整理撰稿人：中科院國家科學圖書館成都分館信息科技團隊唐川（E-mail:tangc@clas.ac.cn）、張娟、房俊民

審稿專家：中科大陸朝陽教授

量子信息技術將成為下一代信息技術的先導和基礎

整理撰稿人：中科院國家科學圖書館成都分館信息科技團隊唐川（E-mail:tangc@clas.ac.cn）、張娟、房俊民

審稿專家：中科大陸朝陽教授

量子信息科學是利用量子體系的獨特性質(zhì)對計算、編碼、信息處理和傳輸過程給予新的詮釋、開發(fā)新的、更為高效的信息處理功能的一門學科，它是量子力學與信息科學相結合的產(chǎn)物，主要包括量子計算和量子通信兩個領域，其核心目標是實現(xiàn)真正意義上的量子計算機和實現(xiàn)絕對安全的可實用化的遠距離量子通信[1]。此外量子密碼、量子模擬與量子度量等分支也是當前和未來的研究熱點。

1 全球化量子通信有望實現(xiàn)

經(jīng)過20多年的發(fā)展，量子通信已從理論走向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没l(fā)展。近年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，通信距離已超過200km。一些小規(guī)模的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)建成，驗證了量子通信技術網(wǎng)絡化的可行性，并在國家安全、金融等信息安全領域開始發(fā)揮作用。

在量子通信領域，我國在多個方面已經(jīng)達到了世界先進水平，其中在城域量子通信關鍵技術方面達到了產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預備方面與歐美處于同等水平狀態(tài)。中科大潘建偉團隊在實用化量子網(wǎng)絡通信、量子存儲和量子中繼器技術研究方面處于國際前列。例如2012年潘建偉小組在量子中繼器的實用化研究上取得了突破，實現(xiàn)了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果[2]。同時，中科院正在大力推動戰(zhàn)略先導專項“量子科學實驗衛(wèi)星”，并于2012年首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定了技術基礎[3]。中科院計劃在2016年左右發(fā)射量子科學實驗衛(wèi)星，在此基礎上將實現(xiàn)高速的星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡[4]。

下一步的國際競爭將更加激烈，各國將致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡發(fā)展，重點包括量子中繼和衛(wèi)星量子通信等。據(jù)科學家們預計，未來10年頗有望實現(xiàn)全球化量子通信，并在往后二三十年間對人類社會發(fā)展產(chǎn)生重大的影響，其在軍事、國防、金融、工程和社會公共設施等信息安全領域都有著尤為重大的應用價值與開發(fā)前景。

2 量子計算有望獲重要突破

目前，標準量子計算模式[5]、基于測量的量子計算模式[6]、拓撲量子計算模式[7]和絕熱量子計算模式在少數(shù)幾個量子邏輯比特的前提下得到了實驗驗證[8]，實現(xiàn)了簡單的邏輯門操作[9]、糾錯[10]，以及一些簡單的量子算法演示[11]。

在硬件實現(xiàn)方面，國際學術界依然不能完全確定哪個物理體系能夠最終勝出。固態(tài)物理系統(tǒng)、冷原子、量子光學體系等都各有優(yōu)勢，最終最有希望滿足所有量子計算的要求的或許是一種混合型的、集成各體系的優(yōu)勢量子計算機。2012年，潘建偉小組實現(xiàn)了8光子比特拓撲量子糾[12]。2013年，潘建偉小組利用光量子計算機實現(xiàn)了求解線性方程組算法。奧地利因斯布魯克大學領導的聯(lián)合研究小組在2010年利用離子阱系統(tǒng)實現(xiàn)了14個量子比特的糾纏態(tài)的制備[13]。美國南加州大學證明加拿大D-Wave公司研制的D-Wave Two型量子模擬機成功演示了量子退火法[14]。

未來5—10年量子計算機的研制可望取得重要突破。各國競爭的焦點包括量子芯片（半導體量子芯片、超導量子芯片、離子/原子芯片、光子集成芯片等）、量子編程、量子測量以及量子芯片微納結構材料等相關研究[15]。

3 量子密碼將獲實際應用

近年來，美國、歐盟、日本等投入了巨大資源研發(fā)量子密碼技術[16]，并取得一系列成果，中國在該方面的進展也處于世界前列。量子通信的第一個演示性試驗是由Bennett、Brassard及其研究團隊在1989年完成的[17]，通過自由空間傳輸距離只有30cm。2004年，日本NEC公司宣布創(chuàng)下了光纖量子密碼傳輸距離的新記錄150km[18]。同年，中科大郭光燦研究組在北京與天津之間成功實現(xiàn)了125km光纖的點對點的量子密鑰分配線路[19]。由于這些實驗所使用的光源是衰減的激光，不是完美的單光子源，因此不能克服光子數(shù)分離攻擊，安全的通信距離無法超過10km量級。

現(xiàn)階段只有通過誘騙態(tài)量子通信技術才能克服光源不完美帶來的漏洞，達到安全距離超過百公里的量子密鑰分發(fā)，因此成為國際競爭最熱門的領域之一。2007年，誘騙態(tài)量子通信技術同時被美國國家標準局[20]、歐洲維也納大學[21]和中國潘建偉小組[22]這三個研究組實現(xiàn)，為城域安全量子通信奠定了基礎。2012年，潘建偉研究組建設完成了國際上首個包含46個節(jié)點、規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡——合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)，在合肥市區(qū)多個政府部門、金融機構、軍工企業(yè)和科研院校得以應用?；谝殉墒斓囊?guī)?；怯蛄孔油ㄐ沤M網(wǎng)技術，潘建偉研究組進一步將技術應用于國慶60周年閱兵式的通信安全保障工作、與新華社合作的“金融信息量子通信驗證網(wǎng)”和為“十八大”提供信息安全保障的“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”。

2013年，潘建偉研究組牽頭的千公里級大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”正式立項，將建設連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡,建成國際上首個大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺。

4 量子模擬有望取得重大突破

量子模擬就是指在一個人工構建的量子多體系統(tǒng)的實驗平臺上去模擬在當前實驗條件下難以操控和研究的物理系統(tǒng)，獲得對一些未知現(xiàn)象的定性或定量的信息[23]。2009年，中科大潘建偉研究小組通過操縱多光子糾纏態(tài)，在國際上首次實驗證實了一種存在于兩維空間的奇特粒子（任意子）的分數(shù)統(tǒng)計現(xiàn)象[24]。利用超冷原子BEC，人工構造出了規(guī)范勢，實現(xiàn)了超冷玻色子的“自旋-軌道耦合”[25]。2010年中科大杜江峰研究組，在核磁共振系統(tǒng)中通過量子模擬的方式獲得了氫分子的基態(tài)能量[26]，模擬了化學中異構化反應的動力學[27]。2011年美國哈佛大學研究小組利用單格點成像技術，成功地模擬并探測了一維反鐵磁自旋鏈[28]。量子模擬技術快速發(fā)展，正在接近經(jīng)典計算機可以模擬的極限，未來5—10年有望取得重大突破。當前關鍵問題是研制具有相當規(guī)模的量子比特實驗平臺，以及研制可實用的固態(tài)量子存儲器等關鍵器件。量子模擬是量子計算機最有前景的應用領域，有望比普適的量子計算機更早實現(xiàn)[15，29]。

5 量子度量學正在興起

量子度量學是近幾年興起的一門學科。量子度量學突破了經(jīng)典測量的標準量子極限，正日益引起世人的關注，可望在量子定位、量子雷達、量子時鐘、量子高精密相位測量、量子成像等方面開辟新的潛在應用。例如潘建偉研究組成功制備了10比特糾纏態(tài)，并實驗觀測到了光子相位超分辨，且突破了標準量子極限，這是到目前為止光學系統(tǒng)中利用糾纏比特數(shù)目最多的量子度量學成果，也為下一步更高分辨率和靈敏度的精密測量奠定了重要基礎[30]；中科大郭光燦研究組和以色列的聯(lián)合科研組開發(fā)出了新型量子弱測量技術，首次利用廉價的商用發(fā)光二極管白光源實現(xiàn)量子高精密測量，時間測量的精度達到阿秒量級，相應距離的測量精度達到0.1nm，即可以分辨出一個原子大小的位置移動。同時，探測裝置簡單實用且性能穩(wěn)定，不受環(huán)境消相干的影響，為量子精密測量技術走向?qū)嵱没蛳铝酥匾A[31]。

傳統(tǒng)的信息技術已越來越接近其物理極限，量子信息技術將能突破摩爾定律瓶頸，提供前所未有的強大計算能力、無與倫比的安全性，將成為下一代信息技術的先導和基礎。我國目前在量子通信領域已取得了諸多國際領先的成果，并在量子計算、量子密碼等方面也跟上了世界的步伐，在該新興領域占據(jù)了一席之地，并且尋求在未來的國際競爭中搶占這一戰(zhàn)略制高點。

1郭光燦,周正威,郭國平等.量子計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.中國科學院院刊，2010,25(5):516-524.

2 Bao X H,ReingruberAet al.Efficient and long-lived quantum memory with cold atoms inside a ring cavity. Nature Physics,2012,8:517-521.

3 Yin J,Ren J G,Lu H et al.Quantum teleportation and entanglement distribution over 100-kilometre free-space channels.Nature，2012,488:185-188.

4量子通信:無法破譯的密碼.光明網(wǎng).http://tech.gmw.cn/ 2013-06/18/content_7989200.htm.

5 Cai X D et al.Experimental quantum computing to solve systems of linear equations.Phys.Rev.Lett.,2013,110: 230501.

6 Gao W B et al.Experimental measurement-based quantum computing beyond the cluster-state model. Nature Photonics,2011,5:117.

7 Yao X C et al.Experimental demonstration of topological error correction.Nature,2012,482:489-494.

8周正威，陳巍，孫方穩(wěn)等.量子信息技術縱覽.科學通報, 2012,57（17）：1498-1525.

9 Gao W B et al.Experimental realization of a controlled-NOT gate with four-photon six-qubit cluster states.Phys.Rev.Lett.,2010,104:020501.

10 Lu C Y et al.Experimental quantum coding against qubit loss error.Proc.Natl.Acad.Sci USA.,2008,105: 11050-11054.

11 Lu C Y et al.Demonstration of a compiled version of Shor's quantum factoring algorithm using photonic qubits.Phys.Rev.Lett.,2007,99:250504.

12 Yao X C et al.Experimental demonstration of topological error correction.Nature,2012,482:489-494.

13 Monz T,Schindler P,Barreiro J T et al.14-qubit entanglement:creation and coherence.Phys.Rev.Lett., 2011,106:130506.

14 Boixo S,Albash T et al.Experimental signature ofprogrammable quantum annealing.Nature Communications, 2013,3067:1-8.

15中國科學院.科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇.北京：科學出版社,2020，110.

16 Gisin Netal.Quantum cryptography.Rev.Mod.Phys.,2002,74: 145.

17 Bennett C and Brassard G.The dawn of a new era for quantum cryptography:the experimental prototype is working.SIGACT NEWS,1989,20:78.

18 Kimura Tetal.Single-photon interference over 150-km transmission using silica-based integrated-optic interferometers for quantum cryptography.quant-ph/0403104,2004.

19 Mo X et al.Intrinsic-stabilization uni-directional quantum key distribution between Beijing and Tianjin.quant-ph/0412023, 2004.

20 Rosenberg D et al.Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber.Phys.Rev.Lett.,2007,98:010503.

21 Schmitt-Manderbach T et al.Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Phys.Rev.Lett.,2007,98:010504.

22 Peng C Z et al.Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization encoding.Phys.Rev.Lett., 2007,98:010505.

23周正威，陳巍，孫方穩(wěn)等.量子信息技術縱覽.科學通報,2012,57（17）：1498-1525.

24 Lu C Y et al.Demonstrating anyonic fractional statistics with a six-qubit quantum simulator.Phys.Rev.Lett.,2009,102:030502.

25 Zhang J Y et al.Collective dipole oscillations of a spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate.Phys.Rev.Lett.,2012,109: 115301.

26 Du J,Xu N,Peng X et al.NMR implementation of a molecular hydrogen quantum simulation with adiabatic state preparation. Phys.Rev.Lett.,2010,104:030502.

27 Lu D,Xu N,Xu R et al.Simulation of chemical isomerization reaction dynamics on a NMR quantum simulator.Phys.Rev. Lett.,2011,107:020501.

28 Simon J,Bakr W S,Ma R et al.Quantum simulation of antiferromagnetic spin chains in an optical lattice.Nature,2011, 472:3 07-312.

29 Cirac J,Zoller P.Goals and opportunities in quantum simulation. Nature Physics,2012,8:264-266.

30 Gao W B,Lu C Y et al.Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schr?dinger cat state.Nature Physics, 2010,6:331-334.

31 Xu X Y,Kedem Y,Sun K et al.Phase estimation with weak measurement using a white light source.Phys.Rev.Lett.,2013,111（3）：033604-033607.