量子信息標準化發展路徑初探

關鍵詞：量子信息，發展路徑，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.03.010

0 引言

量子信息涵蓋了量子通信、量子測量、量子計算等諸多領域，不同領域在發展過程中遇到了各種問題。量子通信網絡發展經歷了從局域網、城域網、城際網到廣域網，其在不斷發展過程中，遇到了不同量子通信網絡的互聯互通問題。量子測量數據在其發展中遇到了信息表述不一致的問題。這些問題都需要借助標準化手段，通過標準化的指引為不同量子通信網絡的互聯互通、量子通信組網工作、量子測量數據一致表述等工作提供統一的規范和引領支撐。

本文調研分析了國內外量子信息發展現狀，以標準化為抓手，提出了量子信息標準化發展路徑，助力量子信息產業高質量發展。

1 國際量子信息發展現狀

在量子通信方面，國外已經建造了一系列的小規模量子通信技術驗證網絡，包括美國國防部先進技術研究計劃署建立的“國防部感興趣”的城域量子通信網絡、歐洲聯合建立的SECOQC網絡、瑞士的IdQuantique公司覆蓋美國的大型量子安全通信干線網絡，以及日本與歐洲合作建立的東京量子通信網絡等[1-2]。在量子計算方面，世界上最大的軍火商洛克希德·馬丁公司和NASA-Google聯合量子人工智能實驗室購置了量子模擬計算系統，開展量子計算產業發展。歐盟通過EUROQUAM等項目支持國際著名量子物理學家Immanuel Bloch教授和沃爾夫物理學獎獲得者Peter Zoller教授等組成的研究團隊開展超冷原子光晶格量子模擬領域的研究。2023年，高盛、匯豐、摩根大通等金融機構與量子計算公司聯合探索量子計算在金融領域應用。輝瑞通過微軟的量子計算平臺，模擬藥物在人體內的代謝過程，并預測藥物與代謝酶的相互作用。UPS通過量子計算技術成功減少了運輸時間和成本，提高了物流效率，并降低了碳排放。在量子精密測量方面，諾貝爾物理學獎獲得者、美國國家標準與技術研究院（NIST）的David Wineland通過量子邏輯鐘技術，使光頻躍遷的系統不確定度評定已經達到了8×10-18的水平。德國諾貝爾物理學獎獲得者Theodor H?nsch在PTB與馬普量子光學所之間構建了920千米的高保真度光纖光頻傳遞系統，開辟了一個不依賴于衛星導航的全新地面視頻傳輸系統。諾貝爾物理學獎獲得者、斯坦福大學朱棣文教授帶領團隊利用激光冷卻的原子干涉儀精確地測量了重力加速度，利用這種方法得到高精度重力場的全球分布圖，可以用于潛艇導航、地震預報和資源勘探等。美國通過使用量子傳感器進行核磁共振（NMR）或腦磁圖（MEG）檢測，在與人體無接觸的情況下大幅提高檢測靈敏度與分辨率，提升診斷效率、優化治療效果。

2 國內量子信息發展現狀

在量子通信領域，2008年，中國科學技術大學實現了國際上首個3節點光量子電話網。2009年，在合肥又成功實現了5節點全通型光量子電話網。在城域量子通信網絡研究方面，首個規模化的量子通信網絡——合肥城域量子通信試驗示范網，于2011年底建成，該網絡包括46個節點。山東省濟南市建設量子保密通信試驗網絡和中遠距離量子通信試驗床，該網絡包括50個節點、90余家用戶。2012年2月，科大國盾和新華社等合作建設的金融信息量子通信驗證網正式開通。2012年11月，量子保密通信技術用于國家十八大信息安全保障工作。在廣域量子通信網絡方面，2016年底建成連接北京至上海的全長2000千米的廣域光纖量子通信骨干線路，2016年8月16日在酒泉衛星發射中心成功發射衛星，率先實現星地一體化廣域量子通信網絡。2023年，濟南量子技術研究院與中國科學技術大學、中國科學院等單位協同創新，實現了光纖中1002千米點對點遠距離量子密鑰分發。2023年，長三角區域量子保密通信骨干網絡建成，形成了以合肥、上海為核心節點，鏈接南京、杭州、無錫、金華、蕪湖等城市的環網。在量子計算領域，中國科大一直在量子計算的核心資源——多粒子糾纏的制備與操縱上處于國際領先地位，始終保持著糾纏光子數目的世界紀錄，并利用多光子糾纏在國際上率先實現了Shor算法、拓撲量子糾錯、求解線性方程組算法等一系列重要量子算法的演示。在量子測量領域，國家自然科學基金委也專門設立了“單量子態和精密測量”重大研究計劃推動量子測量技術研發及產業化。2023年3月，濟南量子院自主研發的雙光梳精密頻率測量系統成功斬獲第二屆全國顛覆性技術創新大賽總決賽最高獎，已廣泛應用于單頻激光器、時間基準、光鐘、精密光譜測量、基礎物理量標定、天文觀測等領域。

3 量子信息標準化發展路徑

結合國內外量子信息發展現狀，以標準化為抓手，研究提出量子信息標準化發展路徑，如圖1所示。

量子信息標準化發展路徑起止階段為2024年至2030年，具體分為緊急（2024年）、短期（2025年至2026年）、中期（2027年至2028年）和長期（2028年至2030年）共4個階段。通過對2024年至2030年量子信息及相關產業的技術發展、產業化和市場化發展的判斷和預測，制定2024年至2030年量子信息標準化工作的具體目標和工作計劃。在對國內外量子信息及其標準進行總結和歸納的基礎上，著重分析和研究量子信息在未來5年左右的技術發展、產業化和市場化發展的標準需求，以此作為量子信息高質量發展的主要技術支撐。

（1）組織機構建設

量子標準化工作離不開強有力的組織建設和保障，因此，需要首先做好組織機構建設。項目組廣泛調研了目前國際上發達國家已有的量子通信相關的標準化組織，主要包括美國電氣和電子工程師協會IEEE、歐洲電信標準化協會ETSI以及美國國家標準與技術研究院NIST等；調研了國內主要的量子信息相關的標準化組織包括全國量子計算與測量標準化技術委員會（SAC/TC 578）、全國信息標準化技術委員會量子信息標準工作組（SAC/TC 28/WG 34）、全國網絡安全標準化技術委員會（SAC/TC 260）、中國通信標準化協會（CCSA）/全國通信標準化技術委員會、全國密碼行業標準化技術委員會等。

通過分析國際量子信息標準化相關組織在量子信息標準化組織成立及標準研究制定方面成果[3-7]，結合我國構建量子信息方面標準化組織，下一步我國在量子信息標準化組織方面可考慮如下方式：建立全國量子信息標準化總體組，統籌協調量子通信、量子計算、量子精密測量、量子密鑰分發等量子相關的標準工作，具體標準制定仍然放在量子信息相關的各標委會來開展標準制定工作。

（2）標準梳理及標準體系建設

首先，對量子信息相關的標準進行梳理，在梳理工作的基礎上從量子信息規劃、建設、運營、管理的需求角度分析提取急需推薦制定相關標準；

在標準體系建設方面，首先需要進行標準體系的梳理，包括調研并形成統一的術語，參考量子通信、量子測量、量子計算邏輯層次，提煉總結各自的參考模型，并在此基礎上進行標準體系中總體、協議、支撐技術、網絡與管理、應用、安全與測試等不同分類標準的梳理，考慮不同標準制定和應用的特點，梳理標準制定的優先級，并啟動相應標準調研和制定工作。

在梳理形成的標準中，急需制定的標準應進一步整理，明確重點制定標準，優先立項相關標準，做到標準制定過程有序進行，同時在制定標準過程中，不斷完善改進量子信息標準體系，不斷進行升級，最終形成完善的量子信息標準體系框架，包括基礎通用標準、量子通信標準、量子計算標準、量子精密測量標準、行業應用標準等五大部分[8]。

（3）標準試點及產業化

標準的應用離不開試點示范，只有通過試點，才能更好地對標準的應用進行評估，并通過不斷修訂，逐步完善。試點結束后，根據試點的效果，在不同的標準試點方向上，大規模推動標準產業化應用，在實際應用中真正檢驗標準的適用性，并不斷完善，從而也推動整個量子標準體系的不斷完善。

（4）標準國際化

通過開展廣泛的國際合作，積極參與國際化組織在量子信息方面的工作，通過參與國際各類相關標準的討論和制定，積極把握技術標準建立的話語權，引領量子信息技術和標準的發展趨勢，推動我國量子信息技術標準的國際化。

通過制定量子信息標準化發展路徑，有計劃、有步驟地建立起聯系緊密、相互協調、層次分明、構成合理、相互支持、滿足應用需求的整體性、系統性、開放性的量子信息標準體系，加速制定一系列由標準體系確定的具體標準，從而通過標準化工作使量子信息發揮最佳效益，支撐和引導我國量子信息產業的技術創新和快速發展。其目標包括：提出系統、科學的量子信息標準體系；提出未來五年需要制修訂的標準項目；促進科技創新；促進量子信息大規模產業化；滿足科研、產業化、市場化運行和政府管理的需要；積極參與國際標準化工作，爭取中國標準走向世界。

4 結語

本文調研分析了量子信息發展現狀，以標準化為抓手，研究提出量子信息標準化發展路徑，為我國量子信息標準化工作提供指導，下一步將重點開展量子信息標準體系研究與建設，以更好指導量子信息標準制定工作。

作者簡介

安潔，碩士，正高級工程師，研究方向為標準化研究與標準評審。

杜健，通信作者，碩士，工程師，研究方向為化學工程與技術。

趙星宇，碩士，助理工程師，研究方向為物理海洋技術。

公偉，碩士，高級工程師，研究方向為數字技術及網絡安全標準化。

（責任編輯：袁文靜）