2022年量子信息技术发展现状及未来趋势分析

1、2022年量子信息技术开展现状及未来趋势分.量子信息技术可分为三类，其中量子通信最接近商用量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子（譬如光子和电子等）的统称。量子具有不可全面观测性 （测不准）、不可复制性、态叠加性的性质。量子信息是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，量子信息技术已经成为世界各国实施高新 技术战略竞争的焦点之一。量子信息技术通过对光子、电子和 冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观 测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论 无法实现的方式获取、传输和处理信息。以量子计算、量子通 信和量子测量为代表的量子信息技术在信息平安、通信网

2、络、 人工智能、空间探测、生物医疗等诸多领域将产生基础共性 乃至颠覆性的重大影响。量子技术主要可分为三类，分别为量子计算、量子通信 和量子测量。量子技术被视为可能引发信息技术体系的颠覆性创新和重构，并诞生改变游戏规那么的变革性应用，从而推动 信息通信技术换代演进和数字经济产业突破开展。.量子信息技术开展具备战略意义，全球范围内多个国 家均有相关投入由于量子技术本身的重要性，各国普遍在量子方面加强 了科研规划和布局投入。据中国信息通信研究院不完全统计, 截至2021年10月，全球各国投资总规模已经超过130亿美元。随着量子信息技术的开展，量子信息技术的科研成果转 化、行业应用创新、供应链建设和人

3、力资源培养等方向已经 成为当前全球主要国家的主要发力方向。在这样的背景下，各 国成立了一系列的量子信息技术领域产业联盟。.量子计算：多种路线并行尚未出现压倒性技术，距离 商用化尚远量子计算主要依赖量子叠加和干涉等原理实现并行计算, 能在某些传统计算机计算困难的问题上提供指数级加速，即 可实现“量子计算优越性“，是未来计算能力跨越式开展的重要 方向。量子计算主要依赖量子比特。量子比特依赖量子的叠 加特性，可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话 讲，它可以同时存储。和1。考虑一个N个物理比特的存储器, 假设它是经典存储器，那么它只能存储2?个可能数据当中的任一个，假设它是量子存储器，那么它

4、可以同时存储2?个数，而且随 着N的增加，其存储信息的能力将指数上升。经典比特和量子比特比照经典比特量子比特资料来源:根源量子官网,安信证券研究中心图：经典比特和量子比特比照由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因 此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2?个输入数 进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2?次操 作，或者采用2?个不同处理器实行并行操作。可见，量子计 算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。多种路线并存，尚处于研发阶段。量子计算依赖量子比 特，根据实现量子比特的制备操控方案的不同，当前量子计算其存在超导、离子阱、硅基半导体和光量子多种技术路线,

5、目前尚未出现压倒性的技术，处于多技术并行状态。另外，当前量子计算机的开展还面临着如退相干等问题, 导致当前量子计算仍主要存在于实验室阶段，距离商业化较 远。但是当前也有诸如“九章”等新的具备量子优越性的量子计 算机被制造出来，整体行业仍保持向好趋势。.量子通信：量子保密通信已产业化，京沪干线等代表 性应用加速行业开展量子通信那么主要是指量子加密通信，即利用量子的叠加 态和纠缠效应，在经典通信的辅助下进行量子密钥的产生、 分发和接收，可以在很大程度上提升信息的平安性。基于量子 密钥分发和对称加密算法的量子保密通信技术已经初步实用 化，在商用设备、实验网络和示范应用等方面取得了一定的 进展，但仍面

6、临下游需求不明，业绩持续性缺乏等问题。具 体到量子通信的业务模式来看，量子通信主要依赖量子随机数 发生器（QRNG）、量子密钥分发设备（QKD）等一系列量 子密钥生成和传输设备集合形成密钥资源，并进一步依赖集 成后的量子平安设备和量子网络为政务、金融、电力、数据中 心等客户提供信息加密服务。利用量子现象进行加密最早由哥伦比亚大学的科学家 Stephen Wiesner于1969年在论文共 物编码（conjugatecoding)中提出。后来其好友IBM公司的研究人员Charlie H. Bennett和加拿大蒙特利尔大学的教授Gilles Brassard受到 了 Stephen Wiesne

7、r的启发，在1984年在印度召开的一个国 际学术会议上提交了一篇论文量子密码学：公钥分发和抛币 (Quantum cryptography ： Public key distribution and coin tossing) o 他们在这篇论文中提出了 BB84协议，该协议把密码以密钥 的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密钥分发(QKD)量子随机数发生器(QRNG)当前的数据加密主要依赖特定的算法，在算法中输入不 同的参数从而得到不同的加密结果，所输入的一系列参数就 是加密密钥。而算法方面，当前国际上加密主要均依赖几种特 定的算法，因此一般对于窃听者而言，得到密钥就相当于得 到了明

8、文，即破解了本次加密。在这样的背景下，密钥的随 机性具备重要的意义。而密钥的随机性直接与密钥生成所依赖的随机数生成方 法相关，随机数的生成可以分为两种 基本类型：软件和硬件。 基于软件的随机数生成被称为伪随机数发生器即PRNG,软件 的问题来自于其生成算法确实定性，假设其算法被破解，那么可 对其产生的随机数进行预测，故而平安性较低。基于硬件的 随机数发生器也叫作真随机数发生器，其主要依赖经典物理学的随机性，并通过对物理现象的测量将其数字化，从而生成随 机数，但由于经典物理学过程无法做到完整的控制和监控， 故而密码系统中会存在不确定性，并对平安性造成损害。QRNG （量子随机数发生器）原理主要是

9、依赖量子本身 的随机性特性生产随机数。量子的随机性即一个量子经过一 段时间演化后的状态无法精确预测，与任何外部因素都无关, 因此基于量子的随机性产生的随机数是完全真随机的，具备 相较传统随机数生成方式更高的平安性。触I躅择 （随机性）费字化褶 （初蜘掰前机性储 作计性）量子随机数生成过程0101010101 0101010101 0110100111 0101010101 10101图：量子随机数生成过程量子密钥分发设备（QKD）在QRNG生成了量子随机数密钥以后，还需要以QKD 产品进行量子密钥的分发。对于数据而言，其生命周期可分 为采集、存储、传输、分析、应用、销毁和备份等阶段，QKD产品

10、在数据生命周期中主要起到保护数据传输环节的作 用。QKD在对密钥的分发传输过程中将单个光量子作为信息 的载体，将0、1的信息编码到一个光子上并通过传统光纤或 空间将该光子传输给对方。对方利用单光子探测器探测该光子 之后获得传输来的0、1信息，经过一系列处理实现量子密钥 分配。而在平安性方面，量子保密通信对平安性的提升主要来 自于两方面，其一是基于光子不可再分，不可复制的性质， 任何窃听者都无法将发送端发射的光子一分为二或复制一个， 一个自己保存一个发送给接收者；其二是基于光子不可被完 全测量的性质，窃听者对光子的观测会导致光子的状态发生 改变，使得接收者可以获知存在窃听者这一事实。所以发送 者

11、发送给接收者的光子要么接收者收到，要么窃听者收到，不 可能接收者和窃听者同时收到。这样发送者和接收者只需要 保存接收者收到的信号，便可生成他人不可能获取的密钥。当前QKD设备主要功能为基于光纤网络实现点对点的安 全密钥分发，一般内貉QRNG量子随机数发生器，并采 BB84协议，可提供百公里量级的可靠量子密钥分发。量子通信为当前量子三大主要应用中最接近商业化的领 域，且现实中已经存在局部应用。根据中科大消息，量子保 密通信的代表性应用京沪干线于2013年7月立项，于2017年8月底在合肥完成了全网技术验收，2017年9月29日正式开 通，工程全长2000余公里，主要节点包括北京、济南、合肥 和上

12、海，可以基于可信中继方案实现远距离的量子平安密钥分 发。整个京沪干线由32座中继站和31段光纤量子通信线路 构成主干量子通信线路，另外还包含北京和上海的城域量子 通信网络，其在很大程度上为量子通信系统的平安性规范研究 提供了实验环境。.量子测量：高精度测量前景广阔，但产业化和标准化 仍处于起步阶段量子测量主要是通过观察微观粒子系统量子态对外界物 理量变化的反响，通过量子态的变化直接或间接地将环境物 理量的大小读取出来，实现精密传感测量，在精度、灵敏度和 稳定性等方面相较传统技术可带来数量级的提升。量子测量按照对量子特性的应用方式不同，可以分为三 种技术类型：一是使用量子能级测量物理量；二是使用

13、量子 相干性或干涉演化进行物理量测量；三是使用量子纠缠态和压 缩态等独特量子特性来进一步提高测量精度或灵敏度。具体到量子测量技术的系统框架来看，其最底层以量子 力学为理论基础，运用相干叠加、量子纠缠等技术上手段对 原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量 和读取，配合数据的处理与转换，实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度的精密探测，甚至有望突破 经典物理的理论极限。通过应用层的软件将结果呈现给行业用 户。在理论与技术基础层面，基础物理理论基本完备，但是 局部原理技术仍有待突破，如量子纠缠态高效确定性的产生 方法、远距离分发技术等。具体到技术方案来看，主要技术方案包括冷原子干涉测 量、核磁/顺磁共振测量、原子自旋测量、纠缠态/压缩态测量 和量子增强测量等。而量子测量的主要开展方向涉及新一代定 位/导航/授时的光学原子钟、光学时频传输系统、原子陀螺仪 与重力仪等，以及高灵敏度检测与目标识别的光学量子雷达、 物质痕量检测、磁场精密测量等。主要应用场景包括航空航天、防务装备、地质资源勘测、 基础科研和生物医疗等众多领域，应用与产业开