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

    量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科,主要包括量子通信和量子計算2個領(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;量子計算主要研究量子計算機(jī)和適合于量子計算機(jī)的量子算法。

    科學(xué)社會學(xué)的奠基人貝爾納曾說：“科學(xué)與戰(zhàn)爭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)爭之科技源頭的話，無疑是1946年世界第一臺計算機(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)展的系列問題日漸凸顯：電子計算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存在？越來越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對“網(wǎng)電空間戰(zhàn)”？等等。對此，近年來不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機(jī)遇之門，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)神的面孔。

    量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。亦正因此，近年來，美國國防高級研究計劃署啟動了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計劃。英國、德國、日本等國也都將量子通信技術(shù)納入議程，對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

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

    隨著人類對于量子力學(xué)原理的認(rèn)識、理解和研究不斷深入，以及對于微觀物理體系的觀測和調(diào)控能力不斷提升，以微觀粒子系統(tǒng)（如電子、光子和冷原子等）為操控對象，借助其中的量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生并蓬勃發(fā)展。量子信息技術(shù)主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域，可以在提升運(yùn)算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點(diǎn)之一，在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)共性乃至顛覆性重大影響。

    量子計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)行量子并行計算，具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，能夠在特定計算困難問題上提供指數(shù)級加速。量子計算帶來的算力飛躍，有可能在未來引發(fā)改變游戲規(guī)則的計算革命，成為推動科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進(jìn)的“觸發(fā)器”和“催化劑”。未來可能在實(shí)現(xiàn)特定計算問題求解的專用量子計算處理器，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，是首個從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的量子通信技術(shù)分支。通過在經(jīng)典通信中加入量子密鑰分發(fā)和信息加密傳輸，可以提升網(wǎng)絡(luò)信息安全保障能力。量子隱形傳態(tài)在經(jīng)典通信輔助之下，可以實(shí)現(xiàn)任意未知量子態(tài)信息的傳輸。量子隱形傳態(tài)與量子計算融合形成量子信息網(wǎng)絡(luò)，是未來量子信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

    量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。主要包括時間基準(zhǔn)、慣性測量、重力測量、磁場測量和目標(biāo)識別等方向，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、空間探測、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。量子物理常數(shù)和量子測量技術(shù)已經(jīng)成為定義基本物理量單位和計量基準(zhǔn)的重要參考，未來量子測量有望在生物研究、醫(yī)學(xué)檢測以及面向航天、國防和商業(yè)等應(yīng)用的新一代定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)等方面率先獲得應(yīng)用。

    （二）各國加大量子信息領(lǐng)域的支持投入和布局推動

    以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強(qiáng)國都對其高度重視。

    近年來，歐美國家紛紛啟動了國家級量子科技戰(zhàn)略行動計劃，大幅增加研發(fā)投入，同時開展頂層規(guī)劃及研究應(yīng)用布局。 英國 2015 年正式啟動“國家量子技術(shù)計劃”，投資 2.7 億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心，開展學(xué)術(shù)與應(yīng)用研究2018 年 11 月進(jìn)行了第二階段 2.35 億英鎊投資撥款。德國在 2018 年9 月提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”框架計劃，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，并可延長資助至 2028 年。

    歐盟 2016 年推出為期十年，總投資額超過 10 億歐元的“量子宣言”旗艦計劃，并于 2018 年 10 月啟動首批 19 個科研類項(xiàng)目，2019 年 7 月歐盟 10 國簽署量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（QCI）聲明，探討未來十年在歐洲范圍內(nèi)將量子技術(shù)和系統(tǒng)整合到傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施之中，以保護(hù)智能能源網(wǎng)絡(luò)、空中交通管制、銀行和醫(yī)療保健設(shè)施等加密通信系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

    美國 2018 年 12 月通過《國家量子行動計劃（NQI）》立法，計劃在未來四年增加量子信息科學(xué)領(lǐng)域投資 12.75 億美元，以確保美國在量子技術(shù)時代的科技領(lǐng)導(dǎo)力，以及經(jīng)濟(jì)安全、信息安全和國家安全。

    同期發(fā)布的《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，規(guī)劃推動量子計算超大規(guī)模數(shù)據(jù)集優(yōu)化處理，量子模擬新材料設(shè)計和分子功能研究，基于量子隱形傳態(tài)的安全通信以及量子傳感與精密測量等領(lǐng)域的研究，同時設(shè)立 3~6 個量子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（QILabs），建立全美量子科研網(wǎng)絡(luò)（QRNet），推動量子計算接入計劃（QCAP）。

    我國對量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用高度重視。2018 年 5 月，習(xí)近平總書記在兩院院士大會上的講話中指出， “以人工智能、量子信息、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用。 ”國務(wù)院發(fā)布《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《“十三五”國家信息化規(guī)劃》等文件，指導(dǎo)量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用?？萍疾亢椭锌圃和ㄟ^自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計劃和戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目對量子信息科研給予支持，同時論證籌備重大科技項(xiàng)目和國家實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步推動基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)改委牽頭組織實(shí)施量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范項(xiàng)目，國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。工信部開展量子保密通信應(yīng)用評估與產(chǎn)業(yè)研究，大力支持和引導(dǎo)量子信息技術(shù)國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化研究。

    （三）量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究受到重視并加速發(fā)展

    近年來，全球范圍內(nèi)量子信息技術(shù)領(lǐng)域的樣機(jī)研究、試點(diǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化迅速發(fā)展，隨著量子計算、量子通信和量子測量等領(lǐng)域新興應(yīng)用的演進(jìn)，在術(shù)語定義、性能評價、系統(tǒng)模塊、接口協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理運(yùn)維等方面的標(biāo)準(zhǔn)化需求也開始逐漸出現(xiàn)。

    國際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛成立量子信息技術(shù)相關(guān)研究組和標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目并開展工作，2018 年以來相關(guān)布局與研究工作明顯提速。歐洲多國在完成 QKD 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)之后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）成立ISG-QKD 標(biāo)準(zhǔn)組，已發(fā)布包括術(shù)語定義、系統(tǒng)器件、應(yīng)用接口、安全證明、部署參數(shù)等 9 項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，另有 3 項(xiàng)在研。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會的第一聯(lián)合技術(shù)委員會（ISO/IEC JTC1）成立了有我國專家參與的量子計算研究組（SG2）和咨詢組（AG），發(fā)布量子計算研究報告和技術(shù)趨勢報告，同時在信息安全分技術(shù)委員會（SC27）立項(xiàng)由我國專家牽頭的 QKD 安全需求與測評方法標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）啟動了量子技術(shù)術(shù)語定義、量子計算性能指標(biāo)和軟件定義量子通信協(xié)議等 3 個研究項(xiàng)目。國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）成立量子互聯(lián)網(wǎng)研究組（QIRG）開展量子互聯(lián)網(wǎng)路由、資源分配、連接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。 國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）對量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)及其未來對信息通信網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)業(yè)的影響保持高度關(guān)注。未來網(wǎng)絡(luò)研究組（SG13）已開展 QKD 網(wǎng)絡(luò)的基本框架、功能架構(gòu)、密鑰管理和軟件定義控制等方面研究項(xiàng)目，網(wǎng)絡(luò)安全研究組（SG17）則在 QKD網(wǎng)絡(luò)安全要求、密鑰管理安全要求、可信節(jié)點(diǎn)安全要求、加密功能要求等方面開展研究，我國部門成員和學(xué)術(shù)成員擔(dān)任部分標(biāo)準(zhǔn)編輯人并做出重要技術(shù)貢獻(xiàn)。此外，我國還推動在 ITU-T 成立面向網(wǎng)絡(luò)的量子信息技術(shù)研究焦點(diǎn)組（FG-QIT4N），全面開展量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。2019 年 6 月，在上海成功舉辦了首屆 ITU 量子信息技術(shù)國際研討會，廣泛邀請全球研究機(jī)構(gòu)和科技公司的專家學(xué)者，對量子計算、量子通信、量子測量、量子信息網(wǎng)絡(luò)（QIN）等議題開展交流和討論。2019 年 9 月，F(xiàn)G-QIT4N 在電信標(biāo)準(zhǔn)化顧問組（TSAG）全會期間正式成立，由中俄美專家共同擔(dān)任主席，計劃在焦點(diǎn)組研究期內(nèi)，對 QKD 網(wǎng)絡(luò)和 QIN 等相關(guān)議題開展標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研，為 ITU-T 下一個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。 我國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點(diǎn)應(yīng)用方面具備較好的研究基礎(chǔ)和實(shí)踐積累，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也逐步開展。2017 年，中國
通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）成立量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ST7），開展量子通信和網(wǎng)絡(luò)以及量子信息技術(shù)關(guān)鍵器件的標(biāo)準(zhǔn)研究，目前已完成 6 項(xiàng)研究報告，并開展量子保密通信術(shù)語定義和應(yīng)用場景，QKD系統(tǒng)技術(shù)要求、測試方法和應(yīng)用接口等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。QKD 技術(shù)還涉及密碼的產(chǎn)生、管理和使用，中國密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（CSTC）也開展了 QKD 技術(shù)規(guī)范和測評體系等密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究。2019年1月，量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC578）正式成立，計劃開展量子計算和量子測量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

    （四）量子信息技術(shù)創(chuàng)新活躍，論文和專利增長迅速

    1.量子計算近年來s論文和專利增長迅速

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

量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾埱闆r

資料來源：中國信息通信研究院

    2012 年開始，隨著歐美科技巨頭開始大力投入和持續(xù)推動，以及全球各國科技企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)之間的相互競爭，更加重視量子計算領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)布局，專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯增長。美國在布局時間和申請總量上占有優(yōu)勢，近年來我國量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量的增長趨勢更快。通過對比中、美、日、加的專利申請人的類型可以看出，我國專利更多的來自高校和科研機(jī)構(gòu)，國內(nèi)科技企業(yè)多與科研院所合作，相關(guān)研究工作和知識產(chǎn)權(quán)布局大多處于起步階段。

    近 20 年來全球量子計算領(lǐng)域研究論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，隨著量子計算從理論走向物理實(shí)現(xiàn)，全球論文發(fā)表量也保持增長態(tài)勢，特別是在 2018-19 年研究論文數(shù)量激增。從發(fā)表論文研究機(jī)構(gòu)來看，近五年來排名前 20 的機(jī)構(gòu)中，中國占據(jù) 3 席，分別是中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)。其中，中國科學(xué)院的發(fā)文量持續(xù)快速上升，過去一年的新增論文數(shù)量僅次于美國 MIT和荷蘭 TU Delft。美國量子計算研究重要機(jī)構(gòu)多達(dá) 10 個，除了高校外，IBM、Microsoft 和 Google 等科技巨頭也有較多研究成果發(fā)表。

    此外，德國 ETH Zurich、Max Planck Society、加拿大 Waterloo 大學(xué)、蒙特利爾大學(xué)、日本東京大學(xué)也是重要的創(chuàng)新主體。

量子計算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢

資料來源：中國信息通信研究院

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

    隨著美、歐、英、日、韓等國的量子通信研發(fā)及試點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展，專利作為重要的技術(shù)保護(hù)手段受到產(chǎn)學(xué)研界的重視，相關(guān)專利快速增長，量子通信領(lǐng)域全球?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢如圖 4 所示。

量子通信領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)發(fā)展趨勢

資料來源：中國信息通信研究院

    美國和日本在量子通信領(lǐng)域的早期專利申請量較多，但近年來，專利申請地域向中國轉(zhuǎn)移。對比專利申請和專利授權(quán)來看，由于早期中國專利申請量較少，所以目前看中國授權(quán)專利數(shù)量少于美國，但是隨著我國在量子通信基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索的不斷深入，以及量子保密通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計未來專利授權(quán)量還將繼續(xù)上升，而且也將吸引更多的外國公司來華布局專利。

    2005 年之后，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)研究從理論探索開始走向?qū)嵱没?，相關(guān)研究論文數(shù)量持續(xù)上升，近年 QKD 領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機(jī)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、英等國以科研機(jī)構(gòu)為主，日本則主要來自企業(yè)。我國中科大、北郵、清華、中科院、上交等院校的科研論文數(shù)量排名前列。相比之下，量子隱形傳態(tài)（QT）的論文數(shù)量在 2005 年之前一直高于 QKD，但近年來論文數(shù)量保持平穩(wěn)并呈下降趨勢，與其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍未取得突破有一定關(guān)系。除歐、美、日科研機(jī)構(gòu)外，我國的中科大、中科院、電子科大和清華的論文發(fā)表數(shù)量也名列前茅。

    3.量子測量和量子計量的專利論文增長

    與量子計算和量子通信相比，量子測量和量子計量領(lǐng)域的專利申請和研究論文總量偏少，近年也呈現(xiàn)增長趨勢。

量子測量領(lǐng)域?qū)＠暾?br />

資料來源：中國信息通信研究院

量子測量論文發(fā)表趨勢

資料來源：中國信息通信研究院

    截至 2019 年 10 月公開的相關(guān)專利近千件，并且增長趨勢強(qiáng)勁，從專利申請地域來看，美、中、日的專利申請量較多。論文方面，與量子計量（Quantum metrology）相關(guān)的論文數(shù)量持續(xù)上升，美國加州理工學(xué)院、德國蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院以及澳大利亞的高校和科研機(jī)構(gòu)發(fā)表了較多的論文。我國的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測量領(lǐng)域持續(xù)開展科研攻關(guān)，開始步入量子測量和量子計量研究論文發(fā)表數(shù)量的國際前沿行列。

    二、量子計算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

    （一）物理平臺探索發(fā)展迅速，技術(shù)路線仍未收斂

    量子計算研究始于上世紀(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)用等多個環(huán)節(jié)。其中，量子處理器是制備和操控量子物理比特的平臺，量子編碼是基于眾多物理比特實(shí)現(xiàn)可容錯邏輯比特的糾錯編碼，量子算法和軟件是將計算困難問題與量子計算并行處理能力結(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，清華大學(xué)利用單量子比特實(shí)現(xiàn)了精度為 98.8%的量子生成對抗網(wǎng)絡(luò)，未來可應(yīng)用于圖像生成等領(lǐng)域。量子比特間的糾纏或連接程度是影響量子計算處理能力的重要因素之一，目前報道的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計和量子比特糾纏程度不盡統(tǒng)一，大部分并未實(shí)現(xiàn)全局糾纏。離子阱路線方面，IonQ 已實(shí)現(xiàn) 79 位處理量子比特和 160 位存儲量子比特。光量子路線方面，中科大已實(shí)現(xiàn) 18 位光量子糾纏操控，處于國際領(lǐng)先地位。硅量子點(diǎn)路線方面，新南威爾士大學(xué)報道了保真度為 99.96%的單比特邏輯門和保真度為 98%的雙比特邏輯門，中科大也實(shí)現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門。此外，我國本源量子研發(fā)了適用于 20 位量子比特的量子測控一體機(jī)，用于提供量子處理器芯片運(yùn)行所需要的關(guān)鍵信號，實(shí)現(xiàn)量子芯片操控。

    目前，量子計算物理平臺中的超導(dǎo)和離子阱路線相對領(lǐng)先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算技術(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，未來的量子計算機(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，指量子計算在解決特定計算困難問題時，相比于經(jīng)典計算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級的運(yùn)算處理加速，從而體現(xiàn)量子計算原理性優(yōu)勢。其中，特定計算困難問題是指該問題的計算處理，能夠充分適配量子計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)揮出量子計算方法相比于傳統(tǒng)計算方法在解決該問題時的顯著算力優(yōu)勢。

    2019 年 10 月，《自然》雜志以封面論文形式報道了 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，實(shí)現(xiàn)了 53 位量子物理比特二維陣列的糾纏與可控耦合，在解決隨機(jī)量子線路采樣問題時，具有遠(yuǎn)超過現(xiàn)有超級計算機(jī)的處理能力。Google 研究成果是證明量子計算原理優(yōu)勢和技術(shù)潛力的首個實(shí)際案例，具有里程碑意義。這一熱點(diǎn)事件所引發(fā)的震動和關(guān)注，將進(jìn)一步推動全球各國在量子計算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實(shí)踐和應(yīng)用探索，為加快量子計算機(jī)的研制和實(shí)用化注入新動力。

    需要指出的是，現(xiàn)階段量子計算的研究發(fā)展水平距離實(shí)用化仍有較大差距。量子計算系統(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)，使計算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計算能力遭到破壞。發(fā)展速度最快的超導(dǎo)技術(shù)路線，在可擴(kuò)展性、操控時間和保真度等方面也存在局限。此外，可編程通用量子計算機(jī)需要大量滿足容錯閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。以運(yùn)行 Shor 算法破譯密碼為例，要攻破 AES 加密算法需要數(shù)千個量子邏輯比特，轉(zhuǎn)換為量子物理比特可能需要數(shù)萬個或者更多?，F(xiàn)有研究報道中的物理量子比特數(shù)量和容錯能力與實(shí)際需求尚有很大差距，量子邏輯比特仍未實(shí)現(xiàn)。通用量子計算機(jī)的實(shí)用化，業(yè)界普遍預(yù)計仍需十年以上時間。

    在達(dá)到通用量子計算所需的量子比特數(shù)量、量子容錯能力和工程化條件等要求之前，專用量子計算機(jī)或量子模擬器將成為量子計算發(fā)展的下一個重要目標(biāo)。結(jié)合量子計算和量子模擬應(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)揮量子計算處理能力優(yōu)勢的“殺手級應(yīng)用”，將為量
子計算技術(shù)打開實(shí)用化之門。

    （三）量子計算云平臺成為熱點(diǎn)，發(fā)展方興未艾

    量子處理器需要在苛刻的環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)算和儲存，通過云服務(wù)進(jìn)行量子處理器的接入和量子計算應(yīng)用推廣成為量子計算算法及應(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)后將計算結(jié)果返回給調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器再將計算結(jié)果變成可視化的統(tǒng)計分析發(fā)送給用戶，完成整個計算過程。近年來，越來越多的量子計算公司和研究機(jī)構(gòu)發(fā)布量子計算云平臺，以實(shí)現(xiàn)對量子處理器資源的充分共享，并提供各種基于量子計算的衍生服務(wù)。

量子計算云平臺通用體系架構(gòu)

資料來源：中國信息通信研究院

    量子計算云平臺的通用體系架構(gòu)主要包括計算引擎層、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。量子計算云平臺的服務(wù)模式主要分為三種：一是量子基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（q-IaaS），即提供量子計算云服務(wù)器、量子模擬器和真實(shí)量子處理器等計算及存儲類基礎(chǔ)資源；二是量子計算平臺服務(wù)（q-PaaS），即提供量子計算和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法的軟件開發(fā)平臺，包括量子門電路、量子匯編、量子開發(fā)套件、量子算法庫、量子加速引擎等；三是量子應(yīng)用軟件服務(wù)（q-SaaS），即根據(jù)具體行業(yè)的應(yīng)用場景和需求設(shè)計量子機(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，量子計算云平臺以 q-PaaS 模式為主，提供量子模擬器、計算工具和開發(fā)套件等軟件服務(wù)。隨著量子計算物理平臺與云基礎(chǔ)設(shè)施的深度結(jié)合，以及量子處理器功能和性能的不斷發(fā)展，q-IaaS 模式比重將逐步增多。未來，隨著量子計算產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展成熟、生態(tài)逐步開放，將有更多的行業(yè)和企業(yè)嘗試通過 q-SaaS 模式對其業(yè)務(wù)處理進(jìn)行賦能。

    美國量子計算云平臺布局較早，發(fā)展迅速。IBM 已推出 20 位量子比特的量子云服務(wù)，提供 QiKit 量子程序開發(fā)套件，建立了較為完善的開源社區(qū)。Google開發(fā)了Cirq量子開源框架和OpenFermion-Cirq量子計算應(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 推出的量子計算云平臺以混合量子+經(jīng)典的方法開發(fā)量子計算運(yùn)行環(huán)境，使用 19 位量子比特超導(dǎo)芯片進(jìn)行無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練及推理演示，提供支持多種操作系統(tǒng)的 Forest SDK 量子軟件開發(fā)環(huán)境。

    我國量子計算云平臺起步較晚，目前發(fā)展態(tài)勢良好，與國際先進(jìn)水平相比在量子處理器、量子計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)量子計算云接入服務(wù)。華為發(fā)布 HiQ 量子計算模擬云服務(wù)平臺，可模擬全振幅的 42 位量子比特，單振幅的81 位量子比特，并開發(fā)兼容 ProjectQ 的量子編程框架。本源量子推出的量子計算云平臺可提供 64 位量子比特模擬器和基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實(shí)量子處理器，提供 Qrunes 編程指令集，Qpanda SDK 開發(fā)套件，推出移動端與桌面端應(yīng)用程序，兼具科普、教學(xué)和編程等功能，為我國量子計算的研究和應(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

    在量子計算領(lǐng)域，美國近年來持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，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。英、歐、日、澳等國緊密跟隨，領(lǐng)先國家之間通過聯(lián)合攻關(guān)和成果共享，正在形成并不斷強(qiáng)化聯(lián)盟優(yōu)勢。我國近年來取得系列研究成果，但與美國相比仍有一定差距。此外，印度、韓國、俄羅斯、以色列等國也開始將量子計算技術(shù)列入國家技術(shù)計劃加大投入。

    科技巨頭間的激烈競爭，推動量子計算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計算領(lǐng)域布局多年，霍尼韋爾隨后加入，產(chǎn)業(yè)巨頭基于雄厚的資金投入、工程實(shí)現(xiàn)和軟件控制能力積極開發(fā)原型產(chǎn)品、展開激烈競爭，對量子計算成果轉(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)量子計算機(jī)，并在 9 月將量子比特數(shù)量更新為 53 位。微軟在 2019 年推出量子計算云服務(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)入測試階段。

    我國阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來通過與科研機(jī)構(gòu)合作或聘請具有國際知名度的科學(xué)家成立量子實(shí)驗(yàn)室，在量子計算云平臺、量子軟件及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計算云平臺并在 2018 年推出量子模擬器“太章”。騰訊在量子 AI、藥物研發(fā)和科學(xué)計算平臺等應(yīng)用領(lǐng)域展開研發(fā)。百度在 2018 年成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等業(yè)務(wù)研究。華為在2018 年發(fā)布 HiQ 量子云平臺，并在 2019 年推出昆侖量子計算模擬一體原型機(jī)。我國科技企業(yè)進(jìn)入量子計算領(lǐng)域相對較晚，在樣機(jī)研制及應(yīng)用推動方面與美國存在較大差距。

    初創(chuàng)企業(yè)是量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機(jī)構(gòu)或科技公司，近年來，來自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機(jī)構(gòu)的創(chuàng)業(yè)資本大幅增加，初創(chuàng)企業(yè)快速發(fā)展。目前，全球有超過百余家初創(chuàng)企業(yè)，涵蓋軟硬件、基礎(chǔ)配套及上層應(yīng)用各環(huán)節(jié)，企業(yè)集聚度以北美和歐洲（含英國）最高。盡管量子計算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，但軍工、氣象、金融、石油化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、汽車交通、圖像識別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿?，開始與科技公司合作探索潛在用途，生態(tài)鏈不斷壯大。

    在量子計算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時，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試工具，加速硅量子比特測試過程。本源量子創(chuàng)立本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2019 年攜手中船鵬力共建量子計算低溫平臺。

    （五）應(yīng)用探索持續(xù)深入，“殺手級應(yīng)用”或可期待

    當(dāng)前階段，量子計算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計算困難問題（NP）。機(jī)器學(xué)習(xí)在過去十幾年里不斷發(fā)展，對計算能力提出巨大需求，結(jié)合了量子計算高并行性的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法可實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)算法的加速優(yōu)化，是目前的研究熱點(diǎn)。量子機(jī)器學(xué)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部分經(jīng)典計算問題具有提速效果，但處理器物理實(shí)現(xiàn)能力有限，算法大多只通過模擬驗(yàn)證，并未在真實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行迭代，仍處發(fā)展初期。

    目前，基于量子退火和其他數(shù)據(jù)處理算法的專用量子計算機(jī)，已經(jīng)展開系列應(yīng)用探索。Google 聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)將量子退火技術(shù)應(yīng)用于圖像處理、蛋白質(zhì)折疊、交通流量優(yōu)化、空中交通管制、海嘯疏散等領(lǐng)域。JSR 和三星嘗試使用量子計算研發(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)計加速藥物研究。德國 HQS 開發(fā)的算法可以在量子計算機(jī)和經(jīng)典計算機(jī)上有效地模擬化學(xué)過程。摩根大通、巴克萊希望通過蒙特卡洛模擬加速來優(yōu)化投資組合，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)定價及風(fēng)險對沖。量子計算應(yīng)用探索正持續(xù)深入，未來 3-5 年有望基于量子模擬和嘈雜中型量子計算（NISQ）原型機(jī)在生物醫(yī)療、分子模擬、大數(shù)據(jù)集優(yōu)化、量化投資等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

    三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

    （一）量子通信技術(shù)研究和樣機(jī)研制取得新成果

    量子通信主要分量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation，簡稱 QT）和量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡稱 QKD）兩類。QT基于通信雙方的光子糾纏對分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測量（信息調(diào)制）和幺正變換（信息解調(diào)）實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息直接傳輸，其中量子態(tài)信息解調(diào)需要借助傳統(tǒng)通信輔助才能完成。QKD 通過對單光子或光場正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測量，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，再與傳統(tǒng)加密技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息加密和安全傳輸，基于 QKD 的保密通信稱為量子保密通信。

    近年來，QT 研究在空、天、地等平臺積極開展實(shí)驗(yàn)探索。2017年，中科大基于“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星地之間 QT 傳輸，低軌衛(wèi)星與地面站采用上行鏈路實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到 1400 公里，成為目前 QT 自由空間傳輸距離的最遠(yuǎn)記錄。2018年，歐盟量子旗艦計劃成立量子互聯(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轉(zhuǎn)換技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)和量子存儲中繼，計劃在荷蘭四城市之間建立全球首個光纖 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)報道基于無人機(jī)開展空地量子糾纏分發(fā)和測量實(shí)驗(yàn)，無人機(jī)攜帶光學(xué)發(fā)射機(jī)載荷，完成與地面接收站點(diǎn)之間 200 米距離的量子糾纏分發(fā)測量。目前，QT 研究仍主要局限在各種平臺和環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)探索，包括高品質(zhì)糾纏制備、量子態(tài)存儲中繼和高效率量子態(tài)檢測等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破，距離實(shí)用化仍有較大距離。

    近年來，QKD 的實(shí)驗(yàn)研究不斷突破傳輸距離和密鑰成碼率的記錄。2018 年，東芝歐研所報道了新型相位隨機(jī)化雙光場編碼和傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn) 550 公里超低損耗光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場中心測量節(jié)點(diǎn)可以作為量子中繼的一種替代方案。中科大和奧地利科學(xué)院聯(lián)合報道了基于“墨子號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)7600公里距離的洲際QKD和量子保密通信，在可用時間窗口內(nèi)，基于衛(wèi)星中繼的密鑰傳輸平均速率~3kbps，在兩地 QKD 密鑰累積一定數(shù)量之后，可以用于進(jìn)行圖片和視頻會議等應(yīng)用的加密傳輸。日內(nèi)瓦大學(xué)報道了采用極低暗記數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測器的 QKD 傳輸實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了 421 公里的單跨段光纖傳輸最遠(yuǎn)距離，對應(yīng)密鑰成碼率 0.25bit/s，在 250 公里光纖傳輸距離對應(yīng)密鑰成碼率為 5kbit/s。東芝歐研所也報道基于 T12 改進(jìn)型QKD 協(xié)議和 LDPC 糾錯編碼的 QKD 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在 10 公里光纖信道連續(xù)運(yùn)行 4 天，平均密鑰成碼率達(dá)到 13.72Mbps。QKD 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能和傳輸能力，為應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。 在量子通信領(lǐng)域，還有量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，簡稱 QSDC）技術(shù)方向也值得關(guān)注。QSDC 系統(tǒng)中信息接收端為 Bob，信息發(fā)射端為 Alice。Bob 端脈沖光源經(jīng)過衰減器和隨機(jī)信號控制相位調(diào)制后，輸出單光子量子態(tài)信號，在 Alice 端隨機(jī)抽樣檢測一部分量子態(tài)信號，對剩余的量子態(tài)信號用兩種不同幺正變換編碼，發(fā)送經(jīng)典信息，并通過原信道以時分復(fù)用方式反向回傳到 Bob 端，Bob 端根據(jù)接收到的單光子量子態(tài)與初始制備態(tài)的差異性檢測，解調(diào)出 Alice 的編碼信息。

    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)測和信息加密傳輸。目前實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的信息傳輸速率較為有限，需使用低溫制冷超導(dǎo)探測器，實(shí)用化和工程化水平仍有較大提升空間。

    （二）量子密鑰分發(fā)技術(shù)演進(jìn)關(guān)注提升實(shí)用化水平

    隨著 QKD 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，并不斷開展試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，進(jìn)一步提升其實(shí)用化和商用化水平成為科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注和技術(shù)演進(jìn)的主要方向。QKD 實(shí)用化技術(shù)和應(yīng)用演進(jìn)的主要方向包括基于光子集成（PIC）技術(shù)提升收發(fā)機(jī)的集成度，采用連續(xù)變量（CV）QKD 技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)和商用設(shè)備開發(fā)，以及開展 QKD 與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)的共纖傳輸和融合組網(wǎng)等方面的研究與探索。 QKD 技術(shù)的商用化需要在設(shè)備集成度，系統(tǒng)可靠性，解決方案性價比和標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面進(jìn)行提升。通過與 PIC 和硅光等新型技術(shù)進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) QKD 設(shè)備光學(xué)組件的小型化和集成化，同時提升系統(tǒng)的功能性能和可靠性，目前已經(jīng)成為研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注的焦點(diǎn)之一。英國 Bristol 大學(xué)已報道了基于 InP 和 SiON等材料的 PIC 技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn) QKD 設(shè)備量子態(tài)信號調(diào)制器和解調(diào)器的芯片化集成，支持多種編碼調(diào)制方案，可一定程度提高 QKD系統(tǒng)工程化水平，但目前脈沖光源和單光子探測器（SPD）模塊仍難以實(shí)現(xiàn)集成。我國深圳海思半導(dǎo)體有限公司和山東國訊量子芯科技有限公司等，在 QKD 調(diào)制解調(diào)芯片化領(lǐng)域也進(jìn)行了研究布局。 CV-QKD 中的高斯調(diào)制相干態(tài)（GG02）協(xié)議應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)采用與經(jīng)典光通信相同的相干激光器和平衡零差探測器，具有集成度與成本方面的優(yōu)勢，量子態(tài)信號檢測效率可達(dá) 80%，便于和現(xiàn)有光通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合部署。主要局限是協(xié)議后處理算法復(fù)雜度高，長距離高損耗信道下的密鑰成碼率較低，并且協(xié)議安全性證明仍有待進(jìn)一步完善。CV-QKD 具有低成本實(shí)現(xiàn)城域安全密鑰分發(fā)的潛力，應(yīng)用部署難度小，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度高，未來可能成為 QKD 規(guī)模應(yīng)用可行解決方案。2019 年，北大和北郵報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)和部署過程中，由于量子態(tài)光信號的極低光功率，以及單光子探測器的超高檢測靈敏度，所以通常需要獨(dú)立的暗光纖進(jìn)行傳輸，而與其他光通信信號進(jìn)行共纖混合傳輸，可能導(dǎo)致光纖內(nèi)產(chǎn)生的拉曼散射噪聲影響單光子檢測事件響應(yīng)的正確率。QKD 系統(tǒng)與光通信系統(tǒng)的共纖混傳能力是限制現(xiàn)網(wǎng)部署的一個關(guān)鍵性因素，也是未來發(fā)展演進(jìn)的重要研究方向之一。目前，已有中科大，東芝歐研所，中國電信和中國聯(lián)通等報道了基于 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)測試，但 QKD 系統(tǒng)的密鑰成碼率對光纖的損耗敏感，在實(shí)際應(yīng)用部署中并不推薦使用 O 波段，并且 1310nm 的 QKD 系統(tǒng)商用化程度較低。商用 QKD 系統(tǒng)通常采用 1550nm 的 C 波段作為量子態(tài)光信號波長，與 1310nm 的 O 波段光通信設(shè)備的共纖混傳，也在部分運(yùn)營商進(jìn)行了相關(guān)測試。在限制光通信信號功率至接收機(jī)靈敏度范圍的條件下，可以支持 QKD 在約 50 公里的城域范圍內(nèi)共纖傳輸和融合部署，并且密鑰成碼率與獨(dú)占光纖傳輸條件仍基本保持相同量級。未來，在含有光放大器的商用光通信系統(tǒng)中，進(jìn)行 QKD 系統(tǒng)的融合組網(wǎng)和共纖傳輸，仍然是重要研究方向，在共纖傳輸方面，CV-QKD 采用本振光相干探測和平衡接收，對于拉曼散射噪聲具有較強(qiáng)的容忍度，相比 DV-QKD 具有一定原理性優(yōu)勢。

    （三）量子保密通信應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展

    基于 QKD 的量子保密通信在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步開展了試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，歐盟“量子旗艦計劃”項(xiàng)目支持西班牙和法國等地運(yùn)營商，開展 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，與科研項(xiàng)目結(jié)合進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用探索。韓國 SKT 等運(yùn)營商通過收購瑞士 IDQ 股權(quán)等方式，也開始介入 QKD技術(shù)領(lǐng)域，并承建了韓國首爾地區(qū)的 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。 我國量子保密通信的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用發(fā)展較為迅速，近年來中科大潘建偉院士團(tuán)隊及其產(chǎn)業(yè)公司開展了“京滬干線”和國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。中國科大郭光燦院士團(tuán)隊聯(lián)合相關(guān)企業(yè)建設(shè)了從合肥到蕪湖的“合巢蕪城際量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)”，以及從南京到蘇州總長近 600 公里的“寧蘇量子干線”；華南師大劉頌豪院士團(tuán)隊和清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊聯(lián)合啟動建設(shè)覆蓋粵港澳大灣區(qū)的“廣佛肇量子安全通信網(wǎng)絡(luò)”。我國的QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模已處于世界領(lǐng)先。

    在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方面，近年來我國又新增了一批由科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化或海外歸國人才創(chuàng)立的 QKD 設(shè)備供應(yīng)商，并且在技術(shù)路線上呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢，QKD 技術(shù)研究機(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)為量子和廣東國騰量子等公司加入 QKD 設(shè)備供應(yīng)商行列，同時傳統(tǒng)通信設(shè)備行業(yè)中的華為和烽火等設(shè)備供應(yīng)商，也開始關(guān)注基于 CV-QKD等技術(shù)的商用化設(shè)備，并與傳統(tǒng)通信設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行整合，探索為信息網(wǎng)絡(luò)中的加密通信和安全增值服務(wù)提供解決方案。 基于 QKD 的量子保密通信目前主要用于點(diǎn)到點(diǎn)的密鑰共享和基于 VPN 和路由器等有線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸加密。探索將 QKD 與無線通信加密應(yīng)用場景結(jié)合，對于擴(kuò)展量子保密通信的應(yīng)用場景，開拓商業(yè)化應(yīng)用市場，以及推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價值。其中的主要難點(diǎn)是量子密鑰一旦生成之后，就不再具有由量子物理特性保證的安全性，所以密鑰本身不能再通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次傳輸。通過使用 QKD 網(wǎng)絡(luò)作為密鑰分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，在不同 QKD 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的安全管理域內(nèi)，使用密鑰充注設(shè)備可以為符合一定安全性等級要求的移動存儲介質(zhì)，例如 SD 卡等，進(jìn)行密鑰充注。密鑰存儲介質(zhì)再與具備身份認(rèn)證和加密通信功能的無線終端進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)使用量子密鑰對無線終端與加密服務(wù)器之間的身份認(rèn)證和會話密鑰協(xié)商過程的加密保護(hù)，從而為無線通信領(lǐng)域的加密應(yīng)用提供一定程度的量子加密服務(wù)。目前該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)域的無線加密通信應(yīng)用，未來可能成為擴(kuò)展量子保密通信商業(yè)化應(yīng)用的一個重要方向。

    （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，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)界和社會輿論關(guān)注的問題之一。近來，中科大郭光燦院士團(tuán)隊1和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊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，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)注和研究的問題。 QKD 只是量子保密通信系統(tǒng)的一個環(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，對于現(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)對稱加密算法（例如 AES、SM1 和 SM4 加密算法）相結(jié)合，由 QKD 提供對稱加密密鑰。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)對稱加密體系，量子保密通信仍然能夠帶來安全性提升和應(yīng)用價值，一方面相比原有對稱加密算法的收發(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)被計算破解的風(fēng)險。

    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。由于量子存儲和量子中繼技術(shù)距離實(shí)用化仍有一定距離，長距離的 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)，密鑰落地存儲和中繼。密鑰一旦落地存儲，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)域的高等級防護(hù)和安全管理來保證節(jié)點(diǎn)自身的安全性。目前針對“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完備，QKD 技術(shù)在提供對稱密鑰的安全性方面的價值已經(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，測評工作有待加強(qiáng)。未來進(jìn)一步加強(qiáng)可信中繼節(jié)點(diǎn)技術(shù)要求、安全性分析和測評方法等標(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)施方案并通過相關(guān)測評驗(yàn)證，結(jié)合符合相應(yīng)等級要求的密鑰中繼管理方案，可以實(shí)現(xiàn)符合安全性等級保護(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，對于實(shí)際QKD 系統(tǒng)而言，由于實(shí)際器件（例如光源、探測器和調(diào)制器等）無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)隊和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊的研究報道，都是針對 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，通常都會給出針對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 QKD 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性的學(xué)術(shù)研究在未來將會持續(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)安全性研究和測評驗(yàn)證。

    （五）量子保密通信規(guī)模化應(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，系統(tǒng)傳輸能力和密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。同時，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方面存在技術(shù)難點(diǎn)；單光子探測器需要低溫制冷，對機(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)路線競爭。量子保密通信的應(yīng)用背景主要是面向未來量子計算對于現(xiàn)有公鑰加密體系的計算破解威脅。一方面，量子計算的發(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孔佑嬎隳芰θ杂泻荛L的距離。另一方面，信息安全行業(yè)也在為應(yīng)對量子計算可能帶來的安全性威脅進(jìn)行積極準(zhǔn)備，目前以美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）主導(dǎo)的抗量子計算破解的新型加密體系和算法的全球征集和評比已經(jīng)完成第一輪篩選，計劃在 2023 年左右完成三輪公開評選，并推出新型加密體制標(biāo)準(zhǔn)，我國上海交大、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，抗量子計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)路線競爭，加快提升 QKD系統(tǒng)成熟度、實(shí)用化水平和性價比，是搶占先機(jī)的關(guān)鍵。 量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場開拓仍需進(jìn)一步探索。量子保密通信是對現(xiàn)有的保密通信技術(shù)中的對稱加密體系的一種安全性提升，能夠解決密鑰分發(fā)過程的安全性問題，提升對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題。量子保密通信主要適用于具有長期性和高安全性需求的保密通信應(yīng)用場景，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，市場容量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對有限，目前主要依靠國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、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。

    我國面臨的信息安全形勢錯綜復(fù)雜，在政務(wù)、金融、外交、國防和關(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，對量子保密通信技術(shù)帶來的長期信息安全保障能力有客觀需求和應(yīng)用前景。同時，量子保密通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和市場化推廣，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)?；瘧?yīng)用部署和運(yùn)維管理等方面的條件和要求。針對量子保密通信系統(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)用研究報告（2019 年） 性能的優(yōu)勢，進(jìn)一步提升系統(tǒng)工程化水平和解決方案性價比，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、量子測量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

    （一）量子測量突破經(jīng)典測量極限，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，與測量、計算和通信三大領(lǐng)域分別對應(yīng)。精密測量技術(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。精密測量不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的學(xué)術(shù)價值，而且還能服務(wù)于國家重大需求，對各領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步具有推動作用，因此具有重大的研究意義。精密測量的本質(zhì)是測量系統(tǒng)與待測物理量的相互作用，通過測量系統(tǒng)性質(zhì)的變化表征待測物理量的大小。經(jīng)典的測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，測量精度提升面臨困難。

    近年來量子技術(shù)的發(fā)展，使得對微觀對象量子態(tài)的操縱和控制日趨成熟，量子測量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。利用量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計等特性可以突破經(jīng)典力學(xué)框架下的測量極限，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測量?；谖⒂^粒子系統(tǒng)和量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對物理量進(jìn)行高精度的測量稱為量子測量。在量子測量中，電磁場、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)，最終通過對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測量的靈敏度。

    在量子計算、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。量子測量恰恰利用量子體系的這一“缺點(diǎn)”，使量子體系與待測物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變來對物理量進(jìn)行測量。對于量子測量的定義，一直存在著爭議和疑問。根據(jù)國內(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，廣義量子測量可以涵蓋利用量子特性來獲得比經(jīng)典測量系統(tǒng)更高的分辨率或靈敏度的測量技術(shù)。量子測量技術(shù)應(yīng)具有兩大基本特征：一是操控觀測對象是微觀粒子系統(tǒng)，二是與待測物理量相互作用導(dǎo)致量子態(tài)變化，而 具備以上兩點(diǎn)特征的測量技術(shù)可以納入量子測量的范疇。

    量子測量可以分為以下五個基本步驟，如圖 14 所示。其中，量子態(tài)初始化是將量子系統(tǒng)初始化到一個穩(wěn)定的已知基態(tài)；初始測量態(tài)根據(jù)不同的應(yīng)用及技術(shù)原理，通過控制信號將量子系統(tǒng)調(diào)制到初始測量狀態(tài)；與待測物理量相互作用通過待測物理量（重力、磁場等）作用在量子系統(tǒng)上一段時間，使其量子態(tài)發(fā)生改變；量子態(tài)讀取通過測量確定量子系統(tǒng)的最終狀態(tài)（比如測量躍遷光譜、馳豫時間等）；結(jié)果轉(zhuǎn)換則將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為經(jīng)典信號輸出，獲取測量值。 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，其中的橫向作用會誘導(dǎo)能級間的躍遷，從而增加其躍遷率；縱向作用通常導(dǎo)致能級的平移，從而改變其躍遷頻率。通過測量躍遷率和躍遷量子測量涵蓋電磁場、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、材料分析、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等諸多領(lǐng)域，當(dāng)前量子測量研究和應(yīng)用的主要領(lǐng)域及其技術(shù)。通過對不同種類量子系統(tǒng)中獨(dú)特的量子特性進(jìn)行控制與檢測，可以實(shí)現(xiàn)量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識別、量子重力測量、量子磁場測量、量子時間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的測量傳感，未來發(fā)展趨勢主要是高精度、小型化和芯片化。

    按照對量子特性的應(yīng)用，量子測量分三個層次，第一層次是基于微觀粒子能級測量；第二層次是基于量子相干性（波狀空間時間疊加態(tài)）測量；第三層次是基于量子糾纏進(jìn)行測量，突破經(jīng)典的理論極限。其中，前兩個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量場景，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量系統(tǒng)開始成為研究熱點(diǎn)，通過外部物理量改變能級結(jié)構(gòu)，通過探測吸收或發(fā)射頻譜對外部物理量進(jìn)行測量。第二層次主要利用量子系統(tǒng)的物質(zhì)波特性，通過干涉法進(jìn)行外部物理量的測量，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。第三個層次條件最為嚴(yán)苛，同時也最接近量子的本質(zhì)?；诹孔蛹m纏的量子測量技術(shù)研究還比較少，主要集中在量子目標(biāo)識別、量子時間同步和量子衛(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)行精密測量是量子測量領(lǐng)域中一個相對較新的領(lǐng)域。量子體系的自旋態(tài)地與磁場強(qiáng)度相關(guān)，磁場變化會導(dǎo)致自旋量子位的能級結(jié)構(gòu)變化，從而改變輻射或吸收頻譜，通過對譜線的精密測量就可以完成磁場測量。另外，自旋量子位的能級結(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)力的精密測量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁場，當(dāng)自旋量子位發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者與磁場發(fā)生相對位移時，可實(shí)現(xiàn)角速度和加速度的精密測量。基于自旋量子位的測量體系的優(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，有望用于對微納芯片和生物組織的檢測與成像。 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)對多種物理量的超高靈敏度檢測，廣泛地應(yīng)用于磁場、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測量領(lǐng)域，具有巨大的潛力。目前金剛石色心測量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)芯片化，基于金剛石色心的芯片級陀螺儀、磁力計、磁成像裝置均有報道。例如美國 MIT 今年首次報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)對磁場的精密測量，功能包括片上微波的產(chǎn)生和傳輸，以及來自金剛石量子缺陷的攜帶信息熒光的片上過濾和檢測，器件結(jié)構(gòu)緊湊，功耗較低，在自旋量子位測量和 CMOS 技術(shù)的結(jié)合方面邁出關(guān)鍵一步。此外，金剛石色心量子測量還能實(shí)現(xiàn)納米級的空間分辨率。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檢測和實(shí)用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)，可應(yīng)用于微納電磁場及光電子芯片檢測，拓寬遠(yuǎn)場超分辨成像技術(shù)應(yīng)用場景。自旋偶極耦合在密集自旋體系中產(chǎn)生壓縮，有望使測量靈敏度接近海森堡極限。

    （三）量子糾纏測量處于前沿研究，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)距離的精確測量，一對糾纏光子包含信號光子和閑置光子，將信號光子發(fā)往距離未知的待測位置，閑置光子發(fā)送到位置固定的光電探測器，分別記錄光子的量子態(tài)和到達(dá)時間，并通過經(jīng)典信道進(jìn)行信息交互，通過聯(lián)合測量兩地到達(dá)時間可以計算出距離。如果采用三組基點(diǎn)對統(tǒng)一位置進(jìn)行測量，就可以在三維空間中唯一確定待測點(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)此原理還可用于測量兩地的時鐘差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩地的高精度時鐘同步，此原理被應(yīng)用在量子時間同步協(xié)議中。類似于量子通信的原理，如果測量過程中存在竊聽者，糾纏態(tài)會遭到破壞，測量數(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，通過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，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高靈敏探測。

    目前，基于量子糾纏的量子測量多處于理論研究階段，原理樣機(jī)的報道較少。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技術(shù)瓶頸也制約其發(fā)展，單光子探測器的靈敏度、暗計數(shù)、時間抖動等性能參數(shù)直接決定了量子測量的精度，有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。

    （四）超高精度量子時鐘同步有望助力未來通信網(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，人類對時間的測量越來越精確。目前通信網(wǎng)絡(luò)中主要使用 GPS衛(wèi)星信號提供高精度的時間源，但衛(wèi)星信號不再能滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)的全部需求，主要原因包括：衛(wèi)星信號不能覆蓋室內(nèi)場景，衛(wèi)星授時可靠性和安全性待提高，衛(wèi)星接收機(jī)成本高。為了滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)同步需求，需研究超高精度時鐘源和高精度同步傳輸協(xié)議。其中，量子時鐘源可以提供不確定度優(yōu)于 1e-17 超高精度時鐘源，量子時間同步協(xié)議結(jié)合量子糾纏等技術(shù)可以為未來通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度和高安全性的同步傳輸協(xié)議。

高精度時鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

資料來源：中國信息通信研究院

    量子時鐘源利用原子能級躍遷譜線的穩(wěn)定頻率作為參考，通過頻率綜合和反饋電路來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。由于時鐘源的穩(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 個數(shù)量級，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,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，提高時鐘輸出精度。光學(xué)頻率梳也是量子時鐘源的一個重要研究方向。
高精度與小型化是量子時鐘源兩大發(fā)展趨勢，高精度量子時鐘源可用于協(xié)調(diào)世界時（UTC）產(chǎn)生，小型化芯片級量子時鐘源可用作星載鐘，在衛(wèi)星導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

    隨著高精度時間同步技術(shù)在基礎(chǔ)科研、導(dǎo)航、定位、電力、通信以及國防等方面的廣泛應(yīng)用將對同步傳輸精度提出更高要求。時頻網(wǎng)絡(luò)由多時鐘源組成，即使所有的時鐘源都具有非常高的精度，由于時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，需要時間同步協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)中的時鐘源進(jìn)行同步和修正。

    量子時間同步協(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)典測量的散粒噪聲極限，而對于量子時間同步協(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)典時間同步極限提高√倍，其中 N 為一個脈沖中包含的平均光子數(shù)，M 為脈沖數(shù)。目前經(jīng)典時間同步技術(shù)最高精度可達(dá) 100ps，目前量子時間同步協(xié)議原理性實(shí)驗(yàn)中，時間同步精度有望進(jìn)入 ps 量級。

    量子時間同步系統(tǒng)可以把量子時間同步協(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間同步協(xié)議，從而有效對付竊密者的偷聽行為。通過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)對時鐘同步精度的不利影響。目前，遠(yuǎn)距離量子時間同步協(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)。量子時鐘源提供了超高精度的時間和頻率基準(zhǔn)源，量子時間同步協(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通信網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)需求。

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

    量子測量技術(shù)涉及軍事、民生、科研諸多領(lǐng)域，各國競相布局

    9月20日，谷歌發(fā)布論文稱已經(jīng)利用一臺53量子比特的量子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計算機(jī)無法完成的任務(wù)，即全球最強(qiáng)大的超算Summit要花1萬年的計算實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計算機(jī)只用了3分20秒。此舉證實(shí)了量子計算機(jī)性能超越經(jīng)典計算機(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)，而是指量子計算機(jī)能夠被證實(shí)擁有超越傳統(tǒng)計算機(jī)性能的絕對優(yōu)勢，則實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。誰先宣布了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，誰將會在量子計算長跑中占領(lǐng)先機(jī)。盡管相關(guān)論文在美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站上不久后被刪除送與評審，但是關(guān)于量子計算的討論又開始被推上熱門話題。

    對于眾多外行來說，量子計算仍是個遙遠(yuǎn)的新概念。實(shí)際上，早在1981年量子計算機(jī)的概念就被提出，衍生于量子通信。量子計算是物理學(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)過多年發(fā)展，量子計算已經(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)歷史上第一臺商用量子計算機(jī)，率先推動量子計算機(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)布一份報告稱，量子計算機(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)量子計算機(jī)可以解決經(jīng)典計算機(jī)無法解決的問題，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)的計算，真正使用量子計算機(jī)解決實(shí)際問題還需要數(shù)年時間。

    經(jīng)典計算機(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。而量子計算機(jī)使用的是量子比特，一個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，n個“比特”只能表示2n個狀態(tài)中的一個，n個“量子比特”卻能同時表示2n個狀態(tài)。理想狀態(tài)下，50個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，這種特性讓量子計算的工作速度呈雙指數(shù)倍增長，算力優(yōu)勢達(dá)到恐怖級別，將實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)計算機(jī)的碾壓式跨越。

    從上個世紀(jì)80年代開始，一場關(guān)于建造功能最強(qiáng)大、量子比特最多的量子計算機(jī)研發(fā)競賽就已經(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2比特的計算系統(tǒng);2017年美國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)量子測試芯片，名為“Tangle Lake”，過后兩個月不到，谷歌公司發(fā)布72量子比特計算系統(tǒng)“Bristlecone”，同年8月，從事量子計算研究的新興公司Rigetti預(yù)計2019年將會發(fā)布一個容量為128比特的計算系統(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(Quantum Advantage )和量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)這兩個目標(biāo)更近一步。

過去20年量子計算的爆炸式發(fā)展

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    摩爾定律瀕臨上限量子計算成為重要突破點(diǎn)

    傳統(tǒng)計算機(jī)遵循摩爾定律，即每隔18個月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計算機(jī)的計算性能也增加一倍。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)

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    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，力爭搶占新興信息技術(shù)制高點(diǎn)。

    美國是量子計算布局里最早也最積極的玩家之一，2018年美國通過《國家量子倡議法案》，在此之前，美國商務(wù)部的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)，以及非營利組織SRI International簽署了合作研發(fā)協(xié)議。通過財團(tuán)的力量，幫助美國推動量子計算行業(yè)的發(fā)展。2019年，美國政府發(fā)布未來工業(yè)發(fā)展計劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來科技和產(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，讓美國在全球量子計算研發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

    此外，英國、德國、荷蘭等國也相繼出臺了針對量子計算、量子通信等量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃;日本、韓國起步較晚，但是憑借著本身的技術(shù)積累，在量子計算領(lǐng)域的發(fā)展也來勢洶洶。

    我國在推動量子技術(shù)方面也不甘落后，先后啟動“自然科學(xué)基金”、“863”計劃和重大專項(xiàng)，2016年多個“十三五”規(guī)劃文件中提及量子計算的戰(zhàn)略地位，支持量子計算的技術(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》，這是我國城市出臺的首個量子信息產(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。

    隨著量子計算技術(shù)不斷發(fā)展，一個由硬件和軟件架構(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算生態(tài)系統(tǒng)雛形顯現(xiàn)?？偟膩碚f，目前量子信息產(chǎn)業(yè)的主要參與者有五大類：端對端提供商、硬件和系統(tǒng)參與者、軟件和服務(wù)參與者、專家級參與者。

    其中，端對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)量子計算領(lǐng)域，并且這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計算取得了一定的成果。

    超導(dǎo)量子計算是目前進(jìn)展最好最快的一種固體量子計算實(shí)現(xiàn)方法。超導(dǎo)陣營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他們的小型芯片，有的已經(jīng)向整個社區(qū)開放了性能較差的版本和模擬器。未來三到四年內(nèi)超導(dǎo)量子元位可能領(lǐng)先于其他技術(shù)。

    五、全球量子計算市場規(guī)模預(yù)測

    （一）、全球量子計算市場規(guī)模預(yù)測

    量子計算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計算機(jī)算力的躍遷帶來可能，但是目前量子計算技術(shù)仍處于初級階段，距離解決工程規(guī)模的問題可能還需5-7年。據(jù)IDC預(yù)計，2027年，全球量子計算市場規(guī)模將達(dá)到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長超過40倍;波士頓咨詢發(fā)布的報告預(yù)測，在不考慮量子糾錯算法的進(jìn)展情況下，保守估計到2035年全球量子計算應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，樂觀估計2035年市場規(guī)模可突破600億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

2035-2050年全球量子計算市場規(guī)模預(yù)測(單位：億美元)

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    在一些傳統(tǒng)行業(yè)，以現(xiàn)有人類科技的計算能力，所消耗的時間和成本巨大，如生物制藥、化工、能源等;還有另一些本身對計算能力要求較高達(dá)到科技行業(yè)，也將會是量子計算實(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)前量子計算元年無法預(yù)測，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)用市場規(guī)模將占據(jù)大部分份額，隨著時間推移，搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字安全三個行業(yè)憑借本身對計算的直接需求，將以量子計算作為時代跳板，市場規(guī)模占比逐漸擴(kuò)大，成為量子計算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

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

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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

    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)對復(fù)雜物理過程的高效量子模擬;后期通用量子計算機(jī)將對大數(shù)據(jù)。人工智能。密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，并且量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)將實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

    BCG預(yù)測量子計算在25年內(nèi)將經(jīng)歷三個發(fā)展階段，最終走向成熟，該預(yù)測比前文所述的原計劃要晚十年。其中，第一個階段是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題的非通用量子計算機(jī);

    第二個階段是2028到2039年，邏輯量子比特數(shù)量將擴(kuò)展到50多個，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)造巨大的市場潛力;

    第三階段為2031年至2042年，量子計算機(jī)將在高級模擬、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)勢的規(guī)模。由于摩爾定律的擴(kuò)展，以及量子計算在某些應(yīng)用中超過二進(jìn)制計算的閾值，第二階段和第三階段量子計算機(jī)之間有相當(dāng)大的重疊。作為一個總體軌跡，BGC預(yù)測2030年左右將出現(xiàn)快速增長。

    （二）、我國量子通信行業(yè)發(fā)展前景分析

    1、未來我國量子通信行業(yè)市場規(guī)模將超800億

    我國在量子科學(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、加等國的科研機(jī)構(gòu)正在或試圖與我國合作，包括聯(lián)合制訂量子通信產(chǎn)業(yè)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

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

2017-2023年我國量子通信行業(yè)市場規(guī)模預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    2、我國量子通信行業(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，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(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、國家自然科學(xué)基金委員會聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)“十三五”國家基礎(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)無縫鏈接。以奠定我國在新一輪信息技術(shù)國際競爭中的科技基礎(chǔ)和優(yōu)勢方向。

    2017年11月，國家發(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”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，面向國家戰(zhàn)略需求和可持續(xù)運(yùn)營要求，在京津冀、長江經(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，構(gòu)建量子保密通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營服務(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、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)，理論上可以傳輸無限量的消息。由于其多方面突出的優(yōu)勢，這種量子通信技術(shù)得以被廣泛應(yīng)用于軍事、國防等領(lǐng)域，在信息檢測、信息傳送以及信息對抗等方面占據(jù)優(yōu)勢，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，我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域不斷突破新記錄。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊首次實(shí)現(xiàn)了25個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個量子接口之間糾纏的紀(jì)錄。中國科技大學(xué)的研究團(tuán)隊在國際上首次實(shí)現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，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”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力，為未來構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

    2018年7月，中國科學(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，超過了兩維糾纏能達(dá)到的理論極限，創(chuàng)造了當(dāng)前國際最高水平。

    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)域通信安全方面會有較大的發(fā)展空間。量子通信技術(shù)憑借其絕對通信安全性質(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家信息安全。

    其二，量子信息是國家儲存重要信息的安全載體。重要信息的儲存不僅需要安全性能，還需要較大的存儲空間，量子信息存儲可以滿足這一要求和標(biāo)準(zhǔn)，可以將國家的重要信息及文件存儲到量子信息庫中，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，非常符合我國當(dāng)下大數(shù)據(jù)的時代特征，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)用價值和前景非常廣闊。

本文大部分內(nèi)容來源：中國信息通信研究院

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)行業(yè)市場消費(fèi)調(diào)查及投資前景預(yù)測報告》