全景解密量子信息技術(shù)一文看懂

本期內(nèi)參來(lái)源：中國(guó)信通院 IPRdaily中文網(wǎng)

量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)

隨著人類對(duì)于量子力學(xué)原理的認(rèn)識(shí)、理解和研究不斷深入，以及對(duì)于微觀物理體系的觀測(cè)和調(diào)控能力不斷提升，以微觀粒子系統(tǒng)（如電子、光子和冷原子等）為操控對(duì)象，借助其中的量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生并蓬勃發(fā)展。

量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域，可以在提升運(yùn)算處理速度、 信息安全保障能力、測(cè)量精度和靈敏度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)注焦點(diǎn)之一，在未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)共性乃至顛覆性重大影響。

量子計(jì)算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理進(jìn)行量子并行計(jì)算，具有經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，能夠在特定計(jì)算困難問(wèn)題上提供指數(shù)級(jí)加速。量子計(jì)算帶來(lái)的算力飛躍，有可能在未來(lái)引發(fā)改變游戲規(guī)則的計(jì)算革命，成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進(jìn)的“觸發(fā)器”和“催化劑”。

未來(lái)可能在實(shí)現(xiàn)特定計(jì)算問(wèn)題求解的專用量子計(jì)算處理器，用于分子結(jié)構(gòu)和量子體系模擬的量子模擬機(jī)，以及用于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)集優(yōu)化等應(yīng)用的量子計(jì)算新算法等方面率先取得突破。

量子通信利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，基于量子力學(xué)原理保證傳輸安全性，主要分量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)原理保證密鑰分發(fā)的安全性，是首個(gè)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的量子通信技術(shù)分支。

通過(guò)在經(jīng)典通信中加入量子密鑰分發(fā)和信息加密傳輸，可以提升網(wǎng)絡(luò)信息安全保障能力。量子隱形傳態(tài)在經(jīng)典通信輔助之下，可以實(shí)現(xiàn)任意未知量子態(tài)信息的傳輸。量子隱形傳態(tài)與量子計(jì)算融合形成量子信息網(wǎng)絡(luò)，是未來(lái)量子信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

量子測(cè)量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測(cè)量，完成被測(cè)系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。主要包括時(shí)間基準(zhǔn)、慣性測(cè)量、重力測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量和目標(biāo)識(shí)別等方向，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、空間探測(cè)、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。

量子物理常數(shù)和量子測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為定義基本物理量單位和計(jì)量基準(zhǔn)的重要參考，未來(lái)量子測(cè)量有望在生物研究、醫(yī)學(xué)檢測(cè)以及面向航天、國(guó)防和商業(yè)等應(yīng)用的新一代定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)等方面率先獲得應(yīng)用。

以量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強(qiáng)國(guó)都對(duì)其高度重視。近年來(lái)，歐美國(guó)家紛紛啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，大幅增加研發(fā)投入，同時(shí)開(kāi)展頂層規(guī)劃及研究應(yīng)用布局。

英國(guó) 2015 年正式啟動(dòng)“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”，投資 2.7 億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心，開(kāi)展學(xué)術(shù)與應(yīng)用研究。2018 年 11 月進(jìn)行了第二階段 2.35 億英鎊投資撥款。德國(guó)在 2018 年9 月提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”框架計(jì)劃，擬于 2022 年前投資6.5 億歐元促進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，并可延長(zhǎng)資助至 2028 年。

▲歐盟“量子宣言”旗艦計(jì)劃首批科研項(xiàng)目

歐盟 2016 年推出為期十年，總投資額超過(guò) 10 億歐元的“量子宣言”旗艦計(jì)劃，并于 2018 年 10 月啟動(dòng)首批 19 個(gè)科研類項(xiàng)目，如上圖所示。2019 年 7 月歐盟 10 國(guó)簽署量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（ QCI）聲明，探討未來(lái)十年在歐洲范圍內(nèi)將量子技術(shù)和系統(tǒng)整合到傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施之中，以保護(hù)智能能源網(wǎng)絡(luò)、空中交通管制、銀行和醫(yī)療保健設(shè)施等加密通信系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

美國(guó) 2018 年 12 月通過(guò)《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃（ NQI）》立法，計(jì)劃在未來(lái)四年增加量子信息科學(xué)領(lǐng)域投資 12.75 億美元，以確保美國(guó)在量子技術(shù)時(shí)代的科技領(lǐng)導(dǎo)力，以及經(jīng)濟(jì)安全、信息安全和國(guó)家安全。

同期發(fā)布的《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，規(guī)劃推動(dòng)量子計(jì)算超大規(guī)模數(shù)據(jù)集優(yōu)化處理，量子模擬新材料設(shè)計(jì)和分子功能研究，基于量子隱形傳態(tài)的安全通信以及量子傳感與精密測(cè)量等領(lǐng)域的研究，同時(shí)設(shè)立 3~6 個(gè)量子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（ QILabs），建立全美量子科研網(wǎng)絡(luò)（ QRNet），推動(dòng)量子計(jì)算接入計(jì)劃（ QCAP）。

近年來(lái)，全球范圍內(nèi)量子信息技術(shù)領(lǐng)域的樣機(jī)研究、試點(diǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化迅速發(fā)展，隨著量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等領(lǐng)域新興應(yīng)用的演進(jìn)，在術(shù)語(yǔ)定義、性能評(píng)價(jià)、系統(tǒng)模塊、接口協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理運(yùn)維等方面的標(biāo)準(zhǔn)化需求也開(kāi)始逐漸出現(xiàn)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛成立量子信息技術(shù)相關(guān)研究組和標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目并開(kāi)展工作， 2018 年以來(lái)相關(guān)布局與研究工作明顯提速。歐洲多國(guó)在完成 QKD 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)之后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ ETSI）成立ISG-QKD 標(biāo)準(zhǔn)組，已發(fā)布包括術(shù)語(yǔ)定義、系統(tǒng)器件、應(yīng)用接口、 安全證明、部署參數(shù)等 9 項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，另有 3 項(xiàng)在研。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電工委員會(huì)的第一聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（ ISO/IEC JTC1）成立了有我國(guó)專家參與的量子計(jì)算研究組（ SG2）和咨詢組（ AG），發(fā)布量子計(jì)算研究報(bào)告和技術(shù)趨勢(shì)報(bào)告，同時(shí)在信息安全分技術(shù)委員會(huì)（ SC27）立項(xiàng)由我國(guó)專家牽頭的 QKD 安全需求與測(cè)評(píng)方法標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（ IEEE）啟動(dòng)了量子技術(shù)術(shù)語(yǔ)定義、量子計(jì)算性能指標(biāo)和軟件定義量子通信協(xié)議等 3 個(gè)研究項(xiàng)目。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（ IETF）成立量子互聯(lián)網(wǎng)研究組（ QIRG）開(kāi)展量子互聯(lián)網(wǎng)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(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ ITU-T）對(duì)量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)及其未來(lái)對(duì)信息通信網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)業(yè)的影響保持高度關(guān)注。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究組（ SG13）已開(kāi)展 QKD 網(wǎng)絡(luò)的基本框架、功能架構(gòu)、密鑰管理和軟件定義控制等方面研究項(xiàng)目，網(wǎng)絡(luò)安全研究組（ SG17）則在 QKD網(wǎng)絡(luò)安全要求、密鑰管理安全要求、可信節(jié)點(diǎn)安全要求、加密功能要求等方面開(kāi)展研究，我國(guó)部門成員和學(xué)術(shù)成員擔(dān)任部分標(biāo)準(zhǔn)編輯人并做出重要技術(shù)貢獻(xiàn)。

此外，我國(guó)還推動(dòng)在 ITU-T 成立面向網(wǎng)絡(luò)的量子信息技術(shù)研究焦點(diǎn)組（ FG-QIT4N），全面開(kāi)展量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)國(guó)際研討會(huì)，廣泛邀請(qǐng)全球研究機(jī)構(gòu)和科技公司的專家學(xué)者，對(duì)量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量、量子信息網(wǎng)絡(luò)（ QIN）等議題開(kāi)展交流和討論。

2019 年 9 月， FG-QIT4N 在電信標(biāo)準(zhǔn)化顧問(wèn)組（ TSAG）全會(huì)期間正式成立，由中俄美專家共同擔(dān)任主席，計(jì)劃在焦點(diǎn)組研究期內(nèi)，對(duì) QKD 網(wǎng)絡(luò)和 QIN 等相關(guān)議題開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研，為 ITU-T 下一個(gè)研究期的量子信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作奠定基礎(chǔ)并提出建議。

我國(guó)在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點(diǎn)應(yīng)用方面具備較好的研究基礎(chǔ)和實(shí)踐積累，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也逐步開(kāi)展。2017 年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ CCSA）成立量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ ST7），開(kāi)展量子通信和網(wǎng)絡(luò)以及量子信息技術(shù)關(guān)鍵器件的標(biāo)準(zhǔn)研究，目前已完成 6 項(xiàng)研究報(bào)告，并開(kāi)展量子保密通信術(shù)語(yǔ)定義和應(yīng)用場(chǎng)景， QKD系統(tǒng)技術(shù)要求、測(cè)試方法和應(yīng)用接口等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

QKD 技術(shù)還涉及密碼的產(chǎn)生、管理和使用，中國(guó)密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（ CSTC）也開(kāi)展了 QKD 技術(shù)規(guī)范和測(cè)評(píng)體系等密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究。2019年1月，量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（ TC578）正式成立，計(jì)劃開(kāi)展量子計(jì)算和量子測(cè)量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

自上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，各科技強(qiáng)國(guó)開(kāi)始在量子技術(shù)領(lǐng)域加大投入，量子計(jì)算專利申請(qǐng)開(kāi)始出現(xiàn)。近年來(lái)，量子計(jì)算領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和授權(quán)發(fā)展態(tài)勢(shì)情況如圖 2 所示， 2012 年之前全球量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量整體保持平穩(wěn)，專利申請(qǐng)主要來(lái)自美國(guó)和日本。

▲量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)及授權(quán)情況

2012 年開(kāi)始，隨著歐美科技巨頭開(kāi)始大力投入和持續(xù)推動(dòng)， 以及全球各國(guó)科技企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)，更加重視量子計(jì)算領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。美國(guó)在布局時(shí)間和申請(qǐng)總量上占有優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)我國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)更快。通過(guò)對(duì)比中、美、日、 加的專利申請(qǐng)人的類型可以看出，我國(guó)專利更多的來(lái)自高校和科研機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)科技企業(yè)多與科研院所合作，相關(guān)研究工作和知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局大多處于起步階段。

近 20 年來(lái)全球量子計(jì)算領(lǐng)域研究論文發(fā)表趨勢(shì)和主要發(fā)文機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)如下圖所示，隨著量子計(jì)算從理論走向物理實(shí)現(xiàn)，全球論文發(fā)表量也保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是在 2018-19 年研究論文數(shù)量激增。從發(fā)表論文研究機(jī)構(gòu)來(lái)看，近五年來(lái)排名前 20 的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)占據(jù) 3 席，分別是中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)。

其中，中國(guó)科學(xué)院的發(fā)文量持續(xù)快速上升，過(guò)去一年的新增論文數(shù)量?jī)H次于美國(guó) MIT和荷蘭 TU Delft。美國(guó)量子計(jì)算研究重要機(jī)構(gòu)多達(dá) 10 個(gè)，除了高校外， IBM、 Microsoft 和 Google 等科技巨頭也有較多研究成果發(fā)表。此外，德國(guó) ETH Zurich、 Max Planck Society、加拿大 Waterloo 大學(xué)、蒙特利爾大學(xué)、日本東京大學(xué)也是重要的創(chuàng)新主體。

▲量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢(shì)及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)

隨著美、歐、英、日、韓等國(guó)的量子通信研發(fā)及試點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展，專利作為重要的技術(shù)保護(hù)手段受到產(chǎn)學(xué)研界的重視，相關(guān)專利快速增長(zhǎng)，量子通信領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)和專利授權(quán)發(fā)展趨勢(shì)如下圖所示。

▲量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)和專利授權(quán)發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)和日本在量子通信領(lǐng)域的早期專利申請(qǐng)量較多，但近年來(lái)，專利申請(qǐng)地域向中國(guó)轉(zhuǎn)移。對(duì)比專利申請(qǐng)和專利授權(quán)來(lái)看，由于早期中國(guó)專利申請(qǐng)量較少，所以目前看中國(guó)授權(quán)專利數(shù)量少于美國(guó)，但是隨著我國(guó)在量子通信基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索的不斷深入，以及量子保密通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)專利授權(quán)量還將繼續(xù)上升，而且也將吸引更多的外國(guó)公司來(lái)華布局專利。

▲量子通信領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢(shì)及主要發(fā)文機(jī)構(gòu)

2005 年之后，量子密鑰分發(fā)（ QKD）技術(shù)研究從理論探索開(kāi)始走向?qū)嵱没嚓P(guān)研究論文數(shù)量持續(xù)上升，近年 QKD 領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢(shì)和主要發(fā)文機(jī)構(gòu)如上圖所示。其中， QKD 領(lǐng)域 70%的研究論文在近十年發(fā)表，文獻(xiàn)引證數(shù)量也在不斷增加， 2018 年發(fā)文量創(chuàng)新高。中、美、加、德、新、英等國(guó)以科研機(jī)構(gòu)為主，日本則主要來(lái)自企業(yè)。

我國(guó)中科大、北郵、清華、中科院、上交等院校的科研論文數(shù)量排名前列。相比之下，量子隱形傳態(tài)（ QT）的論文數(shù)量在 2005 年之前一直高于 QKD，但近年來(lái)論文數(shù)量保持平穩(wěn)并呈下降趨勢(shì)，與其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍未取得突破有一定關(guān)系。除歐、美、日科研機(jī)構(gòu)外，我國(guó)的中科大、中科院、電子科大和清華的論文發(fā)表數(shù)量也名列前茅。

與量子計(jì)算和量子通信相比，量子測(cè)量和量子計(jì)量領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和研究論文總量偏少，近年也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，如下圖所示。

▲量子測(cè)量領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)和論文發(fā)表趨勢(shì)

截至 2019 年 10 月公開(kāi)的相關(guān)專利近千件，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)強(qiáng)勁，從專利申請(qǐng)地域來(lái)看，美、中、日的專利申請(qǐng)量較多。論文方面，與量子計(jì)量（ Quantum metrology）相關(guān)的論文數(shù)量持續(xù)上升，美國(guó)加州理工學(xué)院、德國(guó)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院以及澳大利亞的高校和科研機(jī)構(gòu)發(fā)表了較多的論文。我國(guó)的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測(cè)量領(lǐng)域持續(xù)開(kāi)展科研攻關(guān)，開(kāi)始步入量子測(cè)量和量子計(jì)量研究論文發(fā)表數(shù)量的國(guó)際前沿行列。

量子計(jì)算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

量子計(jì)算研究始于上世紀(jì)八十年代，經(jīng)歷了由科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的基礎(chǔ)理論探索和編碼算法研究階段，目前已進(jìn)入由產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界共同合作的工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和原理樣機(jī)攻關(guān)階段。量子計(jì)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(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中， 量子處理器是制備和操控量子物理比特的平臺(tái)， 量子編碼是基于眾多物理比特實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)邏輯比特的糾錯(cuò)編碼，量子算法和軟件是將計(jì)算困難問(wèn)題與量子計(jì)算并行處理能力結(jié)合的映射和橋梁。

目前，量子處理器的物理比特實(shí)現(xiàn)仍是量子計(jì)算研究的核心瓶頸，主要包含超導(dǎo)、離子阱、硅量子點(diǎn)、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞榷喾N方案， 研究取得一定進(jìn)展，但仍未實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線收斂。

超導(dǎo)路線方面， Google 在 2018 年推出 72 位量子比特處理器，Rigetti 正在構(gòu)建更強(qiáng)大的 128 量子比特處理器。我國(guó)中科大在 2019年已實(shí)現(xiàn) 24 位超導(dǎo)量子比特處理器，并進(jìn)行多體量子系統(tǒng)模擬；同時(shí)，清華大學(xué)利用單量子比特實(shí)現(xiàn)了精度為 98.8%的量子生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)可應(yīng)用于圖像生成等領(lǐng)域。量子比特間的糾纏或連接程度是影響量子計(jì)算處理能力的重要因素之一，目前報(bào)道的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和量子比特糾纏程度不盡統(tǒng)一，大部分并未實(shí)現(xiàn)全局糾纏。

離子阱路線方面， IonQ 已實(shí)現(xiàn) 79 位處理量子比特和 160 位存儲(chǔ)量子比特。光量子路線方面，中科大已實(shí)現(xiàn) 18 位光量子糾纏操控，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。硅量子點(diǎn)路線方面， 新南威爾士大學(xué)報(bào)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(shí)現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門。此外，我國(guó)本源量子研發(fā)了適用于 20 位量子比特的量子測(cè)控一體機(jī)，用于提供量子處理器芯片運(yùn)行所需要的關(guān)鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量子芯片操控。

目前，量子計(jì)算物理平臺(tái)中的超導(dǎo)和離子阱路線相對(duì)領(lǐng)先，但尚無(wú)任何一種路線能夠完全滿足量子計(jì)算技術(shù)實(shí)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(shí)間，

（3）量子比特可以初始化，

（4）可以實(shí)現(xiàn)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(shù)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)也可能是多種路線并存的混合體系。

量子優(yōu)越性（ Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權(quán)”）的概念由 MIT 的 John Preskill 教授首先提出，指量子計(jì)算在解決特定計(jì)算困難問(wèn)題時(shí)，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級(jí)的運(yùn)算處理加速，從而體現(xiàn)量子計(jì)算原理性優(yōu)勢(shì)。

其中， 特定計(jì)算困難問(wèn)題是指該問(wèn)題的計(jì)算處理，能夠充分適配量子計(jì)算基于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并行處理能力，從而發(fā)揮出量子計(jì)算方法相比于傳統(tǒng)計(jì)算方法在解決該問(wèn)題時(shí)的顯著算力優(yōu)勢(shì)。

▲Google Sycamore 超導(dǎo)量子計(jì)算處理器

2019 年 10 月，《自然》雜志以封面論文形式報(bào)道了 Google 公司基于可編程超導(dǎo)處理器 Sycamore， 如上圖所示， 實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的重要研究成果。該處理器采用倒裝焊封裝技術(shù)和可調(diào)量子耦合器等先進(jìn)工藝和架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(jī)量子線路采樣問(wèn)題時(shí)，具有遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理能力。

Google 研究成果是證明量子計(jì)算原理優(yōu)勢(shì)和技術(shù)潛力的首個(gè)實(shí)際案例，具有里程碑意義。這一熱點(diǎn)事件所引發(fā)的震動(dòng)和關(guān)注，將進(jìn)一步推動(dòng)全球各國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實(shí)踐和應(yīng)用探索，為加快量子計(jì)算機(jī)的研制和實(shí)用化注入新動(dòng)力。

需要指出的是，現(xiàn)階段量子計(jì)算的研究發(fā)展水平距離實(shí)用化仍有較大差距。量子計(jì)算系統(tǒng)非常脆弱，極易受到材料雜質(zhì)、環(huán)境溫度和噪聲等外界因素影響而引發(fā)退相干效應(yīng)，使計(jì)算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計(jì)算能力遭到破壞。

發(fā)展速度最快的超導(dǎo)技術(shù)路線，在可擴(kuò)展性、操控時(shí)間和保真度等方面也存在局限。此外，可編程通用量子計(jì)算機(jī)需要大量滿足容錯(cuò)閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。

以運(yùn)行 Shor 算法破譯密碼為例， 要攻破 AES 加密算法需要數(shù)千個(gè)量子邏輯比特，轉(zhuǎn)換為量子物理比特可能需要數(shù)萬(wàn)個(gè)或者更多?，F(xiàn)有研究報(bào)道中的物理量子比特?cái)?shù)量和容錯(cuò)能力與實(shí)際需求尚有很大差距，量子邏輯比特仍未實(shí)現(xiàn)。通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化，業(yè)界普遍預(yù)計(jì)仍需十年以上時(shí)間。

在達(dá)到通用量子計(jì)算所需的量子比特?cái)?shù)量、量子容錯(cuò)能力和工程化條件等要求之前，專用量子計(jì)算機(jī)或量子模擬器將成為量子計(jì)算發(fā)展的下一個(gè)重要目標(biāo)。

結(jié)合量子計(jì)算和量子模擬應(yīng)用算法等方面研究，在量子體系模擬、分子結(jié)構(gòu)解析、大數(shù)據(jù)集優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)算法加速等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)能夠發(fā)揮量子計(jì)算處理能力優(yōu)勢(shì)的“殺手級(jí)應(yīng)用”，將為量子計(jì)算技術(shù)打開(kāi)實(shí)用化之門。

量子處理器需要在苛刻的環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)算和儲(chǔ)存，通過(guò)云服務(wù)進(jìn)行量子處理器的接入和量子計(jì)算應(yīng)用推廣成為量子計(jì)算算法及應(yīng)用研究的主要形式之一。

用戶在本地編寫量子線路和代碼，將待執(zhí)行的量子程序提交給遠(yuǎn)程調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器安排用戶任務(wù)按照次序傳遞給后端量子處理器，量子處理器完成任務(wù)后將計(jì)算結(jié)果返回給調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器再將計(jì)算結(jié)果變成可視化的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)送給用戶，完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程。近年來(lái)，越來(lái)越多的量子計(jì)算公司和研究機(jī)構(gòu)發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子處理器資源的充分共享，并提供各種基于量子計(jì)算的衍生服務(wù)。

▲量子計(jì)算云平臺(tái)通用體系架構(gòu)

量子計(jì)算云平臺(tái)的通用體系架構(gòu)如上圖所示，主要包括計(jì)算引擎層、基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)層、 通用開(kāi)發(fā)層、應(yīng)用組件層和應(yīng)用服務(wù)層。量子計(jì)算云平臺(tái)的服務(wù)模式主要分為三種：

一是量子基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（ q-IaaS），即提供量子計(jì)算云服務(wù)器、量子模擬器和真實(shí)量子處理器等計(jì)算及存儲(chǔ)類基礎(chǔ)資源；

二是量子計(jì)算平臺(tái)服務(wù)（ q-PaaS），即提供量子計(jì)算和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括量子門電路、量子匯編、量子開(kāi)發(fā)套件、量子算法庫(kù)、量子加速引擎等；

三是量子應(yīng)用軟件服務(wù)（ q-SaaS），即根據(jù)具體行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景和需求設(shè)計(jì)量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提供量子加速版本的 AI 應(yīng)用服務(wù)，如生物制藥、分子化學(xué)和交通治理等。目前，量子計(jì)算云平臺(tái)以 q-PaaS 模式為主，提供量子模擬器、計(jì)算工具和開(kāi)發(fā)套件等軟件服務(wù)。

隨著量子計(jì)算物理平臺(tái)與云基礎(chǔ)設(shè)施的深度結(jié)合，以及量子處理器功能和性能的不斷發(fā)展，q-IaaS 模式比重將逐步增多。未來(lái)，隨著量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展成熟、生態(tài)逐步開(kāi)放，將有更多的行業(yè)和企業(yè)嘗試通過(guò) q-SaaS 模式對(duì)其業(yè)務(wù)處理進(jìn)行賦能。

美國(guó)量子計(jì)算云平臺(tái)布局較早，發(fā)展迅速。IBM 已推出 20 位量子比特的量子云服務(wù)，提供 QiKit 量子程序開(kāi)發(fā)套件，建立了較為完善的開(kāi)源社區(qū)。

Google 開(kāi)發(fā)了 Cirq 量子開(kāi)源框架和 OpenFermion-Cirq量子計(jì)算應(yīng)用案例，可搭建量子變分算法（ Variational Algorithms），模擬分子或者復(fù)雜材料的相關(guān)特性。Rigetti 推出的量子計(jì)算云平臺(tái)以混合量子+經(jīng)典的方法開(kāi)發(fā)量子計(jì)算運(yùn)行環(huán)境，使用 19 位量子比特超導(dǎo)芯片進(jìn)行無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練及推理演示，提供支持多種操作系統(tǒng)的 Forest SDK 量子軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

我國(guó)量子計(jì)算云平臺(tái)起步較晚，目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，與國(guó)際先進(jìn)水平相比在量子處理器、量子計(jì)算軟件方面的差距逐步縮小。中科大與阿里云共同推出 11 位超導(dǎo)量子計(jì)算云接入服務(wù)。華為發(fā)布 HiQ 量子計(jì)算模擬云服務(wù)平臺(tái)，可模擬全振幅的 42 位量子比特，單振幅的81 位量子比特，并開(kāi)發(fā)兼容 ProjectQ 的量子編程框架。

本源量子推出的量子計(jì)算云平臺(tái)可提供 64 位量子比特模擬器和基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實(shí)量子處理器，提供 Qrunes 編程指令集， Qpanda SDK 開(kāi)發(fā)套件，推出移動(dòng)端與桌面端應(yīng)用程序，兼具科普、教學(xué)和編程等功能，為我國(guó)量子計(jì)算的研究和應(yīng)用推廣提供了有益探索。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，美國(guó)近年來(lái)持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，如下圖所示，并建立了在技術(shù)研究、樣機(jī)研制和應(yīng)用探索等方面的全面領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

▲美國(guó)量子計(jì)算研究與應(yīng)用發(fā)展模式

英、歐、日、澳等國(guó)緊密跟隨，領(lǐng)先國(guó)家之間通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)和成果共享， 正在形成并不斷強(qiáng)化聯(lián)盟優(yōu)勢(shì)。我國(guó)近年來(lái)取得系列研究成果，但與美國(guó)相比仍有一定差距。此外，印度、韓國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)也開(kāi)始將量子計(jì)算技術(shù)列入國(guó)家技術(shù)計(jì)劃加大投入。

科技巨頭間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計(jì)算領(lǐng)域布局多年，霍尼韋爾隨后加入，產(chǎn)業(yè)巨頭基于雄厚的資金投入、工程實(shí)現(xiàn)和軟件控制能力積極開(kāi)發(fā)原型產(chǎn)品、展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)量子計(jì)算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。

Google 在 2018 年實(shí)現(xiàn) 72 位超導(dǎo)量子比特，在 2019 年證明量子計(jì)算優(yōu)越性。IBM 在 2019 年 1 月展示具有 20 位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，并在 9 月將量子比特?cái)?shù)量更新為 53 位。微軟在 2019 年推出量子計(jì)算云服務(wù) 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(jìn)入測(cè)試階段。

我國(guó)阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來(lái)通過(guò)與科研機(jī)構(gòu)合作或聘請(qǐng)具有國(guó)際知名度的科學(xué)家成立量子實(shí)驗(yàn)室，在量子計(jì)算云平臺(tái)、 量子軟件及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)并在 2018 年推出量子模擬器“太章”。騰訊在量子 AI、藥物研發(fā)和科學(xué)計(jì)算平臺(tái)等應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)研發(fā)。

百度在 2018 年成立量子計(jì)算研究所，開(kāi)展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等業(yè)務(wù)研究。華為在2018 年發(fā)布 HiQ 量子云平臺(tái)，并在 2019 年推出昆侖量子計(jì)算模擬一體原型機(jī)。我國(guó)科技企業(yè)進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域相對(duì)較晚，在樣機(jī)研制及應(yīng)用推動(dòng)方面與美國(guó)存在較大差距。

初創(chuàng)企業(yè)是量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動(dòng)力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機(jī)構(gòu)或科技公司，近年來(lái)，來(lái)自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機(jī)構(gòu)的創(chuàng)業(yè)資本大幅增加，初創(chuàng)企業(yè)快速發(fā)展。目前，全球有超過(guò)百余家初創(chuàng)企業(yè)，涵蓋軟硬件、基礎(chǔ)配套及上層應(yīng)用各環(huán)節(jié)，如下圖所示，企業(yè)集聚度以北美和歐洲（含英國(guó)）最高。

▲量子計(jì)算領(lǐng)域科技公司和初創(chuàng)企業(yè)分布

盡管量子計(jì)算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，但軍工、氣象、金融、石油化工、 材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、汽車交通、圖像識(shí)別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿?，開(kāi)始與科技公司合作探索潛在用途，生態(tài)鏈不斷壯大，如下圖所示。

▲量子計(jì)算研發(fā)主體與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)

在量子計(jì)算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)， 其產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套也在不斷完善。2019 年英特爾與 Bluefors 和 Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測(cè)試工具，加速硅量子比特測(cè)試過(guò)程。本源量子創(chuàng)立本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟， 2019 年攜手中船鵬力共建量子計(jì)算低溫平臺(tái)。

當(dāng)前階段，量子計(jì)算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計(jì)算困難問(wèn)題（ NP）。機(jī)器學(xué)習(xí)在過(guò)去十幾年里不斷發(fā)展，對(duì)計(jì)算能力提出巨大需求，結(jié)合了量子計(jì)算高并行性的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)算法的加速優(yōu)化，是目前的研究熱點(diǎn)。

量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要包括異質(zhì)學(xué)習(xí)（ HHL） 算法、量子主成分分析（ qPCA）、量子支持向量機(jī)（ qSVM）和量子深度學(xué)習(xí)等。目前，量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法在計(jì)算加速效果方面取得一定進(jìn)展，理論上已證明量子算法對(duì)部分經(jīng)典計(jì)算問(wèn)題具有提速效果，但處理器物理實(shí)現(xiàn)能力有限，算法大多只通過(guò)模擬驗(yàn)證，并未在真實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行迭代，仍處發(fā)展初期。

目前，基于量子退火和其他數(shù)據(jù)處理算法的專用量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)展開(kāi)系列應(yīng)用探索。Google 聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)將量子退火技術(shù)應(yīng)用于圖像處理、蛋白質(zhì)折疊、交通流量?jī)?yōu)化、空中交通管制、海嘯疏散等領(lǐng)域。JSR 和三星嘗試使用量子計(jì)算研發(fā)新材料特性。埃森哲、Biogen 和 1Qbit 聯(lián)合開(kāi)發(fā)量子化分子比較應(yīng)用，改善分子設(shè)計(jì)加速藥物研究。

德國(guó) HQS 開(kāi)發(fā)的算法可以在量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)上有效地模擬化學(xué)過(guò)程。摩根大通、巴克萊希望通過(guò)蒙特卡洛模擬加速來(lái)優(yōu)化投資組合， 以提高量化交易和基金管理策略的調(diào)整能力，優(yōu)化資產(chǎn)定價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖。量子計(jì)算應(yīng)用探索正持續(xù)深入，未來(lái) 3-5 年有望基于量子模擬和嘈雜中型量子計(jì)算（ NISQ） 原型機(jī)在生物醫(yī)療、分子模擬、 大數(shù)據(jù)集優(yōu)化、量化投資等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

量子通信主要分量子隱形傳態(tài)（ Quantum Teleportation，簡(jiǎn)稱 QT）和量子密鑰分發(fā)（ Quantum Key Distribution，簡(jiǎn)稱 QKD）兩類。QT基于通信雙方的光子糾纏對(duì)分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測(cè)量（信息調(diào)制）和幺正變換（信息解調(diào)）實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息直接傳輸，其中量子態(tài)信息解調(diào)需要借助傳統(tǒng)通信輔助才能完成。

QKD 通過(guò)對(duì)單光子或光場(chǎng)正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測(cè)量，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無(wú)法被竊聽(tīng)的安全密鑰共享，再與傳統(tǒng)加密技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息加密和安全傳輸，基于 QKD 的保密通信稱為量子保密通信。

近年來(lái)， QT 研究在空、天、地等平臺(tái)積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探索。2017年，中科大基于“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星地之間 QT 傳輸，低軌衛(wèi)星與地面站采用上行鏈路實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到 1400 公里，成為目前 QT 自由空間傳輸距離的最遠(yuǎn)記錄。

2018年，歐盟量子旗艦計(jì)劃成立量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（ QIA），由 Delft 技術(shù)大學(xué)牽頭，采用囚禁離子和光子波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)和量子存儲(chǔ)中繼，計(jì)劃在荷蘭四城市之間建立全球首個(gè)光纖 QT 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，基于糾纏交換實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸和多點(diǎn)組網(wǎng)。

2019 年，南京大學(xué)報(bào)道基于無(wú)人機(jī)開(kāi)展空地量子糾纏分發(fā)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)，無(wú)人機(jī)攜帶光學(xué)發(fā)射機(jī)載荷，完成與地面接收站點(diǎn)之間 200 米距離的量子糾纏分發(fā)測(cè)量。目前， QT 研究仍主要局限在各種平臺(tái)和環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)探索，包括高品質(zhì)糾纏制備、量子態(tài)存儲(chǔ)中繼和高效率量子態(tài)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破，距離實(shí)用化仍有較大距離。

近年來(lái)， QKD 的實(shí)驗(yàn)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(bào)道了新型相位隨機(jī)化雙光場(chǎng)編碼和傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn) 550 公里超低損耗光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場(chǎng)中心測(cè)量節(jié)點(diǎn)可以作為量子中繼的一種替代方案。

中科大和奧地利科學(xué)院聯(lián)合報(bào)道了基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)7600公里距離的洲際QKD和量子保密通信，在可用時(shí)間窗口內(nèi)，基于衛(wèi)星中繼的密鑰傳輸平均速率~3kbps，在兩地 QKD 密鑰累積一定數(shù)量之后，可以用于進(jìn)行圖片和視頻會(huì)議等應(yīng)用的加密傳輸。

日內(nèi)瓦大學(xué)報(bào)道了采用極低暗記數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的 QKD 傳輸實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了 421 公里的單跨段光纖傳輸最遠(yuǎn)距離，對(duì)應(yīng)密鑰成碼率 0.25bit/s，在 250 公里光纖傳輸距離對(duì)應(yīng)密鑰成碼率為 5kbit/s。

東芝歐研所也報(bào)道基于 T12 改進(jìn)型QKD 協(xié)議和 LDPC 糾錯(cuò)編碼的 QKD 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在 10 公里光纖信道連續(xù)運(yùn)行 4 天，平均密鑰成碼率達(dá)到 13.72Mbps。QKD 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能和傳輸能力，為應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

在量子通信領(lǐng)域，還有量子安全直接通信（ Quantum Secure Direct Communication，簡(jiǎn)稱 QSDC）技術(shù)方向也值得關(guān)注。QSDC 系統(tǒng)中信息接收端為 Bob，信息發(fā)射端為 Alice。

Bob 端脈沖光源經(jīng)過(guò)衰減器和隨機(jī)信號(hào)控制相位調(diào)制后，輸出單光子量子態(tài)信號(hào)，在 Alice 端隨機(jī)抽樣檢測(cè)一部分量子態(tài)信號(hào)，對(duì)剩余的量子態(tài)信號(hào)用兩種不同幺正變換編碼，發(fā)送經(jīng)典信息，并通過(guò)原信道以時(shí)分復(fù)用方式反向回傳到 Bob 端， Bob 端根據(jù)接收到的單光子量子態(tài)與初始制備態(tài)的差異性檢測(cè)，解調(diào)出 Alice 的編碼信息。

▲量子安全直接通信原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2019 年，清華大學(xué)物理系基于首創(chuàng)的 QSDC 理論和實(shí)驗(yàn)方案， 實(shí)現(xiàn)了原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制，如下圖所示，并完成實(shí)驗(yàn)室光纖環(huán)境中基于 QSDC 的信息直接傳輸演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(shù)結(jié)合了QKD 和 QT 的部分技術(shù)思想，以及信道安全容量分析等信息論方法，能夠基于量子物理學(xué)和信息論同步實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信道安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息加密傳輸。目前實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的信息傳輸速率較為有限，需使用低溫制冷超導(dǎo)探測(cè)器，實(shí)用化和工程化水平仍有較大提升空間。

隨著 QKD 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，并不斷開(kāi)展試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，進(jìn)一步提升其實(shí)用化和商用化水平成為科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注和技術(shù)演進(jìn)的主要方向。QKD 實(shí)用化技術(shù)和應(yīng)用演進(jìn)的主要方向包括基于光子集成（ PIC）技術(shù)提升收發(fā)機(jī)的集成度，采用連續(xù)變量（ CV） QKD 技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和商用設(shè)備開(kāi)發(fā)，以及開(kāi)展 QKD 與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)的共纖傳輸和融合組網(wǎng)等方面的研究與探索。

QKD 技術(shù)的商用化需要在設(shè)備集成度，系統(tǒng)可靠性，解決方案性價(jià)比和標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面進(jìn)行提升。通過(guò)與 PIC 和硅光等新型技術(shù)進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) QKD 設(shè)備光學(xué)組件的小型化和集成化，同時(shí)提升系統(tǒng)的功能性能和可靠性，目前已經(jīng)成為研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

英國(guó) Bristol 大學(xué)已報(bào)道了基于 InP 和 SiON等材料的 PIC 技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn) QKD 設(shè)備量子態(tài)信號(hào)調(diào)制器和解調(diào)器的芯片化集成，支持多種編碼調(diào)制方案，可一定程度提高 QKD系統(tǒng)工程化水平，但目前脈沖光源和單光子探測(cè)器（ SPD）模塊仍難以實(shí)現(xiàn)集成。我國(guó)深圳海思半導(dǎo)體有限公司和山東國(guó)訊量子芯科技有限公司等，在 QKD 調(diào)制解調(diào)芯片化領(lǐng)域也進(jìn)行了研究布局。

CV-QKD 中的高斯調(diào)制相干態(tài)（ GG02）協(xié)議應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)采用與經(jīng)典光通信相同的相干激光器和平衡零差探測(cè)器，具有集成度與成本方面的優(yōu)勢(shì)，量子態(tài)信號(hào)檢測(cè)效率可達(dá) 80%，便于和現(xiàn)有光通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合部署。

主要局限是協(xié)議后處理算法復(fù)雜度高，長(zhǎng)距離高損耗信道下的密鑰成碼率較低，并且協(xié)議安全性證明仍有待進(jìn)一步完善。CV-QKD 具有低成本實(shí)現(xiàn)城域安全密鑰分發(fā)的潛力，應(yīng)用部署難度小，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度高，未來(lái)可能成為 QKD 規(guī)模應(yīng)用可行解決方案。

2019 年，北大和北郵報(bào)道了在西安和廣州現(xiàn)網(wǎng) 30 公里和 50公里光纖，采用線路噪聲自適應(yīng)調(diào)節(jié)和發(fā)射機(jī)本振共纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn) 5.91kbit/s 和 5.77kbit/s 的密鑰成碼率，為 CV-QKD 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的新成果，并在青島開(kāi)展現(xiàn)網(wǎng)示范應(yīng)用。

QKD 商用化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署過(guò)程中，由于量子態(tài)光信號(hào)的極低光功率，以及單光子探測(cè)器的超高檢測(cè)靈敏度，所以通常需要獨(dú)立的暗光纖進(jìn)行傳輸，而與其他光通信信號(hào)進(jìn)行共纖混合傳輸，可能導(dǎo)致光纖內(nèi)產(chǎn)生的拉曼散射噪聲影響單光子檢測(cè)事件響應(yīng)的正確率。

QKD 系統(tǒng)與光通信系統(tǒng)的共纖混傳能力是限制現(xiàn)網(wǎng)部署的一個(gè)關(guān)鍵性因素，也是未來(lái)發(fā)展演進(jìn)的重要研究方向之一。目前，已有中科大，東芝歐研所，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通等報(bào)道了基于 1310nm 的 O波段 DV-QKD 系統(tǒng)與 1550nm 的 C 波段光通信系統(tǒng)的共纖混傳實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，但 QKD 系統(tǒng)的密鑰成碼率對(duì)光纖的損耗敏感，在實(shí)際應(yīng)用部署中并不推薦使用 O 波段，并且 1310nm 的 QKD 系統(tǒng)商用化程度較低。

商用 QKD 系統(tǒng)通常采用 1550nm 的 C 波段作為量子態(tài)光信號(hào)波長(zhǎng)，與 1310nm 的 O 波段光通信設(shè)備的共纖混傳，也在部分運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。在限制光通信信號(hào)功率至接收機(jī)靈敏度范圍的條件下，可以支持 QKD 在約 50 公里的城域范圍內(nèi)共纖傳輸和融合部署，并且密鑰成碼率與獨(dú)占光纖傳輸條件仍基本保持相同量級(jí)。

未來(lái)，在含有光放大器的商用光通信系統(tǒng)中，進(jìn)行 QKD 系統(tǒng)的融合組網(wǎng)和共纖傳輸，仍然是重要研究方向，在共纖傳輸方面， CV-QKD 采用本振光相干探測(cè)和平衡接收，對(duì)于拉曼散射噪聲具有較強(qiáng)的容忍度，相比 DV-QKD 具有一定原理性優(yōu)勢(shì)。

基于 QKD 的量子保密通信在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)展了試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，歐盟“量子旗艦計(jì)劃”項(xiàng)目支持西班牙和法國(guó)等地運(yùn)營(yíng)商，開(kāi)展 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，與科研項(xiàng)目結(jié)合進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用探索。韓國(guó) SKT 等運(yùn)營(yíng)商通過(guò)收購(gòu)瑞士 IDQ 股權(quán)等方式，也開(kāi)始介入 QKD技術(shù)領(lǐng)域，并承建了韓國(guó)首爾地區(qū)的 QKD 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

我國(guó)量子保密通信的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用發(fā)展較為迅速，近年來(lái)中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)及其產(chǎn)業(yè)公司開(kāi)展了“京滬干線”和國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等 QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目。中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)建設(shè)了從合肥到蕪湖的“合巢蕪城際量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)”，以及從南京到蘇州總長(zhǎng)近 600 公里的“寧蘇量子干線”；華南師大劉頌豪院士團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合啟動(dòng)建設(shè)覆蓋粵港澳大灣區(qū)的“廣佛肇量子安全通信網(wǎng)絡(luò)”。我國(guó)的QKD 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模已處于世界領(lǐng)先。

▲我國(guó) QKD 領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備商

在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方面，近年來(lái)我國(guó)又新增了一批由科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化或海外歸國(guó)人才創(chuàng)立的 QKD 設(shè)備供應(yīng)商，并且在技術(shù)路線上呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)， QKD 技術(shù)研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)商情況如上圖所示。CV-QKD 技術(shù)在北大、北郵、上海交大和山西大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)中取得大量研究成果。

上海循態(tài)量子、北京啟科量子、北京中創(chuàng)為量子和廣東國(guó)騰量子等公司加入 QKD 設(shè)備供應(yīng)商行列，同時(shí)傳統(tǒng)通信設(shè)備行業(yè)中的華為和烽火等設(shè)備供應(yīng)商，也開(kāi)始關(guān)注基于 CV-QKD等技術(shù)的商用化設(shè)備，并與傳統(tǒng)通信設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行整合，探索為信息網(wǎng)絡(luò)中的加密通信和安全增值服務(wù)提供解決方案。

基于 QKD 的量子保密通信目前主要用于點(diǎn)到點(diǎn)的密鑰共享和基于 VPN 和路由器等有線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸加密。探索將 QKD 與無(wú)線通信加密應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合，對(duì)于擴(kuò)展量子保密通信的應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)拓商業(yè)化應(yīng)用市場(chǎng)，以及推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價(jià)值。

其中的主要難點(diǎn)是量子密鑰一旦生成之后，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(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次傳輸。通過(guò)使用 QKD 網(wǎng)絡(luò)作為密鑰分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，在不同 QKD 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的安全管理域內(nèi)，使用密鑰充注設(shè)備可以為符合一定安全性等級(jí)要求的移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，例如 SD 卡等，進(jìn)行密鑰充注。

密鑰存儲(chǔ)介質(zhì)再與具備身份認(rèn)證和加密通信功能的無(wú)線終端進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)使用量子密鑰對(duì)無(wú)線終端與加密服務(wù)器之間的身份認(rèn)證和會(huì)話密鑰協(xié)商過(guò)程的加密保護(hù)，從而為無(wú)線通信領(lǐng)域的加密應(yīng)用提供一定程度的量子加密服務(wù)。目前該解決方案已有初步商用化設(shè)備，并開(kāi)始探索在政務(wù)和專網(wǎng)等高安全性需求領(lǐng)域的無(wú)線加密通信應(yīng)用，未來(lái)可能成為擴(kuò)展量子保密通信商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

在量子保密通信試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)安全性也是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)輿論關(guān)注的問(wèn)題之一。近來(lái)，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的關(guān)于 QKD 系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)安全性的研究論文，進(jìn)一步引發(fā)了關(guān)于量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性的討論。

QKD 技術(shù)經(jīng)過(guò)近 40 年的發(fā)展，其中密鑰分發(fā)的安全性由量子力學(xué)的基本原理保證，理論安全性證明也相對(duì)完備， QKD 技術(shù)在提供對(duì)稱密鑰的安全性方面的價(jià)值已經(jīng)獲得全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的承認(rèn)和共識(shí)，但基于 QKD 的量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)安全性仍然是值得關(guān)注和研究的問(wèn)題。

QKD 只是量子保密通信系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，量子保密通信系統(tǒng)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(rèn)證三個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。目前 QKD 商用系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)光纖中的密鑰生成速率約為數(shù)十 kbit/s 量級(jí)，對(duì)于現(xiàn)有信息通信網(wǎng)絡(luò)中的 SDH、 OTN和以太網(wǎng)等高速業(yè)務(wù)，難以采用一次一密加密，通常與傳統(tǒng)對(duì)稱加密算法（例如 AES、 SM1 和 SM4 加密算法）相結(jié)合，由 QKD 提供對(duì)稱加密密鑰。在此情況下，由于存在密鑰的重復(fù)使用，并不滿足一次一密的加密體制要求。

需要指出的是，相比傳統(tǒng)對(duì)稱加密體系，量子保密通信仍然能夠帶來(lái)安全性提升和應(yīng)用價(jià)值，一方面相比原有對(duì)稱加密算法的收發(fā)雙發(fā)自協(xié)商產(chǎn)生加密密鑰， QKD 所提供的加密密鑰在密鑰分發(fā)過(guò)程的防竊聽(tīng)和破解的能力得到加強(qiáng)；另一方面 QKD 能夠提升對(duì)稱加密體系中的密鑰更新速率，從而降低密鑰和加密數(shù)據(jù)被計(jì)算破解的風(fēng)險(xiǎn)。

QKD 技術(shù)能夠保障點(diǎn)到點(diǎn)的光纖或自由空間鏈路中的密鑰分發(fā)的安全性。由于量子存儲(chǔ)和量子中繼技術(shù)距離實(shí)用化仍有一定距離，長(zhǎng)距離的 QKD 線路和網(wǎng)絡(luò)需要借助“可信中繼節(jié)點(diǎn)”技術(shù)，進(jìn)行逐段密鑰分發(fā)，密鑰落地存儲(chǔ)和中繼。密鑰一旦落地存儲(chǔ)，就不再具備量子態(tài)和由量子力學(xué)保證的信息論安全性， QKD 線路和網(wǎng)絡(luò)中的“可信中繼節(jié)點(diǎn)”需要采用傳統(tǒng)信息安全領(lǐng)域的高等級(jí)防護(hù)和安全管理來(lái)保證節(jié)點(diǎn)自身的安全性。

目前針對(duì)“可信中繼節(jié)點(diǎn)”的安全性防護(hù)要求、標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正在逐步開(kāi)展，測(cè)評(píng)工作有待加強(qiáng)。未來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)可信中繼節(jié)點(diǎn)技術(shù)要求、安全性分析和測(cè)評(píng)方法等標(biāo)準(zhǔn)的研究與實(shí)施，將是保障量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)安全性的重要措施之一。通過(guò)明確可信中繼節(jié)點(diǎn)的安全防護(hù)要求和實(shí)施方案并通過(guò)相關(guān)測(cè)評(píng)驗(yàn)證，結(jié)合符合相應(yīng)等級(jí)要求的密鑰中繼管理方案，可以實(shí)現(xiàn)符合安全性等級(jí)保護(hù)要求的 QKD 組網(wǎng)和應(yīng)用。

QKD 技術(shù)的信息論可證明安全性是指理論證明層面，對(duì)于實(shí)際QKD 系統(tǒng)而言，由于實(shí)際器件（例如光源、探測(cè)器和調(diào)制器等）無(wú)法滿足理論證明的假設(shè)條件，即可能存在安全性漏洞，所以 QKD 系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性以及漏洞攻擊和防御，一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。前述的中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)道，都是針對(duì) QKD 實(shí)際系統(tǒng)的安全性漏洞進(jìn)行攻擊和防御改進(jìn)的學(xué)術(shù)研究成果。

需要指出的是， 此類研究通常在完全控制系統(tǒng)設(shè)備的條件下，采用極端條件模擬（例如超高光功率注入等方式）來(lái)攻擊系統(tǒng)獲取密鑰信息，與實(shí)際系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中可行的攻擊和竊聽(tīng)屬于不同層面。

并且此類研究的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)也是在于改進(jìn)和提升 QKD 系統(tǒng)的實(shí)際安全性，通常都會(huì)給出針對(duì)所提出的攻擊方式的系統(tǒng)防御策略和解決方案，而非否定 QKD 系統(tǒng)安全性。針對(duì) QKD 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)安全性的學(xué)術(shù)研究在未來(lái)將會(huì)持續(xù)進(jìn)行，從實(shí)際應(yīng)用層面而言， QKD系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)也需要持續(xù)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)安全性研究和測(cè)評(píng)驗(yàn)證。

QKD 系統(tǒng)的性能指標(biāo)和實(shí)用化水平仍有提升空間。目前由于系統(tǒng)協(xié)議，關(guān)鍵器件和后處理算法等方面的限制，商用 QKD 系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)中的單跨段光纖傳輸距離通常在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率約為數(shù)十kbit/s 量級(jí)，系統(tǒng)傳輸能力和密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。

同時(shí)， QKD設(shè)備系統(tǒng)的工程化水平也有一定提升空間，例如偏振調(diào)制型設(shè)備在抗光纖線路擾動(dòng)方面存在技術(shù)難點(diǎn)；單光子探測(cè)器需要低溫制冷，對(duì)機(jī)房環(huán)境溫度變化較為敏感；QKD 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)維等方面尚未完全成熟。

此外，量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)需要密鑰管理設(shè)備和加密通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng)，密鑰管理設(shè)備屬于信息安全領(lǐng)域，加密通信設(shè)備屬于信息通信領(lǐng)域，目前量子保密通信業(yè)界與信息通信行業(yè)和信息安全行業(yè)的合作與融合還比較有限，設(shè)備產(chǎn)品的工程化和標(biāo)準(zhǔn)化水平需進(jìn)一步提升和演進(jìn)。

量子保密通信技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展還面臨加密體制的技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)。量子保密通信的應(yīng)用背景主要是面向未來(lái)量子計(jì)算對(duì)于現(xiàn)有公鑰加密體系的計(jì)算破解威脅。

一方面，量子計(jì)算的發(fā)展目前還處于多種技術(shù)路線探索的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，盡管近年來(lái)發(fā)展加速，但是距離實(shí)現(xiàn)真正具備破解密碼體系的大規(guī)?？删幊掏ㄓ没孔佑?jì)算能力仍有很長(zhǎng)的距離。

另一方面，信息安全行業(yè)也在為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算可能帶來(lái)的安全性威脅進(jìn)行積極準(zhǔn)備，目前以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（ NIST）主導(dǎo)的抗量子計(jì)算破解的新型加密體系和算法的全球征集和評(píng)比已經(jīng)完成第一輪篩選，計(jì)劃在 2023 年左右完成三輪公開(kāi)評(píng)選，并推出新型加密體制標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)上海交大、復(fù)旦大學(xué)和中科院等單位提交的新型加密方案也參與其中。未來(lái)，抗量子計(jì)算破解的安全加密體制存在量子保密通信和后量子安全加密的技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)， 加快提升 QKD系統(tǒng)成熟度、實(shí)用化水平和性價(jià)比，是搶占先機(jī)的關(guān)鍵。

量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場(chǎng)開(kāi)拓仍需進(jìn)一步探索。量子保密通信是對(duì)現(xiàn)有的保密通信技術(shù)中的對(duì)稱加密體系的一種安全性提升，能夠解決密鑰分發(fā)過(guò)程的安全性問(wèn)題，提升對(duì)稱加密通信的安全性水平，但是并不能完全解決信息網(wǎng)絡(luò)中面臨的所有安全性問(wèn)題。

量子保密通信主要適用于具有長(zhǎng)期性和高安全性需求的保密通信應(yīng)用場(chǎng)景，例如政務(wù)和金融專網(wǎng)，以及電力等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等， 市場(chǎng)容量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)有限， 目前主要依靠國(guó)家和地方政府的支持和投入。量子保密通信技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用推廣和市場(chǎng)化發(fā)展仍然面臨技術(shù)成熟度、設(shè)備可靠性和投入產(chǎn)出性價(jià)比等方面的考驗(yàn)，需要產(chǎn)學(xué)研用各方共同努力，從設(shè)備升級(jí)、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)完善和商用化探索等多方面共同推動(dòng) 。

我國(guó)面臨的信息安全形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，在政務(wù)、金融、外交、國(guó)防和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，提高信息安全保障能力的需求較為緊迫，對(duì)量子保密通信技術(shù)帶來(lái)的長(zhǎng)期信息安全保障能力有客觀需求和應(yīng)用前景。同時(shí)，量子保密通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣，也需要其自身技術(shù)成熟度、設(shè)備工程化、現(xiàn)實(shí)安全性和可靠性水平的不斷提升，以滿足規(guī)?；瘧?yīng)用部署和運(yùn)維管理等方面的條件和要求。

針對(duì)量子保密通信系統(tǒng)設(shè)備的工程化和實(shí)用化的關(guān)鍵瓶頸開(kāi)展基礎(chǔ)性共性技術(shù)，例如高性能單光子探測(cè)器、集成化調(diào)制解調(diào)器和高性能后處理算法等領(lǐng)域的攻關(guān)突破，將政策支持的優(yōu)勢(shì)真正轉(zhuǎn)化為核心技術(shù)和產(chǎn)品功能性能的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)工程化水平和解決方案性價(jià)比，是應(yīng)用發(fā)展演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)的關(guān)鍵所在。

量子測(cè)量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

信息技術(shù)包含信息獲取、處理、傳遞三大部分，與測(cè)量、計(jì)算和通信三大領(lǐng)域分別對(duì)應(yīng)。精密測(cè)量技術(shù)作為從物理世界獲取信息的主要途徑，在信息技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。精密測(cè)量不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且還能服務(wù)于國(guó)家重大需求，對(duì)各領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步具有推動(dòng)作用，因此具有重大的研究意義。

精密測(cè)量的本質(zhì)是測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)物理量的相互作用，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)性質(zhì)的變化表征待測(cè)物理量的大小。經(jīng)典的測(cè)量方法的精度往往受限于衍射極限、散粒噪聲和海森堡極限等因素，測(cè)量精度提升面臨困難。

近年來(lái)量子技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)微觀對(duì)象量子態(tài)的操縱和控制日趨成熟，量子測(cè)量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。利用量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計(jì)等特性可以突破經(jīng)典力學(xué)框架下的測(cè)量極限，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量?；谖⒂^粒子系統(tǒng)和量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱為量子測(cè)量。

在量子測(cè)量中，電磁場(chǎng)、重力、加速度、角速度等外界環(huán)境直接與原子、離子、電子、光子等量子體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。

在量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域，量子系統(tǒng)的量子狀態(tài)極易收到外界環(huán)境的影響而發(fā)生改變，嚴(yán)重的制約著量子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性。量子測(cè)量恰恰利用量子體系的這一“缺點(diǎn)”，使量子體系與待測(cè)物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變來(lái)對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于量子測(cè)量的定義，一直存在著爭(zhēng)議和疑問(wèn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外量子信息技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)分類和業(yè)界調(diào)研反饋，廣義量子測(cè)量可以涵蓋利用量子特性來(lái)獲得比經(jīng)典測(cè)量系統(tǒng)更高的分辨率或靈敏度的測(cè)量技術(shù)。量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)具有兩大基本特征：一是操控觀測(cè)對(duì)象是微觀粒子系統(tǒng)，二是與待測(cè)物理量相互作用導(dǎo)致量子態(tài)變化，而具備以上兩點(diǎn)特征的測(cè)量技術(shù)可以納入量子測(cè)量的范疇。

▲量子測(cè)量的基本流程和主要步驟

量子測(cè)量可以分為以下五個(gè)基本步驟，如上圖所示。其中，量子態(tài)初始化是將量子系統(tǒng)初始化到一個(gè)穩(wěn)定的已知基態(tài)；初始測(cè)量態(tài)根據(jù)不同的應(yīng)用及技術(shù)原理，通過(guò)控制信號(hào)將量子系統(tǒng)調(diào)制到初始測(cè)量狀態(tài)；與待測(cè)物理量相互作用通過(guò)待測(cè)物理量（重力、磁場(chǎng)等）作用在量子系統(tǒng)上一段時(shí)間，使其量子態(tài)發(fā)生改變；量子態(tài)讀取通過(guò)測(cè)量確定量子系統(tǒng)的最終狀態(tài)（比如測(cè)量躍遷光譜、馳豫時(shí)間等）；結(jié)果轉(zhuǎn)換則將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為經(jīng)典信號(hào)輸出，獲取測(cè)量值。

外界物理量和量子系統(tǒng)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(huì)誘導(dǎo)能級(jí)間的躍遷，從而增加其躍遷率；縱向作用通常導(dǎo)致能級(jí)的平移，從而改變其躍遷頻率。通過(guò)測(cè)量躍遷率和躍遷頻率的變化實(shí)現(xiàn)物理量的探測(cè)，如下圖所示。

▲外界物理量與量子體系的作用機(jī)制

量子測(cè)量涵蓋電磁場(chǎng)、重力應(yīng)力、方向旋轉(zhuǎn)、溫度壓力等物理量，應(yīng)用范圍涉及基礎(chǔ)科研、空間探測(cè)、材料分析、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害預(yù)防等諸多領(lǐng)域，當(dāng)前量子測(cè)量研究和應(yīng)用的主要領(lǐng)域及其技術(shù)體系如下圖所示。

通過(guò)對(duì)不同種類量子系統(tǒng)中獨(dú)特的量子特性進(jìn)行控制與檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識(shí)別、量子重力測(cè)量、量子磁場(chǎng)測(cè)量、量子時(shí)間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的測(cè)量傳感，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要高精度、小型化和芯片化。

▲量子測(cè)量主要應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)體系

按照對(duì)量子特性的應(yīng)用，量子測(cè)量分三個(gè)層次，

第一層次是基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量；

第二層次是基于量子相干性（波狀空間時(shí)間疊加態(tài)）測(cè)量；

第三層次是基于量子糾纏進(jìn)行測(cè)量，突破經(jīng)典的理論極限。其中，前兩個(gè)層次雖然沒(méi)有充分利用量子疊加和糾纏等獨(dú)特性質(zhì)，但是目前技術(shù)較成熟，涉及面寬，涵蓋了大部分量子測(cè)量場(chǎng)景，部分領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

第一層次從 20 世紀(jì) 50 年代就逐步在原子鐘等領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。近些年隨著量子態(tài)操控技術(shù)研究的不斷深入，基于自旋量子位的測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)，通過(guò)外部物理量改變能級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)探測(cè)吸收或發(fā)射頻譜對(duì)外部物理量進(jìn)行測(cè)量。

第二層次主要利用量子系統(tǒng)的物質(zhì)波特性，通過(guò)干涉法進(jìn)行外部物理量的測(cè)量，廣泛應(yīng)用于量子陀螺儀、量子重力儀等領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)成熟，精度較高，但是系統(tǒng)體積通常較大，短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)集成化。第三個(gè)層次條件最為嚴(yán)苛，同時(shí)也最接近量子的本質(zhì)?；诹孔蛹m纏的量子測(cè)量技術(shù)研究還比較少，主要集中在量子目標(biāo)識(shí)別、量子時(shí)間同步和量子衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。受制于量子糾纏態(tài)的制備和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，目前主要在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)用化較遠(yuǎn)。

利用自旋量子位進(jìn)行精密測(cè)量是量子測(cè)量領(lǐng)域中一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域。量子體系的自旋態(tài)地與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，磁場(chǎng)變化會(huì)導(dǎo)致自旋量子位的能級(jí)結(jié)構(gòu)變化，從而改變輻射或吸收頻譜，通過(guò)對(duì)譜線的精密測(cè)量就可以完成磁場(chǎng)測(cè)量。

另外，自旋量子位的能級(jí)結(jié)構(gòu)還與溫度、應(yīng)力有關(guān)，利用類似原理實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力的精密測(cè)量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁場(chǎng)，當(dāng)自旋量子位發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，可實(shí)現(xiàn)角速度和加速度的精密測(cè)量?；谧孕孔游坏臏y(cè)量體系的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏度和高頻譜分辨率， 自旋量子位的操控和讀取對(duì)環(huán)境要求較低，便于應(yīng)用。其空間分辨率遠(yuǎn)小于光學(xué)成像的衍射極限，有望用于對(duì)微納芯片和生物組織的檢測(cè)與成像。

金剛石氮空位（ Nitrogen-Vacancy， NV）色心是一種近期備受關(guān)注的自旋量子位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的超高靈敏度檢測(cè)，廣泛地應(yīng)用于磁場(chǎng)、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測(cè)量領(lǐng)域，具有巨大的潛力。目前金剛石色心測(cè)量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)芯片化，基于金剛石色心的芯片級(jí)陀螺儀、磁力計(jì)、磁成像裝置均有報(bào)道。

例如美國(guó) MIT 今年首次報(bào)道了在硅芯片上制造了基于金剛石色心的量子傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精密測(cè)量，功能包括片上微波的產(chǎn)生和傳輸，以及來(lái)自金剛石量子缺陷的攜帶信息熒光的片上過(guò)濾和檢測(cè)，器件結(jié)構(gòu)緊湊，功耗較低，在自旋量子位測(cè)量和 CMOS 技術(shù)的結(jié)合方面邁出關(guān)鍵一步。

此外， 金剛石色心量子測(cè)量還能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的空間分辨率。中科大今年首次實(shí)現(xiàn)基于金剛石色心的 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(chǎng)檢測(cè)和實(shí)用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)， 可應(yīng)用于微納電磁場(chǎng)及光電子芯片檢測(cè)，拓寬遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。自旋偶極耦合在密集自旋體系中產(chǎn)生壓縮，有望使測(cè)量靈敏度接近海森堡極限。

量子糾纏作為量子光學(xué)乃至量子力學(xué)最為核心的課題，獲得了研究者們的廣泛關(guān)注。隨著 EPR 佯謬的提出，人們逐步發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了量子態(tài)的非定域性。

利用量子糾纏這種非定域性可以實(shí)現(xiàn)距離的精確測(cè)量，一對(duì)糾纏光子包含信號(hào)光子和閑置光子，將信號(hào)光子發(fā)往距離未知的待測(cè)位置，閑置光子發(fā)送到位置固定的光電探測(cè)器，分別記錄光子的量子態(tài)和到達(dá)時(shí)間，并通過(guò)經(jīng)典信道進(jìn)行信息交互，通過(guò)聯(lián)合測(cè)量?jī)傻氐竭_(dá)時(shí)間可以計(jì)算出距離。

如果采用三組基點(diǎn)對(duì)統(tǒng)一位置進(jìn)行測(cè)量，就可以在三維空間中唯一確定待測(cè)點(diǎn)的位置，基于此原理即可實(shí)現(xiàn)量子衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ QPS）用于高精度量子定位導(dǎo)航。如果距離是已知參數(shù)，根據(jù)此原理還可用于測(cè)量?jī)傻氐?a href="http://wenjunhu.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩地的高精度時(shí)鐘同步，此原理被應(yīng)用在量子時(shí)間同步協(xié)議中。類似于量子通信的原理，如果測(cè)量過(guò)程中存在竊聽(tīng)者，糾纏態(tài)會(huì)遭到破壞，測(cè)量數(shù)據(jù)將不再關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到防竊聽(tīng)的目的， 也提高了系統(tǒng)的安全性。

量子糾纏特性還廣泛應(yīng)用于量子目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。干涉式量子雷達(dá)和量子照射雷達(dá)都將糾纏光作為光源。干涉式量子雷達(dá)使用非經(jīng)典源（ 糾纏態(tài)或壓縮態(tài)） 照射目標(biāo)區(qū)域，在接收端進(jìn)行經(jīng)典的干涉儀原理進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)利用光源的量子特性，可以使雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨能力和角分辨能力突破經(jīng)典極限。量子照射雷達(dá)在發(fā)射信號(hào)中使用糾纏光源掃描目標(biāo)區(qū)域，在接收處理中進(jìn)行量子最優(yōu)聯(lián)合檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高靈敏探測(cè)。

目前，基于量子糾纏的量子測(cè)量多處于理論研究階段，原理樣機(jī)的報(bào)道較少。主要原因在于高質(zhì)量性能穩(wěn)定的糾纏源制備目前尚未實(shí)現(xiàn)突破，另外高性能單光子探測(cè)技術(shù)瓶頸也制約其發(fā)展，單光子探測(cè)器的靈敏度、暗計(jì)數(shù)、時(shí)間抖動(dòng)等性能參數(shù)直接決定了量子測(cè)量的精度，有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。

隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的興起，時(shí)間同步精度的需求也日益提高。從早期的日晷，水鐘，到機(jī)械鐘，石英鐘，再到原子鐘，人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量越來(lái)越精確。目前通信網(wǎng)絡(luò)中主要使用 GPS衛(wèi)星信號(hào)提供高精度的時(shí)間源，但衛(wèi)星信號(hào)不再能滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的全部需求，主要原因包括：衛(wèi)星信號(hào)不能覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景， 衛(wèi)星授時(shí)可靠性和安全性待提高， 衛(wèi)星接收機(jī)成本高。

為了滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)同步需求，需研究超高精度時(shí)鐘源和高精度同步傳輸協(xié)議，其未來(lái)應(yīng)用如下圖所示。其中， 量子時(shí)鐘源可以提供不確定度優(yōu)于 1e-17 超高精度時(shí)鐘源，量子時(shí)間同步協(xié)議結(jié)合量子糾纏等技術(shù)可以為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度和高安全性的同步傳輸協(xié)議。

▲ 高精度時(shí)鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

量子時(shí)鐘源利用原子能級(jí)躍遷譜線的穩(wěn)定頻率作為參考，通過(guò)頻率綜合和反饋電路來(lái)鎖定晶體振蕩器的頻率，從而得到準(zhǔn)確而穩(wěn)定的頻率輸出。根據(jù)躍遷頻率范圍分類，量子時(shí)鐘源可分為光鐘和微波鐘兩大類。

目前微波鐘的不確定度最高可達(dá)到~1e-16 量級(jí)。由于時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和精度極大程度上取決于參考譜線的線寬 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(gè)數(shù)量級(jí)， 并且光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率噪聲遠(yuǎn)小于原子鐘， 與原子微波鐘相比， 光鐘的穩(wěn)定性、精度和位相噪聲都有數(shù)量級(jí)的改善。

由于還沒(méi)有電子系統(tǒng)能夠直接并準(zhǔn)確地記錄原子及離子 5e14 次/秒的光學(xué)振動(dòng)，需要一種有效連接光頻與射頻的頻率鏈。光學(xué)頻率梳為超高精度同步實(shí)現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段，可將光頻率的穩(wěn)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(shí)鐘輸出精度。

光學(xué)頻率梳也是量子時(shí)鐘源的一個(gè)重要研究方向。高精度與小型化是量子時(shí)鐘源兩大發(fā)展趨勢(shì)，高精度量子時(shí)鐘源可用于協(xié)調(diào)世界時(shí)（ UTC）產(chǎn)生，小型化芯片級(jí)量子時(shí)鐘源可用作星載鐘，在衛(wèi)星導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

隨著高精度時(shí)間同步技術(shù)在基礎(chǔ)科研、導(dǎo)航、 定位、電力、通信 以及國(guó)防等方面的廣泛應(yīng)用， 將對(duì)同步傳輸精度提出更高要求。時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)由多時(shí)鐘源組成，即使所有的時(shí)鐘源都具有非常高的精度，由于時(shí)鐘源之間存在頻率差和初始相位差，各鐘面讀數(shù)仍不相同，需要時(shí)間同步協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘源進(jìn)行同步和修正。

量子時(shí)間同步協(xié)議與經(jīng)典同步協(xié)議相比，具有同步精度高、安全防竊聽(tīng)、可消除色散等優(yōu)點(diǎn)，從而受到廣泛的關(guān)注。

根據(jù)理論分析，經(jīng)典同步協(xié)議受限于經(jīng)典測(cè)量的散粒噪聲極限，而對(duì)于量子時(shí)間同步協(xié)議，其準(zhǔn)確度將達(dá)到量子力學(xué)中的海森堡極限，比經(jīng)典時(shí)間同步極限提高√

責(zé)任編輯：haq