量子信息技术发展与应用 研究报告 （2018 年） 中国信息通信研究院 2018年12月 版权声明 本研究报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律 保护。转载、摘编或利用其它方式使用本研究报告文字或 者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述 声明者，本院将追究其相关法律责任。 前 言 随着人类对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破和提升， 利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、 处理和传输已经成为可能，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信 息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，其研究和应用发展在 未来国家科技发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域，也将产 生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来，量子信息技术发展与应用呈现加速趋势，全球各国普 遍关注和重视，我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也进 一步提高。2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲 话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为 代表的新一代信息技术加速突破应用。” 为推动我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展，澄清原 理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识，中国信息通信研究院组织 编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2018 年） 。本报告深 入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展、 问题瓶颈和未来发展趋势，并提出相关策略建议。 目 录 一、量子信息技术发展背景 ....................................................................................... 1 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临................................................................ 1 （二）量子信息技术在全球范围广受重视................................................................ 2 （三）量子信息技术概念原理与三大领域................................................................ 3 二、量子计算技术与应用进展 ................................................................................... 4 （一）量子计算技术研究与发展现状........................................................................ 4 （二）量子计算应用和产业生态发展........................................................................ 6 （三）我国发展应用面临的问题与挑战.................................................................. 10 三、量子通信技术与应用进展 ................................................................................. 11 （一）量子通信技术研究与发展现状...................................................................... 11 （二）量子保密通信应用和产业进展...................................................................... 17 （三）我国发展应用面临的问题与挑战.................................................................. 21 四、量子测量技术与应用进展 ................................................................................. 22 （一）量子测量概念原理与技术体系...................................................................... 22 （二）量子测量五大方向研究与发展现状.............................................................. 25 （三）我国发展应用面临的问题与挑战.................................................................. 30 五、演进趋势、发展态势与策略建议 ..................................................................... 31 （一）量子信息技术整体演进趋势.......................................................................... 31 （二）量子信息领域国际发展态势.......................................................................... 32 （三）促进我国量子信息技术发展的策略建议...................................................... 34 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告（2018 年） 一、量子信息技术发展背景 （一）量子科技革命第二次浪潮即将来临 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。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、 性质及其相互作用，量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大 理论基础，为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶，随着量子力学的蓬勃发展，人类开始认识和掌握微 观物质世界的物理规律并加以应用，以现代光学、电子学和凝聚态物 理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导 体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破，为现代信息社会的形 成和发展奠定了基础。受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足， 这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律，例如能级跃 迁、受激辐射和链式反应，但对于物理介质的观测和操控仍然停留在 宏观层面，例如电流、电压和光强。 进入二十一世纪，随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统 操控等微观调控技术的突破和发展，以精确观测和调控微观粒子系统， 利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科 技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展，将极大的改变 和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力，为未来信息社会的 演进和发展提供强劲动力。量子科技与通信、计算和传感测量等信息 学科相融合，形成全新的量子信息技术领域。 1 量子信息技术发展与应用研究报告（2018 年） 中国信息通信研究院 （二）量子信息技术在全球范围广受重视 近年来，全球多国加快量子信息技术研究与应用布局，推动技术 研究和应用发展。日本文部科学省 2013 年成立量子信息和通信研究 促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来十年内投资 400 亿 日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。英国 2014 年设立“国家 量子技术计划”，投资 2.7 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算 四大研发中心，开展学术与应用研究。欧盟 2016 年推出“量子宣言” 旗舰计划，在未来十年投资 10 亿欧元，支持量子计算、通信、模拟 和传感四大领域的研究和应用推广，并在 2018 年 11 月正式启动首批 20 个研究项目。 美国近十年来，已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目， 以每年约 2 亿美元的投入力度，持续支持量子信息各领域研究。在全 球量子信息技术加快发展的背景下，美国进一步加大投入，在 2018 年 6 月推出《国家量子行动计划（NQI）》法案，计划在 2019 年至 2023 年的第一阶段，在原有基础上每年新增 2.55 亿美元投资，共计 12.75 亿美元，加快推动量子信息技术研发与应用。2018 年 9 月美国白宫 发布《量子信息科学国家战略概述》，总结量子信息科学带来的挑战 和机遇，并分析美国在该领域维持和扩大领先优势的措施。 我国持续支持量子信息技术领域的研究探索，近年来重视和支持 力度进一步加大。2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会 上的讲话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区 块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。”自然科学基金、“863” 2 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告（2018 年） 计划、“973”计划和中科院战略先导专项等国家科技项目，在过去十 余年来，对量子信息领域的基础科研和前沿应用研究进行了大量布局 和投入。自 2016 年起，我国进一步设立国家重点研发计划“量子调控 与量子信息”重点专项，支持量子信息重点技术领域研究。2018 年进 一步研究筹建国家级实验室和论证设立新科技项目，继续加强量子信 息领域的支持力度和顶层布局规划。 （三）量子信息技术概念原理与三大领域 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。量子信 息主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大技术领域。 量子计算以量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现数 据的存储计算，具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处 理能力。量子计算技术所带来的算力飞跃，有可能成为未来科技加速 演进的“催化剂”，一旦取得突破，将在基础科研、新型材料与医药研 发、信息安全与人工智能等经济社会的诸多领域产生颠覆性影响，其 发展与应用对国家科技发展和产业转型升级具有重要促进作用。 量子通信利用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信 息或密钥传输，基于量子力学原理保证信息或密钥传输安全性，主要 分量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信和量子信息网络的研 究和发展，将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响，成 为未来信息通信