量子信息技术发展与应用 研究报告 （2019 年） 中国信息通信研究院 2019年12月 版权声明 本白皮书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白皮书文字或者观 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 量子信息技术以微观粒子系统为操控对象，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， 能够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 等方面带来原理性优势和突破经典技术瓶颈。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。 近年来，以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息 技术的研究与应用在全球范围内加速发展，各国纷纷加大投入力度 和拓宽项目布局。三大领域的技术创新活跃，专利与论文增长较为 迅速，重要研究成果和舆论热点层出不穷。我国量子信息技术研究 和应用探索具备良好的实践基础，加大支持力度，突破瓶颈障碍， 聚力加快发展，有望实现与国际先进水平并跑领跑。 为推动我国量子信息技术应用探索和产业化健康发展，中国信 息通信研究院在 2018 年发布研究报告基础上，组织编写了《量子信 息技术发展与应用研究报告》（2019 年），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。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势 ............................................................................... 1 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一..................................... 1 （二）各国加大量子信息领域的支持投入和布局推动..................................... 2 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展..................................... 4 （四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速..................................... 6 二、量子计算领域研究与应用进展 ......................................................................... 11 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛............................................. 11 （二）“量子优越性”突破里程碑，实用化尚有距离 ............................................. 12 （三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾 ................................................. 14 （四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大 ................................................. 16 （五）应用探索持续深入，“杀手级应用”或可期待 ............................................. 19 三、量子通信领域研究与应用进展 ......................................................................... 20 （一）量子通信技术研究和样机研制取得新成果 ................................................. 20 （二）量子密钥分发技术演进关注提升实用化水平............................................. 23 （三）量子保密通信应用探索和产业化进一步发展............................................. 25 （四）量子保密通信网络现实安全性成为讨论热点............................................. 27 （五）量子保密通信规模化应用与产业化仍需探索............................................. 29 四、量子测量领域研究与应用进展 ......................................................................... 32 （一）量子测量突破经典测量极限，应用领域广泛............................................. 32 （二）自旋量子位测量有望实现芯片化和集成应用............................................. 36 （三）量子纠缠测量处于前沿研究，实用尚有距离............................................. 37 （四）超高精度量子时钟同步有望助力未来通信网............................................. 38 （五）量子测量产业初步发展，仍需多方助力合作............................................. 40 五、量子信息技术发展与应用展望 ......................................................................... 42 （一）理论与关键技术待突破，领域发展前景各异............................................. 42 （二）我国具备良好的实践基础，机遇和挑战并存............................................. 45 图 目 录 图 1 欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目 ................................................... 3 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况........................................................... 7 图 3 量子计算领域发表论文趋势及主要发文机构........................................... 8 图 4 量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势........................................... 8 图 5 量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构........................................... 9 图 6 量子测量领域专利申请和论文发表趋势................................................. 10 图 7 Google Sycamore 超导量子计算处理器 .................................................... 13 图 8 量子计算云平台通用体系架构................................................................. 15 图 9 美国量子计算研究与应用发展模式......................................................... 17 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布............................................... 18 图 11 量子计算研发主体与产业应用生态 ....................................................... 19 图 12 量子安全直接通信原理样机实验系统................................................... 22 图 13 我国 QKD 领域主要研究机构和设备商 ................................................ 26 图 14 量子测量的基本流程和主要步骤........................................................... 33 图 15 外界物理量与量子体系的作用机制....................................................... 34 图 16 量子测量主要应用领域和技术体系....................................................... 35 图 17 高精度时钟同步在通信网络中的应用................................................... 39 图 18 量子测量科研及产业发展情况............................................................... 41 图 19 量子信息技术发展与应用趋势展望....................................................... 44 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 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