智研精品報(bào)告

2020年全球及中國(guó)量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)、行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及行業(yè)發(fā)展前景分析預(yù)測(cè)[圖]

管小紅 2020-02-17 06:15 來(lái)源：智研咨詢

量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科,主要包括量子通信和量子計(jì)算2個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等;量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。

科學(xué)社會(huì)學(xué)的奠基人貝爾納曾說(shuō)：“科學(xué)與戰(zhàn)爭(zhēng)一直是極其密切地聯(lián)系著的。”今天，倘若要追溯風(fēng)靡全球的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)之科技源頭的話，無(wú)疑是1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“ENIAC”誕生所開啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)圖景的電子信息科技，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問(wèn)題日漸凸顯：電子計(jì)算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存在？越來(lái)越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對(duì)“網(wǎng)電空間戰(zhàn)”？等等。對(duì)此，近年來(lái)不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機(jī)遇之門，勢(shì)必在未來(lái)重新涂抹戰(zhàn)神的面孔。

量子信息化戰(zhàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來(lái)的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演無(wú)可替代的角色。亦正因此，近年來(lái)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃。英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)也都將量子通信技術(shù)納入議程，對(duì)其開展了廣泛的探索。

一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)

（一）量子信息技術(shù)成為未來(lái)科技發(fā)展關(guān)注焦點(diǎn)之一

隨著人類對(duì)于量子力學(xué)原理的認(rèn)識(shí)、理解和研究不斷深入，以及對(duì)于微觀物理體系的觀測(cè)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(duì)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(cè)量三大領(lǐng)域，可以在提升運(yùn)算處理速度、信息安全保障能力、測(cè)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(jí)的關(guān)注焦點(diǎn)之一，在未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國(guó)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(wú)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(wèn)題上提供指數(shù)級(jí)加速。量子計(jì)算帶來(lái)的算力飛躍，有可能在未來(lái)引發(fā)改變游戲規(guī)則的計(jì)算革命，成為推動(dòng)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(lái)可能在實(shí)現(xiàn)特定計(jì)算問(wèn)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(guò)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(lái)量子信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

量子測(cè)量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測(cè)量，完成被測(cè)系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。主要包括時(shí)間基準(zhǔn)、慣性測(cè)量、重力測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量和目標(biāo)識(shí)別等方向，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、空間探測(cè)、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。量子物理常數(shù)和量子測(cè)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(lái)量子測(cè)量有望在生物研究、醫(yī)學(xué)檢測(cè)以及面向航天、國(guó)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(guó)加大量子信息領(lǐng)域的支持投入和布局推動(dòng)

以量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強(qiáng)國(guó)都對(duì)其高度重視。

近年來(lái)，歐美國(guó)家紛紛啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)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(guó) 2015 年正式啟動(dòng)“國(guó)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(guó)在 2018 年9 月提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”框架計(jì)劃，擬于 2022 年前投資6.5 億歐元促進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，并可延長(zhǎng)資助至 2028 年。

歐盟 2016 年推出為期十年，總投資額超過(guò) 10 億歐元的“量子宣言”旗艦計(jì)劃，并于 2018 年 10 月啟動(dòng)首批 19 個(gè)科研類項(xiàng)目，2019 年 7 月歐盟 10 國(guó)簽署量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（QCI）聲明，探討未來(lái)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(guó) 2018 年 12 月通過(guò)《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃（NQI）》立法，計(jì)劃在未來(lái)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(guó)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(guó)家安全。

同期發(fā)布的《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，規(guī)劃推動(dòng)量子計(jì)算超大規(guī)模數(shù)據(jù)集優(yōu)化處理，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(cè)量等領(lǐng)域的研究，同時(shí)設(shè)立 3~6 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(dòng)量子計(jì)算接入計(jì)劃（QCAP）。

我國(guó)對(duì)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(huì)上的講話中指出， “以人工智能、量子信息、移動(dòng)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(guó)務(wù)院發(fā)布《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《“十三五”國(guó)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^(guò)自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目對(duì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步推動(dòng)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(guó)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(píng)估與產(chǎn)業(yè)研究，大力支持和引導(dǎo)量子信息技術(shù)國(guó)際與國(guó)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(lái)，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(cè)量等領(lǐng)域新興應(yīng)用的演進(jìn)，在術(shù)語(yǔ)定義、性能評(píng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(lái)相關(guān)布局與研究工作明顯提速。歐洲多國(guó)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(huì)（ETSI）成立ISG-QKD 標(biāo)準(zhǔn)組，已發(fā)布包括術(shù)語(yǔ)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電工委員會(huì)的第一聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（ISO/IEC JTC1）成立了有我國(guó)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(shì)報(bào)告，同時(shí)在信息安全分技術(shù)委員會(huì)（SC27）立項(xiàng)由我國(guó)專家牽頭的 QKD 安全需求與測(cè)評(píng)方法標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）啟動(dòng)了量子技術(shù)術(shù)語(yǔ)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(guó)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(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）對(duì)量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)及其未來(lái)對(duì)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(lái)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(guó)部門成員和學(xué)術(shù)成員擔(dān)任部分標(biāo)準(zhǔn)編輯人并做出重要技術(shù)貢獻(xiàn)。此外，我國(guó)還推動(dòng)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(guó)際研討會(huì)，廣泛邀請(qǐng)全球研究機(jī)構(gòu)和科技公司的專家學(xué)者，對(duì)量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)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(wèn)組（TSAG）全會(huì)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(duì) 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)并提出建議。我國(guó)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(guó)
通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（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(yǔ)定義和應(yīng)用場(chǎng)景，QKD系統(tǒng)技術(shù)要求、測(cè)試方法和應(yīng)用接口等國(guó)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(guó)密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CSTC）也開展了 QKD 技術(shù)規(guī)范和測(cè)評(píng)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC578）正式成立，計(jì)劃開展量子計(jì)算和量子測(cè)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(zhǎng)迅速

1.量子計(jì)算近年來(lái)s論文和專利增長(zhǎng)迅速

自上世紀(jì) 90 年代開始，各科技強(qiáng)國(guó)開始在量子技術(shù)領(lǐng)域加大投入，量子計(jì)算專利申請(qǐng)開始出現(xiàn)。近年來(lái)，量子計(jì)算領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和授權(quán)發(fā)展態(tài)勢(shì)情況如圖 2 所示，2012 年之前全球量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量整體保持平穩(wěn)，專利申請(qǐng)主要來(lái)自美國(guó)和日本。

量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)情況

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

2012 年開始，隨著歐美科技巨頭開始大力投入和持續(xù)推動(dòng)，以及全球各國(guó)科技企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)，更加重視量子計(jì)算領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。美國(guó)在布局時(shí)間和申請(qǐng)總量上占有優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)我國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)更快。通過(guò)對(duì)比中、美、日、加的專利申請(qǐng)人的類型可以看出，我國(guó)專利更多的來(lái)自高校和科研機(jī)構(gòu)，國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)布局大多處于起步階段。

近 20 年來(lái)全球量子計(jì)算領(lǐng)域研究論文發(fā)表趨勢(shì)和主要發(fā)文機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是在 2018-19 年研究論文數(shù)量激增。從發(fā)表論文研究機(jī)構(gòu)來(lái)看，近五年來(lái)排名前 20 的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)占據(jù) 3 席，分別是中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)。其中，中國(guó)科學(xué)院的發(fā)文量持續(xù)快速上升，過(guò)去一年的新增論文數(shù)量?jī)H次于美國(guó) MIT和荷蘭 TU Delft。美國(guó)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(guó) 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。

量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢(shì)

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

2.量子通信領(lǐng)域中美兩國(guó)專利數(shù)量領(lǐng)先

隨著美、歐、英、日、韓等國(guó)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(zhǎng)，量子通信領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)和專利授權(quán)發(fā)展趨勢(shì)如圖 4 所示。

量子通信領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)發(fā)展趨勢(shì)

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

美國(guó)和日本在量子通信領(lǐng)域的早期專利申請(qǐng)量較多，但近年來(lái)，專利申請(qǐng)地域向中國(guó)轉(zhuǎn)移。對(duì)比專利申請(qǐng)和專利授權(quán)來(lái)看，由于早期中國(guó)專利申請(qǐng)量較少，所以目前看中國(guó)授權(quán)專利數(shù)量少于美國(guó)，但是隨著我國(guó)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(lái)專利授權(quán)量還將繼續(xù)上升，而且也將吸引更多的外國(guó)公司來(lái)華布局專利。

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(shì)和主要發(fā)文機(jī)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)量也在不斷增加，2018 年發(fā)文量創(chuàng)新高。

中、美、加、德、新、英等國(guó)以科研機(jī)構(gòu)為主，日本則主要來(lái)自企業(yè)。我國(guó)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(lái)論文數(shù)量保持平穩(wěn)并呈下降趨勢(shì)，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(guó)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。

3.量子測(cè)量和量子計(jì)量的專利論文增長(zhǎng)

與量子計(jì)算和量子通信相比，量子測(cè)量和量子計(jì)量領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和研究論文總量偏少，近年也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

量子測(cè)量領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

量子測(cè)量論文發(fā)表趨勢(shì)

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

截至 2019 年 10 月公開的相關(guān)專利近千件，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)強(qiáng)勁，從專利申請(qǐng)地域來(lái)看，美、中、日的專利申請(qǐng)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(guó)加州理工學(xué)院、德國(guó)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(guó)的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測(cè)量領(lǐng)域持續(xù)開展科研攻關(guān)，開始步入量子測(cè)量和量子計(jì)量研究論文發(fā)表數(shù)量的國(guó)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(tái)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(tái)，量子編碼是基于眾多物理比特實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)邏輯比特的糾錯(cuò)編碼，量子算法和軟件是將計(jì)算困難問(wèn)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(guó)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(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)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(chǔ)量子比特。光量子路線方面，中科大已實(shí)現(xiàn) 18 位光量子糾纏操控，處于國(guó)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(guó)本源量子研發(fā)了適用于 20 位量子比特的量子測(cè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)量子芯片操控。

目前，量子計(jì)算物理平臺(tái)中的超導(dǎo)和離子阱路線相對(duì)領(lǐng)先，但尚無(wú)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)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)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(wèn)題時(shí)，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級(jí)的運(yùn)算處理加速，從而體現(xiàn)量子計(jì)算原理性優(yōu)勢(shì)。其中，特定計(jì)算困難問(wèn)題是指該問(wèn)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(wèn)題時(shí)的顯著算力優(yōu)勢(shì)。

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，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(wèn)題時(shí)，具有遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有超級(jí)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(shì)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(dòng)和關(guān)注，將進(jìn)一步推動(dòng)全球各國(guó)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(dòng)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(cuò)閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)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(wàn)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(cuò)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(cuò)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(shì)的“殺手級(jí)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(tái)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(chǔ)存，通過(guò)云服務(wù)進(jìn)行量子處理器的接入和量子計(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(guò)程。近年來(lái)，越來(lái)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(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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)。

量子計(jì)算云平臺(tái)通用體系架構(gòu)

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

量子計(jì)算云平臺(tái)的通用體系架構(gòu)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(tái)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(chǔ)類基礎(chǔ)資源；二是量子計(jì)算平臺(tái)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(tái)，包括量子門電路、量子匯編、量子開發(fā)套件、量子算法庫(kù)、量子加速引擎等；三是量子應(yīng)用軟件服務(wù)（q-SaaS），即根據(jù)具體行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)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(tái)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(tái)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(lái)，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(guò) q-SaaS 模式對(duì)其業(yè)務(wù)處理進(jìn)行賦能。

美國(guó)量子計(jì)算云平臺(tái)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(tái)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(wú)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(guó)量子計(jì)算云平臺(tái)起步較晚，目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，與國(guó)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)算模擬云服務(wù)平臺(tái)，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(tái)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(dòng)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(guó)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(guó)近年來(lái)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，并建立了在技術(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(shì)。英、歐、日、澳等國(guó)緊密跟隨，領(lǐng)先國(guó)家之間通過(guò)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(shì)。我國(guó)近年來(lái)取得系列研究成果，但與美國(guó)相比仍有一定差距。此外，印度、韓國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)也開始將量子計(jì)算技術(shù)列入國(guó)家技術(shù)計(jì)劃加大投入。

科技巨頭間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)，對(duì)量子計(jì)算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。

Google 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。霍尼韋爾的離子阱量子比特裝置已進(jìn)入測(cè)試階段。

我國(guó)阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來(lái)通過(guò)與科研機(jī)構(gòu)合作或聘請(qǐng)具有國(guó)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(tái)、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(tái)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)算平臺(tái)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(tái)，并在 2019 年推出昆侖量子計(jì)算模擬一體原型機(jī)。我國(guó)科技企業(yè)進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域相對(duì)較晚，在樣機(jī)研制及應(yīng)用推動(dòng)方面與美國(guó)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(dòng)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(lái)，來(lái)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(guò)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)，企業(yè)集聚度以北美和歐洲（含英國(guó)）最高。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(shí)別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿?，開始與科技公司合作探索潛在用途，生態(tài)鏈不斷壯大。

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 Bluefors 和 Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測(cè)試工具，加速硅量子比特測(cè)試過(guò)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(tái)。

（五）應(yīng)用探索持續(xù)深入，“殺手級(jí)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(wèn)題（NP）。機(jī)器學(xué)習(xí)在過(guò)去十幾年里不斷發(fā)展，對(duì)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(duì)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)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進(jìn)展，理論上已證明量子算法對(duì)部分經(jīng)典計(jì)算問(wèn)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(guò)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?jī)?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(guó) 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(guò)程。摩根大通、巴克萊希望通過(guò)蒙特卡洛模擬加速來(lái)優(yōu)化投資組合，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(duì)沖。量子計(jì)算應(yīng)用探索正持續(xù)深入，未來(lái) 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(jiǎn)稱 QT）和量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡(jiǎn)稱 QKD）兩類。QT基于通信雙方的光子糾纏對(duì)分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測(cè)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(guò)對(duì)單光子或光場(chǎng)正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測(cè)量，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)，QT 研究在空、天、地等平臺(tái)積極開展實(shí)驗(yàn)探索。2017年，中科大基于“墨子號(hào)”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，采用囚禁離子和光子波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)和量子存儲(chǔ)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(wú)人機(jī)開展空地量子糾纏分發(fā)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)，無(wú)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(cè)量。目前，QT 研究仍主要局限在各種平臺(tái)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(chǔ)中繼和高效率量子態(tài)檢測(cè)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(lái)，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(chǎng)編碼和傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn) 550 公里超低損耗光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場(chǎng)中心測(cè)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(hào)”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(huì)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(cè)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(duì)應(yīng)密鑰成碼率 0.25bit/s，在 250 公里光纖傳輸距離對(duì)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 協(xié)議和 LDPC 糾錯(cuò)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(jiǎn)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(guò)衰減器和隨機(jī)信號(hào)控制相位調(diào)制后，輸出單光子量子態(tài)信號(hào)，在 Alice 端隨機(jī)抽樣檢測(cè)一部分量子態(tài)信號(hào)，對(duì)剩余的量子態(tài)信號(hào)用兩種不同幺正變換編碼，發(fā)送經(jīng)典信息，并通過(guò)原信道以時(shí)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(cè)，解調(diào)出 Alice 的編碼信息。

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，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)和信息論同步實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信道安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)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)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(guò)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(guó) 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(hào)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(cè)器（SPD）模塊仍難以實(shí)現(xiàn)集成。我國(guó)深圳海思半導(dǎo)體有限公司和山東國(guó)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。 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(cè)器，具有集成度與成本方面的優(yōu)勢(shì)，量子態(tài)信號(hào)檢測(cè)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(zhǎng)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(lái)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 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(guò)程中，由于量子態(tài)光信號(hào)的極低光功率，以及單光子探測(cè)器的超高檢測(cè)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(hào)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(cè)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(lái)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(guó)電信和中國(guó)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)的共纖混傳實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，但 QKD 系統(tǒng)的密鑰成碼率對(duì)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(hào)波長(zhǎng)，與 1310nm 的 O 波段光通信設(shè)備的共纖混傳，也在部分運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。在限制光通信信號(hào)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(jí)。未來(lái)，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，CV-QKD 采用本振光相干探測(cè)和平衡接收，對(duì)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(shì)。

（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(guó)等地運(yùn)營(yíng)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(guó) SKT 等運(yùn)營(yíng)商通過(guò)收購(gòu)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(guó)首爾地區(qū)的 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)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(lái)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(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等 QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目。中國(guó)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(zhǎng)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(dòng)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(guó)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。

在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方面，近年來(lái)我國(guó)又新增了一批由科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化或海外歸國(guó)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(shì)，QKD 技術(shù)研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)商情況。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(guó)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(wú)線通信加密應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合，對(duì)于擴(kuò)展量子保密通信的應(yīng)用場(chǎng)景，開拓商業(yè)化應(yīng)用市場(chǎng)，以及推動(dòng)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(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次傳輸。通過(guò)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(jí)要求的移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，例如 SD 卡等，進(jìn)行密鑰充注。密鑰存儲(chǔ)介質(zhì)再與具備身份認(rèn)證和加密通信功能的無(wú)線終端進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)使用量子密鑰對(duì)無(wú)線終端與加密服務(wù)器之間的身份認(rèn)證和會(huì)話密鑰協(xié)商過(guò)程的加密保護(hù)，從而為無(wú)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)。目前該解決方案已有初步商用化設(shè)備，并開始探索在政務(wù)和專網(wǎng)等高安全性需求領(lǐng)域的無(wú)線加密通信應(yīng)用，未來(lái)可能成為擴(kuò)展量子保密通信商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

（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)

在量子保密通信試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)安全性也是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)輿論關(guān)注的問(wèn)題之一。近來(lái)，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)1和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊(duì)2發(fā)表的關(guān)于 QKD 系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)安全性的研究論文，進(jìn)一步引發(fā)了關(guān)于量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性的討論。 QKD 技術(shù)經(jīng)過(guò)近 40 年的發(fā)展，其中密鑰分發(fā)的安全性由量子力和共識(shí)，但基于 QKD 的量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)安全性仍然是值得關(guān)注和研究的問(wèn)題。 QKD 只是量子保密通信系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，量子保密通信系統(tǒng)整體滿足信息論可證明安全性需要 QKD、一次一密加密和安全身份認(rèn)證三個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。目前 QKD 商用系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)光纖中的密鑰生成速率約為數(shù)十 kbit/s 量級(jí)，對(duì)于現(xiàn)有信息通信網(wǎng)絡(luò)中的 SDH、OTN和以太網(wǎng)等高速業(yè)務(wù)，難以采用一次一密加密，通常與傳統(tǒng)對(duì)稱加密算法（例如 AES、SM1 和 SM4 加密算法）相結(jié)合，由 QKD 提供對(duì)稱加密密鑰。在此情況下，由于存在密鑰的重復(fù)使用，并不滿足一次一密的加密體制要求。需要指出的是，相比傳統(tǒng)對(duì)稱加密體系，量子保密通信仍然能夠帶來(lái)安全性提升和應(yīng)用價(jià)值，一方面相比原有對(duì)稱加密算法的收發(fā)雙發(fā)自協(xié)商產(chǎn)生加密密鑰，QKD 所提供的加密密鑰在密鑰分發(fā)過(guò)程的防竊聽和破解的能力得到加強(qiáng)；另一方面 QKD 能夠提升對(duì)稱加密體系中的密鑰更新速率，從而降低密鑰和加密數(shù)據(jù)被計(jì)算破解的風(fēng)險(xiǎn)。

QKD 技術(shù)能夠保障點(diǎn)到點(diǎn)的光纖或自由空間鏈路中的密鑰分發(fā)的安全性。由于量子存儲(chǔ)和量子中繼技術(shù)距離實(shí)用化仍有一定距離，長(zhǎng)距離的 QKD 線路和網(wǎng)絡(luò)需要借助“可信中繼節(jié)點(diǎn)”技術(shù)，進(jìn)行逐段密鑰分發(fā)，密鑰落地存儲(chǔ)和中繼。密鑰一旦落地存儲(chǔ)，就不再具備量子態(tài)和由量子力學(xué)保證的信息論安全性，QKD 線路和網(wǎng)絡(luò)中的“可信中繼節(jié)點(diǎn)”需要采用傳統(tǒng)信息安全領(lǐng)域的高等級(jí)防護(hù)和安全管理來(lái)保證節(jié)點(diǎn)自身的安全性。目前針對(duì)“可信中繼節(jié)點(diǎn)”的安全性防護(hù)要求、學(xué)的基本原理保證，理論安全性證明也相對(duì)完備，QKD 技術(shù)在提供對(duì)稱密鑰的安全性方面的價(jià)值已經(jīng)獲得全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正在逐步開展，測(cè)評(píng)工作有待加強(qiáng)。未來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)可信中繼節(jié)點(diǎn)技術(shù)要求、安全性分析和測(cè)評(píng)方法等標(biāo)準(zhǔn)的研究與實(shí)施，將是保障量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)安全性的重要措施之一。通過(guò)明確可信中繼節(jié)點(diǎn)的安全防護(hù)要求和實(shí)施方案并通過(guò)相關(guān)測(cè)評(píng)驗(yàn)證，結(jié)合符合相應(yīng)等級(jí)要求的密鑰中繼管理方案，可以實(shí)現(xiàn)符合安全性等級(jí)保護(hù)要求的 QKD 組網(wǎng)和應(yīng)用。 QKD 技術(shù)的信息論可證明安全性是指理論證明層面，對(duì)于實(shí)際QKD 系統(tǒng)而言，由于實(shí)際器件（例如光源、探測(cè)器和調(diào)制器等）無(wú)法滿足理論證明的假設(shè)條件，即可能存在安全性漏洞，所以 QKD 系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性以及漏洞攻擊和防御，一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。前述的中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)道，都是針對(duì) QKD 實(shí)際系統(tǒng)的安全性漏洞進(jìn)行攻擊和防御改進(jìn)的學(xué)術(shù)研究成果。需要指出的是，此類研究通常在完全控制系統(tǒng)設(shè)備的條件下，采用極端條件模擬（例如超高光功率注入等方式）來(lái)攻擊系統(tǒng)獲取密鑰信息，與實(shí)際系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中可行的攻擊和竊聽屬于不同層面。

并且此類研究的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)也是在于改進(jìn)和提升 QKD 系統(tǒng)的實(shí)際安全性，通常都會(huì)給出針對(duì)所提出的攻擊方式的系統(tǒng)防御策略和解決方案，而非否定 QKD 系統(tǒng)安全性。針對(duì) QKD 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性的學(xué)術(shù)研究在未來(lái)將會(huì)持續(xù)進(jìn)行，從實(shí)際應(yīng)用層面而言，QKD系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)也需要持續(xù)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)安全性研究和測(cè)評(píng)驗(yàn)證。

（五）量子保密通信規(guī)?；瘧?yīng)用與產(chǎn)業(yè)化仍需探索

統(tǒng)協(xié)議，關(guān)鍵器件和后處理算法等方面的限制，商用 QKD 系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)中的單跨段光纖傳輸距離通常在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率約為數(shù)十kbit/s 量級(jí)，系統(tǒng)傳輸能力和密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。同時(shí)，QKD設(shè)備系統(tǒng)的工程化水平也有一定提升空間，例如偏振調(diào)制型設(shè)備在抗光纖線路擾動(dòng)方面存在技術(shù)難點(diǎn)；單光子探測(cè)器需要低溫制冷，對(duì)機(jī)房環(huán)境溫度變化較為敏感；QKD 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)維等方面尚未完全成熟。此外，量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)需要密鑰管理設(shè)備和加密通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng)，密鑰管理設(shè)備屬于信息安全領(lǐng)域，加密通信設(shè)備屬于信息通信領(lǐng)域，目前量子保密通信業(yè)界與信息通信行業(yè)和信息安全行業(yè)的合作與融合還比較有限，設(shè)備產(chǎn)品的工程化和標(biāo)準(zhǔn)化水平需進(jìn)一步提升和演進(jìn)。

量子保密通信技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展還面臨加密體制的技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)。量子保密通信的應(yīng)用背景主要是面向未來(lái)量子計(jì)算對(duì)于現(xiàn)有公鑰加密體系的計(jì)算破解威脅。一方面，量子計(jì)算的發(fā)展目前還處于多種技術(shù)路線探索的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，盡管近年來(lái)發(fā)展加速，但是距離實(shí)現(xiàn)真正具備破解密碼體系的大規(guī)?？删幊掏ㄓ没孔佑?jì)算能力仍有很長(zhǎng)的距離。另一方面，信息安全行業(yè)也在為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算可能帶來(lái)的安全性威脅進(jìn)行積極準(zhǔn)備，目前以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）主導(dǎo)的抗量子計(jì)算破解的新型加密體系和算法的全球征集和評(píng)比已經(jīng)完成第一輪篩選，計(jì)劃在 2023 年左右完成三輪公開評(píng)選，并推出新型加密體制標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)上海交大、復(fù)旦大學(xué)和中科院等單位提交的新型加密方案也參與其中。未來(lái)，抗量子計(jì)算破解的安全加密體制存在量子保密通信和后量子安全加密的技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)，加快提升 QKD系統(tǒng)成熟度、實(shí)用化水平和性價(jià)比，是搶占先機(jī)的關(guān)鍵。量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場(chǎng)開拓仍需進(jìn)一步探索。量子保密通信是對(duì)現(xiàn)有的保密通信技術(shù)中的對(duì)稱加密體系的一種安全性提升，能夠解決密鑰分發(fā)過(guò)程的安全性問(wèn)題，提升對(duì)稱加密通信的安全性水平，但是并不能完全解決信息網(wǎng)絡(luò)中面臨的所有安全性問(wèn)題。量子保密通信主要適用于具有長(zhǎng)期性和高安全性需求的保密通信應(yīng)用場(chǎng)景，例如政務(wù)和金融專網(wǎng)，以及電力等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等，市場(chǎng)容量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)有限，目前主要依靠國(guó)家和地方政府的支持和投入。量子保密通信技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用推廣和市場(chǎng)化發(fā)展仍然面臨技術(shù)成熟度、設(shè)備可靠性和投入產(chǎn)出性價(jià)比等方面的考驗(yàn)，需要產(chǎn)學(xué)研用各方共同努力，從設(shè)備升級(jí)、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)完善和商用化探索等多方面共同推動(dòng)。

我國(guó)面臨的信息安全形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，在政務(wù)、金融、外交、國(guó)防和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，提高信息安全保障能力的需求較為緊迫，對(duì)量子保密通信技術(shù)帶來(lái)的長(zhǎng)期信息安全保障能力有客觀需求和應(yīng)用前景。同時(shí)，量子保密通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣，也需要其自身技術(shù)成熟度、設(shè)備工程化、現(xiàn)實(shí)安全性和可靠性水平的不斷提升，以滿足規(guī)模化應(yīng)用部署和運(yùn)維管理等方面的條件和要求。針對(duì)量子保密通信系統(tǒng)設(shè)備的工程化和實(shí)用化的關(guān)鍵瓶頸開展基礎(chǔ)性共性技術(shù)，例如高性能單光子探測(cè)器、集成化調(diào)制解調(diào)器和高性能后處理算法等領(lǐng)域的攻關(guān)突破，將政策支持的優(yōu)勢(shì)真正轉(zhuǎn)化為核心技術(shù)和產(chǎn)品功能量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2019 年）性能的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)工程化水平和解決方案性價(jià)比，是應(yīng)用發(fā)展演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)的關(guān)鍵所在。

四、量子測(cè)量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

（一）量子測(cè)量突破經(jīng)典測(cè)量極限，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

信息技術(shù)包含信息獲取、處理、傳遞三大部分，與測(cè)量、計(jì)算和通信三大領(lǐng)域分別對(duì)應(yīng)。精密測(cè)量技術(shù)作為從物理世界獲取信息的主要途徑，在信息技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。精密測(cè)量不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且還能服務(wù)于國(guó)家重大需求，對(duì)各領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步具有推動(dòng)作用，因此具有重大的研究意義。精密測(cè)量的本質(zhì)是測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)物理量的相互作用，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)性質(zhì)的變化表征待測(cè)物理量的大小。經(jīng)典的測(cè)量方法的精度往往受限于衍射極限、散粒噪聲和海森堡極限等因素，測(cè)量精度提升面臨困難。

近年來(lái)量子技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)微觀對(duì)象量子態(tài)的操縱和控制日趨成熟，量子測(cè)量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。利用量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計(jì)等特性可以突破經(jīng)典力學(xué)框架下的測(cè)量極限，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。基于微觀粒子系統(tǒng)和量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱為量子測(cè)量。在量子測(cè)量中，電磁場(chǎng)、重力、加速度、角速度等外界環(huán)境直接與原子、離子、電子、光子等量子體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。

在量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域，量子系統(tǒng)的量子狀態(tài)極易收到外界環(huán)境的影響而發(fā)生改變，嚴(yán)重的制約著量子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性。量子測(cè)量恰恰利用量子體系的這一“缺點(diǎn)”，使量子體系與待測(cè)物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變來(lái)對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于量子測(cè)量的定義，一直存在著爭(zhēng)議和疑問(wèn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外量子信息技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)分類和業(yè)界調(diào)研反饋，廣義量子測(cè)量可以涵蓋利用量子特性來(lái)獲得比經(jīng)典測(cè)量系統(tǒng)更高的分辨率或靈敏度的測(cè)量技術(shù)。量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)具有兩大基本特征：一是操控觀測(cè)對(duì)象是微觀粒子系統(tǒng)，二是與待測(cè)物理量相互作用導(dǎo)致量子態(tài)變化，而具備以上兩點(diǎn)特征的測(cè)量技術(shù)可以納入量子測(cè)量的范疇。

量子測(cè)量可以分為以下五個(gè)基本步驟，如圖 14 所示。其中，量子態(tài)初始化是將量子系統(tǒng)初始化到一個(gè)穩(wěn)定的已知基態(tài)；初始測(cè)量態(tài)根據(jù)不同的應(yīng)用及技術(shù)原理，通過(guò)控制信號(hào)將量子系統(tǒng)調(diào)制到初始測(cè)量狀態(tài)；與待測(cè)物理量相互作用通過(guò)待測(cè)物理量（重力、磁場(chǎng)等）作用在量子系統(tǒng)上一段時(shí)間，使其量子態(tài)發(fā)生改變；量子態(tài)讀取通過(guò)測(cè)量確定量子系統(tǒng)的最終狀態(tài)（比如測(cè)量躍遷光譜、馳豫時(shí)間等）；結(jié)果轉(zhuǎn)換則將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為經(jīng)典信號(hào)輸出，獲取測(cè)量值。外界物理量和量子系統(tǒng)的相互作用可分為橫向作用和縱向作用，其中的橫向作用會(huì)誘導(dǎo)能級(jí)間的躍遷，從而增加其躍遷率；縱向作用通常導(dǎo)致能級(jí)的平移，從而改變其躍遷頻率。通過(guò)測(cè)量躍遷率和躍遷量子測(cè)量涵蓋電磁場(chǎng)、重力應(yīng)力、方向旋轉(zhuǎn)、溫度壓力等物理量應(yīng)用范圍涉及基礎(chǔ)科研、空間探測(cè)、材料分析、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害預(yù)防等諸多領(lǐng)域，當(dāng)前量子測(cè)量研究和應(yīng)用的主要領(lǐng)域及其技術(shù)。通過(guò)對(duì)不同種類量子系統(tǒng)中獨(dú)特的量子特性進(jìn)行控制與檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識(shí)別、量子重力測(cè)量、量子磁場(chǎng)測(cè)量、量子時(shí)間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的測(cè)量傳感，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要是高精度、小型化和芯片化。

按照對(duì)量子特性的應(yīng)用，量子測(cè)量分三個(gè)層次，第一層次是基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量；第二層次是基于量子相干性（波狀空間時(shí)間疊加態(tài)）測(cè)量；第三層次是基于量子糾纏進(jìn)行測(cè)量，突破經(jīng)典的理論極限。其中，前兩個(gè)層次雖然沒有充分利用量子疊加和糾纏等獨(dú)特性質(zhì)，是目前技術(shù)較成熟，涉及面寬，涵蓋了大部分量子測(cè)量場(chǎng)景，部分領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。第一層次從 20 世紀(jì) 50 年代就逐步在原子鐘等領(lǐng)域開始應(yīng)用。近些年隨著量子態(tài)操控技術(shù)研究的不斷深入，基于自旋量子位的測(cè)量系統(tǒng)開始成為研究熱點(diǎn)，通過(guò)外部物理量改變能級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)探測(cè)吸收或發(fā)射頻譜對(duì)外部物理量進(jìn)行測(cè)量。第二層次主要利用量子系統(tǒng)的物質(zhì)波特性，通過(guò)干涉法進(jìn)行外部物理量的測(cè)量，廣泛應(yīng)用于量子陀螺儀、量子重力儀等領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)成熟，精度較高，但是系統(tǒng)體積通常較大，短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)集成化。第三個(gè)層次條件最為嚴(yán)苛，同時(shí)也最接近量子的本質(zhì)?；诹孔蛹m纏的量子測(cè)量技術(shù)研究還比較少，主要集中在量子目標(biāo)識(shí)別、量子時(shí)間同步和量子衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。受制于量子糾纏態(tài)的制備和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，目前主要在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)用化較遠(yuǎn)。

（二）自旋量子位測(cè)量有望實(shí)現(xiàn)芯片化和集成應(yīng)用

利用自旋量子位進(jìn)行精密測(cè)量是量子測(cè)量領(lǐng)域中一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域。量子體系的自旋態(tài)地與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，磁場(chǎng)變化會(huì)導(dǎo)致自旋量子位的能級(jí)結(jié)構(gòu)變化，從而改變輻射或吸收頻譜，通過(guò)對(duì)譜線的精密測(cè)量就可以完成磁場(chǎng)測(cè)量。另外，自旋量子位的能級(jí)結(jié)構(gòu)還與溫度、應(yīng)力有關(guān)，利用類似原理實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力的精密測(cè)量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁場(chǎng)，當(dāng)自旋量子位發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，可實(shí)現(xiàn)角速度和加速度的精密測(cè)量?；谧孕孔游坏臏y(cè)量體系的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏度和高頻譜分辨率，自旋量子位的操控和讀取對(duì)環(huán)境要求較低，便于應(yīng)用。其空間分辨率遠(yuǎn)小于光學(xué)成像的衍射極限，有望用于對(duì)微納芯片和生物組織的檢測(cè)與成像。金剛石氮位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心是一種近期備受關(guān)注的自旋量子位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的超高靈敏度檢測(cè)，廣泛地應(yīng)用于磁場(chǎng)、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測(cè)量領(lǐng)域，具有巨大的潛力。目前金剛石色心測(cè)量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)芯片化，基于金剛石色心的芯片級(jí)陀螺儀、磁力計(jì)、磁成像裝置均有報(bào)道。例如美國(guó) MIT 今年首次報(bào)道了在硅芯片上制造了基于金剛石色心的量子傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精密測(cè)量，功能包括片上微波的產(chǎn)生和傳輸，以及來(lái)自金剛石量子缺陷的攜帶信息熒光的片上過(guò)濾和檢測(cè)，器件結(jié)構(gòu)緊湊，功耗較低，在自旋量子位測(cè)量和 CMOS 技術(shù)的結(jié)合方面邁出關(guān)鍵一步。此外，金剛石色心量子測(cè)量還能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的空間分辨率。中科大今年首次實(shí)現(xiàn)基于金剛石色心的 50 納米空間分辨力高精度多功能量子傳感。該成果為高空間分辨力非破壞電磁場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)，可應(yīng)用于微納電磁場(chǎng)及光電子芯片檢測(cè)，拓寬遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。自旋偶極耦合在密集自旋體系中產(chǎn)生壓縮，有望使測(cè)量靈敏度接近海森堡極限。

（三）量子糾纏測(cè)量處于前沿研究，實(shí)用尚有距離

量子糾纏作為量子光學(xué)乃至量子力學(xué)最為核心的課題，獲得了研究者們的廣泛關(guān)注。隨著 EPR 佯謬的提出，人們逐步發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了量子態(tài)的非定域性。利用量子糾纏這種非定域性可以實(shí)現(xiàn)距離的精確測(cè)量，一對(duì)糾纏光子包含信號(hào)光子和閑置光子，將信號(hào)光子發(fā)往距離未知的待測(cè)位置，閑置光子發(fā)送到位置固定的光電探測(cè)器，分別記錄光子的量子態(tài)和到達(dá)時(shí)間，并通過(guò)經(jīng)典信道進(jìn)行信息交互，通過(guò)聯(lián)合測(cè)量?jī)傻氐竭_(dá)時(shí)間可以計(jì)算出距離。如果采用三組基點(diǎn)對(duì)統(tǒng)一位置進(jìn)行測(cè)量，就可以在三維空間中唯一確定待測(cè)點(diǎn)的位置，基于此原理即可實(shí)現(xiàn)量子衛(wèi)星定位系統(tǒng)（QPS）用于高精度量子定位導(dǎo)航。如果距離是已知參數(shù)，根據(jù)此原理還可用于測(cè)量?jī)傻氐臅r(shí)鐘差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩地的高精度時(shí)鐘同步，此原理被應(yīng)用在量子時(shí)間同步協(xié)議中。類似于量子通信的原理，如果測(cè)量過(guò)程中存在竊聽者，糾纏態(tài)會(huì)遭到破壞，測(cè)量數(shù)據(jù)將不再關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到防竊聽的目的，也提高了系統(tǒng)的安全性。量子糾纏特性還廣泛應(yīng)用于量子目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。干涉式量子雷達(dá)和量子照射雷達(dá)都將糾纏光作為光源。干涉式量子雷達(dá)使用非經(jīng)典源（糾纏態(tài)或壓縮態(tài)）照射目標(biāo)區(qū)域，在接收端進(jìn)行經(jīng)典的干涉儀原理進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)利用光源的量子特性，可以使雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨能力和角分辨能力突破經(jīng)典極限。量子照射雷達(dá)在發(fā)射信號(hào)中使用糾纏光源掃描目標(biāo)區(qū)域，在接收處理中進(jìn)行量子最優(yōu)聯(lián)合檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高靈敏探測(cè)。

目前，基于量子糾纏的量子測(cè)量多處于理論研究階段，原理樣機(jī)的報(bào)道較少。主要原因在于高質(zhì)量性能穩(wěn)定的糾纏源制備目前尚未實(shí)現(xiàn)突破，另外高性能單光子探測(cè)技術(shù)瓶頸也制約其發(fā)展，單光子探測(cè)器的靈敏度、暗計(jì)數(shù)、時(shí)間抖動(dòng)等性能參數(shù)直接決定了量子測(cè)量的精度，有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。

（四）超高精度量子時(shí)鐘同步有望助力未來(lái)通信網(wǎng)

隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的興起，時(shí)間同步精度的需求也日益提高。從早期的日晷，水鐘，到機(jī)械鐘，石英鐘，再到原子鐘，人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量越來(lái)越精確。目前通信網(wǎng)絡(luò)中主要使用 GPS衛(wèi)星信號(hào)提供高精度的時(shí)間源，但衛(wèi)星信號(hào)不再能滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的全部需求，主要原因包括：衛(wèi)星信號(hào)不能覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景，衛(wèi)星授時(shí)可靠性和安全性待提高，衛(wèi)星接收機(jī)成本高。為了滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)同步需求，需研究超高精度時(shí)鐘源和高精度同步傳輸協(xié)議。其中，量子時(shí)鐘源可以提供不確定度優(yōu)于 1e-17 超高精度時(shí)鐘源，量子時(shí)間同步協(xié)議結(jié)合量子糾纏等技術(shù)可以為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度和高安全性的同步傳輸協(xié)議。

高精度時(shí)鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

資料來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

量子時(shí)鐘源利用原子能級(jí)躍遷譜線的穩(wěn)定頻率作為參考，通過(guò)頻率綜合和反饋電路來(lái)鎖定晶體振蕩器的頻率，從而得到準(zhǔn)確而穩(wěn)定的頻率輸出。根據(jù)躍遷頻率范圍分類，量子時(shí)鐘源可分為光鐘和微波鐘兩大類。目前微波鐘的不確定度最高可達(dá)到~1e-16 量級(jí)。由于時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和精度極大程度上取決于參考譜線的線寬 Δv 與譜線中心頻率 v 的比值 Δv/v。光波頻率比微波頻率高 4~5 個(gè)數(shù)量級(jí)，并且光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率噪聲遠(yuǎn)小于原子鐘，與原子微波鐘相比，光鐘的穩(wěn)定性、精度和位相噪聲都有數(shù)量級(jí)的改善。

由于還沒有電子系統(tǒng)能夠直接并準(zhǔn)確地記錄原子及離子 5e14 次/秒的光學(xué)振動(dòng),需要一種有效連接光頻與射頻的頻率鏈。光學(xué)頻率梳為超高精度同步實(shí)現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段，可將光頻率的穩(wěn)定性和精度“傳遞”到微波頻率，使得微波原子鐘具有與光鐘相同的輸出特性，提高時(shí)鐘輸出精度。光學(xué)頻率梳也是量子時(shí)鐘源的一個(gè)重要研究方向。
高精度與小型化是量子時(shí)鐘源兩大發(fā)展趨勢(shì)，高精度量子時(shí)鐘源可用于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）產(chǎn)生，小型化芯片級(jí)量子時(shí)鐘源可用作星載鐘，在衛(wèi)星導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

隨著高精度時(shí)間同步技術(shù)在基礎(chǔ)科研、導(dǎo)航、定位、電力、通信以及國(guó)防等方面的廣泛應(yīng)用將對(duì)同步傳輸精度提出更高要求。時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)由多時(shí)鐘源組成，即使所有的時(shí)鐘源都具有非常高的精度，由于時(shí)鐘源之間存在頻率差和初始相位差，各鐘面讀數(shù)仍不相同，需要時(shí)間同步協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘源進(jìn)行同步和修正。

量子時(shí)間同步協(xié)議與經(jīng)典同步協(xié)議相比，具有同步精度高、安全防竊聽、可消除色散等優(yōu)點(diǎn)，從而受到廣泛的關(guān)注。根據(jù)理論分析，經(jīng)典同步協(xié)議受限于經(jīng)典測(cè)量的散粒噪聲極限，而對(duì)于量子時(shí)間同步協(xié)議，其準(zhǔn)確度將達(dá)到量子力學(xué)中的海森堡極限，比經(jīng)典時(shí)間同步極限提高√倍，其中 N 為一個(gè)脈沖中包含的平均光子數(shù)，M 為脈沖數(shù)。目前經(jīng)典時(shí)間同步技術(shù)最高精度可達(dá) 100ps，目前量子時(shí)間同步協(xié)議原理性實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間同步精度有望進(jìn)入 ps 量級(jí)。

量子時(shí)間同步系統(tǒng)可以把量子時(shí)間同步協(xié)議與量子保密通訊相結(jié)合，開發(fā)出具備保密功能的量子時(shí)間同步協(xié)議，從而有效對(duì)付竊密者的偷聽行為。通過(guò)通道間的頻率糾纏特性還可以消除傳播路徑中介質(zhì)色散效應(yīng)對(duì)時(shí)鐘同步精度的不利影響。目前，遠(yuǎn)距離量子時(shí)間同步協(xié)議的研究工作尚處于原理探索研究階段，關(guān)于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的報(bào)道較少。量子糾纏及壓縮態(tài)的光子的制備成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的重要瓶頸，距離實(shí)用化仍較遠(yuǎn)。量子時(shí)鐘源提供了超高精度的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)源，量子時(shí)間同步協(xié)議提供了一種高精度、安全防竊聽的同步信息傳輸機(jī)制，二者結(jié)合有望能夠滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)需求。

（五）量子測(cè)量產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展，仍需多方助力合作

量子測(cè)量技術(shù)涉及軍事、民生、科研諸多領(lǐng)域，各國(guó)競(jìng)相布局

9月20日，谷歌發(fā)布論文稱已經(jīng)利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，即全球最強(qiáng)大的超算Summit要花1萬(wàn)年的計(jì)算實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了3分20秒。此舉證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)性能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而谷歌研究人員宣布，谷歌已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

此處并非傳統(tǒng)意義上的霸權(quán)，而是指量子計(jì)算機(jī)能夠被證實(shí)擁有超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，則實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。誰(shuí)先宣布了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，誰(shuí)將會(huì)在量子計(jì)算長(zhǎng)跑中占領(lǐng)先機(jī)。盡管相關(guān)論文在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)網(wǎng)站上不久后被刪除送與評(píng)審，但是關(guān)于量子計(jì)算的討論又開始被推上熱門話題。

對(duì)于眾多外行來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算仍是個(gè)遙遠(yuǎn)的新概念。實(shí)際上，早在1981年量子計(jì)算機(jī)的概念就被提出，衍生于量子通信。量子計(jì)算是物理學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科，被稱作是經(jīng)典物理學(xué)天空的“烏云”。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，量子計(jì)算已經(jīng)不再只停留在理論研究階段，2007年加拿大D-Wave公司實(shí)現(xiàn)歷史上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)，率先推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化，隨后谷歌、IBM、微軟等科技巨頭也開始布局。

全球著名咨詢公司波士頓集團(tuán)(BCG)曾發(fā)布一份報(bào)告稱，量子計(jì)算機(jī)將可能改變密碼學(xué)和化學(xué)(以及材料科學(xué)、農(nóng)業(yè)和制藥)等領(lǐng)域的游戲規(guī)則，更不用說(shuō)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，此外物流、制造業(yè)、金融和能源，都將因此而改變。盡管谷歌已經(jīng)證實(shí)量子計(jì)算機(jī)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，但是谷歌的系統(tǒng)只能進(jìn)行一次單一的、技術(shù)性很強(qiáng)的計(jì)算，真正使用量子計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題還需要數(shù)年時(shí)間。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)依賴二進(jìn)制，信息量的基本度量單位是比特，每一位可以表示為0或1。而量子計(jì)算機(jī)使用的是量子比特，一個(gè)量子比特不僅可以表示為0或1，還能表示0與1的疊加態(tài)(量子疊加)，也就是說(shuō)，n個(gè)“比特”只能表示2n個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，n個(gè)“量子比特”卻能同時(shí)表示2n個(gè)狀態(tài)。理想狀態(tài)下，50個(gè)量子比特一次可以進(jìn)行2的50次方次運(yùn)算。因此，量子系統(tǒng)具有比二進(jìn)制系統(tǒng)更快更高效的潛力，這種特性讓量子計(jì)算的工作速度呈雙指數(shù)倍增長(zhǎng)，算力優(yōu)勢(shì)達(dá)到恐怖級(jí)別，將實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的碾壓式跨越。

從上個(gè)世紀(jì)80年代開始，一場(chǎng)關(guān)于建造功能最強(qiáng)大、量子比特最多的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)競(jìng)賽就已經(jīng)拉開序幕。1988年IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學(xué)院的研究人員制作了一個(gè)2比特的計(jì)算系統(tǒng);2017年美國(guó)IBM宣布成功研制一款50量子位處理器原型，業(yè)內(nèi)專家稱“量子霸權(quán)”進(jìn)入爭(zhēng)奪關(guān)鍵期;2018年初英特爾推出了49量子比特超導(dǎo)量子測(cè)試芯片，名為“Tangle Lake”，過(guò)后兩個(gè)月不到，谷歌公司發(fā)布72量子比特計(jì)算系統(tǒng)“Bristlecone”，同年8月，從事量子計(jì)算研究的新興公司Rigetti預(yù)計(jì)2019年將會(huì)發(fā)布一個(gè)容量為128比特的計(jì)算系統(tǒng)，這一實(shí)現(xiàn)將是量子領(lǐng)域的重大突破，標(biāo)志著距離實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)(Quantum Advantage )和量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)這兩個(gè)目標(biāo)更近一步。

過(guò)去20年量子計(jì)算的爆炸式發(fā)展

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摩爾定律瀕臨上限量子計(jì)算成為重要突破點(diǎn)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遵循摩爾定律，即每隔18個(gè)月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能也增加一倍。當(dāng)前集成電路在材料和制程工藝方面已經(jīng)逼近瓶頸，2018年臺(tái)積電公司推出的7納米硅基芯片制程理論上已達(dá)到物理極限，要想繼續(xù)突破除了改用碳元素制作芯片，量子計(jì)算則是另外一種重要的選擇方式。

2002-2020年全球芯片制程(單位：納米)

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歐美日韓積極布局

當(dāng)前，量子力學(xué)已經(jīng)成為世界的科技研究一大熱點(diǎn)。全球主要國(guó)家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭(zhēng)搶占新興信息技術(shù)制高點(diǎn)。

美國(guó)是量子計(jì)算布局里最早也最積極的玩家之一，2018年美國(guó)通過(guò)《國(guó)家量子倡議法案》，在此之前，美國(guó)商務(wù)部的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)，以及非營(yíng)利組織SRI International簽署了合作研發(fā)協(xié)議。通過(guò)財(cái)團(tuán)的力量，幫助美國(guó)推動(dòng)量子計(jì)算行業(yè)的發(fā)展。2019年，美國(guó)政府發(fā)布未來(lái)工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“基礎(chǔ)設(shè)施”，認(rèn)為發(fā)展量子信息科學(xué)能夠保持美國(guó)在全球產(chǎn)業(yè)變革中的主導(dǎo)地位。政策上的持續(xù)加碼，讓美國(guó)在全球量子計(jì)算研發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

此外，英國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)也相繼出臺(tái)了針對(duì)量子計(jì)算、量子通信等量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃;日本、韓國(guó)起步較晚，但是憑借著本身的技術(shù)積累，在量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展也來(lái)勢(shì)洶洶。

我國(guó)在推動(dòng)量子技術(shù)方面也不甘落后，先后啟動(dòng)“自然科學(xué)基金”、“863”計(jì)劃和重大專項(xiàng)，2016年多個(gè)“十三五”規(guī)劃文件中提及量子計(jì)算的戰(zhàn)略地位，支持量子計(jì)算的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落地。2019年9月，濟(jì)南市政府正式批復(fù)了《濟(jì)南市人民政府關(guān)于加快建設(shè)量子信息大科學(xué)中心的若干政策措施》，這是我國(guó)城市出臺(tái)的首個(gè)量子信息產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)政策。文件提出2019-2021年，每年安排經(jīng)費(fèi)600萬(wàn)元，重點(diǎn)支持量子信息青年科研人員，強(qiáng)化量子科技與人才儲(chǔ)備;在建設(shè)高水平量子研發(fā)機(jī)構(gòu)方面，濟(jì)南市政府最高支持1億元。

隨著量子計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，一個(gè)由硬件和軟件架構(gòu)師及開發(fā)人員、貢獻(xiàn)者、投資者、潛在用戶和附屬參與者組成的量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)雛形顯現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，目前量子信息產(chǎn)業(yè)的主要參與者有五大類：端對(duì)端提供商、硬件和系統(tǒng)參與者、軟件和服務(wù)參與者、專家級(jí)參與者。

其中，端對(duì)端集成公司仍然是技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的中心。它們往往是大型科技公司和資金充足的初創(chuàng)公司，前者中如IBM一直是量子計(jì)算的先驅(qū)，并一直走在產(chǎn)業(yè)發(fā)展最前沿;后者如Rigetti是初創(chuàng)公司中領(lǐng)頭羊。

基礎(chǔ)研究方面，谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭積極展開全球合作，與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，并且這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計(jì)算取得了一定的成果。

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前進(jìn)展最好最快的一種固體量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。超導(dǎo)陣營(yíng)的所有主要參與者都已讓軟件和服務(wù)公司以及首選合作伙伴能夠從外部訪問(wèn)他們的小型芯片，有的已經(jīng)向整個(gè)社區(qū)開放了性能較差的版本和模擬器。未來(lái)三到四年內(nèi)超導(dǎo)量子元位可能領(lǐng)先于其他技術(shù)。

五、全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

（一）、全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

量子計(jì)算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力的躍遷帶來(lái)可能，但是目前量子計(jì)算技術(shù)仍處于初級(jí)階段，距離解決工程規(guī)模的問(wèn)題可能還需5-7年。據(jù)IDC預(yù)計(jì)，2027年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長(zhǎng)超過(guò)40倍;波士頓咨詢發(fā)布的報(bào)告預(yù)測(cè)，在不考慮量子糾錯(cuò)算法的進(jìn)展情況下，保守估計(jì)到2035年全球量子計(jì)算應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計(jì)算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，樂(lè)觀估計(jì)2035年市場(chǎng)規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

2035-2050年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)(單位：億美元)

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在一些傳統(tǒng)行業(yè)，以現(xiàn)有人類科技的計(jì)算能力，所消耗的時(shí)間和成本巨大，如生物制藥、化工、能源等;還有另一些本身對(duì)計(jì)算能力要求較高達(dá)到科技行業(yè)，也將會(huì)是量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)商用的領(lǐng)域。例如：搜索、數(shù)字安全。人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等等。

當(dāng)前量子計(jì)算元年無(wú)法預(yù)測(cè)，但是可以預(yù)見的是，在所有商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不存在偶然爆發(fā)的情況下，前5年的發(fā)展將非常平穩(wěn)。生物醫(yī)藥和化工行業(yè)作為龐大的行業(yè)，在量子元年應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將占據(jù)大部分份額，隨著時(shí)間推移，搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字安全三個(gè)行業(yè)憑借本身對(duì)計(jì)算的直接需求，將以量子計(jì)算作為時(shí)代跳板，市場(chǎng)規(guī)模占比逐漸擴(kuò)大，成為量子計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

量子元年-5年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模結(jié)構(gòu)(單位：%)

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近幾年全球范圍內(nèi)在量子計(jì)算物理驗(yàn)證取得的進(jìn)展是有目共睹的，并且也導(dǎo)致了越來(lái)越高的市場(chǎng)興趣和投資活動(dòng)，但是在實(shí)際解決問(wèn)題方面，國(guó)際公認(rèn)短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)。根據(jù)賽迪智庫(kù)電子信息研究所9月發(fā)布的《量子計(jì)算發(fā)展白皮書(2019年)》，量子計(jì)算發(fā)展預(yù)計(jì)分為近期、中期與遠(yuǎn)期三個(gè)階段。

近期的量子霸權(quán)僅為技術(shù)研發(fā)初期的一種特有概念形式，距離真正的量子計(jì)算機(jī)仍有很大距離;中期將利用可控的人造量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物理過(guò)程的高效量子模擬;后期通用量子計(jì)算機(jī)將對(duì)大數(shù)據(jù)。人工智能。密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，并且量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)將實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

BCG預(yù)測(cè)量子計(jì)算在25年內(nèi)將經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段，最終走向成熟，該預(yù)測(cè)比前文所述的原計(jì)劃要晚十年。其中，第一個(gè)階段是2018到2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問(wèn)題的非通用量子計(jì)算機(jī);

第二個(gè)階段是2028到2039年，邏輯量子比特?cái)?shù)量將擴(kuò)展到50多個(gè)，并實(shí)現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”，更快速地執(zhí)行特定算法的應(yīng)用程序，主要包括分子模擬、研發(fā)和軟件開發(fā)等，創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)潛力;

第三階段為2031年至2042年，量子計(jì)算機(jī)將在高級(jí)模擬、搜索和優(yōu)化的商業(yè)應(yīng)用取得比經(jīng)典方法更有顯著優(yōu)勢(shì)的規(guī)模。由于摩爾定律的擴(kuò)展，以及量子計(jì)算在某些應(yīng)用中超過(guò)二進(jìn)制計(jì)算的閾值，第二階段和第三階段量子計(jì)算機(jī)之間有相當(dāng)大的重疊。作為一個(gè)總體軌跡，BGC預(yù)測(cè)2030年左右將出現(xiàn)快速增長(zhǎng)。

（二）、我國(guó)量子通信行業(yè)發(fā)展前景分析

1、未來(lái)我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將超800億

我國(guó)在量子科學(xué)方面起步雖不是最早，但卻發(fā)展最快。隨著“量子衛(wèi)星”“京滬干線”等重大項(xiàng)目的建設(shè)，我國(guó)量子通信技術(shù)已躋身全球領(lǐng)先地位。如今，奧、意、俄、日、加等國(guó)的科研機(jī)構(gòu)正在或試圖與我國(guó)合作，包括聯(lián)合制訂量子通信產(chǎn)業(yè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

止至2017年我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到約180億元。初步測(cè)算2018年我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到320億元左右。預(yù)測(cè)2019年我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)425億元，并預(yù)測(cè)在2023年我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將超800億元，達(dá)到805億元左右，2019-2023年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為17.31%。

2017-2023年我國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

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2、我國(guó)量子通信行業(yè)發(fā)展前景分析

——政策加碼及推進(jìn)應(yīng)用創(chuàng)新

2016年12月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，把量子通信提升至國(guó)家戰(zhàn)略高度，將其作為重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)方向和體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目。

2017年5月，科技部、教育部、科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家基礎(chǔ)研究專項(xiàng)規(guī)劃的通知》，提出要面向多用戶聯(lián)網(wǎng)的量子通信關(guān)鍵技術(shù)和成套設(shè)備，率先突破量子保密通信技術(shù)，建設(shè)超遠(yuǎn)距離光纖量子通信網(wǎng)，開展星地量子通信系統(tǒng)硏究，構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。以奠定我國(guó)在新一輪信息技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的科技基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)方向。

2017年11月，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于組織實(shí)施2018年新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的通知》，提出以量子保密通信“京滬干線”和“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，面向國(guó)家戰(zhàn)略需求和可持續(xù)運(yùn)營(yíng)要求，在京津冀、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶等重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)量子保密通信骨干網(wǎng)及城域網(wǎng)，并在若干地區(qū)建設(shè)衛(wèi)星地面站，形成量子保密通信骨干環(huán)網(wǎng)。同時(shí)，構(gòu)建量子保密通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)服務(wù)體系，進(jìn)一步推進(jìn)其在信息通信領(lǐng)域及政務(wù)、金融、電力等行業(yè)的應(yīng)用。

2018年3月，政府工作報(bào)告肯定量子通信發(fā)展成果，將量子通信與載人航天、深海探測(cè)、大飛機(jī)并列為重大創(chuàng)新成果，認(rèn)可量子通信行業(yè)地位和發(fā)展成果。

2、量子通信獨(dú)特的優(yōu)越性

量子通信是一門交叉學(xué)科，是通信電子科學(xué)和量子力學(xué)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，這種通信技術(shù)可以完成傳統(tǒng)信息傳輸所不能完成的信息處理技術(shù)任務(wù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)和通信方式相比，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。量子通信是利用量子的不可復(fù)制性以及測(cè)量的隨機(jī)性進(jìn)行信息傳遞的一種新型通訊方式，與經(jīng)典通信相比較，量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，是目前唯一被證明無(wú)條件安全的通信方式。此外，它還具有較強(qiáng)抗干擾能力、傳輸能力、高傳輸效率以及容量大、速度快等優(yōu)點(diǎn)，理論上可以傳輸無(wú)限量的消息。由于其多方面突出的優(yōu)勢(shì)，這種量子通信技術(shù)得以被廣泛應(yīng)用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域，在信息檢測(cè)、信息傳送以及信息對(duì)抗等方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，性能和用途都領(lǐng)先于其他通信技術(shù)。

3、量子通信技術(shù)的不斷突破

2018年以來(lái)，我國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域不斷突破新記錄。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，打破了先前加州理工學(xué)院研究組4個(gè)量子接口之間糾纏的紀(jì)錄。中國(guó)科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。中國(guó)科技大學(xué)的研究人員還在量子通信研究中取得新進(jìn)展，創(chuàng)造密集編碼量子通信信道容量新紀(jì)錄。

2018年1月，中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。標(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力，為未來(lái)構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2018年7月，中國(guó)科學(xué)家一舉把量子密集編碼的信道容量紀(jì)錄提升到了2.09，超過(guò)了兩維糾纏能達(dá)到的理論極限，創(chuàng)造了當(dāng)前國(guó)際最高水平。

隨著“量子衛(wèi)星”、“京滬干線”等重大項(xiàng)目的建設(shè)，我國(guó)量子通信技術(shù)已躋身全球領(lǐng)先地位，率先實(shí)現(xiàn)了量子傳送、加密和分發(fā)，理論實(shí)力、技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用世界領(lǐng)先。

4、應(yīng)用前景廣闊

其一，量子通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域通信安全方面會(huì)有較大的發(fā)展空間。量子通信技術(shù)憑借其絕對(duì)通信安全性質(zhì)以及傳送信息的快速性、準(zhǔn)確性所決定的，在今后的一段時(shí)期內(nèi)或?qū)⒈淮蠓秶茝V及應(yīng)用到軍事技術(shù)中，以有力的保證軍事安全及國(guó)家信息安全。

其二，量子信息是國(guó)家儲(chǔ)存重要信息的安全載體。重要信息的儲(chǔ)存不僅需要安全性能，還需要較大的存儲(chǔ)空間，量子信息存儲(chǔ)可以滿足這一要求和標(biāo)準(zhǔn)，可以將國(guó)家的重要信息及文件存儲(chǔ)到量子信息庫(kù)中，并以獨(dú)有的密鑰，保證其安全性。

第三，量子信息與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，成為新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，特別是量子通信技術(shù)的大容量信息傳送和高效快速的性能，非常符合我國(guó)當(dāng)下大數(shù)據(jù)的時(shí)代特征，可用于涉及秘密數(shù)據(jù)或票據(jù)的金融、電信、電力、電子信息等領(lǐng)域和部門，應(yīng)用價(jià)值和前景非常廣闊。

本文大部分內(nèi)容來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

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