? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?第四次工業(yè)革命?量子信息技術(shù)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2019-12-19 青野云麓

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近年來(lái)，我國(guó)量子信息技術(shù)研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展：世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射、世界首條量子保密通信網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”即將建成……

那么，到底什么是量子信息技術(shù)呢？

“量子”是一個(gè)物理量的最小單位，光子、電子都是量子的一種。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，每個(gè)電子元件只能表示“1”或“0”，即“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)；而量子則可以同時(shí)表示多種狀態(tài)，這就意味著很少的量子比特就能實(shí)現(xiàn)大量經(jīng)典比特才能完成的計(jì)算。

專家表示，如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級(jí)別，那么一臺(tái)64位量子計(jì)算機(jī)的速度將是目前世界上最快的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒33.86千萬(wàn)億次）的545萬(wàn)億倍。量子計(jì)算機(jī)一旦出現(xiàn)，現(xiàn)有的電腦就相當(dāng)于是個(gè)算盤。

此外，利用光子傳遞的量子密碼能保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全。光子非常脆弱，一經(jīng)測(cè)量就遭破壞，所以，只要通信雙方利用光子的這一特點(diǎn)生成密碼，密碼就有了一種“魔力”——如果被第三個(gè)人“看”一眼，密碼就會(huì)消失。

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因此，量子信息技術(shù)將給人們的生活帶來(lái)巨大改變：

一、“絕對(duì)安全”的通信方式和“只有你知我知”的密碼保護(hù)程序。

迄今為止，量子保密通信是唯一被嚴(yán)格證明絕對(duì)安全的通信方式，所以，它可以從根本上解決國(guó)防、金融、政府、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題，并使互聯(lián)網(wǎng)變得更加安全，例如用戶的搜索、支付等私密信息將無(wú)法被竊取。

二、借助強(qiáng)大的運(yùn)算能力改造傳統(tǒng)行業(yè)。量子計(jì)算機(jī)能夠大規(guī)模、多線程地處理數(shù)據(jù)，所建立的數(shù)據(jù)模型精度將得到指數(shù)級(jí)的提升，比如，人們通過(guò)量子計(jì)算機(jī)，可以把某種病毒體內(nèi)的各種成分分析得清清楚楚的，可以制造針對(duì)性很強(qiáng)的藥物，還可以在大量數(shù)據(jù)中分析、篩選出特定數(shù)據(jù)——只要掌握了罪犯身上的某個(gè)特點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)很快就能鎖定目標(biāo)，警察們?cè)僖膊挥迷诿ＣＨ撕Ｖ泻Y選和搜尋罪犯了。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)帶科幻色彩的，這個(gè)世界上真的存在'超時(shí)空隧道'嗎? 對(duì)此，科學(xué)家給出的答案是有可能，伴隨著量子信息科技的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)這一幻想不是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的可能。當(dāng)然，這一說(shuō)法今天看來(lái)依然夸張，但其所謂的與'量子糾纏'密切關(guān)聯(lián)的'量子態(tài)隱形傳輸'則正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

通俗的說(shuō)就是，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，好像有一根無(wú)形的線繩牽著他們，這種神奇現(xiàn)象可謂'心靈感應(yīng)'。

與此類似，所謂量子糾纏，是指在微觀世界里，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。

量子通信正是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。此種通信技術(shù)若能得以實(shí)現(xiàn)，其影響將是劃時(shí)代的。

在時(shí)空方面，由于量子通信屬于超光速通信，不僅是'最快的通信'，而且有穿越大氣層的可能，從而為基于衛(wèi)星量子中繼的全球化通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。

日前，德國(guó)物理學(xué)家就正在利用量子糾纏效應(yīng)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，其研究人員稱：'我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型，在節(jié)點(diǎn)之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏，并保持約100微秒……未來(lái)人們通過(guò)它不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子信息溝通，而且還將使大型量子互聯(lián)網(wǎng)完全實(shí)現(xiàn)成為可能。'

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?全球范圍的廣泛關(guān)注和重視

2013年，日本文部科學(xué)省成立量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì)以及量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，計(jì)劃未來(lái)十年內(nèi)投資 400 億日元（約24億人民幣），支持量子通信和量子信息領(lǐng)域發(fā)展。

2014年，英國(guó)設(shè)立“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”投資 2.7 億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算極大研發(fā)中心，開展學(xué)術(shù)與應(yīng)用研究。

2016年，歐盟推出“量子宣言”旗艦計(jì)劃，未來(lái)10年投資 10 億歐元。并在上個(gè)月正式啟動(dòng)首批20個(gè)研究項(xiàng)目。

近十年來(lái)，美國(guó)以每年約 2 億美元的投入力度持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究。今年6月推出，《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃》法案，并在首個(gè)階段（2019-2023年）在原有基礎(chǔ)上每年新增 2.55 億美元投資，共計(jì) 12.75 億美元，加快研發(fā)與應(yīng)用。

?同樣十年來(lái)，我國(guó)在量子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)和前沿項(xiàng)目的研究進(jìn)行大量布局和投入，先后啟動(dòng)自然科學(xué)基金、“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等國(guó)家科技項(xiàng)目。并在2016年起設(shè)立國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)支持量子信息重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域研究。近年來(lái)在國(guó)際上取得優(yōu)異成果的同時(shí)，進(jìn)一步籌建量子信息相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室和論證設(shè)立新科技項(xiàng)目。

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量子計(jì)算緊追美國(guó)

產(chǎn)學(xué)研用力量分散 差距與風(fēng)險(xiǎn)并存

毋庸置疑，通用型量子計(jì)算機(jī)將成為顛覆社會(huì)的催化劑，必將引領(lǐng)未來(lái)科技演進(jìn)，必會(huì)在眾多領(lǐng)域帶來(lái)改變游戲規(guī)則的深遠(yuǎn)影響。

近年來(lái)量子計(jì)算發(fā)展加速，逐漸走入大眾視野，但仍處于技術(shù)驗(yàn)證和樣機(jī)攻關(guān)的關(guān)鍵階段。通用量子計(jì)算機(jī)的確是終極目標(biāo)，但其實(shí)用化將是長(zhǎng)期過(guò)程，對(duì)此，業(yè)界預(yù)計(jì)? ? 2030-2035 年左右逐漸走向技術(shù)成熟。

因此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算都無(wú)法完全取代經(jīng)典計(jì)算，兩者將長(zhǎng)期并跑、相輔相承。有業(yè)內(nèi)專家表示，量子計(jì)算未來(lái)或可能成為輔助經(jīng)典計(jì)算的特殊處理器，專注于解決某些特定計(jì)算問(wèn)題。計(jì)算任務(wù)分解后，適合量子計(jì)算的部分交給量子處理器執(zhí)行，適合經(jīng)典計(jì)算的部分交給經(jīng)典處理器執(zhí)行，從而達(dá)到最高的計(jì)算效率。

目前，我國(guó)量子計(jì)算以科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)，盡管取得了一定成績(jī)，同美國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的局面相比，我國(guó)產(chǎn)研各方力量分散，科研體制較難適應(yīng)量子計(jì)算領(lǐng)域快速變化的新情況。

?另外，由于量子計(jì)算屬于交叉學(xué)科，量子計(jì)算機(jī)的研制更屬于巨型系統(tǒng)工程，不僅需要多種專業(yè)的協(xié)同配合，更涉及眾多產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)和工程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

?我國(guó)近年來(lái)量子信息相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)、論文數(shù)量及從業(yè)人員等指標(biāo)開始進(jìn)入世界前列，新技術(shù)應(yīng)用推廣具備潛在的政策驅(qū)動(dòng)和市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)。量子保密通信應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于領(lǐng)先，量子計(jì)算和量子測(cè)量領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水平與美歐相比仍有一定差距。

量子信息技術(shù)研究需要通用基礎(chǔ)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)測(cè)控環(huán)境、新型芯片軟件等工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)配套和短板補(bǔ)齊，同時(shí)量子信息技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化也需要專業(yè)化的工藝、工程、軟件、測(cè)試團(tuán)隊(duì)的支撐。

不僅要補(bǔ)齊基礎(chǔ)短板，優(yōu)化工藝、工程、軟件和測(cè)試等各項(xiàng)屬性，為量子信息技術(shù)科研提供有效支撐；還要探索適合我國(guó)的科研機(jī)制體制，建立合作平臺(tái)，打開創(chuàng)新局面，將政策支持真正、高效地轉(zhuǎn)化為核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2019年）》即將發(fā)布

中國(guó)信息通信研究院將于12月26日在北京召開“2020年中國(guó)信通院ICT深度觀察報(bào)告會(huì)”，報(bào)告會(huì)旨在剖析2019年ICT及融合領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)問(wèn)題，展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

在26日下午的主論壇上，中國(guó)信通院將發(fā)布《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2019年）》。

主要觀點(diǎn)

研究報(bào)告在2018年報(bào)告的基礎(chǔ)上，首先綜述2019年量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)，其次對(duì)量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析，包括最新研究成果和里程碑事件，應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，輿論關(guān)注熱點(diǎn)話題，業(yè)界爭(zhēng)議問(wèn)題等，同時(shí)探討應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展情況及前景，最后梳理我國(guó)量子信息技術(shù)發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，以及未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

第一部分闡述量子信息技術(shù)三大領(lǐng)域的發(fā)展歷程和影響意義，分析近年來(lái)各科技強(qiáng)國(guó)在該領(lǐng)域的支持投入和布局推動(dòng)情況進(jìn)行，討論量子信息技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展，梳理科研論文和知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

第二部分為量子計(jì)算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展，分析谷歌量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑突破的意義和影響，綜述物理平臺(tái)研究最新進(jìn)展和發(fā)展前景，討論量子計(jì)算和量子算法應(yīng)用探索進(jìn)展與態(tài)勢(shì)，針對(duì)量子計(jì)算云平臺(tái)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)格局和生態(tài)鏈發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)。

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第三部分為量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展，梳理量子通信技術(shù)研究與樣機(jī)研制的最新成果，分析量子密鑰分發(fā)技術(shù)演進(jìn)發(fā)展方向，總結(jié)量子保密通信應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的成果和趨勢(shì)，針對(duì)量子保密通信系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)安全性，以及規(guī)?；瘧?yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討。

第四部分為量子測(cè)量領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展，分析量子測(cè)量技術(shù)體系、原理優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域，討論基于自旋量子位測(cè)量的研究進(jìn)展和應(yīng)用趨勢(shì)，探討量子糾纏測(cè)量的研究成果和問(wèn)題瓶頸，闡述量子時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，總結(jié)量子測(cè)量應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景。

第五部分討論我國(guó)量子信息技術(shù)發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，展望量子信息技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，分析我國(guó)在三大領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)和綜合實(shí)力，梳理研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題和瓶頸，以及未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

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亮點(diǎn)與創(chuàng)新

第一，本研究報(bào)告是我國(guó)第一本全面系統(tǒng)研究量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的研究報(bào)告，在2018年首次發(fā)布并受到關(guān)注和好評(píng)，近年來(lái)量子信息技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展加速，熱點(diǎn)事件和爭(zhēng)議問(wèn)題廣受關(guān)注，及時(shí)更新發(fā)布具有指導(dǎo)性意義。

第二，本研究報(bào)告對(duì)量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，以及應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題進(jìn)行較為完整的梳理總結(jié)和分析研判，具有促進(jìn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)意義。

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第三，本研究報(bào)告秉持客觀中立立場(chǎng)，既不忽視成果，亦不諱言問(wèn)題，對(duì)量子信息領(lǐng)域的熱點(diǎn)事件和爭(zhēng)議問(wèn)題做出深入客觀的分析和研判，對(duì)于引導(dǎo)社會(huì)輿論和凝聚產(chǎn)業(yè)共識(shí)，具有一定借鑒和參考價(jià)值。

第四，本研究報(bào)告對(duì)歐美和我國(guó)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)做出研判，對(duì)我國(guó)的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，為促進(jìn)我國(guó)量子信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用建言獻(xiàn)策。