量子信息技术将成为下一代信息技术的先导和基础

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队唐川（E-mail:tangc@clas.ac.cn）、张娟、房俊民

审稿专家：中科大陆朝阳教授

量子信息技术将成为下一代信息技术的先导和基础

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队唐川（E-mail:tangc@clas.ac.cn）、张娟、房俊民

审稿专家：中科大陆朝阳教授

量子信息科学是利用量子体系的独特性质对计算、编码、信息处理和传输过程给予新的诠释、开发新的、更为高效的信息处理功能的一门学科，它是量子力学与信息科学相结合的产物，主要包括量子计算和量子通信两个领域，其核心目标是实现真正意义上的量子计算机和实现绝对安全的可实用化的远距离量子通信[1]。此外量子密码、量子模拟与量子度量等分支也是当前和未来的研究热点。

1 全球化量子通信有望实现

经过20多年的发展，量子通信已从理论走向实验，并向实用化发展。近年来，量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升，通信距离已超过200km。一些小规模的量子通信试验网已经建成，验证了量子通信技术网络化的可行性，并在国家安全、金融等信息安全领域开始发挥作用。

在量子通信领域，我国在多个方面已经达到了世界先进水平，其中在城域量子通信关键技术方面达到了产业化要求，产业化预备方面与欧美处于同等水平状态。中科大潘建伟团队在实用化量子网络通信、量子存储和量子中继器技术研究方面处于国际前列。例如2012年潘建伟小组在量子中继器的实用化研究上取得了突破，实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储，为国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果[2]。同时，中科院正在大力推动战略先导专项“量子科学实验卫星”，并于2012年首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础[3]。中科院计划在2016年左右发射量子科学实验卫星，在此基础上将实现高速的星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络[4]。

下一步的国际竞争将更加激烈，各国将致力于将量子保密通信向更远距离和更大规模的广域网络发展，重点包括量子中继和卫星量子通信等。据科学家们预计，未来10年颇有望实现全球化量子通信，并在往后二三十年间对人类社会发展产生重大的影响，其在军事、国防、金融、工程和社会公共设施等信息安全领域都有着尤为重大的应用价值与开发前景。

2 量子计算有望获重要突破

目前，标准量子计算模式[5]、基于测量的量子计算模式[6]、拓扑量子计算模式[7]和绝热量子计算模式在少数几个量子逻辑比特的前提下得到了实验验证[8]，实现了简单的逻辑门操作[9]、纠错[10]，以及一些简单的量子算法演示[11]。

在硬件实现方面，国际学术界依然不能完全确定哪个物理体系能够最终胜出。固态物理系统、冷原子、量子光学体系等都各有优势，最终最有希望满足所有量子计算的要求的或许是一种混合型的、集成各体系的优势量子计算机。2012年，潘建伟小组实现了8光子比特拓扑量子纠[12]。2013年，潘建伟小组利用光量子计算机实现了求解线性方程组算法。奥地利因斯布鲁克大学领导的联合研究小组在2010年利用离子阱系统实现了14个量子比特的纠缠态的制备[13]。美国南加州大学证明加拿大D-Wave公司研制的D-Wave Two型量子模拟机成功演示了量子退火法[14]。

未来5—10年量子计算机的研制可望取得重要突破。各国竞争的焦点包括量子芯片（半导体量子芯片、超导量子芯片、离子/原子芯片、光子集成芯片等）、量子编程、量子测量以及量子芯片微纳结构材料等相关研究[15]。

3 量子密码将获实际应用

近年来，美国、欧盟、日本等投入了巨大资源研发量子密码技术[16]，并取得一系列成果，中国在该方面的进展也处于世界前列。量子通信的第一个演示性试验是由Bennett、Brassard及其研究团队在1989年完成的[17]，通过自由空间传输距离只有30cm。2004年，日本NEC公司宣布创下了光纤量子密码传输距离的新记录150km[18]。同年，中科大郭光灿研究组在北京与天津之间成功实现了125km光纤的点对点的量子密钥分配线路[19]。由于这些实验所使用的光源是衰减的激光，不是完美的单光子源，因此不能克服光子数分离攻击，安全的通信距离无法超过10km量级。

现阶段只有通过诱骗态量子通信技术才能克服光源不完美带来的漏洞，达到安全距离超过百公里的量子密钥分发，因此成为国际竞争最热门的领域之一。2007年，诱骗态量子通信技术同时被美国国家标准局[20]、欧洲维也纳大学[21]和中国潘建伟小组[22]这三个研究组实现，为城域安全量子通信奠定了基础。2012年，潘建伟研究组建设完成了国际上首个包含46个节点、规模化的城域量子通信网络——合肥城域量子通信试验示范网，在合肥市区多个政府部门、金融机构、军工企业和科研院校得以应用。基于已成熟的规模化城域量子通信组网技术，潘建伟研究组进一步将技术应用于国庆60周年阅兵式的通信安全保障工作、与新华社合作的“金融信息量子通信验证网”和为“十八大”提供信息安全保障的“基于量子通信的高安全通信保障系统”。

2013年，潘建伟研究组牵头的千公里级大尺度光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”正式立项，将建设连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,建成国际上首个大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。

4 量子模拟有望取得重大突破

量子模拟就是指在一个人工构建的量子多体系统的实验平台上去模拟在当前实验条件下难以操控和研究的物理系统，获得对一些未知现象的定性或定量的信息[23]。2009年，中科大潘建伟研究小组通过操纵多光子纠缠态，在国际上首次实验证实了一种存在于两维空间的奇特粒子（任意子）的分数统计现象[24]。利用超冷原子BEC，人工构造出了规范势，实现了超冷玻色子的“自旋-轨道耦合”[25]。2010年中科大杜江峰研究组，在核磁共振系统中通过量子模拟的方式获得了氢分子的基态能量[26]，模拟了化学中异构化反应的动力学[27]。2011年美国哈佛大学研究小组利用单格点成像技术，成功地模拟并探测了一维反铁磁自旋链[28]。量子模拟技术快速发展，正在接近经典计算机可以模拟的极限，未来5—10年有望取得重大突破。当前关键问题是研制具有相当规模的量子比特实验平台，以及研制可实用的固态量子存储器等关键器件。量子模拟是量子计算机最有前景的应用领域，有望比普适的量子计算机更早实现[15，29]。

5 量子度量学正在兴起

量子度量学是近几年兴起的一门学科。量子度量学突破了经典测量的标准量子极限，正日益引起世人的关注，可望在量子定位、量子雷达、量子时钟、量子高精密相位测量、量子成像等方面开辟新的潜在应用。例如潘建伟研究组成功制备了10比特纠缠态，并实验观测到了光子相位超分辨，且突破了标准量子极限，这是到目前为止光学系统中利用纠缠比特数目最多的量子度量学成果，也为下一步更高分辨率和灵敏度的精密测量奠定了重要基础[30]；中科大郭光灿研究组和以色列的联合科研组开发出了新型量子弱测量技术，首次利用廉价的商用发光二极管白光源实现量子高精密测量，时间测量的精度达到阿秒量级，相应距离的测量精度达到0.1nm，即可以分辨出一个原子大小的位置移动。同时，探测装置简单实用且性能稳定，不受环境消相干的影响，为量子精密测量技术走向实用化打下了重要基础[31]。

传统的信息技术已越来越接近其物理极限，量子信息技术将能突破摩尔定律瓶颈，提供前所未有的强大计算能力、无与伦比的安全性，将成为下一代信息技术的先导和基础。我国目前在量子通信领域已取得了诸多国际领先的成果，并在量子计算、量子密码等方面也跟上了世界的步伐，在该新兴领域占据了一席之地，并且寻求在未来的国际竞争中抢占这一战略制高点。

1郭光灿,周正威,郭国平等.量子计算机的发展现状与趋势.中国科学院院刊，2010,25(5):516-524.

2 Bao X H,ReingruberAet al.Efficient and long-lived quantum memory with cold atoms inside a ring cavity. Nature Physics,2012,8:517-521.

3 Yin J,Ren J G,Lu H et al.Quantum teleportation and entanglement distribution over 100-kilometre free-space channels.Nature，2012,488:185-188.

4量子通信:无法破译的密码.光明网.http://tech.gmw.cn/ 2013-06/18/content_7989200.htm.

5 Cai X D et al.Experimental quantum computing to solve systems of linear equations.Phys.Rev.Lett.,2013,110: 230501.

6 Gao W B et al.Experimental measurement-based quantum computing beyond the cluster-state model. Nature Photonics,2011,5:117.

7 Yao X C et al.Experimental demonstration of topological error correction.Nature,2012,482:489-494.

8周正威，陈巍，孙方稳等.量子信息技术纵览.科学通报, 2012,57（17）：1498-1525.

9 Gao W B et al.Experimental realization of a controlled-NOT gate with four-photon six-qubit cluster states.Phys.Rev.Lett.,2010,104:020501.

10 Lu C Y et al.Experimental quantum coding against qubit loss error.Proc.Natl.Acad.Sci USA.,2008,105: 11050-11054.

11 Lu C Y et al.Demonstration of a compiled version of Shor's quantum factoring algorithm using photonic qubits.Phys.Rev.Lett.,2007,99:250504.

12 Yao X C et al.Experimental demonstration of topological error correction.Nature,2012,482:489-494.

13 Monz T,Schindler P,Barreiro J T et al.14-qubit entanglement:creation and coherence.Phys.Rev.Lett., 2011,106:130506.

14 Boixo S,Albash T et al.Experimental signature ofprogrammable quantum annealing.Nature Communications, 2013,3067:1-8.

15中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社,2020，110.

16 Gisin Netal.Quantum cryptography.Rev.Mod.Phys.,2002,74: 145.

17 Bennett C and Brassard G.The dawn of a new era for quantum cryptography:the experimental prototype is working.SIGACT NEWS,1989,20:78.

18 Kimura Tetal.Single-photon interference over 150-km transmission using silica-based integrated-optic interferometers for quantum cryptography.quant-ph/0403104,2004.

19 Mo X et al.Intrinsic-stabilization uni-directional quantum key distribution between Beijing and Tianjin.quant-ph/0412023, 2004.

20 Rosenberg D et al.Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber.Phys.Rev.Lett.,2007,98:010503.

21 Schmitt-Manderbach T et al.Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Phys.Rev.Lett.,2007,98:010504.

22 Peng C Z et al.Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization encoding.Phys.Rev.Lett., 2007,98:010505.

23周正威，陈巍，孙方稳等.量子信息技术纵览.科学通报,2012,57（17）：1498-1525.

24 Lu C Y et al.Demonstrating anyonic fractional statistics with a six-qubit quantum simulator.Phys.Rev.Lett.,2009,102:030502.

25 Zhang J Y et al.Collective dipole oscillations of a spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate.Phys.Rev.Lett.,2012,109: 115301.

26 Du J,Xu N,Peng X et al.NMR implementation of a molecular hydrogen quantum simulation with adiabatic state preparation. Phys.Rev.Lett.,2010,104:030502.

27 Lu D,Xu N,Xu R et al.Simulation of chemical isomerization reaction dynamics on a NMR quantum simulator.Phys.Rev. Lett.,2011,107:020501.

28 Simon J,Bakr W S,Ma R et al.Quantum simulation of antiferromagnetic spin chains in an optical lattice.Nature,2011, 472:3 07-312.

29 Cirac J,Zoller P.Goals and opportunities in quantum simulation. Nature Physics,2012,8:264-266.

30 Gao W B,Lu C Y et al.Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schrödinger cat state.Nature Physics, 2010,6:331-334.

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