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中国信通院:量子信息技术发展与应用研究报告(2018年)(45页).pdf

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    国信 量子 信息技术 发展 应用 研究 报告 2018 45
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    1、 量子信息技术发展与应用量子信息技术发展与应用 研究报告研究报告 (2012018 8 年)年) 中国信息通信研究院中国信息通信研究院 2012018 8年年1 12 2月月 版权声明版权声明 本本研究研究报告报告版权属于版权属于中国信息通信研究院中国信息通信研究院,并受法律,并受法律 保护。转载、摘编或利用其它方式使用本保护。转载、摘编或利用其它方式使用本研究研究报告报告文字或文字或 者观点的,应注明者观点的,应注明“来源:来源:中国信息通信研究院中国信息通信研究院”。违反上述。违反上述 声明者,本院将追究其相关法律责任。声明者,本院将追究其相关法律责任。 前前 言言 随着人类对微观粒子系统。

    2、的观测和调控能力不断突破和提升, 利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、 处理和传输已经成为可能,量子科技革命的第二次浪潮即将来临。 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术是未来信 息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一,其研究和应用发展在 未来国家科技发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域,也将产 生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 近年来,量子信息技术发展与应用呈现加速趋势,全球各国普 遍关注和重视,我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也进 一步提高。 2018 年 5 月 28 日, 习近平总书记在两院院士大会上的讲 话中指出,“以人工智能、量子信息、。

    3、移动通信、物联网、区块链为 代表的新一代信息技术加速突破应用。” 为推动我国量子信息技术研究与产业应用的健康发展,澄清原 理概念、分析问题瓶颈、凝聚发展共识,中国信息通信研究院组织 编写了量子信息技术发展与应用研究报告 (2018 年) 。本报告深 入解读量子信息技术概念原理、关键技术、应用现状、产业发展、 问题瓶颈和未来发展趋势,并提出相关策略建议。 目目 录录 一、量子信息技术发展背景一、量子信息技术发展背景 . 1 (一)量子科技革命第二次浪潮即将来临 . 1 (二)量子信息技术在全球范围广受重视 . 2 (三)量子信息技术概念原理与三大领域 . 3 二、量子计算技术与应用进展二、量子计。

    4、算技术与应用进展 . 4 (一)量子计算技术研究与发展现状 . 4 (二)量子计算应用和产业生态发展 . 6 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 . 11 三、量子通信技术与应用进展三、量子通信技术与应用进展 . 12 (一)量子通信技术研究与发展现状 . 12 (二)量子保密通信应用和产业进展 . 18 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 . 23 四、量子测量技术与应用进展四、量子测量技术与应用进展 . 24 (一)量子测量概念原理与技术体系 . 24 (二)量子测量五大方向研究与发展现状 . 26 (三)我国发展应用面临的问题与挑战 . 31 五、演进趋势、发展态五、演进趋势、发展态势与。

    5、策略建议势与策略建议 . 32 (一)量子信息技术整体演进趋势 . 32 (二)量子信息领域国际发展态势 . 34 (三)促进我国量子信息技术发展的策略建议 . 36 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 1 一、量子信息技术发展背景 (一)量子科技革命第二次浪潮即将来临(一)量子科技革命第二次浪潮即将来临 量子是构成物质的基本单元,是不可分割的微观粒子(譬如光子 和电子等)的统称。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、 性质及其相互作用, 量子力学与相对论一起构成了现代物理学的两大 理论基础,为人类认识和改造自然提供了全新的视角和工具。 上世纪中叶,随着量子。

    6、力学的蓬勃发展,人类开始认识和掌握微 观物质世界的物理规律并加以应用,以现代光学、电子学和凝聚态物 理为代表的量子科技革命第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导 体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破, 为现代信息社会的形 成和发展奠定了基础。 受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足, 这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律, 例如能级跃 迁、受激辐射和链式反应,但对于物理介质的观测和操控仍然停留在 宏观层面,例如电流、电压和光强。 进入二十一世纪,随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统 操控等微观调控技术的突破和发展, 以精确观测和调控微观粒子系统, 利用叠加态和纠缠态等独特。

    7、量子力学特性为主要技术特征的量子科 技革命第二次浪潮即将来临。量子科技的革命性发展,将极大的改变 和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力,为未来信息社会的 演进和发展提供强劲动力。量子科技与通信、计算和传感测量等信息 学科相融合,形成全新的量子信息技术领域。 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 2 (二二)量子信息技术)量子信息技术在全球范围广受重视在全球范围广受重视 近年来,全球多国加快量子信息技术研究与应用布局,推动技术 研究和应用发展。日本文部科学省 2013 年成立量子信息和通信研究 促进会以及量子科学技术研究开发机构, 计划未来十年内投资 400 。

    8、亿 日元,支持量子通信和量子信息领域的研发。英国 2014 年设立“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。欧盟 2016 年推出“量子宣言” 旗舰计划,在未来十年投资 10 亿欧元,支持量子计算、通信、模拟 和传感四大领域的研究和应用推广, 并在 2018 年 11 月正式启动首批 20 个研究项目。 美国近十年来,已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目, 以每年约 2 亿美元的投入力度,持续支持量子信息各领域研究。在全 球量子信息技术加快发展的背景下,美国进一步加大投入,在 2018 年 6 月推出 国家量子行动计划 。

    9、(NQI) 法案, 计划在 2019 年至 2023 年的第一阶段,在原有基础上每年新增 2.55 亿美元投资,共计 12.75 亿美元,加快推动量子信息技术研发与应用。2018 年 9 月美国白宫 发布量子信息科学国家战略概述 ,总结量子信息科学带来的挑战 和机遇,并分析美国在该领域维持和扩大领先优势的措施。 我国持续支持量子信息技术领域的研究探索, 近年来重视和支持 力度进一步加大。2018 年 5 月 28 日,习近平总书记在两院院士大会 上的讲话中指出,“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区 块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。”自然科学基金、“863” 中国信息通信研究院 。

    10、量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 3 计划、“973”计划和中科院战略先导专项等国家科技项目,在过去十 余年来, 对量子信息领域的基础科研和前沿应用研究进行了大量布局 和投入。自 2016 年起,我国进一步设立国家重点研发计划“量子调控 与量子信息”重点专项,支持量子信息重点技术领域研究。2018 年进 一步研究筹建国家级实验室和论证设立新科技项目, 继续加强量子信 息领域的支持力度和顶层布局规划。 (三三)量子信息技术概念原理与三大领域)量子信息技术概念原理与三大领域 量子信息技术通过对光子、 电子和冷原子等微观粒子系统及其量 子态进行精确的人工调控和观测, 借助量子叠加和量子。

    11、纠缠等独特物 理现象,以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。量子信 息主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大技术领域。 量子计算以量子比特为基本单元, 通过量子态的受控演化实现数 据的存储计算, 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。量子计算技术所带来的算力飞跃,有可能成为未来科技加速 演进的“催化剂”,一旦取得突破,将在基础科研、新型材料与医药研 发、信息安全与人工智能等经济社会的诸多领域产生颠覆性影响,其 发展与应用对国家科技发展和产业转型升级具有重要促进作用。 量子通信利用微观粒子的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信息或密钥。

    12、传输安全性,主要 分量子隐形传态和量子密钥分发两类。 量子通信和量子信息网络的研 究和发展,将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响,成 为未来信息通信行业的科技发展和技术演进的关注焦点之一。 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 4 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。量子测量主要包括时间基准、惯性测 量、重力测量、磁场测量和目标识别五个方向,应用涵盖基础科研、 空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。 以量子计算、 量子通信和。

    13、量子测量为代表的量子信息技术是未来 科技创新发展的重要突破口和触发器, 也是信息通信技术演进和产业 升级的关注焦点之一。 量子信息技术研究和应用发展在未来国家科技 发展、新兴产业培育和经济建设等诸多领域,将产生基础共性乃至颠 覆性重大影响。 二、量子计算技术与应用进展 (一)量子计算技术研究与发展现状(一)量子计算技术研究与发展现状 1.量子计算带来算力飞跃,具有攻克无解难题潜力 计算能力是信息化发展的核心, 随着社会经济对信息处理需求的 不断提高, 以半导体大规模集成电路为基础的经典计算性能提升或将 面临瓶颈。量子计算是基于量子力学的新型计算方式,利用量子叠加 和纠缠等物理特性,以微观粒子构。

    14、成的量子比特为基本单元,通过量 子态的受控演化实现计算处理。随着量子比特数量增加,量子计算算 力可呈指数级规模拓展, 理论上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、以及攻克经典计算无解难题的巨大潜力。 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 5 2.量子计算处于技术验证和原理样机研制关键阶段 量子计算基础理论创立于上世纪八十年代,技术研究、实验验证 与样机研发的发展历程如图 1 所示。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 1 量子计算技术发展历程 量子计算包含处理器、编码和软件算法等关键技术,近年来发展 加速, 但仍面临量子比特数量少。

    15、、 相干时间短、 出错率高等诸多挑战, 目前处于技术研究和原理样机研制验证的关键阶段, 超越经典计算的 性能优势尚未得到充分证明。 量子处理器有超导、离子阱、半导体、中性原子、光量子、金刚 石色心和拓扑等多种技术路线,现阶段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实用化要求并趋向技术收敛。 量子 系统非常脆弱,极易受材料杂质、环境温度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。量子编 码是解决量子退相干难题、 将多个脆弱的“物理比特”构造成能够纠错 和容错的“逻辑比特”的关键使能技术。 现有量子纠错编码存在阈值高、 效率低的问题,尚未突破实现。

    16、第一个“逻辑比特”。算法和软件是硬件 处理器充分发挥计算能力和解决实际问题的神经中枢。 量子计算相比 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 6 于经典计算的加速能力与量子算法息息相关,例如 Shor 和 Grover 算 法在密码破译和数据搜索问题上可分别实现指数级和平方根级加速。 然而量子算法的开发需紧密结合量子叠加、纠缠等物理特性,不能直 接移植经典算法。目前量子计算算法的数量有限,只在部分经典计算 难以解决的复杂问题上存在潜在优势,并非普适于解决所有问题。 3.专用机可能率先突破,量子计算与经典计算并存 量子计算机可分为通用机和专用机两类, 通用量子计算机需。

    17、要上 百万甚至更多物理比特,具备容错计算能力,需要量子算法和软件的 支撑,其实用化是长期渐进过程。专用量子计算机用于解决某些经典 计算难以处理的特定问题,只需相对少量物理比特和特定算法,实现 相对容易且存在巨大市场需求。业内专家预测,未来五年左右,美国 有可能在模拟、优化等领域的专用量子计算方面率先取得突破。 在与经典计算的比较和发展定位方面, 量子计算目前只在部分经 典计算不能或难以解决的问题上具备理论优势, 且尚未得到充分证明, 并非在所有问题的解决上都优于经典计算。此外,量子计算机的复杂 操控仍需要经典计算机辅助,在未来相当长时间内,量子计算都无法 完全取代经典计算,两者将长期并跑、相辅。

    18、相承。有业内专家表示, 量子计算未来或可能成为辅助经典计算的特殊处理器, 专注于解决某 些特定计算问题。 (二)量子计算应用和产业生态发展(二)量子计算应用和产业生态发展 1.美国综合实力全球领跑,欧、日、澳等国紧密跟随 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 7 美国大力投入量子计算领域, 取得系列重要成果并建立领先优势。 科研领域顶尖人才聚集,加州大学、马里兰大学、哈佛大学和耶鲁大 学等研究机构取得大量原创开拓性成果。谷歌、IBM、英特尔和微软 等科技巨头近年来大举进军量子计算领域,发展模式如图 2 所示。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 2。

    19、 美欧领先国家量子计算发展模式 美国已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局 面。Rigetti computing、IonQ 和 Qubitek 等初创公司极具创新活力, 涵盖芯片、硬件、软件和云平台等多个领域。2013 年谷歌联合美国 国家航空航天局成立人工智能实验室,与 D-Wave 合作开展量子退火 模拟专用机研究;2014 年谷歌与美国加州大学圣塔芭芭拉分校顶尖 科研团队合作,共同进行通用量子计算机研发;2017 年谷歌与创业 公司 Rigetti Computing 合作推出开源量子计算软件平台。 荷兰代尔夫 特理工大学和应用科学研究组联合成立的 QUTech 研究所在。

    20、超导、 半 导体硅量子点和拓扑路线均有布局,并与英特尔、微软等紧密合作。 英国、奥地利在离子阱量子计算领域均有布局。澳大利亚集中研究半 导体量子计算技术路线。此外,美欧日澳等国家通过联合研究和成果 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 8 共享,形成并不断强化的联盟优势。 2.产业巨头开展全球合作,推动技术与应用加速发展 目前,量子计算技术的研究与应用探索广受重视,成为新兴技术 领域热点,并已经初具产业生态,如图 3 所示。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 3 量子计算初具产业生态 谷歌、IBM、英特尔和微软等科技巨头已成为推动量子计算原理 样。

    21、机研发加速发展的重要力量。从技术路线来看,谷歌和 IBM 致力 于超导体系, Intel 同时涉猎硅半导体和超导体系, 微软布局全新的拓 扑路线。从发展模式来看,几大巨头在全球范围内联动优势资源展开 广泛合作。英特尔与荷兰 QuTech 研究所、德国马普量子光学中心、 美国国家标准技术研究院等研究机构联合推进硅半导体量子计算。 微 软与荷兰 QuTech 研究所、 丹麦玻尔研究所等合作研究拓扑量子计算。 IBM 对金融、汽车、电子、材料等不同应用领域的全球合作伙伴开放 量子计算云平台,推动产业应用,量子计算初具产业生态。 从研究成果来看, Google、 IBM 等产业巨头加入超导量子比特技 。

    22、术研究后,量子比特数量迭代速度明显加快,尤其近三年由 9 位拓展 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 9 至 72 位,实现了 8 倍迅速提升,如图 4 所示。尽管几家公司在量子 比特数量的成果中未披露全部技术细节,引发一定争议,但不可否认 的是量子计算近年来在科技巨头的推动下发展速度十分迅速。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 4 量子计算物理比特位数发展趋势 从专利申请量来看,如图 5 所示,量子计算 2000 年之前处于理 论和算法研究阶段,专利量较少,随着量子计算进入实验验证阶段, 2001-2011 年期间专利量开始出现增长。近年来在。

    23、国际科技巨头的推 动下,专利进入快速增长期。近年来,中国受理的专利申请数量快速 增长,一方面是由于国内高校和科研单位越来越重视知识产权,另一 方面是源于国外巨头如微软、NTT 等公司的在华专利布局。 来源:中国信息通信研究院知识产权中心 图 5 量子计算技术专利申请情况 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 10 全球专利申请主要来自中美日加韩英德等国, 体现研究和应用进 展水平。从专利申请量排名来看,如图 6 所示,微软、谷歌、IBM、 英特尔等 IT 和互联网企业专利申请量最多,加拿大量子计算机公司 D-Wave 的专利申请量突出, 且该公司在中国也有布局。 。

    24、美国 Northrop Grumman、日本的日本科学振兴机构(JST) 、NTT、Toshiba、Sony、 NEC 等也提出了较多量子计算技术方案,进入专利申请数量排名前 二十的我国申请人有阿里巴巴和中科院。 来源:中国信息通信研究院知识产权中心 图 6 量子计算专利申请主要公司分布图 3.我国近年来研究发展较快,与欧、美尚有一定差距 我国量子计算以科研机构为主,在量子计算基础理论、物理实现 体系、 软件算法等领域均有研究布局, 中国科学技术大学、 清华大学、 浙江大学等研究机构近年来取得一系列具有国际先进水平的研究成 果,为我国量子计算发展奠定了坚实基础。从各国高水平 SCI 论文总 中。

    25、国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 11 量和热点论文来看,美国位列第一,我国、德国分列第二和第三位; 在被引次数方面,我国紧随美国、德国和英国之后。在代表性研究成 果方面,中科大、浙江大学等联合实现了 11 位超导量子比特纠缠, 中科大分别实现了光量子体系 18 比特纠缠和半导体体系 3 比特逻辑 门, 清华大学实现了相干时间最长的离子阱体系量子储存。 阿里巴巴、 腾讯、百度和华为等科技公司开始关注和投资量子计算领域,阿里与 中科大联合发布量子计算云平台, 华为宣布了由量子计算模拟器和编 程框架组成的云平台,但总体而言进入较晚、参与度有限,在产品工 程化及应用推。

    26、动方面与美国科技巨头存在明显差距。 国内首家量子计 算初创企业合肥本源量子 2017 年成立, 为研究和应用注入了新动力。 我国在量子计算领域虽已取得一定成绩,但在关键技术指标、重大创 新成果、发展模式与体制、产业基础与应用、人才引进和培养等方面 仍存在一些不容忽视的问题与挑战,与欧、美等国存在较大差距。 (三)(三)我国发展我国发展应用面临的问题与挑战应用面临的问题与挑战 1.关键技术尚未突破,算力优势仍待证明 量子计算技术研究与应用仍处于发展早期阶段, 大规模量子比特 物理实现、量子纠错编码、量子算法软件等关键技术仍处于艰难的研 究拓展阶段。量子系统脆弱性对计算准确度影响较大,现有系统的相。

    27、 干时间、量子比特数量和操控精度不足以运行已有的高级量子算法, 其超越经典计算的算力优势尚未得到充分证明。 2.发展模式仍在摸索,多方尚未形成合力 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 12 我国量子计算研发由研究机构主导,科技企业进入晚、参与度有 限,初创企业仅有一家。科研体制较难适应量子计算领域快速变化的 新情况, 在产品工程化及应用推动方面与美国科技巨头主导存在差距。 产学研用各方力量分散,结合不紧密,缺乏美国政府、科技企业、科 研机构、产业界和投资力量多方协同的发展模式。 3.产业基础存在短板,有受制于人的风险 量子计算属于交叉学科,需要量子物理、应用数学。

    28、、计算机科学 等多种专业的协同配合,我国在跨学科合作方面存在体制机制壁垒, 效率有限。量子计算机研制属于巨型系统工程,涉及众多产业基础和 工程实现环节,我国在高品质材料样品、工艺结构、制冷设备和测控 系统等领域仍落后于领先国家,存在关键环节受制于人的风险。 三、量子通信技术与应用进展 (一)量子通信技术(一)量子通信技术研究与研究与发展现状发展现状 量子通信与现有通信技术不同,可以实现量子态信息的传输,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。

    29、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, 之后再与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密 和安全传输。基于 QKD 的保密通信称为量子保密通信。量子通信技 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 13 术研究与应用发展历程如图 7 所示。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 7 量子通信技术发展历程 1.量子隐形传态处于前沿研究阶段,实。

    30、用化尚有距离 二十世纪上半叶,量子力学理论的创立和发展,以及量子叠加、 量子纠缠和非定域性等概念的提出和讨论为量子通信奠定理论基础。 1982 年,法国科学家首次实验观测到光子系统中的量子纠缠现象, 奥地利维也纳大学在 1997 年完成首个室内自由空间 QT 实验,2012 年报道 143 公里自由空间最远距离 QT 实验。2015 年,日本 NTT 公 司报道了 102 公里超低损光纤最远距离 QT 实验。我国中科大、中科 院和清华大学等单位,自 2005 年起在北京八达岭和青海湖等地,陆 续开展了系列自由空间 QT 实验。 2015 年完成首个自由空间单光子偏 振态和轨道角动量双自由度 Q。

    31、T 实验, 2017 年基于墨子号量子科学实 验卫星,实现迄今为止最远距离的 1400 公里星地 QT 传输。 现阶段各类QT实验报道仍局限于证明原理可行性和观测实验现 象,基于 QT 的量子通信距离实用化仍有一定距离。QT 中的纠缠光 源目前通常采用激光器和非线性晶体组合制备, 纠缠光子对生成属于 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 14 基于测量验证的后验概率过程,生成效率和应用场景受限,高品质确 定性纠缠光源的实用化前景仍不明朗。此外,纠缠光子对在分发传输 过程中,极易受到环境噪声和量子噪声的影响而产生消相干效应,量 子纠缠特性难以保持。 采用基于量子态存。

    32、储和纠缠交换技术的量子中 继,可以克服量子纠缠分发过程中的消相干问题,延长传输距离。但 是,目前量子态存储各种技术方案,如气态冷原子系综、稀土离子掺 杂晶体和 QED 腔原子囚禁等,在存储时间、保真度、存储容量和效 率等方面各有优缺点, 但尚无一种技术方案能够同时满足全部指标的 实用化要求,量子存储和量子中继技术仍有待研究突破。 基于QT的量子通信和量子互联网仍将是未来量子信息技术领域 的前沿研究热点。 美国 NQI 法案将基于 QT 的安全通信, 以及通过量 子互联网实现量子计算机的大规模互联与信息通信列为四大应用领 域之一。欧洲“量子宣言”旗舰计划在首批项目中,成立量子因特网联 盟(QIA。

    33、) ,支持荷兰 Delft 技术大学等研究机构,进行量子通信终端 和量子中继器研发,并计划 2020 年在荷兰四个城市间,建立首个支 持量子比特传输和组网的量子通信实验网。 2.量子密钥分发进入产业化初级阶段,仍有技术瓶颈 1984 年美国 IBM 科学家提出了首个实用化量子密钥分发 BB84 协议,使 QKD 技术研究从理论探索走向现实。2005 年中国科学家提 出多强度诱骗态调制方案,解决了 QKD 弱相干脉冲光源的多光子安 全漏洞,为 QKD 的实用化打开了大门。2003 年开始,世界各国逐步 开展了 QKD 试点应用和实验网建设,产生了一批由科研机构转化的 中国信息通信研究院 量子信息。

    34、技术发展与应用研究报告(2018 年) 15 初创型企业。经过三十余年发展,QKD 从理论协议到器件系统初步 成熟,目前已进入产业化应用的初级阶段。 QKD 协议根据量子态信息编码方式不同,可以分为针对单光子 调制的离散变量 (DV) 协议和针对光场正则分量调制的连续变量 (CV) 协议。DV-QKD 包括 BB84 协议、差分相移(DPS)协议和相干单向 (COW)协议等多种方案,其中又以 BB84 协议应用最为成熟,安 全性证明更加完备,系统设备商用化水平较高。集成诱骗态调制的 BB84-QKD 设备根据单光子量子态调制解调方式不同, 还可以进一步 细分为偏振调制型、相位调制型和时间相位调。

    35、制型等种类。BB84 协 议后处理流程主要包括对基筛选(Sifting) 、误码估计(Error estimation) 、纠错核对(Error correction) 、结果校验(Confirmation) 和保密增强(Privacy amplification)五个步骤。其中,误码估计和保 密增强是保障 QKD 安全性的核心步骤,纠错校验算法效率是限制 QKD 安全成码率的瓶颈之一。 DV-QKD 系统中的单光子探测器(SPD)是限制安全成码率的另 一个主要瓶颈。目前商用 DV-QKD 系统中主要采用雪崩二极管探测 器 (APD) , 探测效率较低 (20%) 。 新型超导纳米线探测器 (。

    36、SNSPD) 光子探测效率很高(90%) ,但要求接近绝对零度(-273)的工作 环境,集成化和工程化存在困难。 由于协议算法处理和关键器件性能的限制,QKD 系统传输距离 和密钥速率有限,且二者相互制约。实验室条件 DV-QKD 超低损光 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 16 纤单跨段最远传输距离1为 421.1 公里(71.9dB 损耗) ,安全密钥成码 率约为 0.25bit/s,使用极低暗记数率(0.1Hz)的 SNSPD。最高密钥 成码率2为 11.53Mbit/s,光纤传输距离为 10 公里(2dB 损耗) 。 CV-QKD 中的高斯调制相干态(。

    37、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 是未来有潜力的发展方向之一。 QKD 城域组网中通常采用合分波器或光开关实现量子态光信道 和同步光信道的波分复用或光通路切换(时分复用) 。由于量子中继 技术尚不成熟,目前 QKD 光纤系统长距离传输只能依靠密钥落地、 逐跳中继的可信中继技术。 可信中继节点的密钥存储管理和中继转发 。

    38、需要满足密码行业标准和管理规范的相关要求, 并且站点通常需要满 足信息安全等级保护的相关要求或具备相应的安全防护条件。 实际 QKD 系统和器件的非理想特性无法满足协议理论安全性证 明的假设要求,QKD 系统漏洞攻击和安全防护是科研领域的热点之 一。虽然学术研究性质的漏洞攻击是否会对实际部署 QKD 系统的安 全性产生现实影响还有待进一步评估与验证,但 QKD 技术研究和设 备研发仍有必要进行持续的安全性测试和升级改进。 QKD 技术演进发展方向主要包括增强系统性能,提升现实安全 1 数据来源:PhysRevLett.121.190502 2 数据来源:JLT.2018.2843136 中国信。

    39、息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 17 性和提高实用化水平等三个方面。例如采用量子态信息高维编码 (HD-QKD)和相位随机双光场(TF-QKD)等新型协议增强系统安 全成码率和传输能力;采用新型测量设备无关(MDI-QKD)协议消 除探测器相关安全漏洞,提升现实安全性水平;开展 QKD 系统与经 典光通信系统的共纤传输和融合组网研究, 以及基于光子集成技术的 QKD 器件芯片化研究,进一步提高其实用化水平。 3.星地量子通信成为未来研究和应用发展方向之一 量子态光信号或光子纠缠对在光纤或自由空间中的传输距离仅 为百公里量级,量子中继技术目前尚不成熟。卫星平台具备信。

    40、道损耗 小、覆盖面广、生存性强等优点,已成为大尺度环境下量子通信科学 研究和广域组网的较理想平台。星地量子通信属于航天技术、空间光 学与量子技术相结合的前沿领域, 需要解决卫星捕获跟踪对准 (ATP) 、 信道实时补偿和星地定时同步等一系列工程技术难题, 同时还需要克 服气象条件影响、全天时运行和高可靠运维等方面的挑战。 2016 年 8 月中科大联合中科院和航天科技集团等多家单位,成 功发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017 年在科学和 自然杂志报道千公里级星地量子通信的三项前沿研究成果。与其 他国家报道的类似项目和实验相比, 我国在星地量子通信领域的科学 研究与工程水平处于领先。

    41、,体现出集中力量办大事的制度优势。 “墨子号”属于实验性质卫星, 由于工作波长受日光背景噪声影响 和自身轨道高度限制,只能晴朗夜间的短时间窗口(数分钟/天)和 地面站之间进行量子态信号传输。未来通过采用 1550nm 工作波长结 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 18 合上转换探测器有望提高检测效率并实现全天时工作, 或可进一步探 索星地量子通信和量子密钥分发广域组网等相关应用。 (二)量子保密通信应用和产业进展(二)量子保密通信应用和产业进展 量子保密通信使用 QKD 提供的密钥并采用对称加密体制实现业 务信息的加密传输,系统原理如图 8 所示。QKD 设备。

    42、结合光开关、 波分复用器等传输辅助设备完成量子态光信号物理层传输和点到点 QKD 密钥生成。量子密钥管理设备负责网元管理、密钥管理和基于 可信中继的端到端密钥生成。量子加密应用设备,主要包括量子加密 VPN 和量子加密路由器等, 使用 QKD 密钥对业务信号进行加密处理 和传输接收。量子加密应用设备和传统保密通信设备在加密算法、校 验算法、整体功能和性能等方面基本一致,主要区别在于使用 QKD 密钥替换传统保密通信中双方通过协商得到的加密密钥。 来源:中国信息通信研究院 图 8 量子保密通信系统原理图 1.全球试点应用逐步开展,我国数量规模处于领先 量子保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的。

    43、技术方向, 也 是未来提升信息安全保障能力的可选技术方案之一。近年来,量子保 中国信息通信研究院 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 19 密通信试点应用项目和实验网络建设在全球多国逐步开展, 主要国家 和试点应用项目如图 9 所示。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 9 全球量子保密通信试点应用与网络建设 2003 年, 美国 DARPA 资助哈佛大学建立了世界首个量子保密通 信实验网。2008 年开始,欧洲多国通过 SECOQC 和瑞士量子等项目 进行了 QKD 组网验证。2010 年,日本与欧洲联合建立东京量子保密 通信试验床网络,多家科研机构持续进行现网实。

    44、验。2015 年,英国 启动连接剑桥、布里斯托和南安普顿的量子保密通信测试网络建设, 韩国 SKT 宣布计划建设总长约 256 公里的量子保密通信网络。2016 年,欧盟“量子宣言”旗舰计划公布泛欧量子安全互联网规划。2018 年, 美国 Quantum XChange 公司公布连接华盛顿特区和波士顿的 800 公里商用 QKD 线路建设计划。 我国面临的信息安全形势复杂,在政务、金融和关键基础设施等 领域,提高信息安全保障能力的需求较为紧迫,量子保密通信的试点 应用呈现出需求牵引、政策驱动、快速发展的特点,主要试点应用项 目和网络建设情况如图 10 所示。目前,我国量子保密通信试点应用 量子信息技术发展与应用研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 20 项目数量和网络建设规模已处于全球领先。 来源:中国信息通信研究院根据文献及公开信息整理 图 10 我国量子保密通信试点应用与网络建设 2016 年 12 月量子保密通信“京沪干线”技术验证与应用示范。

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    本文标题:中国信通院:量子信息技术发展与应用研究报告(2018年)(45页).pdf
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