第二章 認識：什么是量子信息

2.1 量子信息技術概述

20世紀，量子力學的創立和發展，開啟了人類對微觀物理世界的認識。通過對光電效應、受激輻射光放大、固體能帶與能級躍遷等現象和規律的闡釋與利用，誕生了以半導體、激光器和傳感器為代表的信息測量、傳輸與處理技術，這些技術成為從工業社會邁向信息社會的核心驅動力。21世紀量子調控技術的研究和發展，將進一步深化人類對微觀物理世界的理解。通過開發新材料、構筑新結構、發現新物態和研發新測控手段，對量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等物理現象加以利用，并與通信、信息、材料和能源等領域交叉融合而形成的量子科技，有望成為未來重大技術范式變革和顛覆式創新應用的新源泉。

量子信息技術是以量子力學原理為基礎，通過對微觀量子系統中物理狀態的制備、調控和觀測，實現信息感知、計算和傳輸的全新信息處理方式。量子信息技術是量子科技的重要組成部分，量子信息技術和量子科技的關系如圖2-1所示，量子信息技術主要包括量子計算、量子通信和量子精密測量三大領域，在提升運算處理能力、加強信息安全保護能力、提高傳感測量精度等方面，具備超越經典信息技術的潛力。

量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉、量子糾纏等原理實現高效的并行計算，能在計算特定的、復雜的問題上加速，是未來計算能力跨越式發展的重要方向。當前，量子計算在超導量子、離子阱、光量子、超冷原子、硅基量子點、金剛石色心和拓撲七大技術路線上并行發展，處于中等規模含噪聲量子處理器階段。量子計算應用場景探索廣泛開展，但尚未實現“殺手級”應用突破。大規模可容錯通用量子計算仍需長期艱苦努力，業界尚無實現時間預期。

圖2-1　量子信息技術和量子科技的關系

來源：中國信息通信研究院

量子通信利用量子疊加態或糾纏效應，在經典通信手段的輔助下實現密鑰分發或信息傳輸，理論層面具有可證明安全性。基于量子密鑰分發（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步實用化，新型協議和實驗系統的研究持續活躍，樣機產品研制和示范應用探索逐步開展，但應用與產業發展面臨諸多挑戰。基于量子隱形傳態和量子存儲中繼等技術構建量子信息網絡是未來重要發展方向，科研探索與試驗雖取得一定進展，但距離實用化仍有很大差距。

量子精密測量對外界物理量變化導致的微觀系統量子態變化進行調控和觀測，實現精密傳感測量，精度、靈敏度和穩定性等核心指標比傳統技術有數量級提升。量子精密測量主要技術方向包括用于新一代定位/導航/授時的光學原子鐘、光學時頻傳遞、原子陀螺儀與重力儀等，以及用于高靈敏度檢測與目標識別的光量子雷達、磁場精密測量、物質痕量檢測等。量子精密測量主要應用場景涵蓋國防軍工、航空航天、地質/資源勘測和生物醫療等眾多行業領域，多種樣機產品進入實用化與產業化階段。