量子信息技术工程化应用发展初探

安 达， 龚振炜， 陈 岩， 刘静岩

(1.中国电子科技集团有限公司发展战略研究中心， 北京 100043；2．中国工程院战略咨询中心， 北京 100088)

0 前 言

为抓住量子信息技术发展机遇，世界主要国家纷纷启动国家级量子科技战略行动计划，大幅增加研发投入和推进应用布局。在中央高度重视和大力支持下，近年来，我国在量子信息领域取得一系列成果：实现了11 km的远距离量子纠缠纯化；成功验证构建天地一体化量子保密通信网络的可行性(4 600 km)；实现500 km量级现场无中继光纤量子密钥分发；构建了113个光子的量子计算原型机“九章二号”和66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”[1]。本文聚焦全球主要国家和地区在量子科技领域的最新政策布局热点，分析总体发展态势，并对量子保密通信和量子计算领域工程化应用发展趋势进行初探，在此基础上，提出我国发展量子信息技术的相关启示。

1 主要国家和地区量子科技政策布局热点

1.1 美国

美国在2018年发布《量子信息科学国家战略概述》，正式将发展量子信息科学上升为国家战略。同年，美国会众议院审议通过《国家量子行动计划法案》，提出实施为期10年的“国家量子倡议项目”，以确保美国在量子信息领域持续领先。2020年，美众议院审议通过《量子网络基础设施法案》，拨款1亿美元以支持构建美国量子网络基础设施。2021年3月，美国在《国家安全临时战略指南》中强调，量子计算等新兴技术有望改变各国之间的经济和军事平衡[2]。随后，美国会参议院审议通过《2021美国创新与竞争法案》，明确将“量子信息科学与技术”列为国家科学基金会应关注的10个“关键技术重点领域”之一[3]。此外，美国会还通过了《量子网络基础设施法案2021》和《科学技术的量子用户扩展法案》两项法案，都旨在进一步巩固其在量子信息领域的全球竞争力。

1.2 欧盟

欧盟在2016年推出为期十年的“量子技术旗舰计划”。2021年，所有27个欧盟成员国完成欧盟量子保密通信基础设施协议签署，该协议将成为欧盟目前正在规划的天基安全连接系统的一部分。同期，欧洲核子研究中心量子技术计划公布中长期量子研究计划路线图，详细说明了其目标和战略，要大力推进探索量子技术如何在量子计算和算法、量子理论与模拟、量子传感/计量和材料，以及量子保密通信和网络四个主要量子研究领域为高能物理学及其他领域带来最大益处。其他国家量子科技政策布局见表1。

续表1

2 全球量子信息科技与产业发展总体态势

2.1 美国在量子信息技术基金项目、专利及论文方面都位居世界前列

一个国家重要科研基金机构资助的研究重点，往往代表该领域发展的较高水平和方向，了解基金机构在科学研究的资助情况，有助于了解各国科研活动的重心。在基金项目方面，本研究通过对美国基金项目(国家科学基金、能源部项目、国防部项目)进行梳理发现，自2015年以来，美国基金项目资助量子科技领域相关项目1 186个，资助经费共计5.48亿美元，平均每个项目资助经费46.17万美元，平均每年9 100万美元，如图1所示。

图1 美国自然科学基金资助量子科技领域项目情况

专利是最能反映科技发展最新动态的情报文献，通过对专利文献的深入分析，可以对特定技术领域发展做出趋势预测。如图2所示，在公开专利数量方面，2015年以来，美国专利申请的重点侧重于量子计算领域，专利申请数接近50%，总体上呈现量子计算>量子测量>量子保密通信的现状。

图2 2000—2021年美国量子信息领域公开专利数量分布图

2021年11月，欧洲专利局在发布的《量子技术和空间专利洞察报告》中指出，量子技术及其空间领域专利的增长趋势主要由量子密钥分配的创新驱动，占比超过77%，其中大多数与空间相关的量子技术专利申请主要源自美国和中国[4]。

在论文发表方面，本研究以中国工程科技知识中心Aminer系统科技情报大数据挖掘与服务系统平台作为基础数据，通过对以SCI 数据库为主的相关数据进行分析发现，2000年以来，全球量子科技领域论文发表量整体呈现具有周期性特征的增长态势，特别是2016年后，全球对量子科技的研究热度开始再次上升，领域科研论文发文量持续上升，如图3～图4所示。

图3 2000—2021年全球量子科技领域论文发表数量分布图

图4 世界主要国家在量子科技领域论文发表数量对比图

2.2 各国通过教育体制创新、成立校企联盟等方式加快构建量子信息生态系统

科技竞争本质上是人才竞争，在新兴量子领域尤其如此。量子信息是融合了物理、数学、计算机等多学科前沿知识的新兴学科，美国在2019年即明确提出将量子信息科学加入中小学教育的倡议计划，2021年，哈佛大学推出量子科学与工程领域博士学位，并计划招收35～40名学生；丹佛大学发起首个能源行业的量子计算校企联盟“量子未来电力系统升级计划”，旨在开发新的量子模型、方法和算法，以更快、更准确地解决一系列电网问题；IBM举办量子教育行业峰会，推动中学和本科教育工作者将量子相关概念纳入跨学科的课程中；马里兰大学和量子计算公司IonQ联合共建美国首个国家量子实验室，促进高校研究人员与企业工程师在量子领域更多合作。同年，中国科学技术大学获批我国首个量子科学与技术方向的博士学位授权点；清华大学成立量子信息班，让学生形成从基础到应用的量子知识架构，这些也标志着我国量子科技领域学科建设迈入了系统布局、成熟发展的新阶段。在商业领域，IBM、Intel、谷歌、阿里巴巴、华为、百度等大公司纷纷加入“量子争霸”竞赛，以期在未来信息技术领域掌握主动权[5]。此外，德国10家头部企业联合成立量子技术与应用联盟，计划在量子计算现有基础上进一步发展工业应用，为量子计算在德国和欧洲实现工业化奠定基础。荷兰则计划在代尔夫特理工大学校园内建设“量子之家”作为荷兰的量子总部，其带有孵化园和实验室的性质，以期打造为量子技术商业公司、投资者和研究人员提供全面服务的生态系统。

3 量子保密通信技术与产业发展态势及展望

3.1 量子保密通信领域各技术方向科学研究与实验持续活跃

量子保密通信领域技术包括量子密钥分发(QKD)、量子隐形传态(QT)、量子安全直接通信(QSDC)等协议与应用。在QKD研究方面，2021年，我国科研团队基于“济青干线”现场光缆，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，分别采用两种技术方案实现500 km量级双场量子密钥分发[6]。随后，又将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至830 km以上，为实现千量级陆基广域量子保密通信网络迈出了重要的一步。还有研究人员利用QSDC原理，首次实现了网络中15个用户之间的安全通信，传输距离达40 km[7]。在国外，英国研究人员利用量子物理的多方量子纠缠特性，通过量子会议密钥协议(QCKA)，在光纤相隔50 km的四方之间同时共享密钥，克服了传统QKD系统只能在两个用户之间共享密钥的局限性。印度拉曼研究所利用大气信道在两座相距50 m的建筑物之间实现量子密钥分发，实现印度首个基于自由空间的量子密钥分发实验。意大利电信公司也在的里雅斯特举办的G20会议上首次公开演示了国际光纤量子连接。量子密钥分发技术的核心是量子随机数生成器，用于计算机、移动通信等领域的信息加密，具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征，是量子保密通信系统中的关键核心器件。2021年，我国研究人员通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，实现了速率达18.8 Gbps的实时量子随机数发生器。此外，国家密码管理局发布《GM/T 0108—2021诱骗态BB84量子密钥分配产品技术规范》和《GM/T 0114—2021诱骗态BB84量子密钥分配产品检测规范》，一方面填补了量子密码，尤其是量子密钥分配QKD在密码行业标准上的空白；另一方面也解决了量子保密通信行业以往应用中无相关量子密码标准可依的问题，能够进一步推动市场的大规模应用[8]。

值得注意的是，美国国家标准与技术研究院(NIST)一直在积极开发抗量子标准化算法。目前，NIST的抗量子密码标准化在经过前两轮标准化会议后，已遴选出15个抗量子密码算法[9]。2022年1月，美国总统拜登签署《关于改善国家安全、国防部和情报系统的网络安全》的第8号国家安全备忘录，是白宫国家安全机构首次在正式文件中提及抗量子密码。当前，中国密码学会也在全国密码算法设计竞赛中征集抗量子密码算法并逐步开展国产密码算法标准化。预计我国将在2025年左右实现抗量子密码算法的商业化应用落地。

3.2 量子保密通信产业应用场景尚处探索阶段，大规模工程化方向尚未明确

作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子保密通信极有可能进入公众安全网和云安全领域，服务电子政务、电子商务、电子医疗等各领域。据日本东芝公司预测，量子保密通信全球市场到2035年有望达到1 200亿元人民币规模。在国内，得益于率先开展广域量子保密通信的技术验证与应用示范，目前我国量子保密通信核心器件的国产化和设备的小型化已初步实现，具备了在关键部门先行先试的条件。在国外，在2021七国集团峰会上，美国、英国、日本、加拿大、意大利、比利时和奥地利领导人宣布将联合开发基于卫星的量子安全网络。同期，欧洲空客公司研发建造的在轨可编程量子卫星“Eutelsat Quantum”成功发射，其在轨可重新编程功能设定了灵活性新标准，预示着商业卫星服务时代的到来。美国能源部宣布为量子信息科学的基础设施和研究项目提供6 100万美元研究资金，以创造新的量子设备和发展量子安全网。量子安全网将使未来的量子传感器连接在一起，并在量子计算机之间共享数据，将实现新的安全级别。俄罗斯宣布其量子保密通信线路将在10～15年后进入工业使用，目前，俄铁路公司已开通俄首条也是欧洲最大的、位于莫斯科与圣彼得堡之间长达700 km的量子保密通信干线。此外，俄首个开放访问的“生态系统校际量子网络”也已在莫斯科启动。此外，量子初创公司Quantinuum在2021年推出了基于量子计算机生成的随机数的“完全不可预测的加密密钥”服务，并称其为NISQ(中型含噪量子计算)计算机时代的首个商用量子密码学产品。据报道，正在建设商业空间站的Axiom Space已使用该产品对国际空间站和地球之间的抗量子加密通信进行了测试。总的来看，当前全球量子保密通信技术在产业化层面的应用场景仍在探索阶段，部分已成熟技术的商用化前景还存在较为明显的局限性，大规模工程化方向尚未明确。

4 量子计算技术与产业发展态势及展望

4.1 量子计算技术研发取得突破性进展，量子计算优越性得到实验性验证

量子计算是一种基于量子叠加和纠缠特性的新质计算，兼具可逆计算和并行计算能力，使其具有超越经典计算的低功耗、高速度等的巨大发展优势，有望在信息安全、数字经济、科研文教、生物医药、能源材料等领域产生颠覆性应用。量子计算对环境要求极高，杂散光、磁场、热辐射和振动等极其微弱的噪声都会干扰量子体系，当前研制量子计算机的一大技术挑战是提高量子比特的操控精度，保障运算正确率。量子计算的技术实现途径有超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等，目前仍处并行发展和开放竞争状态。2021年，中国科大超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解；光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，增强了光量子计算原型机的编程计算能力，同年，IBM公司发布具有127个量子比特处理能力的量子处理器“Eagle”，根据IBM在2019年发布的量子计算路线图，该公司计划在2022年推出具有433个量子位的“Osprey”芯片以及具有1 121个量子位的“Condor”芯片[10]。在离子阱技术方向，霍尼韦尔公司提供支持的Quantinuum H系列量子计算机继续实现指数级性能提升，其最新离子阱系统H1-2首先达到2 048量子体积；量子初创公司IonQ公司计划在其系统中使用钡离子作为量子位，以构建更快、更强大、更易于互连且为客户提供更多正常运行时间的系统，该公司2021年在纽约证券交易所上市，成为第一家上市的量子计算公司，一定程度上意味着离子阱技术的商业化潜力取得了资本市场的认同。中山大学物罗乐教授提出，从技术路径来看，超导技术制备量子物理比特数量“从10到100”走的较快，但“从100到1 000”则面临较大瓶颈；离子阱技术“从10到100”的起步阶段相对困难，但“从100到1 000”的难度要低很多，有望领先超导技术。在量子软件和算法领域，中国科大团队研发出新型量子特征提取算法，实现了对未知量子系统矩阵的分析与信息提取，可将量子算法的并行加速特性应用于人工智能领域中，提升人工智能系统的效率与能力。剑桥量子公司开发一种新的量子算法，可使用更少的量子比特来解决优化问题。此外，中国科学院发布了用于量子计算物理系统远程调控的指令集QCIS，将支持用户远程调用其开放接口，在真实量子计算原型机上进行“云端”量子编程实验。总体说来，每种技术架构方法都有其优点和缺点，为应对不同环境需求和解决不同的计算问题，对各方向的探索和竞跑仍在继续。

4.2 各主要国家大力推进量子计算产业生态培育，但工程化仍面临挑战

根据波士顿咨询预测，全球量子计算应用市场规模2035年将达20亿美元，2050年将飙升至2 600多亿美元[11]。美国科技政策智库数据创新中心发布报告，呼吁美国会在五年内提供5亿美元支持具有近期应用的学术研究项目，以确保美国在量子计算领域保持领先地位。各大量子企业也纷纷发布量子计算路线图，不但强调改进量子比特扩展和纠错的方法，更寻求更多新的融资机会。其中，IBM计划在2023年实现超过1 000位量子物理比特、能够稳定运行并且抗噪声的量子处理器，将量子计算机实现商业化。该公司与德国弗劳恩霍夫协会合作，在2021年推出欧洲首台量子计算机“IBMQ System One”，这款具有27个量子比特的商用量子计算机可提供基于量子的计算策略实验，企业和研究机构可以在该计算机上开发和测试与应用程序相关的量子软件并扩展技能。量子初创公司Quantum Brilliance着力加速金刚石量子计算机的商业化进程，其开发的量子计算机基于合成金刚石技术，无需接近绝对零度的温度或复杂激光系统就可像大型量子计算机一样运行，其目标是到2025年提供一个午餐盒大小、超过50个量子比特的量子加速器。混合量子经典计算先驱Rigetti Computing推出下一代“Aspen-M”80量子位量子计算机，它由两个40量子位芯片组装而成，是世界上首个商用多芯片量子处理器，解决了容错量子计算中的一个关键的规模挑战。中国信息通信研究院发布《量子云计算发展态势研究报告(2021)》蓝皮书，提出量子计算云平台是技术实验、接口开放、数据提供和技术研讨的综合体，在量子计算标准制定过程中将会发挥重要作用[12]。京东公司也发布以经典云平台为依托、量子计算设备为终端的量子并行处理框架QUDIO，能够实现调度现有量子计算资源去求解超越经典计算的大规模任务。2022年1月19日，世界经济论坛(WEF)发布首份有关量子计算指南的报告——《量子计算治理原则》，列出了负责任地设计和采用量子计算技术为社会带来积极成果的第一套原则，同时概述了利益相关者为激励技术发展同时降低可能风险而采取的关键行动。总的来看，全球量子计算产业仍处于发展初期，各主要国家目前还处于大力推进量子计算从科学研究和概念验证转向构建未来几年具有商业前景产品的生态培育阶段，大规模工程化仍面临较大不确定性挑战。

4.3 与实际应用问题相结合，量子计算进入多领域应用场景探索新阶段

量子计算技术具有改变行业和解决社会最紧迫问题的潜力，有望为多个行业带来变革性利益，并在未来几年对改善世界状况产生相当大的影响。在药物和材料开发方面，量子计算机能够通过量子模拟同时审查多种分子、蛋白质和化学物质，从而能够更快速、更有效地的研发药物。此外，量子计算机可以有效地模拟其他量子系统，例如分子中的电子，从而对复杂材料的化学和物理特性进行更可预测和准确的洞察，为开发更具可持续性和环境安全性的产品铺平道路。2021年12月，微软投资初创公司PsiQuantum和日本量子初创企业QunaSys宣布一项联合研究项目，评估用于工业化学计算的容错量子计算的能力，以加速可持续材料的开发。在金融领域，许多主要机构都在寻求量子计算来提高贸易、交易和数据速度。IBM和摩根大通等银行一直在对量子技术进行测试，以评估其在不久的将来能够大规模执行的具体行动。2021年11月，国际货币基金组织发布《量子计算与金融系统》报告，指出量子计算有可能改变全球经济和金融部门，对全球经济和金融体系产生深远影响。报告中还特别提到，中国建立了从北京至乌鲁木齐间的量子密钥分发传输通道，实现了商业银行跨境人民币收付信息管理系统数据加密传输。在气候变化领域，量子模拟能够帮助各国实现联合国的可持续发展目标。例如，量子计算机可能加快新的二氧化碳催化剂的发现，从而确保二氧化碳的有效回收。此外，量子计算与人工智能相结合也是发展的趋势。美国康奈尔大学通过创建基于量子计算的“智能系统”方法来构建故障诊断框架，从而准确地发现电力系统中的问题。研究发现，与电压变化或大面积停电等巨大问题相比，融合人工智能的快速计算能够快速诊断故障并在几秒钟内找到解决方案。随着量子计算不断朝着商业可行迈进，其在航空航天、物流等众多领域的应用场景也在不断拓展。

5 结 语

量子信息技术是国际科技前沿领域，是大变局时代的关键科技变量，也是大国科技、国力和军事竞争的战略高地。当前，我国量子信息技术研发已到了深化发展、快速突破的历史阶段，迫切需要完善创新全面的布局，实现多学科的密切交叉和各项关键技术的系统集成。

1) 要加强顶层谋划，持续加大量子信息领域技术攻关。汇集量子技术领域的产学研相关力量，加快制定一部符合中国发展现状和需求的国家层面综合性量子技术发展规划；把量子信息技术作为推动技术创新的重要突破口，统筹好基础研究、前沿技术、工程技术研发，加快补齐短板，着力夯实量子科技跃升发展的基础条件，超前布局量子领域的前沿技术。

2) 要提升产学研协同，加速量子信息研究成果向实用化、工程化转化的速度和效率。积极组织相关企业、高校、研究机构，以需求为导向引领技术的研发；聚焦有产业化预期的量子相关技术，广泛挖掘量子科技的应用场景，推动其在大数据搜索、人工智能、生物制药、金融、医疗及政务等领域的应用，在应用中迭代完善相关的技术，推进产业化能力形成和产业生态建设。

3) 要持续扩大交流，继续用好各类的合作平台提升发展战略主动权。进一步鼓励产学研各界代表走出去、引进来，广泛开展技术、产业、安全方面的交流合作，主动参与量子科技领域的国际标准制定；完善相关人才的引进和培养机制，鼓励重点高校开展量子科学相关学科建设，吸引和培养更多量子技术领域的专业人才和后备力量。