全景解密量子信息技術：高層集中學習，國家戰略，三大領域一文看懂 | 智東西內參

10月16日下午，高層就量子科技研究和應用前景舉行一次會議，強調當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創新是其中一個關鍵變量。要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。

去年我們曾做過一期關於全球20家量子計算巨頭的研究報告，今天我們來給大家分享下量子計算、量子通信和量子測量三大量子信息技術的發展現狀、我國量子技術面臨的機遇與挑戰，以及全球量子計算專利排名情況。

本期的智能內參，我們推薦中國信通院的研究報告《量子信息技術發展與應用研究報告》和IPRdaily中文網的文章《全球量子計算技術發明專利排行榜》，深入分析量子信息技術三大領域的關鍵技術、熱點問題、發展現狀、演進趨勢，闡述我國面臨的機遇與挑戰，以及未來發展態勢。

本期內參來源：中國信通院 IPRdaily中文網

《量子信息技術發展與應用研究報告》《全球量子計算技術發明專利排行榜》

作者：未註明

一、 量子信息技術總體發展態勢

隨着人類對於量子力學原理的認識、理解和研究不斷深入，以及對於微觀物理體系的觀測和調控能力不斷提升，以微觀粒子系統（如電子、光子和冷原子等）為操控對象，藉助其中的量子疊加態和量子糾纏效應等獨特物理現象進行信息獲取、處理和傳輸的量子信息技術應運而生並蓬勃發展。

量子信息技術主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域，可以在提升運算處理速度、 信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面突破經典技術的瓶頸。量子信息技術已經成為信息通信技術演進和產業升級的關注焦點之一，在未來國家科技發展、新興產業培育、國防和經濟建設等領域，將產生基礎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行量子並行計算，具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強並行處理能力，能夠在特定計算困難問題上提供指數級加速。量子計算帶來的算力飛躍，有可能在未來引發改變遊戲規則的計算革命，成為推動科學技術加速發展演進的“觸發器”和“催化劑”。

未來可能在實現特定計算問題求解的專用量子計算處理器，用於分子結構和量子體系模擬的量子模擬機，以及用於機器學習和大數據集優化等應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或量子糾纏效應等進行信息或密鑰傳輸，基於量子力學原理保證傳輸安全性，主要分量子隱形傳態和量子密鑰分發兩類。量子密鑰分發基於量子力學原理保證密鑰分發的安全性，是首個從實驗室走向實際應用的量子通信技術分支。

通過在經典通信中加入量子密鑰分發和信息加密傳輸，可以提升網絡信息安全保障能力。量子隱形傳態在經典通信輔助之下，可以實現任意未知量子態信息的傳輸。 量子隱形傳態與量子計算融合形成量子信息網絡，是未來量子信息技術的重要發展方向之一。

量子測量基於微觀粒子系統及其量子態的精密測量，完成被測系統物理量的執行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩定性等方面比傳統測量技術有明顯優勢。主要包括時間基準、慣性測量、重力測量、磁場測量和目標識別等方向，廣泛應用於基礎科研、空間探測、生物醫療、慣性制導、地質勘測、災害預防等領域。量子物理常數和量子測量技術已經成為定義基本物理量單位和計量基準的重要參考，未來量子測量有望在生物研究、醫學檢測以及面向航天、國防和商業等應用的新一代定位、導航和授時系統等方面率先獲得應用。

以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術已成為未來國家科技發展的重要領域之一，世界科技強國都對其高度重視。近年來，歐美國家紛紛啓動了國家級量子科技戰略行動計劃，大幅增加研發投入，同時開展頂層規劃及研究應用佈局。

英國 2015 年正式啓動“國家量子技術計劃”，投資 2.7 億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發中心，開展學術與應用研究。 2018 年 11 月進行了第二階段 2.35 億英鎊投資撥款。德國在 2018 年9 月提出“量子技術——從基礎到市場”框架計劃，擬於 2022 年前投資6.5 億歐元促進量子技術發展與應用，並可延長資助至 2028 年。

歐盟“量子宣言”旗艦計劃首批科研項目

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，並於 2018 年 10 月啓動首批 19 個科研類項目，如上圖所示。 2019 年 7 月歐盟 10 國簽署量子通信基礎設施（ QCI）聲明，探討未來十年在歐洲範圍內將量子技術和系統整合到傳統通信基礎設施之中，以保護智能能源網絡、空中交通管制、銀行和醫療保健設施等加密通信系統免受網絡安全威脅。

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領域投資 12.75 億美元，以確保美國在量子技術時代的科技領導力，以及經濟安全、信息安全和國家安全。同期發佈的《量子信息科學國家戰略概述》，規劃推動量子計算超大規模數據集優化處理，量子模擬新材料設計和分子功能研究，基於量子隱形傳態的安全通信以及量子傳感與精密測量等領域的研究，同時設立 3~6 個量子創新實驗室（ QILabs），建立全美量子科研網絡（ QRNet），推動量子計算接入計劃（ QCAP）。

近年來，全球範圍內量子信息技術領域的樣機研究、試點應用和產業化迅速發展，隨着量子計算、量子通信和量子測量等領域新興應用的演進，在術語定義、性能評價、系統模塊、接口協議、網絡架構和管理運維等方面的標準化需求也開始逐漸出現。

國際標準化組織紛紛成立量子信息技術相關研究組和標準項目並開展工作， 2018 年以來相關佈局與研究工作明顯提速。歐洲多國在完成 QKD 現網實驗之後，歐洲電信標準化協會（ ETSI）成立ISG-QKD 標準組，已發佈包括術語定義、系統器件、應用接口、 安全證明、部署參數等 9 項技術規範，另有 3 項在研。

國際標準化組織和國際電工委員會的第一聯合技術委員會（ ISO/IEC JTC1）成立了有我國專家參與的量子計算研究組（ SG2）和諮詢組（ AG），發佈量子計算研究報告和技術趨勢報告，同時在信息安全分技術委員會（ SC27）立項由我國專家牽頭的 QKD 安全需求與測評方法標準項目。國際電氣和電子工程師協會（ IEEE）啓動了量子技術術語定義、量子計算性能指標和軟件定義量子通信協議等 3 個研究項目。國際互聯網工程任務組（ IETF）成立量子互聯網研究組（ QIRG）開展量子互聯網路由、資源分配、連接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。

國際電信聯盟電信標準化部門（ ITU-T）對量子信息技術發展演進及其未來對信息通信網絡與產業的影響保持高度關注。未來網絡研究組（ SG13）已開展 QKD 網絡的基本框架、功能架構、密鑰管理和軟件定義控制等方面研究項目，網絡安全研究組（ SG17）則在 QKD網絡安全要求、密鑰管理安全要求、可信節點安全要求、加密功能要求等方面開展研究，我國部門成員和學術成員擔任部分標準編輯人並做出重要技術貢獻。

此外，我國還推動在 ITU-T 成立面向網絡的量子信息技術研究焦點組（ FG-QIT4N），全面開展量子信息技術標準化研究工作。 2019 年 6 月，在上海成功舉辦了首屆 ITU 量子信息技術國際研討會，廣泛邀請全球研究機構和科技公司的專家學者，對量子計算、量子通信、量子測量、量子信息網絡（ QIN）等議題開展交流和討論。 2019 年 9 月， FG-QIT4N 在電信標準化顧問組（ TSAG）全會期間正式成立，由中俄美專家共同擔任主席，計劃在焦點組研究期內，對 QKD 網絡和 QIN 等相關議題開展標準化預研，為 ITU-T 下一個研究期的量子信息技術標準研究工作奠定基礎並提出建議。

我國在量子保密通信網絡建設和試點應用方面具備較好的研究基礎和實踐積累，相關標準化研究工作也逐步開展。 2017 年，中國通信標準化協會（ CCSA）成立量子通信與信息技術特設任務組（ ST7），開展量子通信和網絡以及量子信息技術關鍵器件的標準研究，目前已完成 6 項研究報告，並開展量子保密通信術語定義和應用場景， QKD系統技術要求、測試方法和應用接口等國家標準和行業標準的制定。QKD 技術還涉及密碼的產生、管理和使用，中國密碼行業標準化技術委員會（ CSTC）也開展了 QKD 技術規範和測評體系等密碼行業標準的研究。 2019年1月，量子計算與測量標準化技術委員會（ TC578）正式成立，計劃開展量子計算和量子測量領域的標準化研究工作。

自上世紀 90 年代開始，各科技強國開始在量子技術領域加大投入，量子計算專利申請開始出現。近年來，量子計算領域的專利申請和授權發展態勢情況如圖 2 所示， 2012 年之前全球量子計算領域專利申請數量整體保持平穩，專利申請主要來自美國和日本。

量子計算領域專利申請及授權情況

2012 年開始，隨着歐美科技巨頭開始大力投入和持續推動， 以及全球各國科技企業和研究機構之間的相互競爭，更加重視量子計算領域的知識產權佈局，專利申請數量出現明顯增長。美國在佈局時間和申請總量上佔有優勢，近年來我國量子計算領域專利申請數量的增長趨勢更快。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構，國內科技企業多與科研院所合作，相關研究工作和知識產權佈局大多處於起步階段。

近 20 年來全球量子計算領域研究論文發表趨勢和主要發文機構統計如下圖所示，隨着量子計算從理論走向物理實現，全球論文發表量也保持增長態勢，特別是在 2018-19 年研究論文數量激增。從發表論文研究機構來看，近五年來排名前 20 的機構中，中國佔據 3 席，分別是中國科學院、中國科學技術大學和清華大學。其中，中國科學院的發文量持續快速上升，過去一年的新增論文數量僅次於美國 MIT和荷蘭 TU Delft。美國量子計算研究重要機構多達 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表。此外，德國 ETH Zurich、 Max Planck Society、加拿大 Waterloo 大學、蒙特利爾大學、日本東京大學也是重要的創新主體。

量子計算領域發表論文趨勢及主要發文機構

隨着美、歐、英、日、韓等國的量子通信研發及試點應用的發展，專利作為重要的技術保護手段受到產學研界的重視，相關專利快速增長，量子通信領域全球專利申請和專利授權發展趨勢如下圖所示。

量子通信領域專利申請和專利授權發展趨勢

美國和日本在量子通信領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移。對比專利申請和專利授權來看，由於早期中國專利申請量較少，所以目前看中國授權專利數量少於美國，但是隨着我國在量子通信基礎研究和應用探索的不斷深入，以及量子保密通信產業的發展，預計未來專利授權量還將繼續上升，而且也將吸引更多的外國公司來華佈局專利。

量子通信領域論文發表趨勢及主要發文機構

2005 年之後，量子密鑰分發（ QKD）技術研究從理論探索開始走向實用化，相關研究論文數量持續上升，近年 QKD 領域論文發表趨勢和主要發文機構如上圖所示。其中， QKD 領域 70%的研究論文在近十年發表，文獻引證數量也在不斷增加， 2018 年發文量創新高。中、美、加、德、新、英等國以科研機構為主，日本則主要來自企業。

我國中科大、北郵、清華、中科院、上交等院校的科研論文數量排名前列。相比之下，量子隱形傳態（ QT）的論文數量在 2005 年之前一直高於 QKD，但近年來論文數量保持平穩並呈下降趨勢，與其關鍵技術瓶頸仍未取得突破有一定關係。除歐、美、日科研機構外，我國的中科大、中科院、電子科大和清華的論文發表數量也名列前茅。

與量子計算和量子通信相比，量子測量和量子計量領域的專利申請和研究論文總量偏少，近年也呈現增長趨勢，如下圖所示。

量子測量領域專利申請和論文發表趨勢

截至 2019 年 10 月公開的相關專利近千件，並且增長趨勢強勁，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）相關的論文數量持續上升，美國加州理工學院、德國蘇黎世聯邦理工學院以及澳大利亞的高校和科研機構發表了較多的論文。我國的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測量領域持續開展科研攻關，開始步入量子測量和量子計量研究論文發表數量的國際前沿行列。

二、 量子計算領域研究與應用進展

量子計算研究始於上世紀八十年代，經歷了由科研機構主導的基礎理論探索和編碼算法研究階段，目前已進入由產業和學術界共同合作的工程實驗驗證和原理樣機攻關階段。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用等多個環節。其中， 量子處理器是製備和操控量子物理比特的平台， 量子編碼是基於眾多物理比特實現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並行處理能力結合的映射和橋樑。

目前，量子處理器的物理比特實現仍是量子計算研究的核心瓶頸，主要包含超導、離子阱、硅量子點、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等多種方案， 研究取得一定進展，但仍未實現技術路線收斂。

超導路線方面， Google 在 2018 年推出 72 位量子比特處理器，Rigetti 正在構建更強大的 128 量子比特處理器。我國中科大在 2019年已實現 24 位超導量子比特處理器，並進行多體量子系統模擬；同時，清華大學利用單量子比特實現了精度為 98.8%的量子生成對抗網絡，未來可應用於圖像生成等領域。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構設計和量子比特糾纏程度不盡統一，大部分並未實現全局糾纏。

離子阱路線方面， IonQ 已實現 79 位處理量子比特和 160 位存儲量子比特。光量子路線方面，中科大已實現 18 位光量子糾纏操控，處於國際領先地位。硅量子點路線方面， 新南威爾士大學報道了保真度為 99.96%的單比特邏輯門和保真度為 98%的雙比特邏輯門， 中科大也實現了高保真的單比特邏輯門。 此外，我國本源量子研發了適用於 20 位量子比特的量子測控一體機，用於提供量子處理器芯片運行所需要的關鍵信號，實現量子芯片操控。

目前，量子計算物理平台中的超導和離子阱路線相對領先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算技術實用化的 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）可以實現通用的量子門集合，（ 5）量子比特可以被讀出。為充分利用每種技術的優勢，未來的量子計算機也可能是多種路線並存的混合體系。

量子優越性（ Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權”）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，相比於經典計算機可實現指數量級的運算處理加速，從而體現量子計算原理性優勢。 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於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並行處理能力，從而發揮出量子計算方法相比於傳統計算方法在解決該問題時的顯著算力優勢。

Google Sycamore 超導量子計算處理器

2019 年 10 月，《自然》雜誌以封面論文形式報道了 Google 公司基於可編程超導處理器 Sycamore， 如上圖所示， 實現量子優越性的重要研究成果。該處理器採用倒裝焊封裝技術和可調量子耦合器等先進工藝和架構設計，實現了 53 位量子物理比特二維陣列的糾纏與可控耦合，在解決隨機量子線路採樣問題時，具有遠超過現有超級計算機的處理能力。 Google 研究成果是證明量子計算原理優勢和技術潛力的首個實際案例，具有里程碑意義。這一熱點事件所引發的震動和關注，將進一步推動全球各國在量子計算領域的研發投入、工程實踐和應用探索，為加快量子計算機的研製和實用化注入新動力。

需要指出的是，現階段量子計算的研究發展水平距離實用化仍有較大差距。量子計算系統非常脆弱，極易受到材料雜質、環境温度和噪聲等外界因素影響而引發退相干效應，使計算準確性受到影響，甚至計算能力遭到破壞。發展速度最快的超導技術路線，在可擴展性、操控時間和保真度等方面也存在侷限。此外，可編程通用量子計算機需要大量滿足容錯閾值的物理量子比特進行糾錯處理，克服退相干效應影響，獲得可用的邏輯量子比特。

以運行 Shor 算法破譯密碼為例， 要攻破 AES 加密算法需要數千個量子邏輯比特，轉換為量子物理比特可能需要數萬個或者更多。現有研究報道中的物理量子比特數量和容錯能力與實際需求尚有很大差距，量子邏輯比特仍未實現。通用量子計算機的實用化，業界普遍預計仍需十年以上時間。

在達到通用量子計算所需的量子比特數量、量子容錯能力和工程化條件等要求之前，專用量子計算機或量子模擬器將成為量子計算發展的下一個重要目標。結合量子計算和量子模擬應用算法等方面研究，在量子體系模擬、分子結構解析、大數據集優化和機器學習算法加速等領域開發能夠發揮量子計算處理能力優勢的“殺手級應用”，將為量子計算技術打開實用化之門。

量子處理器需要在苛刻的環境下進行運算和儲存，通過雲服務進行量子處理器的接入和量子計算應用推廣成為量子計算算法及應用研究的主要形式之一。用户在本地編寫量子線路和代碼，將待執行的量子程序提交給遠程調度服務器，調度服務器安排用户任務按照次序傳遞給後端量子處理器，量子處理器完成任務後將計算結果返回給調度服務器，調度服務器再將計算結果變成可視化的統計分析發送給用户，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構發佈量子計算雲平台，以實現對量子處理器資源的充分共享，並提供各種基於量子計算的衍生服務。

量子計算雲平台通用體系架構

量子計算雲平台的通用體系架構如上圖所示，主要包括計算引擎層、基礎開發層、 通用開發層、應用組件層和應用服務層。量子計算雲平台的服務模式主要分為三種：

一是量子基礎設施服務（ q-IaaS），即提供量子計算雲服務器、量子模擬器和真實量子處理器等計算及存儲類基礎資源；

二是量子計算平台服務（ q-PaaS），即提供量子計算和量子機器學習算法的軟件開發平台，包括量子門電路、量子彙編、量子開發套件、量子算法庫、量子加速引擎等；

三是量子應用軟件服務（ q-SaaS），即根據具體行業的應用場景和需求設計量子機器學習算法，提供量子加速版本的 AI 應用服務，如生物製藥、分子化學和交通治理等。目前，量子計算雲平台以 q-PaaS 模式為主，提供量子模擬器、計算工具和開發套件等軟件服務。隨着量子計算物理平台與雲基礎設施的深度結合，以及量子處理器功能和性能的不斷髮展，q-IaaS 模式比重將逐步增多。未來，隨着量子計算產業進一步發展成熟、生態逐步開放，將有更多的行業和企業嘗試通過 q-SaaS 模式對其業務處理進行賦能。

美國量子計算雲平台佈局較早，發展迅速。 IBM 已推出 20 位量子比特的量子云服務，提供 QiKit 量子程序開發套件，建立了較為完善的開源社區。 Google 開發了 Cirq 量子開源框架和 OpenFermion-Cirq量子計算應用案例，可搭建量子變分算法（ Variational Algorithms），模擬分子或者複雜材料的相關特性。 Rigetti 推出的量子計算雲平台以混合量子+經典的方法開發量子計算運行環境，使用 19 位量子比特超導芯片進行無監督機器學習訓練及推理演示，提供支持多種操作系統的 Forest SDK 量子軟件開發環境。

我國量子計算雲平台起步較晚，目前發展態勢良好，與國際先進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。中科大與阿里雲共同推出 11 位超導量子計算雲接入服務。華為發佈 HiQ 量子計算模擬雲服務平台，可模擬全振幅的 42 位量子比特，單振幅的81 位量子比特，並開發兼容 ProjectQ 的量子編程框架。本源量子推出的量子計算雲平台可提供 64 位量子比特模擬器和基於半導體及超導的真實量子處理器，提供 Qrunes 編程指令集， Qpanda SDK 開發套件，推出移動端與桌面端應用程序，兼具科普、教學和編程等功能，為我國量子計算的研究和應用推廣提供了有益探索。

在量子計算領域，美國近年來持續大力投入，已形成政府、科研機構、產業和投資力量多方協同的良好局面，如下圖所示，並建立了在技術研究、樣機研製和應用探索等方面的全面領先優勢。

美國量子計算研究與應用發展模式

英、歐、日、澳等國緊密跟隨，領先國家之間通過聯合攻關和成果共享， 正在形成並不斷強化聯盟優勢。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列入國家技術計劃加大投入。

科技巨頭間的激烈競爭，推動量子計算技術加速發展。 Google、IBM、英特爾、微軟在量子計算領域佈局多年，霍尼韋爾隨後加入，產業巨頭基於雄厚的資金投入、工程實現和軟件控制能力積極開發原型產品、展開激烈競爭，對量子計算成果轉化和加速發展助力明顯。Google 在 2018 年實現 72 位超導量子比特，在 2019 年證明量子計算優越性。 IBM 在 2019 年 1 月展示具有 20 位量子比特的超導量子計算機，並在 9 月將量子比特數量更新為 53 位。微軟在 2019 年推出量子計算雲服務 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構合作或聘請具有國際知名度的科學家成立量子實驗室，在量子計算雲平台、 量子軟件及應用開發等領域進行佈局。阿里與中科大聯合發佈量子計算雲平台並在 2018 年推出量子模擬器“太章”。騰訊在量子 AI、藥物研發和科學計算平台等應用領域展開研發。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應用等業務研究。華為在2018 年發佈 HiQ 量子云平台，並在 2019 年推出崑崙量子計算模擬一體原型機。我國科技企業進入量子計算領域相對較晚，在樣機研製及應用推動方面與美國存在較大差距。

初創企業是量子計算技術產業發展的另一主要推動力量。初創企業大多脱胎於科研機構或科技公司，近年來，來自政府、產業巨頭和投資機構的創業資本大幅增加，初創企業快速發展。目前，全球有超過百餘家初創企業，涵蓋軟硬件、基礎配套及上層應用各環節，如下圖所示，企業集聚度以北美和歐洲（含英國）最高。

量子計算領域科技公司和初創企業分佈

儘管量子計算目前仍處於產業發展的初期階段，但軍工、氣象、金融、石油化工、 材料科學、生物醫學、航空航天、汽車交通、圖像識別和諮詢等眾多行業已注意到其巨大的發展潛力，開始與科技公司合作探索潛在用途，生態鏈不斷壯大，如下圖所示。

量子計算研發主體與產業應用生態

在量子計算研究和應用發展的同時， 其產業基礎配套也在不斷完善。 2019 年英特爾與 Bluefors 和 Afore 合作推出量子低温晶圓探針測試工具，加速硅量子比特測試過程。 本源量子創立本源量子計算產業聯盟， 2019 年攜手中船鵬力共建量子計算低温平台。

當前階段，量子計算的主要應用目標是解決大規模數據優化處理和特定計算困難問題（ NP）。機器學習在過去十幾年裏不斷髮展，對計算能力提出巨大需求，結合了量子計算高並行性的新型機器學習算法可實現對傳統算法的加速優化，是目前的研究熱點。量子機器學習算法主要包括異質學習（ HHL） 算法、量子主成分分析（ qPCA）、量子支持向量機（ qSVM）和量子深度學習等。目前，量子機器學習算法在計算加速效果方面取得一定進展，理論上已證明量子算法對部分經典計算問題具有提速效果，但處理器物理實現能力有限，算法大多隻通過模擬驗證，並未在真實系統中進行迭代，仍處發展初期。

目前，基於量子退火和其他數據處理算法的專用量子計算機，已經展開系列應用探索。 Google 聯合多家研究機構將量子退火技術應用於圖像處理、蛋白質摺疊、交通流量優化、空中交通管制、海嘯疏散等領域。 JSR 和三星嘗試使用量子計算研發新材料特性。埃森哲、Biogen 和 1Qbit 聯合開發量子化分子比較應用，改善分子設計加速藥物研究。

德國 HQS 開發的算法可以在量子計算機和經典計算機上有效地模擬化學過程。摩根大通、巴克萊希望通過蒙特卡洛模擬加速來優化投資組合， 以提高量化交易和基金管理策略的調整能力，優化資產定價及風險對沖。量子計算應用探索正持續深入，未來 3-5 年有望基於量子模擬和嘈雜中型量子計算（ NISQ） 原型機在生物醫療、分子模擬、 大數據集優化、量化投資等領域率先實現應用。

三、 量子通信領域研究與應用進展

量子通信主要分量子隱形傳態（ Quantum Teleportation，簡稱 QT）和量子密鑰分發（ Quantum Key Distribution，簡稱 QKD）兩類。 QT基於通信雙方的光子糾纏對分發（信道建立）、貝爾態測量（信息調製）和幺正變換（信息解調）實現量子態信息直接傳輸，其中量子態信息解調需要藉助傳統通信輔助才能完成。 QKD 通過對單光子或光場正則分量的量子態製備、傳輸和測量，首先在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享，再與傳統加密技術相結合完成經典信息加密和安全傳輸，基於 QKD 的保密通信稱為量子保密通信。

近年來， QT 研究在空、天、地等平台積極開展實驗探索。 2017年，中科大基於“墨子號”量子科學實驗衞星，實現星地之間 QT 傳輸，低軌衞星與地面站採用上行鏈路實現量子態信息傳輸，最遠傳輸距離達到 1400 公里，成為目前 QT 自由空間傳輸距離的最遠記錄。

2018年，歐盟量子旗艦計劃成立量子互聯網聯盟（ QIA），由 Delft 技術大學牽頭，採用囚禁離子和光子波長轉換技術探索實現量子隱形傳態和量子存儲中繼，計劃在荷蘭四城市之間建立全球首個光纖 QT 實驗網絡，基於糾纏交換實現量子態信息的直接傳輸和多點組網。 2019 年，南京大學報道基於無人機開展空地量子糾纏分發和測量實驗，無人機攜帶光學發射機載荷，完成與地面接收站點之間 200 米距離的量子糾纏分發測量。目前， QT 研究仍主要侷限在各種平台和環境條件下的實驗探索，包括高品質糾纏製備、量子態存儲中繼和高效率量子態檢測等關鍵技術瓶頸尚未突破，距離實用化仍有較大距離。

近年來， QKD 的實驗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化雙光場編碼和傳輸實驗，實現 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點可以作為量子中繼的一種替代方案。中科大和奧地利科學院聯合報道了基於“墨子號”衞星實現7600公里距離的洲際QKD和量子保密通信，在可用時間窗口內，基於衞星中繼的密鑰傳輸平均速率~3kbps，在兩地 QKD 密鑰累積一定數量之後，可以用於進行圖片和視頻會議等應用的加密傳輸。

日內瓦大學報道了採用極低暗記數的超導納米線單光子探測器的 QKD 傳輸實驗，創造了 421 公里的單跨段光纖傳輸最遠距離，對應密鑰成碼率 0.25bit/s，在 250 公里光纖傳輸距離對應密鑰成碼率為 5kbit/s。東芝歐研所也報道基於 T12 改進型QKD 協議和 LDPC 糾錯編碼的 QKD 系統實驗，在 10 公里光纖信道連續運行 4 天，平均密鑰成碼率達到 13.72Mbps。 QKD 實驗研究進一步提升系統性能和傳輸能力，為應用推廣奠定基礎。

在量子通信領域，還有量子安全直接通信（ Quantum Secure Direct Communication，簡稱 QSDC）技術方向也值得關注。 QSDC 系統中信息接收端為 Bob，信息發射端為 Alice。 Bob 端脈衝光源經過衰減器和隨機信號控制相位調製後，輸出單光子量子態信號，在 Alice 端隨機抽樣檢測一部分量子態信號，對剩餘的量子態信號用兩種不同幺正變換編碼，發送經典信息，並通過原信道以時分複用方式反向回傳到 Bob 端， Bob 端根據接收到的單光子量子態與初始製備態的差異性檢測，解調出 Alice 的編碼信息。

量子安全直接通信原理樣機實驗系統

2019 年，清華大學物理系基於首創的 QSDC 理論和實驗方案， 實現了原理實驗樣機研製，如下圖所示，並完成實驗室光纖環境中基於 QSDC 的信息直接傳輸演示實驗。實驗室環境 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 的技術結合了QKD 和 QT 的部分技術思想，以及信道安全容量分析等信息論方法，能夠基於量子物理學和信息論同步實現經典信道安全狀態監測和信息加密傳輸。目前實驗樣機系統的信息傳輸速率較為有限，需使用低温製冷超導探測器，實用化和工程化水平仍有較大提升空間。

隨着 QKD 技術進入實用化階段，並不斷開展試點應用和網絡建設，進一步提升其實用化和商用化水平成為科研機構和產業鏈上下游關注和技術演進的主要方向。 QKD 實用化技術和應用演進的主要方向包括基於光子集成（ PIC）技術提升收發機的集成度，採用連續變量（ CV） QKD 技術開展實驗和商用設備開發，以及開展 QKD 與現有光通信網絡的共纖傳輸和融合組網等方面的研究與探索。

QKD 技術的商用化需要在設備集成度，系統可靠性，解決方案性價比和標準化程度等方面進行提升。通過與 PIC 和硅光等新型技術進行融合，可以進一步實現 QKD 設備光學組件的小型化和集成化，同時提升系統的功能性能和可靠性，目前已經成為研究機構和產業鏈上下游關注的焦點之一。英國 Bristol 大學已報道了基於 InP 和 SiON等材料的 PIC 技術方案，可以實現 QKD 設備量子態信號調製器和解調器的芯片化集成，支持多種編碼調製方案，可一定程度提高 QKD系統工程化水平，但目前脈衝光源和單光子探測器（ SPD）模塊仍難以實現集成。我國深圳海思半導體有限公司和山東國訊量子芯科技有限公司等，在 QKD 調製解調芯片化領域也進行了研究佈局。

CV-QKD 中的高斯調製相干態（ GG02）協議應用廣泛，系統採用與經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勢，量子態信號檢測效率可達 80%，便於和現有光通信系統及網絡進行融合部署。主要侷限是協議後處理算法複雜度高，長距離高損耗信道下的密鑰成碼率較低，並且協議安全性證明仍有待進一步完善。 CV-QKD 具有低成本實現城域安全密鑰分發的潛力，應用部署難度小，產業鏈成熟度高，未來可能成為 QKD 規模應用可行解決方案。

2019 年，北大和北郵報道了在西安和廣州現網 30 公里和 50公里光纖，採用線路噪聲自適應調節和發射機本振共纖傳輸方案，實現 5.91kbit/s 和 5.77kbit/s 的密鑰成碼率，為 CV-QKD 現網實驗的新成果，並在青島開展現網示範應用。

QKD 商用化系統在網絡建設和部署過程中，由於量子態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，所以通常需要獨立的暗光纖進行傳輸，而與其他光通信信號進行共纖混合傳輸，可能導致光纖內產生的拉曼散射噪聲影響單光子檢測事件響應的正確率。

QKD 系統與光通信系統的共纖混傳能力是限制現網部署的一個關鍵性因素，也是未來發展演進的重要研究方向之一。目前，已有中科大，東芝歐研所，中國電信和中國聯通等報道了基於 1310nm 的 O波段 DV-QKD 系統與 1550nm 的 C 波段光通信系統的共纖混傳實驗和現網測試，但 QKD 系統的密鑰成碼率對光纖的損耗敏感，在實際應用部署中並不推薦使用 O 波段，並且 1310nm 的 QKD 系統商用化程度較低。

商用 QKD 系統通常採用 1550nm 的 C 波段作為量子態光信號波長，與 1310nm 的 O 波段光通信設備的共纖混傳，也在部分運營商進行了相關測試。在限制光通信信號功率至接收機靈敏度範圍的條件下，可以支持 QKD 在約 50 公里的城域範圍內共纖傳輸和融合部署，並且密鑰成碼率與獨佔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中，進行 QKD 系統的融合組網和共纖傳輸，仍然是重要研究方向，在共纖傳輸方面， CV-QKD 採用本振光相干探測和平衡接收，對於拉曼散射噪聲具有較強的容忍度，相比 DV-QKD 具有一定原理性優勢。

基於 QKD 的量子保密通信在全球範圍內進一步開展了試點應用和網絡建設，歐盟“量子旗艦計劃”項目支持西班牙和法國等地運營商，開展 QKD 實驗網絡建設，與科研項目結合進行商業化應用探索。韓國 SKT 等運營商通過收購瑞士 IDQ 股權等方式，也開始介入 QKD技術領域，並承建了韓國首爾地區的 QKD 實驗網絡。

我國量子保密通信的網絡建設和示範應用發展較為迅速，近年來中科大潘建偉院士團隊及其產業公司開展了“京滬幹線”和國家廣域量子保密通信骨幹網絡建設一期工程等 QKD 網絡建設項目。中國科大郭光燦院士團隊聯合相關企業建設了從合肥到蕪湖的“合巢蕪城際量子密碼通信網絡”，以及從南京到蘇州總長近 600 公里的“寧蘇量子幹線”；華南師大劉頌豪院士團隊和清華大學龍桂魯教授團隊聯合啓動建設覆蓋粵港澳大灣區的“廣佛肇量子安全通信網絡”。我國的QKD 網絡建設和示範應用項目的數量和規模已處於世界領先。

我國 QKD 領域主要研究機構和設備商

在產業鏈發展方面，近年來我國又新增了一批由科研機構轉化或海外歸國人才創立的 QKD 設備供應商，並且在技術路線上呈現多元化發展態勢， QKD 技術研究機構和設備供應商情況如上圖所示。CV-QKD 技術在北大、北郵、上海交大和山西大學等高校和研究機構中取得大量研究成果。上海循態量子、北京啓科量子、北京中創為量子和廣東國騰量子等公司加入 QKD 設備供應商行列，同時傳統通信設備行業中的華為和烽火等設備供應商，也開始關注基於 CV-QKD等技術的商用化設備，並與傳統通信設備和系統進行整合，探索為信息網絡中的加密通信和安全增值服務提供解決方案。

基於 QKD 的量子保密通信目前主要用於點到點的密鑰共享和基於 VPN 和路由器等有線網絡的信息傳輸加密。探索將 QKD 與無線通信加密應用場景結合，對於擴展量子保密通信的應用場景，開拓商業化應用市場，以及推動產業化發展具有重要價值。

其中的主要難點是量子密鑰一旦生成之後，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絡進行二次傳輸。通過使用 QKD 網絡作為密鑰分發基礎設施，在不同 QKD 網絡節點的安全管理域內，使用密鑰充注設備可以為符合一定安全性等級要求的移動存儲介質，例如 SD 卡等，進行密鑰充注。

密鑰存儲介質再與具備身份認證和加密通信功能的無線終端進行融合，可以實現使用量子密鑰對無線終端與加密服務器之間的身份認證和會話密鑰協商過程的加密保護，從而為無線通信領域的加密應用提供一定程度的量子加密服務。目前該解決方案已有初步商用化設備，並開始探索在政務和專網等高安全性需求領域的無線加密通信應用，未來可能成為擴展量子保密通信商業化應用的一個重要方向。

在量子保密通信試點應用和網絡建設發展的同時，量子保密通信系統和網絡的現實安全性也是學術界、產業界和社會輿論關注的問題之一。近來，中科大郭光燦院士團隊和上海交大金賢敏教授團隊發表的關於 QKD 系統現實安全性的研究論文，進一步引發了關於量子保密通信系統和網絡現實安全性的討論。

QKD 技術經過近 40 年的發展，其中密鑰分發的安全性由量子力學的基本原理保證，理論安全性證明也相對完備， QKD 技術在提供對稱密鑰的安全性方面的價值已經獲得全球學術界和產業界的承認和共識，但基於 QKD 的量子保密通信系統和網絡的現實安全性仍然是值得關注和研究的問題。

QKD 只是量子保密通信系統的一個環節，量子保密通信系統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證三個環節，缺一不可。目前 QKD 商用系統在現網光纖中的密鑰生成速率約為數十 kbit/s 量級，對於現有信息通信網絡中的 SDH、 OTN和以太網等高速業務，難以採用一次一密加密，通常與傳統對稱加密算法（例如 AES、 SM1 和 SM4 加密算法）相結合，由 QKD 提供對稱加密密鑰。在此情況下，由於存在密鑰的重複使用，並不滿足一次一密的加密體制要求。

需要指出的是，相比傳統對稱加密體系，量子保密通信仍然能夠帶來安全性提升和應用價值，一方面相比原有對稱加密算法的收發雙發自協商產生加密密鑰， QKD 所提供的加密密鑰在密鑰分發過程的防竊聽和破解的能力得到加強；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據被計算破解的風險。

QKD 技術能夠保障點到點的光纖或自由空間鏈路中的密鑰分發的安全性。由於量子存儲和量子中繼技術距離實用化仍有一定距離，長距離的 QKD 線路和網絡需要藉助“可信中繼節點”技術，進行逐段密鑰分發，密鑰落地存儲和中繼。密鑰一旦落地存儲，就不再具備量子態和由量子力學保證的信息論安全性， QKD 線路和網絡中的“可信中繼節點”需要採用傳統信息安全領域的高等級防護和安全管理來保證節點自身的安全性。

目前針對“可信中繼節點”的安全性防護要求、標準化研究工作正在逐步開展，測評工作有待加強。未來進一步加強可信中繼節點技術要求、安全性分析和測評方法等標準的研究與實施，將是保障量子保密通信網絡建設和應用的現實安全性的重要措施之一。通過明確可信中繼節點的安全防護要求和實施方案並通過相關測評驗證，結合符合相應等級要求的密鑰中繼管理方案，可以實現符合安全性等級保護要求的 QKD 組網和應用。

QKD 技術的信息論可證明安全性是指理論證明層面，對於實際QKD 系統而言，由於實際器件（例如光源、探測器和調製器等）無法滿足理論證明的假設條件，即可能存在安全性漏洞，所以 QKD 系統的現實安全性以及漏洞攻擊和防禦，一直是學術界研究的熱點之一。前述的中科大郭光燦院士團隊和上海交大金賢敏教授團隊的研究報道，都是針對 QKD 實際系統的安全性漏洞進行攻擊和防禦改進的學術研究成果。

需要指出的是， 此類研究通常在完全控制系統設備的條件下，採用極端條件模擬（例如超高光功率注入等方式）來攻擊系統獲取密鑰信息，與實際系統和網絡中可行的攻擊和竊聽屬於不同層面。並且此類研究的出發點和落腳點也是在於改進和提升 QKD 系統的實際安全性，通常都會給出針對所提出的攻擊方式的系統防禦策略和解決方案，而非否定 QKD 系統安全性。針對 QKD 系統和網絡現實安全性的學術研究在未來將會持續進行，從實際應用層面而言， QKD系統和網絡也需要持續進行現實安全性研究和測評驗證。

QKD 系統的性能指標和實用化水平仍有提升空間。目前由於系統協議，關鍵器件和後處理算法等方面的限制，商用 QKD 系統在現網中的單跨段光纖傳輸距離通常在百公里以內，密鑰成碼率約為數十kbit/s 量級，系統傳輸能力和密鑰成碼率有待進一步提高。

同時， QKD設備系統的工程化水平也有一定提升空間，例如偏振調製型設備在抗光纖線路擾動方面存在技術難點；單光子探測器需要低温製冷，對機房環境温度變化較為敏感； QKD 系統和網絡的管理和運維等方面尚未完全成熟。此外，量子保密通信系統和網絡需要密鑰管理設備和加密通信設備進行聯合組網，密鑰管理設備屬於信息安全領域，加密通信設備屬於信息通信領域，目前量子保密通信業界與信息通信行業和信息安全行業的合作與融合還比較有限，設備產品的工程化和標準化水平需進一步提升和演進。

量子保密通信技術的應用發展還面臨加密體制的技術路線競爭。量子保密通信的應用背景主要是面向未來量子計算對於現有公鑰加密體系的計算破解威脅。

一方面，量子計算的發展目前還處於多種技術路線探索的樣機實驗階段，儘管近年來發展加速，但是距離實現真正具備破解密碼體系的大規模可編程通用化量子計算能力仍有很長的距離。

另一方面，信息安全行業也在為應對量子計算可能帶來的安全性威脅進行積極準備，目前以美國國家標準和技術研究院（ NIST）主導的抗量子計算破解的新型加密體系和算法的全球徵集和評比已經完成第一輪篩選，計劃在 2023 年左右完成三輪公開評選，並推出新型加密體制標準，我國上海交大、復旦大學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後量子安全加密的技術路線競爭， 加快提升 QKD系統成熟度、實用化水平和性價比，是搶佔先機的關鍵。

量子保密通信的商業化應用和市場開拓仍需進一步探索。量子保密通信是對現有的保密通信技術中的對稱加密體系的一種安全性提升，能夠解決密鑰分發過程的安全性問題，提升對稱加密通信的安全性水平，但是並不能完全解決信息網絡中面臨的所有安全性問題。量子保密通信主要適用於具有長期性和高安全性需求的保密通信應用場景，例如政務和金融專網，以及電力等關鍵基礎設施網絡等， 市場容量和產業規模相對有限， 目前主要依靠國家和地方政府的支持和投入。量子保密通信技術的商業化應用推廣和市場化發展仍然面臨技術成熟度、設備可靠性和投入產出性價比等方面的考驗，需要產學研用各方共同努力，從設備升級、產業鏈建設、標準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複雜，在政務、金融、外交、國防和關鍵基礎設施等領域，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帶來的長期信息安全保障能力有客觀需求和應用前景。同時，量子保密通信技術的產業應用和市場化推廣，也需要其自身技術成熟度、設備工程化、現實安全性和可靠性水平的不斷提升，以滿足規模化應用部署和運維管理等方面的條件和要求。

針對量子保密通信系統設備的工程化和實用化的關鍵瓶頸開展基礎性共性技術，例如高性能單光子探測器、集成化調制解調器和高性能後處理算法等領域的攻關突破，將政策支持的優勢真正轉化為核心技術和產品功能性能的優勢，進一步提升系統工程化水平和解決方案性價比，是應用發展演進和產業做大做強的關鍵所在。

四、 量子測量領域研究與應用進展

信息技術包含信息獲取、處理、傳遞三大部分，與測量、計算和通信三大領域分別對應。精密測量技術作為從物理世界獲取信息的主要途徑，在信息技術中起着至關重要的作用。精密測量不僅在基礎科學研究方面具有重要的學術價值，而且還能服務於國家重大需求，對各領域的科學進步具有推動作用，因此具有重大的研究意義。精密測量的本質是測量系統與待測物理量的相互作用，通過測量系統性質的變化表徵待測物理量的大小。經典的測量方法的精度往往受限於衍射極限、散粒噪聲和海森堡極限等因素，測量精度提升面臨困難。

近年來量子技術的發展，使得對微觀對象量子態的操縱和控制日趨成熟，量子測量技術也應運而生。利用量子相干、量子糾纏、量子統計等特性可以突破經典力學框架下的測量極限，從而實現更高精度的測量。基於微觀粒子系統和量子力學特性實現對物理量進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、角速度等外界環境直接與原子、離子、電子、光子等量子體系發生相互作用並改變它們的量子狀態，最終通過對這些變化後的量子態進行檢測實現外界環境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態操控技術，可以進一步提高測量的靈敏度。

在量子計算、量子通信等領域，量子系統的量子狀態極易收到外界環境的影響而發生改變，嚴重的制約着量子系統的穩定性和健壯性。量子測量恰恰利用量子體系的這一“缺點”，使量子體系與待測物理量相互作用，從而引發量子態的改變來對物理量進行測量。對於量子測量的定義，一直存在着爭議和疑問。根據國內外量子信息技術領域技術分類和業界調研反饋，廣義量子測量可以涵蓋利用量子特性來獲得比經典測量系統更高的分辨率或靈敏度的測量技術。量子測量技術應具有兩大基本特徵：一是操控觀測對象是微觀粒子系統，二是與待測物理量相互作用導致量子態變化，而具備以上兩點特徵的測量技術可以納入量子測量的範疇。

量子測量的基本流程和主要步驟

量子測量可以分為以下五個基本步驟，如上圖所示。其中，量子態初始化是將量子系統初始化到一個穩定的已知基態；初始測量態根據不同的應用及技術原理，通過控制信號將量子系統調製到初始測量狀態；與待測物理量相互作用通過待測物理量（重力、磁場等）作用在量子系統上一段時間，使其量子態發生改變；量子態讀取通過測量確定量子系統的最終狀態（比如測量躍遷光譜、馳豫時間等）；結果轉換則將測量結果轉化為經典信號輸出，獲取測量值。

外界物理量和量子系統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能級間的躍遷，從而增加其躍遷率；縱向作用通常導致能級的平移，從而改變其躍遷頻率。通過測量躍遷率和躍遷頻率的變化實現物理量的探測，如下圖所示。

外界物理量與量子體系的作用機制

量子測量涵蓋電磁場、重力應力、方向旋轉、温度壓力等物理量，應用範圍涉及基礎科研、空間探測、材料分析、慣性制導、地質勘測、災害預防等諸多領域，當前量子測量研究和應用的主要領域及其技術體系如下圖所示。通過對不同種類量子系統中獨特的量子特性進行控制與檢測，可以實現量子慣性導航、量子目標識別、量子重力測量、量子磁場測量、量子時間基準等領域的測量傳感，未來發展趨勢主要 高精度、小型化和芯片化。

量子測量主要應用領域和技術體系

按照對量子特性的應用，量子測量分三個層次，第一層次是基於微觀粒子能級測量；第二層次是基於量子相干性（波狀空間時間疊加態）測量；第三層次是基於量子糾纏進行測量，突破經典的理論極限。其中，前兩個層次雖然沒有充分利用量子疊加和糾纏等獨特性質，但是目前技術較成熟，涉及面寬，涵蓋了大部分量子測量場景，部分領域已經實現產品化。

第一層次從 20 世紀 50 年代就逐步在原子鐘等領域開始應用。近些年隨着量子態操控技術研究的不斷深入，基於自旋量子位的測量系統開始成為研究熱點，通過外部物理量改變能級結構，通過探測吸收或發射頻譜對外部物理量進行測量。

第二層次主要利用量子系統的物質波特性，通過干涉法進行外部物理量的測量，廣泛應用於量子陀螺儀、量子重力儀等領域，技術相對成熟，精度較高，但是系統體積通常較大，短期內較難實現集成化。第三個層次條件最為嚴苛，同時也最接近量子的本質。 基於量子糾纏的量子測量技術研究還比較少，主要集中在量子目標識別、量子時間同步和量子衞星導航領域。受制於量子糾纏態的製備和測量等關鍵技術瓶頸，目前主要在實驗室研究階段，距離實用化較遠。

利用自旋量子位進行精密測量是量子測量領域中一個相對較新的領域。量子體系的自旋態地與磁場強度相關，磁場變化會導致自旋量子位的能級結構變化，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構還與温度、應力有關，利用類似原理實現温度、應力的精密測量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁場，當自旋量子位發生旋轉或者與磁場發生相對位移時，可實現角速度和加速度的精密測量。基於自旋量子位的測量體系的優點在於高靈敏度和高頻譜分辨率， 自旋量子位的操控和讀取對環境要求較低，便於應用。 其空間分辨率遠小於光學成像的衍射極限，有望用於對微納芯片和生物組織的檢測與成像。

金剛石氮空位（ Nitrogen-Vacancy， NV）色心是一種近期備受關注的自旋量子位，可實現對多種物理量的超高靈敏度檢測，廣泛地應用於磁場、加速度、角速度、温度、壓力的精密測量領域，具有巨大的潛力。目前金剛石色心測量系統已實現芯片化，基於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製造了基於金剛石色心的量子傳感器，實現對磁場的精密測量，功能包括片上微波的產生和傳輸，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，器件結構緊湊，功耗較低，在自旋量子位測量和 CMOS 技術的結合方面邁出關鍵一步。此外， 金剛石色心量子測量還能實現納米級的空間分辨率。中科大今年首次實現基於金剛石色心的 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用化的量子傳感打下了基礎， 可應用於微納電磁場及光電子芯片檢測，拓寬遠場超分辨成像技術應用場景。自旋偶極耦合在密集自旋體系中產生壓縮，有望使測量靈敏度接近海森堡極限。

量子糾纏作為量子光學乃至量子力學最為核心的課題，獲得了研究者們的廣泛關注。隨着 EPR 佯謬的提出，人們逐步發現並確認了量子態的非定域性。

利用量子糾纏這種非定域性可以實現距離的精確測量，一對糾纏光子包含信號光子和閒置光子，將信號光子發往距離未知的待測位置，閒置光子發送到位置固定的光電探測器，分別記錄光子的量子態和到達時間，並通過經典信道進行信息交互，通過聯合測量兩地到達時間可以計算出距離。如果採用三組基點對統一位置進行測量，就可以在三維空間中唯一確定待測點的位置，基於此原理即可實現量子衞星定位系統（ QPS）用於高精度量子定位導航。如果距離是已知參數，根據此原理還可用於測量兩地的時鐘差，進而實現兩地的高精度時鐘同步，此原理被應用在量子時間同步協議中。類似於量子通信的原理，如果測量過程中存在竊聽者，糾纏態會遭到破壞，測量數據將不再關聯，從而達到防竊聽的目的， 也提高了系統的安全性。

量子糾纏特性還廣泛應用於量子目標識別領域。干涉式量子雷達和量子照射雷達都將糾纏光作為光源。干涉式量子雷達使用非經典源（ 糾纏態或壓縮態） 照射目標區域，在接收端進行經典的干涉儀原理進行檢測，通過利用光源的量子特性，可以使雷達系統的距離分辨能力和角分辨能力突破經典極限。量子照射雷達在發射信號中使用糾纏光源掃描目標區域，在接收處理中進行量子最優聯合檢測，從而實現目標的高靈敏探測。

目前，基於量子糾纏的量子測量多處於理論研究階段，原理樣機的報道較少。主要原因在於高質量性能穩定的糾纏源製備目前尚未實現突破，另外高性能單光子探測技術瓶頸也制約其發展，單光子探測器的靈敏度、暗計數、時間抖動等性能參數直接決定了量子測量的精度，有待進一步改進和提升。

隨着 5G、物聯網、車聯網等新興技術的興起，時間同步精度的需求也日益提高。從早期的日晷，水鍾，到機械鐘，石英鐘，再到原子鐘，人類對時間的測量越來越精確。目前通信網絡中主要使用 GPS衞星信號提供高精度的時間源，但衞星信號不再能滿足未來通信網絡的全部需求，主要原因包括：衞星信號不能覆蓋室內場景， 衞星授時可靠性和安全性待提高， 衞星接收機成本高。為了滿足未來通信網絡同步需求，需研究超高精度時鐘源和高精度同步傳輸協議，其未來應用如下圖所示。 其中， 量子時鐘源可以提供不確定度優於 1e-17 超高精度時鐘源，量子時間同步協議結合量子糾纏等技術可以為未來通信網絡提供高精度和高安全性的同步傳輸協議。

高精度時鐘同步在通信網絡中的應用

量子時鐘源利用原子能級躍遷譜線的穩定頻率作為參考，通過頻率綜合和反饋電路來鎖定晶體振盪器的頻率，從而得到準確而穩定的頻率輸出。根據躍遷頻率範圍分類，量子時鐘源可分為光鍾和微波鍾兩大類。目前微波鐘的不確定度最高可達到~1e-16 量級。由於時鐘源的穩定性和精度極大程度上取決於參考譜線的線寬 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 個數量級， 並且光學頻率標準的頻率噪聲遠小於原子鐘， 與原子微波鐘相比， 光鐘的穩定性、精度和位相噪聲都有數量級的改善。

由於還沒有電子系統能夠直接並準確地記錄原子及離子 5e14 次/秒的光學振動,需要一種有效連接光頻與射頻的頻率鏈。光學頻率梳為超高精度同步實現提供了新的技術手段，可將光頻率的穩定性和精度“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展趨勢，高精度量子時鐘源可用於協調世界時（ UTC）產生，小型化芯片級量子時鐘源可用作星載鍾，在衞星導航和定位等領域發揮重要作用。

隨着高精度時間同步技術在基礎科研、導航、 定位、電力、通信 以及國防等方面的廣泛應用， 將對同步傳輸精度提出更高要求。 時頻網絡由多時鐘源組成，即使所有的時鐘源都具有非常高的精度，由於時鐘源之間存在頻率差和初始相位差，各鐘面讀數仍不相同，需要時間同步協議對網絡中的時鐘源進行同步和修正。

量子時間同步協議與經典同步協議相比，具有同步精度高、安全防竊聽、可消除色散等優點，從而受到廣泛的關注。根據理論分析，經典同步協議受限於經典測量的散粒噪聲極限，而對於量子時間同步協議，其準確度將達到量子力學中的海森堡極限，比經典時間同步極限提高√????????倍，其中 N 為一個脈衝中包含的平均光子數， M 為脈衝數。目前經典時間同步技術最高精度可達 100ps，目前量子時間同步協議原理性實驗中，時間同步精度有望進入 ps 量級。

量子時間同步系統可以把量子時間同步協議與量子保密通訊相結合，開發出具備保密功能的量子時間同步協議，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色散效應對時鐘同步精度的不利影響。目前，遠距離量子時間同步協議的研究工作尚處於原理探索研究階段，關於系統實驗和應用的報道較少。

量子糾纏及壓縮態的光子的製備成為制約該領域發展的重要瓶頸，距離實用化仍較遠。量子時鐘源提供了超高精度的時間和頻率基準源，量子時間同步協議提供了一種高精度、安全防竊聽的同步信息傳輸機制，二者結合有望能夠滿足未來通信網絡時間基準需求。

量子測量技術涉及軍事、民生、科研諸多領域，各國競相佈局。 下圖為歐美國家和我國量子測量領域科研和產業發展情況。歐美國家量子測量領域多為高校、研究機構、企業、軍隊、政府多方聯合助力，共同推進技術發展和產業推廣，實現研究成果落地和產品化。

量子測量科研及產業發展情況

目前量子時鐘源、量子磁力計、量子雷達、量子重力儀、量子陀螺、量子加速度計等領域均有樣機產品報道，可應用於軍事、航天航空、醫療、能源、通信等領域，國內的研究多集中於高校和科研機構，從科研成果來看，部分領域與歐美國家仍有一定差距，總體穩步推進。但是，與歐美國家相比，國內研究機構和行業企業之間的合作交流十分有限，缺乏溝通合作的平台與機制，成果轉化和知識產權開發較為困難。目前國內已經產業化的領域多集中在量子時鐘源領域， 少數企業致力於量子目標識別， 量子態操控與讀取等領域的研發。

從產業分析來看，量子測量產業市場收入將穩步增長。根據 BCCResearch 的統計分析，全球量子測量市場收入由 2018 年的 1.4 億美元增長到 2019 年的 1.6 億美元，並預測未來 5 年年複合增長率將在13%左右。歐美國家，特別是北美地區量子測量產業收入最高，預計將繼續主導收入份額。北美地區是量子測量先進技術的領導者和推動者，亞太地區特別是中國，有望為量子測量產業提供巨大的市場。隨着國內對車聯網、物聯網、遠程醫療等新興技術研究的持續升温，超高精度低成本的傳感器、生物探針、導航器件等關鍵器件的需求量會呈指數增長，為量子測量產業提供了廣闊的市場空間。

量子測量領域具有巨大的發展潛力和廣闊的市場前景，我國量子測量領域某些關鍵技術研究仍處於跟隨階段，與世界先進水平的指標參數仍有數量級的差距。量子測量在實際應用中，不同的應用場景對性能指標的要求不盡相同，需要完備的指標體系，不是簡單地追求某一個性能參數的不斷提升。實驗室研究應與實際應用、產業發展緊密結合，在追求性能指標提升的基礎上，更加關注集成化、實用化和工程化，並掌握自主知識產權。

五、量子信息技術發展與應用展望

量子信息技術的研究和應用發展植根於量子物理學的基礎研究和理論探索。 通過認識和利用微觀粒子系統的物理規律引發了第一次量子科技革命， 誕生了半導體、激光和核能等新技術領域。 而直接觀測和操控光子、 電子和原子等微觀粒子系統，並藉助量子疊加和糾纏等特性進行信息採集、傳輸和處理，則是以量子信息技術為代表的第二次量子科技革命的主要特徵。

現階段的量子物理學理論雖然能夠對量子疊加、量子糾纏、 量子遂穿等微觀粒子系統的獨特實驗現象和觀測結果進行嚴謹描述和精確預測， 即回答了“是什麼”的問題， 但是距離理想和完備的刻畫和解釋微觀物質世界的運行規律，即回答“為什麼”的問題，仍有令人困惑之處。

例如，微觀世界量子態和宏觀世界經典態之間的界限與聯繫何在； 既按照薛定諤方程演化又在測量時坍縮的波函數是物質波還是概率波； 微觀量子系統和經典測量儀器如何區分界定等。 量子物理學的理論問題仍在激勵物理學家不斷研究和探索，未來的重大理論突破將進一步促進和推動量子信息技術的研究和應用發展。

量子信息三大技術領域在研究發展水平，技術實用化程度，產品工程化能力和產業化應用前景等方面各有差異，如下圖所示。量子信息技術的研究和應用仍面臨一些共性關鍵技術和核心問題瓶頸需要進一步攻關突破。例如，量子通信中的高品質量子態光源，高效糾纏製備分發及探測，高性能單光子探測，以及量子態存儲與中繼技術等；量子計算中的高維糾纏態製備與操控，高品質樣品材料製備，超低温和磁場隔離環境，高精度操控測量系統等；量子測量中的高精度操控系統和集成化隔離屏蔽環境等。上述基礎共性關鍵問題研究的攻關和突破，是量子信息技術進入實用化和產業化主要控制性因素。

量子信息技術發展與應用趨勢展望

量子信息技術研究和應用探索發端於上世紀九十年代，目前總體處於基礎科研嚮應用研究轉化的早期階段，其技術發展演進和應用產業推廣既具有長期性，也存在不確定性。 總體而言，真正具有改變遊戲規則和顛覆性意義的“殺手級應用”尚未出現，各領域新興技術的商業化應用和產業化發展的路線有待進一步探索。

在量子計算領域，基於多種技術路線的物理平台探索和量子物理比特數量提升持續取得進展， “量子優越性”得到首次驗證。但可擴展量子計算的物理平台實現方案仍未明確，可容錯量子邏輯比特仍未實現，量子計算解決實際計算困難問題的算力優勢尚未充分驗證， 量子計算的適用範圍和能力邊界仍需進一步探索。 未來五年內可能在專用處理器和某些應用領域取得一定突破，但實現通用化可編程量子計算仍是長期而艱鉅的任務。

在量子通信領域， 進入實用化階段的量子密鑰分發主要面向信息安全領域應用，其應用範圍和影響力相對有限，同時面臨後量子安全加密技術的競爭，商業化應用和產業發展仍需進一步探索。量子隱形傳態和量子存儲中繼技術是實現未來量子信息傳輸和組網的重要方向，未來仍處於理論研究和實驗探索階段，實用化前景不明朗。

在量子測量領域， 原子鐘、核磁共振陀螺和單光子探測等基於已有技術平滑升級演進的量子測量方向發展更加成熟，實用化水平更高。而基於量子相干性檢測和量子糾纏探測的新技術方向在技術成熟度、設備集成化和工程化水平等方面仍有較大提升空間。未來量子測量在國防和航天等領域的應用有可能率先取得突破。

我國在量子信息技術領域的研究和應用雖然起步稍晚，但與國際先進水平沒有明顯代差，在量子計算、量子通信和量子測量三大技術領域均有相關研究團隊和工作佈局。近年來，在科研經費投入，研究人員和論文發表數量，研究成果水平，專利申請佈局，應用探索和創業公司等方面具備較好的實踐基礎和發展條件。我國已經成為全球量子信息技術研究和應用的重要推動者，與美國和歐洲共同成為推動量子信息技術發展和演進的重要力量。

量子通信方面，中科大、清華、北大、北郵和上海交大等研究機構的研究成果與國際先進水平基本同步，在量子保密通信試點應用、網絡建設和星地量子通信探索方面處於領先。量子保密通信產業基本形成，國科量子、科大國盾、安徽問天和上海循態等公司積極探索和推動應用與產業發展，各地方政府、電網、銀行和互聯網企業等單位開始探索採用量子保密通信進行信息安全保護。

量子計算方面，中科大、清華、浙大和中科院等研究機構也取得多項具有世界水平的研究成果，例如 20 光子量子計算的玻色採樣實驗處於領先，已報道 20 比特超導量子計算實驗，預計未來 1-2 年可達到 50 比特量級。同時，阿里、百度、騰訊和華為等科技公司開始投入量子計算硬件平台、軟件算法和應用探索的研究，本源量子等初創公司也開始嶄露頭角。

量子測量方面，中科大、北航、中科院和航天科工等科研機構在量子陀螺、重力儀、磁力計、時間基準等領域開展了大量研究，研究成果和原理樣機的關鍵指標參數與國際先進水平的差距正在逐步縮小。在量子隨機數參考基準和量子時頻同步網絡等應用探索方面，也開始進行佈局和推動。同時，國耀量子雷達和國儀量子等初創公司在單光子光學雷達和 NV 色心譜分析等領域開展應用探索。

我國在重大項目組織協調方面具備集中力量辦大事的體制優勢，同時快速發展的經濟水平，較為完備的工業體系和體量龐大的統一市場也能夠為量子信息領域新興技術的應用和產業發展提供廣闊空間和有力支撐。量子信息技術發展演進存在技術路徑、應用探索和產業模式不確定性，學術界開放探索和研究合作仍是主流，產業界尚未形成技術壁壘和寡頭壟斷。我國具備在量子信息技術領域聚力加快發展，力爭與國際先進水平實現並跑或領跑的時間窗口和寶貴機遇。

我國量子信息技術發展和應用探索也存在一些問題瓶頸和挑戰。量子信息領域研究發展和應用探索的頂層設計和規劃佈局尚未形成有機整體， 對重點研究領域的規劃指導和投入支持力度不足。 學術界普遍存在論文導向的科研模式， 與產業界融合進行應用探索和產業推動的合作交流有限，科技企業參與度和初創公司活躍度較低， 科研合作與應用轉化機制待探索。

同時在支持量子信息技術發展和應用的產業基礎，例如材料樣品、製冷設備、操控系統等方面仍有一些短板，未來可能成為制約工程化實現和實用化推廣的關鍵瓶頸。在人才引進、培養和選拔機制方面的管理和評價機制缺乏靈活性和多樣性， 在與量子信息技術配套的工程、工藝、軟件、測評和標準化等方向的專業化人力資源的支撐能力較弱。

量子信息技術的發展和應用具有重要性和長期性，在國家層面制定量子信息領域整體發展戰略，推出總體發展規劃，加快論證實施相關科技項目，協同推進國家實驗室建設，可以有效引導和推動研究和應用發展。 在量子計算領域，建立研究機構與其他科研院所，以及信息通信、化工製藥、人工智能等領域產業界的合作平台與機制，依託實際需求進行計算困難問題在量子計算處理器和雲平台的建模解析、算法映射和協同研發，是促進量子計算實用化研究的有效途徑。

在量子通信領域，對於已經進入實用化的量子密鑰分發和量子保密通信，依託現有試點項目和網絡建設，組織開展標準制定、測評認證、產業發展政策等應用研究，進一步促進商用化推廣和產業發展成熟。在量子測量領域，加強科研項目佈局中的工程化和實用化指標考核，推動研究成果落地轉化，以及研究機構和行業應用部門的溝通交流合作。此外，量子信息技術研究和應用涉及諸多工業基礎配套和工程研究環節，加強在材料工藝、核心器件和測控系統等問題瓶頸的攻關突破，對於應用和產業的可持續發展具有重大意義。

六、量子計算專利排名

下面，我們參考IPRdaily 的數據，對截至2020年9月30日，在全球公開的量子計算領域發明專利申請數量進行統計排名。入榜前100名企業主要來自13個國家和地區，美國佔比43%，日本佔比14%，中國佔比12%。其中來自美國的科技公司IBM以554件專利位列第一，加拿大量子計算公司D-Wave以430件專利、美國科技公司Google以372件專利分別排名第二位和第三位。

量子計算領域發明專利申請數量

智東西認為，量子計算近些年是各國科學研究的熱點，其熱度甚至不亞於人工智能和5G。前天，高層組織的量子科技研究和應用前景的第二十四次集體學習彰顯了政府對這一新的科學技術的重視。在三大量子信息技術中，我國在量子通信領域已經走到了世界前列，在量子計算和量子測量方面，雖然在一些領域也取得了世界領先，但整體上還和美國等科技強國有些實力差距。但是，隨着國家不斷的支持與投入，發揮我國集中力量辦大事的能力，未來一定會實現量子技術與國際先進水平並跑或領跑。