量子信息研究报告：下一场信息革命（附下载）
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（精选报告来源：报告研究所）
1、量子信息：量子力学与信息技术的交叉
量子的特性，带来信息科学变革的可能。量子代表的是一种不可再分的基本单位。在微观世界，只要是不可再细分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的 基本粒子，所以光子也叫光量子。量子信息的两个重要特性，是得以改变信息科学的重 要依据。一是量子的“叠加态”；二是量子“纠缠”。叠加态是指量子位（qubit）可以同 时处于 0 和 1 的状态。这种能同时表示两种或多种状态的特性称为量子叠加。量子纠缠 是指当两个或多个量子位纠缠在一起时，无论它们之间的距离有多远，一个量子位的状 态改变会即刻影响到另一个。量子信息包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。20 世纪 80 年代以来，量 子力学与信息科学交叉，产生了一门新的学科——量子信息（quantum information）。量 子信息主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升计算困难问题运算处 理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的 潜力。
2. 量子计算
2.1. 量子计算的定义与优势
量子计算按照既定的算法和程序，对量子态进行操控和测量的过程。量子态的演化 过程，对应的就是一个量子计算过程。量子计算是量子信息技术的核心。没有量子计算， 量子技术其他领域的发展，不足以动摇现有信息技术的根基。
量子计算利用的是量子叠加的特性。多个量子比特与同样数目的经典比特比较，差 别是指数级的。N 个经典比特一次表示的数字只有 1 个，N 个量子比特一次能表示的数 字数目为 2 的 N 次方。当 N=250 时，可以表示的数字数目比宇宙中所有原子的数目还 要多。
量子计算以量子比特为基本单元，对传统计算机来说，两个比特能表示四个数，也 就是 00、01、10、11，但某个具体的时刻只能有一个值。但对于两个量子比特，这四个 值可以同时存在。随着量子比特数的增加，能同时表示的数也会指数级的增加，N 个量 子比特就可以同时有 2 的 N 次方个值，这就相当于在同一个时刻，可以进行 2 的 N 次 方个运算。
与经典计算机不同，量子计算机的算力随量子比特的数目不是线性增加，而是指数 增加的。
2.2. 量子计算的发展现状与瓶颈
在目前阶段，实验室能够制备的量子比特的退相干时间不够长，操控的精度也有限， 还远未达到要实现量子计算指数加速的要求。
量子计算在理论和实验层面都经历了多个发展历程，主要有以下几个阶段。初步概念阶段（1980-1994）：1980 年代初期，Paul Benioff 提出将量子力学原理用 于模拟图灵机的想法，成为量子计算理论研究的起点。理查德·费曼（Richard Feynman） 和大卫·多伊奇（David Deutsch）分别于 1982 年和 1985 年提出了量子系统和量子图灵 机的概念。
算法和理论发展阶段（1994-2000）：1994 年，彼得·秀尔（Peter Shor）发明了 Shor 算法，证明了量子计算机在解决特定问题上超越经典计算机的潜力。1996 年鲁弗（Lov Grover）发明了 Grover 算法，可以在无序数据库中以平方根的时间复杂度查找特定元素。
实验验证和技术进步阶段（2001-2010）：研究小组开始使用不同的物理系统（如离 子陷阱、超导电路、光子等）实现量子比特和量子逻辑门，证实了量子计算的实际可行 性。
商业化和标准化阶段（2011-现在）：2011 年以后，随着技术的成熟和投资的增加， 多家公司（例如 Google、IBM、Intel、Rigetti Computing 等）开始研发量子计算机，并 通过云服务形式提供用户远程访问量子计算资源。
从上世纪八十年代开始，量子计算经过了基本物理思想和初级原理的验证，现在进 入了所谓的“中等规模带噪声的量子计算时代”。“中等规模”是指现在能比较可靠操控 的量子比特数大约在几十到几千的水平；“带噪声”指的是对量子比特的门操作有一定 的误差，量子态的读取也存在一定错误，还无法实现精确的量子计算。这是量子计算技 术发展必然要经过的一个阶段，也是量子计算各种路线探索和人才积累的关键阶段。
近年来量子计算应用探索广泛开展，但目前尚未在实用化问题中展现出有现实意义 的量子计算优越性，仍处于原理性与可行性验证的探索阶段。
量子处理器硬件性能水平距离实现大规模可容错通用量子计算还有很大差距。中国 信通院技术与标准研究所所长张海懿表示，当前，在量子计算领域，超导、离子阱、光量子、中性原子、硅半导体、金刚石色心和拓扑等主要技术路线并行发展，整体上依然 处于中等规模含噪声量子处理器阶段，量子纠错已实验验证突破盈亏平衡点。超导技术 路线是有望率先实现量子纠错和突破杀手级应用的“种子选手”之一，中性原子路线今 年在技术路线竞争中异军突起，量子物理比特规模提升和纠错实验发展迅速，有望成为 一匹“黑马”。总体来说，未来仍需业界长期艰苦努力攻关。
量子计算机发展的制约因素主要有以下几个方面：温度限制：全球各地的量子计算机都只能在约 0.1 开尔文（-273.05℃）的极寒温度 下工作，然而实现这种低温又是超导量子的特性，不在低温下就发挥不出来，而达到这 样的温度需要数百万美元的制冷。随着量子计算机的运算能力越强，需要的制冷设备就 越多，要求也就越高。技术限制：量子计算机对硬件技术的依赖度极高，主要是实现不了编码逻辑比特， 其次还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面，其次，除了要有基础的硬件，对 比经典计算机，量子计算也需要有软件、算法以及云平台等技术的支持。要实现其量子 纠缠等技术特性，需要一系列高端材料和设备的支持。其中，超导电子学和纳米加工技 术是量子计算机实现所必须的，其发展趋势与成熟程度都会对其应用产生严重影响。
应用限制：目前量子计算机应用场景非常有限，主要在化学、金融、优化等领域。但对于传统的数据中心应用和人工智能应用并不适应。虽然量子计算机对于某些领域问 题的解决速度非常迅速，但对于其他问题则会显得非常低效，这也限制了它的应用场景。量子计算未来的发展趋势，主要在三个方面：一是规模化，当前量子计算能比较可 靠操控的量子比特数大约在 100 个量子比特左右，今后将逐渐达到几千、几万、几十万、 几百万甚至更高的水平。二是容错化，量子计算需要很多量子比特，但更需要制备出相 干时间可以任意长、错误率小于纠错阈值的所谓容错的逻辑量子比特。三是集成化，目 的是实现对大量量子比特及其测控系统集成和小型化，是降低量子计算机的研发成本、 实现量子计算机广泛应用的前提。
如果对未来做一个展望的话，乐观地估计，十到二十年之后，高质量制备和操控的 量子比特数将达到上万个，在这个基础上，通过对大量量子比特的不断纠错，有望制备 出一个能容错的逻辑量子比特；再过十到二十年，有希望实现对多个逻辑量子比特和普 适逻辑门的相干操控，并且在这样的基础上，制造出普适的量子计算机。到那时，量子 信息技术及应用将进入全面高速发展阶段，也将成为人类征服自然的一个新的里程碑！
2.3. 量子计算的主要应用场景
量子计算机能够实现量子傅里叶变换、量子搜索和量子因式分解等复杂计算，将深 刻影响密码学、材料科学、人工智能等领域：
1）密码学：由于 Shor's algorithm 可以用来破解某些传统加密技术，因此需要开发新的加密技术保护数据的安全性。基于量子密钥分发（QKD）技术的加密技术已经被提 出并得到了广泛研究。
2）材料科学：传统计算机可以使用分子动力学（MD）模拟分子和材料结构，但分 子和材料结构非常复杂，需要大量的计算资源。在量子计算机中，可以使用量子模拟器 来模拟分子和材料结构。这将有助于加快新材料和新药物的研发过程。
3）人工智能：由于量子比特可以处于多个状态，因此可以使用量子神经网络来处 理大规模数据集和复杂模型。这将有助于提高人工智能系统的性能，并推动人工智能技 术向前发展。应用探索成业界热点，行业领域趋向多元化。基于中等规模含噪量子处理器（NISQ） 和专用量子计算机的应用案例探索在国内外广泛开展，代表性应用领域和典型场景涵盖 了化学、金融、人工智能、交运航空、气象等众多行业领域，产业规模估值达到千亿美 元级别
2.4. 量子计算主要技术路线
当前量子计算各技术路线的性能指标发展水平参差不齐，但距离实现大规模可容错 通用量子计算的目标都还有很大差距：1）超导路线：在量子比特数量、逻辑门保真度 等指标方面表现较为均衡；2）离子阱路线：在逻辑门保真度和相干时间方面优势明显， 但比特数量和门操作速度方面瓶颈也同样突出；3）光量子和硅半导体路线目前在比特 数量、逻辑门保真度和相干时间等指标方面均未展现出明显优势；4）中性原子近年来在 比特数量规模、门保真度和相干时间等指标方面提升迅速。
量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要可分为两大类：1）以超导和硅半导 体等为代表的人造粒子路线，2）以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。
人造粒子路线：可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面具有一定优 势，但在提升逻辑门精度等指标方面受到基础材料和加工工艺等限制。天然粒子路线：具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但在比特数量扩展等方面 面临挑战。近年来，各种主要技术路线均有研究成果不断涌现，呈现开放竞争态势，尚 无某种技术路线体现出明显综合优势。
超导技术路线是量子计算领域业界关注度最高的发展方向。离子阱路线能否在量子 计算技术路线竞争中占据优势仍有待进一步观察。光量子路线中专用光量子计算近年来 研发成果较多。硅半导体路线的比特数量和操控精度等指标提升缓慢。中性原子路线有 望成为技术路线竞争中的后起之秀。超导技术路线的比特数量操控精度和相干时间等关 键指标提升迅速且发展较为均衡，是有望率先实现量子纠错和突破杀手级应用的“种子 选手”。
2.5. 量子计算市场空间
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