量子信息

量子是离散变化的最小单元，在不同的语境下对应着不同的对象。微观世界运行遵循了物质组成的离散变化(如光是由光子组成的)和物理量的离散变化(如氢原子中电子能量处于特定的能级上)两大离散变化的特征，在这一基础上人类建立了“量子力学”来描述微观世界的物理学理论。由于宏观物质的性质是由其微观结构所决定的，所以量子力学的应用无处不在。量子信息诞生在20世纪80年代，是量子力学与信息科学的交叉学科，是借助量子力学的特性，实现经典信息科学中实现不了的功能，通过对光子、电子等微观粒子系统及其量子态进行人工观测和调控，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息的一门技术。

在量子信息中，包含量子比特、量子叠加、量子纠缠三个基础概念

(1)量子比特。比特是通信和计算的最小单元引申至量子力学领域，量子比特则是量子计算中的最小信息单位。与比特不同的是，一个量子比特可能的基本状态为|0>；态和|1>；态，所以其间包含的信息量显著增加，在面对计算量指数级增长的问题时，量子比特的潜在优势就能很大程度的发挥出来。

(2)量子叠加。指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。在量子系统中，量子态是指微观粒子所处的一系列不连续的恒稳运动状态。在无外界观测干扰时，量子系统可处于一系列量子态叠加态上，即著名的“薛定谔的猫”。

(3)量子纠缠。量子力学学科中，几个粒子彼此相互作用后，因为各个粒子本身的特性已综合形成整体性质，单独描述各个粒子的性质已经无法做到，只能描述整体系统的性质，那么此种现象就是量子缠结或量子纠缠。也就是说，如果两个量子比特构成一个量子纠缠态，那么无论携带这两个量子比特的粒子相距多远，只要其中一个量子比特的测量状态发生改变，那么另一个的状态马上发生改变。爱因斯坦把它叫做“幽灵般的超距作用”。在量子信息学中，量子纠缠位置非常重要，不论是量子通信中的量子隐形传态还是量子计算中的逻辑门操作，都离不开量子纠缠。

量子信息按照研究内容可以分为量子计算、量子通信、量子测量三个大类，其下又可以分为量子因数分解、量子搜索、量子保密通信(又称量子密钥分发、量子密码术，QKD)、量子隐性传态(QT)等应用领域。

(1)量子通信：能够通过借助量子技术，完成经典通信无法完成的任务。是当前量子信息各领域中最先实现应用化的领域。当前的研究方向主要是量子密匙分发和量子隐形传态。

(2)量子计算：一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算在量子信息研究中非常重要，最终目标是实现可实用化的量子计算机。

(3)量子测量：基于对光子和冷原子等微观粒子系统的调控和观测，实现对时间、磁场、重力场等多种物理量信息的超高精度测量。是量子信息和精密测量的交叉科学，通过利用量子系统本身的精密性和敏感性，采用量子通信和量子计算中操控超冷原子和单光子等技术，为人类提供更准确的时间、空间、频率等基准、更准确的常数、更准确的外界环境参数、以及更准确的导航定位等。

1984美国、加拿大，量子保密通信，美国科学家CharlesH.Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard提出BB84协议

1994美国，量子因数分解，肖尔发明了一种因数分解的量子算法，可以将因数分解计算量减少到多项式级别

1996美国，量子搜索，罗格弗提出了一种搜索的量子算法，对经典算法的计算量有了指数级的改进

1997奥地利，量子隐性传态，赛格林、潘建伟等在《自然》上发表了《实验量子隐性传态》，第一次实现了量子隐性传态，并入选了《自然》“百年物理学21篇经典论文”

2003-2005韩国、加拿大、中国科学家提出了诱骗态协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级

2007中国、澳大利亚，量子因数分解，中科大潘建伟和陆朝阳等人及澳大利亚布利斯班大学团队同时用量子算法分解了质因数15=3*5

2012中国，量子保密通信，中科院潘建伟团队在青海湖的湖心岛实现了百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，验证了量子通信卫星的可行性。

2015中国，量子隐性传态，潘建伟和陆朝阳等人在《自然》上发表了《单个光子的多个自由度的量子隐性传态》，首次实现了多自由度量子隐性传态，并被英国物理学会评为2015年十大物理突破之首

2016.8.16中国，量子保密通信，我国发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”

2016.11中国，量子保密通信，中科大、清华、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作，将量子密码术的安全传输距离提高到了404公里，而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。

2016.12中国，量子纠缠，中科大潘建伟团队实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠，刷新了以前同一研究组创造的8个光子纠缠的世界纪录。

2017中国，量子因数分解，中科大杜江峰和彭新华等人实验上分解了291311=523*557

2017.5中国，量子计算机，中科大潘建伟和陆朝阳等人宣布造出了世界上第一台超越早期电子计算机的光量子计算机。

2017.6中国，量子纠缠，中科大潘建伟、彭承志等人在《科学》上发表文章，宣布在国际上首次实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发

2017.8中国，中科大潘建伟、彭承志等人在《自然》上发表文章，宣布在国际上首次实现了从卫星到地面的量子秘钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。

2017.9.29中国，量子保密通信，中国开通了世界上第一条量子保密通信干线——“京沪干线”

2018.7.3中国，量子纠缠，中科大潘建伟团队实现了18个光子的纠缠态，刷新了以前同一研究组创造的10个光子纠缠的世界纪录。

2019.7.4中国，量子保密通信，中科院潘建伟、陈宇翱、徐飞虎等人在《自然·光子学》上发表《没有量子存储的量子中继》，宣布在世界上首次实现了全光量子中继。

2019.9中国，量子保密通信，2019年9月，中科大、清华、中科院上海微系统所等单位合作，在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验，验证了700公里以上光纤远距离量子密钥分发的可行性，是实用双场量子密钥分发的重要里程碑。

2019.10.23美国，量子计算机，谷歌研究院在《自然》上发表文章，宣布新的53位量子计算机Sycamore处理器可以在200秒内运行需要全球最庞大的超级计算机耗时10000年才能完成的测试，实现了所谓的“量子霸权”(后《自然》杂志官方澄清：量子霸权被夸大)

2019.12美国，量子因数分解，由IBM创造了量子因数分解的最新记录，可以将1，099，551，473，989分解成1，048，589*1，048，601

2020.2.12美国，IBM推出了53量子比特的量子计算机，并计划向外部用户开放使用。

2020.3.中国，量子保密通信，2020年3月，中科大、清华、济南量子技术研究院等单位合作，首次实现500公里级真是环境光纤的双量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里

根据众诚智库发布的《2021年全球量子信息发展报告》量子信息的物理基础与特征主要有量子的不可克隆性、量子的非局域性、量子态的叠加性

(1) 量子的不可克隆性

1982年，美国物理学家伍特斯(Wootters)和泽勒克(Zurek) 提出证明在量子力学允许的范围内，无法精确复制一个未知量子态，使得复制得到的量子态与原量子态相同。该定理进而可以延伸为“未知量子比特不可以被精确复制，使得每个复制比特与初始量子比特相同”。不可克隆定理意味着不存在物理过程可精确地复制任意量子态。该定理是量子密码安全性的基础，也是量子信息提取不可逾越的障碍。

(2)量子的非局域性

贝尔定理指出:任何与量子力学具有相同预测的理论将不可避免地具有非局域性。具体来讲，两个相互纠缠的微观粒子存在这种非局域关，联，对其中之一施加作用，另一粒子瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远。

(3)量子态的叠加性

微观粒子呈现波粒二象性，其状态可采用波函数ψ来描述。微观粒子的各种可观测量(如位置、动量、能量等)一般都不具有确定值，亦即其状态是不确定的。而宏观物体的状态是完全确定的。于是量子世界的粒子状态必须满足态的叠加原理: |ψ>； =a|0〉+β |1)。量子态的叠加性从根本上赋予了量子计算机“并行计算”的能力。

2016.3.16 十二届全国人大四次会议《十三五国民经济和社会发展规划》培育发展战略性产业：加强前瞻布局，在空天海洋、信息网络、生命科学、核技术等领域，培育一批战略性产业。大力发展新型飞行器及航行器、新一代作业平台和空天一体化观测系统，着力构建量子通信和泛在安全物联网，加快发展合成生物和再生医学技术，加速开发新一代核电装备和小型核动力系统、民用核分析与成像，打造未来发展新优势。

2016.12.19 国务院 《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》持续推动量子密钥技术应用。统筹布局量子芯片、量子编程、量子软件以及相关材料和装置制备关键技术研发，推动量子计算机的物理实现和量子仿真的应用。

2017.11.21 发改委 《国家发展改革委办公厅关于组织实施 2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知》国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程作为支持重点，在京津冀、长江经济带等重点区域建设量子保密通信骨干网及城域网，并在若干地区设卫星地面站，形成量子保密通信骨干环网。

2018.2. 发改委 《 2018 年新一代信息基础设施建设工程拟支持项目名单》“国科量子通信网络有限公司国家广域量子保密通信骨干网络建设工程项目” 为支持项目之一

2018.3.13 山东省科学技术局《山东省量子技术创新发展规划(2018-2025 年)》

先行建设连接济南青岛、横贯我省东西的量子保密通信‘齐鲁干线’及城域量子保密通信网络

国盾量子：量子通信全球龙头，中科大为公司第一大股东，国内量子信息领域学术带头人潘建伟是公司第二大股东。量子通讯设备制造商和量子安全解决方案供应商，量子通信产业化的开拓者、实践者和引领者。

神舟信息：2012年开始积极参与量子通信干线系统建设，大力推进量子在国家重点行业中的试点和推广工作，承建了80%的建设工程，是京沪干线的主要承建者，武合干线、量子保密通信骨干网一期工程(沪合段、汉广段)的承建方。公司间接持有国盾量子1%股权。

卫士通：2018年4月中国网安与国盾量子签署战略合作协议，联合打造量子安全系列化产品，为政务、金融、能源等领域信息安全提供系统解决方案。中国网安是公司控股股东，而且公司作为国内密码行业龙头，已经开启了对量子密码的研发和布局。

中兴通讯：2016年9月，中兴通讯成为业内首家实现OTN设备支持量子加密技术方案提供商。2018年9月，阿里巴巴与国盾量子、中兴通讯共同合作在华东地区部署了阿里巴巴OTN量子安全加密通信系统，加密通信的传输速率达到200Gbps，是公开且可得而知的世界最高速率的商用量子安全加密通信系统。

参考资料：

【研报】计算机行业专题研究：布局量子信息开启未来信息技术之争-20200312[26页].pdf

众诚智库：2021年全球量子信息发展报告（29页）.pdf

知了投研：全球及中国量子信息技术行业发展研究（2021）（27页）.pdf

中国信通院：量子信息技术发展与应用研究报告（2019年）(57页).pdf

中国信通院信息技术行业：2020年量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）（71页）.pdf