量子信息技术发展与应用研究报告 （2019年） 中国信息通信研究院 2019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 量子信息技术以微观粒子系统为操控对象，借助其中的量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输，能够在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面带来原理性优势和突破经典技术瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。 近年来，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与应用在全球范围内加速发展，各国纷纷加大投入力度和拓宽项目布局。三大领域的技术创新活跃，专利与论文增长较为迅速，重要研究成果和舆论热点层出不穷。我国量子信息技术研究和应用探索具备良好的实践基础，加大支持力度，突破瓶颈障碍，聚力加快发展，有望实现与国际先进水平并跑领跑。 为推动我国量子信息技术应用探索和产业化健康发展，中国信息通信研究院在2018年发布研究报告基础上，组织编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2019年），深入分析量子信息技术三大领域的关键技术、热点问题、发展现状、演进趋势，阐述我国面临的机遇与挑战，以及未来发展态势。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势 ............................................................................... 1 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 ..................................... 1 （二）各国加大量子信息领域的支持投入和布局推动 ..................................... 2 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展 ..................................... 4 （四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速 ..................................... 6 二、量子计算领域研究与应用进展 ......................................................................... 11 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛............................................. 11 （二）“量子优越性”突破里程碑，实用化尚有距离 ............................................. 12 （三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾 ................................................. 14 （四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大 ................................................. 16 （五）应用探索持续深入，“杀手级应用”或可期待 ............................................. 19 三、量子通信领域研究与应用进展 ......................................................................... 20 （一）量子通信技术研究和样机研制取得新成果 ................................................. 20 （二）量子密钥分发技术演进关注提升实用化水平............................................. 23 （三）量子保密通信应用探索和产业化进一步发展............................................. 25 （四）量子保密通信网络现实安全性成为讨论热点............................................. 27 （五）量子保密通信规模化应用与产业化仍需探索............................................. 29 四、量子测量领域研究与应用进展 ......................................................................... 32 （一）量子测量突破经典测量极限，应用领域广泛............................................. 32 （二）自旋量子位测量有望实现芯片化和集成应用............................................. 36 （三）量子纠缠测量处于前沿研究，实用尚有距离............................................. 37 （四）超高精度量子时钟同步有望助力未来通信网............................................. 38 （五）量子测量产业初步发展，仍需多方助力合作............................................. 40 五、量子信息技术发展与应用展望 ......................................................................... 42 （一）理论与关键技术待突破，领域发展前景各异............................................. 42 （二）我国具备良好的实践基础，机遇和挑战并存............................................. 45 图 目 录 图 1 欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目 ................................................... 3 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况 ........................................................... 7 图 3 量子计算领域发表论文趋势及主要发文机构 ........................................... 8 图 4 量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势 ........................................... 8 图 5 量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构 ........................................... 9 图 6 量子测量领域专利申请和论文发表趋势 ................................................. 10 图 7 Google Sycamore超导量子计算处理器 .................................................... 13 图 8 量子计算云平台通用体系架构 ................................................................. 15 图 9 美国量子计算研究与应用发展模式 ......................................................... 17 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布 ............................................... 18 图 11 量子计算研发主体与产业应用生态 ....................................................... 19 图 12 量子安全直接通信原理样机实验系统 ................................................... 22 图 13 我国QKD领域主要研究机构和设备商 ................................................ 26 图 14 量子测量的基本流程和主要步骤 ........................................................... 33 图 15 外界物理量与量子体系的作用机制 ....................................................... 34 图 16 量子测量主要应用领域和技术体系 ....................................................... 35 图 17 高精度时钟同步在通信网络中的应用 ................................................... 39 图 18 量子测量科研及产业发展情况 ............................................................... 41 图 19 量子信息技术发展与应用趋势展望 ....................................................... 44 量子信息技术发展与应用研究报告（2019年） 1 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入，以及对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子系统（如电子、光子和冷原子等）为操控对象，借助其中的量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃发展。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，可以在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面突破经典技术的瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。 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进行量子并行计算，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，能够在特定计算困难问题上提供指数级加速。量子计算带来的算力飞跃，有可能在未来引发改变游戏规则的计算革命，成为推动科学技术加速发展演进的“触发器”和“催化剂”。未来可能在实现特定计算问题求解的专用量子计算处理器，用于分子结构和量子体系模拟的量子模拟机，以及用于机器学习和大数据集优化等应用的量子计算新算法等方面率先取得突破。 量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传 量子信息技术发展与应用研究报告（2019年） 2 输，基于量子力学原理保证传输安全性，主要分量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子密钥分发基于量子力学原理保证密钥分发的安全性，是首个从实验室走向实际应用的量子通信技术分支。通过在经典通信中加入量子密钥分发和信息加密传输，可以提升网络信息安全保障能力。量子隐形传态在经典通信辅助之下，可以实现任意未知量子态信息的传输。量子隐形传态与量子计算融合形成量子信息网络，是未来量子信息技术的重要发展方向之一。 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