre73/10.1038/s474/10.1038/s4導(dǎo)致實驗系統(tǒng)向商用化系統(tǒng)的科研成果轉(zhuǎn)化難度極高，基于TF方案的商用化QKD系統(tǒng)，短期內(nèi)尚無實用化前景。CV-QKD在中短距離范圍有密鑰成碼率優(yōu)勢，同時系統(tǒng)集成度和供應(yīng)鏈成熟度等方面更具競爭力，是未來城域QKD應(yīng)用主流。2023年，山西大學(xué)報道75采用改進16-APSK，2.5G波特率的離散調(diào)制協(xié)議CV-QKD系統(tǒng)，在80km距離可實現(xiàn)2.11Mbps密鑰成碼率。西南通信研究所報道76采用高斯調(diào)制協(xié)議、工作頻率1GHz、全數(shù)字解調(diào)算法場理論對高速CVQKD系統(tǒng)引入線性數(shù)字信號處理的安全性給出初步證明和要求77。北郵提出78點到多點CV-QKD協(xié)議，消除不同鏈路相關(guān)性，提升組網(wǎng)可擴展性。上海交大報道79采用發(fā)送端光源集成方案，工作頻率0.5GHz系統(tǒng)實現(xiàn)50km距離0.75Mbps密鑰成碼率。北郵提出點到多點CV-QKD協(xié)議，消除不同鏈路相關(guān)性，提升組網(wǎng)可擴展性，與西南通信研究所聯(lián)合在ECOC2023報道實現(xiàn)8用戶PON網(wǎng)絡(luò)中6Mbps密鑰成碼率。丹麥科技大學(xué)報道80接收端集成方案的10G波特率調(diào)制系統(tǒng)，實現(xiàn)10km距離300Mbps密鑰成碼率?；赒KD、QSDC、量子隨機數(shù)發(fā)生器（QRNG）等技術(shù)的量子保密通信，需要與通信和信息安全領(lǐng)域的行業(yè)企業(yè)和用戶聯(lián)合開展產(chǎn)75/10.1364/76/10.1364/77/10.1038/s41534-0279/10.1364品研發(fā)和應(yīng)用探索，明確系統(tǒng)融合方案和加密應(yīng)用場景，才能為有高安全性需求的用戶提供切實有效和成本收益合理的解決方案，進而帶動技術(shù)產(chǎn)品規(guī)?；渴鸷彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，量子保密通信企業(yè)與通信網(wǎng)絡(luò)營運商合作開展技術(shù)驗證和應(yīng)用探索已漸成趨勢，在企業(yè)合作和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面取得一定進展。中國移動與國科量子聯(lián)合組建了信通數(shù)智量子科技有限公司，中國電信與科大國盾聯(lián)合組建了中電信量子科技有限公司。包含8個核心節(jié)點和159個接入節(jié)點，總長度達到1147km的合肥量子保密通信城域網(wǎng)建成，為市、區(qū)兩級黨政機關(guān)的電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供量子安全接入和數(shù)據(jù)傳輸加密服務(wù)。2023年中國電信進一步投資30億元在安徽成立了中電信量子信息科技集團有限公司，推動量子通信產(chǎn)業(yè)化，并布局量子計算和量子測量等領(lǐng)域能力開發(fā)。歐盟多國在歐洲量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（EuroQCI）計劃的資金支持下，開始啟動量子通信實驗網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。西班牙MadridQuantum項目將建設(shè)覆蓋馬德里大都市區(qū)量子通信城域網(wǎng)，法國、愛爾蘭和丹麥等國也開始建設(shè)量子通信試驗網(wǎng)絡(luò)并開展相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品測試。QKD等技術(shù)和不同類型ICT系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用研究持續(xù)開展。中國電信聯(lián)合華為技術(shù)、烽火通信、科大國盾等企業(yè)開展了QKD與光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備融合組網(wǎng)的原型產(chǎn)品開發(fā)和測試驗證，電信聯(lián)合團隊報道81了基于少模光纖（FMF）和分離光放系統(tǒng)的QKD81/10.13與經(jīng)典光通信系統(tǒng)共纖傳輸實驗，在100.96kmFMF和經(jīng)典光通信帶院開展QSDC在銀行關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膽?yīng)用探索。日本東芝和軟網(wǎng)（VPN）路由器產(chǎn)品，完成基于IPSec協(xié)議的量子加密VPN通信技術(shù)實驗。英國Bristol大學(xué)報道82將QKD設(shè)備與5G天線后端前傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)施結(jié)合，測試驗證5G前傳光信道中使用量子加密技術(shù)可行性。意大利電信集團與QTI公司合作開展工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的QKD應(yīng)用演示，為工控交換機和邊緣云計算節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸提供加密保護。2023年8月，工信部等四部門聯(lián)合發(fā)布《新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)航工程實施方案（2023-2035年）》83。方案對量子信息領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作提出明確指導(dǎo)意見：開展量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化路線圖研究。加快研制量子信息術(shù)語定義、功能模型、參考架構(gòu)、基準(zhǔn)測評等基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)。聚焦量子計算領(lǐng)域，研制量子計算處理器、量子編譯器、量子計算機聚焦量子通信領(lǐng)域，研制量子通信器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、運維、服務(wù)、測試等標(biāo)準(zhǔn)。聚焦量子測量領(lǐng)域，研制量子超高精度定位、量子導(dǎo)航和授時、量子高靈敏度探測與目標(biāo)識別等標(biāo)準(zhǔn)。量子保密通信領(lǐng)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系初步構(gòu)建，關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制取得階段性成果。在系統(tǒng)器件標(biāo)準(zhǔn)方面，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ST7）陸續(xù)發(fā)布了82/10.13683/zwgk/zcwj/wjfb/tz/art/2023/art_8d26688ad0aa4量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)技術(shù)要求和測試方法，QRNG和單光子探測器（SPD）等關(guān)鍵系統(tǒng)與器件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為量子保密通信領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用部署提供了規(guī)范化引導(dǎo)和支持。2023年，YD/T4303-2023《基于IPSec協(xié)議的量子保密通信應(yīng)用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》和YD/T3834.2-2023《量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)技術(shù)要求第2部分：基于高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施，為基于IPSec準(zhǔn)指導(dǎo)。量子保密通信系統(tǒng)中具備商用化能力的QKD、QRNG和加密應(yīng)用等核心設(shè)備已初步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。同時，在量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（QIIA）組織開展的量子保密通信產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)實施驗證測評活動中，科大國盾、啟科量子、弦海量子等廠家的QKD和QRNG等產(chǎn)品通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)驗證測評，促進了標(biāo)準(zhǔn)實施應(yīng)用和行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。開展十余項新標(biāo)準(zhǔn)項目研究，涉及QKD網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)間接口與協(xié)議定義、QKDN網(wǎng)絡(luò)可信中繼節(jié)點的安成員單位是相關(guān)項目的主要推動力量。GB/T42829-2023《量子保密通信應(yīng)用基本要求》正式發(fā)布，成為我國量子通信領(lǐng)域的首個國家標(biāo)準(zhǔn)。CCSA-ST7制定的YD/T4301-2023《量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》、YD/T4302.1-2023《量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求第1部分：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）功能》和T等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布。QKD網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將助力提升我國QKD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運維、管理能力和量子保密通信應(yīng)用和服務(wù)水平。成員單位牽頭研制的ISO/IEC23837-1/2《QKD安全要求與測試評估方法》兩項國際標(biāo)準(zhǔn)，歷時五年編制和討論，在2023年正式發(fā)布，為QKD技術(shù)、系統(tǒng)和產(chǎn)品的現(xiàn)實安全性評估奠定基礎(chǔ)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）也發(fā)布了GSQKD016《QKD模塊安全評估保護框要求，可用于支持對廠家提供QKD系統(tǒng)模塊開展安全性評估與認(rèn)證。CCSA-ST7的QKD系統(tǒng)安全技術(shù)要求等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在編制討論過程中。后續(xù)，根據(jù)相關(guān)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，組織開展QKD系統(tǒng)和產(chǎn)品的現(xiàn)實安全性測試驗證與評估，將是未來量子保密通信領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)實施驗證和測評關(guān)注的重要方向。量子信息網(wǎng)絡(luò)（QIN也稱量子互聯(lián)網(wǎng)，基于量子糾纏操控、量子隱形傳態(tài)、量子存儲中繼和量子頻率轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)量子態(tài)信息在量子計算機和量子傳感器等處理節(jié)點間的傳輸和組網(wǎng)，可以指數(shù)級提升量子信息處理能力，是量子計算、量子通信和量子測量融合發(fā)展的終極目標(biāo)和演進方向，已成為全球量子信息領(lǐng)域開展科研攻關(guān)和實驗探索的重點方向。2023年，QIN關(guān)鍵技術(shù)和使能組件的科研工作亮點頻出，代表性成果如表6所示。表62023年量子信息網(wǎng)絡(luò)科研進展概研究機構(gòu)量子信息網(wǎng)絡(luò)基于量子糾纏制備和量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸，提高量子糾纏制備和分發(fā)的效率和保真度是實現(xiàn)量子信息網(wǎng)方面取得一定進展。2023年，奧地利因斯布魯克大米的兩個鈣離子之間實現(xiàn)遠距離糾纏，保真度達0.882。南京大學(xué)報道85首次在硅基光量子芯片上實現(xiàn)四光子Dicke態(tài)的制備及高精度相干調(diào)控，保真度達0.817±0.003。中科大報道86成功實現(xiàn)51個超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)制備驗證，保真度達0.637±0.030。北京大學(xué)87報道基于硅基光量子芯片實現(xiàn)集成芯片間的高維量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，并提出高維量子糾纏自修復(fù)方法，可快速恢復(fù)在傳輸過程中已退化的糾纏。84/10.1103/Phy85/10.1103/Phy86/10.1038/s4158687/10.量子中繼是擴展量子信息網(wǎng)絡(luò)傳輸和組網(wǎng)能力的關(guān)鍵使能技術(shù)，主要分為含存儲量子中繼和全光量子中繼兩類方案，其中含存儲量子中繼是當(dāng)前主流發(fā)展方向，實驗進展成果豐富。2023年，美國普林斯頓大學(xué)報道88摻鉺的鎢酸鈣晶體可在電信頻段發(fā)出彼此無法區(qū)分的光子，有望用于固態(tài)量子中繼器的實驗。奧地利因斯布魯克大學(xué)報道89利用兩個鈣離子作為量子存儲器的量子中繼實驗，實現(xiàn)超50公里光纖的電信波段傳輸。全光量子中繼90無需量子存儲器，為量子中繼提供了另一種思路。美國德克薩斯大學(xué)91報道基于測量的容錯單向全光量子中繼方案，簡化了全光中繼的局部操作。南京大學(xué)報道92提出和驗證了用于實現(xiàn)遠距離多粒子糾纏分發(fā)的全光量子中繼協(xié)議。量子存儲器是含存儲量子中繼方案的核心組件，用于實現(xiàn)光子糾纏態(tài)的存儲和讀取。當(dāng)前基于多種不同類型存儲介質(zhì)和技術(shù)協(xié)議方案的量子存儲器處于開放探索階段，部分量子存儲器的單項性能指標(biāo)逐漸接近實用化水平，但距離同時滿足所有指標(biāo)的實用化要求尚有差距。2023年，牛津大學(xué)報道93基于離子阱量子信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)了高穩(wěn)定在0.81(4)。電子科大等聯(lián)合團隊94基于原子頻率梳協(xié)議在摻鉺鈮酸鋰波導(dǎo)芯片上實現(xiàn)了通信波段集成多模光量子存儲，存儲時間為200ns，存儲帶寬為4GHz，內(nèi)部存儲效率為2.83±0.03%。88/10.1038/s4158689/10.1103/Phy90/10.103891/10.21203/rs.3.rs-292/10.136493/10.1103/PhysRe量子頻率轉(zhuǎn)換器用于實現(xiàn)微波及光波等量子態(tài)信號的相干轉(zhuǎn)換，是構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)物理接口的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有原子輔助、電光、光電機械等多種轉(zhuǎn)換方案并行發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)性能逐步提升。2023年，美國芝加哥大學(xué)等聯(lián)合團隊95在低溫環(huán)境下利用中性原子實現(xiàn)微波光子到光學(xué)光子的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率峰值可達58%，轉(zhuǎn)換帶寬為360kHz。中科大等聯(lián)合團隊報道96基于鈮酸鋰芯片實現(xiàn)電信波段和近可見光波段的光子頻率轉(zhuǎn)換，內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率可達73%。奧地利科學(xué)技術(shù)研究所97在《科學(xué)》發(fā)文首次成功實現(xiàn)微波光子與光學(xué)互連組網(wǎng)，以及網(wǎng)絡(luò)增強量子傳感器具有重要意義。技術(shù)仍處于理論與實驗研究的開放探索階段，部分性能指標(biāo)得到提升，但整體距離實用化水平還有很大差距，量子糾纏源、單光子探測器和耦合連接器等使能組件的性能指標(biāo)有待進一步提升。作為歐美等國量子通信領(lǐng)域發(fā)展的重點方向，量子信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究和使能組件攻關(guān)未來可能加速發(fā)展演進，成為量子科技國際競爭的新熱點。量子信息網(wǎng)絡(luò)目前主要處于基礎(chǔ)研究與實驗探索階段，關(guān)鍵技術(shù)量子計算機互聯(lián)組網(wǎng)，指數(shù)級提升量子信息處理能力的應(yīng)用潛力巨大，95/10.1038/s41586-0296/10.1038/s41534-0297/10.11已成為歐美國家布局的重點發(fā)展方向之一。近年來家研究/行業(yè)機構(gòu)歐盟多國在地平線歐洲計劃和量子旗艦計劃等項目支持下，加大量子信息網(wǎng)絡(luò)研發(fā)投入力度，通過建立合作項目、組織應(yīng)用競賽和支持創(chuàng)業(yè)企業(yè)等多種形式，加快推動量子信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實驗與應(yīng)用探索。2023年，多家歐洲機構(gòu)聯(lián)合啟動LaiQa項目98，以構(gòu)建全球量子互聯(lián)網(wǎng)為目標(biāo)，開發(fā)三種不同光子源、實用化量子存儲器、以及連接衛(wèi)星和地面站的先進光纖耦合/自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等組件。歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（QIA）啟動“七年計劃”99，計劃投入2400萬歐元開發(fā)歐洲首個98https://www.tno.nl/en/newsroom/2023/09/laiqa-european-quant99/2022/10/14/the-quantum-internet-alliance-will-build-an-advanced-eurquantum-internet-eco鼓勵量子愛好者參與QIN應(yīng)用組網(wǎng)原型設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用探索。荷蘭節(jié)點組網(wǎng)實驗，報道101基于糾纏QIN鏈路層協(xié)議進行了實驗演示。此QIN產(chǎn)業(yè)化的先驅(qū)。英國布里斯托大學(xué)報道102了一種動態(tài)多協(xié)議糾纏分發(fā)量子信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)六用戶間的量子通信。德國電信開設(shè)量子實驗室103，提供量子光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施和2000公里測試光纖網(wǎng)絡(luò)，聚焦量子糾纏技術(shù)的電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，探索構(gòu)建量子物聯(lián)網(wǎng)。美國一直高度重視發(fā)展量子信息網(wǎng)絡(luò)，2020年發(fā)布了《美國量子應(yīng)用提供基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)儲備，加速應(yīng)用探索。2023年，DoE宣布104撥款2400萬美元用于QIN研究開發(fā)，推動分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用“NG-QNet”表征和驗證QIN的基礎(chǔ)組件功能實現(xiàn)105。林肯實驗室等聯(lián)合發(fā)布報道106在波士頓地區(qū)構(gòu)建了50公里三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)實驗床（BARQNET測試量子態(tài)信號傳輸特性和補償機制。美國企業(yè)也在積極布局量子信息網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與測試驗證，亞馬遜量子網(wǎng)絡(luò)研究中心報100/quantum-internet-application101/10.1038102/docu103/en/media/media-information/archive/deutsche-telekom-o104https://science105/programs-projects/quantum-co道107研制了基于金剛石色心的新型量子網(wǎng)絡(luò)光接口。EPB與Qubitekk合作推出美國首個商業(yè)QIN平臺“EPB量子網(wǎng)絡(luò)”108，并開始為網(wǎng)絡(luò)“GothamQ”109，與紐約大學(xué)合作測試16公里QIN鏈路?；F盧大學(xué)110宣布將與歐洲團隊聯(lián)合開展“HyperSpace”合作項目，旨在實現(xiàn)跨大西洋的量子衛(wèi)星鏈路和洲際量子通信組網(wǎng)。加拿大卡爾加里大學(xué)和佛羅里達大學(xué)合作111提出了基于衛(wèi)星中繼的量子信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案并近年來，歐美在量子通信領(lǐng)域的研究重點已逐步轉(zhuǎn)向了量子信息網(wǎng)絡(luò)方向，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)實驗等方面發(fā)展迅速，有可能率先取得技術(shù)和應(yīng)用突破。對比來看，我國量子通信領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用探索仍主要集中在QKD領(lǐng)域，在量子信息網(wǎng)絡(luò)原型研發(fā)和測試驗證等方面的推動力度和創(chuàng)新成果有限，需要進一步加強布局投入。以RSA、ECDH和ECDSA等算法為基礎(chǔ)的公鑰密碼體系，是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)信息安全的基石，為信息傳輸過程中的機密性、完整性和不可否認(rèn)性提供了底層安全保障。在量子計算技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，大數(shù)分解和橢圓曲線離散對數(shù)等底層數(shù)學(xué)難題可能被未來的大規(guī)模107/cn/blogs/quantum-computing/perfect-imperfections-how-aws-is-diamond-materials-for-quantum-communication-with-el109/about/news-publications/news/2023/september/nyu-takes-quacutting-edge-tech-hub-i110https://uwaterloo.ca/news/science/connecting-canada-and-europe-through-satellite?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_c111/prapplied/abstract/10.11可容錯通用量子計算機快速破解，從而對以現(xiàn)有公鑰密碼技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)信息安全體系造成嚴(yán)重威脅。對于需要長期保護的敏感信息，例如生物特征信息、軍事外交情報等，已經(jīng)開始面臨“先獲取后破解”的現(xiàn)實風(fēng)險。全球各國信息安全管理機構(gòu)和密碼學(xué)界對此高度重視，提出以新型底層數(shù)學(xué)難題構(gòu)建全新公鑰加密算法和標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對量子計算破解威脅的技術(shù)方案，即后量子加密（PQC）。PQC技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有鮮明的方案競爭和標(biāo)準(zhǔn)先行特性，美國是PQC算法標(biāo)準(zhǔn)制定的引領(lǐng)者，歐美科技巨頭和密碼學(xué)界是重要貢獻者。美國NIST推動PQC算法標(biāo)準(zhǔn)化的歷程如圖15所示，2016年啟動PQC算法的全球征集，通過收集全球利益相關(guān)方的算法提案，并在密碼學(xué)社區(qū)進行公開評議、破解驗證和修訂更新等形式，在2017至2022年間推動了四輪PQ