量子信息科技的發展現狀與展望

潘建偉

1) (中國科學技術大學,合肥微尺度物質科學國家研究中心,合肥 230026)

2) (中國科學技術大學,中國科學院量子信息與量子科技創新研究院,合肥 230026)

1 引言

量子通信、量子計算和量子精密測量等是量子信息科技的三個主要研究方向.

量子通信包括量子密鑰分發[1–6]和量子隱形傳態[7–11]兩種應用方式.其中量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息,通過一定的協議在遙遠地點的通信雙方共享密鑰.基于量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式,也是最先走向實用化和產業化的量子信息技術.量子隱形傳態利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態(即量子信息),而不用傳輸這個微觀粒子本身.量子隱形傳態技術可以鏈接量子信息處理單元來構建量子網絡,同時也是構建遠距離量子密鑰分發所需的量子中繼的關鍵環節.因此,國際學術界將量子密鑰分發和量子隱形傳態統稱為量子通信.量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系,具體發展路線: 利用光纖構建城域量子通信網絡、通過中繼器鏈接鄰近兩個城市的城域量子通信網絡、通過衛星平臺的中轉鏈接遙遠區域之間的量子通信網絡.

量子計算[12–15]具有強大的并行計算和模擬能力,一旦成功研制,基于計算復雜度的經典信息安全體系將受到巨大沖擊.例如,基于量子計算機的“Shor 算法”[16],能夠輕易破解當前在公鑰加密和電子商業中被廣泛使用的非對稱加密算法RSA算法;而基于量子密鑰分發的量子保密通信的安全性與計算復雜度無關,即使是量子計算機也無法破解.量子計算研究的核心任務是實現多量子比特的相干操縱.如圖1 所示,根據相干操縱量子比特的規模,國際學術界設定了如下3 個“里程碑”.第1 個是實現“量子計算優越性”,即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機,達到這一里程碑需要約50 個量子比特的相干操縱.第2 個是實現專用量子模擬機,應用于組合優化、量子化學、機器學習等特定問題,為特定領域提供初步算力服務.達到這一里程碑需要實現千量子比特的相干操縱和高精度量子邏輯門,是當前的主要研究任務.第3 個是在量子糾錯的輔助下實現可編程通用量子計算機,即相干操縱至少數百萬個量子比特,能在密碼分析、新材料設計、氣象預報、生物制藥等方面發揮巨大作用.由于技術上的難度,國際學術界一般認為實現通用量子計算機仍需10—15年甚至更長時間.

圖1 量子計算的3 個發展階段Fig.1.Three steps of achieving universal quantum computing.

利用量子資源和量子調控帶來的量子計量給精密測量迎來了新的發展契機、新內涵、新原理新體系新方法與新技術,有望實現如時間、電場、磁場、相位、重力、溫度等物理量超越經典技術極限的量子精密測量,同時也帶來了量子操控和量子世界本身測量中許多嶄新的問題.正是由于量子調控與量子信息技術的發展,2018年第26 屆國際計量大會正式通過決議,從2019年開始實施新的國際單位定義,從實物計量標準轉向量子計量標準,這標志著精密測量開始進入量子時代.

2 我國量子信息科技的發展態勢

經過近30年的努力,我國量子信息科技領域整體上已經實現了從跟蹤、并跑到部分領跑的飛躍.具體而言,我國在量子通信的研究與應用方面處于國際領先地位,在量子計算方面牢固占據國際第一方陣,在量子精密測量的多個方向進入國際領先或先進水平.

2.1 量子通信

我國的城域量子通信網絡技術已初步滿足實用化要求,自主研制的量子通信裝備已經為黨的“十八大”、“十九大”、紀念抗戰勝利70 周年閱兵、北京冬奧會、杭州亞運會等國家重要活動提供了信息安全保障.在城際量子通信網絡方面,我國建成了國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”,率先在金融、政務、電力等領域開展了遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示范.在此基礎上,我國全線貫通了總里程超過104km 的國家量子骨干網,覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區域,將推動量子保密通信的規模化應用.

在衛星量子通信方面,我國研制并成功發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,在國際上率先實現了星地量子通信[17],充分驗證了基于衛星平臺實現全球化量子通信[18–20]和開展物理學基本問題檢驗[21]的可行性.利用“墨子號”積累的成功經驗,我國研制并發射了世界首顆量子微納衛星“濟南一號”,為構建低成本、實用化的量子星座奠定基礎.同時,地面接收站的重量也已由十幾噸降到100 kg 左右,可初步支持移動量子通信.結合“墨子號”量子衛星與“京滬干線”,我國率先構建了天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形[22],成為近年來國際量子信息研究的一大標志性事件.

2.2 量子計算

實現量子計算主要的物理系統包括光量子、超導量子線路、超冷原子、離子阱、固態自旋、硅基量子點以及拓撲態等.這些系統各自具有優勢和缺點,需要全面考察各種物理體系,發展規模化量子比特的操縱技術和超高精度容錯量子邏輯門操縱技術.目前,構建量子計算機的技術路線尚未收斂,對各種有望實現可擴展量子計算的物理體系,中國、美國和歐盟均已具有完整布局.根據各物理體系的優勢,國際學術界一般認為基于光量子、超導和超冷原子等體系有望率先實現實用化的專用量子模擬機.

在光量子體系,我國構建了76 光子的光量子計算原型機 “九章”[23],在國際上首次在光量子體系實現“量子計算優越性”里程碑.加拿大量子計算初創公司Xanadu 實現了219 個光子的量子計算原型機“北極光”[24],一度超越我國113 光子的“九章二號”[25],成為第3 個在“高斯玻色取樣”問題上實現“量子計算優越性”的量子計算處理器,但隨后又被255 光子的“九章三號”[26]反超(圖2 為“九章三號”局部展示).基于“九章”系列光量子計算原型機平臺,我國學者已完成在快速求解圖論有關問題方面的演示[27],為探索現階段量子計算原型機的應用奠定了基礎.

圖2 “九章”系列光量子計算原型機Fig.2.“Jiuzhang” series photonics quantum computing prototype.

在超導量子體系,我國先后構建了62 qubits超導量子計算原型機“祖沖之號”[28]和66 qubits的“祖沖之二號”[29](圖3 為“祖沖之二號”量子電路展示).“祖沖之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快107倍,這使得我國首次在超導量子體系實現“量子計算優越性”.值得指出的是,根據Pan 等[30]提出的張量網絡算法,經典計算機求解谷歌“懸鈴木”超導量子計算原型機處理的隨機線路采樣任務預計僅需數十秒(“懸鈴木”需要200 s),該算法已在經典超算上得到驗證,因此谷歌基于“懸鈴木”宣稱的“量子計算優越性”已不成立.而即便根據最新的經典算法,無論是“九章”系列還是“祖沖之二號”,仍然具備超越超級計算機的能力.目前,我國是唯一在兩種物理體系都達到“量子計算優越性”里程碑的國家,牢固確立了國際量子計算研究第一方陣的地位.

此外,基于超導量子芯片,Zhang 等[31]首次實現了拓撲時間晶體的全數字化量子模擬;基于超導量子計算芯片實現了51 qubits 簇態糾纏態的制備[32],是目前規模最大的超導量子比特糾纏.

在超冷原子體系,我國目前整體上與歐美發達國家并跑,在規模化原子糾纏的制備與操縱[33]、自旋軌道耦合[34,35]、超冷分子反應[36–38]、復雜物理問題的量子模擬[39–41]等方面取得了系列重要成果,并已開展了Feshbach 共振費米氣體研究[42]、光晶格的相變和關聯研究[43,44]、自旋軌道角動量耦合研究[45]、超冷原子自旋糾纏態和高分波Feshbach 研究[46]、費米氣體的Efimovian 膨脹和腔QED 的相關研究[42,47,48]、BEC 在動量空間光晶格的相關研究[49]等基礎性研究工作,為解決凝聚態物理、量子化學等領域中若干經典計算機難以處理的復雜問題奠定了基礎.

在離子阱[50–53]、硅基量子點、金剛石色心[54,55]等物理體系,我國已在相關基本要素方面積累了大量關鍵技術.此外,由于拓撲量子計算理論上在容錯能力方面的優越性,基于拓撲體系實現通用量子計算機是國際上面向長遠的重要研究目標.當前國內外均在為實現單個拓撲量子比特這一“0 到1”的突破而努力.在這些體系,整體上我國處于并跑或小幅落后的水平.

近年來,隨著量子計算的快速發展,國際上普遍認為能夠破解公鑰密碼體系的量子計算機的誕生時間可能會大幅提前.為了應對量子計算機對現有密碼體系可能帶來的沖擊,主要發達國家已經開始布局未來的信息安全體系.主要路徑有兩種:一是抗量子計算的數學密碼(PQC),二是抗量子計算的量子密碼(即量子保密通信).值得注意的是,PQC 本質上是基于計算復雜度的經典加密算法,原理上仍然會被破解.例如,此前通過美國國家標準與技術研究院(NIST)多輪審查的PQC 算法“彩虹”(Rainbow)[56]和SIKE[57]先后被使用經典手段破解.因此,PQC 仍然缺乏嚴格的安全性證明,難以單獨作為未來信息安全的屏障.相比之下,以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信是迄今唯一的安全性得到嚴格證明的通信方式,可大幅提升現有信息系統的安全性.國際學術界的主流觀點為通過結合抗量子計算的數學密碼和量子保密通信,共同構建抗量子計算密碼體系.

2.3 量子精密測量

在時間頻率標準方面,我國研制的高精度光鐘,其穩定度和不確定度已進入10–18量級[58–60],達到國際先進水平,但性能指標仍然落后國際上最優水平1—2 個數量級[61–64].我國首次在國際上實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗[65],時間傳遞穩定度達到飛秒量級,頻率傳遞萬秒穩定度優于4×10–19,達到國際最優水平(圖4 為實驗裝置示意圖);在量子導航方面,我國研制成功的原子自旋陀螺原理樣機[66,67],指標與國外公開報道的最高指標相當;可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平,小型移動式冷原子重力儀達到了目前國際上野外連續重力觀測的最好水平[68–70].

圖4 我國在國際上首次實現百公里級自由空間時間頻率傳遞[65]Fig.4.Free-space dissemination of time and frequency with 10–19 instability over 113 km[65].

在單量子靈敏探測方向,我國研究人員在磁場探測[71,72]、量子激光雷達[73,74]、痕量原子示蹤[75]、單分子表征[76]等若干方向上達到國際領先或先進水平.

3 激烈的國際競爭態勢

鑒于量子信息科技重要的科學意義和巨大的應用價值,歐美發達國家的政府、科研機構和產業資本正在不斷完善戰略部署,穩步增加研發投入.

1) 政府發揮主導和引領作用.2018年12月,美國啟動了為期10年的“國家量子行動法案”(NQI)[77],2019—2022年間已投入近30 億美元,2023年的預算請求為8.44 億美元,遠超NQI 法案最初計劃的5年13 億美元.2022年8月,美國總統拜登簽署了《2022年芯片和科學法案》[78],為多個量子信息相關項目撥款近8 億美元.

2018年10月,歐盟正式實施“量子技術旗艦項目”[79],連同各成員國的配套,總經費超過40 億歐元;2021年,歐盟提出天基安全連接計劃[80],計劃將衛星星座和歐洲量子通信基礎設施集成,以借助量子加密技術為歐洲政府和軍事組織提供安全通信,預估經費總額為60 億歐元;2023年,德國政府通過“量子技術行動計劃”[81],將在2023—2026年期間投入約30 億歐元.2021年1月,法國啟動量子技術國家行動計劃[82],5年將投資18 億歐元.2023年3月,英國發布《國家量子戰略》[83],將在2024—2034年間提供25 億英鎊的政府投資,并吸引至少10 億英鎊的額外私人投資.

2) 大型高科技企業積極投入.2019年10月,谷歌率先宣布在超導量子體系達到了“量子計算優越性”里程碑[84].此后,谷歌僅在超導量子計算單一方向就追加10 億美元投入,實驗室每年的運行經費約6000 萬美元.2022年10月,IBM 宣布未來十年將投資200 億美元加強半導體、量子計算等的研發和制造.2023年5月,IBM、谷歌承諾將為芝加哥大學和東京大學提供1.5 億美元,支持兩所大學的量子計算研究工作.

3) 擴大對我國的禁運范圍.美國政府自2017年起禁止出口量子密碼技術和器件,2018年起管制量子信息和傳感技術出口.受美國影響,一些其他北約國家也開始對我國禁運.2021年底,美國將我國部分量子信息研究機構及企業列入“實體清單”,進一步加強禁運.2023年頒布對外投資限制行政令,并著力打造以美英法德日為首的十二國量子技術利益集團,通過成立量子技術國際協會等形式,試圖建立排除我國的量子技術相關全球市場和供應鏈,意在將我國孤立于國際量子科技創新圈之外.

4 下一步量子信息科技創新發展的重點

根據國家戰略需求和國際競爭態勢,未來5—10年我國在量子信息領域的發展重點如下.

1) 量子通信領域.構建完整的空地一體廣域量子通信網絡技術體系,開展量子通信安全攻防、量子通信專網應用等研究,進行量子通信系統的安全測評與認證,完成涵蓋器件、系統、網絡、安全等層面的量子通信標準體系的構建.與此同時,開展自主抗量子計算的數學密碼(PQC)體系的研究,推動PQC 和量子密鑰分發、量子隨機數發生器的創新融合、優勢互補和安全測評,推動形成下一代抗量子計算的密碼體系.在此基礎上,實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接,推進量子通信技術在政務、金融和能源等領域的規模化應用,支撐自主可控的國家信息安全生態系統建設.

2) 量子計算領域.除了各體系相干操縱量子比特規模的提升外,量子糾錯技術是目前研究的一大重點和難點.2021年底,我國團隊已經基于“祖沖之二號”處理器實現了表面碼的重復糾錯實驗,這是朝向容錯計算的重要一步[85].此外,我國在基于玻色碼的糾錯方案方面也取得重要進展[86].下一步,將基于可擴展的量子糾錯方案,構建高保真度邏輯比特,實現高保真度邏輯門操控,在此基礎上實現容錯量子計算.在專用量子模擬機研制方面,在光量子、超導、離子、超冷原子等物理體系中,高精度地將量子計算系統擴展至上千比特,應用于解決若干具有重要價值、經典計算機無法勝任的計算難題,包括高溫超導機制、量子化學反應動力學等復雜物理問題研究.同時,在帶噪聲的中等規模量子處理器上探索將量子計算應用于機器學習等領域.利用在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的相關技術,提高量子比特的操縱精度使之超越量子計算的容錯閾值(>99%),實現容錯量子邏輯門,最終突破量子比特大規模集成關鍵技術,研制可編程的通用量子計算原型機.

3) 量子精密測量領域.力爭進入國際先進水平行列,突破與導航、環境監測、醫學檢驗、科學研究等領域密切相關的一系列量子精密測量關鍵技術,研制一批重要的量子精密測量設備.尤其是時間頻率標準方面,建設空地時頻傳遞地面終端,開展高精度星地時頻比對、衛星共視千公里級雙站時頻比對等實驗,形成廣域光頻標比對網絡,支撐未來國際計量單位“秒”定義變更,為未來引力波探測、暗物質探測等物理學基本原理檢驗奠定基礎.

4) 持續增強自主可控能力.在國家科技主管部門和地方政府的支持下,以量子信息領域國家戰略任務為牽引,統籌組織國內優勢高校、研究機構、企業、用戶部門,匯聚各方資源開展量子科技創新和產業發展亟需的關鍵材料、核心器件與高端設備自主研發,保障國家重大科技任務的實施,確保產業鏈供應鏈關鍵環節自主可控,形成具有國際競爭力的科技儀器產業典范;依托全國性量子科技產學研創新聯盟,打造自主研發協同攻關共同體,搭建政產學研用金協同創新、優勢互補的合作平臺,推動創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈深度融合、協調發展,構筑自主可控、可持續發展的量子科技創新和產業生態體系.

5 結論

以量子信息為主導的第二次量子革命正在向我們走近,它給了我國一個從經典信息技術時代的跟隨者和模仿者轉變為未來信息技術引領者的歷史機遇.在國際上率先掌握能夠形成先發優勢、引領未來發展的顛覆性技術,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術體系,推動我國的信息技術和產業核心競爭力實現跨越式提升,是我國量子科技領域的重要使命.