2022年量子信息技術發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析

1、2022年量子信息技術開展現(xiàn)狀及未來趨勢分.量子信息技術可分為三類，其中量子通信最接近商用量子是構成物質的基本單元，是不可分割的微觀粒子（譬如光子和電子等）的統(tǒng)稱。量子具有不可全面觀測性 （測不準）、不可復制性、態(tài)疊加性的性質。量子信息是計算機、信息科學與量子物理相結合而產生的新興交叉學科，量子信息技術已經成為世界各國實施高新 技術戰(zhàn)略競爭的焦點之一。量子信息技術通過對光子、電子和 冷原子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進行精確的人工調控和觀 測，借助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現(xiàn)象，以經典理論 無法實現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息。以量子計算、量子通 信和量子測量為代表的量子信息技術在信息平安、通信網

2、絡、 人工智能、空間探測、生物醫(yī)療等諸多領域將產生基礎共性 乃至顛覆性的重大影響。量子技術主要可分為三類，分別為量子計算、量子通信 和量子測量。量子技術被視為可能引發(fā)信息技術體系的顛覆性創(chuàng)新和重構，并誕生改變游戲規(guī)那么的變革性應用，從而推動 信息通信技術換代演進和數字經濟產業(yè)突破開展。.量子信息技術開展具備戰(zhàn)略意義，全球范圍內多個國 家均有相關投入由于量子技術本身的重要性，各國普遍在量子方面加強 了科研規(guī)劃和布局投入。據中國信息通信研究院不完全統(tǒng)計, 截至2021年10月，全球各國投資總規(guī)模已經超過130億美元。隨著量子信息技術的開展，量子信息技術的科研成果轉 化、行業(yè)應用創(chuàng)新、供應鏈建設和人

3、力資源培養(yǎng)等方向已經 成為當前全球主要國家的主要發(fā)力方向。在這樣的背景下，各 國成立了一系列的量子信息技術領域產業(yè)聯(lián)盟。.量子計算：多種路線并行尚未出現(xiàn)壓倒性技術，距離 商用化尚遠量子計算主要依賴量子疊加和干涉等原理實現(xiàn)并行計算, 能在某些傳統(tǒng)計算機計算困難的問題上提供指數級加速，即 可實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性“，是未來計算能力跨越式開展的重要 方向。量子計算主要依賴量子比特。量子比特依賴量子的疊 加特性，可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話 講，它可以同時存儲。和1?？紤]一個N個物理比特的存儲器, 假設它是經典存儲器，那么它只能存儲2?個可能數據當中的任一個，假設它是量子存儲器，那么它

4、可以同時存儲2?個數，而且隨 著N的增加，其存儲信息的能力將指數上升。經典比特和量子比特比照經典比特量子比特資料來源:根源量子官網,安信證券研究中心圖：經典比特和量子比特比照由于數學操作可以同時對存儲器中全部的數據進行，因 此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2?個輸入數 進行數學運算。其效果相當于經典計算機要重復實施2?次操 作，或者采用2?個不同處理器實行并行操作?？梢姡孔佑?算機可以節(jié)省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。多種路線并存，尚處于研發(fā)階段。量子計算依賴量子比 特，根據實現(xiàn)量子比特的制備操控方案的不同，當前量子計算其存在超導、離子阱、硅基半導體和光量子多種技術路線,

5、目前尚未出現(xiàn)壓倒性的技術，處于多技術并行狀態(tài)。另外，當前量子計算機的開展還面臨著如退相干等問題, 導致當前量子計算仍主要存在于實驗室階段，距離商業(yè)化較 遠。但是當前也有諸如“九章”等新的具備量子優(yōu)越性的量子計 算機被制造出來，整體行業(yè)仍保持向好趨勢。.量子通信：量子保密通信已產業(yè)化，京滬干線等代表 性應用加速行業(yè)開展量子通信那么主要是指量子加密通信，即利用量子的疊加 態(tài)和糾纏效應，在經典通信的輔助下進行量子密鑰的產生、 分發(fā)和接收，可以在很大程度上提升信息的平安性?；诹孔?密鑰分發(fā)和對稱加密算法的量子保密通信技術已經初步實用 化，在商用設備、實驗網絡和示范應用等方面取得了一定的 進展，但仍面

6、臨下游需求不明，業(yè)績持續(xù)性缺乏等問題。具 體到量子通信的業(yè)務模式來看，量子通信主要依賴量子隨機數 發(fā)生器（QRNG）、量子密鑰分發(fā)設備（QKD）等一系列量 子密鑰生成和傳輸設備集合形成密鑰資源，并進一步依賴集 成后的量子平安設備和量子網絡為政務、金融、電力、數據中 心等客戶提供信息加密服務。利用量子現(xiàn)象進行加密最早由哥倫比亞大學的科學家 Stephen Wiesner于1969年在論文共 物編碼（conjugatecoding)中提出。后來其好友IBM公司的研究人員Charlie H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學的教授Gilles Brassard受到 了 Stephen Wiesne

7、r的啟發(fā)，在1984年在印度召開的一個國 際學術會議上提交了一篇論文量子密碼學：公鑰分發(fā)和拋幣 (Quantum cryptography ： Public key distribution and coin tossing) o 他們在這篇論文中提出了 BB84協(xié)議，該協(xié)議把密碼以密鑰 的形式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也稱作“量子密鑰分發(fā)(QKD)量子隨機數發(fā)生器(QRNG)當前的數據加密主要依賴特定的算法，在算法中輸入不 同的參數從而得到不同的加密結果，所輸入的一系列參數就 是加密密鑰。而算法方面，當前國際上加密主要均依賴幾種特 定的算法，因此一般對于竊聽者而言，得到密鑰就相當于得 到了明

8、文，即破解了本次加密。在這樣的背景下，密鑰的隨 機性具備重要的意義。而密鑰的隨機性直接與密鑰生成所依賴的隨機數生成方 法相關，隨機數的生成可以分為兩種 基本類型：軟件和硬件。 基于軟件的隨機數生成被稱為偽隨機數發(fā)生器即PRNG,軟件 的問題來自于其生成算法確實定性，假設其算法被破解，那么可 對其產生的隨機數進行預測，故而平安性較低?；谟布?隨機數發(fā)生器也叫作真隨機數發(fā)生器，其主要依賴經典物理學的隨機性，并通過對物理現(xiàn)象的測量將其數字化，從而生成隨 機數，但由于經典物理學過程無法做到完整的控制和監(jiān)控， 故而密碼系統(tǒng)中會存在不確定性，并對平安性造成損害。QRNG （量子隨機數發(fā)生器）原理主要是

9、依賴量子本身 的隨機性特性生產隨機數。量子的隨機性即一個量子經過一 段時間演化后的狀態(tài)無法精確預測，與任何外部因素都無關, 因此基于量子的隨機性產生的隨機數是完全真隨機的，具備 相較傳統(tǒng)隨機數生成方式更高的平安性。觸I躅擇 （隨機性）費字化褶 （初蜘掰前機性儲 作計性）量子隨機數生成過程0101010101 0101010101 0110100111 0101010101 10101圖：量子隨機數生成過程量子密鑰分發(fā)設備（QKD）在QRNG生成了量子隨機數密鑰以后，還需要以QKD 產品進行量子密鑰的分發(fā)。對于數據而言，其生命周期可分 為采集、存儲、傳輸、分析、應用、銷毀和備份等階段，QKD產品

10、在數據生命周期中主要起到保護數據傳輸環(huán)節(jié)的作 用。QKD在對密鑰的分發(fā)傳輸過程中將單個光量子作為信息 的載體，將0、1的信息編碼到一個光子上并通過傳統(tǒng)光纖或 空間將該光子傳輸給對方。對方利用單光子探測器探測該光子 之后獲得傳輸來的0、1信息，經過一系列處理實現(xiàn)量子密鑰 分配。而在平安性方面，量子保密通信對平安性的提升主要來 自于兩方面，其一是基于光子不可再分，不可復制的性質， 任何竊聽者都無法將發(fā)送端發(fā)射的光子一分為二或復制一個， 一個自己保存一個發(fā)送給接收者；其二是基于光子不可被完 全測量的性質，竊聽者對光子的觀測會導致光子的狀態(tài)發(fā)生 改變，使得接收者可以獲知存在竊聽者這一事實。所以發(fā)送 者

11、發(fā)送給接收者的光子要么接收者收到，要么竊聽者收到，不 可能接收者和竊聽者同時收到。這樣發(fā)送者和接收者只需要 保存接收者收到的信號，便可生成他人不可能獲取的密鑰。當前QKD設備主要功能為基于光纖網絡實現(xiàn)點對點的安 全密鑰分發(fā)，一般內貉QRNG量子隨機數發(fā)生器，并采 BB84協(xié)議，可提供百公里量級的可靠量子密鑰分發(fā)。量子通信為當前量子三大主要應用中最接近商業(yè)化的領 域，且現(xiàn)實中已經存在局部應用。根據中科大消息，量子保 密通信的代表性應用京滬干線于2013年7月立項，于2017年8月底在合肥完成了全網技術驗收，2017年9月29日正式開 通，工程全長2000余公里，主要節(jié)點包括北京、濟南、合肥 和上

12、海，可以基于可信中繼方案實現(xiàn)遠距離的量子平安密鑰分 發(fā)。整個京滬干線由32座中繼站和31段光纖量子通信線路 構成主干量子通信線路，另外還包含北京和上海的城域量子 通信網絡，其在很大程度上為量子通信系統(tǒng)的平安性規(guī)范研究 提供了實驗環(huán)境。.量子測量：高精度測量前景廣闊，但產業(yè)化和標準化 仍處于起步階段量子測量主要是通過觀察微觀粒子系統(tǒng)量子態(tài)對外界物 理量變化的反響，通過量子態(tài)的變化直接或間接地將環(huán)境物 理量的大小讀取出來，實現(xiàn)精密傳感測量，在精度、靈敏度和 穩(wěn)定性等方面相較傳統(tǒng)技術可帶來數量級的提升。量子測量按照對量子特性的應用方式不同，可以分為三 種技術類型：一是使用量子能級測量物理量；二是使用

13、量子 相干性或干涉演化進行物理量測量；三是使用量子糾纏態(tài)和壓 縮態(tài)等獨特量子特性來進一步提高測量精度或靈敏度。具體到量子測量技術的系統(tǒng)框架來看，其最底層以量子 力學為理論基礎，運用相干疊加、量子糾纏等技術上手段對 原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進行制備、操控、測量 和讀取，配合數據的處理與轉換，實現(xiàn)對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度的精密探測，甚至有望突破 經典物理的理論極限。通過應用層的軟件將結果呈現(xiàn)給行業(yè)用 戶。在理論與技術基礎層面，基礎物理理論基本完備，但是 局部原理技術仍有待突破，如量子糾纏態(tài)高效確定性的產生 方法、遠距離分發(fā)技術等。具體到技術方案來看，主要技術方案包括冷原子干涉測 量、核磁/順磁共振測量、原子自旋測量、糾纏態(tài)/壓縮態(tài)測量 和量子增強測量等。而量子測量的主要開展方向涉及新一代定 位/導航/授時的光學原子鐘、光學時頻傳輸系統(tǒng)、原子陀螺儀 與重力儀等，以及高靈敏度檢測與目標識別的光學量子雷達、 物質痕量檢測、磁場精密測量等。主要應用場景包括航空航天、防務裝備、地質資源勘測、 基礎科研和生物醫(yī)療等眾多領域，應用與產業(yè)開