量子信息技术发展与应用研究报告

量子信息技术发展与应用量子信息技术发展与应用 中国信息通信研究院 中国信息通信研究院 2022021 1年年1 12 2月月 No.202127 研究报告研究报告 版权声明版权声明 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。 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。 前前 言言 以量子计算、 量子通信和量子测量为代表的量子信息技术可能引 发信息技术体系的颠覆性创新与重构， 并诞生改变游戏规则的变革性 应用，从而推动信息通信技术换代演进和数字经济产业突破发展。 2020 年 10 月，习近平总书记在中央政治局第二十四次专题集体学习 中，做出把握量子科技大趋势，下好先手棋的系列重要指示，为加快 促进我国量子信息技术领域发展提供了战略指引和根本遵循。2021 年 3 月， “十四五”规划正式发布，明确提出量子信息领域组建国家 实验室，实施重大科技项目，谋划布局未来产业，加强基础学科交叉 创新等一系列规划部署。 近年来，量子计算、量子通信和量子测量三大领域科研探索和技 术创新持续活跃， 代表性研究成果亮点纷呈， 应用场景探索广泛开展， 产业生态培育方兴未艾。 我国量子信息技术领域具备良好的研究与应 用实践基础，三大领域总体发展态势良好，未来有望进一步取得更多 技术研究、应用探索与产业培育新成果。 中国信息通信研究院连续三年发布《量子信息技术发展与应用 研究报告》 ， 得到主管部门和业内专家广泛认可。 为对量子信息技术 总体发展态势、三大领域研究与应用进展情况和热点问题，及技术 演进和应用前景等进行持续跟踪研判，我们组织研究编写了 2021 年版《量子信息技术发展与应用研究报告》 ，供业界参考。 目目 录录 一、量子信息技术总体发展态势 1 （一）量子科技突破经典极限，打开未来科学新疆域 1 （二）量子信息技术成为全球各国科技政策布局热点 3 （三）量子信息各领域科研加速发展，技术创新活跃 6 （四）量子信息技术国际国内标准化取得阶段性成果 9 （五）量子信息产业培育起步，政产学研协同成趋势 11 二、量子计算领域研究与应用进展 14 （一）多种硬件技术路线并存，工程研发仍面临挑战 14 （二）量子软件与算法研发活跃，开源开放多样发展 18 （三）实用案例成为关注重点，多领域探索蓄势待发 22 （四）量子计算云平台深化发展，各方探索竞争合作 25 （五）科技巨头与初创公司并进，产业生态逐步培育 30 三、量子通信领域研究与应用进展 34 （一）量子通信科研多方向不断深化，进展成果丰富 34 （二）以星地量子通信为契机促进空间量子科学发展 38 （三）QKD 应用场景持续探索，产业化水平仍待提升 . 41 （四）PQC 升级成大势所趋，QKD 发展需明确定位 44 （五）基于 QRNG 的加密应用成为关注与探索新方向 . 47 四、量子测量领域研究与应用进展 50 （一）量子测量技术发展面向超高精度和超经典能力 50 （二）样机性能指标不断提升，新方向探索取得进展 54 （三）技术应用场景和领域广泛，多方开拓发展活跃 59 （四）量子测量产业化尚处起步阶段，产业链待完善 63 五、量子信息技术演进与应用前景展望 66 （一）各领域研究持续推进，应用产业探索广泛开展 66 （二）国内外发展态势与促进研究应用发展的关注点 68 附录 I：量子信息技术国际/国内标准化进展 71 附录 II：缩略语表 75 图 目 录 图 1 量子信息三大领域近年来科研论文发表情况 . 7 图 2 量子信息三大领域近年来专利申请趋势 . 8 图 3 量子信息三大领域专利聚类分析 . 8 图 4 近年全球各国量子信息技术领域产业联盟 . 12 图 5 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 . 17 图 6 量子计算软件分类、定位及现状 18 图 7 IBM 量子计算软件生态培育推广动态 22 图 8 量子计算实用化应用探索发展方向 23 图 9 量子计算云平台服务实现示意图 26 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布情况 . 31 图 11 量子计算领域产业联盟发展情况 32 图 12 TF-QKD 传输距离新记录（a）东芝欧研（b）中科大 . 34 图 13 量子信息网络原型试验（a）美国 ORNL（b）荷兰 Delft. 37 图 14 基于―墨子号‖卫星和―京沪干线‖天地一体化组网验证 39 图 15 中科大基于 PIC 芯片的真空态涨落 QRNG 系统 48 图 16 量子测量技术体系框架 . 51 图 17 量子测量技术的典型应用场景 . 59 图 18 量子测量技术产业链与代表性企业视图 . 63 表表 目目 录录 表 1 近年全球量子信息领域项目规划布局与投资情况 3 表 2 ITU-T 量子信息技术标准化进展 71 表 3 ETSI 量子信息技术标准化进展 72 表 4 ISO/IEC JTC1 量子信息技术标准化进展 . 72 表 5 IRTF 量子信息技术标准化进展 72 表 6 IEEE 量子信息技术标准化进展 73 表 7 CCSA 量子信息技术标准化进展 73 表 8 CSTC 量子信息技术标准化进展 74 表 9 TC578 量子信息技术标准化进展 . 74 量子信息技术发展与应用研究报告 1 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子科技突破经典极限，打开未来科学新疆域（一）量子科技突破经典极限，打开未来科学新疆域 量子是近原子尺度的微观粒子系统，如光子、电子、离子等，及 粒子中蕴含的各类物理量，如自旋、能级等，不可分割的最小单位。 量子力学研究和刻画微观粒子系统的结构、性质及其相互作用，与信 息论共同奠定了信息获取、 处理和传输技术发展与应用的物理和理论 基础，成为连接物质、能量和信息三大基本要素的桥梁与纽带，也是 推动人类社会从工业时代跨入信息时代的关键使能者。 随着数十年来信息通信技术的飞速发展， 经典信息技术的极限和 边界，如摩尔定律晶体管制程工艺极限，通信信道香农容量极限和光 学测量成像衍射极限等， 正被不断逼近并逐步成为未来进一步提升信 息运算处理能力、组网传输效率和传感测量精度的重大挑战。虽然技 术和工程领域的不断创新仍将推动信息通信技术持续演进， 但可带来 技术体系重构和极限边界突破的划时代变革， 可能需要藉由物理基础 和信息理论基础的重大创新才能实现。 量子调控技术，如激光原子冷却、离子阱囚禁和单光子探测等， 通过对微观粒子系统的精确操控与观测， 为开发和利用量子力学中的 叠加态、纠缠态和压缩态等独特物理现象，提供前所未有的新颖物理 基础，有望引发颠覆性创新和改变游戏规则的技术应用。量子调控技 术赋能信息通信，诞生了以量子计算、量子通信和量子测量为代表的 量子信息技术，将成为突破经典信息技术极限，拓展未来科学技术新 疆域，推动信息技术和数字经济发展演进的新动能。 量子信息