第四次工业革命•量子信息技术

                                                           2019-12-19 青野云麓

近年来，我国量子信息技术研究领域取得重大进展：世界首颗量子通信卫星“墨子号”成功发射、世界首条量子保密通信网络“京沪干线”即将建成……

那么，到底什么是量子信息技术呢？

“量子”是一个物理量的最小单位，光子、电子都是量子的一种。在传统计算机中，每个电子元件只能表示“1”或“0”，即“开”或“关”两种状态；而量子则可以同时表示多种状态，这就意味着很少的量子比特就能实现大量经典比特才能完成的计算。

专家表示，如果一台量子计算机的单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别，那么一台64位量子计算机的速度将是目前世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍。量子计算机一旦出现，现有的电脑就相当于是个算盘。

此外，利用光子传递的量子密码能保证信息传输的绝对安全。光子非常脆弱，一经测量就遭破坏，所以，只要通信双方利用光子的这一特点生成密码，密码就有了一种“魔力”——如果被第三个人“看”一眼，密码就会消失。

因此，量子信息技术将给人们的生活带来巨大改变：

一、“绝对安全”的通信方式和“只有你知我知”的密码保护程序。

迄今为止，量子保密通信是唯一被严格证明绝对安全的通信方式，所以，它可以从根本上解决国防、金融、政府、商业等领域的信息安全问题，并使互联网变得更加安全，例如用户的搜索、支付等私密信息将无法被窃取。

二、借助强大的运算能力改造传统行业。量子计算机能够大规模、多线程地处理数据，所建立的数据模型精度将得到指数级的提升，比如，人们通过量子计算机，可以把某种病毒体内的各种成分分析得清清楚楚的，可以制造针对性很强的药物，还可以在大量数据中分析、筛选出特定数据——只要掌握了罪犯身上的某个特点，量子计算机很快就能锁定目标，警察们再也不用在茫茫人海中筛选和搜寻罪犯了。

再来说说带科幻色彩的，这个世界上真的存在'超时空隧道'吗? 对此，科学家给出的答案是有可能，伴随着量子信息科技的持续发展，未来这一幻想不是没有实现的可能。当然，这一说法今天看来依然夸张，但其所谓的与'量子纠缠'密切关联的'量子态隐形传输'则正在变为现实。

通俗的说就是，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着他们，这种神奇现象可谓'心灵感应'。

与此类似，所谓量子纠缠，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。

量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。此种通信技术若能得以实现，其影响将是划时代的。

在时空方面，由于量子通信属于超光速通信，不仅是'最快的通信'，而且有穿越大气层的可能，从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。

日前，德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网，其研究人员称：'我们已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外，还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒……未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通，而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。'

 全球范围的广泛关注和重视

2013年，日本文部科学省成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来十年内投资 400 亿日元（约24亿人民币），支持量子通信和量子信息领域发展。

2014年，英国设立“国家量子技术计划”投资 2.7 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算极大研发中心，开展学术与应用研究。

2016年，欧盟推出“量子宣言”旗舰计划，未来10年投资 10 亿欧元。并在上个月正式启动首批20个研究项目。

近十年来，美国以每年约 2 亿美元的投入力度持续支持量子信息各领域研究。今年6月推出，《国家量子行动计划》法案，并在首个阶段（2019-2023年）在原有基础上每年新增 2.55 亿美元投资，共计 12.75 亿美元，加快研发与应用。

 同样十年来，我国在量子信息领域的基础和前沿项目的研究进行大量布局和投入，先后启动自然科学基金、“863”计划、“973”计划和中科院战略先导专项等国家科技项目。并在2016年起设立国家重点研发计划——“量子调控与量子信息”重点专项支持量子信息重点技术领域研究。近年来在国际上取得优异成果的同时，进一步筹建量子信息相关领域的国家级实验室和论证设立新科技项目。

量子计算紧追美国

产学研用力量分散 差距与风险并存

毋庸置疑，通用型量子计算机将成为颠覆社会的催化剂，必将引领未来科技演进，必会在众多领域带来改变游戏规则的深远影响。

近年来量子计算发展加速，逐渐走入大众视野，但仍处于技术验证和样机攻关的关键阶段。通用量子计算机的确是终极目标，但其实用化将是长期过程，对此，业界预计    2030-2035 年左右逐渐走向技术成熟。

因此，在未来相当长时间内，量子计算都无法完全取代经典计算，两者将长期并跑、相辅相承。有业内专家表示，量子计算未来或可能成为辅助经典计算的特殊处理器，专注于解决某些特定计算问题。计算任务分解后，适合量子计算的部分交给量子处理器执行，适合经典计算的部分交给经典处理器执行，从而达到最高的计算效率。

目前，我国量子计算以科研机构为主导，尽管取得了一定成绩，同美国政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的局面相比，我国产研各方力量分散，科研体制较难适应量子计算领域快速变化的新情况。

 另外，由于量子计算属于交叉学科，量子计算机的研制更属于巨型系统工程，不仅需要多种专业的协同配合，更涉及众多产业、基础和工程实现环节。

 我国近年来量子信息相关科研团队、论文数量及从业人员等指标开始进入世界前列，新技术应用推广具备潜在的政策驱动和市场规模优势。量子保密通信应用规模和产业发展处于领先，量子计算和量子测量领域的研究与应用水平与美欧相比仍有一定差距。

量子信息技术研究需要通用基础设施、实验测控环境、新型芯片软件等工业领域的基础配套和短板补齐，同时量子信息技术应用转化也需要专业化的工艺、工程、软件、测试团队的支撑。

不仅要补齐基础短板，优化工艺、工程、软件和测试等各项属性，为量子信息技术科研提供有效支撑；还要探索适合我国的科研机制体制，建立合作平台，打开创新局面，将政策支持真正、高效地转化为核心技术优势。

《量子信息技术发展与应用研究报告（2019年）》即将发布

中国信息通信研究院将于12月26日在北京召开“2020年中国信通院ICT深度观察报告会”，报告会旨在剖析2019年ICT及融合领域发展热点问题，展望未来发展趋势。

在26日下午的主论坛上，中国信通院将发布《量子信息技术发展与应用研究报告（2019年）》。

主要观点

研究报告在2018年报告的基础上，首先综述2019年量子信息技术总体发展态势，其次对量子计算、量子通信和量子测量三大领域的研究与应用进展进行分析，包括最新研究成果和里程碑事件，应用探索和产业发展态势，舆论关注热点话题，业界争议问题等，同时探讨应用和产业化进展情况及前景，最后梳理我国量子信息技术发展面临的机遇和挑战，以及未来发展态势。

第一部分阐述量子信息技术三大领域的发展历程和影响意义，分析近年来各科技强国在该领域的支持投入和布局推动情况进行，讨论量子信息技术国际标准化研究进展，梳理科研论文和知识产权发展态势。

第二部分为量子计算领域研究与应用进展，分析谷歌量子计算优越性里程碑突破的意义和影响，综述物理平台研究最新进展和发展前景，讨论量子计算和量子算法应用探索进展与态势，针对量子计算云平台的发展与应用进行分析，并对量子计算产业格局和生态链发展情况进行总结。

第三部分为量子通信领域研究与应用进展，梳理量子通信技术研究与样机研制的最新成果，分析量子密钥分发技术演进发展方向，总结量子保密通信应用探索和产业化发展的成果和趋势，针对量子保密通信系统现实安全性，以及规模化应用和产业发展等业界关注的热点问题进行探讨。

第四部分为量子测量领域研究与应用进展，分析量子测量技术体系、原理优势和应用领域，讨论基于自旋量子位测量的研究进展和应用趋势，探讨量子纠缠测量的研究成果和问题瓶颈，阐述量子时间基准和时频网络在未来通信领域中的应用，总结量子测量应用和产业发展现状及前景。

第五部分讨论我国量子信息技术发展面临的机遇与挑战，展望量子信息技术应用和产业化发展前景，分析我国在三大领域的研究基础和综合实力，梳理研究、应用和产业发展面临的主要问题和瓶颈，以及未来发展态势。

亮点与创新

第一，本研究报告是我国第一本全面系统研究量子信息技术发展与应用的研究报告，在2018年首次发布并受到关注和好评，近年来量子信息技术和应用发展加速，热点事件和争议问题广受关注，及时更新发布具有指导性意义。

第二，本研究报告对量子计算、量子通信和量子测量三大领域的关键技术、研究进展和发展趋势，以及应用和产业发展面临的问题进行较为完整的梳理总结和分析研判，具有促进应用和产业发展的推动意义。

第三，本研究报告秉持客观中立立场，既不忽视成果，亦不讳言问题，对量子信息领域的热点事件和争议问题做出深入客观的分析和研判，对于引导社会舆论和凝聚产业共识，具有一定借鉴和参考价值。

第四，本研究报告对欧美和我国在量子信息技术领域的发展现状和竞争态势做出研判，对我国的机遇、挑战和发展态势进行分析，为促进我国量子信息技术发展和应用建言献策。