全球量子信息科技三大领域创新演进趋势分析
时间：2022-12-09 09:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
■文/曹方 张鹏（中国电子信息产业发展研究院）
量子产业是根据量子力学等理论，研究量子态的产生、传播、接收、处理的最佳方式进而应用于计算、通信、测量等领域的新兴产业。在量子计算、量子通信、量子精密测量三大量子产业应用领域中，由于行业差异各自呈现出特色鲜明的技术发展和创新演进方式。本文对量子产业三大应用领域的创新演进方向和发展趋势进行了深入分析和研判，对未来我国量子产业发展方向和关注重点进行了清晰呈现和说明，以此希望助力我国量子产业朝着正确方向健康持续良性发展。
量子信息科技根据其应用范围主要分为量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域。从全球范围来看，量子通信技术发展最为成熟，产业化进程最快；
量子精密测量发展程度中等，技术成果不断呈现；
量子计算发展进程相对缓慢，有待各国加快研究进度。
（一）全球量子比特数量进入百位时代，2030年有望突破百万量级
量子计算是遵循量子力学规律，进行高速运算、信息存储和处理的新型计算方式，计算能力相比传统计算机具有质的飞跃。量子计算机处理问题的能力主要取决于量子比特的数量。2022年1月，全球前沿科技咨询机构ICV发布了《2022全球量子计算产业发展报告》，内容显示，从全球主流量子计算公司的技术路线来看（如表1所示），目前全球量子比特数量已经达到百位级别，预计2023年全球量子比特数量有望实现千位级别、2030年左右实现100万量子比特级别。目前，美国的IBM、谷歌等公司走在全球量子计算技术研发前列，我国本源量子等本土企业呈追赶态势。相关研究结果指出，2022年5月，美国哈佛大学与麻省理工学院、QuEra Computing等机构合作实现了289量子比特的实验室技术突破，再次刷新世界纪录。
表1 全球主流量子计算公司技术路线
除量子比特数量外，量子比特质量也是决定量子计算机性能的重要因素。衡量量子比特质量的指标主要包括量子相干时间、量子比特连接程度、量子门保真度等。量子相干时间决定了量子态可以保持多久，2021年清华大学金奇奂团队实现了单量子比特相干时间5500秒的突破，刷新了世界纪录。量子比特连接程度方面：离子阱系统能够实现全连接，但是连接的量子比特数量较少；
超导量子计算机中单个量子比特只能与4个量子比特相连；
日本理化学研究所（RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN）实现了3个量子比特的纠缠。未来实现更多量子比特的连接将是量子比特性能提升的重要方向，提高量子比特的连接性将使量子计算机解决问题的能力呈指数级提升。量子门保真度方面，澳大利亚的硅量子计算公司（Silicon Quantum Computing，SQC）通过半导体技术实现了99.99%的最高纪录，但仅开发了两个量子比特。因此，未来各国在提高量子比特质量方面亟待加强研究。
（二）量子计算多个技术路线齐头并进，超导体系发展最快
探索量子计算的物理实现方式是量子计算的另一重要技术方向。量子计算众多技术路线齐放异彩，其中超导体系发展最为成熟，离子阱、硅自旋、光量子、中性原子、金刚石NV色心等技术路线同样发展较快，各技术路线的具体发展状况详见表2。
表2 量子计算各技术路线成熟度评价体系
超导是目前量子计算领域最受关注的技术方向，技术发展相对迅速和成熟，已在退相干时间、量子态读取和操控、量子比特耦合、中大规模扩展等关键技术领域取得众多突破，成为建造通用量子计算机的热门候选路线之一，未来发展前景广阔。离子阱具有量子比特质量较高、相干时间较长、量子比特制备和读出效率较高等优点，在量子比特连接性和相干时间方面优于其他技术路线，但是存在亟须解决的可扩展性差的问题。光量子具有众多优异性能，比如可以在真空或冷却状态下维持量子态，光量子计算机可与量子通信完全兼容，具有大带宽等优点，但也存在难以实现光量子纠缠、所需光学组件较多导致效率低下等突出问题。中性原子可实现高保真量子态，可扩展性较强，具有较好的商业化前景，目前美国在该技术方向领先全球。总体来看，量子计算的不同技术路线各有优劣势，没有一种技术路线能够在所有性能指标上同时领先。
（一）量子密钥分发技术领先其他量子通信技术方向
从全球来看，量子通信处于产业应用早期阶段，产业化进程快于量子计算。量子通信根据技术方向主要分为量子密钥分发（QKD）、量子随机数发生器（QRNG）和量子隐形传态（QT）三大技术路线。其中量子密钥分发技术发展最为成熟，正加速走向实用化。量子随机数发生器处于基础研究阶段，尚不具备实验条件。量子隐形传态虽然取得较大进展，但是距离实际应用尚远。
量子密钥分发在量子通信三大技术方向中发展最快，且我国走在世界前列。2022年1月，中国科学技术大学韩正甫教授及其团队实现了833公里无中继光纤量子密钥分发最远距离，使世界纪录提升了200多公里。未来不断延长量子密钥分发传输距离仍然是实现量子通信技术突破的重要方向和关键所在。
（二）量子隐形传态是实现真正意义量子通信的技术手段
量子隐形传态不依赖经典信道传输信号，是真正意义上的量子通信方式，目前该技术尚在突破中，但是仍然存在量子纠缠和量子中继等技术难题。量子隐形传态中的光量子存储可以构建量子中继，能够解决大规模量子网络建设的信道损耗问题。
与此同时，量子U盘、量子存储器等技术突破不断加速。2021年1月，中国科学技术大学李传锋、周宗权课题研究组研制成功“按需式读取”的可集成固态量子存储器，对实现大容量量子存储具有重要意义；
2021年4月，李传锋、周宗权课题研究组将光存储时间提升至1小时，刷新了世界纪录，向实现量子U盘的实用化迈出重要一步。
（一）借助量子传感器，全球精密测量产业进入量子时代
量子精密测量是基于量子力学原理的新型精密测量方式，能够解决经典测量方式测不准、无法测的缺点。随着量子光学、原子物理学等领域发展以及7个国际基本物理量（米，千克，秒，安培，开尔文，物质的量，坎德拉）实现自然常数定义（即实现“量子化”），全球精密测量行业逐步迈入量子时代。量子精密测量的实际应用产品是量子传感器，量子传感器通过识别物理信息产生电信号、磁异常、惯性导航等多种精确信息。借助量子传感器，量子精密测量已在国防、军工、工业等多个领域的时间测量、重力测量、磁场测量、探测成像、量子导航等多个应用场景逐渐实现实际应用，产化进程明显快于量子计算。
（二）OPM磁力计、冷原子干涉、金刚石氮空位色心是重点方向
OPM磁力计具有较高的灵敏度，且相比传统的SQUID磁力计具有更低的制造成本和运行成本，因此在基础研究和实际应用中受到学术界和产业界的极大关注，尤其是在脑磁测量领域将有很大的应用潜力，被认为是下一代脑磁图仪器的重要发展方向。同时，在量子传感器的五大物理实现方式（冷原子干涉、离子阱、金刚石氮空位色心、超导电路、原子蒸气）中，冷原子干涉和金刚石氮空位色心是目前关注程度最高、发展最快的技术路线，且已经实现了原子干涉重力仪、量子钻石原子力显微镜等产品的商业化应用。
结合世界各国布局量子产业发展的行动措施以及我国量子产业发展实际，遵循全球量子信息科技三大领域创新演进趋势，建议未来我国量子产业发展的重点关注方向如下：
（一）量子计算领域
将不断提高量子计算机量子比特数量作为发展首要目标，争取早日研制成功能够实用的量子计算机，抢占量子计算领域发展先行优势。在增加量子比特数量的同时，兼顾量子比特质量提升，持续提高量子相干时间、增强量子比特连接程度、提高量子门保真度等。加大在量子计算产业链中的软件开发和设备供应环节技术突破。重点关注超导、离子阱、光量子和中性原子等具有潜力和发展前景的技术方向，提前布局和前瞻谋划。
（二）量子通信领域
重点关注量子密钥分发技术发展，不断延长光量子密钥分发直接传输的安全距离，继续保持和扩大我国在该领域的既有优势。中长期重点布局量子隐形传态技术，有效解决量子纠缠和量子中继等技术难题，争夺未来量子通信主流路线发展优势。加强量子通信产业链中芯片元器件等薄弱环节研发投入和技术攻关，构建国内量子通信产业完善安全的产业链供应链。加强量子企业团结协作，鼓励量子企业强强联合，打通产业链上下游，通过联合研究、技术合作、项目合作等方式加快产业发展。
（三）量子精密测量领域
重点关注冷原子干涉和金刚石氮空位色心等量子传感器物理实现方式的技术发展，不断缩小与美国等先进国家的技术差距。在时间测量领域，重点布局精度更高的光钟路线，抢占下一代时钟发展方向。在量子导航领域，重点发展原子干涉技术的新型惯性器件，有效满足未来高精度、全地域、自主可靠的导航要求。在磁场测量方面，主要布局碱金属原子蒸气磁力计和固态体系的金刚石NV色心磁力计。
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