2019-2020量子信息技术发展与应用 研究报告 目 录 一、量子信息技术总体发展态势 . 1 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 . 1 （二）各国加大量子信息领域的支持投入和布局推动 . 2 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展 . 4 （四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速 . 6 二、量子计算领域研究与应用进展 . 11 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛 . 11 （二） “量子优越性 ”突破里程碑，实用化尚有距离 . 12 （三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾 . 14 （四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大 . 16 （五）应用探索持续深入， “杀手级应用 ”或可期待 . 19 三、量子通信领域研究与应用进展 . 20 （一）量子通信技 术研究和样机研制取得新成果 . 20 （二）量子密钥分发技术演进关注提升实用化水平 . 23 （三）量子保密通信应用探索和产业化进一步发展 . 25 （四）量子保密通信网络现实安全性成为讨论热点 . 27 （五）量子保密通信规模化应用与产业化仍需探索 . 29 四、量子测量领域研究与应用进展 . 32 （一）量子测量突破经典测量极限，应用领域广泛 . 32 （二）自旋量子位测量有望实现芯片化和集成应用 . 36 （三）量子纠缠测量处于前沿研究，实用尚有距离 . 37 （四）超高精度量子时钟同步有望助力未来通信网 . 38 （五）量子测量产业初步发展，仍需多方助力合作 . 40 五、量子信息技术发展与应用展望 . 42 （一）理论与关键技术待突破，领域发展前景各异 . 42 （二）我国具备良好的实践基础，机遇和挑战并存 . 45 图 目 录 图 1 欧盟 “量子宣言 ”旗舰计划首批科研项目 . 3 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况 . 7 图 3 量子计算领域发表论文趋势及主要发文机构 . 8 图 4 量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势 . 8 图 5 量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构 . 9 图 6 量子测量领域专利申请和论文发表趋势 . 10 图 7 Google Sycamore 超导量子计算处理器 . 13 图 8 量子计算云平台通用体系架构 . 15 图 9 美国量子计算研究与应用发展模式 . 17 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布 . 18 图 11 量子计算研发主体与产业应用生态 . 19 图 12 量子安全直接通信原理样机实验系统 . 22 图 13 我国 QKD 领域主要研究机构和设备商 . 26 图 14 量子测量的基本流程和主要步骤 . 33 图 15 外界物理量与量子体系的作用机制 . 34 图 16 量子测量主要应用领域和技术体系 . 35 图 17 高精度时钟同步在通信网络中的应用 . 39 图 18 量子测量科研及产业发展情况 . 41 图 19 量子信息技术发展与应用趋势展望 . 44 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入，以及 对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子系统 （ 如 电子、光子和冷原子等 ） 为操控对象，借助其中的量子叠加态和量子 纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术 应运而生并蓬勃发展。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，可以在提升运算处理速度、信息安全保障能力、 测量精度和灵敏度等方面突破经典技术的瓶颈。量子信息技术已经成 为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发 展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠 覆性重大影响。 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理进行量子并行计算，具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力，能够在特定 计算困难问题上提供指数级加速。量子计算带来的算力飞跃，有可能在未来引发改变游戏规则的计算革命，成为推 动科学技术加速发展演进的 “触发器 ”和 “催化剂 ”。未来可能在实现特 定计算问题求解的专用量子计算处理器，用于分子结构和量子体系模 拟的量子模拟机，以及用于机器学习和大数据集优化等应用的量子计 算新算法等方面率先取得突破。 量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传 输，基于量子力学原理保证传输安全性，主要分量子隐形传态和量子 密钥分发两类。量子密钥分发基于量子力学原理保证密钥分发的安全性，是首个从实验室走向实际应用的量子通信技术分支。通过在经典 通信中加入量子密钥分发和信息加密传输，可以提升网络信息安全保障能力。量子隐形传态在经典通信辅助之下，可以实现任意未知量子 态信息的传输。量子隐形传态与量子计算融合形成量子信息网络，是 未来量子信息技术的重要发展方向之一。 量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系 统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方 面比传统测量技术有明显优势。主要包括时间基准、惯性测量、重 力 测量、磁场测量和目标识别等方向，广泛应用于基础科研、空间探测、 生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。量子物理常数和量子测量技术已经成为定义基本物理量单位和计量基准的重要参考， 未来量子测量有望在生物研究、医学检测以及面向航天、国防和商业 等应用的新一代定位、导航和授时系统等方面率先获得应用。 （二）各国加大量子信息领域的支持投入和布局推动 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术已成为 未来国家科技发展的重要领域之一，世界科技强国都对其高度重视。 近年来，欧美国家纷纷启动了国家级量子科技战略行 动计划，大幅增 加研发投入，同时开展顶层规划及研究应用布局。 英国 2015 年正式启动 “国家量子技术计划 ”，投资 2.7 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心，开展学术与应用研究。 2018 年 11 月进行了第二阶段 2.35 亿英镑投资拨款。德国在 2018 年 9 月提出 “量子技术 从基础到市场 ”框架计划，拟于 2022 年前投资 6.5 亿欧元促进量子技术发展与应用，并可延长资助至 2028 年。 来源：研究院根据公开信息整理 图 1 欧盟 “量子宣言 ”旗舰计划首批科研项目 欧盟 2016 年推出为期十年，总投资额超过 10 亿欧元的 “量子宣 言 ”旗舰计划，并于 2018 年 10 月启动首批 19 个科研类项目， 如图 1 所示。 2019 年 7 月欧盟 10 国签署量子通信基础设施 （ QCI）声明， 探讨未来十年在欧洲范围内将量子技术和系统整合到传统通信基础设施之中，以保护智能能源网络、空中交通管制、银行和医疗保健设施等加密通信系统免受网络安全威胁。 美国 2018 年 12 月通过国家量子行动计划 （ NQI） 立法，计 划在未来四年增加量子信息科学领域投资 12.75 亿美元，以确保美国在量子技术时代的科技领导力，以及经济安全、信息安全和国家安全。 同期发布的量子信息科学国家战略概述，规划推动量子计算超大 规模数据集优化处理，量子模拟新材料设计和分子功能研究，基于量 子隐形传态的安全通信以及量子传感与精密测量等领域的研究，同时设立 36 个量子创新实验室 （ QILabs） ，建立全美量子科研网络 （ QRNet） ，推动量子计算接入计划 （ QCAP） 。 我国对量子信息技术发展与应用高度重视。 2018 年 5 月，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。 ” 国务院发布 “十三五 ”国家科技创新规划， “十三五 ”国家战略性新 兴产业发展规划和 “十三五 ”国家信息化规划等文件，指导量子 信息技术研究与应用。科技部和中科院通过自然科学基金、重点研发 计划和战略先导专项等项目对量子信息科研给予支持，同时论证筹备 重大科技项目和国家实验室，进一步推动基础理论与实验研究。发改 委牵头组织实施量子保密通信 “京沪干线 ”技术验证与应用示范项目， 国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程等试点应用项目和网 络建设。工信部开展量子保密通信应用评估与产业研究，大力支持和 引导量子信息技术国际与国内标准化研究。 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展 近年来，全球范围内量子信息技术领域的样机研究、试点应用和产业化迅速发展，随着量子计算、量子通信和量子测量等领域新兴应用的演进，在术语定义、性能评价、系统模块、接口协议、网络架构 和管理运维等方面的标准化需求也开始逐渐出现。 国际标准化组织纷纷成 立量子信息技术相关研究组和标准项目并开展工作， 2018 年以来相关布局与研究工作明显提速。欧洲多国 在完成 QKD 现网实验之后，欧洲电信标准化协会 （ ETSI） 成立ISG-QKD 标准组，已发布包括术语定义、系统器件、应用接口、安全证明、部署参数等 9 项技术规范，另有 3 项在研。国际标准化组织和 国际电工委员会的第一联合技术委员会 （ ISO/IEC JTC1） 成立了有 我国 专家参与的量子计算研究组 （ SG2） 和咨询组（ AG） ，发布量子 计算 研究报告和技术趋势报告，同时在信息安全分技术委员会 （ SC27） 立 项由我国专家牵头的 QKD 安全需求与测评方法标准项目。国际电气和电子工程师协会 （ IEEE）启动了量子技术术语定义、量子计算 性 能指标和软件定义量子通信协议等 3 个研究项目。国际互联网工程 任务组（ IETF）成立量子互联网研究组（ QIRG）开展量子互联网路 由 、资源分配、连接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。 国际电信联盟电信标准化部门 （ ITU-T） 对量子信息技术发展演进及其未来对信息通信网络与产业的影响保持高度关注。未来网络研究组 （ SG13） 已开展 QKD 网络的基本框架、功能架构、密钥管理和软件定义控制等方面研究项目，网络安全研究组 （ SG17） 则在 QKD 网络安全要求、密钥管理安全要求、可信节点安全要求、加密功能要求等方面开展研究，我国部门成员和学术成员担任部分标准编辑人并 做出重要技术贡献。此外，我国还推动在 ITU-T 成立面向网络的量子 信息技术研究焦点组 （ FG-QIT4N） ，全面开展量子信息技术标准化研 究工作。 2019 年 6 月，在上海成功举办了首届 ITU 量子信息技术国 际研讨会，广泛邀请全球研究机构和科技公司的专家学者，对量子计 算、量子通信、量子测量、量子信息网络 （ QIN） 等议题开展交流和 讨论。 2019 年 9 月， FG-QIT4N 在电信标准化顾问组 （ TSAG）全会期间正式成立，由中俄美专家共同担任主席，计划在焦点组研究期内， 对 QKD 网络和 QIN 等相关议题开展标准化预研，为 ITU-T 下一个研究期的量子信息技术标准研究工作奠定基础并提出建议。 我国在量子保密通信网络建设和试点应用方面具备较好的研究基础和实践积累，相关标准化研究工作也逐步开展。 2017 年，中国通信标准化协会 （ CCSA） 成立量子通信与信息技术特设任务组 （ ST7），开展量子通信和网络以及量子信息技术关键器件的标准研究，目前已 完成 6 项研究报告，并开展量子保密通信术语定义和应用场景， QKD 系统技术要求、测试方法和应用接口等国家标准和行业标准的制定。 QKD 技术还涉及密码的产生、管理和使用，中国密码行业标准化技术委员会 （ CSTC）也开展了 QKD 技术规范和测评体系等密码行业 标准的研究。 2019 年 1 月，量子计算与测量标准化技术委员会 （ TC578） 正式成立，计划开展量子计算和量子测量领域的标准化研究工作。 （四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速 1. 量子计算近年来论文和专利增长迅速 自上世纪 90 年代开始，各科技强国开始在量子技术领域加大投入，量子计算专利申请开始出现。近年来，量子计算领域的专利申请和授权发展态势情 况如图 2 所示， 2012 年之前全球量子计算领域专利申请数量整体保持平稳，专利申请主要来自美国和日本。 注：专利申请的公开存在滞后性， 2019 年数据未计入，后同。来源：研究院知识产权中心（检索时间 2019.10） 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况 2012 年开始，随着欧美科技巨头开始大力投入和持续推动，以及全球各国科技企业和研究机构之间的相互竞争，更加重视量子计算领域的知识产权布局，专利申请数量出现明显增长。美国在布局时间 和申请总量上占有优势，近年来我国量子计算领域专利申请数量的增 长趋势更快。通过对比中、美、日、加的专利申请人的类型可以看出， 我国专利更多的来自高校和科研机构，国内科技企业多与科研院所合 作，相关研究工作和知识产权布局大多处于起步阶段。 近 20 年来全球量子计算领域研究论文发表趋势和主要发文机构 统 计如图 3 所示，随着量子计算从理论走向物理实现，全球论文发 表量也保持增长态势，特别是在 2018-19 年研究论文数量激增。从发 表论文研究机构来看，近五年来排名前 20 的机构中，中国占据 3 席， 分别是中国科学院、中国科学技术大学和清华大学。其中，中国科学院的发文量持续快速上升，过去一年的新增论文数量仅次于美国 MIT 和荷兰 TU Delft。美国量子计算研究重要机构多达 10 个，除了高校