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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 （2020 年）年） 中国信息通信研究院中国信息通信研究院 2020年年12月月 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 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。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，转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的， 应注明应注明“来源：中国信息通信研究院来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本。违反上述声明者，本 院将追
2、究其相关法律责任。院将追究其相关法律责任。 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 前前 言言 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
3、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。 加入投行及上市公司
4、和股权投资群微信13312191315 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 目目 录录 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
5、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）
6、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 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 图图 目目 录录 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 . 1 图 2
7、 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
8、. 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 . 21 图 14 Google 量子机器学习 Tensorflow-Quantum 框架 . 22 图 15 D-Wave 公司量子退火交通组合优化应用 . 22 图 16 量子云计算的技术栈架构与主要特征 . 23 图 17 量子云计算的应用与服务发展定位 . 24 图 18 量子云计算测评体系与五大测评维度 . 25 图 19 国外科技和产业巨头量子计算领域布局和发展情况 . 26 图 20 量子计算领域科技公司和初创企业分布情况 . 27 图 21 量子信息网络与经典信息网络特性
9、对比 . 33 图 22 中科大报道改进型 TF-QKD 系统 509 公里超低损光纤传输实验 . 37 图 23 北邮和北大联合报道 CV-QKD 系统 202.81 公里传输实验 . 38 图 24 “墨子号”量子科学实验卫星相关科研成果 . 39 图 25 近期欧美研究机构和政府部门关于 QKD 应用的研究报告 . 41 图 26 学术界对于 QKD 技术问题和质疑的回应 . 46 图 27 量子测量技术主要应用领域和场景 . 49 图 28 量子测量的主要步骤和技术类型 . 51 图 29 量子测量五大技术路线国内外研究机构与企业布局 . 52 图 30 近期国内外量子测量技术与应用研
10、究代表性进展 . 55 图 31 量子信息三大领域的原理特性、发展定位及应用前景 . 62 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 1 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能（一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 二十世纪量子力学的创立和发展引发第一次量子科技革命浪潮， 以认识和掌握微观物理现象和规律， 调控和观测宏观物理量为主要特 征，诞生了以半导体、激光器、计算机和光通信等为代表的信息通信 技术，提供了信息获取、存储、处理和传
11、输的基础介质和解决方案， 形成了现代信息社会的物理层使能技术， 成为推动经济社会发展变革 的先进生产力，如图 1 所示。 来源：中国信息通信研究院 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 进入二十一世纪， 随着人类对微观世界认识理解的深入和观测调 控能力的提升，以操控光子、电子和冷原子等人造量子体系，利用量 子叠加、 纠缠和隧穿等独特微观物理现象为主要特征的第二次量子科 技革命浪潮将至。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信 息技术的研究和应用探索，未来有望突破计算处理能力、信息安全保 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年
12、） 2 障和测量精度极限等方面的难题和瓶颈， 成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的新动能。 量子计算以量子比特为基本单元， 利用量子叠加和干涉等原理实 现并行计算，能够在某些计算困难问题上提供指数级加速，是未来计 算能力跨越式发展的重要方向。2019 年 Google 报道取得了“量子优 越性”实验的突破性成果，成为量子计算领域发展的标志性事件，也 刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争， 有望加速量子 计算技术研究和应用探索的发展。 基于含噪声中等规模量子 （NISQ） 处理器和云接入等方式，在生物化学、大数据优化和机器学习等计算 场景中探索“杀手级应用”
13、将是近期的主要发展目标。 可扩展可容错量 子计算需要物理平台、 纠错编码算法和调控系统等方面的进一步突破， 仍是需要十年以上艰苦努力的远期目标。 量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，进行 量子态信息传输或密钥分发， 在理论协议层面具有无法被窃听的信息 论安全性保证。量子通信的主要应用包括量子隐形传态（QT）、量子 密钥分发（QKD）、量子安全直接通信、量子秘密共享和量子密集编 码等方向。从研究论文数量和专利申请情况分析，QKD 和 QT 是量 子通信研究与应用发展的重点方向。基于 QKD 的量子保密通信是目 前已经初步实用化的应用方向，应用和产业探索逐步展开，各方对应 用前景的
14、观点尚未统一。基于 QT 构建量子信息网络是未来量子通信 研究与应用探索的重要方向， 近期欧美大力布局规划推动研究与实验， 但距离实用化仍有很长距离。 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 3 量子测量通过微观粒子系统调控和观测实现物理量测量， 在精度、 灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有数量级提升， 主要冷原子相 干叠加测量、 核磁/顺磁共振测量、 无自旋交换弛豫原子自旋 （SERF） 测量、 纠缠态/压缩态测量和量子增强测量等技术方向， 可用于包括时 间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别等应用场景，在 航空航天
15、、防务装备、地质勘测、基础科研和生物医疗等领域应用前 景广泛。在新一代定位、导航和授时系统，磁场和重力场高灵敏度监 测系统和高精度目标识别系统等方向有望率先获得突破和应用。 （二）全球量子信息领域进一步规划布局加大投入（二）全球量子信息领域进一步规划布局加大投入 量子信息技术具有重要科学与应用价值， 可能引发对传统信息技 术体系产生冲击和重构的颠覆性技术创新， 并对信息通信技术演进和 产业发展产生重要驱动作用。近年来，各主要国家纷纷在量子信息技 术领域加强布局规划并进一步加大支持投入力度， 推出发展战略和研 究应用项目规划，公开的相关项目规划和投资情况如图 2 所示。 来源：中国信息通信研究院
16、根据公开信息整理（截至 2020 年 10 月） 图 2 全球量子信息领域项目规划和投资情况1 1 表格中的投资规模为横向可比性，统一按照美元计价呈现，汇率波动可能导致具体数值变化。 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 4 量子信息技术研究与应用， 有望成为未来重大技术创新 “动力源” 和“助推器”，已成为全球人类科技的共同探索与关注焦点之一。在 各国发展规划和项目布局中，量子计算、量子通信和量子测量等重点 技术方向已形成普遍共识。针对三大领域的不同发展阶段、技术成熟 度和应用前景，以分领域和分阶段方式，对前沿研究、应用探索
17、、创 业转化、 产业推动和人才培养等方面进行综合规划布局和长期滚动投 入也是各国在量子信息领域布局规划的通行做法。 美国国会 2018 年通过国家量子行动计划立法2，预计五年投 资 12.75 亿美元支持量子科技研究与应用，白宫成立国家量子协调办 公室（NQCO），发布量子信息科学国家战略概述3，对美国量子 科技领域发展战略进行规划。2019 年以来，能源部（DoE）、国防部 （DoD）、国家技术标准局（NIST）、国家科学基金会（NSF）等部 门密集组织开展量子信息各领域调研并相继发布量子计算：进展与 前景4、量子模拟：架构与机遇5、量子前沿报告6等十余项 科学与技术报告，对量子计算、量子模
18、拟、量子通信、量子精密测量 和抗量子计算加密等各领域的发展现状、研究目标、路线图和应用产 业发展路径等进行深入研讨和具体规划。2020 年 8 月公布的人工 智能与量子信息科学研发总结：2020-2021 财年 7报告显示，2020 年 量子信息科学领域预算申请为4.35亿美元， 实际执行为5.79亿美元， 2https:/www.congress.gov/115/bills/hr6227/BILLS-115hr6227enr.pdf. 3https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/09/National-Strategic-Overvi
19、ew-for-Quantum- Information-Science.pdf 4https:/www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects 5https:/arxiv.org/pdf/1912.06938.pdf 6https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2020/10/QuantumFrontiers.pdf 7https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2017/12/Artificial-Intelligenc
20、e-Quantum-Information-Science- R-D-Summary-August-2020.pdf 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 5 2021 年预算申请额度进一步提升至 6.99 亿美元，预计总体投资规模 将大幅超出原有法案计划。同期，美国能源部宣布建设由其下属国家 实验室牵头的五大联合研究中心，包括：下一代量子科学与工程中心 （Q-NEXT）、量子优势协同设计中心（C QA）、超导量子材料和系 统中心 （SQMS） 、 量子系统加速器 （QSA） 和量子科学中心 （QSC） 。 9 月，白宫科学技
21、术政策办公室成立国家量子计划咨询委员会 （NQIAC） ， 国家技术标准局牵头成立量子经济发展联盟 （QED-C） ， 聚集管理部门、 研究机构、 科技企业、 行业巨头和初创企业等相关方， 开展量子信息科学研究、应用、产业和标准等方面协调与合作，帮助 构建供应链，支持量子产业发展。 我国对量子信息技术的基础研究、科学实验、示范应用、网络建 设和产业培育一直高度重视。科技部和中科院通过自然科学基金、 “863”计划、“973”计划、国家重点研发计划和战略先导专项等多项科 技项目，对量子信息基础科研应用探索进行支持。发改委牵头组织实 施量子保密通信“京沪干线”， 国家广域量子保密通信骨干网等试点项
22、 目和网络建设。工信部组织开展量子保密通信应用与产业研究，支持 和引导量子信息技术的标准化研究和产学研协同创新。 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 今后一个时期的我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。 讲 话充分肯定了我国科技工作者在量子科技领域取得的重大创新成果， 也指出未来发展面临的短板、风险和挑战。讲话从发展趋势研判，顶 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 6 层设计规划，政策引导支持，人才培养激励，产学研协同创新
23、等五个 方面对我国量子科技发展做出全方位系统性布局，为把握大趋势，下 好先手棋进一步指明了方向。11 月 3 日十九届五中全会发布的“十 四五”规划建议中，进一步提出：瞄准人工智能、量子信息、集成电 路、 生命健康、 脑科学、 生物育种、 空天科技、 深地深海等前沿领域， 实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。 （三）量子信息三大领域科研（三）量子信息三大领域科研和技术创新保持活跃和技术创新保持活跃 量子信息技术已成为全球科研领域关注焦点之一。 量子信息科研 论文主要分布在物理学、光学和工程领域，同时与计算科学、化学、 数学等领域也有较多关联，覆盖面广，交叉特点明显，其中，科研论 文发
24、表量排名前 20 名的高水平期刊汇聚了超过 45%的科研论文。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（检索时间 2020.10，检索库 WoS） 图 3 量子信息领域科研论文关键词聚类图 量子信息技术作为多学科交叉前沿领域， 论文筛选和关键词聚类 词云如图 3 所示， 其中呈现出三个主要的聚簇， 蓝色表示量子物理实 现技术，绿色表示量子计算、通信和加密技术，红色则表示量子计算 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 7 和量子信息学， 在红色和绿色交汇处包含量子测量。 此外， 量子退火、 粒子群优化、可逆逻辑和单光子探测器等关键
25、词位于词云的边缘，和 量子计算和量子加密关系比较强，和其他主题关系较弱。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（检索时间 2020.10，检索库 WoS） 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 近年来，量子信息三大领域科研论文发文量持续上升，研究创新 活跃，如图 4 所示。其中，量子计算上升趋势最明显，美国科研机构 和企业的论文数量超过 8000 篇，位列第一，中国紧随其后超过 4000 篇，其次是德、日、英、加、法等，成为量子计算技术研究创新主要 来源。 量子通信领域， 量子密钥分发 （QKD） 相关论文数量持续上升， 量子隐形传态 （QT） 相关论文近年来数量相对保持平
26、稳， 或与其关键 技术瓶颈仍未取得突破有一定关系。中国量子通信论文量位列第一， 超过 4000 篇，其次是美、日、德、英、加、意、澳等国，在全球发 文量前 25 中有 10 家是中国高校或科研单位。外国机构中，滑铁卢大 学、新加坡国立大学、MIT、多伦多大学、日内瓦大学等有较多研究 成果。 量子测量论文量超过 4000 篇， 美国科研机构发文量位列第一， 中、德、日、英等国紧随其后。 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 8 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（检索时间 2020.10，检索库 WoS） 图 5 量子信息技术
27、三大领域全球科研论文合作网络 全球量子信息技术领域科研论文的合作网络如图 5所示。 其中， 量子计算领域， 美国与德国、 加拿大和英国等国深化合作的趋势明显， 我国中科院、中科大、清华等机构已位列全球量子计算发文量前 20 名，并与国际研究机构展开了较为广泛的合作，合作机构主要来自美 国、加拿大和德国等国。量子通信领域，中国论文发表数量最高，并 积极推动与加拿大和美国等国研究机构的合作。量子测量领域，美国 加州理工和德国苏黎世联邦理工机构的论文数量较多，排名靠前，我 国中科院和中科大等机构持续开展科研攻关， 在论文发表数量方面开 始逐步进入国际前沿行列。 （四）量子计算亮点成果纷呈，成为关注讨
28、论焦点（四）量子计算亮点成果纷呈，成为关注讨论焦点 量子处理器硬件研究取得多方突破，量子物理比特数量、质量及 综合评价指标的记录频繁刷新， 部分技术路线在物理材料和实现工艺 方面也取得一定进展。量子物理比特数量方面，2020 年 9 月 IBM 发 布路线图，预计 2023 年将实现超过 1000 位量子物理比特，之后向百 万级量子物理比特迈近。量子物理比特保真度方面，澳大利亚初创公 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 9 司 SQC 于 2020 年 10 月报道实现硅量子点路线双量子物理比特 99.99 的超高保真度，打
29、破了 Google 基于超导路线实现的 99.64%记录，距 离实现量子纠错又前进一步。 量子体积指标方面， 在 IBM、 Honeywell 和 IonQ 等公司的推动下，2020 年短短几个月内实现由 64 位到 128 位，甚至到 400 万位的突破式增长。在拓扑技术路线物理材料方面， 2020 年 9 月微软与哥本哈根大学联合报道合作发现的新材料，有望 用于拓扑量子物理比特实现。环境条件方面，2020 年 4 月 Intel 与 QuTech 联合报道基于自旋量子位的半导体量子处理器， 可在 1.1K 温 度实现单量子位和双量子位逻辑门，降低了工作环境要求。 量子计算软件呈现多元化发展
30、态势，进入研究开发活跃期，在软 件操作系统、模拟器软件与应用软件方面取得突破。2020 年 8 月，量 子计算软件开发公司 Riverlane 的量子操作系统 Deltaflow.OS 在真实 量子处理器硬件上成功试用， 通过操作系统可将相同的量子软件在不 同类型的量子处理器硬件上运行， 加速软件开发进程。 2020 年 5 月， 阿里巴巴报道在其研发基于张量网络收缩的“太章”模拟器， 实现对随 机量子电路采样问题的计算模拟时间的五个数量级提速，还报道了 Fluxonium 超导量子处理器新型设计架构。2020 年 9 月，华为发布 HiQ 3.0 平台和新版量子化学模拟软件 HiQ Ferm
31、ion， 增加多个功能模 块和量子多体模拟等场景，实现 30 位量子比特多种物理模型的量子 变分算法基态求解，与现有公开文献相比性能得到提升。 量子计算应用探索加速发展，对市场预期形成巨大激励，关注度 和期望值不断提升。 在量子化学模拟方面， 2020 年 8 月 Google 在 科 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 10 学报道实现大规模化学反应模拟的实验结果，通过使用量子设备对 分子电子能量进行Hartree-Fock计算， 并通过变分量子本征求解 （VQE） 进行纠错处理完善性能， 实现对化学过程的计算预测， 有望
32、改善医学、 制造等行业。在真实量子计算应用方面。9 月，剑桥量子计算公司 （CQC）与 IBM 合作，提供真实量子计算的首个应用服务，可用于 提供量子随机数生成用途，具有针对用户的集成验证功能。在专用量 子计算机商用方面，D-Wave 公司 10 月发布新一代量子退火计算平 台，以实现并加速量子退火计算应用程序的交付。 量子云计算成为量子计算服务主体，随着多方企业加入，目前竞 争如火如荼。2020 年 8 月，云计算巨头 Amazon 上市 Braket 量子计 算云平台， 提供完全托管服务， 用户可访问 D-Wave、 IonQ、 Rigetti 三 家合作企业的后端硬件系统，进行量子算法运
33、行、混合算法设计等工 作。2020 年 9 月，加拿大初创公司 Xanadu 发布基于光学路线的量子 云平台，可访问 8-Qubit 或 12-Qubit 的光量子计算机，成为继超导、 离子阱、硅半导体技术路线之后，量子云计算后端实现的又一候选方 案。2020 年 9 月，我国本源量子发布基于超导技术路线的量子计算 云平台，后端搭载了具备 6 位量子物理比特的“夸父”芯片，为公众用 户提供真实量子计算服务。同期，百度发布云原生量子计算平台“量 易伏”，可通过云端对量子处理器硬件进行访问，也可通过模拟器运 行 28 个量子比特的量子随机线路模型。阿里巴巴开源“太章”及“阿里 云量子开发平台”（A
34、CQDP），支持量子算法和硬件研发。 根据美国信息技术咨询公司 Gartner 于 2020 年 7 月发布的技术 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 11 成熟度周期曲线，如图 6 所示，量子计算技术正在接近“过高期望的 顶峰”，但距离达到“生产力高原”仍有超过十年的距离。 来源：中国信息通信研究院根据Gartner 公司公开信息整理 图 6 美国 Gartner 公司 2020 年技术成熟度周期曲线（含量子计算） 未来数年，如果基于当前可获得的中等规模含噪声量子处理器 （NISQ） 开展的实用化应用问题探索能够取得突破，
35、 则可以维持目前 量子计算技术的投资、 研究和关注热度， 并可能进一步冲击更高目标， 但如果实用化应用问题探索迟迟无法取得突破性进展， 则存在进入过 高期望破灭后的“幻灭之谷”的风险。 （五）量子信息网络成新热点，欧美加大力度推动（五）量子信息网络成新热点，欧美加大力度推动 量子信息网络，也称量子互联网（Quantum Internet），基于量子 通信技术产生、传输和使用量子态资源，实现量子计算机或量子传感 器等量子信息处理系统或节点之间的互联和未知量子态信息的传输， 可进一步提升量子信息传输和处理能力， 已成为未来量子信息技术领 域研究和应用探索的重要方向之一。 近年来， 量子信息网络正逐
36、步成为量子科技领域科研和应用探索 的前沿热点，欧美等国均开展了相关布局规划和研究探索。2018 年 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 12 10 月，荷兰德尔福特理工在科学杂志发表量子互联网综述论文， 对关键技术需求， 网络能力演进和潜在应用场景做出预测。 2019 年， 美国国家科学基金会发布量子系统互联（QuICs）研讨会报告8， 能源部发布 量子网络开放科学论坛 报告9， 分析核心组件需求和技 术挑战，并对未来研究发展目标和功能性能指标做出路线规划。2020 年 2 月，美国白宫发布量子网络战略展望报告10，提出未来
37、五年 推动量子存储中继， 大容量量子信道和星地量子通信等关键技术突破， 未来 20 年探索量子计算机互联并构建量子互联网。3 月，欧盟量子 旗舰计划公布战略研究议程报告11，对未来十年量子信息网络研 究提出目标规划。欧盟量子旗舰计划成立量子互联网联盟（QIA）项 目，计划在荷兰建立首个四节点量子信息实验网。 来源：Report of the DOE Quantum Internet Blueprint Workshop 2020 图 7 美国能源部量子互联网蓝图论坛报告网络实验计划 2020 年 7 月，美国能源部公开了量子互联网发展蓝图研讨会 报告12，对包括三大应用场景、四大研究方向和五项
38、关键里程碑在内 的量子互联网发展路线图做出规划。 其中计划由布鲁克海文国家实验 8 https:/arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1912/1912.06642.pdf. 9 https:/info.ornl.gov/sites/publications/Files/Pub124247.pdf. 10https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2017/12/A-Strategic-Vision-for-Americas-Quantum-Networks- Feb-2020.pdf. 11https:/qt.eu/app/up
39、loads/2020/04/Strategic_Research-_Agenda_d_FINAL.pdf. 12https:/www.osti.gov/servlets/purl/1638794 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 13 室牵头， 在纽约地区建设首个量子中继网络实验线路， 如图 7 所示， 含三个纠缠源， 六个室温运行量子存储器和两个纠缠交换站点。 10月， 美国国会提出量子网络基础设施法案13，拟追加拨款一亿美元， 推进量子网络基础设施建设并加速量子技术实施应用。 国际互联网工 程任务组（IETF）中的量子
40、互联网提案研究组（QIRG），持续开展 量子互联网原理框架、应用场景和组网协议等标准化讨论。 量子信息网络是实现各类量子信息系统互联， 提升量子信息处理 能力，探索全新组网应用模式和场景的物理载体和使能技术，未来可 能在分布式量子计算，量子时间频率同步组网，量子观测计量组网等 方面进一步提升运算处理能力和传感测量精度， 或在复杂网络组网方 面提供新型协议处理解决方案。 虽然目前量子信息网络研究仍处于起 步阶段，在使能组件、系统集成、网络架构、协议接口等方面尚需研 究探索，潜在应用场景也尚未完全明确，距离实际应用落地仍有很长 距离，但其所代表的量子计算、通信和测量相互融合的发展方向可谓 是量子信
41、息技术的终极演进目标。 二、量子计算领域研究与应用进展 （一）物理平台仍处攻坚期，多条技术路线并行发展（一）物理平台仍处攻坚期，多条技术路线并行发展 量子处理器作为量子计算的“核心引擎”， 其物理平台实现仍是当 前阶段量子计算研究与应用的关键瓶颈之一， 技术路线呈现多元化和 并行发展态势，主流方案包含超导、离子阱、硅基半导体、光量子和 13https:/zeldin.house.gov/sites/zeldin.house.gov/files/Quantum_01_xml.pdf. 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 14
42、拓扑等。近年来，量子计算处理器物理平台的技术研究和样机研制发 展进一步加速， 各技术路线的量子物理比特位数和量子体积指标的主 要发展情况如图 8所示， 除拓扑路线之外， 前四种技术路线均已实现 量子物理比特，正在向实现可纠错的量子逻辑比特迈进。未来，业界 或将不再单纯追求物理比特数量规模的扩展，而在逻辑门保真度、相 干时间等质量方面同步提升，关注量子体积等综合性能评价指标。 来源：中国信息通信研究院公开材料整理（截至 2020 年 10 月） 图 8 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 来源：中国信息通信研究院根据公开信息整理（截至 2020 年 10 月） 图 9 量子计算物理平台方案技术路线与企业布局情况 加入投行及上市公司和股权投资群微信13312191315 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 15 部分科技巨头与初创企业量子计算硬件的布局投入情况如图 9 所示，超导和离子阱技术路线目前仍处于领先地位，受到关注程度最 高，硅基半导体和光量子路线发