信通院-量子信息技术发展与应用研究报告（2019年）57页_3mb

量子信息技术发展与应用研究报告（2019年）总结

核心内容

量子信息技术以量子叠加态和量子纠缠效应为理论基础，涵盖量子计算、量子通信和量子测量三大领域。该技术在提升运算速度、信息安全、测量精度等方面具有显著优势，已成为信息通信技术演进和产业升级的重要关注点。各国在量子信息技术领域加大投入，推动技术发展与应用落地，我国在该领域也取得了显著进展。

主要观点

• 量子计算：当前研究集中在物理平台的探索和“量子优越性”实现，但实用化仍需突破量子比特数量、容错能力和工程化等瓶颈。量子计算云平台成为技术推广的重要形式，国内企业如阿里云、华为、本源量子等正在快速追赶国际先进水平。
• 量子通信：量子密钥分发（QKD）是首个走向实际应用的分支，用于保障通信安全。量子安全直接通信（QSDC）和量子隐形传态（QT）等技术也在不断推进，但现实安全性、可信中继节点和标准化建设仍需进一步研究。
• 量子测量：量子测量突破经典测量极限，具有广泛的应用前景，包括高精度时间同步、磁场测量、重力测量等。部分技术如自旋量子位测量已进入芯片化和集成化阶段，但仍需解决高精度、实用化和工程化等关键技术问题。

关键信息

一、量子信息技术总体发展态势

• 量子信息技术成为未来科技发展的关注焦点之一，各国加大投入，推动标准化研究。
• 国际上，量子计算、量子通信和量子测量的论文和专利数量增长迅速，我国在量子计算和量子通信领域表现突出。
• 量子测量领域专利和论文增长较慢，但发展潜力巨大，尤其在高精度时间同步和传感方面。

二、量子计算领域研究与应用进展

• 物理平台探索：超导、离子阱、光量子等技术路线并存，尚未实现技术路线收敛。
• 量子优越性：Google实现72量子比特处理器，证明量子计算在特定问题上的优势，但通用量子计算机的实用化仍需十年以上时间。
• 量子计算云平台：云平台成为推动量子计算普及的重要手段，IBM、Google等公司已推出云服务，国内企业如中科大、阿里云、华为等也在积极布局。
• 产业发展：美国已形成较为成熟的产业生态，我国虽起步较晚，但正在快速追赶，产业链逐步完善。

三、量子通信领域研究与应用进展

• 量子密钥分发：QKD技术已实现长距离传输，如7600公里洲际传输，但现实安全性仍需进一步提升。
• 量子安全直接通信：QSDC技术实现信息直接传输，但受限于密钥无法二次传输，需与传统加密技术结合。
• 量子保密通信网络：我国在“京沪干线”和“合巢芜城际量子密码通信网络”等项目上取得进展，但规模化应用和产业化仍需探索。
• 标准化建设：ITU-T、ETSI等组织推动量子通信标准化，我国在QKD和量子保密通信方面已开展相关标准制定。

四、量子测量领域研究与应用进展

• 量子测量突破：突破经典测量极限，应用于基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导等领域。
• 自旋量子位测量：有望实现芯片化和集成化，提升测量灵敏度和精度，如基于金刚石色心的量子传感器。
• 量子纠缠测量：处于前沿研究阶段，主要用于量子目标识别、量子时钟同步等，但实用化仍面临技术瓶颈。
• 量子时间同步：利用量子纠缠和压缩态实现高精度、高安全性的同步传输，有望用于未来通信网络。

五、量子信息技术发展与应用展望

• 理论与技术突破：量子信息技术的发展仍需突破理论和关键技术瓶颈，如高品质量子态光源、高性能单光子探测、量子态存储与中继等。
• 领域前景各异：量子计算、量子通信和量子测量在发展速度、应用前景和技术成熟度方面存在差异。
• 产业化与应用：量子信息技术的产业化和应用需要多方合作，推动设备研发、标准制定和应用探索。

重要数据与趋势

• 量子计算领域论文和专利数量持续增长，中、美、日、加等国是主要贡献者。
• 量子通信领域QKD技术已实现550公里光纤传输和7600公里卫星传输，但现实安全性和标准化仍需加强。
• 量子测量领域，全球市场规模稳步增长，预计未来5年年复合增长率约13%，中国有望成为重要市场。

总结

量子信息技术正从实验室走向实际应用，成为推动科技发展的重要力量。尽管各国在该领域投入巨大，技术进展迅速，但实用化、标准化和产业化仍面临诸多挑战。我国在量子通信和计算领域已取得重要成果，未来需加强基础研究、技术突破和产业协同，以实现与国际先进水平并跑甚至领跑。