量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）

量子信息技术发展与应用研究报告 （2020 年） 中国信息通信研究院 2020年12月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。 前 言 2020 年 10 月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平总书记发表重要讲话，为当前和今后一个时期我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术作为量子科技领域的重要组成部分，将为推动基础科学研究探索、信息通信技术演进和数字经济产业发展注入新动能。 近年来，量子信息技术已经成为全球各主要国家在科技领域关注的焦点之一，规划布局和投资支持力度进一步加大，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保持活跃，代表性研究成果和应用探索进展亮点纷呈、前景可期，在前沿科技领域和信息通信行业受到广泛关注和讨论。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与应用探索的新成果。 在连续两年发布研究报告的基础上，中国信息通信研究院深入学习领会和贯彻落实习近平总书记重要指示精神，进一步加强研究并组织编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2020 年），对量子信息技术总体发展态势，三大领域关键技术、应用进展和热点问题，以及技术演进和应用前景等进行分析探讨，供业界参考。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势 ........................................ 1 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 .................... 1 （二）全球量子信息领域进一步规划布局加大投入 .................... 3 （三）量子信息三大领域科研和技术创新保持活跃 .................... 6 （四）量子计算亮点成果纷呈，成为关注讨论焦点 .................... 8 （五）量子信息网络成新热点，欧美加大力度推动 ................... 11 二、量子计算领域研究与应用进展 ..................................... 13 （一）物理平台仍处攻坚期，多条技术路线并行发展 ................. 13 （二）量子软件全新构建，量子算法展开实用化探索 ................. 17 （三）量子计算应用场景探索多元化开展，前景看好 ................. 20 （四）量子云计算技术架构逐渐成型，竞争日益激烈 ................. 23 （五）应用产业生态逐步构建，标准化研究同步推进 ................. 26 三、量子通信领域研究与应用进展 ..................................... 29 （一）构建量子信息网络是量子通信发展远期目标 ................... 30 （二）实现量子信息组网仍有待核心关键技术突破 ................... 32 （三）QKD 科研取得新成果，应用与产业化持续探索 .................. 36 （四）QKD 应用观点尚未统一，PQC 将成为竞争者 .................... 41 （五）QKD 问题探讨应区分科研、工程和应用三层面 .................. 45 四、量子测量领域研究与应用进展 ..................................... 48 （一）传感器产业发展迅猛，量子测量应用前景广泛 ................. 49 （二）五大技术路线演进渐趋收敛，发展程度不均衡 ................. 51 （三）国内外科研取得新进展，我国仍然有一定差距 ................. 54 （四）欧美应用与产业化发展迅速，我国正逐步发力 ................. 58 （五）标准化开始初步探索，基础材料器件至关重要 ................. 60 五、量子信息技术演进与应用前景展望 ................................. 61 （一）三大领域研究与应用探索发展迅速，前景可期 ................. 61 （二）我国总体发展态势良好，未来有望进一步加速 ................. 64 附录：缩略语 ....................................................... 67 图 目 录 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 ................................................................. 1 图 2 全球量子信息领域项目规划和投资情况 ......................................................... 3 图 3 量子信息领域科研论文关键词聚类图 ............................................................. 6 图 4 量子信息技术三大领域全球年度科研论文量及国家排序 ............................. 7 图 5 量子信息技术三大领域全球科研论文合作网络 ............................................. 8 图 6 美国 Gartner 公司 2020 年技术成熟度周期曲线（含量子计算） ............... 11 图 7 美国能源部量子互联网蓝图论坛报告网络实验计划 ................................... 12 图 8 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 ....................................... 14 图 9 量子计算物理平台方案技术路线与企业布局情况 ....................................... 14 图 10 量子计算硬件物理平台的三大发展阶段 ..................................................... 17 图 11 量子计算软件三大类型及其功能应用 ......................................................... 18 图 12 代表性量子计算算法研究与发展历程 ......................................................... 19 图 13 量子计算的潜在应用场景和行业领域 ................................................