2020年量子信息技术发展与应用研究报告.pdf

量子信息技术发展与应用研究报告 （ 2020年） 中国信息通信研究院 2020年 12月版权声明本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“ 来源：中国信息通信研究院 ”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前 言 2020 年 10 月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习 。 习近平总书记发表重要讲话，为当前和今后一个时期我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。以量子计算、 量子通信和量子测量为代表的量子信息技术作为量子科技领域的重要组成部分，将为推动基础科学研究探索、信息通信技术演进和数字经济产业发展注入新动能。 近年来，量子信息技术已经成为全球各主要国家在科技领域关注的焦点之一，规划布局和投资支持力度进一步加大，量子计算、量子通信和量子测量三大领域科研探索和技术创新保持活跃，代表性研究成果和应用探索进展亮点纷呈、前景可期，在前沿科技领域和信息通信行业受到广泛关注和讨论。我国量子信息技术领域具备良好的研究与应用实践基础，三大领域总体发展态势良好，未来有望进一步取得更多技术研究与应用探索的新成果。 在连续两年发布研究报告 的 基础上，中国信息通信研究院 深入学习领会和贯彻落实习近平总书记重要指示精神，进一步加强研究并组织编写了量子信息技术发展与应用研究报告（ 2020 年），对量子信息技术总体发展态势，三 大领域关键技术、应用进展和热点问题，以及技术演进和应用前景等 进行分析探讨，供业界参考。目 录 一、量子信息技术总体发展态势 . 1 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 . 1 （二）全球量子信息领域进一步规划布局加大投入 . 3 （三）量子信息三大领域科研和技术创新保持活跃 . 6 （四）量子计算亮点成果纷呈，成为关注讨论焦点 . 8 （五）量子信息网络成新热点，欧美加大力度推动 . 11 二、量子计算领域研究与应用进展 . 13 （一）物理平台仍处攻坚期，多条技术路线并行发展 . 13 （二）量子软件全新构建，量子算法展开实用化探索 . 17 （三）量子计算应用场景探索多元化开展，前景看好 . 20 （四）量子云计算技术架构逐渐成型，竞争日益激烈 . 23 （五）应用产业生态逐步构建，标准化研究同步推进 . 26 三、量子通信领域研究与应用进展 . 29 （一）构建量子信息网络是量子通信发展远期目标 . 30 （二）实现量子信息组网仍有待核心关键技术突破 . 32 （三） QKD 科研取得新成果，应用与产业化持续探索 . 36 （四） QKD 应用观点尚未统一， PQC 将成为竞争者 . 41 （五） QKD 问题探讨应区分科研、工程和应用三层面 . 45 四、量子测量领域研究与应用进展 . 48 （一）传感器产业发展迅猛，量子测量应用前景广泛 . 49 （二）五大技术路线演进渐趋收敛，发展程度不均衡 . 51 （三）国内外科研取得新进展，我国仍然有一定差 距 . 54 （四）欧美应用与产业化发展迅速，我国正逐步发力 . 58 （五）标准化开始初步探索，基础材料器件至关重要 . 60 五、量子信息技术演进与应用前 景展望 . 61 （一）三大领域研究与应用探索发展迅速，前景可期 . 61 （二）我国总体发展态势良好，未来有望进一步加速 . 64 附录：缩略语 . 67 图 目 录 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 . 1 图 2 全球量子信息领域项目规划和投资情况 . 3 图 3 量子信息领域科研论文关键词聚类图 . 6 图 4 量子信息技术三大领域全球年度科研论文量及国家排序 . 7 图 5 量子信息技术三大领域全球科研论文合作网络 . 8 图 6 美国 Gartner 公司 2020 年技术成熟度周期曲线（含量子计算） . 11 图 7 美国能源部量子互联网蓝图论坛报告网络实验计划 . 12 图 8 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 . 14 图 9 量子计算物理平台方案技术路线与企业布局情况 . 14 图 10 量子计算硬件物理平台的三大发展阶段 . 17 图 11 量子计算软件三大类型及其功能应用 . 18 图 12 代表性量子计算算法研究与发展历程 . 19 图 13 量子计算的潜在应用场景和行业领域 . 21 图 14 Google 量子机器学习 Tensorflow-Quantum 框架 . 22 图 15 D-Wave 公司量子退火交通组合优化应用 . 22 图 16 量子云计算的技术栈架构与主要特征 . 23 图 17 量子云计算的应用与服务发展定位 . 24 图 18 量子云计算测评体系与五大测评维度 . 25 图 19 国外科技和产业巨头量子计算领域布局和发展情况 . 26 图 20 量子计算领域科技 公司和初创企业分布情况 . 27 图 21 量子信息网络与经典信息网络特性对比 . 33 图 22 中科大报道改进型 TF-QKD 系统 509 公里超低损光纤传输实验 . 37 图 23 北邮和北大联合报道 CV-QKD 系统 202.81 公里传输实验 . 38 图 24 “墨子号 ”量子科学实验卫星相关科研成果 . 39 图 25 近期欧美研究机构和政府部门关于 QKD 应用的研究报告 . 41 图 26 学术界对于 QKD 技术问题和质疑的回应 . 46 图 27 量子测量技术主要应用领域和场景 . 49 图 28 量子测量的主要步骤和技术类型 . 51 图 29 量子测量五大技术路线国内外研究机构与企业布局 . 52 图 30 近期国内外量子测量技术与应用研究代表性进展 . 55 图 31 量子信息三大领域的原理特性、发展定位及应用前景 . 62 量子信息技术发展与应用研究报告（ 2020 年） 1 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 二十世纪量子力学的创立和发展引发第一次量子科技革命浪潮，以认识和掌握微观物理现象和规律，调控和观测宏观物理量为主要特征，诞生了以半导体、激光器、计算机和光通信等为代表的信息通信技术，提供了信息获取、存储、处理和传输的基础介质和解决方案，形成了现代信息社会的物理层使能技术，成为推动经济社会发展变革的先进生产力，如 图 1 所示。 来源：中国信息通信研究院 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 进入二十一世纪，随着人类对微观世界认识理解的深入和观测调控能力的提升，以操控光子、电子和冷原子等人造量子体系，利用量子叠加、纠缠和 隧 穿等独特微观物理现象为主要特征的第二次量子科技革命浪潮将至。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术的研究和应用探索，未来有望突破计算处理能力 、 信息安全保量子信息技术发展与应用研究报告（ 2020 年） 2 障和测量精度极限等方面的难题和瓶颈，成为推动基础科学研究探索、信息通信技术演进和 数字经济产业发展的新动能。 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能够在某些计算困难问题上提供指数级加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。 2019 年 Google 报道取得了 “量子优越性”实验的突破性成果，成为量子计算领域发展的标志性事件，也刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争，有望加速量子计算技术研究和应用探索的发展。基于含噪声中等规模 量子 （ NISQ）处理器和云接入等方式，在生物化学、大数据优化和机器学习等计算场景中探索 “杀手级应用 ”将是近期的主要发展目标。可扩展可 容错量子计算需要物理平台、纠错编码算法和调控系统等方面的进一步突破，仍是需要十年以上艰苦努力的远期目标。 量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，进行量子态信息传输或密钥分发，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。量子通信的主要应用包括量子隐形传态（ QT）、量子密钥分发（QKD）、量子安全直接通信、量子秘密共享和量子密集编码等方向。从研究论文数量和专利申请情况分析， QKD 和 QT 是量子通信研究与应用发展的重点方向。基于 QKD 的量子保密通信是目前已经初步实用化的应用方向，应用和产业探索逐步 展开，各方对应用前景的观点尚未统一。基于 QT 构建量子信息网络是未来量子通信研究与应用探索的重要方向，近期欧美大力布局规划推动研究与实验，但距离实用化仍有很长距离。