Section 03 量子信息技术的发展现状

鉴于量子信息技术的重要性，美国、中国、加拿大、日本、澳大利亚及欧洲等国均对量子信息技术的研究投入大量资金，并取得初步成效，开始走向现实应用，例如，在量子通信、量子计算、量子导航等方面的应用。其中，美国、加拿大等国在量子计算方面处于世界领先地位；中国在量子密钥通信、量子计算方面也取得了巨大进步。欧洲在通信中转基站技术方面处于领先地位。

1.量子通信网络

目前的量子通信工程仍然采用传统技术（光纤和激光）来传递信息，即只是给信息加密的密钥用量子原理来分配、传递密钥，它的传播速度等同于光速，和传统的通信方式一样。

2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，美国、日本、欧洲多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。

美国在“保持国家竞争力”计划中，把量子信息作为重点支持课题。计划建立起连接包括谷歌、IBM、微软等公司的数据中心，总长超过10 000千米的环美量子通信骨干网络。欧盟“基于量子密码的安全通信”工程集中了40个研究组，发布了技术和商业白皮书。欧盟发布《量子宣言》，宣布将投资10亿欧元，促进量子通信网络等技术的发展。日本提出了量子信息技术长期研究战略，计划在5～10年内建成全国性的高速量子通信网。

2007年中国科学技术大学（中科大）在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000千米的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射。卫星重达600多千克，每90分钟绕地球一周。中国科学家将向卫星发射光离子，测试量子物理是否能够保证远距离通信的安全。中科院院士、中国科学技术大学教授、量子通信卫星工程首席科学家潘建伟表示，在“天地一体化”的全球量子通信基础设施的支持下，就可以构建基于信息安全保障的未来互联网。“墨子号”将会配合5个地面台站，首次在太空与地面之间开展远距离量子通信的实验研究，它将向地球发送不可破解的密钥，建立“不可截获的”通信渠道，为建立一个极其安全的覆盖全球的通信网络奠定基础，同时将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验，加深人类对量子力学自身的理解。

2.量子计算机：从研发到量子霸权的出现

加拿大D-Wave系统公司2007年就宣布研发出量子计算机，并在2012年获得亚马逊创始人杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）与美国中情局的投资。美国高度重视量子计算机的研发，并制订了“微型曼哈顿计划”，研制量子芯片。2013年，谷歌与NASA联合成立了量子人工智能实验室，从D-Wave系统公司购买了一台量子计算机，共同开展量子计算机的研究项目。2014年，IBM宣布将投资30亿美元开展量子计算等相关信息技术的研究。2015年，谷歌量子人工智能实验室宣称：在测试中的D-Wave2X量子计算机的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。2016年3月，澳大利亚格里菲斯大学和昆士兰大学的科研人员表示，其首次发现了一种可以简化创造量子“Fredkin逻辑控制门”的方法，使人类距离实现完全意义的量子计算机又迈进一大步。2016年3月，美国《科学》杂志刊文表示，量子计算硬件研究取得突破，量子时代或将到来。2016年4月，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了主题为“后量子密码学”的研究报告，指出现有公钥密码体制在量子时代将不再安全，有必要研究推广可对抗量子攻击的新型密码标准。2016年IBM公司宣布其在量子计算硬件研究上取得突破性进展。2018年1月，英特尔展示了49量子位的超导量子测试芯片“Tangle Lake”；同年11月，微软发布了云上的量子计算工具，企业用户可以使用它加强传统计算机的算力。2019年1月，IBM在2019年国际消费电子展（CES）上宣布推出IBM Q System OneTM，该系统是世界上首个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统。2019年9月20日，科技巨头谷歌一份内部研究报告显示，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内，完成传统计算机需1万年时间处理的问题（IBM认为谷歌有夸大之嫌，在一个经典系统上完成同样的任务只需2.5天，而不是谷歌所说的1万年），并声称是全球首次实现“量子霸权”，并将其成果发表在2019年10月份的《自然》期刊上。谷歌在论文中声称其开发出了一款54量子比特数的量子芯片，名为“悬铃木”（Sycamore），由铝、铟、硅晶片和超导体（约瑟夫森结）等材料组成，每个量子比特和临近的4个量子比特耦合。

2015年7月，阿里巴巴与中科院联合成立了量子计算联合实验室，希望结合双方优势，用10～15年的时间研制出新一代的量子计算机。中科院相关专家称“新一代量子计算机能够解决目前世界上最好的超级计算机都无法解决的问题，而速度将比天河二号快百亿亿倍”。如果按中国10亿人口计算，百亿亿倍就相当于我们每个人能分到10亿台天河二号。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒。

3.量子导航

全空域、全时域的无缝定位导航是未来定位导航产业的技术制高点。随着量子精密测量技术的快速发展，基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。目前，美国、英国、中国均在量子导航取得显著成绩。北京自动化控制设备研究所在原子陀螺仪上的技术突破使现有应用于高端装备的无缝定位导航系统的体积、质量、功耗、成本等下降约两个数量级，将应用于大众定位导航市场，可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新服务。

4.存在问题

远距离量子通信最大的难题是光子会丢失。光子发射一段距离后就会衰减，若没有中间站“在路上帮它调整状态”，它就无法完成穿越。因此，量子通信要解决的两个基本问题是：让光子保持量子纠缠状态的距离变得更长，让光子传输的速度更快。中国科学技术大学潘建伟、包小辉等人在国际上首次研制出百毫秒高性能量子存储器，存储寿命更长、读出效率更高，为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。在目前的理论框架内，量子通信的载体还是光，未来除非有颠覆相对论的理论，否则信息传递速度还是不能超越光速。

目前的量子信息技术还未被完全攻破，产品也还不成熟，多处于科研阶段，离真正的商业应用还有相当一段距离。例如，量子通信只是运用了量子的加密功能，并未实现其超光速传输能力；量子纠缠纯态的制备和储存还无法满足量子计算机在常规条件下的稳定运行。就连最早研制出量子计算机的加拿大D-Wave系统公司生产的量子计算机也尚未利用量子相干性和纠缠性等核心技术，最多是一个有量子效应的计算机。而且，量子计算也只是应用在特定计算上，还无法像常规计算机一样实现普遍应用。诺贝尔物理学奖得主，专门研究量子信息的法国科学家塞尔日·阿罗什在其诺贝尔获奖演讲词中说：量子计算机看起来像一个“乌托邦”。中国科学院院士郭光灿在评价量子计算时也说过类似的话，“谷歌研发的这个量子计算机，是在很短时间里可以针对性地解决这样那样相应的问题，而不可能在所有时间里处理任何问题都行，它们还不能实现常态化的、长时间的运算能力，相干时间就那么短，所以有争议……不过虽然有争议，但它起码证明量子计算机的科研是往前走了，这是一个进展。”