10月16日下午，高层就量子科技研究和应用前景举行一次会议，强调当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。

去年我们曾做过一期关于全球20家量子计算巨头的研究报告，今天我们来给大家分享下量子计算、量子通信和量子测量三大量子信息技术的发展现状、我国量子技术面临的机遇与挑战，以及全球量子计算专利排名情况。

本期的智能内参，我们推荐中国信通院的研究报告《量子信息技术发展与应用研究报告》和IPRdaily中文网的文章《全球量子计算技术发明专利排行榜》，深入分析量子信息技术三大领域的关键技术、热点问题、发展现状、演进趋势，阐述我国面临的机遇与挑战，以及未来发展态势。

本期内参来源：中国信通院 IPRdaily中文网

原标题：

《量子信息技术发展与应用研究报告》《全球量子计算技术发明专利排行榜》

作者：未注明

一、 量子信息技术总体发展态势

随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入，以及对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子系统（如电子、光子和冷原子等）为操控对象，借助其中的量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃发展。

量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，可以在提升运算处理速度、 信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面突破经典技术的瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。

量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理进行量子并行计算，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，能够在特定计算困难问题上提供指数级加速。量子计算带来的算力飞跃，有可能在未来引发改变游戏规则的计算革命，成为推动科学技术加速发展演进的“触发器”和“催化剂”。

未来可能在实现特定计算问题求解的专用量子计算处理器，用于分子结构和量子体系模拟的量子模拟机，以及用于机器学习和大数据集优化等应用的量子计算新算法等方面率先取得突破。

量子通信利用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。量子密钥分发基于量子力学原理保证密钥分发的安全性，是首个从实验室走向实际应用的量子通信技术分支。

通过在经典通信中加入量子密钥分发和信息加密传输，可以提升网络信息安全保障能力。量子隐形传态在经典通信辅助之下，可以实现任意未知量子态信息的传输。 量子隐形传态与量子计算融合形成量子信息网络，是未来量子信息技术的重要发展方向之一。

量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。主要包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别等方向，广泛应用于基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。量子物理常数和量子测量技术已经成为定义基本物理量单位和计量基准的重要参考，未来量子测量有望在生物研究、医学检测以及面向航天、国防和商业等应用的新一代定位、导航和授时系统等方面率先获得应用。

以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术已成为未来国家科技发展的重要领域之一，世界科技强国都对其高度重视。近年来，欧美国家纷纷启动了国家级量子科技战略行动计划，大幅增加研发投入，同时开展顶层规划及研究应用布局。

英国 2015 年正式启动“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。 2018 年 11 月进行了第二阶段 2.35 亿英镑投资拨款。德国在 2018 年9 月提出“量子技术——从基础到市场”框架计划，拟于 2022 年前投资6.5 亿欧元促进量子技术发展与应用，并可延长资助至 2028 年。

▲欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目

欧盟 2016 年推出为期十年，总投资额超过 10 亿欧元的“量子宣言”旗舰计划，并于 2018 年 10 月启动首批 19 个科研类项目，如上图所示。 2019 年 7 月欧盟 10 国签署量子通信基础设施（ QCI）声明，探讨未来十年在欧洲范围内将量子技术和系统整合到传统通信基础设施之中，以保护智能能源网络、空中交通管制、银行和医疗保健设施等加密通信系统免受网络安全威胁。

美国 2018 年 12 月通过《国家量子行动计划（ NQI）》立法，计划在未来四年增加量子信息科学领域投资 12.75 亿美元，以确保美国在量子技术时代的科技领导力，以及经济安全、信息安全和国家安全。同期发布的《量子信息科学国家战略概述》，规划推动量子计算超大规模数据集优化处理，量子模拟新材料设计和分子功能研究，基于量子隐形传态的安全通信以及量子传感与精密测量等领域的研究，同时设立 3~6 个量子创新实验室（ QILabs），建立全美量子科研网络（ QRNet），推动量子计算接入计划（ QCAP）。

近年来，全球范围内量子信息技术领域的样机研究、试点应用和产业化迅速发展，随着量子计算、量子通信和量子测量等领域新兴应用的演进，在术语定义、性能评价、系统模块、接口协议、网络架构和管理运维等方面的标准化需求也开始逐渐出现。

国际标准化组织纷纷成立量子信息技术相关研究组和标准项目并开展工作， 2018 年以来相关布局与研究工作明显提速。欧洲多国在完成 QKD 现网实验之后，欧洲电信标准化协会（ ETSI）成立ISG-QKD 标准组，已发布包括术语定义、系统器件、应用接口、 安全证明、部署参数等 9 项技术规范，另有 3 项在研。

国际标准化组织和国际电工委员会的第一联合技术委员会（ ISO/IEC JTC1）成立了有我国专家参与的量子计算研究组（ SG2）和咨询组（ AG），发布量子计算研究报告和技术趋势报告，同时在信息安全分技术委员会（ SC27）立项由我国专家牵头的 QKD 安全需求与测评方法标准项目。国际电气和电子工程师协会（ IEEE）启动了量子技术术语定义、量子计算性能指标和软件定义量子通信协议等 3 个研究项目。国际互联网工程任务组（ IETF）成立量子互联网研究组（ QIRG）开展量子互联网路由、资源分配、连接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。

国际电信联盟电信标准化部门（ ITU-T）对量子信息技术发展演进及其未来对信息通信网络与产业的影响保持高度关注。未来网络研究组（ SG13）已开展 QKD 网络的基本框架、功能架构、密钥管理和软件定义控制等方面研究项目，网络安全研究组（ SG17）则在 QKD网络安全要求、密钥管理安全要求、可信节点安全要求、加密功能要求等方面开展研究，我国部门成员和学术成员担任部分标准编辑人并做出重要技术贡献。

此外，我国还推动在 ITU-T 成立面向网络的量子信息技术研究焦点组（ FG-QIT4N），全面开展量子信息技术标准化研究工作。 2019 年 6 月，在上海成功举办了首届 ITU 量子信息技术国际研讨会，广泛邀请全球研究机构和科技公司的专家学者，对量子计算、量子通信、量子测量、量子信息网络（ QIN）等议题开展交流和讨论。 2019 年 9 月， FG-QIT4N 在电信标准化顾问组（ TSAG）全会期间正式成立，由中俄美专家共同担任主席，计划在焦点组研究期内，对 QKD 网络和 QIN 等相关议题开展标准化预研，为 ITU-T 下一个研究期的量子信息技术标准研究工作奠定基础并提出建议。

我国在量子保密通信网络建设和试点应用方面具备较好的研究基础和实践积累，相关标准化研究工作也逐步开展。 2017 年，中国通信标准化协会（ CCSA）成立量子通信与信息技术特设任务组（ ST7），开展量子通信和网络以及量子信息技术关键器件的标准研究，目前已完成 6 项研究报告，并开展量子保密通信术语定义和应用场景， QKD系统技术要求、测试方法和应用接口等国家标准和行业标准的制定。QKD 技术还涉及密码的产生、管理和使用，中国密码行业标准化技术委员会（ CSTC）也开展了 QKD 技术规范和测评体系等密码行业标准的研究。 2019年1月，量子计算与测量标准化技术委员会（ TC578）正式成立，计划开展量子计算和量子测量领域的标准化研究工作。

自上世纪 90 年代开始，各科技强国开始在量子技术领域加大投入，量子计算专利申请开始出现。近年来，量子计算领域的专利申请和授权发展态势情况如图 2 所示， 2012 年之前全球量子计算领域专利申请数量整体保持平稳，专利申请主要来自美国和日本。

▲量子计算领域专利申请及授权情况

2012 年开始，随着欧美科技巨头开始大力投入和持续推动， 以及全球各国科技企业和研究机构之间的相互竞争，更加重视量子计算领域的知识产权布局，专利申请数量出现明显增长。美国在布局时间和申请总量上占有优势，近年来我国量子计算领域专利申请数量的增长趋势更快。通过对比中、美、日、 加的专利申请人的类型可以看出，我国专利更多的来自高校和科研机构，国内科技企业多与科研院所合作，相关研究工作和知识产权布局大多处于起步阶段。

近 20 年来全球量子计算领域研究论文发表趋势和主要发文机构统计如下图所示，随着量子计算从理论走向物理实现，全球论文发表量也保持增长态势，特别是在 2018-19 年研究论文数量激增。从发表论文研究机构来看，近五年来排名前 20 的机构中，中国占据 3 席，分别是中国科学院、中国科学技术大学和清华大学。其中，中国科学院的发文量持续快速上升，过去一年的新增论文数量仅次于美国 MIT和荷兰 TU Delft。美国量子计算研究重要机构多达 10 个，除了高校外， IBM、 Microsoft 和 Google 等科技巨头也有较多研究成果发表。此外，德国 ETH Zurich、 Max Planck Society、加拿大 Waterloo 大学、蒙特利尔大学、日本东京大学也是重要的创新主体。

▲量子计算领域发表论文趋势及主要发文机构

随着美、欧、英、日、韩等国的量子通信研发及试点应用的发展，专利作为重要的技术保护手段受到产学研界的重视，相关专利快速增长，量子通信领域全球专利申请和专利授权发展趋势如下图所示。

▲量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势

美国和日本在量子通信领域的早期专利申请量较多，但近年来，专利申请地域向中国转移。对比专利申请和专利授权来看，由于早期中国专利申请量较少，所以目前看中国授权专利数量少于美国，但是随着我国在量子通信基础研究和应用探索的不断深入，以及量子保密通信产业的发展，预计未来专利授权量还将继续上升，而且也将吸引更多的外国公司来华布局专利。

▲量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构

2005 年之后，量子密钥分发（ QKD）技术研究从理论探索开始走向实用化，相关研究论文数量持续上升，近年 QKD 领域论文发表趋势和主要发文机构如上图所示。其中， QKD 领域 70%的研究论文在近十年发表，文献引证数量也在不断增加， 2018 年发文量创新高。中、美、加、德、新、英等国以科研机构为主，日本则主要来自企业。

我国中科大、北邮、清华、中科院、上交等院校的科研论文数量排名前列。相比之下，量子隐形传态（ QT）的论文数量在 2005 年之前一直高于 QKD，但近年来论文数量保持平稳并呈下降趋势，与其关键技术瓶颈仍未取得突破有一定关系。除欧、美、日科研机构外，我国的中科大、中科院、电子科大和清华的论文发表数量也名列前茅。

与量子计算和量子通信相比，量子测量和量子计量领域的专利申请和研究论文总量偏少，近年也呈现增长趋势，如下图所示。

▲量子测量领域专利申请和论文发表趋势

截至 2019 年 10 月公开的相关专利近千件，并且增长趋势强劲，从专利申请地域来看，美、中、日的专利申请量较多。论文方面，与量子计量（ Quantum metrology）相关的论文数量持续上升，美国加州理工学院、德国苏黎世联邦理工学院以及澳大利亚的高校和科研机构发表了较多的论文。我国的中科大、中科院和北航等单位在量子精密测量领域持续开展科研攻关，开始步入量子测量和量子计量研究论文发表数量的国际前沿行列。

二、 量子计算领域研究与应用进展

量子计算研究始于上世纪八十年代，经历了由科研机构主导的基础理论探索和编码算法研究阶段，目前已进入由产业和学术界共同合作的工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环节。其中， 量子处理器是制备和操控量子物理比特的平台， 量子编码是基于众多物理比特实现可容错逻辑比特的纠错编码，量子算法和软件是将计算困难问题与量子计算并行处理能力结合的映射和桥梁。

目前，量子处理器的物理比特实现仍是量子计算研究的核心瓶颈，主要包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种方案， 研究取得一定进展，但仍未实现技术路线收敛。

超导路线方面， Google 在 2018 年推出 72 位量子比特处理器，Rigetti 正在构建更强大的 128 量子比特处理器。我国中科大在 2019年已实现 24 位超导量子比特处理器，并进行多体量子系统模拟；同时，清华大学利用单量子比特实现了精度为 98.8%的量子生成对抗网络，未来可应用于图像生成等领域。量子比特间的纠缠或连接程度是影响量子计算处理能力的重要因素之一，目前报道的处理器结构设计和量子比特纠缠程度不尽统一，大部分并未实现全局纠缠。

离子阱路线方面， IonQ 已实现 79 位处理量子比特和 160 位存储量子比特。光量子路线方面，中科大已实现 18 位光量子纠缠操控，处于国际领先地位。硅量子点路线方面， 新南威尔士大学报道了保真度为 99.96%的单比特逻辑门和保真度为 98%的双比特逻辑门， 中科大也实现了高保真的单比特逻辑门。 此外，我国本源量子研发了适用于 20 位量子比特的量子测控一体机，用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键信号，实现量子芯片操控。

目前，量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先，但尚无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化的 DiVincenzo 条件，包括：（ 1）可定义量子比特，（ 2）量子比特有足够的相干时间，（ 3）量子比特可以初始化，（ 4）可以实现通用的量子门集合，（ 5）量子比特可以被读出。为充分利用每种技术的优势，未来的量子计算机也可能是多种路线并存的混合体系。

量子优越性（ Quantum Supremacy，也译作“量子霸权”）的概念由 MIT 的 John Preskill 教授首先提出，指量子计算在解决特定计算困难问题时，相比于经典计算机可实现指数量级的运算处理加速，从而体现量子计算原理性优势。 其中， 特定计算困难问题是指该问题的计算处理，能够充分适配量子计算基于量子比特的叠加特性和量子比特间的纠缠演化特性而提供的并行处理能力，从而发挥出量子计算方法相比于传统计算方法在解决该问题时的显著算力优势。

▲Google Sycamore 超导量子计算处理器

2019 年 10 月，《自然》杂志以封面论文形式报道了 Google 公司基于可编程超导处理器 Sycamore， 如上图所示， 实现量子优越性的重要研究成果。该处理器采用倒装焊封装技术和可调量子耦合器等先进工艺和架构设计，实现了 53 位量子物理比特二维阵列的纠缠与可控耦合，在解决随机量子线路采样问题时，具有远超过现有超级计算机的处理能力。 Google 研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜力的首个实际案例，具有里程碑意义。这一热点事件所引发的震动和关注，将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践和应用探索，为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。

需要指出的是，现阶段量子计算的研究发展水平距离实用化仍有较大差距。量子计算系统非常脆弱，极易受到材料杂质、环境温度和噪声等外界因素影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响，甚至计算能力遭到破坏。发展速度最快的超导技术路线，在可扩展性、操控时间和保真度等方面也存在局限。此外，可编程通用量子计算机需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理，克服退相干效应影响，获得可用的逻辑量子比特。

以运行 Shor 算法破译密码为例， 要攻破 AES 加密算法需要数千个量子逻辑比特，转换为量子物理比特可能需要数万个或者更多。现有研究报道中的物理量子比特数量和容错能力与实际需求尚有很大差距，量子逻辑比特仍未实现。通用量子计算机的实用化，业界普遍预计仍需十年以上时间。

在达到通用量子计算所需的量子比特数量、量子容错能力和工程化条件等要求之前，专用量子计算机或量子模拟器将成为量子计算发展的下一个重要目标。结合量子计算和量子模拟应用算法等方面研究，在量子体系模拟、分子结构解析、大数据集优化和机器学习算法加速等领域开发能够发挥量子计算处理能力优势的“杀手级应用”，将为量子计算技术打开实用化之门。

量子处理器需要在苛刻的环境下进行运算和储存，通过云服务进行量子处理器的接入和量子计算应用推广成为量子计算算法及应用研究的主要形式之一。用户在本地编写量子线路和代码，将待执行的量子程序提交给远程调度服务器，调度服务器安排用户任务按照次序传递给后端量子处理器，量子处理器完成任务后将计算结果返回给调度服务器，调度服务器再将计算结果变成可视化的统计分析发送给用户，完成整个计算过程。近年来，越来越多的量子计算公司和研究机构发布量子计算云平台，以实现对量子处理器资源的充分共享，并提供各种基于量子计算的衍生服务。

▲量子计算云平台通用体系架构

量子计算云平台的通用体系架构如上图所示，主要包括计算引擎层、基础开发层、 通用开发层、应用组件层和应用服务层。量子计算云平台的服务模式主要分为三种：

一是量子基础设施服务（ q-IaaS），即提供量子计算云服务器、量子模拟器和真实量子处理器等计算及存储类基础资源；

二是量子计算平台服务（ q-PaaS），即提供量子计算和量子机器学习算法的软件开发平台，包括量子门电路、量子汇编、量子开发套件、量子算法库、量子加速引擎等；

三是量子应用软件服务（ q-SaaS），即根据具体行业的应用场景和需求设计量子机器学习算法，提供量子加速版本的 AI 应用服务，如生物制药、分子化学和交通治理等。目前，量子计算云平台以 q-PaaS 模式为主，提供量子模拟器、计算工具和开发套件等软件服务。随着量子计算物理平台与云基础设施的深度结合，以及量子处理器功能和性能的不断发展，q-IaaS 模式比重将逐步增多。未来，随着量子计算产业进一步发展成熟、生态逐步开放，将有更多的行业和企业尝试通过 q-SaaS 模式对其业务处理进行赋能。

美国量子计算云平台布局较早，发展迅速。 IBM 已推出 20 位量子比特的量子云服务，提供 QiKit 量子程序开发套件，建立了较为完善的开源社区。 Google 开发了 Cirq 量子开源框架和 OpenFermion-Cirq量子计算应用案例，可搭建量子变分算法（ Variational Algorithms），模拟分子或者复杂材料的相关特性。 Rigetti 推出的量子计算云平台以混合量子+经典的方法开发量子计算运行环境，使用 19 位量子比特超导芯片进行无监督机器学习训练及推理演示，提供支持多种操作系统的 Forest SDK 量子软件开发环境。

我国量子计算云平台起步较晚，目前发展态势良好，与国际先进水平相比在量子处理器、量子计算软件方面的差距逐步缩小。中科大与阿里云共同推出 11 位超导量子计算云接入服务。华为发布 HiQ 量子计算模拟云服务平台，可模拟全振幅的 42 位量子比特，单振幅的81 位量子比特，并开发兼容 ProjectQ 的量子编程框架。本源量子推出的量子计算云平台可提供 64 位量子比特模拟器和基于半导体及超导的真实量子处理器，提供 Qrunes 编程指令集， Qpanda SDK 开发套件，推出移动端与桌面端应用程序，兼具科普、教学和编程等功能，为我国量子计算的研究和应用推广提供了有益探索。

在量子计算领域，美国近年来持续大力投入，已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面，如下图所示，并建立了在技术研究、样机研制和应用探索等方面的全面领先优势。

▲美国量子计算研究与应用发展模式

英、欧、日、澳等国紧密跟随，领先国家之间通过联合攻关和成果共享， 正在形成并不断强化联盟优势。我国近年来取得系列研究成果，但与美国相比仍有一定差距。此外，印度、韩国、俄罗斯、以色列等国也开始将量子计算技术列入国家技术计划加大投入。

科技巨头间的激烈竞争，推动量子计算技术加速发展。 Google、IBM、英特尔、微软在量子计算领域布局多年，霍尼韦尔随后加入，产业巨头基于雄厚的资金投入、工程实现和软件控制能力积极开发原型产品、展开激烈竞争，对量子计算成果转化和加速发展助力明显。Google 在 2018 年实现 72 位超导量子比特，在 2019 年证明量子计算优越性。 IBM 在 2019 年 1 月展示具有 20 位量子比特的超导量子计算机，并在 9 月将量子比特数量更新为 53 位。微软在 2019 年推出量子计算云服务 Azure Quantum，可以与多种类型的硬件配合使用。霍尼韦尔的离子阱量子比特装置已进入测试阶段。

我国阿里巴巴、腾讯、百度和华为近年来通过与科研机构合作或聘请具有国际知名度的科学家成立量子实验室，在量子计算云平台、 量子软件及应用开发等领域进行布局。阿里与中科大联合发布量子计算云平台并在 2018 年推出量子模拟器“太章”。腾讯在量子 AI、药物研发和科学计算平台等应用领域展开研发。百度在 2018 年成立量子计算研究所，开展量子计算软件和信息技术应用等业务研究。华为在2018 年发布 HiQ 量子云平台，并在 2019 年推出昆仑量子计算模拟一体原型机。我国科技企业进入量子计算领域相对较晚，在样机研制及应用推动方面与美国存在较大差距。

初创企业是量子计算技术产业发展的另一主要推动力量。初创企业大多脱胎于科研机构或科技公司，近年来，来自政府、产业巨头和投资机构的创业资本大幅增加，初创企业快速发展。目前，全球有超过百余家初创企业，涵盖软硬件、基础配套及上层应用各环节，如下图所示，企业集聚度以北美和欧洲（含英国）最高。

▲量子计算领域科技公司和初创企业分布

尽管量子计算目前仍处于产业发展的初期阶段，但军工、气象、金融、石油化工、 材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别和咨询等众多行业已注意到其巨大的发展潜力，开始与科技公司合作探索潜在用途，生态链不断壮大，如下图所示。

▲量子计算研发主体与产业应用生态

在量子计算研究和应用发展的同时， 其产业基础配套也在不断完善。 2019 年英特尔与 Bluefors 和 Afore 合作推出量子低温晶圆探针测试工具，加速硅量子比特测试过程。 本源量子创立本源量子计算产业联盟， 2019 年携手中船鹏力共建量子计算低温平台。

当前阶段，量子计算的主要应用目标是解决大规模数据优化处理和特定计算困难问题（ NP）。机器学习在过去十几年里不断发展，对计算能力提出巨大需求，结合了量子计算高并行性的新型机器学习算法可实现对传统算法的加速优化，是目前的研究热点。量子机器学习算法主要包括异质学习（ HHL） 算法、量子主成分分析（ qPCA）、量子支持向量机（ qSVM）和量子深度学习等。目前，量子机器学习算法在计算加速效果方面取得一定进展，理论上已证明量子算法对部分经典计算问题具有提速效果，但处理器物理实现能力有限，算法大多只通过模拟验证，并未在真实系统中进行迭代，仍处发展初期。

目前，基于量子退火和其他数据处理算法的专用量子计算机，已经展开系列应用探索。 Google 联合多家研究机构将量子退火技术应用于图像处理、蛋白质折叠、交通流量优化、空中交通管制、海啸疏散等领域。 JSR 和三星尝试使用量子计算研发新材料特性。埃森哲、Biogen 和 1Qbit 联合开发量子化分子比较应用，改善分子设计加速药物研究。

德国 HQS 开发的算法可以在量子计算机和经典计算机上有效地模拟化学过程。摩根大通、巴克莱希望通过蒙特卡洛模拟加速来优化投资组合， 以提高量化交易和基金管理策略的调整能力，优化资产定价及风险对冲。量子计算应用探索正持续深入，未来 3-5 年有望基于量子模拟和嘈杂中型量子计算（ NISQ） 原型机在生物医疗、分子模拟、 大数据集优化、量化投资等领域率先实现应用。

三、 量子通信领域研究与应用进展

量子通信主要分量子隐形传态（ Quantum Teleportation，简称 QT）和量子密钥分发（ Quantum Key Distribution，简称 QKD）两类。 QT基于通信双方的光子纠缠对分发（信道建立）、贝尔态测量（信息调制）和幺正变换（信息解调）实现量子态信息直接传输，其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成。 QKD 通过对单光子或光场正则分量的量子态制备、传输和测量，首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享，再与传统加密技术相结合完成经典信息加密和安全传输，基于 QKD 的保密通信称为量子保密通信。

近年来， QT 研究在空、天、地等平台积极开展实验探索。 2017年，中科大基于“墨子号”量子科学实验卫星，实现星地之间 QT 传输，低轨卫星与地面站采用上行链路实现量子态信息传输，最远传输距离达到 1400 公里，成为目前 QT 自由空间传输距离的最远记录。

2018年，欧盟量子旗舰计划成立量子互联网联盟（ QIA），由 Delft 技术大学牵头，采用囚禁离子和光子波长转换技术探索实现量子隐形传态和量子存储中继，计划在荷兰四城市之间建立全球首个光纤 QT 实验网络，基于纠缠交换实现量子态信息的直接传输和多点组网。 2019 年，南京大学报道基于无人机开展空地量子纠缠分发和测量实验，无人机携带光学发射机载荷，完成与地面接收站点之间 200 米距离的量子纠缠分发测量。目前， QT 研究仍主要局限在各种平台和环境条件下的实验探索，包括高品质纠缠制备、量子态存储中继和高效率量子态检测等关键技术瓶颈尚未突破，距离实用化仍有较大距离。

近年来， QKD 的实验研究不断突破传输距离和密钥成码率的记录。 2018 年，东芝欧研所报道了新型相位随机化双光场编码和传输实验，实现 550 公里超低损耗光纤传输距离记录，其中的双光场中心测量节点可以作为量子中继的一种替代方案。中科大和奥地利科学院联合报道了基于“墨子号”卫星实现7600公里距离的洲际QKD和量子保密通信，在可用时间窗口内，基于卫星中继的密钥传输平均速率~3kbps，在两地 QKD 密钥累积一定数量之后，可以用于进行图片和视频会议等应用的加密传输。

日内瓦大学报道了采用极低暗记数的超导纳米线单光子探测器的 QKD 传输实验，创造了 421 公里的单跨段光纤传输最远距离，对应密钥成码率 0.25bit/s，在 250 公里光纤传输距离对应密钥成码率为 5kbit/s。东芝欧研所也报道基于 T12 改进型QKD 协议和 LDPC 纠错编码的 QKD 系统实验，在 10 公里光纤信道连续运行 4 天，平均密钥成码率达到 13.72Mbps。 QKD 实验研究进一步提升系统性能和传输能力，为应用推广奠定基础。

在量子通信领域，还有量子安全直接通信（ Quantum Secure Direct Communication，简称 QSDC）技术方向也值得关注。 QSDC 系统中信息接收端为 Bob，信息发射端为 Alice。 Bob 端脉冲光源经过衰减器和随机信号控制相位调制后，输出单光子量子态信号，在 Alice 端随机抽样检测一部分量子态信号，对剩余的量子态信号用两种不同幺正变换编码，发送经典信息，并通过原信道以时分复用方式反向回传到 Bob 端， Bob 端根据接收到的单光子量子态与初始制备态的差异性检测，解调出 Alice 的编码信息。

▲量子安全直接通信原理样机实验系统

2019 年，清华大学物理系基于首创的 QSDC 理论和实验方案， 实现了原理实验样机研制，如下图所示，并完成实验室光纤环境中基于 QSDC 的信息直接传输演示实验。实验室环境 10 公里光纤信道传输文件的信息传输平均速率约为 4.69 kbit/s。 QSDC 的技术结合了QKD 和 QT 的部分技术思想，以及信道安全容量分析等信息论方法，能够基于量子物理学和信息论同步实现经典信道安全状态监测和信息加密传输。目前实验样机系统的信息传输速率较为有限，需使用低温制冷超导探测器，实用化和工程化水平仍有较大提升空间。

随着 QKD 技术进入实用化阶段，并不断开展试点应用和网络建设，进一步提升其实用化和商用化水平成为科研机构和产业链上下游关注和技术演进的主要方向。 QKD 实用化技术和应用演进的主要方向包括基于光子集成（ PIC）技术提升收发机的集成度，采用连续变量（ CV） QKD 技术开展实验和商用设备开发，以及开展 QKD 与现有光通信网络的共纤传输和融合组网等方面的研究与探索。

QKD 技术的商用化需要在设备集成度，系统可靠性，解决方案性价比和标准化程度等方面进行提升。通过与 PIC 和硅光等新型技术进行融合，可以进一步实现 QKD 设备光学组件的小型化和集成化，同时提升系统的功能性能和可靠性，目前已经成为研究机构和产业链上下游关注的焦点之一。英国 Bristol 大学已报道了基于 InP 和 SiON等材料的 PIC 技术方案，可以实现 QKD 设备量子态信号调制器和解调器的芯片化集成，支持多种编码调制方案，可一定程度提高 QKD系统工程化水平，但目前脉冲光源和单光子探测器（ SPD）模块仍难以实现集成。我国深圳海思半导体有限公司和山东国讯量子芯科技有限公司等，在 QKD 调制解调芯片化领域也进行了研究布局。

CV-QKD 中的高斯调制相干态（ GG02）协议应用广泛，系统采用与经典光通信相同的相干激光器和平衡零差探测器，具有集成度与成本方面的优势，量子态信号检测效率可达 80%，便于和现有光通信系统及网络进行融合部署。主要局限是协议后处理算法复杂度高，长距离高损耗信道下的密钥成码率较低，并且协议安全性证明仍有待进一步完善。 CV-QKD 具有低成本实现城域安全密钥分发的潜力，应用部署难度小，产业链成熟度高，未来可能成为 QKD 规模应用可行解决方案。

2019 年，北大和北邮报道了在西安和广州现网 30 公里和 50公里光纤，采用线路噪声自适应调节和发射机本振共纤传输方案，实现 5.91kbit/s 和 5.77kbit/s 的密钥成码率，为 CV-QKD 现网实验的新成果，并在青岛开展现网示范应用。

QKD 商用化系统在网络建设和部署过程中，由于量子态光信号的极低光功率，以及单光子探测器的超高检测灵敏度，所以通常需要独立的暗光纤进行传输，而与其他光通信信号进行共纤混合传输，可能导致光纤内产生的拉曼散射噪声影响单光子检测事件响应的正确率。

QKD 系统与光通信系统的共纤混传能力是限制现网部署的一个关键性因素，也是未来发展演进的重要研究方向之一。目前，已有中科大，东芝欧研所，中国电信和中国联通等报道了基于 1310nm 的 O波段 DV-QKD 系统与 1550nm 的 C 波段光通信系统的共纤混传实验和现网测试，但 QKD 系统的密钥成码率对光纤的损耗敏感，在实际应用部署中并不推荐使用 O 波段，并且 1310nm 的 QKD 系统商用化程度较低。

商用 QKD 系统通常采用 1550nm 的 C 波段作为量子态光信号波长，与 1310nm 的 O 波段光通信设备的共纤混传，也在部分运营商进行了相关测试。在限制光通信信号功率至接收机灵敏度范围的条件下，可以支持 QKD 在约 50 公里的城域范围内共纤传输和融合部署，并且密钥成码率与独占光纤传输条件仍基本保持相同量级。未来，在含有光放大器的商用光通信系统中，进行 QKD 系统的融合组网和共纤传输，仍然是重要研究方向，在共纤传输方面， CV-QKD 采用本振光相干探测和平衡接收，对于拉曼散射噪声具有较强的容忍度，相比 DV-QKD 具有一定原理性优势。

基于 QKD 的量子保密通信在全球范围内进一步开展了试点应用和网络建设，欧盟“量子旗舰计划”项目支持西班牙和法国等地运营商，开展 QKD 实验网络建设，与科研项目结合进行商业化应用探索。韩国 SKT 等运营商通过收购瑞士 IDQ 股权等方式，也开始介入 QKD技术领域，并承建了韩国首尔地区的 QKD 实验网络。

我国量子保密通信的网络建设和示范应用发展较为迅速，近年来中科大潘建伟院士团队及其产业公司开展了“京沪干线”和国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程等 QKD 网络建设项目。中国科大郭光灿院士团队联合相关企业建设了从合肥到芜湖的“合巢芜城际量子密码通信网络”，以及从南京到苏州总长近 600 公里的“宁苏量子干线”；华南师大刘颂豪院士团队和清华大学龙桂鲁教授团队联合启动建设覆盖粤港澳大湾区的“广佛肇量子安全通信网络”。我国的QKD 网络建设和示范应用项目的数量和规模已处于世界领先。

▲我国 QKD 领域主要研究机构和设备商

在产业链发展方面，近年来我国又新增了一批由科研机构转化或海外归国人才创立的 QKD 设备供应商，并且在技术路线上呈现多元化发展态势， QKD 技术研究机构和设备供应商情况如上图所示。CV-QKD 技术在北大、北邮、上海交大和山西大学等高校和研究机构中取得大量研究成果。上海循态量子、北京启科量子、北京中创为量子和广东国腾量子等公司加入 QKD 设备供应商行列，同时传统通信设备行业中的华为和烽火等设备供应商，也开始关注基于 CV-QKD等技术的商用化设备，并与传统通信设备和系统进行整合，探索为信息网络中的加密通信和安全增值服务提供解决方案。

基于 QKD 的量子保密通信目前主要用于点到点的密钥共享和基于 VPN 和路由器等有线网络的信息传输加密。探索将 QKD 与无线通信加密应用场景结合，对于扩展量子保密通信的应用场景，开拓商业化应用市场，以及推动产业化发展具有重要价值。

其中的主要难点是量子密钥一旦生成之后，就不再具有由量子物理特性保证的安全性，所以密钥本身不能再通过通信网络进行二次传输。通过使用 QKD 网络作为密钥分发基础设施，在不同 QKD 网络节点的安全管理域内，使用密钥充注设备可以为符合一定安全性等级要求的移动存储介质，例如 SD 卡等，进行密钥充注。

密钥存储介质再与具备身份认证和加密通信功能的无线终端进行融合，可以实现使用量子密钥对无线终端与加密服务器之间的身份认证和会话密钥协商过程的加密保护，从而为无线通信领域的加密应用提供一定程度的量子加密服务。目前该解决方案已有初步商用化设备，并开始探索在政务和专网等高安全性需求领域的无线加密通信应用，未来可能成为扩展量子保密通信商业化应用的一个重要方向。

在量子保密通信试点应用和网络建设发展的同时，量子保密通信系统和网络的现实安全性也是学术界、产业界和社会舆论关注的问题之一。近来，中科大郭光灿院士团队和上海交大金贤敏教授团队发表的关于 QKD 系统现实安全性的研究论文，进一步引发了关于量子保密通信系统和网络现实安全性的讨论。

QKD 技术经过近 40 年的发展，其中密钥分发的安全性由量子力学的基本原理保证，理论安全性证明也相对完备， QKD 技术在提供对称密钥的安全性方面的价值已经获得全球学术界和产业界的承认和共识，但基于 QKD 的量子保密通信系统和网络的现实安全性仍然是值得关注和研究的问题。

QKD 只是量子保密通

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