2024年量子信息產(chǎn)業(yè)專題報告：量子信息技術(shù)乘風起_加速產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展變革第一章：什么是量子信息技術(shù)？量子：最小不可分割的基本單位量子：量子（Quantum）即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為“量子”。量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的單元，也是能量和動量等物理量的最小單位，比如光量子、電量子。波粒二象性：基本粒子，包括原子和分子在內(nèi)的任何量子都既有粒子的性質(zhì)又有波的性質(zhì)。是微觀粒子的基本屬性之一。量子信息定義：量子力學和信息學科的交叉學科，是基于量子力學原理對光子、電子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進行人工觀測和調(diào)控，借助量子疊加和糾纏等獨特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論無法實現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息的一門技術(shù)。量子信息中基礎概念一：量子比特量子比特：1992年被發(fā)明使用，經(jīng)典計算機的基本運算單位是比特（Bit），計算機的基本單元是量子比特（Qubit），也叫作量子位或者量子元。量子比特是0和1的疊加態(tài)：比特只有兩個可能的狀態(tài)，即0和1。而量子比特是一種疊加態(tài)，它有兩個本征態(tài)，即|0>和|1>，它們形式地對應于經(jīng)典的0和1。但是，一個量子寄存器在任何時刻的狀態(tài)|y>，不是“之一”，而是兩種本征態(tài)的疊加。布洛赫球面：量子比特可能的狀態(tài)有無窮多，因為布洛赫球面上有無窮多個點，每個點都是一個疊加態(tài)。但比特和量子比特也有相同之處：任何時刻所處的狀態(tài)只是一個。量子信息中基礎概念二：量子疊加量子疊加：一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上，在量子系統(tǒng)重，量子態(tài)是指微觀粒子所處的一系列不連續(xù)的恒穩(wěn)運動狀態(tài)。薛定諤作為經(jīng)典物理學派的代表，將量子物理學派信封的微觀世界的“概率性”，關(guān)聯(lián)放大到宏觀世界中，來違反人們生活中的常識，但是薛定諤的貓的試驗還是存在一定的漏洞：1、微觀世界的概率性特性，不應該對應著宏觀世界的具體事物，存在失效的邊界。2、實驗中的“毒氣釋放裝置”需要探測到放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，才能夠出發(fā)并導致貓的死亡，只有大量放射性物質(zhì)衰變的時候，才能夠超過探測器閾值，而大量衰變事件仍屬于一個宏觀事件。3、探測器來探測放射性物質(zhì)是否發(fā)升衰變本身就是一種觀察方式，無論是否打開盒子。量子信息中基礎概念三：量子糾纏量子糾纏：當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性以綜合成為整體特性，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)。如果兩個量子比特構(gòu)成一個量子糾纏態(tài)，無論攜帶兩個量子比特的粒子相距多遠，只要一個量子比特的測量狀態(tài)發(fā)生改變，另一個狀態(tài)也馬上發(fā)生改變。第二章：量子通信量子通信產(chǎn)業(yè)正處于第一階段量子通信的發(fā)展階段主要分為量子保密通信網(wǎng)絡、量子安全互聯(lián)網(wǎng)、量子互聯(lián)網(wǎng)三個階段，目前產(chǎn)業(yè)正處于第一階段。目前量子通信主要包括：量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子隱形傳態(tài)、量子數(shù)字簽名等多種通信技術(shù)。目前量子密鑰分發(fā)有較多的應用案例、量子安全直接通信零星實踐、量子隱形傳態(tài)傳輸未知量子態(tài)，近期取得學術(shù)的研究突破，量子數(shù)字簽名目前處于學術(shù)研究驗證階段。密鑰分發(fā)實現(xiàn)量子信息加密量子密鑰分發(fā)（QKD），將隨機數(shù)編碼到量子態(tài)，并通過量子態(tài)的傳輸以及經(jīng)典通信的輔助，在收發(fā)雙方之間實現(xiàn)隨機數(shù)的安全協(xié)商，基于部分隨機數(shù)生成密鑰。竊聽者如果要竊聽量子密碼，必須進行相應的測量，因此可以通過檢測傳輸信息的誤碼率來判斷是否存在竊聽，而根據(jù)不確定性原理和量子不可克隆性，一旦測量必定會對量子系統(tǒng)造成影響，從而改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)。對于傳統(tǒng)的加密通信，如果用無線電傳輸，無線電是開放的，對方很容易截獲，有線介質(zhì)，通訊路程很長，很難保證全程安全，以光纖傳輸為例，通過彎曲光纖，外泄部分光信號，進行竊聽。1.OKD發(fā)射機制備單光子并將光子偏振方向隨機調(diào)制為0°、45°、90°、135°四種偏振態(tài)中的一種(可設定0°、45偏振方向表示發(fā)送二進制隨機數(shù)0，而90°、135°偏振表示發(fā)送隨機數(shù)1)，并記錄調(diào)制結(jié)果；2.OKD發(fā)射機通過量子信道將編碼后的光量子比特序列發(fā)送給OKD接收機；3.對于每個光子，OKD接收機從垂直正交基(+)、斜對角基(x)中隨機選擇一個基矢，對接收到的光子進行測量，并記錄使用的基矢及測量結(jié)果4.通過經(jīng)典信道的協(xié)商，雙方得到相同的隨機數(shù)并生成密鑰。量子互聯(lián)網(wǎng)：量子隱形傳態(tài)+量子計算機終端量子隱形傳態(tài)：需要借助經(jīng)典通信才能實現(xiàn)，因此限制了量子隱形傳態(tài)不能超越光速，在傳輸?shù)倪^程中，帶傳輸?shù)牧Ｗ邮冀K留在原地，被傳送的僅僅是量子態(tài)。量子計算需要直接處理量子比特，因此量子隱形傳態(tài)將成為量子計算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態(tài)和量子計算機終端可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。量子安全直接通信可直接完成秘密信息的安全傳輸量子安全直接通信：不同于量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)的保密通信，量子安全直接通信可在量子信道中直接傳遞秘密信息。在通信過程中雙方不需要事先生成密鑰，而是通過直接建立量子信道的方式進行通信，從而將一般意義上的量子通信過程簡化為一步量子通信過程，即直接完成秘密信息的安全傳輸。量子數(shù)字簽名、量子秘密共享等技術(shù)，受制于通信設備的發(fā)展，其實際水平和QKD相比還有很大的差距。數(shù)據(jù)中心QKD兩大參考架構(gòu)同城數(shù)據(jù)中心：QKD設備與量子加密路由器采用常規(guī)的冗余子網(wǎng)設計，量子加密路由器掛在交換機上，提供高性能互聯(lián)加密通信能力，在交換機的部署策略上由將需要加密的業(yè)務數(shù)據(jù)導入量子加密路由器。異地數(shù)據(jù)中心：機房之間相距很遠，可以租用量子通信運營商的服務來接入當?shù)亓孔映怯蚓W(wǎng)，并且通過量子骨干網(wǎng)實現(xiàn)QKD互聯(lián)。量子加密路由器通常掛在PE路由器（運營商邊緣路由器）或者與PE結(jié)合，各個站點與本地通信運營商的集控站接入。墨子號：我國在量子通信領域的巨大進步在地面，我國量子通信的光纖城域網(wǎng)已經(jīng)趨于成熟，創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)安全距離達到404公里的世界記錄。為了將量子通信在更遠的距離上應用，有三種方式可以選擇，一種是利用量子中繼，一種是利用可信中繼，另一種就是利用自由空間信道，即量子衛(wèi)星。2016年8月世界上首顆量子試驗衛(wèi)星“墨子號”順利升空，目前模組號的地星量子穩(wěn)型傳態(tài)試驗可以將通信距離從500km延長到1400km，傳輸效率等同于地面光纖信道高20個數(shù)量級（萬億億倍）。由于量子的不可復制性，不能像經(jīng)典通信一樣被放大，由于光纖信道的固有衰減，量子通信的距離受到很大的限制。第三章：量子計算量子計算提供指數(shù)級加速，擁有五大技術(shù)路徑量子計算：以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉登原理實現(xiàn)并行計算，能夠在某些集散復雜問題上提供指數(shù)級加速。量子計算主要分類兩大類：以超導和硅半導為代表的人造粒子路線，第二是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。人造粒子路線可重用半導體集成電路制造工藝，在比特數(shù)量擴展方面有一定的優(yōu)勢，但是在提升邏輯門精度等指標方面受到基礎材料和加工工藝等限制。天然粒子具有長相干時間和高邏輯門精度等優(yōu)勢。量子計算具有強大的并行計算和模擬能力量子計算的三個階段：1.實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，達到這一里程碑需要約50個量子比特的相干操縱。2.實現(xiàn)專用量子模擬機，應用于組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等特定問題，為特定領域提供初步算力服務。達到這一里程碑需要實現(xiàn)千量子比特的相干操縱和高精度量子邏輯門，是當前的主要研究任務。3.在量子糾錯的輔助下實現(xiàn)可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，能在密碼分析、新材料設計、氣象預報、生物制藥等方面發(fā)揮巨大作用。目前量子糾纏是量子計算發(fā)展中的一個重要問題，由于量子計算機中的量子比特非常容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，因為他們的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，很容易失去量子特性，變成經(jīng)典的比特。量子計算-超導技術(shù)路線超導的特性：1、當超導在低于某一臨界溫度時（通常是零下200℃左右），材料可以無算的傳輸電流。從而表現(xiàn)出零電阻的特性。2、當一個處于超導狀態(tài)的材料被放置在外界磁場中，超導材料的內(nèi)部就會產(chǎn)生等值的反向的磁場，這個磁場與外部磁場相互抵消，從而是的超導材料內(nèi)部始終保持總磁場為零的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做完全抗磁性。超導+量子=超導量子：超導量子計算，利用超導材料的特殊性質(zhì)，構(gòu)造出一種非線性電學元件—約瑟夫森結(jié)，從而構(gòu)造出可以穩(wěn)定編碼0態(tài)和1態(tài)的超導量子比特，最終實現(xiàn)具有超強計算力的量子計算。經(jīng)過量子力學處理后，電路系統(tǒng)的系統(tǒng)能量只能處于某些特定的狀態(tài)，這種具有分立性質(zhì)的能量狀態(tài)叫做能級。能級等距的特殊結(jié)構(gòu)并不能直接用以實現(xiàn)量子計算，由于整個系統(tǒng)的能級間距是相等的，躍遷不僅僅會在0態(tài)和1態(tài)之間發(fā)生，還會在具有更高能量的能級之間發(fā)生。比如，在1態(tài)和2態(tài)，2態(tài)和3態(tài)之間發(fā)生躍遷。眾多的能級之間進行無規(guī)律的躍遷無法構(gòu)造出只編碼0態(tài)和1態(tài)的量子比特。離子阱的三種拓展方案QCCD方案：將離子阱系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)（或功能區(qū)域），每個子系統(tǒng)中囚禁少量的離子，通過在不同子系統(tǒng)間遷移離子來實現(xiàn)信息互聯(lián)。光量子方案：利用光子-離子糾纏，可以實現(xiàn)不同離子阱系統(tǒng)之間的信息傳遞，由此可將多個離子阱系統(tǒng)互聯(lián)，以實現(xiàn)更大規(guī)模的量子計算機，類似于經(jīng)典計算中的分布式計算技術(shù)。光子特有的穩(wěn)健性（Robustness）使得各個子系統(tǒng)之間的距離不受限制。技術(shù)瓶頸主要包括不同系統(tǒng)離子之間的邏輯門保真度不夠高、糾纏速率不夠快等。高維離子晶格方案：在單一勢阱中囚禁大規(guī)模離子晶體，包括一維長鏈、二維晶格和三維晶格。一維長鏈中的離子數(shù)通常在百量級，但若能制備二維或三維晶格，則離子數(shù)將快速擴展到上千甚至上萬。QCCD使用遷移離子來傳遞信息，而光量子計算網(wǎng)絡方案則使用光子來傳遞信息。它們共同的出發(fā)點是在小系統(tǒng)中可以實現(xiàn)少量離子的穩(wěn)定囚禁和高保真操控，子系統(tǒng)中離子數(shù)