孫其峰 慶柯欣夫

量子信息技術是量子物理與信息技術相結合的戰(zhàn)略性前沿科技，主要包括量子計算、量子通信、量子雷達、量子探測等專業(yè)領域。量子信息技術學迅速發(fā)展成為一門新興交叉學科，主要是以量子力學基本原理為基礎，利用量子系統(tǒng)的各種相干特性進行編碼、計算和信息傳輸?shù)男畔⒖茖W。近年來，量子信息技術發(fā)展勢頭迅猛，巨大潛力日益顯現(xiàn)，其各個細分領域均取得若干重大突破，各國在此領域的競爭也進入白熱化。美國、英國、歐盟各國、日本等分別將量子信息技術提升至國家戰(zhàn)略高度。在新時期，全球涌現(xiàn)“量子科技”潮，量子技術正從實驗室走出來，在傳感、通信、信息處理和安全等領域實現(xiàn)前所未有的跨越式發(fā)展。量子技術正成為近期科技創(chuàng)新的聚焦點，人類社會正在進入“量子信息技術”時代。

量子計算技術

量子計算理論是對微觀世界一種運行機制的描述，是理解和預測物理宇宙性質的最為精確的理論。

量子理論主要遵循以下基本原理。一是波粒二元性，一個量子物體同時具有類波性質和類粒子性質，當系統(tǒng)遵循波動方程時，任何可測量的系統(tǒng)都能夠返回一個與其一致的粒子。二是疊加性，一個量子系統(tǒng)能夠同時存在兩種或更多種狀態(tài)，被稱之為“疊加”或“疊加狀態(tài)”。三是相干性，當一個量子系統(tǒng)的狀態(tài)能夠被一組復雜的數(shù)據所描述時，那么系統(tǒng)的每一種狀態(tài)都是相干的。對于諸如量子干涉、量子疊加、量子糾纏等量子現(xiàn)象，相干都是必需的。四是糾纏性，糾纏是一些多粒子疊加狀態(tài)（并非全部）的一種特殊性質，測量一個粒子狀態(tài)時能夠影響到另一個粒子，即使這些粒子相隔很遠且無明顯的相互作用。五是可測量性，量子系統(tǒng)從根本上改變了測量工作，在其處于一個確定的狀態(tài)下時，系統(tǒng)處于與所測值相對應的狀態(tài)。

量子計算機的運算速度遠超傳統(tǒng)計算機，主要是因為它們的基本原理不同。傳統(tǒng)計算機采用的是二進制，它的基本單元是“比特”（bit），用“0”和“1”來表示，例如硬幣的正和反兩個面或者開關的開和關兩個狀態(tài)。而量子計算機的基本單元卻是“量子比特”（qubit）。它不是一個“開關”，而是一個可連續(xù)調節(jié)的“旋鈕”，你可以把它轉到任何一個角度。

一個量子比特可以用布洛赫球（在量子力學中，布洛赫球面是二能級量子力學系統(tǒng)純態(tài)空間的一種幾何表示方法）來表示。相比于經典比特（信息量的最小度量單位）只有0和1兩個點，量子比特的取值則分布在整個球面上，即球面上任意一點都可以是某個量子比特的值。這就不難理解量子計算機為什么能運算這么快了。

目前我們常用的經典計算機，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉并驗證一遍，才能找到正確的信息，這相當于一個擁有雙手的人，一個時間段只能做一件事情。而量子并行計算能夠直接計算并提取出相應信息，相當于一個“千手觀音”，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情。

量子計算主要有兩種方法。一種方法是通過初始化量子系統(tǒng)狀態(tài)，再運用漢密爾頓的直接控制方式來推進量子態(tài)演化，由此得到一個高概率的問題答案，進而得到預期結果。因為漢密爾頓通常是平滑形的，因此量子計算實質上是真正的模擬計算，且不能完全糾正誤差。另一種方法叫做“基于門的計算”，類似于當今的經典計算方法，主要是將問題分解為一系列基本的“原始運算”或“門”，對于特定的輸入狀態(tài)會得到一個明確的數(shù)據測量結果，這種數(shù)據特性意味著這些設計類型能夠以系統(tǒng)級的糾錯來達成容錯目的。當前，主要的量子計算機有模擬量子計算機、基于噪音的中等規(guī)模量子計算機、基于門的量子計算機，以及基于門的全糾錯量子計算機。

量子化學、優(yōu)化（包括機器學習）和破解密碼是量子計算具有的最被認可的潛在應用價值，這些領域目前仍處于初始階段?，F(xiàn)有算法可能會以尚未預測的方式被改進或實現(xiàn)，而新的算法也可能會隨著研究不斷深入而出現(xiàn)。因此，除了密碼學之外，難以預測量子計算將會帶來怎樣的影響。

量子計算的最好應用領域就是密碼領域，也就是破解密碼，這是一個基于數(shù)學的應用。對于密碼學來說，未來運用Shor算法的量子計算機將對其產生深遠影響。

量子模擬被認為是一種具有巨大潛力的具體應用，特別是在量子化學領域。雖然經典的計算方法在許多情況下都是非常有效的，但往往不能預測化學反應過程或區(qū)分反應階段的相關物質，而量子計算機能夠在經典計算方法難以解決的情況下，有效解決這些問題。

事實上，比起經典的化學反應速率常數(shù)計算法，早期的一種量子計算方法在速度上已經提高了好幾個指數(shù)量級。量子計算與其他算法能夠為人們打開一扇大門，讓人們對物質的各種反應和狀態(tài)有更深的洞察力，這些成果在能量存儲、顯示器件、工業(yè)催化劑以及藥物開發(fā)等方面具有廣闊的商業(yè)價值。

近幾年，全球范圍內在量子計算物理驗證方面取得的進展是有目共睹的，并且也吸引了越來越高的市場興趣和投資活動，但是在解決實際問題方面，國際公認短期內無法實現(xiàn)通用量子計算機的使用。根據賽迪智庫電子信息研究所發(fā)布的《量子計算發(fā)展白皮書（2019）》，量子計算發(fā)展預計分為近期、中期與遠期3個階段。

近期的“量子霸權”僅為技術研發(fā)初期的一種特有概念形式，距離真正的量子計算機仍有很大距離;中期將利用可控的人造量子系統(tǒng)，實現(xiàn)對復雜物理過程的高效量子模擬;后期研發(fā)的通用量子計算機將對大數(shù)據、人工智能、密碼破譯等領域產生顛覆性影響，并且量子計算機與經典計算機將實現(xiàn)功能互補。

BCG預測量子計算在25年內將經歷3個發(fā)展階段，最終走向成熟。其中，第一個階段是2018年—2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復雜程度的量子模擬問題的非通用量子計算機;第二個階段是2028年—2039年，邏輯量子比特數(shù)量將擴展到50多個，并實現(xiàn)所謂的“量子霸權”，更快速地執(zhí)行特定算法的應用程序，主要包括分析模擬、研發(fā)和軟件開發(fā)等，創(chuàng)造巨大的市場潛力;第三階段為2031年—2042年，量子計算機將在高級模擬、搜索和優(yōu)化的商業(yè)應用方面取得比經典方法更有顯著優(yōu)勢的規(guī)模。由于摩爾定律的擴展，以及量子計算在某些應用中超過二進制計算的閾值，第二階段和第三階段量子計算機之間有相當大的重疊。作為一個總體軌跡，BGC預測量子計算將在2030年左右出現(xiàn)快速增長。

量子通信技術

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是21世紀發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。

量子通信與傳統(tǒng)通信技術相比，具有如下主要特點和優(yōu)勢。一是時效性高。量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對于經典信道的信息效率高幾十倍，傳輸速度快。二是抗干擾性能強。量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能。三是保密性能好。根據量子不可克隆定理，量子信息一經檢測就會產生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)。四是隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監(jiān)聽或探測。五是應用廣泛。量子通信與傳播媒介無關，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應用廣泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質中通信。

光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實現(xiàn)信息傳遞。根據實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。利用這個特性實現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進行聯(lián)合測量，則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌，坍塌為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

量子通信技術是融合了現(xiàn)代物理學和光通信技術研究的成果，由物理學基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性。量子密鑰分發(fā)根據所利用量子狀態(tài)特性的不同，可以分為基于測量和基于糾纏態(tài)兩種。基于糾纏態(tài)的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應，即兩個經過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個會立刻發(fā)生相應的變化。因此，量子通信可將某信息的量子態(tài)安全傳遞到另外一個地方從而實現(xiàn)信息傳遞（量子隱形傳態(tài)），或利用“不可分割、不可復制”的量子作為密鑰實現(xiàn)點對點安全通信（量子密鑰分發(fā)），為經典通信增加一把量子密碼鎖，保障信息安全傳遞。

量子通信是面向未來的全新通信技術，在安全性、高效性上具有經典通信無法比擬的優(yōu)勢。如今，發(fā)展量子通信技術已經成為事關提升國家信息技術水平、增強網絡空間安全保障能力的戰(zhàn)略事項。在相關產業(yè)背景下，量子保密通信，尤其是量子密鑰分發(fā)網絡及其融合應用部署，已成為國際行業(yè)競爭的戰(zhàn)略技術熱點。

量子通信所具有的無條件安全性，可以運用在軍事領域中，用來傳遞各個區(qū)域或者各個國家之間的信息，保證通信安全。根據量子通信具有的突出優(yōu)點和技術現(xiàn)狀，基于光纖信道的量子通信技術已趨于成熟，可應用在構建通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)等方面。

量子通信距普及應用時日久遠，主要是如果要進行量子通信，需要雙方都要有一臺復雜的發(fā)送/接收設備，并且只能進行點對點的通信。另外，還需要防止量子保密通信被恐怖分子和間諜所利用，因為由此造成的損失是無法估量的。所以，即使量子通信設備像今天的寬帶上網設備一樣便宜好用了，量子通信也會被限制使用。

???????? 量子雷達技術

量子雷達是量子度量學的一個重要研究方向，其本質是將光量子作為光頻電磁波微觀粒子對目標進行探測，利用它不同于常規(guī)雷達電磁波的物理特性，提升對目標的探測性能，同時提高雷達的抗干擾和抗欺騙能力。

量子雷達將量子信息技術引入經典雷達探測領域，解決了經典雷達在探測、測量和成像等方面的技術瓶頸，增強了雷達對目標的檢測性能，提高了測距、測角分辨率及成像分辨率。量子雷達具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、反隱身能力強、不易被敵方電子偵察設備發(fā)現(xiàn)和易于成像等優(yōu)點，未來可進一步應用于導彈防御和空間探測，具有極其廣闊的應用前景和重大現(xiàn)實價值。

量子雷達是利用量子現(xiàn)象感知目標狀態(tài)并獲取信息的一種特種傳感設備。它將量子信息調制成雷達信號，通過發(fā)送和接收量子信號來探測目標。從廣義上講，任何利用電磁波的量子效應探測遠距離目標的雷達都可以被視為量子雷達。

量子雷達的概念是量子信息理論在遙感探測領域的具體應用，通過對量子不同物理特性的觀測和測量，可以構成不同原理和形式的量子雷達。根據系統(tǒng)采用的量子效應的不同，可以把量子雷達分成3種基本類型，即發(fā)射非糾纏態(tài)光子的量子雷達、發(fā)射量子態(tài)光并與接收機中的光量子糾纏的量子雷達、發(fā)射經典態(tài)光但使用量子光探測提升性能的量子雷達。

量子雷達可以探測、識別隱身武器，被認為是未來最強大的反隱身手段之一。同時，由于對電磁波的依賴大為減少，量子雷達可有效避開反輻射導彈的攻擊，進一步改變現(xiàn)有導彈的作戰(zhàn)機理和作戰(zhàn)模式，促使戰(zhàn)場作戰(zhàn)形態(tài)向“量子化”轉變。

?；完懟孔永走_可有效監(jiān)測敵方動向和保護雷達基地免受攻擊，及時發(fā)現(xiàn)隱身目標，削弱敵隱身飛機威脅?？栈孔永走_可以提前預警、提前攻擊，從而極大的提高戰(zhàn)機的機動性和生存率。

量子雷達技術將成為未來戰(zhàn)爭的顛覆者，其可用于探測和識別傳統(tǒng)的射頻隱身平臺和武器系統(tǒng)，將在戰(zhàn)場人工智能、軍事大數(shù)據、戰(zhàn)場氣象預報和智能作戰(zhàn)裝備學習中發(fā)揮重要作用。

目前，量子雷達仍處于研究和探索階段。美國國防高級研究計劃局先后提出開展“量子傳感器計劃”和“量子輔助傳感和讀出”等項目，對量子雷達技術持續(xù)進行探索。同時，美國海軍研究實驗室、空軍研究實驗室等機構也相繼開展量子雷達研究工作。

隨著量子雷達技術不斷成熟，未來部署到地面和水面作戰(zhàn)艦艇的量子雷達，可對幾乎所有空中目標進行探測，并能持續(xù)跟蹤目標行蹤。可以想見，基于量子雷達技術的各種雷達將在戰(zhàn)略預警、區(qū)域防空和空中偵察以及精確打擊方面得到廣泛應用，成為未來戰(zhàn)場上反隱身作戰(zhàn)的“先行者”。

其它量子信息技術

量子測量基于微觀粒子量子態(tài)精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測試精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)測量技術相比具有明顯優(yōu)勢，其在科學研究、國防建設等諸多領域有著重大意義。量子測量涵蓋電磁場、重力應力、方向旋轉等物理量，應用范圍涉及基礎科研、空間探測、材料分析、慣性制導、地質勘測、災害預防等諸多領域。量子測量技術與傳統(tǒng)產業(yè)的結合將產生全新技術變革，部分重點領域有望率先推廣應用。以量子目標識別、量子重力測量、量子時間基準和量子磁場測量等為代表的一批新型量子測量技術，在國防建設和軍事應用領域極具戰(zhàn)略價值，受到世界各國政府和研究機構的重視，在解決工程化和實用化等問題后，有望在關系國家安全和國計民生的重點領域率先應用。

量子導航是基于各種量子效應和微加工技術的慣性導航系統(tǒng)。英國帝國理工學院的科學家研發(fā)了一種新的量子導航設備，無須GPS，僅靠測量冷原子的量子特性，就可得到精確的設備位置信息。研究人員利用激光將原子冷卻到極低溫度，制造了所謂的量子加速度計或者原子干涉儀，通過測量過冷原子的運動，從而持續(xù)不斷地獲得整個設備的位置信息，不再依賴外部的GPS信號。目前，這種導航設備由于體積太大，只能安裝在船上，用于海上航行時的導航。小型化量子導航設備的定位、定姿、定時等導航信息可廣泛應用于預警機、無人機、潛艇、導彈、直升機等裝備，可有效提升戰(zhàn)斗力，改變裝備的使用模式與作戰(zhàn)模式。例如，量子羅盤應用于核潛艇可使其擺脫對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴，實現(xiàn)量子精確定位，為發(fā)射導彈提供服務，對于反潛也有廣泛的應用前景。未來，要努力攻克量子芯片、原子冷卻技術等急需解決的技術難題，不斷提升量子導航性能和質量;同時，進一步推進量子導航實用化進程，使量子導航設備具有更為廣泛的適用范圍。

量子成像又稱為雙光子關聯(lián)成像、強度關聯(lián)成像等，是利用量子糾纏現(xiàn)象發(fā)展起來的一種新型成像技術。由于微觀客體的關聯(lián)具有非局域的性質，可以延伸到很遠的距離，在這種糾纏狀態(tài)下即使分布于空間兩個分離點的粒子也表現(xiàn)出相同的性質，如電荷、頻率、極化等。在軍事和科學應用需求的牽引下，國內外在可見光、紅外波段主/被動強度關聯(lián)遙感成像等研究方面競爭激烈，同時嘗試將其應用于對地觀測領域，以突破光學遙感和微波遙感的性能局限。量子成像比常規(guī)的激光全息成像更方便。但是，量子成像需要的成像時間更長，一般需要幾秒鐘時間，不適于快速成像的場合，而且就目前的技術而言，產生大量的糾纏光子對還有困難。不過，隨著量子信息技術的發(fā)展，這些問題都有望解決，因此量子成像將成為成像領域中的一個重要分支。要在紅外波段獲得高分辨率圖像很難，使用量子成像卻能很容易獲得成像效果良好的圖像，所以量子成像技術將以其高清晰的圖像在航空探測、軍事偵察、遠紅外成像等領域發(fā)揮重要作用。

責任編輯：劉靖鑫