2022年量子信息技术发展现状及未来趋势分析 京沪干线等代表性应用加速量子通信行业发展

1. 量子信息技术可分为三类，其中量子通信最接近商用化

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。量子具 有不可全面观测性（测不准）、不可复制性、态叠加性的性质。

量子信息是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，量子信息技术已经 成为世界各国实施高新技术战略竞争的焦点之一。量子信息技术通过对光子、电子和冷原子 等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物 理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。以量子计算、量子通信和量子 测量为代表的量子信息技术在信息安全、通信网络、人工智能、空间探测、生物医疗等诸多 领域将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。

量子技术主要可分为三类，分别为量子计算、量子通信和量子测量。量子技术被视为可能引 发信息技术体系的颠覆性创新和重构，并诞生改变游戏规则的变革性应用，从而推动信息通 信技术换代演进和数字经济产业突破发展。

2. 量子信息技术发展具备战略意义，全球范围内多个国家均有相关投入

由于量子技术本身的重要性，各国普遍在量子方面加强了科研规划和布局投入。据中国信息 通信研究院不完全统计，截至 2021 年 10 月，全球各国投资总规模已经超过 130 亿美元。

随着量子信息技术的发展，量子信息技术的科研成果转化、行业应用创新、供应链建设和人 力资源培养等方向已经成为当前全球主要国家的主要发力方向。在这样的背景下，各国成立 了一系列的量子信息技术领域产业联盟。

3. 量子计算：多种路线并行尚未出现压倒性技术，距离商用化尚远

量子计算主要依赖量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些传统计算机计算困难的问 题上提供指数级加速，即可实现“量子计算优越性”，是未来计算能力跨越式发展的重要方 向。 量子计算主要依赖量子比特。量子比特依赖量子的叠加特性，可以制备在两个逻辑态 0 和 1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储 0 和 1。考虑一个 N 个物理比特的存储器，若它 是经典存储器，则它只能存储2 ?个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同 时存储2 ?个数，而且随着 N 的增加，其存储信息的能力将指数上升。

图：经典比特和量子比特对比

由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中 可以同时对2 ?个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2 ?次操作，或者 采用2 ?个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、 记忆单元等）。

多种路线并存，尚处于研发阶段。量子计算依赖量子比特，根据实现量子比特的制备操控方 案的不同，当前量子计算其存在超导、离子阱、硅基半导体和光量子多种技术路线，目前尚 未出现压倒性的技术，处于多技术并行状态。

另外，当前量子计算机的发展还面临着如退相干等问题，导致当前量子计算仍主要存在于实 验室阶段，距离商业化较远。但是当前也有诸如“九章”等新的具备量子优越性的量子计算 机被制造出来，整体行业仍保持向好趋势。

4. 量子通信：量子保密通信已产业化，京沪干线等代表性应用加速行业发展

量子通信则主要是指量子加密通信，即利用量子的叠加态和纠缠效应，在经典通信的辅助下 进行量子密钥的产生、分发和接收，可以在很大程度上提升信息的安全性。基于量子密钥分 发和对称加密算法的量子保密通信技术已经初步实用化，在商用设备、实验网络和示范应用 等方面取得了一定的进展，但仍面临下游需求不明，业绩持续性不足等问题。 具体到量子通信的业务模式来看，量子通信主要依赖量子随机数发生器（QRNG）、量子密 钥分发设备（QKD）等一系列量子密钥生成和传输设备集合形成密钥资源，并进一步依赖集 成后的量子安全设备和量子网络为政务、金融、电力、数据中心等客户提供信息加密服务。

利用量子现象进行加密最早由哥伦比亚大学的科学家Stephen Wiesner 于1969年在论文《共 轭编码（conjugate coding）》中提出。后来其好友 IBM 公司的研究人员 Charlie H. Bennett 和加拿大蒙特利尔大学的教授 Gilles Brassard 受到了 Stephen Wiesner 的启发，在 1984 年 在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学：公钥分发和拋币》 (Quantum cryptography：Public key distribution and coin tossing)。他们在这篇论文中提出 了 BB84 协议，该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密钥 分发（QKD）”。

量子随机数发生器（QRNG）

当前的数据加密主要依赖特定的算法，在算法中输入不同的参数从而得到不同的加密结果， 所输入的一系列参数就是加密密钥。而算法方面，当前国际上加密主要均依赖几种特定的算 法，因此一般对于窃听者而言，得到密钥就相当于得到了明文，即破解了本次加密。在这样 的背景下，密钥的随机性具备重要的意义。

而密钥的随机性直接与密钥生成所依赖的随机数生成方法相关，随机数的生成可以分为两种 基本类型：软件和硬件。基于软件的随机数生成被称为伪随机数发生器即 PRNG，软件的问 题来自于其生成算法的确定性，若其算法被破解，则可对其产生的随机数进行预测，故而安 全性较低。基于硬件的随机数发生器也叫作真随机数发生器，其主要依赖经典物理学的随机性，并通过对物理现象的测量将其数字化，从而生成随机数，但由于经典物理学过程无法做 到完整的控制和监控，故而密码系统中会存在不确定性，并对安全性造成损害。

QRNG（量子随机数发生器）原理主要是依赖量子本身的随机性特性生产随机数。量子的随 机性即一个量子经过一段时间演化后的状态无法精确预测，与任何外部因素都无关，因此基 于量子的随机性产生的随机数是完全真随机的，具备相较传统随机数生成方式更高的安全性。

图：量子随机数生成过程

量子密钥分发设备（QKD）

在 QRNG 生成了量子随机数密钥以后，还需要以 QKD 产品进行量子密钥的分发。对于数据 而言，其生命周期可分为采集、存储、传输、分析、应用、销毁和备份等阶段，QKD 产品在 数据生命周期中主要起到保护数据传输环节的作用。 QKD 在对密钥的分发传输过程中将单个光量子作为信息的载体，将 0、1 的信息编码到一个 光子上并通过传统光纤或空间将该光子传输给对方。对方利用单光子探测器探测该光子之后 获得传输来的 0、1 信息，经过一系列处理实现量子密钥分配。

而在安全性方面，量子保密通信对安全性的提升主要来自于两方面，其一是基于光子不可再 分，不可复制的性质，任何窃听者都无法将发送端发射的光子一分为二或复制一个，一个自 己保留一个发送给接收者；其二是基于光子不可被完全测量的性质，窃听者对光子的观测会 导致光子的状态发生改变，使得接收者可以获知存在窃听者这一事实。 所以发送者发送给接收者的光子要么接收者收到，要么窃听者收到，不可能接收者和窃听者 同时收到。这样发送者和接收者只需要保留接收者收到的信号，便可生成他人不可能获取的 密钥。

当前 QKD 设备主要功能为基于光纤网络实现点对点的安全密钥分发，一般内臵 QRNG 量子 随机数发生器，并采 BB84 协议，可提供百公里量级的可靠量子密钥分发。

量子通信为当前量子三大主要应用中最接近商业化的领域，且现实中已经存在部分应用。根 据中科大消息，量子保密通信的代表性应用京沪干线于 2013 年 7 月立项，于 2017 年 8 月 底在合肥完成了全网技术验收，2017 年 9 月 29 日正式开通，项目全长 2000 余公里，主要 节点包括北京、济南、合肥和上海，可以基于可信中继方案实现远距离的量子安全密钥分发。 整个京沪干线由 32 座中继站和 31 段光纤量子通信线路构成主干量子通信线路，另外还包含 北京和上海的城域量子通信网络，其在很大程度上为量子通信系统的安全性规范研究提供了 实验环境。

5. 量子测量：高精度测量前景广阔，但产业化和标准化仍处于起步阶段

量子测量主要是通过观察微观粒子系统量子态对外界物理量变化的反应，通过量子态的变化 直接或间接地将环境物理量的大小读取出来，实现精密传感测量，在精度、灵敏度和稳定性 等方面相较传统技术可带来数量级的提升。

量子测量按照对量子特性的应用方式不同，可以分为三种技术类型：一是使用量子能级测量 物理量；二是使用量子相干性或干涉演化进行物理量测量；三是使用量子纠缠态和压缩态等 独特量子特性来进一步提高测量精度或灵敏度。

具体到量子测量技术的系统框架来看，其最底层以量子力学为理论基础，运用相干叠加、量 子纠缠等技术上手段对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取， 配合数据的处理与转换，实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度的精密探 测，甚至有望突破经典物理的理论极限。通过应用层的软件将结果呈现给行业用户。在理论 与技术基础层面，基础物理理论基本完备，但是部分原理技术仍有待突破，如量子纠缠态高 效确定性的产生方法、远距离分发技术等。

具体到技术方案来看，主要技术方案包括冷原子干涉测量、核磁/顺磁共振测量、原子自旋测 量、纠缠态/压缩态测量和量子增强测量等。而量子测量的主要发展方向涉及新一代定位/导 航/授时的光学原子钟、光学时频传输系统、原子陀螺仪与重力仪等，以及高灵敏度检测与目 标识别的光学量子雷达、物质痕量检测、磁场精密测量等。

主要应用场景包括航空航天、防务装备、地质资源勘测、基础科研和生物医疗等众多领域， 应用与产业发展前景广阔。

总体来说，整个量子测量产业目前还处于初级阶段，尚不具规模。主要原因包括两方面： 一方面量子测量领域的技术门槛比较高，需要一定的专业知识和技术积累，对人才的专 业素养要求严格，目前大部分的量子测量企业都是从高校或者科研院所孵化的，或者具 有军工背景； 另一方面，除了量子雷达、量子磁力计具有明确的民用场景外，其他量子测量技术主要 定位于非民用、非工业的应用场景，面向军队或政府等特殊领域的封闭市场，不适于推 广商用。

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