2018年量子信息技术发展与应用研究报告

量子信息技术发展与应用研究报告 （2018 年） 中国信息通信研究院 2018年12月 版权声明 本研究报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本研究报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前 言 随着人类对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破和提升，利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、处理和传输已经成为可能，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，其研究和应用发展在未来国家科技发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域，也将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来，量子信息技术发展与应用呈现加速趋势，全球各国普遍关注和重视，我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也进一步提高。2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。” 为推动我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展，澄清原理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识，中国信息通信研究院组织编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2018 年）。本报告深入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展、问题瓶颈和未来发展趋势，并提出相关策略建议。 目 录 一、量子信息技术发展背景 ....................................................................................... 1 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 ................................................................ 1 （二）量子信息技术在全球范围广受重视 ................................................................ 2 （三）量子信息技术概念原理与三大领域 ................................................................ 3 二、量子计算技术与应用进展 ................................................................................... 4 （一）量子计算技术研究与发展现状 ........................................................................ 4 （二）量子计算应用和产业生态发展 ........................................................................ 6 （三）我国发展应用面临的问题与挑战 .................................................................. 10 三、量子通信技术与应用进展 ................................................................................. 11 （一）量子通信技术研究与发展现状 ...................................................................... 11 （二）量子保密通信应用和产业进展 ...................................................................... 17 （三）我国发展应用面临的问题与挑战 .................................................................. 21 四、量子测量技术与应用进展 ................................................................................. 22 （一）量子测量概念原理与技术体系 ...................................................................... 22 （二）量子测量五大方向研究与发展现状 .............................................................. 25 （三）我国发展应用面临的问题与挑战 .................................................................. 30 五、演进趋势、发展态势与策略建议 ..................................................................... 31 （一）量子信息技术整体演进趋势 .......................................................................... 31 （二）量子信息领域国际发展态势 .......................................................................... 32 （三）促进我国量子信息技术发展的策略建议 ...................................................... 34 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告（2018 年） 1 一、量子信息技术发展背景 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 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。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、性质及其相互作用，量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大理论基础，为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶，随着量子力学的蓬勃发展，人类开始认识和掌握微观物质世界的物理规律并加以应用，以现代光学、电子学和凝聚态物理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破，为现代信息社会的形成和发展奠定了基础。受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足，这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律，例如能级跃迁、受激辐射和链式反应，但对于物理介质的观测和操控仍然停留在宏观层面，例如电流、电压和光强。 进入二十一世纪，随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统操控等微观调控技术的突破和发展，以精确观测和调控微观粒子系统，利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展，将极大