對量子信息系統(tǒng)發(fā)展的探討

量子信息系統(tǒng)是技術(shù)形態(tài)量子化的信息系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為量子信息技術(shù)在信息獲取、信息存儲、信息傳遞、信息處理、信息使用等信息過程中的應用。

量子調(diào)控和量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展標志著“第二次量子革命”的興起。量子信息技術(shù)成為世界科技的前沿，更是信息時代各國發(fā)展戰(zhàn)略的競爭焦點。量子信息領(lǐng)域每月甚至每周都有新進展，我國在量子信息領(lǐng)域具有理論和技術(shù)儲備優(yōu)勢，產(chǎn)生了一批具有重要國際影響的研究成果，如“量子稱霸”、“京滬新干線”、10量子比特計算模擬、“墨子”衛(wèi)星千公里糾纏等。量子信息科技革命給了我國一個從經(jīng)典信息技術(shù)時代的跟蹤者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)的引領(lǐng)者的、不可錯過的歷史機遇，實現(xiàn)彎道超車將會使得我國的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)核心競爭力實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 量子信息技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 量子信息技術(shù)是基礎(chǔ)性創(chuàng)新

量子，即能量子，是一個表征輻射能量的離散量，大小與輻射頻率成比例。一般認為原子是物質(zhì)的基本組成單元，量子是能量的基本組成單元。光子、電子、中子、質(zhì)子甚至原子，都遵循量子力學規(guī)律，具有量子屬性。如量子電子學，是指研究電子的量子屬性或具有量子屬性的電子的一門學科，就語法而言，這里的量子是名詞作形容詞。

1900年，普朗克首先使用了能量子這個物理概念，并與波爾、薛定諤等共同撥開了“紫外災難”這朵烏云，讓二十世紀沐浴在“量子”的陽光下。這是認識量子的時期，史稱第一次量子革命，由“能帶理論”發(fā)明了晶體管，更直接催生了信息技術(shù)。維納的“信息就是信息，不是物質(zhì)或能量”的論斷，鐘義信教授的本體信息論，“麥克斯韋妖”悖論和朗道原理解釋，還有最新的量子實驗現(xiàn)象等等，都表明：信息、能量、物質(zhì)是客觀世界存在的三個基本要素。當人類開始探索普朗克尺度的微觀世界時，發(fā)現(xiàn)了更加廣闊而深邃的科學與技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)展了超越經(jīng)典和常規(guī)的認知，包括量子力學QD、量子電動力學QED、量子色動力學QCD、量子味動力學QFD，還有正在建立的量子引力理論，這些都是基礎(chǔ)性的創(chuàng)新！

新世紀，量子信息與調(diào)控技術(shù)的突破引發(fā)了第二次量子革命，經(jīng)典信息技術(shù)升級為量子信息技術(shù)，其顛覆性效果體現(xiàn)在信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息使用等信息過程的方方面面。世界強國均將相關(guān)研究工作、產(chǎn)業(yè)實踐和環(huán)境建設(shè)等作為信息時代發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。

1.2 信息技術(shù)發(fā)展的顛覆性前沿

2016年度諾貝爾物理學獎授予了大衛(wèi)·索利斯等三人，表彰他們在物質(zhì)拓撲相變和拓撲相的重大理論發(fā)現(xiàn)，認為這有助于未來量子計算機的發(fā)展。新華網(wǎng)調(diào)查“當今世界八大熱門科技”，排名第6的是“量子通信”。中國軍網(wǎng)發(fā)布的“2016年世界國防科技十大前沿技術(shù)”，第8個是“量子信息技術(shù)”。

美國國防部2013-2017科技發(fā)展五年計劃中，將量子信息與控制技術(shù)列為未來重點關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域，DARPA為此制定了量子信息科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，并給予大力支持。

歐盟于2008年發(fā)布了量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告，聯(lián)合12個歐盟國家成立了基于量子密碼的安全通信工程，成為繼歐洲核子中心和國際空間站后又一大規(guī)模的國際科技合作。2016年，歐盟啟動總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目“量子宣言”，將量子傳感、量子通信、量子計算和量子模擬作為四個重點研究方向，意圖建立極具競爭力的歐洲量子產(chǎn)業(yè)，增強歐洲在量子研究方面的科學領(lǐng)導力。

英國于2007年成立了由17所大學和132家公司組成的量子技術(shù)樞紐中心，2015年又配套3億英鎊用于支持歐盟量子旗艦項目。

我國《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》將“量子調(diào)控機制”列為基礎(chǔ)研究的四項重大研究計劃之一，明確指出要探索新的量子現(xiàn)象，發(fā)展量子信息學、量子通信等技術(shù)，以構(gòu)建未來信息理論基礎(chǔ)。

這些國家級規(guī)劃和計劃表明：量子信息技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的顛覆性前沿之一，也是“建設(shè)科技強國”的歷史機遇。

2 量子信息系統(tǒng)特征

2.1 量子信息系統(tǒng)概念

量子信息技術(shù)應用于信息獲取、信息存儲、信息傳遞、信息處理、信息使用等信息過程，將經(jīng)典信息技術(shù)形態(tài)量子化，形成的信息系統(tǒng)稱為量子信息系統(tǒng)。

經(jīng)典信息技術(shù)時代發(fā)展的巔峰是各種各樣的電子信息系統(tǒng)，研究工作借鑒其發(fā)展經(jīng)驗，在量子信息技術(shù)時代之初倡導頂層設(shè)計，建議以量子信息系統(tǒng)為抓手，快速推進量子信息技術(shù)的突破和應用，引領(lǐng)網(wǎng)絡信息體系發(fā)展。

圖1量子信息系統(tǒng)架構(gòu)概念圖

圖1是量子信息系統(tǒng)架構(gòu)概念圖?；陔娮有畔⑾到y(tǒng)架構(gòu)，在基礎(chǔ)設(shè)施層面，采用量子信息技術(shù)實現(xiàn)信息服務、時空基準、安全保密等資源服務。例如：利用量子光鐘提供精度為10-18秒級別的校時基準，利用量子模擬實現(xiàn)Shor算法秒破RSA密碼，利用量子隨機特性實現(xiàn)信息安全手段的升級。在功能層面，采用量子精密測量技術(shù)，提供更準確、更細致的目標對象信息等。

2.2 量子信息系統(tǒng)特征

與傳統(tǒng)電子信息系統(tǒng)相比，量子信息系統(tǒng)具有更加豐富的信息量、更加快速的信息處理以及增強的信息安全。

（1）信息量更加豐富。量子信息技術(shù)采用微觀存在的內(nèi)稟狀態(tài)或特性表征信息，其信息豐裕度高于現(xiàn)有信息系統(tǒng)。使用同樣的物質(zhì)和能量能夠獲取、存儲、處理、傳遞、表示更多的信息。依據(jù)貝肯斯坦極限，量子信息與電子信息存儲比較，兩者相差將近27個數(shù)量級！例如，固態(tài)硬盤大小的空間，采用現(xiàn)代電子技術(shù)可存儲3×1012比特（基本上達到了摩爾定律的極限），而采用量子信息技術(shù)的極限存儲容量是2.6×1039比特。

（2）信息處理更加快速。利用量子疊加性，可以在物理上實現(xiàn)并行計算，配合相應的量子算法，至少在某些計算問題上（如大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解、異構(gòu)數(shù)據(jù)檢索等）能夠媲美和超越現(xiàn)有的超級計算機，實現(xiàn)“量子稱霸”。依據(jù)布雷莫曼極限，量子計算與電子超級計算機比較，兩者相差將近32個數(shù)量級！

（3）增強的信息安全。利用量子的真隨機性和糾纏特性，能夠顛覆現(xiàn)有信息傳遞模式，無論是量子保密通信，還是隱形傳態(tài)，理論上在信息加密和傳遞環(huán)節(jié)都可以實現(xiàn)無條件安全，工程實踐中已經(jīng)實現(xiàn)有限可信節(jié)點保密通信。

2.3 量子信息系統(tǒng)專業(yè)方向

量子信息技術(shù)是信息技術(shù)的量子化實現(xiàn)，不會超越信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息使用等信息過程，其顛覆性來源于變革實現(xiàn)信息過程的技術(shù)原理和手段。

因此將量子信息系統(tǒng)細分為四個專業(yè)方向：量子通信、量子計算模擬、量子精密測量、量子器件。信息傳遞的量子技術(shù)實現(xiàn)稱為“量子通信”；信息處理和信息存儲的量子技術(shù)實現(xiàn)稱為“量子計算模擬”；信息獲取的量子技術(shù)實現(xiàn)稱為“量子精密測量”；元器件的量子技術(shù)實現(xiàn)稱為“量子器件”。在這些專業(yè)方向上，主要有9項核心技術(shù)：量子保密通信、量子隱形傳態(tài)、量子通用計算、量子模擬、量子軟件、量子導航、量子成像、量子探測、量子器件。其中的研究熱點如下。

量子保密通信：實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，保證密鑰生成與分發(fā)過程的增強安全，是對抗量子計算破解非對稱密碼體制RSA的“盾”。

量子計算：主要利用量子疊加特性，實現(xiàn)量子通用計算和量子定制計算，超越現(xiàn)有的超級計算機，實現(xiàn)“量子稱霸”，一個惹人注目的應用是顛覆傳統(tǒng)非對稱密碼體制的“矛”。

量子精密測量：在本場從微觀尺度進行量子精密測量，獲取自身位置、時間、速度等信息，實現(xiàn)自主導航定位，顛覆全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。

2.4 主要研究團隊及企業(yè)

量子信息系統(tǒng)概念和夢想有很多科研機構(gòu)、院校、企業(yè)在探索和實踐。在此，做一些不完整的介紹。

IBM團隊。1984年，IBM的學者提出了BB84協(xié)議，并于1989年首次實驗驗證，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)正式誕生，目前MagiQ公司出售商用QKD產(chǎn)品和量子安全解決方案。2016年，IBM發(fā)布免費量子計算云服務“量子體驗”，其核心是一臺五量子位的量子計算機，用戶通過一個簡單的互聯(lián)網(wǎng)接口軟件可以訪問該量子計算機。2017年，IBM還將推出比“量子體驗”有更多量子位的IBM Q。

Google團隊。2014年，Google開始自主研制量子計算機，計劃2017年底完成其首臺49比特的量子計算機。除了向科學家和人工智能研究者提供訪問其量子計算機的途徑外，Google還成立了“胚胎量子數(shù)據(jù)中心”實驗室，通過Project Q開源項目，鼓勵開發(fā)人員為量子計算機編寫代碼。

Microsoft和Delft團隊。Microsoft結(jié)合半導體和超導體，自主研發(fā)拓撲量子計算機，荷蘭Delft主攻容錯量子算法。

歐盟的東芝劍橋研究中心Shield團隊、法國高等光學研究所法布里實驗室、ID Quantique公司等，在基于光纖信道的連續(xù)變量和誘騙態(tài)QKD技術(shù)、基于自由空間信道的糾纏光子對QKD技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平。

中科大-浙大-阿里團隊。主要成員包括潘建偉、韓正甫、王向斌、苑震生、陳宇翱、施堯耘等。2016年，建成“京滬光纖量子通信骨干網(wǎng)”，成功發(fā)射“墨子號”量子通信衛(wèi)星，完成1200公里QDK試驗和量子糾纏試驗，初步構(gòu)建了廣域量子通信體系。2017年5月，成功研制首臺10個量子比特的光量子計算機。2017年9月，通過量子調(diào)控，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓撲量子物態(tài)中的準粒子——任意子，為通用量子計算機奠定了基礎(chǔ)。

中國電科團隊。作為電子信息系統(tǒng)研究和建設(shè)的國家隊，中國電子科技集團公司直面量子信息技術(shù)的顛覆性變革，組織各成員單位，聯(lián)合北大、清華、北航、北理、北郵、中科大、南大等院校，以陸軍研究員為首席科學家，提出并積極布局“量子信息系統(tǒng)”的研究、設(shè)計與實現(xiàn)。團隊在量子器件、標準計量，超導制冷機，單光子檢測雷達，量子成像，量子定制計算，量子與經(jīng)典混合計算，連續(xù)變量QKD等技術(shù)的工程化和系統(tǒng)應用方面具有先發(fā)優(yōu)勢。

3 量子信息系統(tǒng)應用

3.1 量子安全體系

數(shù)學上已經(jīng)嚴格證明：量子保密通信技術(shù)在理論上是一種無條件安全的通信方式。即使在工程實踐上存在這樣那樣的安全漏洞，量子信息技術(shù)依然能夠增強國防、金融、政務、能源、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全保障，具有重大戰(zhàn)略意義和實際應用價值。經(jīng)過30年的發(fā)展，量子保密通信技術(shù)在實際安全性、通信距離、傳輸速率、集成化、組網(wǎng)能力等方面的技術(shù)成熟度已經(jīng)達到七級，開始產(chǎn)品化、工程化和產(chǎn)業(yè)化，呈現(xiàn)出重大產(chǎn)業(yè)革命的先兆。如圖2，以量子加密、量子存儲、量子傳輸為代表的量子安全體系正在形成，世界強國都在積極整合研究資源，搶占QKD技術(shù)大規(guī)模應用的先機。

圖2量子安全體系

量子保密通信技術(shù)是我國為數(shù)不多的處于國際領(lǐng)先地位的科研領(lǐng)域，但其存在的問題也不容忽視：

（1）基礎(chǔ)性創(chuàng)新不足。量子保密通信技術(shù)的核心基礎(chǔ)協(xié)議、思想理念和安全性分析等幾乎都是美國、歐洲、澳大利亞的學者提出來的（清華大學王向斌教授對誘騙態(tài)協(xié)議的重要貢獻是唯一例外）。我國在實驗技術(shù)、工程應用方面領(lǐng)先世界各國，但要在研究方向上引領(lǐng)全球，尚需加強基礎(chǔ)性、前沿性研究，突破原始創(chuàng)新。

（2）核心器件材料不自主。我國的領(lǐng)先優(yōu)勢主要體現(xiàn)在QKD整機技術(shù)上，單光子探測器、數(shù)據(jù)處理單元（高性能FPGA、GPU等）、光電調(diào)制器等核心部件還依賴進口，在精密機械制造、半導體芯片、精密光學儀器等制造工藝方面存在短板，量子信息技術(shù)的自主可控問題比電子信息技術(shù)更加嚴峻。

（3）技術(shù)路線相對單一。國內(nèi)大部分高校和企業(yè)的技術(shù)路線集中在單光子QKD，連續(xù)變量、MDI、RRDPS等協(xié)議也各有優(yōu)勢，在沒有哪個技術(shù)路線最終勝出的情況下，國際上是在并行發(fā)展的，我們的資源投入也需要分散風險。

3.2 量子計算模擬

以智慧城市、機器人、人工智能為特征的新工業(yè)革命正在形成，高性能計算是這些典型應用的核心技術(shù)基礎(chǔ)，量子計算模擬具有求解機器學習算法的巨大潛力，主要體現(xiàn)在并行處理、超級算、超低能耗等顛覆性特征上。

（1）并行處理。量子計算模擬能夠同時變換每一個疊加分量，并以概率幅進行疊加，這就是量子計算模擬的并行性。與傳統(tǒng)計算機只能處于0或1兩種狀態(tài)之一不同，量子計算模擬的量子比特可同時處于0和1兩種狀態(tài)，從而獲得量子算法復雜度的時空壓縮優(yōu)勢。

（2）超計算。量子計算模擬能夠?qū)⒅笖?shù)級的計算復雜度降為多項式復雜度，大幅提升運算能力，解決機器學習在數(shù)據(jù)處理上的瓶頸問題，在線性規(guī)劃，類神經(jīng)網(wǎng)絡等問題上也有天然優(yōu)勢。

（3）低能耗。數(shù)學理論上，量子計算模擬是一種酉變換，是可逆計算，這部分計算不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，因此整個量子計算模擬具有低能耗特性。例如，在相同計算能力條件下，當超級計算機的能耗大約為2217千瓦時，量子計算模擬的能耗大約為25千瓦時。

目前量子計算模擬的主要應用有：基于Shor算法的大數(shù)分解，應用于量子加密解密，能夠增強網(wǎng)絡信息體系安全；基于量子退火算法的系統(tǒng)優(yōu)化，應用于天氣預測，交通規(guī)劃，量子金融分析等；基于量子體系模擬，研究多量子態(tài)系統(tǒng)，在量子物理化學、新藥物新材料等方面吸引了眾多期待。

3.2 量子精密測量

量子信息技術(shù)最直接的效應是精密測量，科技的進步使得人類的操控手段深入到了圍觀世界。在這個方向上的應用首先要說量子光鐘。微觀量子態(tài)的躍遷具有穩(wěn)定的周期，可以用于時間標準計量。1967年，國際計量大會采用了原子秒定義：秒是銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間。應用激光冷卻、磁光阱、光梳等技術(shù)，目前世界上最精確的鍶原子光鐘穩(wěn)定度達到了10-18秒量級。外界環(huán)境對量子光鐘的干擾也是可以充分利用的，這些擾動反映了地磁場、重力場等的變化。通過測量量子光鐘時頻的漂移變化，能夠獲得地表以下重力場的情況，探知埋藏的礦物或物體；還能獲得水面以下地磁場的情況，探知沉船和潛艇等。量子精密測量的應用遠遠不止這些，諸如量子痕跡跟蹤、量子成像、量子導航、量子雷達等等也同樣具有廣闊的前景。

4 量子信息技術(shù)發(fā)展展望

“第二次量子革命”當前的主要表現(xiàn)是技術(shù)變革，即以技術(shù)形態(tài)量子化為主要特征，顛覆經(jīng)典的信息獲取、存儲、傳遞、處理、使用等過程，創(chuàng)新出量子通信、量子計算、量子光鐘、量子導航、量子雷達、量子成像等應用。各自發(fā)展的單項技術(shù)，需要從頂層進行統(tǒng)籌設(shè)計，實現(xiàn)科技資源和工程資源的最大化利用，這也是開展量子信息系統(tǒng)研究的目的和意義。量子信息更是深刻的思維變革，對信息系統(tǒng)的系統(tǒng)形態(tài)會產(chǎn)生什么影響？研究工作還很初步，前景圖像還很模糊。