2018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 （ 2018 年） 中国信息通信研究院 2018年 12月 版权声明 本 研究 报告 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 研究 报告 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 随着人类对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破和提升，利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、处理和传输已经成为可能，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信息通信技术演进和产业升级的 关注 焦点之一，其研究和应用发展在未来国家科技 发展 、新兴产业培育和经济建设等诸多领域，也将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来，量子信息技术发展与应用 呈现 加速 趋势 ， 全球各国普遍关注和重视 ，我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也 进一步 提高。 2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出 ， “以人工智能 、 量子信息 、 移动通信 、 物联网 、 区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用 。 ” 为 推动 我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展，澄清原理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识，中国信息通信研究院组织编写了量子信息技术发展与应用 研究报告 （ 2018 年）。本 报告 深入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展、问题瓶颈和未来发展趋势，并提出相关策略建议。 目 录 一、量子信息技术发展背景 . 1 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 . 1 （二）量子信息技术在 全球范围广受重视 . 2 （三）量子信息技术概念原理与三大领域 . 3 二、量子计算技术与应用进展 . 4 （一）量子计算技术研究与发展现状 . 4 （二）量子计算应用和产业生态发展 . 6 （三） 我国发展应用面临的问题与挑战 . 10 三、量子通信技术与应用进展 . 11 （一）量子通信技术研究与发展现状 . 11 （二）量子保密通信应用和 产业进展 . 17 （三） 我国发展应用面临的问题与挑战 . 21 四、量子测量技术与应用进展 . 22 （一）量子测量概念原理与技术 体系 . 22 （二）量子测量五大方向研究与发展现状 . 25 （三） 我国发展应用面临的问题与挑战 . 30 五、演进趋势、发展态 势与策略建议 . 31 （一）量子信息技术整体演进趋势 . 31 （二）量子信息领域国际发 展态势 . 32 （三）促进我国量子信息技术发展的策略建议 . 34 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 1 一、量子信息技术 发展 背景 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子（譬如光子和电子等）的统称。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、性质及其相互作用，量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大理论基础，为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶，随着量子力学的蓬勃发展，人类开始认识和掌握微观物质世界的物理规律并加以应用，以现代光学、电子学和凝聚态物理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破，为现代信息社会的形成和发展奠定了基础。受限于对微观物理系统的观 测与操控能力不足，这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律，例如能级跃迁、受激辐射和链式反应，但对于物理介质的观测和操控仍然停留在宏观层面，例如电流、电压和光强。 进入二十一世纪，随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统操控等微观调控技术的突破和发展，以精确观测和调控微观粒子系统，利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展，将极大的改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。量子科技与通信、计算 和传感测量等信息学科相融合，形成全新的量子信息技术领域。 量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 中国 信息通信研究院 2 （ 二 ）量子信息技术 在全球范围广受重视 近年来，全球多国加快量子信息技术研究与应用布局， 推动技术研究和应用发展 。日本文部科学省 2013 年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 ， 支持量子通信和量子信息领域的研发 。 英国 2014 年设立 “国家量子技术计划 ”， 投资 2.7 亿英镑建立量子通信 、 传感 、 成像和计算四大研发中心 ， 开展学术与应用研究 。 欧盟 2016 年推出 “量子宣言 ”旗舰计划，在未来十年投资 10 亿欧元，支持量子计 算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广，并在 2018 年 11 月正式启动首批20 个研究项目。 美国近十年来 ， 已通过 “量子信息科学和技术发展规划 ”等项目 ，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。在全球量子信息技术 加快发展 的背景下，美国进一步加大投入，在 2018年 6 月推出国家量子行动计划（ NQI）法案，计划在 2019 年至 2023年的第一阶段，在原有基础上每年新增 2.55 亿美元投资，共计 12.75亿美元，加快推动量子信息技术研发与应用。 2018 年 9 月美国白宫发布量子信息科学国家战略概述， 总结量子信息科学带来的挑战和机遇，并分析美国在该领域维持和扩大领先优势的措施。 我国持续支持量子信息技术领域的研究探索，近年来重视和支持力度进一步加大。 2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出 ， “以人工智能 、 量子信息 、 移动通信 、 物联网 、 区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用 。 ”自然科学基金 、 “863”中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 3 计划 、 “973”计划和中科院战略先导专项等国家科技项目 ， 在过去十余年来，对量子信息领域的基础科研和前沿应用研究进行了大量布局和投入 。 自 2016 年起 ， 我国进一步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 。 2018 年 进一步 研究筹建国家级实验室和 论证设立 新科技项目 ， 继续 加强量子信息领域的支持力度和顶层布局规划。 （ 三 ）量子信息技术概念原理与三大领域 量子信息技术通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。量子信息主要包括 量子计算、 量子通信和量子测量三大技术领域。 量子计算以量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现数据的存储计算，具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。量子计算技术所带来的算力飞跃，有可能成为未来科技加速演进的 “催化剂 ”， 一旦取得突破 ， 将在基础科研 、 新型材料与医药研发、信息安全与人工智能等经济社会的诸多领域产 生颠覆性影响，其发展与应用对国家科技发展和产业转型升级具有重要促进作用。 量子通信利用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输，基于量子力学原理保证信息或密钥传输安全性，主要分量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信和量子信息网络的研究和发展，将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响，成为未来信息通信行业的科技 发展 和技术演进的关注焦点之一。 量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 中国 信息通信研究院 4 量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。量子 测量主要包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别五个方向，应用涵盖基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。 以 量子计算、 量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来科技创新发展的重要突破口和 触发器 ，也是信息通信技术演进和产业升级的 关注 焦点之一。量子信息技术研究和应用发展在未来国家科技发展 、新兴产业培育和经济建设等诸多领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。 二、量子计算技术与应用进展 （一）量子计算技术研究与发展现状 1.量子计算带来算力飞跃， 具有 攻克 无解难题潜力 计算能力是信息化发展的核心，随着社会经济对信息处理需求的不断提高，以半导体大规模集成电路为基础的经典计算性能提升 或将面临瓶颈。量子计算是基于量子力学的新型计算方式，利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特 为基本单元，通过量子态的受控演化实现计算处理。随着量子比特数量 增加，量子计算算力可呈指数级规模拓展，理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力、以及攻克经典计算无解难题的巨大潜力。 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 5 2.量子计算处于技术验证和原理样机 研制 关键阶段 量子计算基础理论创立于上世纪八十年代，技术研究 、 实验验证与 样机研发 的 发展 历程如图 1 所示。 来源：中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 1 量子计算技术发展历程 量子计算 包含处理器、编码和软件算法等关键技术，近年来发展加速，但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战，目前处于技术 研究 和原理样机研制验证的 关键 阶段，超越经典计算的性能优势尚未得到充分证明。 量子处理器有超导、离子阱 、半导体、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种技术路线，现阶段超导和离子阱路线相对领先，但尚无任何一种路线能够完全满足实用化要求并趋向技术收敛。量子系统非常脆弱，极易受材料杂质、环境温度等外界因素影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响 ， 甚至计算能力遭到破坏。量子编码是解决量子退相干难题 、 将多个脆弱的 “物理比特 ”构造成能够纠错和容错的 “逻辑比特 ”的关键使能技术 。 现有 量子 纠错编码 存在 阈值高 、效率低 的 问题 ， 尚未突破 实现 第一个 “逻辑比特 ”。 算法和软件是硬件处理器充分发挥计算能力和解决实际问题的神经中枢。量子 计算相比量子信息技术发展与应用 研究报告（ 2018年） 中国 信息通信研究院 6 于经典计算的加速能力与量子算法息息相关，例如 Shor 和 Grover 算法在密码破译和数据搜索问题上可分别实现指数级和平方根级加速。然而量子算法的开发需紧密结合量子叠加、纠缠等物理特性，不能直接移植经典算法。目前量子计算算法的数量有限，只在部分经典计算难以解决的复杂问题上存在潜在优势，并非普适于解决所有问题。 3.专用机可能率先突破，量子计算与经典计算并存 量子计算机可分为通用机和专用机两类，通用量子计算机需要上百万甚至更多物理比特，具备容错计算能力，需要量子算法和软件的支撑，其实用化是长期渐进过程。专用量子计算机用于解决某些经典计算难以处理的特定问题，只需相对少量物理比特和特定算法，实现相对容易且存在巨大市场需求。业内专家预测，未来五年左右，美国有可能在模拟、优化等领域的专用量子计算方面率先取得突破。 在与经典计算的比较和发展定位方面，量子计算目前只在部分经典计算不能或难以解决的问题上具备理论优势，且尚未得到充分证明，并非在所有问题的解决上都优于经典计算。此 外，量子计算机的复杂操控仍需要经典计算机辅助，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。 （二）量子计算应用和产业生态发展 1.美国综合实力全球领跑，欧、日、澳等国紧密跟随