中国信通院：量子信息技术发展与应用研究报告（2018年）

GACT中国信通院 量子信息技术发展与应用 研究报告 (2018年 中国信息通信研究院 2018年12月

量子信息技术发展与应用 研究报告 （2018 年） 中国信息通信研究院 2018年12月

版权声明 本研究报告版权属于中国信息通信研究院,并受法律 保护。转载、摘编或利用其它方式使用本研究报告文字或 者观点的,应注明“来源:中国信息通信研究院”。违反上述 声明者,本院将追究其相关法律责任

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前言 随着人类对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破和提升, 利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集 处理和传输已经成为可能,量子科技革命的第二次浪潮即将来临。 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信 息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一,其研究和应用发展在 未来国家科技发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域,也将产 生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来,量子信息技术发展与应用呈现加速趋势,全球各国普 遍关注和重视,我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也进 一步提高。2018年5月28日,习近平总书记在两院院士大会上的讲 话中指出,“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为 代表的新一代信息技术加速突破应用。 为推动我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展,澄清原 理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识,中国信息通信研究院组织 编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》(2018年)。本报告深 入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展 问题瓶颈和未来发展趋势,并提出相关策略建议

前 言 随着人类对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破和提升， 利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、 处理和传输已经成为可能，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信 息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，其研究和应用发展在 未来国家科技发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域，也将产 生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来，量子信息技术发展与应用呈现加速趋势，全球各国普 遍关注和重视，我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也进 一步提高。2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲 话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为 代表的新一代信息技术加速突破应用。” 为推动我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展，澄清原 理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识，中国信息通信研究院组织 编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2018 年）。本报告深 入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展、 问题瓶颈和未来发展趋势，并提出相关策略建议

目录 量子信息技术发展背景 (一)量子科技革命第二次浪潮即将来临 (二)量子信息技术在全球范围广受重视 (三)量子信息技术概念原理与三大领域 量子计算技术与应用进展 (一)量子计算技术研究与发展现状 (二)量子计算应用和产业生态发展 6 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 三、量子通信技术与应用进展 (一)量子通信技术研究与发展现状 (二)量子保密通信应用和产业进展 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 21 四、量子测量技术与应用进展 (一)量子测量概念原理与技术体系 (二)量子测量五大方向研究与发展现状 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 五、演进趋势、发展态势与策略建议 )量子信息技术整体演进趋势 31 (二)量子信息领域国际发展态势 (三)促进我国量子信息技术发展的策略建议

目 录 一、量子信息技术发展背景 .......................................................................................1 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临................................................................1 （二）量子信息技术在全球范围广受重视................................................................2 （三）量子信息技术概念原理与三大领域................................................................3 二、量子计算技术与应用进展 ...................................................................................4 （一）量子计算技术研究与发展现状........................................................................4 （二）量子计算应用和产业生态发展........................................................................6 （三）我国发展应用面临的问题与挑战..................................................................10 三、量子通信技术与应用进展 ................................................................................. 11 （一）量子通信技术研究与发展现状...................................................................... 11 （二）量子保密通信应用和产业进展......................................................................17 （三）我国发展应用面临的问题与挑战..................................................................21 四、量子测量技术与应用进展 .................................................................................22 （一）量子测量概念原理与技术体系......................................................................22 （二）量子测量五大方向研究与发展现状..............................................................25 （三）我国发展应用面临的问题与挑战..................................................................30 五、演进趋势、发展态势与策略建议 .....................................................................31 （一）量子信息技术整体演进趋势..........................................................................31 （二）量子信息领域国际发展态势..........................................................................32 （三）促进我国量子信息技术发展的策略建议......................................................34

国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018年) 量子信息技术发展背景 (一)量子科技革命第二次浪潮即将来临 量子是构成物质的基本单元,是不可分割的微观粒子(譬如光子 和电子等)的统称。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、 性质及其相互作用,量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大 理论基础,为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶,随着量子力学的蓬勃发展,人类开始认识和掌握微 观物质世界的物理规律并加以应用,以现代光学、电子学和凝聚态物 理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导 体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破,为现代信息社会的形 成和发展奠定了基础。受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足 这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律,例如能级跃 迁、受激辐射和链式反应,但对于物理介质的观测和操控仍然停留在 宏观层面,例如电流、电压和光强。 进入 世纪,随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统 操控等微观调控技术的突破和发展,以精确观测和调控微观粒子系统, 利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科 技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展,将极大的改变 和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力,为未来信息社会的 演进和发展提供强劲动力。量子科技与通信、计算和传感测量等信息 学科相融合,形成全新的量子信息技术领域

中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告（2018 年） 1 一、量子信息技术发展背景 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子（譬如光子 和电子等）的统称。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、 性质及其相互作用，量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大 理论基础，为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶，随着量子力学的蓬勃发展，人类开始认识和掌握微 观物质世界的物理规律并加以应用，以现代光学、电子学和凝聚态物 理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导 体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破，为现代信息社会的形 成和发展奠定了基础。受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足， 这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律，例如能级跃 迁、受激辐射和链式反应，但对于物理介质的观测和操控仍然停留在 宏观层面，例如电流、电压和光强。 进入二十一世纪，随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统 操控等微观调控技术的突破和发展，以精确观测和调控微观粒子系统， 利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科 技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展，将极大的改变 和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力，为未来信息社会的 演进和发展提供强劲动力。量子科技与通信、计算和传感测量等信息 学科相融合，形成全新的量子信息技术领域