許文琪/ 文

量子信息技術(shù)是以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)，主要包括量子通信、量子計算、量子計量等技術(shù)。量子信息技術(shù)在確保信息安全、提高運算速度、提高檢測精度等方面具有突破現(xiàn)有信息系統(tǒng)極限的能力，在情報偵察、軍事通信等領(lǐng)域潛在應(yīng)用前景廣闊，是目前最具吸引力的前沿技術(shù)領(lǐng)域之一，已成為美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)競相發(fā)展的焦點。

國外量子信息發(fā)展戰(zhàn)略和計劃

美國發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》和“國家量子計劃”

為跟上全球量子競爭加速步伐，國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布量子信息科學(xué)領(lǐng)域首個國家發(fā)展戰(zhàn)略《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，建議從量子研究方法、人才儲備、量子產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、國際合作等角度采取相關(guān)措施，推進(jìn)美國量子信息科學(xué)發(fā)展。此外，特朗普總統(tǒng)簽署《國家量子計劃法案》，要求實施為期10年的“國家量子計劃”，未來5年投資12.75億美元，從標(biāo)準(zhǔn)制定、資金投入、機構(gòu)設(shè)置等方面采取措施，推動基礎(chǔ)研究、技術(shù)應(yīng)用、人才培養(yǎng)。

歐盟啟動“量子技術(shù)旗艦”計劃

“量子技術(shù)旗艦”計劃總額10億歐元、為期10年，力圖匯集歐盟及其成員國的優(yōu)勢，推動量子通信、量子模擬器、量子傳感器和量子計算機等領(lǐng)域量子技術(shù)的發(fā)展，確立歐洲在量子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢。

德國投入6.5億歐元資助量子技術(shù)研發(fā)

德國政府投入6.5億歐元，用于“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”項目。新項目是在德國聯(lián)邦教育和研究部、經(jīng)濟(jì)部、內(nèi)政部和國防部的支持下開展實施的，其主要目標(biāo)包括擴展量子技術(shù)研究領(lǐng)域，為新應(yīng)用創(chuàng)造研究網(wǎng)絡(luò)，開展國際合作等。該項目將于2018年到2022年進(jìn)行，并可能延長至2028年。

英國宣布未來5年為“國家量子技術(shù)”項目投入8000萬英鎊

英國財政大臣菲利普·哈蒙德批準(zhǔn)為傳感器和測量中心、量子增強成像中心、網(wǎng)絡(luò)量子信息技術(shù)中心、量子通信技術(shù)中心投入8000萬英鎊，用于在2018年-2023年間，支持量子技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

量子計算

通用量子計算機處于原理樣機研制階段

量子計算于20世紀(jì)80年代由物理學(xué)家瑞查德·費曼首次提出。20世紀(jì)90年代，隨著秀爾算法的出現(xiàn)，人們對量子計算的興趣日益增加，但當(dāng)時僅停留在理論研究，對如何制造出量子計算機尚無對策。如今，得益于世界各國在量子比特產(chǎn)生和控制方面取得的進(jìn)步，小型原理可證的量子計算機已得到驗證。

通用量子計算機由產(chǎn)生量子比特的核心芯片，以及由低溫電子學(xué)控制或糾錯的電路構(gòu)成。量子比特主要通過超導(dǎo)、量子點、光子、離子阱、原子和分子自旋等方式構(gòu)建，但哪種構(gòu)建方式更具優(yōu)勢尚無定論，目前研究熱點主要集中在超導(dǎo)和離子阱。

美國谷歌公司研制出72超導(dǎo)量子比特量子處理器原型，錯誤率低至1%；隨后，美國IBM公司推出世界首個集成量子計算系統(tǒng)Q System One，這是IBM Q的最新版本，該系統(tǒng)包含20個超導(dǎo)量子比特，部署于高9英尺（約2.74米）的玻璃立方體中，具有穩(wěn)定、可靠、設(shè)計緊湊等特點。

通用量子計算機的制造除了量子比特數(shù)量上的增長，還需要在量子比特間實現(xiàn)低錯誤率，以抵抗環(huán)境噪聲；在物理量子計算機上運行量子糾錯算法，實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的邏輯量子比特；快速將大容量經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子態(tài)；開發(fā)能在量子計算機上運行的量子軟件等。整體上，通用量子計算機尚處于技術(shù)攻關(guān)和原理樣機研制階段。

專用量子計算機有望進(jìn)入實用化階段

加拿大發(fā)布“預(yù)覽”計劃，推進(jìn)下一代絕熱退火量子計算機研發(fā)。下一代絕熱退火量子計算機量子比特數(shù)量將超過5000，采用新的底層制造技術(shù)，以降低系統(tǒng)噪聲，增加連接性。

日本計劃推出百萬量子比特專用處理器DAU。富士通公司計劃在2019財年推出DAU專用計算機系統(tǒng)，旨在提供100萬量子比特的大規(guī)模平行處理能力，即可快速計算出多達(dá)100萬個變量的多項式方程的最優(yōu)解。一旦實現(xiàn)，DAU專用計算機系統(tǒng)將在人工智能和機器學(xué)習(xí)方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

今后將繼續(xù)攻克量子計算硬件、算法等難題

當(dāng)前量子計算技術(shù)已在量子比特構(gòu)建、量子算法等方面取得豐碩成果，隨著重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的解決和實驗技術(shù)的迅速發(fā)展，國外量子計算技術(shù)的未來發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

一是突破大規(guī)模通用量子計算機研發(fā)瓶頸。當(dāng)前大規(guī)模通用量子計算機仍面臨著延長量子相干保持時間、實現(xiàn)更多粒子的量子糾纏，以及制備高精度量子態(tài)等挑戰(zhàn)。

二是改善現(xiàn)有量子算法性能并開發(fā)新的量子算法。增強現(xiàn)有量子算法的實用性；繼續(xù)開發(fā)新型量子算法。

三是推進(jìn)量子計算機與人工智能協(xié)同發(fā)展。一方面，量子計算機采用優(yōu)異的量子算法，具有高速并行計算能力和強大的信息存儲容量，可滿足人工智能對計算能力的需求；另一方面，人工智能使用的算法、計算體系結(jié)構(gòu)也有望推動量子計算機研發(fā)。

量子通信

光纖量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)工程化應(yīng)用起步

量子密鑰分發(fā)理論研究始于20世紀(jì)70年代，90年代完成原理驗證，21世紀(jì)后逐步走向?qū)嵱没鄧呀⒊怯驅(qū)嶒灳W(wǎng)，通信距離超過百千米。按照通信介質(zhì)不同，量子通信可分為光纖量子通信和自由空間量子通信。量子密鑰分發(fā)已經(jīng)從實驗室走向大規(guī)模實用化階段，正在引領(lǐng)量子通信朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。當(dāng)前已出現(xiàn)了一些實用的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，如東京量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、歐洲量子通信網(wǎng)絡(luò)。

星地量子通信仍處于探索階段

日本利用低成本、小型衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信。情報通信研究機構(gòu)開發(fā)出世界上最小、最輕的量子通信發(fā)射器，并成功搭載微型衛(wèi)星SOCRATES，演示了首個太空量子通信實驗。試驗表明，量子比特誤碼率低至3.7%，這意味著可以使用低成本、輕量級微衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信，將加快空間量子通信的實際應(yīng)用，朝構(gòu)建全球長途和真正安全的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步，為未來的全球通信網(wǎng)絡(luò)開辟新篇章。

加拿大在自然條件下實現(xiàn)高維量子加密通信。加拿大在自然城市條件下在地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星之間采用大容量、自由空間量子通信建立高度安全的鏈路，具備了技術(shù)可能性。未來，這種自由空間通信方案有可能用于地面與衛(wèi)星之間或者與運動物體（如飛機）之間的加密通信。

新加坡和英國計劃于2021年發(fā)射小型量子通信衛(wèi)星。新加坡和英國合作研發(fā)小型量子衛(wèi)星，計劃在2021年發(fā)射，以驗證高度安全的量子密鑰分發(fā)通信網(wǎng)絡(luò)。該衛(wèi)星大約重12千克，尺寸約為鞋盒大小。目前，新加坡已經(jīng)測試了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在惡劣條件下的生存能力，包括火箭上的模擬發(fā)射振動和類似于太空的極端溫度環(huán)境。后續(xù)，英國將重點探索如何將密鑰成功傳輸至地面。

意大利首次完成高軌道衛(wèi)星量子通信實驗。意大利采用“格洛納斯”導(dǎo)航衛(wèi)星成功實現(xiàn)了通信距離20200千米的高軌道衛(wèi)星量子通信實驗。該實驗證實了利用高軌道衛(wèi)星實現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

量子通信向小型、高安全度方向發(fā)展

一是提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)實際安全性。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)雖然在理論上是無條件安全，但受設(shè)備非完美性、超級計算機等影響，實際系統(tǒng)可能遭受量子黑客攻擊。為確保量子信息傳輸安全，需要分析實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中存在的潛在安全漏洞，通過修改協(xié)議或者改進(jìn)實驗系統(tǒng)防止竊聽者利用漏洞獲取信息；開發(fā)獨立探測器消除通信漏洞，保護(hù)傳輸?shù)募用苄畔⒉皇芎诳凸簟?/p>

二是實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)小型化。當(dāng)前光子集成技術(shù)、平面光波電路技術(shù)是實現(xiàn)量子密鑰系統(tǒng)小型化的主要途徑。美國、日本分別采用光子集成技術(shù)、平面光波電路技術(shù)完成量子密鑰分發(fā)實驗；歐盟正在積極開展利用光子集成技術(shù)實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)小型化。但這些工作尚未完成光源和探測器的集成，未來將進(jìn)一步提高整個量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的集成能力。

量子精密測量

量子精密測量處于初步發(fā)展階段

英國研發(fā)出商業(yè)可用的新型量子加速度計。英國帝國理工學(xué)院與M Squared激光系統(tǒng)公司聯(lián)合研制出用于精確導(dǎo)航的量子加速度計。該量子加速度計是一套獨立完整的系統(tǒng)，便于機動，是英國首個可用于導(dǎo)航的商業(yè)化量子加速度計，有望用于船舶、列車等大型機動平臺。

量子導(dǎo)航系統(tǒng)樣機已在水下開展試驗。英國國防科學(xué)技術(shù)研究院與國家物理實驗室2014年成功研制出“量子羅盤”導(dǎo)航系統(tǒng)樣機。該樣機不受水下、建筑物遮擋等環(huán)境限制，導(dǎo)航精度比目前GPS最多高出3個數(shù)量級，可大幅提升潛艇隱蔽性。

量子雷達(dá)的反隱身能力成功得到驗證。美國羅切斯特大學(xué)2012年開展量子雷達(dá)對隱身飛機有源雷達(dá)干擾機的抗干擾實驗。實驗表明，雷達(dá)有效探測到具有欺騙能力的隱身目標(biāo)。

量子精密測量向高精度、小型化方向發(fā)展

量子導(dǎo)航的工程化應(yīng)用離不開高精度、微型原子陀螺儀、原子鐘等技術(shù)的發(fā)展，量子雷達(dá)的發(fā)展需要克服量子糾纏光源、高效探測器等技術(shù)難題。量子計量技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：研發(fā)高精度、小型原子陀螺儀；實現(xiàn)高精確度、緊湊型光學(xué)原子鐘；提高量子導(dǎo)航集成度、計量精度；攻克量子雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)難題。（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心）