国外量子信息技术发展分析

许文琪/ 文

量子信息技术是以量子效应为基础的信息技术，主要包括量子通信、量子计算、量子计量等技术。量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度、提高检测精度等方面具有突破现有信息系统极限的能力，在情报侦察、军事通信等领域潜在应用前景广阔，是目前最具吸引力的前沿技术领域之一，已成为美国、欧盟、日本等国家和地区竞相发展的焦点。

国外量子信息发展战略和计划

美国发布《量子信息科学国家战略概述》和“国家量子计划”

为跟上全球量子竞争加速步伐，国家科学技术委员会发布量子信息科学领域首个国家发展战略《量子信息科学国家战略概述》，建议从量子研究方法、人才储备、量子产业、基础设施、国际合作等角度采取相关措施，推进美国量子信息科学发展。此外，特朗普总统签署《国家量子计划法案》，要求实施为期10年的“国家量子计划”，未来5年投资12.75亿美元，从标准制定、资金投入、机构设置等方面采取措施，推动基础研究、技术应用、人才培养。

欧盟启动“量子技术旗舰”计划

“量子技术旗舰”计划总额10亿欧元、为期10年，力图汇集欧盟及其成员国的优势，推动量子通信、量子模拟器、量子传感器和量子计算机等领域量子技术的发展，确立欧洲在量子技术和产业方面的领先优势。

德国投入6.5亿欧元资助量子技术研发

德国政府投入6.5亿欧元，用于“量子技术——从基础到市场”项目。新项目是在德国联邦教育和研究部、经济部、内政部和国防部的支持下开展实施的，其主要目标包括扩展量子技术研究领域，为新应用创造研究网络，开展国际合作等。该项目将于2018年到2022年进行，并可能延长至2028年。

英国宣布未来5年为“国家量子技术”项目投入8000万英镑

英国财政大臣菲利普·哈蒙德批准为传感器和测量中心、量子增强成像中心、网络量子信息技术中心、量子通信技术中心投入8000万英镑，用于在2018年-2023年间，支持量子技术研发和应用。

量子计算

通用量子计算机处于原理样机研制阶段

量子计算于20世纪80年代由物理学家瑞查德·费曼首次提出。20世纪90年代，随着秀尔算法的出现，人们对量子计算的兴趣日益增加，但当时仅停留在理论研究，对如何制造出量子计算机尚无对策。如今，得益于世界各国在量子比特产生和控制方面取得的进步，小型原理可证的量子计算机已得到验证。

通用量子计算机由产生量子比特的核心芯片，以及由低温电子学控制或纠错的电路构成。量子比特主要通过超导、量子点、光子、离子阱、原子和分子自旋等方式构建，但哪种构建方式更具优势尚无定论，目前研究热点主要集中在超导和离子阱。

美国谷歌公司研制出72超导量子比特量子处理器原型，错误率低至1%；随后，美国IBM公司推出世界首个集成量子计算系统Q System One，这是IBM Q的最新版本，该系统包含20个超导量子比特，部署于高9英尺（约2.74米）的玻璃立方体中，具有稳定、可靠、设计紧凑等特点。

通用量子计算机的制造除了量子比特数量上的增长，还需要在量子比特间实现低错误率，以抵抗环境噪声；在物理量子计算机上运行量子纠错算法，实现可靠、稳定的逻辑量子比特；快速将大容量经典数据转换为量子态；开发能在量子计算机上运行的量子软件等。整体上，通用量子计算机尚处于技术攻关和原理样机研制阶段。

专用量子计算机有望进入实用化阶段

加拿大发布“预览”计划，推进下一代绝热退火量子计算机研发。下一代绝热退火量子计算机量子比特数量将超过5000，采用新的底层制造技术，以降低系统噪声，增加连接性。

日本计划推出百万量子比特专用处理器DAU。富士通公司计划在2019财年推出DAU专用计算机系统，旨在提供100万量子比特的大规模平行处理能力，即可快速计算出多达100万个变量的多项式方程的最优解。一旦实现，DAU专用计算机系统将在人工智能和机器学习方面展现出巨大的优势。

今后将继续攻克量子计算硬件、算法等难题

当前量子计算技术已在量子比特构建、量子算法等方面取得丰硕成果，随着重大基础科学问题的解决和实验技术的迅速发展，国外量子计算技术的未来发展趋势主要体现在以下几方面：

一是突破大规模通用量子计算机研发瓶颈。当前大规模通用量子计算机仍面临着延长量子相干保持时间、实现更多粒子的量子纠缠，以及制备高精度量子态等挑战。

二是改善现有量子算法性能并开发新的量子算法。增强现有量子算法的实用性；继续开发新型量子算法。

三是推进量子计算机与人工智能协同发展。一方面，量子计算机采用优异的量子算法，具有高速并行计算能力和强大的信息存储容量，可满足人工智能对计算能力的需求；另一方面，人工智能使用的算法、计算体系结构也有望推动量子计算机研发。

量子通信

光纤量子密钥分发网络工程化应用起步

量子密钥分发理论研究始于20世纪70年代，90年代完成原理验证，21世纪后逐步走向实用化，多国已建立城域实验网，通信距离超过百千米。按照通信介质不同，量子通信可分为光纤量子通信和自由空间量子通信。量子密钥分发已经从实验室走向大规模实用化阶段，正在引领量子通信朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。当前已出现了一些实用的量子密钥分发网络，如东京量子密钥分发网络、欧洲量子通信网络。

星地量子通信仍处于探索阶段

日本利用低成本、小型卫星实现量子通信。情报通信研究机构开发出世界上最小、最轻的量子通信发射器，并成功搭载微型卫星SOCRATES，演示了首个太空量子通信实验。试验表明，量子比特误码率低至3.7%，这意味着可以使用低成本、轻量级微卫星实现量子通信，将加快空间量子通信的实际应用，朝构建全球长途和真正安全的卫星通信网络迈出重要一步，为未来的全球通信网络开辟新篇章。

加拿大在自然条件下实现高维量子加密通信。加拿大在自然城市条件下在地面网络和卫星之间采用大容量、自由空间量子通信建立高度安全的链路，具备了技术可能性。未来，这种自由空间通信方案有可能用于地面与卫星之间或者与运动物体（如飞机）之间的加密通信。

新加坡和英国计划于2021年发射小型量子通信卫星。新加坡和英国合作研发小型量子卫星，计划在2021年发射，以验证高度安全的量子密钥分发通信网络。该卫星大约重12千克，尺寸约为鞋盒大小。目前，新加坡已经测试了量子密钥分发系统在恶劣条件下的生存能力，包括火箭上的模拟发射振动和类似于太空的极端温度环境。后续，英国将重点探索如何将密钥成功传输至地面。

意大利首次完成高轨道卫星量子通信实验。意大利采用“格洛纳斯”导航卫星成功实现了通信距离20200千米的高轨道卫星量子通信实验。该实验证实了利用高轨道卫星实现全球量子通信网络的可行性。

量子通信向小型、高安全度方向发展

一是提高量子密钥分发系统实际安全性。量子密钥分发系统虽然在理论上是无条件安全，但受设备非完美性、超级计算机等影响，实际系统可能遭受量子黑客攻击。为确保量子信息传输安全，需要分析实际量子密钥分发系统中存在的潜在安全漏洞，通过修改协议或者改进实验系统防止窃听者利用漏洞获取信息；开发独立探测器消除通信漏洞，保护传输的加密信息不受黑客攻击。

二是实现量子密钥分发系统小型化。当前光子集成技术、平面光波电路技术是实现量子密钥系统小型化的主要途径。美国、日本分别采用光子集成技术、平面光波电路技术完成量子密钥分发实验；欧盟正在积极开展利用光子集成技术实现量子密钥分发系统小型化。但这些工作尚未完成光源和探测器的集成，未来将进一步提高整个量子密钥分发系统的集成能力。

量子精密测量

量子精密测量处于初步发展阶段

英国研发出商业可用的新型量子加速度计。英国帝国理工学院与M Squared激光系统公司联合研制出用于精确导航的量子加速度计。该量子加速度计是一套独立完整的系统，便于机动，是英国首个可用于导航的商业化量子加速度计，有望用于船舶、列车等大型机动平台。

量子导航系统样机已在水下开展试验。英国国防科学技术研究院与国家物理实验室2014年成功研制出“量子罗盘”导航系统样机。该样机不受水下、建筑物遮挡等环境限制，导航精度比目前GPS最多高出3个数量级，可大幅提升潜艇隐蔽性。

量子雷达的反隐身能力成功得到验证。美国罗切斯特大学2012年开展量子雷达对隐身飞机有源雷达干扰机的抗干扰实验。实验表明，雷达有效探测到具有欺骗能力的隐身目标。

量子精密测量向高精度、小型化方向发展

量子导航的工程化应用离不开高精度、微型原子陀螺仪、原子钟等技术的发展，量子雷达的发展需要克服量子纠缠光源、高效探测器等技术难题。量子计量技术发展趋势主要体现在：研发高精度、小型原子陀螺仪；实现高精确度、紧凑型光学原子钟；提高量子导航集成度、计量精度；攻克量子雷达关键技术难题。（国家工业信息安全发展研究中心）