量子信息技術發展掃描

陳健 李逸豪

近幾年來，經過持續科研攻關與多方推進，以量子計算、量子通信、量子雷達、量子測量等為代表的量子信息技術快速發展，取得一系列進展與成果，同時也面臨諸多問題與挑戰。世界主要國家對此十分重視，不斷投入資金與力量向前推動，期待在相關領域能夠取得較大突破。

量子計算技術

當前，世界科技巨頭不僅各自專注于量子計算技術某一方面攻關，還在全球范圍內聯動優勢資源展開廣泛合作，例如谷歌與創業公司Rigetti Computing合作推出開源量子計算軟件平臺，同時還與哈佛大學、勞倫斯·伯克利國家實驗室、塔夫茨大學、倫敦大學等眾多研究機構展開合作，期望在量子化學計算領域取得實質突破。2019年9月20日，谷歌宣布實現“量子霸權”，2分30秒完成了超級計算機1000年的計算量，成為量子計算領域的一個標志性里程碑。

一是量子計算性能提高難度很大。要研制一臺實用的量子計算機，需要的量子位至少在1000～5000區間內，但目前實現最多的量子位，距離量子計算機的實用化還有很長一段路要走，主要是量子態非克隆原理使得信號不能放大，這就如同只有二極管、沒有三極管不能造出經典計算機一樣，因此必須在一開始時就制備出很多個量子態完全相同的粒子，并保持較長一段時間，以便在運算的過程中始終保持糾纏，而后同時坍縮到相應的量子態。然而，多粒子糾纏態的制備和維持是一件很困難的事，因為量子很容易受到周圍環境的影響，基本上每多制備一位糾纏量子態，技術上的難度就要加倍。

二是量子計算難以適用普遍算法。例如，2013年加拿大D-Wave公司對外宣布D-WaveⅡ研制成功，量子位可達512，隨后被谷歌、NASA等幾家單位聯合購買，但經兩家公司測試，均宣稱D-WaveⅡ不具備量子加速性能，到底怎么回事？首先要弄清楚一個事實，即并行算法并不是只有在量子計算機上才能進行，在經典計算機上同樣能進行，只不過速度要慢很多，發揮不出并行計算的速度優勢。D-Wave公司的做法是采用硬件低溫超導方法實現量子退火算法，即把原先用軟件實現的并行算法改用硬件來實現，因此在D-WaveⅡ上運行量子退火算法，速度比經典計算機快很多，但對于其它量子并行算法，如Shor算法、Grover算法等，卻顯得無能為力。

一是制定以量子計算技術為核心的量子信息科學發展戰略，以長遠眼光、超前布局推進量子計算技術加速發展，如提前展開抗量子密碼研究、適應算法設計等。

二是合理統籌資源，鼓勵競爭。積極有序引入私營企業和資本進入量子計算研究領域，利用各方力量共同攻克量子計算技術難關，推進量子計算技術加速發展。

三是注重基礎與人才培養，加強數學、物理、計算機等理工基礎學科建設，采取多種途徑方式培育量子計算技術方面人才，努力形成科學合理的人才隊伍結構，為集智聚力攻克量子計算技術難關提供保證。

量子通信技術

在空間量子通信方面，NASA發布了空間量子實驗白皮書，美國噴氣推進實驗室及加拿大國家航天局都在規劃研制新一代量子通信衛星。2019年，新加坡國立大學宣布，該校研究人員與新加坡電信進行合作，研發出一種量子密鑰分發（QKD）新技術。QKD與傳統加密不同，傳統加密依靠數學來保護密鑰傳輸，QKD則通過網絡傳輸光子使通信雙方能夠達成協議，并生成加密密鑰來建立安全的通信通道。隨后新加坡電信網絡安全研發實驗室表示，此項技術極大提高了網絡信息安全防護能力，使新加坡成為全球QKD研究中心，實驗室將繼續開發和微調這項技術，并通過產品工程中心將其商業化。

在量子通信干線工程方面，英國正在建設英國國家量子通信測試網絡，目前已經建成連接Bristol、Cambridge、Southampton和UCL的干線網絡，并于2018年6月擴展到英國國家物理實驗室（NPL）和英國電信公司（BT）Adastral Park研發中心。日本政府提出了以新一代量子通信技術為對象的長期研究戰略，并計劃在2020年—2030年建成絕對安全保密的高速量子通信網。

一是QKD技術尚無法解決通信安全問題。QKD協議僅是密鑰分發協商的一種新機制，供通信雙方在數據加密解密時使用，而現代通信要求提供身份驗證、數據完整性證明、網絡信道建立、訪問控制和自動軟件更新等多樣化安全服務，通信安全更依賴于身份驗證和完整性證明，而不僅是加密解密，但目前QKD技術還不能取代傳統公鑰密碼的靈活有效的認證機制。

二是QKD系統在應用方面受到許多限制。相對較短的有效傳輸范圍，以及BB84和其它類似協議的點對點限制，是QKD技術的兩個重要弱點，意味著QKD很難與互聯網、移動互聯網集成和融合。

三是當前QKD系統工程不具有經濟效益。QKD本質上是一種純粹的硬件方案，而硬件的獲得和維護相對昂貴，且硬件在升級或發現漏洞時無法進行遠程修補以降低維護成本，因此當前QKD不具有經濟效益。

一是采用量子中繼技術，擴大通信距離。量子態的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，使量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大后再轉發出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最后以單光子形式發送出去，因此下步要加強量子中繼技術研發。目前有很多方案，包括光量子方案、固態原子方案等。

二是采用星地通信方式，實現遠程傳輸。采用衛星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環境中，光子基本無損耗，損耗主要發生在距地面較低的大氣中。據測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒有問題。

三是建立量子通信網絡，實現多地相互通信。量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網絡。目前，國內外建成了多個實用的量子通信網絡，下一步發展是擴大節點數，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網。

此外，在量子加密技術方面，下步重點發展以下內容。

一是發展高性能光量子核心器件。這是保障量子系統安全性的前提，例如量子光源（單光子源、誘騙態光源、糾纏光源等）、量子探測器（單光子探測器、平衡零差探測器等）、量子真隨機數發生器。

二是研制遠距離、高碼率、高穩定、高安全的QKD系統。不斷提升QKD系統的成熟度、穩定性、集成化等實用性能指標，同時加強與傳統光通信基礎設施兼容的技術研究，最終目標是使QKD系統具備低成本量產能力，同時廣泛適用于光纖通信網絡。

三是進一步完善豐富QKD網絡技術。包括底層物理技術、密鑰及網絡管理技術等，可大幅提升城域、廣域QKD網絡的安全性、可靠性、可擴展性，以及與傳統基礎設施兼容性等，是實現全球化覆蓋、極限安全性的必要條件。

四是加速QKD技術的標準化研究。主要是構建QKD技術標準體系，并與傳統通信行業技術、信息化技術、信息服務等標準體系進行對接，完成QKD技術標準在行業中的推廣應用，指導適應行業特點的產品開發、服務體系建設，支撐行業應用推廣以及相關應用標準研究。

五是研究抗量子攻擊密碼算法（PQC），及其與QKD技術的結合應用，兩者是量子計算時代信息安全的基石，需要充分融合與應用。

量子雷達技術

2018年9月，英國約克大學研究人員宣布開發出量子雷達樣機。11月，俄羅斯無線電技術與信息系統聯合企業對采用量子無線電技術的試驗雷達進行測試，成功完成探測與跟蹤空中目標的任務，據俄媒體釋放的信息來看，此次試驗的可能是一種完整意義上的量子雷達，標志著俄羅斯邁入了量子雷達研發的先進行列。

一是量子雷達易受氣象環境影響。量子雷達歸根到底還是作為“光”雷達本身，當前許多光學設備在面對雨、霧、霾等氣象環境時，探測能力會大幅下降，量子雷達面臨著同樣問題。

二是量子雷達距實用化還有差距。量子雷達想要實現工程化商業化，還有很長的路要走，對于F-35、F-22等現實威脅，仍然需要依靠傳統雷達中的新體制雷達，并融合數據、縮小體積、提高精度和可靠性，這是比量子雷達更為現實的反隱身手段。

三是核心技術不掌握。目前遇到的主要技術難題是量子信息的調制與解調，微波粒子量子態的糾纏特性、相干性，以及攜帶量子態信息載體的能量微弱性，都進一步增加了量子信息傳輸和處理難度。量子芯片目前的質量水平還遠達不到要求，這也制約了量子雷達的發展。即便量子芯片技術得到突破，后續還會面臨其它問題，比如操作系統和軟件的編寫等。因此，實現量子信息高效、穩定的空間無線傳輸，著力提升量子雷達的實際工程化水平，是需深入研究與實踐的現實問題。

一是努力攻克核心技術難題，持續推進相關核心技術的發展和應用，如量子信息的調制與解調技術、數據融合技術等，為提升量子雷達性能打牢基礎、創造條件。

二是持續推進量子雷達實用化進程，主要是通過提升量子雷達精度，縮小體積，優化量子雷達產品，使量子雷達具有更為廣泛的適用范圍。

量子測量技術

美國政府一直致力于量子測量領域的產學研深化融合。近年來，麻省理工大學、斯坦福大學、普林斯頓大學等高等院校研究機構在量子測量領域取得了大量原創性和突破性研究成果。此外，Northrop Grumman、Twinleaf、Honeywell、Microchip等眾多公司企業也在量子慣性導航、量子時間基準等領域進行研究，已實現小型化、集成化和商品化。

一是系統工程化和實用化有待探索。量子測量技術中，對于微觀粒子進行精確的人工調控和狀態檢測，通常都會對調控和檢測設備及其工作環境（溫度、磁場、真空度等）提出較為苛刻的要求，使得量子測量設備在體積、功耗、集成度等方面遇到諸多問題，難以實現工程化和實用化。

二是產業化合作和推動力有限。量子測量技術的研究和應用涉及面廣，領域和技術背景差異大，因此對量子測量技術項目的投入很難做到兼顧多個領域的體系化和持續性。同時，鑒于不同技術領域中的量子測量技術發展程度和應用前景各不相同，使得研究機構和行業企業之間缺乏溝通合作的平臺與機制，合作交流十分有限。

三是技術成果的轉化應用機制尚不成熟，如科研項目通常采取發表論文考評和原理樣機驗證等方式進行考核驗收，科研項目的資金支持和投入與最終的實際工程化應用之間沒有形成閉環回路，缺乏有效制度機制提供支撐與保障。

一是進一步對關鍵技術進行研究。集中力量攻克量子測量方面急需解決的技術難題，如量子芯片、原子冷卻技術等，不斷提升量子測量技術與設備的性能與質量。

二是進一步推進量子測量實用化進程。主要是通過發展量子測量技術，不斷優化量子測量產品，使量子測量設備具有更為廣泛的適用范圍。

三是進一步加強各方力量合作攻關。主要是加強政府、科研機構、行業企業聯合助力攻關，共同促進量子測量技術和產業發展。例如，國家層面明確戰略部署和演進路線，為成果轉化建立體制機制保障，重視人才培養和引進，促進科研機構和行業企業之間以及不同領域之間的交流合作，為量子測量技術研究探索新型合作發展道路。

責任編輯：劉靖鑫