第二章 認(rèn)識：什么是量子信息

2.1 量子信息技術(shù)概述

20世紀(jì)，量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展，開啟了人類對微觀物理世界的認(rèn)識。通過對光電效應(yīng)、受激輻射光放大、固體能帶與能級躍遷等現(xiàn)象和規(guī)律的闡釋與利用，誕生了以半導(dǎo)體、激光器和傳感器為代表的信息測量、傳輸與處理技術(shù)，這些技術(shù)成為從工業(yè)社會邁向信息社會的核心驅(qū)動力。21世紀(jì)量子調(diào)控技術(shù)的研究和發(fā)展，將進(jìn)一步深化人類對微觀物理世界的理解。通過開發(fā)新材料、構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)新物態(tài)和研發(fā)新測控手段，對量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等物理現(xiàn)象加以利用，并與通信、信息、材料和能源等領(lǐng)域交叉融合而形成的量子科技，有望成為未來重大技術(shù)范式變革和顛覆式創(chuàng)新應(yīng)用的新源泉。

量子信息技術(shù)是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過對微觀量子系統(tǒng)中物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和觀測，實(shí)現(xiàn)信息感知、計算和傳輸?shù)娜滦畔⑻幚矸绞健Ａ孔有畔⒓夹g(shù)是量子科技的重要組成部分，量子信息技術(shù)和量子科技的關(guān)系如圖2-1所示，量子信息技術(shù)主要包括量子計算、量子通信和量子精密測量三大領(lǐng)域，在提升運(yùn)算處理能力、加強(qiáng)信息安全保護(hù)能力、提高傳感測量精度等方面，具備超越經(jīng)典信息技術(shù)的潛力。

量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉、量子糾纏等原理實(shí)現(xiàn)高效的并行計算，能在計算特定的、復(fù)雜的問題上加速，是未來計算能力跨越式發(fā)展的重要方向。當(dāng)前，量子計算在超導(dǎo)量子、離子阱、光量子、超冷原子、硅基量子點(diǎn)、金剛石色心和拓?fù)淦叽蠹夹g(shù)路線上并行發(fā)展，處于中等規(guī)模含噪聲量子處理器階段。量子計算應(yīng)用場景探索廣泛開展，但尚未實(shí)現(xiàn)“殺手級”應(yīng)用突破。大規(guī)模可容錯通用量子計算仍需長期艱苦努力，業(yè)界尚無實(shí)現(xiàn)時間預(yù)期。

圖2-1　量子信息技術(shù)和量子科技的關(guān)系

來源：中國信息通信研究院

量子通信利用量子疊加態(tài)或糾纏效應(yīng)，在經(jīng)典通信手段的輔助下實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)或信息傳輸，理論層面具有可證明安全性。基于量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步實(shí)用化，新型協(xié)議和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究持續(xù)活躍，樣機(jī)產(chǎn)品研制和示范應(yīng)用探索逐步開展，但應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。基于量子隱形傳態(tài)和量子存儲中繼等技術(shù)構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)是未來重要發(fā)展方向，科研探索與試驗(yàn)雖取得一定進(jìn)展，但距離實(shí)用化仍有很大差距。

量子精密測量對外界物理量變化導(dǎo)致的微觀系統(tǒng)量子態(tài)變化進(jìn)行調(diào)控和觀測，實(shí)現(xiàn)精密傳感測量，精度、靈敏度和穩(wěn)定性等核心指標(biāo)比傳統(tǒng)技術(shù)有數(shù)量級提升。量子精密測量主要技術(shù)方向包括用于新一代定位/導(dǎo)航/授時的光學(xué)原子鐘、光學(xué)時頻傳遞、原子陀螺儀與重力儀等，以及用于高靈敏度檢測與目標(biāo)識別的光量子雷達(dá)、磁場精密測量、物質(zhì)痕量檢測等。量子精密測量主要應(yīng)用場景涵蓋國防軍工、航空航天、地質(zhì)/資源勘測和生物醫(yī)療等眾多行業(yè)領(lǐng)域，多種樣機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化階段。