量子信息技術工程化應用發展初探

安 達， 龔振煒， 陳 巖， 劉靜巖

(1.中國電子科技集團有限公司發展戰略研究中心， 北京 100043；2．中國工程院戰略咨詢中心， 北京 100088)

0 前 言

為抓住量子信息技術發展機遇，世界主要國家紛紛啟動國家級量子科技戰略行動計劃，大幅增加研發投入和推進應用布局。在中央高度重視和大力支持下，近年來，我國在量子信息領域取得一系列成果：實現了11 km的遠距離量子糾纏純化；成功驗證構建天地一體化量子保密通信網絡的可行性(4 600 km)；實現500 km量級現場無中繼光纖量子密鑰分發；構建了113個光子的量子計算原型機“九章二號”和66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”[1]。本文聚焦全球主要國家和地區在量子科技領域的最新政策布局熱點，分析總體發展態勢，并對量子保密通信和量子計算領域工程化應用發展趨勢進行初探，在此基礎上，提出我國發展量子信息技術的相關啟示。

1 主要國家和地區量子科技政策布局熱點

1.1 美國

美國在2018年發布《量子信息科學國家戰略概述》，正式將發展量子信息科學上升為國家戰略。同年，美國會眾議院審議通過《國家量子行動計劃法案》，提出實施為期10年的“國家量子倡議項目”，以確保美國在量子信息領域持續領先。2020年，美眾議院審議通過《量子網絡基礎設施法案》，撥款1億美元以支持構建美國量子網絡基礎設施。2021年3月，美國在《國家安全臨時戰略指南》中強調，量子計算等新興技術有望改變各國之間的經濟和軍事平衡[2]。隨后，美國會參議院審議通過《2021美國創新與競爭法案》，明確將“量子信息科學與技術”列為國家科學基金會應關注的10個“關鍵技術重點領域”之一[3]。此外，美國會還通過了《量子網絡基礎設施法案2021》和《科學技術的量子用戶擴展法案》兩項法案，都旨在進一步鞏固其在量子信息領域的全球競爭力。

1.2 歐盟

歐盟在2016年推出為期十年的“量子技術旗艦計劃”。2021年，所有27個歐盟成員國完成歐盟量子保密通信基礎設施協議簽署，該協議將成為歐盟目前正在規劃的天基安全連接系統的一部分。同期，歐洲核子研究中心量子技術計劃公布中長期量子研究計劃路線圖，詳細說明了其目標和戰略，要大力推進探索量子技術如何在量子計算和算法、量子理論與模擬、量子傳感/計量和材料，以及量子保密通信和網絡四個主要量子研究領域為高能物理學及其他領域帶來最大益處。其他國家量子科技政策布局見表1。

續表1

2 全球量子信息科技與產業發展總體態勢

2.1 美國在量子信息技術基金項目、專利及論文方面都位居世界前列

一個國家重要科研基金機構資助的研究重點，往往代表該領域發展的較高水平和方向，了解基金機構在科學研究的資助情況，有助于了解各國科研活動的重心。在基金項目方面，本研究通過對美國基金項目(國家科學基金、能源部項目、國防部項目)進行梳理發現，自2015年以來，美國基金項目資助量子科技領域相關項目1 186個，資助經費共計5.48億美元，平均每個項目資助經費46.17萬美元，平均每年9 100萬美元，如圖1所示。

圖1 美國自然科學基金資助量子科技領域項目情況

專利是最能反映科技發展最新動態的情報文獻，通過對專利文獻的深入分析，可以對特定技術領域發展做出趨勢預測。如圖2所示，在公開專利數量方面，2015年以來，美國專利申請的重點側重于量子計算領域，專利申請數接近50%，總體上呈現量子計算>量子測量>量子保密通信的現狀。

圖2 2000—2021年美國量子信息領域公開專利數量分布圖

2021年11月，歐洲專利局在發布的《量子技術和空間專利洞察報告》中指出，量子技術及其空間領域專利的增長趨勢主要由量子密鑰分配的創新驅動，占比超過77%，其中大多數與空間相關的量子技術專利申請主要源自美國和中國[4]。

在論文發表方面，本研究以中國工程科技知識中心Aminer系統科技情報大數據挖掘與服務系統平臺作為基礎數據，通過對以SCI 數據庫為主的相關數據進行分析發現，2000年以來，全球量子科技領域論文發表量整體呈現具有周期性特征的增長態勢，特別是2016年后，全球對量子科技的研究熱度開始再次上升，領域科研論文發文量持續上升，如圖3～圖4所示。

圖3 2000—2021年全球量子科技領域論文發表數量分布圖

圖4 世界主要國家在量子科技領域論文發表數量對比圖

2.2 各國通過教育體制創新、成立校企聯盟等方式加快構建量子信息生態系統

科技競爭本質上是人才競爭，在新興量子領域尤其如此。量子信息是融合了物理、數學、計算機等多學科前沿知識的新興學科，美國在2019年即明確提出將量子信息科學加入中小學教育的倡議計劃，2021年，哈佛大學推出量子科學與工程領域博士學位，并計劃招收35～40名學生；丹佛大學發起首個能源行業的量子計算校企聯盟“量子未來電力系統升級計劃”，旨在開發新的量子模型、方法和算法，以更快、更準確地解決一系列電網問題；IBM舉辦量子教育行業峰會，推動中學和本科教育工作者將量子相關概念納入跨學科的課程中；馬里蘭大學和量子計算公司IonQ聯合共建美國首個國家量子實驗室，促進高校研究人員與企業工程師在量子領域更多合作。同年，中國科學技術大學獲批我國首個量子科學與技術方向的博士學位授權點；清華大學成立量子信息班，讓學生形成從基礎到應用的量子知識架構，這些也標志著我國量子科技領域學科建設邁入了系統布局、成熟發展的新階段。在商業領域，IBM、Intel、谷歌、阿里巴巴、華為、百度等大公司紛紛加入“量子爭霸”競賽，以期在未來信息技術領域掌握主動權[5]。此外，德國10家頭部企業聯合成立量子技術與應用聯盟，計劃在量子計算現有基礎上進一步發展工業應用，為量子計算在德國和歐洲實現工業化奠定基礎。荷蘭則計劃在代爾夫特理工大學校園內建設“量子之家”作為荷蘭的量子總部，其帶有孵化園和實驗室的性質，以期打造為量子技術商業公司、投資者和研究人員提供全面服務的生態系統。

3 量子保密通信技術與產業發展態勢及展望

3.1 量子保密通信領域各技術方向科學研究與實驗持續活躍

量子保密通信領域技術包括量子密鑰分發(QKD)、量子隱形傳態(QT)、量子安全直接通信(QSDC)等協議與應用。在QKD研究方面，2021年，我國科研團隊基于“濟青干線”現場光纜，突破現場遠距離高性能單光子干涉技術，分別采用兩種技術方案實現500 km量級雙場量子密鑰分發[6]。隨后，又將光纖雙場量子密鑰分發的安全傳輸距離延長至830 km以上，為實現千量級陸基廣域量子保密通信網絡邁出了重要的一步。還有研究人員利用QSDC原理，首次實現了網絡中15個用戶之間的安全通信，傳輸距離達40 km[7]。在國外，英國研究人員利用量子物理的多方量子糾纏特性，通過量子會議密鑰協議(QCKA)，在光纖相隔50 km的四方之間同時共享密鑰，克服了傳統QKD系統只能在兩個用戶之間共享密鑰的局限性。印度拉曼研究所利用大氣信道在兩座相距50 m的建筑物之間實現量子密鑰分發，實現印度首個基于自由空間的量子密鑰分發實驗。意大利電信公司也在的里雅斯特舉辦的G20會議上首次公開演示了國際光纖量子連接。量子密鑰分發技術的核心是量子隨機數生成器，用于計算機、移動通信等領域的信息加密，具有不可預測性、不可重復性和無偏性等特征，是量子保密通信系統中的關鍵核心器件。2021年，我國研究人員通過研制硅基光子集成芯片和優化實時后處理，實現了速率達18.8 Gbps的實時量子隨機數發生器。此外，國家密碼管理局發布《GM/T 0108—2021誘騙態BB84量子密鑰分配產品技術規范》和《GM/T 0114—2021誘騙態BB84量子密鑰分配產品檢測規范》，一方面填補了量子密碼，尤其是量子密鑰分配QKD在密碼行業標準上的空白；另一方面也解決了量子保密通信行業以往應用中無相關量子密碼標準可依的問題，能夠進一步推動市場的大規模應用[8]。

值得注意的是，美國國家標準與技術研究院(NIST)一直在積極開發抗量子標準化算法。目前，NIST的抗量子密碼標準化在經過前兩輪標準化會議后，已遴選出15個抗量子密碼算法[9]。2022年1月，美國總統拜登簽署《關于改善國家安全、國防部和情報系統的網絡安全》的第8號國家安全備忘錄，是白宮國家安全機構首次在正式文件中提及抗量子密碼。當前，中國密碼學會也在全國密碼算法設計競賽中征集抗量子密碼算法并逐步開展國產密碼算法標準化。預計我國將在2025年左右實現抗量子密碼算法的商業化應用落地。

3.2 量子保密通信產業應用場景尚處探索階段，大規模工程化方向尚未明確

作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子保密通信極有可能進入公眾安全網和云安全領域，服務電子政務、電子商務、電子醫療等各領域。據日本東芝公司預測，量子保密通信全球市場到2035年有望達到1 200億元人民幣規模。在國內，得益于率先開展廣域量子保密通信的技術驗證與應用示范，目前我國量子保密通信核心器件的國產化和設備的小型化已初步實現，具備了在關鍵部門先行先試的條件。在國外，在2021七國集團峰會上，美國、英國、日本、加拿大、意大利、比利時和奧地利領導人宣布將聯合開發基于衛星的量子安全網絡。同期，歐洲空客公司研發建造的在軌可編程量子衛星“Eutelsat Quantum”成功發射，其在軌可重新編程功能設定了靈活性新標準，預示著商業衛星服務時代的到來。美國能源部宣布為量子信息科學的基礎設施和研究項目提供6 100萬美元研究資金，以創造新的量子設備和發展量子安全網。量子安全網將使未來的量子傳感器連接在一起，并在量子計算機之間共享數據，將實現新的安全級別。俄羅斯宣布其量子保密通信線路將在10～15年后進入工業使用，目前，俄鐵路公司已開通俄首條也是歐洲最大的、位于莫斯科與圣彼得堡之間長達700 km的量子保密通信干線。此外，俄首個開放訪問的“生態系統校際量子網絡”也已在莫斯科啟動。此外，量子初創公司Quantinuum在2021年推出了基于量子計算機生成的隨機數的“完全不可預測的加密密鑰”服務，并稱其為NISQ(中型含噪量子計算)計算機時代的首個商用量子密碼學產品。據報道，正在建設商業空間站的Axiom Space已使用該產品對國際空間站和地球之間的抗量子加密通信進行了測試?？偟膩砜?，當前全球量子保密通信技術在產業化層面的應用場景仍在探索階段，部分已成熟技術的商用化前景還存在較為明顯的局限性，大規模工程化方向尚未明確。

4 量子計算技術與產業發展態勢及展望

4.1 量子計算技術研發取得突破性進展，量子計算優越性得到實驗性驗證

量子計算是一種基于量子疊加和糾纏特性的新質計算，兼具可逆計算和并行計算能力，使其具有超越經典計算的低功耗、高速度等的巨大發展優勢，有望在信息安全、數字經濟、科研文教、生物醫藥、能源材料等領域產生顛覆性應用。量子計算對環境要求極高，雜散光、磁場、熱輻射和振動等極其微弱的噪聲都會干擾量子體系，當前研制量子計算機的一大技術挑戰是提高量子比特的操控精度，保障運算正確率。量子計算的技術實現途徑有超導、光量子、離子阱、半導體、拓撲等，目前仍處并行發展和開放競爭狀態。2021年，中國科大超導量子計算研究團隊構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解；光量子計算研究團隊構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，增強了光量子計算原型機的編程計算能力，同年，IBM公司發布具有127個量子比特處理能力的量子處理器“Eagle”，根據IBM在2019年發布的量子計算路線圖，該公司計劃在2022年推出具有433個量子位的“Osprey”芯片以及具有1 121個量子位的“Condor”芯片[10]。在離子阱技術方向，霍尼韋爾公司提供支持的Quantinuum H系列量子計算機繼續實現指數級性能提升，其最新離子阱系統H1-2首先達到2 048量子體積；量子初創公司IonQ公司計劃在其系統中使用鋇離子作為量子位，以構建更快、更強大、更易于互連且為客戶提供更多正常運行時間的系統，該公司2021年在紐約證券交易所上市，成為第一家上市的量子計算公司，一定程度上意味著離子阱技術的商業化潛力取得了資本市場的認同。中山大學物羅樂教授提出，從技術路徑來看，超導技術制備量子物理比特數量“從10到100”走的較快，但“從100到1 000”則面臨較大瓶頸；離子阱技術“從10到100”的起步階段相對困難，但“從100到1 000”的難度要低很多，有望領先超導技術。在量子軟件和算法領域，中國科大團隊研發出新型量子特征提取算法，實現了對未知量子系統矩陣的分析與信息提取，可將量子算法的并行加速特性應用于人工智能領域中，提升人工智能系統的效率與能力。劍橋量子公司開發一種新的量子算法，可使用更少的量子比特來解決優化問題。此外，中國科學院發布了用于量子計算物理系統遠程調控的指令集QCIS，將支持用戶遠程調用其開放接口，在真實量子計算原型機上進行“云端”量子編程實驗?？傮w說來，每種技術架構方法都有其優點和缺點，為應對不同環境需求和解決不同的計算問題，對各方向的探索和競跑仍在繼續。

4.2 各主要國家大力推進量子計算產業生態培育，但工程化仍面臨挑戰

根據波士頓咨詢預測，全球量子計算應用市場規模2035年將達20億美元，2050年將飆升至2 600多億美元[11]。美國科技政策智庫數據創新中心發布報告，呼吁美國會在五年內提供5億美元支持具有近期應用的學術研究項目，以確保美國在量子計算領域保持領先地位。各大量子企業也紛紛發布量子計算路線圖，不但強調改進量子比特擴展和糾錯的方法，更尋求更多新的融資機會。其中，IBM計劃在2023年實現超過1 000位量子物理比特、能夠穩定運行并且抗噪聲的量子處理器，將量子計算機實現商業化。該公司與德國弗勞恩霍夫協會合作，在2021年推出歐洲首臺量子計算機“IBMQ System One”，這款具有27個量子比特的商用量子計算機可提供基于量子的計算策略實驗，企業和研究機構可以在該計算機上開發和測試與應用程序相關的量子軟件并擴展技能。量子初創公司Quantum Brilliance著力加速金剛石量子計算機的商業化進程，其開發的量子計算機基于合成金剛石技術，無需接近絕對零度的溫度或復雜激光系統就可像大型量子計算機一樣運行，其目標是到2025年提供一個午餐盒大小、超過50個量子比特的量子加速器?；旌狭孔咏浀溆嬎阆闰孯igetti Computing推出下一代“Aspen-M”80量子位量子計算機，它由兩個40量子位芯片組裝而成，是世界上首個商用多芯片量子處理器，解決了容錯量子計算中的一個關鍵的規模挑戰。中國信息通信研究院發布《量子云計算發展態勢研究報告(2021)》藍皮書，提出量子計算云平臺是技術實驗、接口開放、數據提供和技術研討的綜合體，在量子計算標準制定過程中將會發揮重要作用[12]。京東公司也發布以經典云平臺為依托、量子計算設備為終端的量子并行處理框架QUDIO，能夠實現調度現有量子計算資源去求解超越經典計算的大規模任務。2022年1月19日，世界經濟論壇(WEF)發布首份有關量子計算指南的報告——《量子計算治理原則》，列出了負責任地設計和采用量子計算技術為社會帶來積極成果的第一套原則，同時概述了利益相關者為激勵技術發展同時降低可能風險而采取的關鍵行動?？偟膩砜?，全球量子計算產業仍處于發展初期，各主要國家目前還處于大力推進量子計算從科學研究和概念驗證轉向構建未來幾年具有商業前景產品的生態培育階段，大規模工程化仍面臨較大不確定性挑戰。

4.3 與實際應用問題相結合，量子計算進入多領域應用場景探索新階段

量子計算技術具有改變行業和解決社會最緊迫問題的潛力，有望為多個行業帶來變革性利益，并在未來幾年對改善世界狀況產生相當大的影響。在藥物和材料開發方面，量子計算機能夠通過量子模擬同時審查多種分子、蛋白質和化學物質，從而能夠更快速、更有效地的研發藥物。此外，量子計算機可以有效地模擬其他量子系統，例如分子中的電子，從而對復雜材料的化學和物理特性進行更可預測和準確的洞察，為開發更具可持續性和環境安全性的產品鋪平道路。2021年12月，微軟投資初創公司PsiQuantum和日本量子初創企業QunaSys宣布一項聯合研究項目，評估用于工業化學計算的容錯量子計算的能力，以加速可持續材料的開發。在金融領域，許多主要機構都在尋求量子計算來提高貿易、交易和數據速度。IBM和摩根大通等銀行一直在對量子技術進行測試，以評估其在不久的將來能夠大規模執行的具體行動。2021年11月，國際貨幣基金組織發布《量子計算與金融系統》報告，指出量子計算有可能改變全球經濟和金融部門，對全球經濟和金融體系產生深遠影響。報告中還特別提到，中國建立了從北京至烏魯木齊間的量子密鑰分發傳輸通道，實現了商業銀行跨境人民幣收付信息管理系統數據加密傳輸。在氣候變化領域，量子模擬能夠幫助各國實現聯合國的可持續發展目標。例如，量子計算機可能加快新的二氧化碳催化劑的發現，從而確保二氧化碳的有效回收。此外，量子計算與人工智能相結合也是發展的趨勢。美國康奈爾大學通過創建基于量子計算的“智能系統”方法來構建故障診斷框架，從而準確地發現電力系統中的問題。研究發現，與電壓變化或大面積停電等巨大問題相比，融合人工智能的快速計算能夠快速診斷故障并在幾秒鐘內找到解決方案。隨著量子計算不斷朝著商業可行邁進，其在航空航天、物流等眾多領域的應用場景也在不斷拓展。

5 結 語

量子信息技術是國際科技前沿領域，是大變局時代的關鍵科技變量，也是大國科技、國力和軍事競爭的戰略高地。當前，我國量子信息技術研發已到了深化發展、快速突破的歷史階段，迫切需要完善創新全面的布局，實現多學科的密切交叉和各項關鍵技術的系統集成。

1) 要加強頂層謀劃，持續加大量子信息領域技術攻關。匯集量子技術領域的產學研相關力量，加快制定一部符合中國發展現狀和需求的國家層面綜合性量子技術發展規劃；把量子信息技術作為推動技術創新的重要突破口，統籌好基礎研究、前沿技術、工程技術研發，加快補齊短板，著力夯實量子科技躍升發展的基礎條件，超前布局量子領域的前沿技術。

2) 要提升產學研協同，加速量子信息研究成果向實用化、工程化轉化的速度和效率。積極組織相關企業、高校、研究機構，以需求為導向引領技術的研發；聚焦有產業化預期的量子相關技術，廣泛挖掘量子科技的應用場景，推動其在大數據搜索、人工智能、生物制藥、金融、醫療及政務等領域的應用，在應用中迭代完善相關的技術，推進產業化能力形成和產業生態建設。

3) 要持續擴大交流，繼續用好各類的合作平臺提升發展戰略主動權。進一步鼓勵產學研各界代表走出去、引進來，廣泛開展技術、產業、安全方面的交流合作，主動參與量子科技領域的國際標準制定；完善相關人才的引進和培養機制，鼓勵重點高校開展量子科學相關學科建設，吸引和培養更多量子技術領域的專業人才和后備力量。