量子信息系統發展探討

量子信息系統是技術形態量子化的信息系統，具體表現為量子信息技術在信息獲取、信息存儲、信息傳遞、信息處理、信息使用等信息過程中的應用。本文是中國工程院院士陸軍及多位中國電子科學研究院專家對量子信息系統發展的探討。

引 言

量子調控和量子信息技術的迅猛發展標誌著「第二次量子革命」的興起。量子信息技術成為世界科技的前沿，更是信息時代各國發展戰略的競爭焦點。量子信息領域每月甚至每周都有新進展，我國在量子信息領域具有理論和技術儲備優勢，產生了一批具有重要國際影響的研究成果，如「量子稱霸」、「京滬新幹線」、10量子比特計算模擬、「墨子」衛星千公里糾纏等。量子信息科技革命給了我國一個從經典信息技術時代的跟蹤者、模仿者轉變為未來信息技術的引領者的、不可錯過的歷史機遇，實現彎道超車將會使得我國的信息技術水平和信息產業核心競爭力實現跨越式發展。

1 量子信息技術現狀

1.1 量子信息技術是基礎性創新

量子，即能量子，是一個表徵輻射能量的離散量，大小與輻射頻率成比例。一般認為原子是物質的基本組成單元，量子是能量的基本組成單元。光子、電子、中子、質子甚至原子，都遵循量子力學規律，具有量子屬性。如量子電子學，是指研究電子的量子屬性或具有量子屬性的電子的一門學科，就語法而言，這裡的量子是名詞作形容詞。

1900年，普朗克首先使用了能量子這個物理概念，並與波爾、薛定諤等共同撥開了「紫外災難」這朵烏雲，讓二十世紀沐浴在「量子」的陽光下。這是認識量子的時期，史稱第一次量子革命，由「能帶理論」發明了晶體管，更直接催生了信息技術。維納的「信息就是信息，不是物質或能量」的論斷，鍾義信教授的本體資訊理論，「麥克斯韋妖」悖論和朗道原理解釋，還有最新的量子實驗現象等等，都表明：信息、能量、物質是客觀世界存在的三個基本要素。當人類開始探索普朗克尺度的微觀世界時，發現了更加廣闊而深邃的科學與技術領域，發展了超越經典和常規的認知，包括量子力學QD、量子電動力學QED、量子色動力學QCD、量子味動力學QFD，還有正在建立的量子引力理論，這些都是基礎性的創新！

新世紀，量子信息與調控技術的突破引發了第二次量子革命，經典信息技術升級為量子信息技術，其顛覆性效果體現在信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息使用等信息過程的方方面面。世界強國均將相關研究工作、產業實踐和環境建設等作為信息時代發展的重要戰略舉措。

1.2 信息技術發展的顛覆性前沿

2016年度諾貝爾物理學獎授予了大衛·索利斯等三人，表彰他們在物質拓撲相變和拓撲相的重大理論發現，認為這有助於未來量子計算機的發展。新華網調查「當今世界八大熱門科技」，排名第6的是「量子通信」。中國軍網發布的「2016年世界國防科技十大前沿技術」，第8個是「量子信息技術」。

美國國防部2013-2017科技發展五年計劃中，將量子信息與控制技術列為未來重點關注的六大顛覆性研究領域，DARPA為此制定了量子信息科學與技術發展規劃，並給予大力支持。

歐盟於2008年發布了量子信息處理與通信戰略報告，聯合12個歐盟國家成立了基於量子密碼的安全通信工程，成為繼歐洲核子中心和國際空間站後又一大規模的國際科技合作。2016年，歐盟啟動總額10億歐元的量子技術旗艦項目「量子宣言」，將量子感測、量子通信、量子計算和量子模擬作為四個重點研究方向，意圖建立極具競爭力的歐洲量子產業，增強歐洲在量子研究方面的科學領導力。

英國於2007年成立了由17所大學和132家公司組成的量子技術樞紐中心，2015年又配套3億英鎊用於支持歐盟量子旗艦項目。

我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》將「量子調控機制」列為基礎研究的四項重大研究計劃之一，明確指出要探索新的量子現象，發展量子信息學、量子通信等技術，以構建未來信息理論基礎。

這些國家級規劃和計劃表明：量子信息技術是現代信息技術發展的顛覆性前沿之一，也是「建設科技強國」的歷史機遇。

2 量子信息系統特徵

2.1 量子信息系統概念

量子信息技術應用於信息獲取、信息存儲、信息傳遞、信息處理、信息使用等信息過程，將經典信息技術形態量子化，形成的信息系統稱為量子信息系統。

經典信息技術時代發展的巔峰是各種各樣的電子信息系統，研究工作借鑒其發展經驗，在量子信息技術時代之初倡導頂層設計，建議以量子信息系統為抓手，快速推進量子信息技術的突破和應用，引領網路信息體系發展。

圖1 量子信息系統架構概念圖

圖1是量子信息系統架構概念圖。基於電子信息系統架構，在基礎設施層面，採用量子信息技術實現信息服務、時空基準、安全保密等資源服務。例如：利用量子光鍾提供精度為10-18秒級別的校時基準，利用量子模擬實現Shor演算法秒破RSA密碼，利用量子隨機特性實現信息安全手段的升級。在功能層面，採用量子精密測量技術，提供更準確、更細緻的目標對象信息等。

2.2 量子信息系統特徵

與傳統電子信息系統相比，量子信息系統具有更加豐富的信息量、更加快速的信息處理以及增強的信息安全。

（1）信息量更加豐富。量子信息技術採用微觀存在的內稟狀態或特性表徵信息，其信息豐裕度高於現有信息系統。使用同樣的物質和能量能夠獲取、存儲、處理、傳遞、表示更多的信息。依據貝肯斯坦極限，量子信息與電子信息存儲比較，兩者相差將近27個數量級！例如，固態硬碟大小的空間，採用現代電子技術可存儲3×1012比特（基本上達到了摩爾定律的極限），而採用量子信息技術的極限存儲容量是2.6×1039比特。

（2）信息處理更加快速。利用量子疊加性，可以在物理上實現並行計算，配合相應的量子演算法，至少在某些計算問題上（如大數質因數分解、異構數據檢索等）能夠媲美和超越現有的超級計算機，實現「量子稱霸」。依據布雷莫曼極限，量子計算與電子超級計算機比較，兩者相差將近32個數量級！

（3）增強的信息安全。利用量子的真隨機性和糾纏特性，能夠顛覆現有信息傳遞模式，無論是量子保密通信，還是隱形傳態，理論上在信息加密和傳遞環節都可以實現無條件安全，工程實踐中已經實現有限可信節點保密通信。

2.3 量子信息系統專業方向

量子信息技術是信息技術的量子化實現，不會超越信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息使用等信息過程，其顛覆性來源於變革實現信息過程的技術原理和手段。

因此將量子信息系統細分為四個專業方向：量子通信、量子計算模擬、量子精密測量、量子器件。信息傳遞的量子技術實現稱為「量子通信」；信息處理和信息存儲的量子技術實現稱為「量子計算模擬」；信息獲取的量子技術實現稱為「量子精密測量」；元器件的量子技術實現稱為「量子器件」。在這些專業方向上，主要有9項核心技術：量子保密通信、量子隱形傳態、量子通用計算、量子模擬、量子軟體、量子導航、量子成像、量子探測、量子器件。其中的研究熱點如下。

量子保密通信：實現量子密鑰分發，保證密鑰生成與分發過程的增強安全，是對抗量子計算破解非對稱密碼體制RSA的「盾」。

量子計算：主要利用量子疊加特性，實現量子通用計算和量子定製計算，超越現有的超級計算機，實現「量子稱霸」，一個惹人注目的應用是顛覆傳統非對稱密碼體制的「矛」。

量子精密測量：在本場從微觀尺度進行量子精密測量，獲取自身位置、時間、速度等信息，實現自主導航定位，顛覆全球衛星導航定位系統。

2.4 主要研究團隊及企業

量子信息系統概念和夢想有很多科研機構、院校、企業在探索和實踐。在此，做一些不完整的介紹。

IBM團隊。1984年，IBM的學者提出了BB84協議，並於1989年首次實驗驗證，量子密鑰分發（QKD）技術正式誕生，目前MagiQ公司出售商用QKD產品和量子安全解決方案。2016年，IBM發布免費量子計算雲服務「量子體驗」，其核心是一台五量子位的量子計算機，用戶通過一個簡單的互聯網介面軟體可以訪問該量子計算機。2017年，IBM還將推出比「量子體驗」有更多量子位的IBM Q。

Google團隊。2014年，Google開始自主研製量子計算機，計劃2017年底完成其首台49比特的量子計算機。除了向科學家和人工智慧研究者提供訪問其量子計算機的途徑外，Google還成立了「胚胎量子數據中心」實驗室，通過Project Q開源項目，鼓勵開發人員為量子計算機編寫代碼。

Microsoft和Delft團隊。Microsoft結合半導體和超導體，自主研發拓撲量子計算機，荷蘭Delft主攻容錯量子演算法。

歐盟的東芝劍橋研究中心Shield團隊、法國高等光學研究所法布里實驗室、ID Quantique公司等，在基於光纖信道的連續變數和誘騙態QKD技術、基於自由空間信道的糾纏光子對QKD技術上處於世界領先水平。

中科大-浙大-阿里團隊。主要成員包括潘建偉、韓正甫、王向斌、苑震生、陳宇翱、施堯耘等。2016年，建成「京滬光纖量子通信骨幹網」，成功發射「墨子號」量子通信衛星，完成1200公里QDK試驗和量子糾纏試驗，初步構建了廣域量子通信體系。2017年5月，成功研製首台10個量子比特的光量子計算機。2017年9月，通過量子調控，在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的准粒子——任意子，為通用量子計算機奠定了基礎。

中國電科團隊。作為電子信息系統研究和建設的國家隊，中國電子科技集團公司直面量子信息技術的顛覆性變革，組織各成員單位，聯合北大、清華、北航、北理、北郵、中科大、南大等院校，以陸軍研究員為首席科學家，提出並積極布局「量子信息系統」的研究、設計與實現。團隊在量子器件、標準計量，超導制冷機，單光子檢測雷達，量子成像，量子定製計算，量子與經典混合計算，連續變數QKD等技術的工程化和系統應用方面具有先發優勢。

3 量子信息系統應用

3.1 量子安全體系

數學上已經嚴格證明：量子保密通信技術在理論上是一種無條件安全的通信方式。即使在工程實踐上存在這樣那樣的安全漏洞，量子信息技術依然能夠增強國防、金融、政務、能源、商業等領域的信息安全保障，具有重大戰略意義和實際應用價值。經過30年的發展，量子保密通信技術在實際安全性、通信距離、傳輸速率、集成化、組網能力等方面的技術成熟度已經達到七級，開始產品化、工程化和產業化，呈現出重大產業革命的先兆。如圖2，以量子加密、量子存儲、量子傳輸為代表的量子安全體系正在形成，世界強國都在積極整合研究資源，搶佔QKD技術大規模應用的先機。

圖2 量子安全體系

量子保密通信技術是我國為數不多的處於國際領先地位的科研領域，但其存在的問題也不容忽視：

（1）基礎性創新不足。量子保密通信技術的核心基礎協議、思想理念和安全性分析等幾乎都是美國、歐洲、澳大利亞的學者提出來的（清華大學王向斌教授對誘騙態協議的重要貢獻是唯一例外）。我國在實驗技術、工程應用方面領先世界各國，但要在研究方向上引領全球，尚需加強基礎性、前沿性研究，突破原始創新。

（2）核心器件材料不自主。我國的領先優勢主要體現在QKD整機技術上，單光子探測器、數據處理單元（高性能FPGA、GPU等）、光電調製器等核心部件還依賴進口，在精密機械製造、半導體晶元、精密光學儀器等製造工藝方面存在短板，量子信息技術的自主可控問題比電子信息技術更加嚴峻。

（3）技術路線相對單一。國內大部分高校和企業的技術路線集中在單光子QKD，連續變數、MDI、RRDPS等協議也各有優勢，在沒有哪個技術路線最終勝出的情況下，國際上是在並行發展的，我們的資源投入也需要分散風險。

3.2 量子計算模擬

以智慧城市、機器人、人工智慧為特徵的新工業革命正在形成，高性能計算是這些典型應用的核心技術基礎，量子計算模擬具有求解機器學習演算法的巨大潛力，主要體現在並行處理、超級算、超低能耗等顛覆性特徵上。

（1）並行處理。量子計算模擬能夠同時變換每一個疊加分量，並以概率幅進行疊加，這就是量子計算模擬的並行性。與傳統計算機只能處於0或1兩種狀態之一不同，量子計算模擬的量子比特可同時處於0和1兩種狀態，從而獲得量子演算法複雜度的時空壓縮優勢。

（2）超計算。量子計算模擬能夠將指數級的計算複雜度降為多項式複雜度，大幅提升運算能力，解決機器學習在數據處理上的瓶頸問題，在線性規劃，類神經網路等問題上也有天然優勢。

（3）低能耗。數學理論上，量子計算模擬是一種酉變換，是可逆計算，這部分計算不發生能量轉移，因此整個量子計算模擬具有低能耗特性。例如，在相同計算能力條件下，當超級計算機的能耗大約為2217千瓦時，量子計算模擬的能耗大約為25千瓦時。

目前量子計算模擬的主要應用有：基於Shor演算法的大數分解，應用於量子加密解密，能夠增強網路信息體系安全；基於量子退火演算法的系統優化，應用於天氣預測，交通規劃，量子金融分析等；基於量子體系模擬，研究多量子態系統，在量子物理化學、新藥物新材料等方面吸引了眾多期待。

3.2 量子精密測量

量子信息技術最直接的效應是精密測量，科技的進步使得人類的操控手段深入到了圍觀世界。在這個方向上的應用首先要說量子光鍾。微觀量子態的躍遷具有穩定的周期，可以用於時間標準計量。1967年，國際計量大會採用了原子秒定義：秒是銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期所持續的時間。應用激光冷卻、磁光阱、光梳等技術，目前世界上最精確的鍶原子光鍾穩定度達到了10-18秒量級。外界環境對量子光鐘的干擾也是可以充分利用的，這些擾動反映了地磁場、重力場等的變化。通過測量量子光鍾時頻的漂移變化，能夠獲得地表以下重力場的情況，探知埋藏的礦物或物體；還能獲得水面以下地磁場的情況，探知沉船和潛艇等。量子精密測量的應用遠遠不止這些，諸如量子痕迹跟蹤、量子成像、量子導航、量子雷達等等也同樣具有廣闊的前景。

4 量子信息技術發展展望

「第二次量子革命」當前的主要表現是技術變革，即以技術形態量子化為主要特徵，顛覆經典的信息獲取、存儲、傳遞、處理、使用等過程，創新出量子通信、量子計算、量子光鍾、量子導航、量子雷達、量子成像等應用。各自發展的單項技術，需要從頂層進行統籌設計，實現科技資源和工程資源的最大化利用，這也是開展量子信息系統研究的目的和意義。量子信息更是深刻的思維變革，對信息系統的系統形態會產生什麼影響？研究工作還很初步，前景圖像還很模糊。

作者丨陸軍等

轉自丨學術plus

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