量子信息技術(shù)發(fā)展掃描

陳健 李逸豪

近幾年來(lái)，經(jīng)過(guò)持續(xù)科研攻關(guān)與多方推進(jìn)，以量子計(jì)算、量子通信、量子雷達(dá)、量子測(cè)量等為代表的量子信息技術(shù)快速發(fā)展，取得一系列進(jìn)展與成果，同時(shí)也面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。世界主要國(guó)家對(duì)此十分重視，不斷投入資金與力量向前推動(dòng)，期待在相關(guān)領(lǐng)域能夠取得較大突破。

量子計(jì)算技術(shù)

當(dāng)前，世界科技巨頭不僅各自專注于量子計(jì)算技術(shù)某一方面攻關(guān)，還在全球范圍內(nèi)聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢(shì)資源展開(kāi)廣泛合作，例如谷歌與創(chuàng)業(yè)公司Rigetti Computing合作推出開(kāi)源量子計(jì)算軟件平臺(tái)，同時(shí)還與哈佛大學(xué)、勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、塔夫茨大學(xué)、倫敦大學(xué)等眾多研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作，期望在量子化學(xué)計(jì)算領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)突破。2019年9月20日，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，2分30秒完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)1000年的計(jì)算量，成為量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)標(biāo)志性里程碑。

一是量子計(jì)算性能提高難度很大。要研制一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，需要的量子位至少在1000～5000區(qū)間內(nèi)，但目前實(shí)現(xiàn)最多的量子位，距離量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化還有很長(zhǎng)一段路要走，主要是量子態(tài)非克隆原理使得信號(hào)不能放大，這就如同只有二極管、沒(méi)有三極管不能造出經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，因此必須在一開(kāi)始時(shí)就制備出很多個(gè)量子態(tài)完全相同的粒子，并保持較長(zhǎng)一段時(shí)間，以便在運(yùn)算的過(guò)程中始終保持糾纏，而后同時(shí)坍縮到相應(yīng)的量子態(tài)。然而，多粒子糾纏態(tài)的制備和維持是一件很困難的事，因?yàn)榱孔雍苋菀资艿街車h(huán)境的影響，基本上每多制備一位糾纏量子態(tài)，技術(shù)上的難度就要加倍。

二是量子計(jì)算難以適用普遍算法。例如，2013年加拿大D-Wave公司對(duì)外宣布D-WaveⅡ研制成功，量子位可達(dá)512，隨后被谷歌、NASA等幾家單位聯(lián)合購(gòu)買，但經(jīng)兩家公司測(cè)試，均宣稱D-WaveⅡ不具備量子加速性能，到底怎么回事？首先要弄清楚一個(gè)事實(shí)，即并行算法并不是只有在量子計(jì)算機(jī)上才能進(jìn)行，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上同樣能進(jìn)行，只不過(guò)速度要慢很多，發(fā)揮不出并行計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)。D-Wave公司的做法是采用硬件低溫超導(dǎo)方法實(shí)現(xiàn)量子退火算法，即把原先用軟件實(shí)現(xiàn)的并行算法改用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在D-WaveⅡ上運(yùn)行量子退火算法，速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多，但對(duì)于其它量子并行算法，如Shor算法、Grover算法等，卻顯得無(wú)能為力。

一是制定以量子計(jì)算技術(shù)為核心的量子信息科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略，以長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光、超前布局推進(jìn)量子計(jì)算技術(shù)加速發(fā)展，如提前展開(kāi)抗量子密碼研究、適應(yīng)算法設(shè)計(jì)等。

二是合理統(tǒng)籌資源，鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)。積極有序引入私營(yíng)企業(yè)和資本進(jìn)入量子計(jì)算研究領(lǐng)域，利用各方力量共同攻克量子計(jì)算技術(shù)難關(guān)，推進(jìn)量子計(jì)算技術(shù)加速發(fā)展。

三是注重基礎(chǔ)與人才培養(yǎng)，加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等理工基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)，采取多種途徑方式培育量子計(jì)算技術(shù)方面人才，努力形成科學(xué)合理的人才隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，為集智聚力攻克量子計(jì)算技術(shù)難關(guān)提供保證。

量子通信技術(shù)

在空間量子通信方面，NASA發(fā)布了空間量子實(shí)驗(yàn)白皮書(shū)，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室及加拿大國(guó)家航天局都在規(guī)劃研制新一代量子通信衛(wèi)星。2019年，新加坡國(guó)立大學(xué)宣布，該校研究人員與新加坡電信進(jìn)行合作，研發(fā)出一種量子密鑰分發(fā)（QKD）新技術(shù)。QKD與傳統(tǒng)加密不同，傳統(tǒng)加密依靠數(shù)學(xué)來(lái)保護(hù)密鑰傳輸，QKD則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸光子使通信雙方能夠達(dá)成協(xié)議，并生成加密密鑰來(lái)建立安全的通信通道。隨后新加坡電信網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)實(shí)驗(yàn)室表示，此項(xiàng)技術(shù)極大提高了網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)能力，使新加坡成為全球QKD研究中心，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)開(kāi)發(fā)和微調(diào)這項(xiàng)技術(shù)，并通過(guò)產(chǎn)品工程中心將其商業(yè)化。

在量子通信干線工程方面，英國(guó)正在建設(shè)英國(guó)國(guó)家量子通信測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)建成連接Bristol、Cambridge、Southampton和UCL的干線網(wǎng)絡(luò)，并于2018年6月擴(kuò)展到英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）和英國(guó)電信公司（BT）Adastral Park研發(fā)中心。日本政府提出了以新一代量子通信技術(shù)為對(duì)象的長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略，并計(jì)劃在2020年—2030年建成絕對(duì)安全保密的高速量子通信網(wǎng)。

一是QKD技術(shù)尚無(wú)法解決通信安全問(wèn)題。QKD協(xié)議僅是密鑰分發(fā)協(xié)商的一種新機(jī)制，供通信雙方在數(shù)據(jù)加密解密時(shí)使用，而現(xiàn)代通信要求提供身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性證明、網(wǎng)絡(luò)信道建立、訪問(wèn)控制和自動(dòng)軟件更新等多樣化安全服務(wù)，通信安全更依賴于身份驗(yàn)證和完整性證明，而不僅是加密解密，但目前QKD技術(shù)還不能取代傳統(tǒng)公鑰密碼的靈活有效的認(rèn)證機(jī)制。

二是QKD系統(tǒng)在應(yīng)用方面受到許多限制。相對(duì)較短的有效傳輸范圍，以及BB84和其它類似協(xié)議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)限制，是QKD技術(shù)的兩個(gè)重要弱點(diǎn)，意味著QKD很難與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)集成和融合。

三是當(dāng)前QKD系統(tǒng)工程不具有經(jīng)濟(jì)效益。QKD本質(zhì)上是一種純粹的硬件方案，而硬件的獲得和維護(hù)相對(duì)昂貴，且硬件在升級(jí)或發(fā)現(xiàn)漏洞時(shí)無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程修補(bǔ)以降低維護(hù)成本，因此當(dāng)前QKD不具有經(jīng)濟(jì)效益。

一是采用量子中繼技術(shù)，擴(kuò)大通信距離。量子態(tài)的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，使量子中繼不能像普通的信號(hào)中繼一樣，把弱信號(hào)接收放大后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。量子中繼只能是在光子到達(dá)最遠(yuǎn)傳輸距離之前接收其信號(hào)，先存儲(chǔ)起來(lái)，再讀出這個(gè)信號(hào)，最后以單光子形式發(fā)送出去，因此下步要加強(qiáng)量子中繼技術(shù)研發(fā)。目前有很多方案，包括光量子方案、固態(tài)原子方案等。

二是采用星地通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無(wú)損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測(cè)算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒(méi)有問(wèn)題。

三是建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多地相互通信。量子通信要想實(shí)用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡(luò)。目前，國(guó)內(nèi)外建成了多個(gè)實(shí)用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，下一步發(fā)展是擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網(wǎng)。

此外，在量子加密技術(shù)方面，下步重點(diǎn)發(fā)展以下內(nèi)容。

一是發(fā)展高性能光量子核心器件。這是保障量子系統(tǒng)安全性的前提，例如量子光源（單光子源、誘騙態(tài)光源、糾纏光源等）、量子探測(cè)器（單光子探測(cè)器、平衡零差探測(cè)器等）、量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

二是研制遠(yuǎn)距離、高碼率、高穩(wěn)定、高安全的QKD系統(tǒng)。不斷提升QKD系統(tǒng)的成熟度、穩(wěn)定性、集成化等實(shí)用性能指標(biāo)，同時(shí)加強(qiáng)與傳統(tǒng)光通信基礎(chǔ)設(shè)施兼容的技術(shù)研究，最終目標(biāo)是使QKD系統(tǒng)具備低成本量產(chǎn)能力，同時(shí)廣泛適用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

三是進(jìn)一步完善豐富QKD網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。包括底層物理技術(shù)、密鑰及網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等，可大幅提升城域、廣域QKD網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、可擴(kuò)展性，以及與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施兼容性等，是實(shí)現(xiàn)全球化覆蓋、極限安全性的必要條件。

四是加速Q(mào)KD技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。主要是構(gòu)建QKD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并與傳統(tǒng)通信行業(yè)技術(shù)、信息化技術(shù)、信息服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行對(duì)接，完成QKD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)中的推廣應(yīng)用，指導(dǎo)適應(yīng)行業(yè)特點(diǎn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、服務(wù)體系建設(shè)，支撐行業(yè)應(yīng)用推廣以及相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究。

五是研究抗量子攻擊密碼算法（PQC），及其與QKD技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，兩者是量子計(jì)算時(shí)代信息安全的基石，需要充分融合與應(yīng)用。

量子雷達(dá)技術(shù)

2018年9月，英國(guó)約克大學(xué)研究人員宣布開(kāi)發(fā)出量子雷達(dá)樣機(jī)。11月，俄羅斯無(wú)線電技術(shù)與信息系統(tǒng)聯(lián)合企業(yè)對(duì)采用量子無(wú)線電技術(shù)的試驗(yàn)雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試，成功完成探測(cè)與跟蹤空中目標(biāo)的任務(wù)，據(jù)俄媒體釋放的信息來(lái)看，此次試驗(yàn)的可能是一種完整意義上的量子雷達(dá)，標(biāo)志著俄羅斯邁入了量子雷達(dá)研發(fā)的先進(jìn)行列。

一是量子雷達(dá)易受氣象環(huán)境影響。量子雷達(dá)歸根到底還是作為“光”雷達(dá)本身，當(dāng)前許多光學(xué)設(shè)備在面對(duì)雨、霧、霾等氣象環(huán)境時(shí)，探測(cè)能力會(huì)大幅下降，量子雷達(dá)面臨著同樣問(wèn)題。

二是量子雷達(dá)距實(shí)用化還有差距。量子雷達(dá)想要實(shí)現(xiàn)工程化商業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走，對(duì)于F-35、F-22等現(xiàn)實(shí)威脅，仍然需要依靠傳統(tǒng)雷達(dá)中的新體制雷達(dá)，并融合數(shù)據(jù)、縮小體積、提高精度和可靠性，這是比量子雷達(dá)更為現(xiàn)實(shí)的反隱身手段。

三是核心技術(shù)不掌握。目前遇到的主要技術(shù)難題是量子信息的調(diào)制與解調(diào)，微波粒子量子態(tài)的糾纏特性、相干性，以及攜帶量子態(tài)信息載體的能量微弱性，都進(jìn)一步增加了量子信息傳輸和處理難度。量子芯片目前的質(zhì)量水平還遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這也制約了量子雷達(dá)的發(fā)展。即便量子芯片技術(shù)得到突破，后續(xù)還會(huì)面臨其它問(wèn)題，比如操作系統(tǒng)和軟件的編寫等。因此，實(shí)現(xiàn)量子信息高效、穩(wěn)定的空間無(wú)線傳輸，著力提升量子雷達(dá)的實(shí)際工程化水平，是需深入研究與實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

一是努力攻克核心技術(shù)難題，持續(xù)推進(jìn)相關(guān)核心技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如量子信息的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，為提升量子雷達(dá)性能打牢基礎(chǔ)、創(chuàng)造條件。

二是持續(xù)推進(jìn)量子雷達(dá)實(shí)用化進(jìn)程，主要是通過(guò)提升量子雷達(dá)精度，縮小體積，優(yōu)化量子雷達(dá)產(chǎn)品，使量子雷達(dá)具有更為廣泛的適用范圍。

量子測(cè)量技術(shù)

美國(guó)政府一直致力于量子測(cè)量領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研深化融合。近年來(lái)，麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等高等院校研究機(jī)構(gòu)在量子測(cè)量領(lǐng)域取得了大量原創(chuàng)性和突破性研究成果。此外，Northrop Grumman、Twinleaf、Honeywell、Microchip等眾多公司企業(yè)也在量子慣性導(dǎo)航、量子時(shí)間基準(zhǔn)等領(lǐng)域進(jìn)行研究，已實(shí)現(xiàn)小型化、集成化和商品化。

一是系統(tǒng)工程化和實(shí)用化有待探索。量子測(cè)量技術(shù)中，對(duì)于微觀粒子進(jìn)行精確的人工調(diào)控和狀態(tài)檢測(cè)，通常都會(huì)對(duì)調(diào)控和檢測(cè)設(shè)備及其工作環(huán)境（溫度、磁場(chǎng)、真空度等）提出較為苛刻的要求，使得量子測(cè)量設(shè)備在體積、功耗、集成度等方面遇到諸多問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)工程化和實(shí)用化。

二是產(chǎn)業(yè)化合作和推動(dòng)力有限。量子測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用涉及面廣，領(lǐng)域和技術(shù)背景差異大，因此對(duì)量子測(cè)量技術(shù)項(xiàng)目的投入很難做到兼顧多個(gè)領(lǐng)域的體系化和持續(xù)性。同時(shí)，鑒于不同技術(shù)領(lǐng)域中的量子測(cè)量技術(shù)發(fā)展程度和應(yīng)用前景各不相同，使得研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)企業(yè)之間缺乏溝通合作的平臺(tái)與機(jī)制，合作交流十分有限。

三是技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用機(jī)制尚不成熟，如科研項(xiàng)目通常采取發(fā)表論文考評(píng)和原理樣機(jī)驗(yàn)證等方式進(jìn)行考核驗(yàn)收，科研項(xiàng)目的資金支持和投入與最終的實(shí)際工程化應(yīng)用之間沒(méi)有形成閉環(huán)回路，缺乏有效制度機(jī)制提供支撐與保障。

一是進(jìn)一步對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。集中力量攻克量子測(cè)量方面急需解決的技術(shù)難題，如量子芯片、原子冷卻技術(shù)等，不斷提升量子測(cè)量技術(shù)與設(shè)備的性能與質(zhì)量。

二是進(jìn)一步推進(jìn)量子測(cè)量實(shí)用化進(jìn)程。主要是通過(guò)發(fā)展量子測(cè)量技術(shù)，不斷優(yōu)化量子測(cè)量產(chǎn)品，使量子測(cè)量設(shè)備具有更為廣泛的適用范圍。

三是進(jìn)一步加強(qiáng)各方力量合作攻關(guān)。主要是加強(qiáng)政府、科研機(jī)構(gòu)、行業(yè)企業(yè)聯(lián)合助力攻關(guān)，共同促進(jìn)量子測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。例如，國(guó)家層面明確戰(zhàn)略部署和演進(jìn)路線，為成果轉(zhuǎn)化建立體制機(jī)制保障，重視人才培養(yǎng)和引進(jìn)，促進(jìn)科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)企業(yè)之間以及不同領(lǐng)域之間的交流合作，為量子測(cè)量技術(shù)研究探索新型合作發(fā)展道路。

責(zé)任編輯：劉靖鑫