全球量子信息科技三大領(lǐng)域創(chuàng)新演進(jìn)趨勢(shì)分析

■文/曹方 張鵬（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院）

量子產(chǎn)業(yè)是根據(jù)量子力學(xué)等理論，研究量子態(tài)的產(chǎn)生、傳播、接收、處理的最佳方式進(jìn)而應(yīng)用于計(jì)算、通信、測(cè)量等領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)。在量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量三大量子產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，由于行業(yè)差異各自呈現(xiàn)出特色鮮明的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新演進(jìn)方式。本文對(duì)量子產(chǎn)業(yè)三大應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新演進(jìn)方向和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入分析和研判，對(duì)未來(lái)我國(guó)量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和關(guān)注重點(diǎn)進(jìn)行了清晰呈現(xiàn)和說(shuō)明，以此希望助力我國(guó)量子產(chǎn)業(yè)朝著正確方向健康持續(xù)良性發(fā)展。

量子信息科技根據(jù)其應(yīng)用范圍主要分為量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量三大領(lǐng)域。從全球范圍來(lái)看，量子通信技術(shù)發(fā)展最為成熟，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最快；量子精密測(cè)量發(fā)展程度中等，技術(shù)成果不斷呈現(xiàn)；量子計(jì)算發(fā)展進(jìn)程相對(duì)緩慢，有待各國(guó)加快研究進(jìn)度。

一、增加量子比特?cái)?shù)量和探索其物理實(shí)現(xiàn)是量子計(jì)算創(chuàng)新趨勢(shì)

（一）全球量子比特?cái)?shù)量進(jìn)入百位時(shí)代，2030年有望突破百萬(wàn)量級(jí)

量子計(jì)算是遵循量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)和處理的新型計(jì)算方式，計(jì)算能力相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有質(zhì)的飛躍。量子計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的能力主要取決于量子比特的數(shù)量。2022年1月，全球前沿科技咨詢機(jī)構(gòu)ICV發(fā)布了《2022全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，內(nèi)容顯示，從全球主流量子計(jì)算公司的技術(shù)路線來(lái)看（如表1所示），目前全球量子比特?cái)?shù)量已經(jīng)達(dá)到百位級(jí)別，預(yù)計(jì)2023年全球量子比特?cái)?shù)量有望實(shí)現(xiàn)千位級(jí)別、2030年左右實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)量子比特級(jí)別。目前，美國(guó)的IBM、谷歌等公司走在全球量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)前列，我國(guó)本源量子等本土企業(yè)呈追趕態(tài)勢(shì)。相關(guān)研究結(jié)果指出，2022年5月，美國(guó)哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院、QuEra Computing等機(jī)構(gòu)合作實(shí)現(xiàn)了289量子比特的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)突破，再次刷新世界紀(jì)錄。

表1 全球主流量子計(jì)算公司技術(shù)路線

除量子比特?cái)?shù)量外，量子比特質(zhì)量也是決定量子計(jì)算機(jī)性能的重要因素。衡量量子比特質(zhì)量的指標(biāo)主要包括量子相干時(shí)間、量子比特連接程度、量子門保真度等。量子相干時(shí)間決定了量子態(tài)可以保持多久，2021年清華大學(xué)金奇奐團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單量子比特相干時(shí)間5500秒的突破，刷新了世界紀(jì)錄。量子比特連接程度方面：離子阱系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全連接，但是連接的量子比特?cái)?shù)量較少；超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)中單個(gè)量子比特只能與4個(gè)量子比特相連；日本理化學(xué)研究所（RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN）實(shí)現(xiàn)了3個(gè)量子比特的糾纏。未來(lái)實(shí)現(xiàn)更多量子比特的連接將是量子比特性能提升的重要方向，提高量子比特的連接性將使量子計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力呈指數(shù)級(jí)提升。量子門保真度方面，澳大利亞的硅量子計(jì)算公司（Silicon Quantum Computing，SQC）通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了99.99%的最高紀(jì)錄，但僅開發(fā)了兩個(gè)量子比特。因此，未來(lái)各國(guó)在提高量子比特質(zhì)量方面亟待加強(qiáng)研究。

（二）量子計(jì)算多個(gè)技術(shù)路線齊頭并進(jìn)，超導(dǎo)體系發(fā)展最快

探索量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)方式是量子計(jì)算的另一重要技術(shù)方向。量子計(jì)算眾多技術(shù)路線齊放異彩，其中超導(dǎo)體系發(fā)展最為成熟，離子阱、硅自旋、光量子、中性原子、金剛石NV色心等技術(shù)路線同樣發(fā)展較快，各技術(shù)路線的具體發(fā)展?fàn)顩r詳見表2。

表2 量子計(jì)算各技術(shù)路線成熟度評(píng)價(jià)體系

超導(dǎo)是目前量子計(jì)算領(lǐng)域最受關(guān)注的技術(shù)方向，技術(shù)發(fā)展相對(duì)迅速和成熟，已在退相干時(shí)間、量子態(tài)讀取和操控、量子比特耦合、中大規(guī)模擴(kuò)展等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得眾多突破，成為建造通用量子計(jì)算機(jī)的熱門候選路線之一，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。離子阱具有量子比特質(zhì)量較高、相干時(shí)間較長(zhǎng)、量子比特制備和讀出效率較高等優(yōu)點(diǎn)，在量子比特連接性和相干時(shí)間方面優(yōu)于其他技術(shù)路線，但是存在亟須解決的可擴(kuò)展性差的問(wèn)題。光量子具有眾多優(yōu)異性能，比如可以在真空或冷卻狀態(tài)下維持量子態(tài)，光量子計(jì)算機(jī)可與量子通信完全兼容，具有大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但也存在難以實(shí)現(xiàn)光量子糾纏、所需光學(xué)組件較多導(dǎo)致效率低下等突出問(wèn)題。中性原子可實(shí)現(xiàn)高保真量子態(tài)，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有較好的商業(yè)化前景，目前美國(guó)在該技術(shù)方向領(lǐng)先全球?？傮w來(lái)看，量子計(jì)算的不同技術(shù)路線各有優(yōu)劣勢(shì)，沒(méi)有一種技術(shù)路線能夠在所有性能指標(biāo)上同時(shí)領(lǐng)先。

二、量子通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)程正加速走向?qū)嵱没l(fā)展趨勢(shì)

（一）量子密鑰分發(fā)技術(shù)領(lǐng)先其他量子通信技術(shù)方向

從全球來(lái)看，量子通信處于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用早期階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程快于量子計(jì)算。量子通信根據(jù)技術(shù)方向主要分為量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）和量子隱形傳態(tài)（QT）三大技術(shù)路線。其中量子密鑰分發(fā)技術(shù)發(fā)展最為成熟，正加速走向?qū)嵱没Ａ孔与S機(jī)數(shù)發(fā)生器處于基礎(chǔ)研究階段，尚不具備實(shí)驗(yàn)條件。量子隱形傳態(tài)雖然取得較大進(jìn)展，但是距離實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn)。

量子密鑰分發(fā)在量子通信三大技術(shù)方向中發(fā)展最快，且我國(guó)走在世界前列。2022年1月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)韓正甫教授及其團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了833公里無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離，使世界紀(jì)錄提升了200多公里。未來(lái)不斷延長(zhǎng)量子密鑰分發(fā)傳輸距離仍然是實(shí)現(xiàn)量子通信技術(shù)突破的重要方向和關(guān)鍵所在。

（二）量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)真正意義量子通信的技術(shù)手段

量子隱形傳態(tài)不依賴經(jīng)典信道傳輸信號(hào)，是真正意義上的量子通信方式，目前該技術(shù)尚在突破中，但是仍然存在量子糾纏和量子中繼等技術(shù)難題。量子隱形傳態(tài)中的光量子存儲(chǔ)可以構(gòu)建量子中繼，能夠解決大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的信道損耗問(wèn)題。

與此同時(shí)，量子U盤、量子存儲(chǔ)器等技術(shù)突破不斷加速。2021年1月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒、周宗權(quán)課題研究組研制成功“按需式讀取”的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器，對(duì)實(shí)現(xiàn)大容量量子存儲(chǔ)具有重要意義；2021年4月，李傳鋒、周宗權(quán)課題研究組將光存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)，刷新了世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤的實(shí)用化邁出重要一步。

三、全球精密測(cè)量科技將逐步進(jìn)入量子時(shí)代

（一）借助量子傳感器，全球精密測(cè)量產(chǎn)業(yè)進(jìn)入量子時(shí)代

量子精密測(cè)量是基于量子力學(xué)原理的新型精密測(cè)量方式，能夠解決經(jīng)典測(cè)量方式測(cè)不準(zhǔn)、無(wú)法測(cè)的缺點(diǎn)。隨著量子光學(xué)、原子物理學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展以及7個(gè)國(guó)際基本物理量（米，千克，秒，安培，開爾文，物質(zhì)的量，坎德拉）實(shí)現(xiàn)自然常數(shù)定義（即實(shí)現(xiàn)“量子化”），全球精密測(cè)量行業(yè)逐步邁入量子時(shí)代。量子精密測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品是量子傳感器，量子傳感器通過(guò)識(shí)別物理信息產(chǎn)生電信號(hào)、磁異常、慣性導(dǎo)航等多種精確信息。借助量子傳感器，量子精密測(cè)量已在國(guó)防、軍工、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的時(shí)間測(cè)量、重力測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量、探測(cè)成像、量子導(dǎo)航等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景逐漸實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)化進(jìn)程明顯快于量子計(jì)算。

（二）OPM磁力計(jì)、冷原子干涉、金剛石氮空位色心是重點(diǎn)方向

OPM磁力計(jì)具有較高的靈敏度，且相比傳統(tǒng)的SQUID磁力計(jì)具有更低的制造成本和運(yùn)行成本，因此在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注，尤其是在腦磁測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用潛力，被認(rèn)為是下一代腦磁圖儀器的重要發(fā)展方向。同時(shí)，在量子傳感器的五大物理實(shí)現(xiàn)方式（冷原子干涉、離子阱、金剛石氮空位色心、超導(dǎo)電路、原子蒸氣）中，冷原子干涉和金剛石氮空位色心是目前關(guān)注程度最高、發(fā)展最快的技術(shù)路線，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原子干涉重力儀、量子鉆石原子力顯微鏡等產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用。

四、我國(guó)量子信息科技未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注方向

結(jié)合世界各國(guó)布局量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的行動(dòng)措施以及我國(guó)量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，遵循全球量子信息科技三大領(lǐng)域創(chuàng)新演進(jìn)趨勢(shì)，建議未來(lái)我國(guó)量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注方向如下：

（一）量子計(jì)算領(lǐng)域

將不斷提高量子計(jì)算機(jī)量子比特?cái)?shù)量作為發(fā)展首要目標(biāo)，爭(zhēng)取早日研制成功能夠?qū)嵱玫牧孔佑?jì)算機(jī)，搶占量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展先行優(yōu)勢(shì)。在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)，兼顧量子比特質(zhì)量提升，持續(xù)提高量子相干時(shí)間、增強(qiáng)量子比特連接程度、提高量子門保真度等。加大在量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈中的軟件開發(fā)和設(shè)備供應(yīng)環(huán)節(jié)技術(shù)突破。重點(diǎn)關(guān)注超導(dǎo)、離子阱、光量子和中性原子等具有潛力和發(fā)展前景的技術(shù)方向，提前布局和前瞻謀劃。

（二）量子通信領(lǐng)域

重點(diǎn)關(guān)注量子密鑰分發(fā)技術(shù)發(fā)展，不斷延長(zhǎng)光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x，繼續(xù)保持和擴(kuò)大我國(guó)在該領(lǐng)域的既有優(yōu)勢(shì)。中長(zhǎng)期重點(diǎn)布局量子隱形傳態(tài)技術(shù)，有效解決量子糾纏和量子中繼等技術(shù)難題，爭(zhēng)奪未來(lái)量子通信主流路線發(fā)展優(yōu)勢(shì)。加強(qiáng)量子通信產(chǎn)業(yè)鏈中芯片元器件等薄弱環(huán)節(jié)研發(fā)投入和技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建國(guó)內(nèi)量子通信產(chǎn)業(yè)完善安全的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈。加強(qiáng)量子企業(yè)團(tuán)結(jié)協(xié)作，鼓勵(lì)量子企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，通過(guò)聯(lián)合研究、技術(shù)合作、項(xiàng)目合作等方式加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（三）量子精密測(cè)量領(lǐng)域

重點(diǎn)關(guān)注冷原子干涉和金剛石氮空位色心等量子傳感器物理實(shí)現(xiàn)方式的技術(shù)發(fā)展，不斷縮小與美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距。在時(shí)間測(cè)量領(lǐng)域，重點(diǎn)布局精度更高的光鐘路線，搶占下一代時(shí)鐘發(fā)展方向。在量子導(dǎo)航領(lǐng)域，重點(diǎn)發(fā)展原子干涉技術(shù)的新型慣性器件，有效滿足未來(lái)高精度、全地域、自主可靠的導(dǎo)航要求。在磁場(chǎng)測(cè)量方面，主要布局堿金屬原子蒸氣磁力計(jì)和固態(tài)體系的金剛石NV色心磁力計(jì)。