量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）_77页_4mb

量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）总结

核心内容概述

本报告由中国信息通信研究院发布，分析了2020年量子信息技术在量子计算、量子通信和量子测量三大领域的发展态势、研究进展、应用探索及未来前景与挑战。报告指出，量子科技作为新一轮科技革命的重要方向，将对信息技术、基础科学和数字经济产生深远影响，特别是在计算能力、信息安全和测量精度等方面具有突破潜力。

主要观点

• 量子科技的战略意义：量子计算、量子通信和量子测量作为量子科技的重要组成部分，是推动信息技术演进和数字经济发展的关键力量。2020年10月，中共中央政治局对量子科技发展做出重要部署，强调其重要性并推动多领域协同创新。

• 全球布局与投资：各国对量子科技的重视程度不断加深，纷纷出台发展规划和加大投入。美国、欧盟、英国、日本、德国、俄罗斯、印度、法国、加拿大、澳大利亚等国家在量子科技领域均有重要布局，美国投资规模最大，中国在量子通信领域表现突出。

• 技术路线多元化：量子计算的物理平台仍处于攻坚期，主流技术路线包括超导、离子阱、硅基半导体、光量子和拓扑。尽管多条路线并行发展，但尚无一种技术路线能够完全满足实用化需求。

• 量子云计算兴起：量子云计算成为推动量子计算应用的重要方式，国内外企业如IBM、Google、微软、Amazon、阿里巴巴、华为、本源量子等纷纷布局，提供云平台和相关服务。量子云计算技术架构逐步成型，竞争日益激烈。

• 量子通信的进展与挑战：QKD（量子密钥分发）和QT（量子隐形传态）是量子通信研究的重点。QKD目前已有初步实用化成果，但实用化与工程化仍面临挑战。量子信息网络是未来量子通信发展的远期目标，涉及量子态传输、中继、存储和处理等关键技术。

• 量子测量的潜力与进展：量子测量在精度、灵敏度和稳定性方面远超传统技术，主要技术路线包括冷原子相干叠加、核磁/顺磁共振、SERF、纠缠态/压缩态、量子增强测量等。欧美在应用与产业化方面进展迅速，中国正逐步发力，但标准化和基础材料研究仍需加强。

关键信息

一、量子信息技术总体发展态势

• 量子科技革命：量子科技将为信息技术注入新动能，推动基础科学、信息通信和数字经济的发展。
• 研究与应用活跃：量子计算、量子通信和量子测量三大领域在科研和技术创新方面保持活跃，全球科研论文数量持续上升。
• 中国发展态势良好：中国在量子通信和测量领域发展迅速，在量子计算领域仍需追赶。
• 标准化探索开始：国际组织和国内机构开始探索量子信息领域的标准化路径。

二、量子计算领域研究与应用进展

• 物理平台：超导、离子阱、硅基半导体、光量子和拓扑等技术路线并行发展，IBM和Google在超导路线占据主导地位。
• 软件生态构建：量子计算软件生态逐步形成，包括基础运行类、计算开发类和应用服务类软件。
• 量子算法探索：NISQ（含噪声中等规模量子）条件下，VQE、QAOA、量子机器学习等算法成为研究热点。
• 应用场景多元化：量子计算在量子化学模拟、组合优化、机器学习等领域展现潜力，Google、D-Wave、华为等企业已开展相关应用探索。
• 量子云计算：国内外云计算企业如IBM、Amazon、阿里、华为、本源等积极布局量子云计算，推动技术应用和生态构建。

三、量子通信领域研究与应用进展

• 量子信息网络：作为量子通信的远期目标，量子信息网络涉及量子态传输、中继、存储和处理等技术，具有安全性提升、分布式计算和网络化测量等潜力。
• QKD进展显著：中科大、北邮、北大等在QKD领域取得突破性成果，传输距离和成码率不断刷新。
• 技术瓶颈仍存：量子信息网络的核心使能技术如纠缠源、量子态存储器、中继方案等仍处于实验探索阶段，尚未实现大规模部署。

四、量子测量领域研究与应用进展

• 应用场景广泛：量子测量可用于时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量、目标识别等，具有广阔前景。
• 技术路线多样：主要技术路线包括冷原子、核磁/顺磁共振、SERF、纠缠态/压缩态、量子增强测量，但发展程度不均衡。
• 欧美领先，中国逐步发力：欧美在量子测量应用和产业化方面进展迅速，中国在科研和标准制定方面仍有一定差距。

五、量子信息技术演进与应用前景展望

• 三大领域前景可期：量子计算、量子通信和量子测量在多个领域展现出广阔的应用前景。
• 中国有望加速发展：在政策支持、科研投入和产业生态构建方面，中国具备良好基础，未来有望实现更多突破。
• 标准化与产业化：量子信息领域标准化研究逐步展开，基础材料和器件是实现产业化的重要基础。

附录：缩略语

• QKD：量子密钥分发
• QT：量子隐形传态
• NISQ：含噪声中等规模量子
• Q-NEXT：下一代量子科学与工程中心
• C²QA：量子优势协同设计中心
• QED-C：量子经济发展联盟
• TC578：全国量子计算与测量标准化技术委员会

图目录（简要说明）

• 图1：量子科技浪潮与信息技术发展演进
• 图2：全球量子信息领域项目规划和投资情况
• 图3：量子信息领域科研论文关键词聚类图
• 图4：量子信息技术三大领域全球年度科研论文量及国家排序
• 图5：量子信息技术三大领域全球科研论文合作网络
• 图6：美国Gartner公司2020年技术成熟度周期曲线（含量子计算）
• 图7：美国能源部量子互联网蓝图论坛报告网络实验计划
• 图8：量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势
• 图9：量子计算物理平台方案技术路线与企业布局情况
• 图10：量子计算硬件物理平台的三大发展阶段
• 图11：量子计算软件三大类型及其功能应用
• 图12：代表性量子计算算法研究与发展历程
• 图13：量子计算的潜在应用场景和行业领域
• 图14：Google量子机器学习Tensorflow-Quantum框架
• 图15：D-Wave公司量子退火交通组合优化应用
• 图16：量子云计算的技术栈架构与主要特征
• 图17：量子云计算的应用与服务发展定位
• 图18：量子云计算测评体系与五大测评维度
• 图19：国外科技和产业巨头量子计算领域布局和发展情况
• 图20：量子计算领域科技公司和初创企业分布情况
• 图21：量子信息网络与经典信息网络特性对比
• 图22：中科大改进型TF-QKD系统509公里超低损光纤传输实验
• 图23：北邮和北大联合报道CV-QKD系统202.81公里传输实验
• 图24：“墨子号”量子科学实验卫星相关科研成果
• 图25：近期欧美研究机构和政府部门关于QKD应用的研究报告
• 图26：学术界对于QKD技术问题和质疑的回应
• 图27：量子测量技术主要应用领域和场景
• 图28：量子测量的主要步骤和技术类型
• 图29：量子测量五大技术路线国内外研究机构与企业布局
• 图30：近期国内外量子测量技术与应用研究代表性进展
• 图31：量子信息三大领域的原理特性、发展定位及应用前景

总结

量子信息技术作为新一轮科技革命的核心，正在全球范围内快速发展。中国在量子通信和测量领域取得显著进展，但在量子计算领域仍需进一步突破。未来，量子计算、量子通信和量子测量将在多个领域展现巨大潜力，推动基础研究、技术发展和产业应用。标准化、产业化和跨领域融合将成为推动量子信息技术发展的关键因素，量子云计算和量子信息网络作为新兴方向，正在成为研究与应用的热点。