10月16日下午，高層就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行一次會議，強調(diào)當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個關(guān)鍵變量。要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。

去年我們曾做過一期關(guān)于全球20家量子計算巨頭的研究報告，今天我們來給大家分享下量子計算、量子通信和量子測量三大量子信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、我國量子技術(shù)面臨的機遇與挑戰(zhàn)，以及全球量子計算專利排名情況。

本期的智能內(nèi)參，我們推薦中國信通院的研究報告《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告》和IPRdaily中文網(wǎng)的文章《全球量子計算技術(shù)發(fā)明專利排行榜》，深入分析量子信息技術(shù)三大領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、熱點問題、發(fā)展現(xiàn)狀、演進(jìn)趨勢，闡述我國面臨的機遇與挑戰(zhàn)，以及未來發(fā)展態(tài)勢。

一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢

隨著人類對于量子力學(xué)原理的認(rèn)識、理解和研究不斷深入，以及對于微觀物理體系的觀測和調(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）為操控對象，借助其中的量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨特物理現(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)運而生并蓬勃發(fā)展。

量子信息技術(shù)主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域，可以在提升運算處理速度、 信息安全保障能力、測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)升級的關(guān)注焦點之一，在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(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)行量子并行計算，具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力，能夠在特定計算困難問題上提供指數(shù)級加速。量子計算帶來的算力飛躍，有可能在未來引發(fā)改變游戲規(guī)則的計算革命，成為推動科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進(jìn)的“觸發(fā)器”和“催化劑”。

未來可能在實現(xiàn)特定計算問題求解的專用量子計算處理器，用于分子結(jié)構(gòu)和量子體系模擬的量子模擬機，以及用于機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)集優(yōu)化等應(yīng)用的量子計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，是首個從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的量子通信技術(shù)分支。

通過在經(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)與量子計算融合形成量子信息網(wǎng)絡(luò)，是未來量子信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。主要包括時間基準(zhǔn)、慣性測量、重力測量、磁場測量和目標(biāo)識別等方向，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、空間探測、生物醫(yī)療、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。量子物理常數(shù)和量子測量技術(shù)已經(jīng)成為定義基本物理量單位和計量基準(zhǔn)的重要參考，未來量子測量有望在生物研究、醫(yī)學(xué)檢測以及面向航天、國防和商業(yè)等應(yīng)用的新一代定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)等方面率先獲得應(yīng)用。

以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強國都對其高度重視。近年來，歐美國家紛紛啟動了國家級量子科技戰(zhàn)略行動計劃，大幅增加研發(fā)投入，同時開展頂層規(guī)劃及研究應(yīng)用布局。

英國2015年正式啟動“國家量子技術(shù)計劃”，投資2.7億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心，開展學(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。德國在2018年9月提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”框架計劃，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，并可延長資助至2028年。

▲歐盟“量子宣言”旗艦計劃首批科研項目

歐盟2016年推出為期十年，總投資額超過10億歐元的“量子宣言”旗艦計劃，并于2018年10月啟動首批19個科研類項目，如上圖所示。2019年7月歐盟10國簽署量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（QCI）聲明，探討未來十年在歐洲范圍內(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2018年12月通過《國家量子行動計劃（NQI）》立法，計劃在未來四年增加量子信息科學(xué)領(lǐng)域投資12.75億美元，以確保美國在量子技術(shù)時代的科技領(lǐng)導(dǎo)力，以及經(jīng)濟(jì)安全、信息安全和國家安全。同期發(fā)布的《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，規(guī)劃推動量子計算超大規(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量等領(lǐng)域的研究，同時設(shè)立3~6個量子創(chuàng)新實驗室（QILabs），建立全美量子科研網(wǎng)絡(luò)（QRNet），推動量子計算接入計劃（QCAP）。

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

國際標(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)項目并開展工作，2018年以來相關(guān)布局與研究工作明顯提速。歐洲多國在完成QKD現(xiàn)網(wǎng)實驗之后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）成立ISG-QKD標(biāo)準(zhǔn)組，已發(fā)布包括術(shù)語定義、系統(tǒng)器件、應(yīng)用接口、 安全證明、部署參數(shù)等9項技術(shù)規(guī)范，另有3項在研。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會的第一聯(lián)合技術(shù)委員會（ISO/IEC JTC1）成立了有我國專家參與的量子計算研究組（SG2）和咨詢組（AG），發(fā)布量子計算研究報告和技術(shù)趨勢報告，同時在信息安全分技術(shù)委員會（SC27）立項由我國專家牽頭的QKD安全需求與測評方法標(biāo)準(zhǔn)項目。國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）啟動了量子技術(shù)術(shù)語定義、量子計算性能指標(biāo)和軟件定義量子通信協(xié)議等3個研究項目。國際互聯(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。

國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）對量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)及其未來對信息通信網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)業(yè)的影響保持高度關(guān)注。未來網(wǎng)絡(luò)研究組（SG13）已開展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)點安全要求、加密功能要求等方面開展研究，我國部門成員和學(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，我國還推動在ITU-T成立面向網(wǎng)絡(luò)的量子信息技術(shù)研究焦點組（FG-QIT4N），全面開展量子信息技術(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)國際研討會，廣泛邀請全球研究機構(gòu)和科技公司的專家學(xué)者，對量子計算、量子通信、量子測量、量子信息網(wǎng)絡(luò)（QIN）等議題開展交流和討論。2019年9月，F(xiàn)G-QIT4N在電信標(biāo)準(zhǔn)化顧問組（TSAG）全會期間正式成立，由中俄美專家共同擔(dān)任主席，計劃在焦點組研究期內(nèi)，對QKD網(wǎng)絡(luò)和QIN等相關(guān)議題開展標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研，為ITU-T下一個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。

我國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點應(yīng)用方面具備較好的研究基礎(chǔ)和實踐積累，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也逐步開展。2017年，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）成立量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ST7），開展量子通信和網(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項研究報告，并開展量子保密通信術(shù)語定義和應(yīng)用場景，QKD系統(tǒng)技術(shù)要求、測試方法和應(yīng)用接口等國家標(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，中國密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（CSTC）也開展了QKD技術(shù)規(guī)范和測評體系等密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究。2019年1月，量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC578）正式成立，計劃開展量子計算和量子測量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

自上世紀(jì)90年代開始，各科技強國開始在量子技術(shù)領(lǐng)域加大投入，量子計算專利申請開始出現(xiàn)。近年來，量子計算領(lǐng)域的專利申請和授權(quán)發(fā)展態(tài)勢情況如圖2所示，2012年之前全球量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量整體保持平穩(wěn)，專利申請主要來自美國和日本。

▲量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾埣笆跈?quán)情況

2012年開始，隨著歐美科技巨頭開始大力投入和持續(xù)推動， 以及全球各國科技企業(yè)和研究機構(gòu)之間的相互競爭，更加重視量子計算領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)布局，專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯增長。美國在布局時間和申請總量上占有優(yōu)勢，近年來我國量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量的增長趨勢更快。通過對比中、美、日、 加的專利申請人的類型可以看出，我國專利更多的來自高校和科研機構(gòu)，國內(nèi)科技企業(yè)多與科研院所合作，相關(guān)研究工作和知識產(chǎn)權(quán)布局大多處于起步階段。

近20年來全球量子計算領(lǐng)域研究論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機構(gòu)統(tǒng)計如下圖所示，隨著量子計算從理論走向物理實現(xiàn)，全球論文發(fā)表量也保持增長態(tài)勢，特別是在2018-19年研究論文數(shù)量激增。從發(fā)表論文研究機構(gòu)來看，近五年來排名前20的機構(gòu)中，中國占據(jù)3席，分別是中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)。其中，中國科學(xué)院的發(fā)文量持續(xù)快速上升，過去一年的新增論文數(shù)量僅次于美國MIT和荷蘭TU Delft。美國量子計算研究重要機構(gòu)多達(dá)10個，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 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。

▲量子計算領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢及主要發(fā)文機構(gòu)

隨著美、歐、英、日、韓等國的量子通信研發(fā)及試點應(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，量子通信領(lǐng)域全球?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢如下圖所示。

▲量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾埡蛯＠跈?quán)發(fā)展趨勢

美國和日本在量子通信領(lǐng)域的早期專利申請量較多，但近年來，專利申請地域向中國轉(zhuǎn)移。對比專利申請和專利授權(quán)來看，由于早期中國專利申請量較少，所以目前看中國授權(quán)專利數(shù)量少于美國，但是隨著我國在量子通信基礎(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)計未來專利授權(quán)量還將繼續(xù)上升，而且也將吸引更多的外國公司來華布局專利。

▲量子通信領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢及主要發(fā)文機構(gòu)

2005年之后，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)研究從理論探索開始走向?qū)嵱没?，相關(guān)研究論文數(shù)量持續(xù)上升，近年QKD領(lǐng)域論文發(fā)表趨勢和主要發(fā)文機構(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、英等國以科研機構(gòu)為主，日本則主要來自企業(yè)。

我國中科大、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，但近年來論文數(shù)量保持平穩(wěn)并呈下降趨勢，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、日科研機構(gòu)外，我國的中科大、中科院、電子科大和清華的論文發(fā)表數(shù)量也名列前茅。

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

▲量子測量領(lǐng)域?qū)＠暾埡驼撐陌l(fā)表趨勢

截至2019年10月公開的相關(guān)專利近千件，并且增長趨勢強勁，從專利申請地域來看，美、中、日的專利申請量較多。論文方面，與量子計量（Quantum metrology）相關(guān)的論文數(shù)量持續(xù)上升，美國加州理工學(xué)院、德國蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院以及澳大利亞的高校和科研機構(gòu)發(fā)表了較多的論文。我國的中科大、中科院和北航等單位在量子精密測量領(lǐng)域持續(xù)開展科研攻關(guān)，開始步入量子測量和量子計量研究論文發(fā)表數(shù)量的國際前沿行列。

二、量子計算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

量子計算研究始于上世紀(jì)八十年代，經(jīng)歷了由科研機構(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驗驗證和原理樣機攻關(guān)階段。量子計算包含量子處理器、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， 量子編碼是基于眾多物理比特實現(xiàn)可容錯邏輯比特的糾錯編碼，量子算法和軟件是將計算困難問題與量子計算并行處理能力結(jié)合的映射和橋梁。

目前，量子處理器的物理比特實現(xiàn)仍是量子計算研究的核心瓶頸，主要包含超導(dǎo)、離子阱、硅量子點、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)建更強大的128量子比特處理器。我國中科大在2019年已實現(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，清華大學(xué)利用單量子比特實現(xiàn)了精度為98.8%的量子生成對抗網(wǎng)絡(luò)，未來可應(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算處理能力的重要因素之一，目前報道的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計和量子比特糾纏程度不盡統(tǒng)一，大部分并未實現(xiàn)全局糾纏。

離子阱路線方面，IonQ已實現(xiàn)79位處理量子比特和160位存儲量子比特。光量子路線方面，中科大已實現(xiàn)18位光量子糾纏操控，處于國際領(lǐng)先地位。硅量子點路線方面， 新南威爾士大學(xué)報道了保真度為99.96%的單比特邏輯門和保真度為98%的雙比特邏輯門， 中科大也實現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門。 此外，我國本源量子研發(fā)了適用于20位量子比特的量子測控一體機，用于提供量子處理器芯片運行所需要的關(guān)鍵信號，實現(xiàn)量子芯片操控。

目前，量子計算物理平臺中的超導(dǎo)和離子阱路線相對領(lǐng)先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算技術(shù)實用化的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間，（3）量子比特可以初始化，（4）可以實現(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，未來的量子計算機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，指量子計算在解決特定計算困難問題時，相比于經(jīng)典計算機可實現(xiàn)指數(shù)量級的運算處理加速，從而體現(xiàn)量子計算原理性優(yōu)勢。 其中， 特定計算困難問題是指該問題的計算處理，能夠充分適配量子計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)揮出量子計算方法相比于傳統(tǒng)計算方法在解決該問題時的顯著算力優(yōu)勢。

▲Google Sycamore 超導(dǎo)量子計算處理器

2019年10月，《自然》雜志以封面論文形式報道了Google公司基于可編程超導(dǎo)處理器Sycamore， 如上圖所示， 實現(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，實現(xiàn)了53位量子物理比特二維陣列的糾纏與可控耦合，在解決隨機量子線路采樣問題時，具有遠(yuǎn)超過現(xiàn)有超級計算機的處理能力。Google研究成果是證明量子計算原理優(yōu)勢和技術(shù)潛力的首個實際案例，具有里程碑意義。這一熱點事件所引發(fā)的震動和關(guān)注，將進(jìn)一步推動全球各國在量子計算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實踐和應(yīng)用探索，為加快量子計算機的研制和實用化注入新動力。

需要指出的是，現(xiàn)階段量子計算的研究發(fā)展水平距離實用化仍有較大差距。量子計算系統(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)，使計算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計算能力遭到破壞。發(fā)展速度最快的超導(dǎo)技術(shù)路線，在可擴(kuò)展性、操控時間和保真度等方面也存在局限。此外，可編程通用量子計算機需要大量滿足容錯閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。

以運行Shor算法破譯密碼為例，要攻破AES加密算法需要數(shù)千個量子邏輯比特，轉(zhuǎn)換為量子物理比特可能需要數(shù)萬個或者更多?，F(xiàn)有研究報道中的物理量子比特數(shù)量和容錯能力與實際需求尚有很大差距，量子邏輯比特仍未實現(xiàn)。通用量子計算機的實用化，業(yè)界普遍預(yù)計仍需十年以上時間。

在達(dá)到通用量子計算所需的量子比特數(shù)量、量子容錯能力和工程化條件等要求之前，專用量子計算機或量子模擬器將成為量子計算發(fā)展的下一個重要目標(biāo)。結(jié)合量子計算和量子模擬應(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)化和機器學(xué)習(xí)算法加速等領(lǐng)域開發(fā)能夠發(fā)揮量子計算處理能力優(yōu)勢的“殺手級應(yīng)用”，將為量子計算技術(shù)打開實用化之門。

量子處理器需要在苛刻的環(huán)境下進(jìn)行運算和儲存，通過云服務(wù)進(jìn)行量子處理器的接入和量子計算應(yīng)用推廣成為量子計算算法及應(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)后將計算結(jié)果返回給調(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器再將計算結(jié)果變成可視化的統(tǒng)計分析發(fā)送給用戶，完成整個計算過程。近年來，越來越多的量子計算公司和研究機構(gòu)發(fā)布量子計算云平臺，以實現(xiàn)對量子處理器資源的充分共享，并提供各種基于量子計算的衍生服務(wù)。

▲量子計算云平臺通用體系架構(gòu)

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

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

二是量子計算平臺服務(wù)（q-PaaS），即提供量子計算和量子機器學(xué)習(xí)算法的軟件開發(fā)平臺，包括量子門電路、量子匯編、量子開發(fā)套件、量子算法庫、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)用場景和需求設(shè)計量子機器學(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，量子計算云平臺以q-PaaS模式為主，提供量子模擬器、計算工具和開發(fā)套件等軟件服務(wù)。隨著量子計算物理平臺與云基礎(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，隨著量子計算產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展成熟、生態(tài)逐步開放，將有更多的行業(yè)和企業(yè)嘗試通過q-SaaS模式對其業(yè)務(wù)處理進(jìn)行賦能。

美國量子計算云平臺布局較早，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量子程序開發(fā)套件，建立了較為完善的開源社區(qū)。Google開發(fā)了Cirq量子開源框架和OpenFermion-Cirq量子計算應(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推出的量子計算云平臺以混合量子+經(jīng)典的方法開發(fā)量子計算運行環(huán)境，使用19位量子比特超導(dǎo)芯片進(jìn)行無監(jiān)督機器學(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量子軟件開發(fā)環(huán)境。

我國量子計算云平臺起步較晚，目前發(fā)展態(tài)勢良好，與國際先進(jìn)水平相比在量子處理器、量子計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)量子計算云接入服務(wù)。華為發(fā)布HiQ量子計算模擬云服務(wù)平臺，可模擬全振幅的42位量子比特，單振幅的81位量子比特，并開發(fā)兼容ProjectQ的量子編程框架。本源量子推出的量子計算云平臺可提供64位量子比特模擬器和基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實量子處理器，提供Qrunes編程指令集，Qpanda SDK開發(fā)套件，推出移動端與桌面端應(yīng)用程序，兼具科普、教學(xué)和編程等功能，為我國量子計算的研究和應(yīng)用推廣提供了有益探索。

在量子計算領(lǐng)域，美國近年來持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機構(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、樣機研制和應(yīng)用探索等方面的全面領(lǐng)先優(yōu)勢。

▲美國量子計算研究與應(yīng)用發(fā)展模式

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

科技巨頭間的激烈競爭，推動量子計算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計算領(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、工程實現(xiàn)和軟件控制能力積極開發(fā)原型產(chǎn)品、展開激烈競爭，對量子計算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。Google在2018年實現(xiàn)72位超導(dǎo)量子比特，在2019年證明量子計算優(yōu)越性。IBM在2019年1月展示具有20位量子比特的超導(dǎo)量子計算機，并在9月將量子比特數(shù)量更新為53位。微軟在2019年推出量子計算云服務(wù)Azure Quantum，可以與多種類型的硬件配合使用?；裟犴f爾的離子阱量子比特裝置已進(jìn)入測試階段。

我國阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來通過與科研機構(gòu)合作或聘請具有國際知名度的科學(xué)家成立量子實驗室，在量子計算云平臺、量子軟件及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計算云平臺并在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)計算平臺等應(yīng)用領(lǐng)域展開研發(fā)。百度在2018年成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(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，并在2019年推出昆侖量子計算模擬一體原型機。我國科技企業(yè)進(jìn)入量子計算領(lǐng)域相對較晚，在樣機研制及應(yīng)用推動方面與美國存在較大差距。

初創(chuàng)企業(yè)是量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機構(gòu)或科技公司，近年來，來自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機構(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）最高。

▲量子計算領(lǐng)域科技公司和初創(chuàng)企業(yè)分布

盡管量子計算目前仍處于產(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、圖像識別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿?，開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。

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

在量子計算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時， 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試工具，加速硅量子比特測試過程。 本源量子創(chuàng)立本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2019年攜手中船鵬力共建量子計算低溫平臺。

當(dāng)前階段，量子計算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計算困難問題（NP）。機器學(xué)習(xí)在過去十幾年里不斷發(fā)展，對計算能力提出巨大需求，結(jié)合了量子計算高并行性的新型機器學(xué)習(xí)算法可實現(xiàn)對傳統(tǒng)算法的加速優(yōu)化，是目前的研究熱點。量子機器學(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（qSVM）和量子深度學(xué)習(xí)等。目前，量子機器學(xué)習(xí)算法在計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部分經(jīng)典計算問題具有提速效果，但處理器物理實現(xiàn)能力有限，算法大多只通過模擬驗證，并未在真實系統(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算機，已經(jīng)展開系列應(yīng)用探索。Google聯(lián)合多家研究機構(gòu)將量子退火技術(shù)應(yīng)用于圖像處理、蛋白質(zhì)折疊、交通流量優(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算研發(fā)新材料特性。埃森哲、Biogen和1Qbit聯(lián)合開發(fā)量子化分子比較應(yīng)用，改善分子設(shè)計加速藥物研究。

德國HQS開發(fā)的算法可以在量子計算機和經(jīng)典計算機上有效地模擬化學(xué)過程。摩根大通、巴克萊希望通過蒙特卡洛模擬加速來優(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)定價及風(fēng)險對沖。量子計算應(yīng)用探索正持續(xù)深入，未來3-5年有望基于量子模擬和嘈雜中型量子計算（NISQ） 原型機在生物醫(yī)療、分子模擬、 大數(shù)據(jù)集優(yōu)化、量化投資等領(lǐng)域率先實現(xiàn)應(yīng)用。

三、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，簡稱QT）和量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡稱QKD）兩類。QT基于通信雙方的光子糾纏對分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測量（信息調(diào)制）和幺正變換（信息解調(diào)）實現(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通過對單光子或光場正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測量，首先在收發(fā)雙方間實現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，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，QT研究在空、天、地等平臺積極開展實驗探索。2017年，中科大基于“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，實現(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轉(zhuǎn)換技術(shù)探索實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)和量子存儲中繼，計劃在荷蘭四城市之間建立全球首個光纖QT實驗網(wǎng)絡(luò)，基于糾纏交換實現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸和多點組網(wǎng)。2019年，南京大學(xué)報道基于無人機開展空地量子糾纏分發(fā)和測量實驗，無人機攜帶光學(xué)發(fā)射機載荷，完成與地面接收站點之間200米距離的量子糾纏分發(fā)測量。目前，QT研究仍主要局限在各種平臺和環(huán)境條件下的實驗探索，包括高品質(zhì)糾纏制備、量子態(tài)存儲中繼和高效率量子態(tài)檢測等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破，距離實用化仍有較大距離。

近年來，QKD的實驗研究不斷突破傳輸距離和密鑰成碼率的記錄。2018年，東芝歐研所報道了新型相位隨機化雙光場編碼和傳輸實驗，實現(xiàn)550公里超低損耗光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場中心測量節(jié)點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)合報道了基于“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)7600公里距離的洲際QKD和量子保密通信，在可用時間窗口內(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)行圖片和視頻會議等應(yīng)用的加密傳輸。

日內(nèi)瓦大學(xué)報道了采用極低暗記數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測器的QKD傳輸實驗，創(chuàng)造了421公里的單跨段光纖傳輸最遠(yuǎn)距離，對應(yīng)密鑰成碼率0.25bit/s，在250公里光纖傳輸距離對應(yīng)密鑰成碼率為5kbit/s。東芝歐研所也報道基于T12改進(jìn)型QKD協(xié)議和LDPC糾錯編碼的QKD系統(tǒng)實驗，在10公里光纖信道連續(xù)運行4天，平均密鑰成碼率達(dá)到13.72Mbps。QKD實驗研究進(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)過衰減器和隨機信號控制相位調(diào)制后，輸出單光子量子態(tài)信號，在Alice端隨機抽樣檢測一部分量子態(tài)信號，對剩余的量子態(tài)信號用兩種不同幺正變換編碼，發(fā)送經(jīng)典信息，并通過原信道以時分復(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，解調(diào)出Alice的編碼信息。

▲量子安全直接通信原理樣機實驗系統(tǒng)

2019年，清華大學(xué)物理系基于首創(chuàng)的QSDC理論和實驗方案，實現(xiàn)了原理實驗樣機研制，如下圖所示，并完成實驗室光纖環(huán)境中基于QSDC的信息直接傳輸演示實驗。實驗室環(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)和信息論同步實現(xiàn)經(jīng)典信道安全狀態(tài)監(jiān)測和信息加密傳輸。目前實驗樣機系統(tǒng)的信息傳輸速率較為有限，需使用低溫制冷超導(dǎo)探測器，實用化和工程化水平仍有較大提升空間。

隨著QKD技術(shù)進(jìn)入實用化階段，并不斷開展試點應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，進(jìn)一步提升其實用化和商用化水平成為科研機構(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)機的集成度，采用連續(xù)變量（CV）QKD技術(shù)開展實驗和商用設(shè)備開發(fā)，以及開展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，解決方案性價比和標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面進(jìn)行提升。通過與PIC和硅光等新型技術(shù)進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步實現(xiàn)QKD設(shè)備光學(xué)組件的小型化和集成化，同時提升系統(tǒng)的功能性能和可靠性，目前已經(jīng)成為研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注的焦點之一。英國Bristol大學(xué)已報道了基于InP和SiON等材料的PIC技術(shù)方案，可以實現(xiàn)QKD設(shè)備量子態(tài)信號調(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器（SPD）模塊仍難以實現(xiàn)集成。我國深圳海思半導(dǎo)體有限公司和山東國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器，具有集成度與成本方面的優(yōu)勢，量子態(tài)信號檢測效率可達(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)射機本振共纖傳輸方案，實現(xiàn)5.91kbit/s和5.77kbit/s的密鑰成碼率，為CV-QKD現(xiàn)網(wǎng)實驗的新成果，并在青島開展現(xiàn)網(wǎng)示范應(yīng)用。

QKD商用化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署過程中，由于量子態(tài)光信號的極低光功率，以及單光子探測器的超高檢測靈敏度，所以通常需要獨立的暗光纖進(jìn)行傳輸，而與其他光通信信號進(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)部署的一個關(guān)鍵性因素，也是未來發(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，中國電信和中國聯(lián)通等報道了基于1310nm的O波段DV-QKD系統(tǒng)與1550nm的C波段光通信系統(tǒng)的共纖混傳實驗和現(xiàn)網(wǎng)測試，但QKD系統(tǒng)的密鑰成碼率對光纖的損耗敏感，在實際應(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)光信號波長，與1310nm的O波段光通信設(shè)備的共纖混傳，也在部分運營商進(jìn)行了相關(guān)測試。在限制光通信信號功率至接收機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占光纖傳輸條件仍基本保持相同量級。未來，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和平衡接收，對于拉曼散射噪聲具有較強的容忍度，相比DV-QKD具有一定原理性優(yōu)勢。

基于QKD的量子保密通信在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步開展了試點應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，歐盟“量子旗艦計劃”項目支持西班牙和法國等地運營商，開展QKD實驗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，與科研項目結(jié)合進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用探索。韓國SKT等運營商通過收購瑞士IDQ股權(quán)等方式，也開始介入QKD技術(shù)領(lǐng)域，并承建了韓國首爾地區(qū)的QKD實驗網(wǎng)絡(luò)。

我國量子保密通信的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用發(fā)展較為迅速，近年來中科大潘建偉院士團(tuán)隊及其產(chǎn)業(yè)公司開展了“京滬干線”和國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)項目。中國科大郭光燦院士團(tuán)隊聯(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近600公里的“寧蘇量子干線”；華南師大劉頌豪院士團(tuán)隊和清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊聯(lián)合啟動建設(shè)覆蓋粵港澳大灣區(qū)的“廣佛肇量子安全通信網(wǎng)絡(luò)”。我國的QKD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用項目的數(shù)量和規(guī)模已處于世界領(lǐng)先。

▲我國QKD領(lǐng)域主要研究機構(gòu)和設(shè)備商

在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方面，近年來我國又新增了一批由科研機構(gòu)轉(zhuǎn)化或海外歸國人才創(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，QKD技術(shù)研究機構(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)為量子和廣東國騰量子等公司加入QKD設(shè)備供應(yīng)商行列，同時傳統(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到點的密鑰共享和基于VPN和路由器等有線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸加密。探索將QKD與無線通信加密應(yīng)用場景結(jié)合，對于擴(kuò)展量子保密通信的應(yīng)用場景，開拓商業(yè)化應(yīng)用市場，以及推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價值。

其中的主要難點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通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次傳輸。通過使用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要求的移動存儲介質(zhì)，例如SD卡等，進(jìn)行密鑰充注。

密鑰存儲介質(zhì)再與具備身份認(rèn)證和加密通信功能的無線終端進(jìn)行融合，可以實現(xiàn)使用量子密鑰對無線終端與加密服務(wù)器之間的身份認(rèn)證和會話密鑰協(xié)商過程的加密保護(hù)，從而為無線通信領(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，并開始探索在政務(wù)和專網(wǎng)等高安全性需求領(lǐng)域的無線加密通信應(yīng)用，未來可能成為擴(kuò)展量子保密通信商業(yè)化應(yīng)用的一個重要方向。

在量子保密通信試點應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的同時，量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實安全性也是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和社會輿論關(guān)注的問題之一。近來，中科大郭光燦院士團(tuán)隊和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊發(fā)表的關(guān)于QKD系統(tǒng)現(xiàn)實安全性的研究論文，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)實安全性的討論。

QKD技術(shù)經(jīng)過近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完備，QKD技術(shù)在提供對稱密鑰的安全性方面的價值已經(jīng)獲得全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的承認(rèn)和共識，但基于QKD的量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實安全性仍然是值得關(guān)注和研究的問題。

QKD只是量子保密通信系統(tǒng)的一個環(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，對于現(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)對稱加密算法（例如AES、SM1和SM4加密算法）相結(jié)合，由QKD提供對稱加密密鑰。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)對稱加密體系，量子保密通信仍然能夠帶來安全性提升和應(yīng)用價值，一方面相比原有對稱加密算法的收發(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)過程的防竊聽和破解的能力得到加強；另一方面QKD能夠提升對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)被計算破解的風(fēng)險。

QKD技術(shù)能夠保障點到點的光纖或自由空間鏈路中的密鑰分發(fā)的安全性。由于量子存儲和量子中繼技術(shù)距離實用化仍有一定距離，長距離的QKD線路和網(wǎng)絡(luò)需要借助“可信中繼節(jié)點”技術(shù)，進(jìn)行逐段密鑰分發(fā)，密鑰落地存儲和中繼。密鑰一旦落地存儲，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”需要采用傳統(tǒng)信息安全領(lǐng)域的高等級防護(hù)和安全管理來保證節(jié)點自身的安全性。

目前針對“可信中繼節(jié)點”的安全性防護(hù)要求、標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正在逐步開展，測評工作有待加強。未來進(jìn)一步加強可信中繼節(jié)點技術(shù)要求、安全性分析和測評方法等標(biāo)準(zhǔn)的研究與實施，將是保障量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的現(xiàn)實安全性的重要措施之一。通過明確可信中繼節(jié)點的安全防護(hù)要求和實施方案并通過相關(guān)測評驗證，結(jié)合符合相應(yīng)等級要求的密鑰中繼管理方案，可以實現(xiàn)符合安全性等級保護(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，對于實際QKD系統(tǒng)而言，由于實際器件（例如光源、探測器和調(diào)制器等）無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)界研究的熱點之一。前述的中科大郭光燦院士團(tuán)隊和上海交大金賢敏教授團(tuán)隊的研究報道，都是針對QKD實際系統(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）來攻擊系統(tǒng)獲取密鑰信息，與實際系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中可行的攻擊和竊聽屬于不同層面。并且此類研究的出發(fā)點和落腳點也是在于改進(jìn)和提升QKD系統(tǒng)的實際安全性，通常都會給出針對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QKD系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實安全性的學(xué)術(shù)研究在未來將會持續(xù)進(jìn)行，從實際應(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)實安全性研究和測評驗證。

QKD系統(tǒng)的性能指標(biāo)和實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，系統(tǒng)傳輸能力和密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。

同時， 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方面存在技術(shù)難點；單光子探測器需要低溫制冷，對機房環(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)路線競爭。量子保密通信的應(yīng)用背景主要是面向未來量子計算對于現(xiàn)有公鑰加密體系的計算破解威脅。

一方面，量子計算的發(fā)展目前還處于多種技術(shù)路線探索的樣機實驗階段，盡管近年來發(fā)展加速，但是距離實現(xiàn)真正具備破解密碼體系的大規(guī)?？删幊掏ㄓ没孔佑嬎隳芰θ杂泻荛L的距離。

另一方面，信息安全行業(yè)也在為應(yīng)對量子計算可能帶來的安全性威脅進(jìn)行積極準(zhǔn)備，目前以美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）主導(dǎo)的抗量子計算破解的新型加密體系和算法的全球征集和評比已經(jīng)完成第一輪篩選，計劃在2023年左右完成三輪公開評選，并推出新型加密體制標(biāo)準(zhǔn)，我國上海交大、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，抗量子計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)路線競爭， 加快提升QKD系統(tǒng)成熟度、實用化水平和性價比，是搶占先機的關(guān)鍵。

量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場開拓仍需進(jìn)一步探索。量子保密通信是對現(xiàn)有的保密通信技術(shù)中的對稱加密體系的一種安全性提升，能夠解決密鑰分發(fā)過程的安全性問題，提升對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題。量子保密通信主要適用于具有長期性和高安全性需求的保密通信應(yīng)用場景，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， 市場容量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對有限， 目前主要依靠國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)出性價比等方面的考驗，需要產(chǎn)學(xué)研用各方共同努力，從設(shè)備升級、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。

我國面臨的信息安全形勢錯綜復(fù)雜，在政務(wù)、金融、外交、國防和關(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，對量子保密通信技術(shù)帶來的長期信息安全保障能力有客觀需求和應(yīng)用前景。同時，量子保密通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和市場化推廣，也需要其自身技術(shù)成熟度、設(shè)備工程化、現(xiàn)實安全性和可靠性水平的不斷提升，以滿足規(guī)?；瘧?yīng)用部署和運維管理等方面的條件和要求。

針對量子保密通信系統(tǒng)設(shè)備的工程化和實用化的關(guān)鍵瓶頸開展基礎(chǔ)性共性技術(shù)，例如高性能單光子探測器、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)勢真正轉(zhuǎn)化為核心技術(shù)和產(chǎn)品功能性能的優(yōu)勢，進(jìn)一步提升系統(tǒng)工程化水平和解決方案性價比，是應(yīng)用發(fā)展演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)做大做強的關(guān)鍵所在。

四、量子測量領(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，與測量、計算和通信三大領(lǐng)域分別對應(yīng)。精密測量技術(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。精密測量不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的學(xué)術(shù)價值，而且還能服務(wù)于國家重大需求，對各領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步具有推動作用，因此具有重大的研究意義。精密測量的本質(zhì)是測量系統(tǒng)與待測物理量的相互作用，通過測量系統(tǒng)性質(zhì)的變化表征待測物理量的大小。經(jīng)典的測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，測量精度提升面臨困難。

近年來量子技術(shù)的發(fā)展，使得對微觀對象量子態(tài)的操縱和控制日趨成熟，量子測量技術(shù)也應(yīng)運而生。利用量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計等特性可以突破經(jīng)典力學(xué)框架下的測量極限，從而實現(xiàn)更高精度的測量?；谖⒂^粒子系統(tǒng)和量子力學(xué)特性實現(xiàn)對物理量進(jìn)行高精度的測量稱為量子測量。在量子測量中，電磁場、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)，最終通過對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測實現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測量的靈敏度。

在量子計算、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。量子測量恰恰利用量子體系的這一“缺點”，使量子體系與待測物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變來對物理量進(jìn)行測量。對于量子測量的定義，一直存在著爭議和疑問。根據(jù)國內(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，廣義量子測量可以涵蓋利用量子特性來獲得比經(jīng)典測量系統(tǒng)更高的分辨率或靈敏度的測量技術(shù)。量子測量技術(shù)應(yīng)具有兩大基本特征：一是操控觀測對象是微觀粒子系統(tǒng)，二是與待測物理量相互作用導(dǎo)致量子態(tài)變化，而具備以上兩點特征的測量技術(shù)可以納入量子測量的范疇。

▲量子測量的基本流程和主要步驟

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

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，其中的橫向作用會誘導(dǎo)能級間的躍遷，從而增加其躍遷率；縱向作用通常導(dǎo)致能級的平移，從而改變其躍遷頻率。通過測量躍遷率和躍遷頻率的變化實現(xiàn)物理量的探測，如下圖所示。

▲外界物理量與量子體系的作用機制

量子測量涵蓋電磁場、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、材料分析、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等諸多領(lǐng)域，當(dāng)前量子測量研究和應(yīng)用的主要領(lǐng)域及其技術(shù)體系如下圖所示。通過對不同種類量子系統(tǒng)中獨特的量子特性進(jìn)行控制與檢測，可以實現(xiàn)量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識別、量子重力測量、量子磁場測量、量子時間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的測量傳感，未來發(fā)展趨勢主要

高精度、小型化和芯片化。

▲量子測量主要應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)體系

按照對量子特性的應(yīng)用，量子測量分三個層次，第一層次是基于微觀粒子能級測量；第二層次是基于量子相干性（波狀空間時間疊加態(tài)）測量；第三層次是基于量子糾纏進(jìn)行測量，突破經(jīng)典的理論極限。其中，前兩個層次雖然沒有充分利用量子疊加和糾纏等獨特性質(zhì)，但是目前技術(shù)較成熟，涉及面寬，涵蓋了大部分量子測量場景，部分領(lǐng)域已經(jīng)實現(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量系統(tǒng)開始成為研究熱點，通過外部物理量改變能級結(jié)構(gòu)，通過探測吸收或發(fā)射頻譜對外部物理量進(jìn)行測量。

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

利用自旋量子位進(jìn)行精密測量是量子測量領(lǐng)域中一個相對較新的領(lǐng)域。量子體系的自旋態(tài)地與磁場強度相關(guān)，磁場變化會導(dǎo)致自旋量子位的能級結(jié)構(gòu)變化，從而改變輻射或吸收頻譜，通過對譜線的精密測量就可以完成磁場測量。另外，自旋量子位的能級結(jié)構(gòu)還與溫度、應(yīng)力有關(guān)，利用類似原理實現(xiàn)溫度、應(yīng)力的精密測量。在自旋量子位上沿特定方向加外磁場，當(dāng)自旋量子位發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者與磁場發(fā)生相對位移時，可實現(xiàn)角速度和加速度的精密測量?；谧孕孔游坏臏y量體系的優(yōu)點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，有望用于對微納芯片和生物組織的檢測與成像。

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，可實現(xiàn)對多種物理量的超高靈敏度檢測，廣泛地應(yīng)用于磁場、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測量領(lǐng)域，具有巨大的潛力。目前金剛石色心測量系統(tǒng)已實現(xiàn)芯片化，基于金剛石色心的芯片級陀螺儀、磁力計、磁成像裝置均有報道。

例如美國MIT今年首次報道了在硅芯片上制造了基于金剛石色心的量子傳感器，實現(xiàn)對磁場的精密測量，功能包括片上微波的產(chǎn)生和傳輸，以及來自金剛石量子缺陷的攜帶信息熒光的片上過濾和檢測，器件結(jié)構(gòu)緊湊，功耗較低，在自旋量子位測量和CMOS技術(shù)的結(jié)合方面邁出關(guān)鍵一步。此外，金剛石色心量子測量還能實現(xiàn)納米級的空間分辨率。中科大今年首次實現(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檢測和實用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)， 可應(yīng)用于微納電磁場及光電子芯片檢測，拓寬遠(yuǎn)場超分辨成像技術(shù)應(yīng)用場景。自旋偶極耦合在密集自旋體系中產(chǎn)生壓縮，有望使測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現(xiàn)距離的精確測量，一對糾纏光子包含信號光子和閑置光子，將信號光子發(fā)往距離未知的待測位置，閑置光子發(fā)送到位置固定的光電探測器，分別記錄光子的量子態(tài)和到達(dá)時間，并通過經(jīng)典信道進(jìn)行信息交互，通過聯(lián)合測量兩地到達(dá)時間可以計算出距離。如果采用三組基點對統(tǒng)一位置進(jìn)行測量，就可以在三維空間中唯一確定待測點的位置，基于此原理即可實現(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)此原理還可用于測量兩地的時鐘差，進(jìn)而實現(xiàn)兩地的高精度時鐘同步，此原理被應(yīng)用在量子時間同步協(xié)議中。類似于量子通信的原理，如果測量過程中存在竊聽者，糾纏態(tài)會遭到破壞，測量數(shù)據(jù)將不再關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到防竊聽的目的， 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，通過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，從而實現(xiàn)目標(biāo)的高靈敏探測。

目前，基于量子糾纏的量子測量多處于理論研究階段，原理樣機的報道較少。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現(xiàn)突破，另外高性能單光子探測技術(shù)瓶頸也制約其發(fā)展，單光子探測器的靈敏度、暗計數(shù)、時間抖動等性能參數(shù)直接決定了量子測量的精度，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，時間同步精度的需求也日益提高。從早期的日晷，水鐘，到機械鐘，石英鐘，再到原子鐘，人類對時間的測量越來越精確。目前通信網(wǎng)絡(luò)中主要使用GPS衛(wèi)星信號提供高精度的時間源，但衛(wèi)星信號不再能滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)的全部需求，主要原因包括：衛(wèi)星信號不能覆蓋室內(nèi)場景， 衛(wèi)星授時可靠性和安全性待提高， 衛(wèi)星接收機成本高。為了滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)同步需求，需研究超高精度時鐘源和高精度同步傳輸協(xié)議，其未來應(yīng)用如下圖所示。 其中， 量子時鐘源可以提供不確定度優(yōu)于1e-17超高精度時鐘源，量子時間同步協(xié)議結(jié)合量子糾纏等技術(shù)可以為未來通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度和高安全性的同步傳輸協(xié)議。

▲高精度時鐘同步在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

量子時鐘源利用原子能級躍遷譜線的穩(wěn)定頻率作為參考，通過頻率綜合和反饋電路來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。由于時鐘源的穩(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個數(shù)量級， 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)量級的改善。

由于還沒有電子系統(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,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，提高時鐘輸出精度。光學(xué)頻率梳也是量子時鐘源的一個重要研究方向。高精度與小型化是量子時鐘源兩大發(fā)展趨勢，高精度量子時鐘源可用于協(xié)調(diào)世界時（UTC）產(chǎn)生，小型化芯片級量子時鐘源可用作星載鐘，在衛(wèi)星導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

隨著高精度時間同步技術(shù)在基礎(chǔ)科研、導(dǎo)航、 定位、電力、通信 以及國防等方面的廣泛應(yīng)用， 將對同步傳輸精度提出更高要求。 時頻網(wǎng)絡(luò)由多時鐘源組成，即使所有的時鐘源都具有非常高的精度，由于時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，需要時間同步協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)中的時鐘源進(jìn)行同步和修正。

量子時間同步協(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、可消除色散等優(yōu)點，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)典測量的散粒噪聲極限，而對于量子時間同步協(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)典時間同步極限提高√????倍，其中N為一個脈沖中包含的平均光子數(shù)，M為脈沖數(shù)。目前經(jīng)典時間同步技術(shù)最高精度可達(dá)100ps，目前量子時間同步協(xié)議原理性實驗中，時間同步精度有望進(jìn)入ps量級。

量子時間同步系統(tǒng)可以把量子時間同步協(xié)議與量子保密通訊相結(jié)合，開發(fā)出具備保密功能的量子時間同步協(xié)議，從而有效對付竊密者的偷聽行為。通過通道間的頻率糾纏特性還可以消除傳播路徑中介質(zhì)色散效應(yīng)對時鐘同步精度的不利影響。目前，遠(yuǎn)距離量子時間同步協(xié)議的研究工作尚處于原理探索研究階段，關(guān)于系統(tǒng)實驗和應(yīng)用的報道較少。

量子糾纏及壓縮態(tài)的光子的制備成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的重要瓶頸，距離實用化仍較遠(yuǎn)。量子時鐘源提供了超高精度的時間和頻率基準(zhǔn)源，量子時間同步協(xié)議提供了一種高精度、安全防竊聽的同步信息傳輸機制，二者結(jié)合有望能夠滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)需求。

量子測量技術(shù)涉及軍事、民生、科研諸多領(lǐng)域，各國競相布局。下圖為歐美國家和我國量子測量領(lǐng)域科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況。歐美國家量子測量領(lǐng)域多為高校、研究機構(gòu)、企業(yè)、軍隊、政府多方聯(lián)合助力，共同推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)推廣，實現(xiàn)研究成果落地和產(chǎn)品化。

▲量子測量科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

目前量子時鐘源、量子磁力計、量子雷達(dá)、量子重力儀、量子陀螺、量子加速度計等領(lǐng)域均有樣機產(chǎn)品報道，可應(yīng)用于軍事、航天航空、醫(yī)療、能源、通信等領(lǐng)域，國內(nèi)的研究多集中于高校和科研機構(gòu)，從科研成果來看，部分領(lǐng)域與歐美國家仍有一定差距，總體穩(wěn)步推進(jìn)。但是，與歐美國家相比，國內(nèi)研究機構(gòu)和行業(yè)企業(yè)之間的合作交流十分有限，缺乏溝通合作的平臺與機制，成果轉(zhuǎn)化和知識產(chǎn)權(quán)開發(fā)較為困難。目前國內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域多集中在量子時鐘源領(lǐng)域， 少數(shù)企業(yè)致力于量子目標(biāo)識別， 量子態(tài)操控與讀取等領(lǐng)域的研發(fā)。

從產(chǎn)業(yè)分析來看，量子測量產(chǎn)業(yè)市場收入將穩(wěn)步增長。根據(jù)BCCResearch的統(tǒng)計分析，全球量子測量市場收入由2018年的1.4億美元增長到2019年的1.6億美元，并預(yù)測未來5年年復(fù)合增長率將在13%左右。歐美國家，特別是北美地區(qū)量子測量產(chǎn)業(yè)收入最高，預(yù)計將繼續(xù)主導(dǎo)收入份額。北美地區(qū)是量子測量先進(jìn)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者和推動者，亞太地區(qū)特別是中國，有望為量子測量產(chǎn)業(yè)提供巨大的市場。隨著國內(nèi)對車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興技術(shù)研究的持續(xù)升溫，超高精度低成本的傳感器、生物探針、導(dǎo)航器件等關(guān)鍵器件的需求量會呈指數(shù)增長，為量子測量產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場空間。

量子測量領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景，我國量子測量領(lǐng)域某些關(guān)鍵技術(shù)研究仍處于跟隨階段，與世界先進(jìn)水平的指標(biāo)參數(shù)仍有數(shù)量級的差距。量子測量在實際應(yīng)用中，不同的應(yīng)用場景對性能指標(biāo)的要求不盡相同，需要完備的指標(biāo)體系，不是簡單地追求某一個性能參數(shù)的不斷提升。實驗室研究應(yīng)與實際應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，在追求性能指標(biāo)提升的基礎(chǔ)上，更加關(guān)注集成化、實用化和工程化，并掌握自主知識產(chǎn)權(quán)。

五、量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望

量子信息技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展植根于量子物理學(xué)的基礎(chǔ)研究和理論探索。 通過認(rèn)識和利用微觀粒子系統(tǒng)的物理規(guī)律引發(fā)了第一次量子科技革命， 誕生了半導(dǎo)體、激光和核能等新技術(shù)領(lǐng)域。 而直接觀測和操控光子、 電子和原子等微觀粒子系統(tǒng)，并借助量子疊加和糾纏等特性進(jìn)行信息采集、傳輸和處理，則是以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子科技革命的主要特征。

現(xiàn)階段的量子物理學(xué)理論雖然能夠?qū)α孔盈B加、量子糾纏、 量子遂穿等微觀粒子系統(tǒng)的獨特實驗現(xiàn)象和觀測結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)描述和精確預(yù)測， 即回答了“是什么”的問題， 但是距離理想和完備的刻畫和解釋微觀物質(zhì)世界的運行規(guī)律，即回答“為什么”的問題，仍有令人困惑之處。

例如，微觀世界量子態(tài)和宏觀世界經(jīng)典態(tài)之間的界限與聯(lián)系何在； 既按照薛定諤方程演化又在測量時坍縮的波函數(shù)是物質(zhì)波還是概率波； 微觀量子系統(tǒng)和經(jīng)典測量儀器如何區(qū)分界定等。 量子物理學(xué)的理論問題仍在激勵物理學(xué)家不斷研究和探索，未來的重大理論突破將進(jìn)一步促進(jìn)和推動量子信息技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展。

量子信息三大技術(shù)領(lǐng)域在研究發(fā)展水平，技術(shù)實用化程度，產(chǎn)品工程化能力和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景等方面各有差異，如下圖所示。量子信息技術(shù)的研究和應(yīng)用仍面臨一些共性關(guān)鍵技術(shù)和核心問題瓶頸需要進(jìn)一步攻關(guān)突破。例如，量子通信中的高品質(zhì)量子態(tài)光源，高效糾纏制備分發(fā)及探測，高性能單光子探測，以及量子態(tài)存儲與中繼技術(shù)等；量子計算中的高維糾纏態(tài)制備與操控，高品質(zhì)樣品材料制備，超低溫和磁場隔離環(huán)境，高精度操控測量系統(tǒng)等；量子測量中的高精度操控系統(tǒng)和集成化隔離屏蔽環(huán)境等。上述基礎(chǔ)共性關(guān)鍵問題研究的攻關(guān)和突破，是量子信息技術(shù)進(jìn)入實用化和產(chǎn)業(yè)化主要控制性因素。

▲量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢展望

量子信息技術(shù)研究和應(yīng)用探索發(fā)端于上世紀(jì)九十年代，目前總體處于基礎(chǔ)科研向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)化的早期階段，其技術(shù)發(fā)展演進(jìn)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)推廣既具有長期性，也存在不確定性。 總體而言，真正具有改變游戲規(guī)則和顛覆性意義的“殺手級應(yīng)用”尚未出現(xiàn)，各領(lǐng)域新興技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的路線有待進(jìn)一步探索。

在量子計算領(lǐng)域，基于多種技術(shù)路線的物理平臺探索和量子物理比特數(shù)量提升持續(xù)取得進(jìn)展，“量子優(yōu)越性”得到首次驗證。但可擴(kuò)展量子計算的物理平臺實現(xiàn)方案仍未明確，可容錯量子邏輯比特仍未實現(xiàn)，量子計算解決實際計算困難問題的算力優(yōu)勢尚未充分驗證， 量子計算的適用范圍和能力邊界仍需進(jìn)一步探索。 未來五年內(nèi)可能在專用處理器和某些應(yīng)用領(lǐng)域取得一定突破，但實現(xiàn)通用化可編程量子計算仍是長期而艱巨的任務(wù)。

在量子通信領(lǐng)域， 進(jìn)入實用化階段的量子密鑰分發(fā)主要面向信息安全領(lǐng)域應(yīng)用，其應(yīng)用范圍和影響力相對有限，同時面臨后量子安全加密技術(shù)的競爭，商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍需進(jìn)一步探索。量子隱形傳態(tài)和量子存儲中繼技術(shù)是實現(xiàn)未來量子信息傳輸和組網(wǎng)的重要方向，未來仍處于理論研究和實驗探索階段，實用化前景不明朗。

在量子測量領(lǐng)域， 原子鐘、核磁共振陀螺和單光子探測等基于已有技術(shù)平滑升級演進(jìn)的量子測量方向發(fā)展更加成熟，實用化水平更高。而基于量子相干性檢測和量子糾纏探測的新技術(shù)方向在技術(shù)成熟度、設(shè)備集成化和工程化水平等方面仍有較大提升空間。未來量子測量在國防和航天等領(lǐng)域的應(yīng)用有可能率先取得突破。

我國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用雖然起步稍晚，但與國際先進(jìn)水平?jīng)]有明顯代差，在量子計算、量子通信和量子測量三大技術(shù)領(lǐng)域均有相關(guān)研究團(tuán)隊和工作布局。近年來，在科研經(jīng)費投入，研究人員和論文發(fā)表數(shù)量，研究成果水平，專利申請布局，應(yīng)用探索和創(chuàng)業(yè)公司等方面具備較好的實踐基礎(chǔ)和發(fā)展條件。我國已經(jīng)成為全球量子信息技術(shù)研究和應(yīng)用的重要推動者，與美國和歐洲共同成為推動量子信息技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的重要力量。

量子通信方面，中科大、清華、北大、北郵和上海交大等研究機構(gòu)的研究成果與國際先進(jìn)水平基本同步，在量子保密通信試點應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和星地量子通信探索方面處于領(lǐng)先。量子保密通信產(chǎn)業(yè)基本形成，國科量子、科大國盾、安徽問天和上海循態(tài)等公司積極探索和推動應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各地方政府、電網(wǎng)、銀行和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等單位開始探索采用量子保密通信進(jìn)行信息安全保護(hù)。

量子計算方面，中科大、清華、浙大和中科院等研究機構(gòu)也取得多項具有世界水平的研究成果，例如20光子量子計算的玻色采樣實驗處于領(lǐng)先，已報道20比特超導(dǎo)量子計算實驗，預(yù)計未來1-2年可達(dá)到50比特量級。同時，阿里、百度、騰訊和華為等科技公司開始投入量子計算硬件平臺、軟件算法和應(yīng)用探索的研究，本源量子等初創(chuàng)公司也開始嶄露頭角。

量子測量方面，中科大、北航、中科院和航天科工等科研機構(gòu)在量子陀螺、重力儀、磁力計、時間基準(zhǔn)等領(lǐng)域開展了大量研究，研究成果和原理樣機的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)與國際先進(jìn)水平的差距正在逐步縮小。在量子隨機數(shù)參考基準(zhǔn)和量子時頻同步網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用探索方面，也開始進(jìn)行布局和推動。同時，國耀量子雷達(dá)和國儀量子等初創(chuàng)公司在單光子光學(xué)雷達(dá)和NV色心譜分析等領(lǐng)域開展應(yīng)用探索。

我國在重大項目組織協(xié)調(diào)方面具備集中力量辦大事的體制優(yōu)勢，同時快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)水平，較為完備的工業(yè)體系和體量龐大的統(tǒng)一市場也能夠為量子信息領(lǐng)域新興技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供廣闊空間和有力支撐。量子信息技術(shù)發(fā)展演進(jìn)存在技術(shù)路徑、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)模式不確定性，學(xué)術(shù)界開放探索和研究合作仍是主流，產(chǎn)業(yè)界尚未形成技術(shù)壁壘和寡頭壟斷。我國具備在量子信息技術(shù)領(lǐng)域聚力加快發(fā)展，力爭與國際先進(jìn)水平實現(xiàn)并跑或領(lǐng)跑的時間窗口和寶貴機遇。

我國量子信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用探索也存在一些問題瓶頸和挑戰(zhàn)。量子信息領(lǐng)域研究發(fā)展和應(yīng)用探索的頂層設(shè)計和規(guī)劃布局尚未形成有機整體， 對重點研究領(lǐng)域的規(guī)劃指導(dǎo)和投入支持力度不足。 學(xué)術(shù)界普遍存在論文導(dǎo)向的科研模式， 與產(chǎn)業(yè)界融合進(jìn)行應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)推動的合作交流有限，科技企業(yè)參與度和初創(chuàng)公司活躍度較低， 科研合作與應(yīng)用轉(zhuǎn)化機制待探索。

同時在支持量子信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，例如材料樣品、制冷設(shè)備、操控系統(tǒng)等方面仍有一些短板，未來可能成為制約工程化實現(xiàn)和實用化推廣的關(guān)鍵瓶頸。在人才引進(jìn)、培養(yǎng)和選拔機制方面的管理和評價機制缺乏靈活性和多樣性， 在與量子信息技術(shù)配套的工程、工藝、軟件、測評和標(biāo)準(zhǔn)化等方向的專業(yè)化人力資源的支撐能力較弱。

量子信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要性和長期性，在國家層面制定量子信息領(lǐng)域整體發(fā)展戰(zhàn)略，推出總體發(fā)展規(guī)劃，加快論證實施相關(guān)科技項目，協(xié)同推進(jìn)國家實驗室建設(shè)，可以有效引導(dǎo)和推動研究和應(yīng)用發(fā)展。 在量子計算領(lǐng)域，建立研究機構(gòu)與其他科研院所，以及信息通信、化工制藥、人工智能等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)界的合作平臺與機制，依托實際需求進(jìn)行計算困難問題在量子計算處理器和云平臺的建模解析、算法映射和協(xié)同研發(fā)，是促進(jìn)量子計算實用化研究的有效途徑。

在量子通信領(lǐng)域，對于已經(jīng)進(jìn)入實用化的量子密鑰分發(fā)和量子保密通信，依托現(xiàn)有試點項目和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，組織開展標(biāo)準(zhǔn)制定、測評認(rèn)證、產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等應(yīng)用研究，進(jìn)一步促進(jìn)商用化推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟。在量子測量領(lǐng)域，加強科研項目布局中的工程化和實用化指標(biāo)考核，推動研究成果落地轉(zhuǎn)化，以及研究機構(gòu)和行業(yè)應(yīng)用部門的溝通交流合作。此外，量子信息技術(shù)研究和應(yīng)用涉及諸多工業(yè)基礎(chǔ)配套和工程研究環(huán)節(jié)，加強在材料工藝、核心器件和測控系統(tǒng)等問題瓶頸的攻關(guān)突破，對于應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

六、量子計算專利排名

下面，我們參考IPRdaily 的數(shù)據(jù)，對截至2020年9月30日，在全球公開的量子計算領(lǐng)域發(fā)明專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計排名。入榜前100名企業(yè)主要來自13個國家和地區(qū)，美國占比43%，日本占比14%，中國占比12%。其中來自美國的科技公司IBM以554件專利位列第一，加拿大量子計算公司D-Wave以430件專利、美國科技公司Google以372件專利分別排名第二位和第三位。

▲量子計算領(lǐng)域發(fā)明專利申請數(shù)量

量子計算近些年是各國科學(xué)研究的熱點，其熱度甚至不亞于人工智能和5G。前天，高層組織的量子科技研究和應(yīng)用前景的第二十四次集體學(xué)習(xí)彰顯了政府對這一新的科學(xué)技術(shù)的重視。在三大量子信息技術(shù)中，我國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)走到了世界前列，在量子計算和量子測量方面，雖然在一些領(lǐng)域也取得了世界領(lǐng)先，但整體上還和美國等科技強國有些實力差距。但是，隨著國家不斷的支持與投入，發(fā)揮我國集中力量辦大事的能力，未來一定會實現(xiàn)量子技術(shù)與國際先進(jìn)水平并跑或領(lǐng)跑。