2024年量子信息產(chǎn)業(yè)專題報(bào)告：量子信息技術(shù)乘風(fēng)起-加速產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展變革

2024年量子信息產(chǎn)業(yè)專題報(bào)告：量子信息技術(shù)乘風(fēng)起_加速產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展變革第一章：什么是量子信息技術(shù)？量子：最小不可分割的基本單位量子：量子（Quantum）即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為“量子”。量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的單元，也是能量和動(dòng)量等物理量的最小單位，比如光量子、電量子。波粒二象性：基本粒子，包括原子和分子在內(nèi)的任何量子都既有粒子的性質(zhì)又有波的性質(zhì)。是微觀粒子的基本屬性之一。量子信息定義：量子力學(xué)和信息學(xué)科的交叉學(xué)科，是基于量子力學(xué)原理對(duì)光子、電子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進(jìn)行人工觀測(cè)和調(diào)控，借助量子疊加和糾纏等獨(dú)特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息的一門技術(shù)。量子信息中基礎(chǔ)概念一：量子比特量子比特：1992年被發(fā)明使用，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算單位是比特（Bit），計(jì)算機(jī)的基本單元是量子比特（Qubit），也叫作量子位或者量子元。量子比特是0和1的疊加態(tài)：比特只有兩個(gè)可能的狀態(tài)，即0和1。而量子比特是一種疊加態(tài)，它有兩個(gè)本征態(tài)，即|0>和|1>，它們形式地對(duì)應(yīng)于經(jīng)典的0和1。但是，一個(gè)量子寄存器在任何時(shí)刻的狀態(tài)|y>，不是“之一”，而是兩種本征態(tài)的疊加。布洛赫球面：量子比特可能的狀態(tài)有無(wú)窮多，因?yàn)椴悸搴涨蛎嫔嫌袩o(wú)窮多個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都是一個(gè)疊加態(tài)。但比特和量子比特也有相同之處：任何時(shí)刻所處的狀態(tài)只是一個(gè)。量子信息中基礎(chǔ)概念二：量子疊加量子疊加：一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上，在量子系統(tǒng)重，量子態(tài)是指微觀粒子所處的一系列不連續(xù)的恒穩(wěn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。薛定諤作為經(jīng)典物理學(xué)派的代表，將量子物理學(xué)派信封的微觀世界的“概率性”，關(guān)聯(lián)放大到宏觀世界中，來(lái)違反人們生活中的常識(shí)，但是薛定諤的貓的試驗(yàn)還是存在一定的漏洞：1、微觀世界的概率性特性，不應(yīng)該對(duì)應(yīng)著宏觀世界的具體事物，存在失效的邊界。2、實(shí)驗(yàn)中的“毒氣釋放裝置”需要探測(cè)到放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，才能夠出發(fā)并導(dǎo)致貓的死亡，只有大量放射性物質(zhì)衰變的時(shí)候，才能夠超過探測(cè)器閾值，而大量衰變事件仍屬于一個(gè)宏觀事件。3、探測(cè)器來(lái)探測(cè)放射性物質(zhì)是否發(fā)升衰變本身就是一種觀察方式，無(wú)論是否打開盒子。量子信息中基礎(chǔ)概念三：量子糾纏量子糾纏：當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性以綜合成為整體特性，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)。如果兩個(gè)量子比特構(gòu)成一個(gè)量子糾纏態(tài)，無(wú)論攜帶兩個(gè)量子比特的粒子相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)量子比特的測(cè)量狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)狀態(tài)也馬上發(fā)生改變。第二章：量子通信量子通信產(chǎn)業(yè)正處于第一階段量子通信的發(fā)展階段主要分為量子保密通信網(wǎng)絡(luò)、量子安全互聯(lián)網(wǎng)、量子互聯(lián)網(wǎng)三個(gè)階段，目前產(chǎn)業(yè)正處于第一階段。目前量子通信主要包括：量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子隱形傳態(tài)、量子數(shù)字簽名等多種通信技術(shù)。目前量子密鑰分發(fā)有較多的應(yīng)用案例、量子安全直接通信零星實(shí)踐、量子隱形傳態(tài)傳輸未知量子態(tài)，近期取得學(xué)術(shù)的研究突破，量子數(shù)字簽名目前處于學(xué)術(shù)研究驗(yàn)證階段。密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)量子信息加密量子密鑰分發(fā)（QKD），將隨機(jī)數(shù)編碼到量子態(tài)，并通過量子態(tài)的傳輸以及經(jīng)典通信的輔助，在收發(fā)雙方之間實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的安全協(xié)商，基于部分隨機(jī)數(shù)生成密鑰。竊聽者如果要竊聽量子密碼，必須進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，因此可以通過檢測(cè)傳輸信息的誤碼率來(lái)判斷是否存在竊聽，而根據(jù)不確定性原理和量子不可克隆性，一旦測(cè)量必定會(huì)對(duì)量子系統(tǒng)造成影響，從而改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)。對(duì)于傳統(tǒng)的加密通信，如果用無(wú)線電傳輸，無(wú)線電是開放的，對(duì)方很容易截獲，有線介質(zhì)，通訊路程很長(zhǎng)，很難保證全程安全，以光纖傳輸為例，通過彎曲光纖，外泄部分光信號(hào)，進(jìn)行竊聽。1.OKD發(fā)射機(jī)制備單光子并將光子偏振方向隨機(jī)調(diào)制為0°、45°、90°、135°四種偏振態(tài)中的一種(可設(shè)定0°、45偏振方向表示發(fā)送二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)0，而90°、135°偏振表示發(fā)送隨機(jī)數(shù)1)，并記錄調(diào)制結(jié)果；2.OKD發(fā)射機(jī)通過量子信道將編碼后的光量子比特序列發(fā)送給OKD接收機(jī)；3.對(duì)于每個(gè)光子，OKD接收機(jī)從垂直正交基(+)、斜對(duì)角基(x)中隨機(jī)選擇一個(gè)基矢，對(duì)接收到的光子進(jìn)行測(cè)量，并記錄使用的基矢及測(cè)量結(jié)果4.通過經(jīng)典信道的協(xié)商，雙方得到相同的隨機(jī)數(shù)并生成密鑰。量子互聯(lián)網(wǎng)：量子隱形傳態(tài)+量子計(jì)算機(jī)終端量子隱形傳態(tài)：需要借助經(jīng)典通信才能實(shí)現(xiàn)，因此限制了量子隱形傳態(tài)不能超越光速，在傳輸?shù)倪^程中，帶傳輸?shù)牧Ｗ邮冀K留在原地，被傳送的僅僅是量子態(tài)。量子計(jì)算需要直接處理量子比特，因此量子隱形傳態(tài)將成為量子計(jì)算之間的量子通信方式，未來(lái)量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算機(jī)終端可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。量子安全直接通信可直接完成秘密信息的安全傳輸量子安全直接通信：不同于量子密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)的保密通信，量子安全直接通信可在量子信道中直接傳遞秘密信息。在通信過程中雙方不需要事先生成密鑰，而是通過直接建立量子信道的方式進(jìn)行通信，從而將一般意義上的量子通信過程簡(jiǎn)化為一步量子通信過程，即直接完成秘密信息的安全傳輸。量子數(shù)字簽名、量子秘密共享等技術(shù)，受制于通信設(shè)備的發(fā)展，其實(shí)際水平和QKD相比還有很大的差距。數(shù)據(jù)中心QKD兩大參考架構(gòu)同城數(shù)據(jù)中心：QKD設(shè)備與量子加密路由器采用常規(guī)的冗余子網(wǎng)設(shè)計(jì)，量子加密路由器掛在交換機(jī)上，提供高性能互聯(lián)加密通信能力，在交換機(jī)的部署策略上由將需要加密的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入量子加密路由器。異地?cái)?shù)據(jù)中心：機(jī)房之間相距很遠(yuǎn)，可以租用量子通信運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)來(lái)接入當(dāng)?shù)亓孔映怯蚓W(wǎng)，并且通過量子骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)QKD互聯(lián)。量子加密路由器通常掛在PE路由器（運(yùn)營(yíng)商邊緣路由器）或者與PE結(jié)合，各個(gè)站點(diǎn)與本地通信運(yùn)營(yíng)商的集控站接入。墨子號(hào)：我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的巨大進(jìn)步在地面，我國(guó)量子通信的光纖城域網(wǎng)已經(jīng)趨于成熟，創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)安全距離達(dá)到404公里的世界記錄。為了將量子通信在更遠(yuǎn)的距離上應(yīng)用，有三種方式可以選擇，一種是利用量子中繼，一種是利用可信中繼，另一種就是利用自由空間信道，即量子衛(wèi)星。2016年8月世界上首顆量子試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”順利升空，目前模組號(hào)的地星量子穩(wěn)型傳態(tài)試驗(yàn)可以將通信距離從500km延長(zhǎng)到1400km，傳輸效率等同于地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。由于量子的不可復(fù)制性，不能像經(jīng)典通信一樣被放大，由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大的限制。第三章：量子計(jì)算量子計(jì)算提供指數(shù)級(jí)加速，擁有五大技術(shù)路徑量子計(jì)算：以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉登原理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，能夠在某些集散復(fù)雜問題上提供指數(shù)級(jí)加速。量子計(jì)算主要分類兩大類：以超導(dǎo)和硅半導(dǎo)為代表的人造粒子路線，第二是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。人造粒子路線可重用半導(dǎo)體集成電路制造工藝，在比特?cái)?shù)量擴(kuò)展方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在提升邏輯門精度等指標(biāo)方面受到基礎(chǔ)材料和加工工藝等限制。天然粒子具有長(zhǎng)相干時(shí)間和高邏輯門精度等優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力量子計(jì)算的三個(gè)階段：1.實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一里程碑需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。2.實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，為特定領(lǐng)域提供初步算力服務(wù)。達(dá)到這一里程碑需要實(shí)現(xiàn)千量子比特的相干操縱和高精度量子邏輯門，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。3.在量子糾錯(cuò)的輔助下實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，能在密碼分析、新材料設(shè)計(jì)、氣象預(yù)報(bào)、生物制藥等方面發(fā)揮巨大作用。目前量子糾纏是量子計(jì)算發(fā)展中的一個(gè)重要問題，由于量子計(jì)算機(jī)中的量子比特非常容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，因?yàn)樗麄兊臓顟B(tài)非常不穩(wěn)定，很容易失去量子特性，變成經(jīng)典的比特。量子計(jì)算-超導(dǎo)技術(shù)路線超導(dǎo)的特性：1、當(dāng)超導(dǎo)在低于某一臨界溫度時(shí)（通常是零下200℃左右），材料可以無(wú)算的傳輸電流。從而表現(xiàn)出零電阻的特性。2、當(dāng)一個(gè)處于超導(dǎo)狀態(tài)的材料被放置在外界磁場(chǎng)中，超導(dǎo)材料的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生等值的反向的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)相互抵消，從而是的超導(dǎo)材料內(nèi)部始終保持總磁場(chǎng)為零的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做完全抗磁性。超導(dǎo)+量子=超導(dǎo)量子：超導(dǎo)量子計(jì)算，利用超導(dǎo)材料的特殊性質(zhì)，構(gòu)造出一種非線性電學(xué)元件—約瑟夫森結(jié)，從而構(gòu)造出可以穩(wěn)定編碼0態(tài)和1態(tài)的超導(dǎo)量子比特，最終實(shí)現(xiàn)具有超強(qiáng)計(jì)算力的量子計(jì)算。經(jīng)過量子力學(xué)處理后，電路系統(tǒng)的系統(tǒng)能量只能處于某些特定的狀態(tài)，這種具有分立性質(zhì)的能量狀態(tài)叫做能級(jí)。能級(jí)等距的特殊結(jié)構(gòu)并不能直接用以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，由于整個(gè)系統(tǒng)的能級(jí)間距是相等的，躍遷不僅僅會(huì)在0態(tài)和1態(tài)之間發(fā)生，還會(huì)在具有更高能量的能級(jí)之間發(fā)生。比如，在1態(tài)和2態(tài)，2態(tài)和3態(tài)之間發(fā)生躍遷。眾多的能級(jí)之間進(jìn)行無(wú)規(guī)律的躍遷無(wú)法構(gòu)造出只編碼0態(tài)和1態(tài)的量子比特。離子阱的三種拓展方案QCCD方案：將離子阱系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)（或功能區(qū)域），每個(gè)子系統(tǒng)中囚禁少量的離子，通過在不同子系統(tǒng)間遷移離子來(lái)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)。光量子方案：利用光子-離子糾纏，可以實(shí)現(xiàn)不同離子阱系統(tǒng)之間的信息傳遞，由此可將多個(gè)離子阱系統(tǒng)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，類似于經(jīng)典計(jì)算中的分布式計(jì)算技術(shù)。光子特有的穩(wěn)健性（Robustness）使得各個(gè)子系統(tǒng)之間的距離不受限制。技術(shù)瓶頸主要包括不同系統(tǒng)離子之間的邏輯門保真度不夠高、糾纏速率不夠快等。高維離子晶格方案：在單一勢(shì)阱中囚禁大規(guī)模離子晶體，包括一維長(zhǎng)鏈、二維晶格和三維晶格。一維長(zhǎng)鏈中的離子數(shù)通常在百量級(jí)，但若能制備二維或三維晶格，則離子數(shù)將快速擴(kuò)展到上千甚至上萬(wàn)。QCCD使用遷移離子來(lái)傳遞信息，而光量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)方案則使用光子來(lái)傳遞信息。它們共同的出發(fā)點(diǎn)是在小系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)少量離子的穩(wěn)定囚禁和高保真操控，子系統(tǒng)中離子數(shù)