陆军院士：量子信息系统发展探讨
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本篇节选自论文《量子信息系统发展探讨》，发表于《中国电子科学研究院学报》
作者：陆军，张雪松，栾添，张先超，傅宇龙
摘 要：量子信息系统是技术形态量子化的信息系统，具体表现为量子信息技术在信息获取、信息存储、信息传递、信息处理、信息使用等信息过程中的应用。研究发现量子信息系统的特征包括更加丰富的信息量、更加快速的信息处理以及增强的信息安全。相关系统应用集中在量子保密通信、量子计算模拟和量子精密测量等方向。量子信息技术将促进感知、计算、存储、通信、应用等过程的一体化融合，颠覆电子信息系统是一个大概率事件。
关键词: 量子，量子信息系统，技术形态，量子保密通信，量子计算模拟，量子精密测量
量子调控和量子信息技术的迅猛发展标志着“第二次量子革命”的兴起。量子信息技术成为世界科技的前沿，更是信息时代各国发展战略的竞争焦点。量子信息领域每月甚至每周都有新进展，我国在量子信息领域具有理论和技术储备优势，产生了一批具有重要国际影响的研究成果，例如：“量子称霸”、“京沪新干线”、10量子比特计算模拟、“墨子”卫星千公里纠缠……。量子信息科技革命给了我国一个从经典信息技术时代的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的、不可错过的历史机遇，实现弯道超车将会使得我国的信息技术水平和信息产业核心竞争力实现跨越式发展。
1.1 量子信息技术是基础性创新
量子，即能量子，是一个表征辐射能量的离散量，大小与辐射频率成比例。一般认为原子是物质的基本组成单元，量子是能量的基本组成单元。光子、电子、中子、质子、……，甚至原子，都遵循量子力学规律，具有量子属性。例如：量子电子学，是指研究电子的量子属性或具有量子属性的电子的一门学科，就语法而言，这里的量子是名词作形容词。
1900年，普朗克首先使用了能量子这个物理概念，并与波尔、薛定谔等共同拨开了“紫外灾难”这朵乌云，让二十世纪沐浴在“量子”的阳光下。这是认识量子的时期，史称第一次量子革命，由“能带理论”发明了晶体管，更直接催生了信息技术。维纳的“信息就是信息，不是物质或能量”的论断，钟义信教授的本体信息论，“麦克斯韦妖”悖论和朗道原理解释，还有最新的量子实验现象等等，都表明：信息、能量、物质是客观世界存在的三个基本要素。当人类开始探索普朗克尺度的微观世界时，发现了更加广阔而深邃的科学与技术领域，发展了超越经典和常规的认知，包括量子力学QD、量子电动力学QED、量子色动力学QCD、量子味动力学QFD，还有正在建立的量子引力理论，这些都是基础性的创新！
新世纪，量子信息与调控技术的突破引发了第二次量子革命，经典信息技术升级为量子信息技术，其颠覆性效果体现在信息获取、信息传递、信息存储、信息处理和信息使用等信息过程的方方面面。世界强国均将相关研究工作、产业实践和环境建设等作为信息时代发展的重要战略举措。
1.2 信息技术发展的颠覆性前沿
2016年度诺贝尔物理学奖授予了大卫·索利斯等三人，表彰他们在物质拓扑相变和拓扑相的重大理论发现，认为这有助于未来量子计算机的发展。新华网调查“当今世界八大热门科技”，排名第6的是“量子通信”。中国军网发布的“2016年世界国防科技十大前沿技术”，第8个是“量子信息技术”。
美国国防部2013-2017科技发展五年计划中，将量子信息与控制技术列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域，DARPA为此制定了量子信息科学与技术发展规划，并给予大力支持。
欧盟于2008年发布了量子信息处理与通信战略报告，联合12个欧盟国家成立了基于量子密码的安全通信工程，成为继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。2016年，欧盟启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项目“量子宣言”，将量子传感、量子通信、量子计算和量子模拟作为四个重点研究方向，意图建立极具竞争力的欧洲量子产业，增强欧洲在量子研究方面的科学领导力。
英国于2007年成立了由17所大学和132家公司组成的量子技术枢纽中心，2015年又配套3亿英镑用于支持欧盟量子旗舰项目。
我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》将“量子调控机制”列为基础研究的四项重大研究计划之一，明确指出要探索新的量子现象，发展量子信息学、量子通信等技术，以构建未来信息理论基础。
这些国家级规划和计划表明：量子信息技术是现代信息技术发展的颠覆性前沿之一，也是“建设科技强国”的历史机遇。
2.1 量子信息系统概念
量子信息技术应用于信息获取、信息存储、信息传递、信息处理、信息使用等信息过程，将经典信息技术形态量子化，形成的信息系统称为量子信息系统。
经典信息技术时代发展的巅峰是各种各样的电子信息系统，研究工作借鉴其发展经验，在量子信息技术时代之初倡导顶层设计，建议以量子信息系统为抓手，快速推进量子信息技术的突破和应用，引领网络信息体系发展。
图1 量子信息系统架构概念图
图1是量子信息系统架构概念图。基于电子信息系统架构，在基础设施层面，采用量子信息技术实现信息服务、时空基准、安全保密等资源服务。例如：利用量子光钟提供精度为10-18秒级别的校时基准，利用量子模拟实现Shor算法秒破RSA密码，利用量子随机特性实现信息安全手段的升级。在功能层面，采用量子精密测量技术，提供更准确、更细致的目标对象信息，等等。
2.2 量子信息系统特征
与传统电子信息系统相比，量子信息系统具有更加丰富的信息量、更加快速的信息处理以及增强的信息安全。
（1）信息量更加丰富。量子信息技术采用微观存在的内稟状态或特性表征信息，其信息丰裕度高于现有信息系统。使用同样的物质和能量能够获取、存储、处理、传递、表示更多的信息。依据贝肯斯坦极限，量子信息与电子信息存储比较，两者相差将近27个数量级！例如，固态硬盘大小的空间，采用现代电子技术可存储3×1012比特（基本上达到了摩尔定律的极限），而采用量子信息技术的极限存储容量是2.6×1039比特。
（2）信息处理更加快速。利用量子叠加性，可以在物理上实现并行计算，配合相应的量子算法，至少在某些计算问题上（如大数质因数分解、异构数据检索等）能够媲美和超越现有的超级计算机，实现“量子称霸”。依据布雷莫曼极限，量子计算与电子超级计算机比较，两者相差将近32个数量级！
（3）增强的信息安全。利用量子的真随机性和纠缠特性，能够颠覆现有信息传递模式，无论是量子保密通信，还是隐形传态，理论上在信息加密和传递环节都可以实现无条件安全，工程实践中已经实现有限可信节点保密通信。
2.3 量子信息系统专业方向
量子信息技术是信息技术的量子化实现，不会超越信息获取、信息传递、信息存储、信息处理和信息使用等信息过程，其颠覆性来源于变革实现信息过程的技术原理和手段。
因此将量子信息系统细分为四个专业方向：量子通信、量子计算模拟、量子精密测量、量子器件。信息传递的量子技术实现称为“量子通信”；信息处理和信息存储的量子技术实现称为“量子计算模拟”；信息获取的量子技术实现称为“量子精密测量”；元器件的量子技术实现称为“量子器件”。在这些专业方向上，主要有9项核心技术：量子保密通信、量子隐形传态、量子通用计算、量子模拟、量子软件、量子导航、量子成像、量子探测、量子器件。其中的研究热点如下。
量子保密通信[9][10][11][12]：实现量子密钥分发，保证密钥生成与分发过程的增强安全，是对抗量子计算破解非对称密码体制RSA的“盾”。
量子计算[13][14]：主要利用量子叠加特性，实现量子通用计算和量子定制计算，超越现有的超级计算机，实现“量子称霸”，一个惹人注目的应用是颠覆传统非对称密码体制的“矛”。
量子精密测量[15][16]：在本场从微观尺度进行量子精密测量，获取自身位置、时间、速度等信息，实现自主导航定位，颠覆全球卫星导航定位系统。
2.4 主要研究团队及企业
量子信息系统概念和梦想有很多科研机构、院校、企业在探索和实践。在此，做一些不完整的介绍。
IBM团队。1984年，IBM的学者提出了BB84协议，并于1989年首次实验验证，量子密钥分发（QKD）技术正式诞生，目前MagiQ公司出售商用QKD产品和量子安全解决方案。2016年，IBM发布免费量子计算云服务“量子体验”，其核心是一台五量子位的量子计算机，用户通过一个简单的互联网接口软件可以访问该量子计算机。2017年，IBM还将推出比“量子体验”有更多量子位的IBM Q。
Google团队。2014年，Google开始自主研制量子计算机，计划2017年底完成其首台49比特的量子计算机。除了向科学家和人工智能研究者提供访问其量子计算机的途径外，Google还成立了“胚胎量子数据中心”实验室，通过Project Q开源项目，鼓励开发人员为量子计算机编写代码。
Microsoft和Delft团队。Microsoft结合半导体和超导体，自主研发拓扑量子计算机，荷兰Delft主攻容错量子算法。
欧盟的东芝剑桥研究中心Shield团队、法国高等光学研究所法布里实验室、ID Quantique公司等，在基于光纤信道的连续变量和诱骗态QKD技术、基于自由空间信道的纠缠光子对QKD技术上处于世界领先水平。
中科大-浙大-阿里团队。主要成员包括潘建伟、韩正甫、王向斌、苑震生、陈宇翱、施尧耘等。2016年，建成“京沪光纤量子通信骨干网”，成功发射“墨子号”量子通信卫星，完成1200公里QDK试验和量子纠缠试验，初步构建了广域量子通信体系。2017年5月，成功研制首台10个量子比特的光量子计算机。2017年9月，通过量子调控，在超冷原子体系中发现了拓扑量子物态中的准粒子——任意子，为通用量子计算机奠定了基础。
中国电科团队。作为电子信息系统研究和建设的国家队，中国电子科技集团公司直面量子信息技术的颠覆性变革，组织各成员单位，联合北大、清华、北航、北理、北邮、中科大、南大等院校，以陆军研究员为首席科学家，提出并积极布局“量子信息系统”的研究、设计与实现。团队在量子器件、标准计量，超导制冷机，单光子检测雷达，量子成像，量子定制计算，量子与经典混合计算，连续变量QKD等技术的工程化和系统应用方面具有先发优势。
3.1 量子安全体系
数学上已经严格证明：量子保密通信技术在理论上是一种无条件安全的通信方式。即使在工程实践上存在这样那样的安全漏洞，量子信息技术依然能够增强国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全保障，具有重大战略意义和实际应用价值。经过30年的发展，量子保密通信技术在实际安全性、通信距离、传输速率、集成化、组网能力等方面的技术成熟度已经达到七级，开始产品化、工程化和产业化，呈现出重大产业革命的先兆。如图2，以量子加密、量子存储、量子传输为代表的量子安全体系正在形成，世界强国都在积极整合研究资源，抢占QKD技术大规模应用的先机。
量子保密通信技术是我国为数不多的处于国际领先地位的科研领域，但其存在的问题也不容忽视：
（1）基础性创新不足。量子保密通信技术的核心基础协议、思想理念和安全性分析等几乎都是美国、欧洲、澳大利亚的学者提出来的（清华大学王向斌教授对诱骗态协议的重要贡献是唯一例外）。我国在实验技术、工程应用方面领先世界各国，但要在研究方向上引领全球，尚需加强基础性、前沿性研究，突破原始创新。
（2）核心器件材料不自主。我国的领先优势主要体现在QKD整机技术上，单光子探测器、数据处理单元（高性能FPGA、GPU等）、光电调制器等核心部件还依赖进口，在精密机械制造、半导体芯片、精密光学仪器等制造工艺方面存在短板，量子信息技术的自主可控问题比电子信息技术更加严峻。
（3）技术路线相对单一。国内大部分高校和企业的技术路线集中在单光子QKD，连续变量、MDI、RRDPS等协议也各有优势，在没有哪个技术路线最终胜出的情况下，国际上是在并行发展的，我们的资源投入也需要分散风险。
3.2 量子计算模拟
以智慧城市、机器人、人工智能为特征的新工业革命正在形成，高性能计算是这些典型应用的核心技术基础，量子计算模拟具有求解机器学习算法的巨大潜力，主要体现在并行处理、超级算、超低能耗等颠覆性特征上。
（1）并行处理。量子计算模拟能够同时变换每一个叠加分量，并以概率幅进行叠加，这就是量子计算模拟的并行性。与传统计算机只能处于0或1两种状态之一不同，量子计算模拟的量子比特可同时处于0和1两种状态，从而获得量子算法复杂度的时空压缩优势。
（2）超计算。量子计算模拟能够将指数级的计算复杂度降为多项式复杂度，大幅提升运算能力，解决机器学习在数据处理上的瓶颈问题，在线性规划，类神经网络等问题上也有天然优势。
（3）低能耗。数学理论上，量子计算模拟是一种酉变换，是可逆计算，这部分计算不发生能量转移，因此整个量子计算模拟具有低能耗特性。例如，在相同计算能力条件下，当超级计算机的能耗大约为2217千瓦时，量子计算模拟的能耗大约为25千瓦时。
目前量子计算模拟的主要应用有：基于Shor算法的大数分解，应用于量子加密解密，能够增强网络信息体系安全；基于量子退火算法的系统优化，应用于天气预测，交通规划，量子金融分析等；基于量子体系模拟，研究多量子态系统，在量子物理化学、新药物新材料等方面吸引了众多期待。
3.2 量子精密测量
量子信息技术最直接的效应是精密测量，科技的进步使得人类的操控手段深入到了围观世界。在这个方向上的应用首先要说量子光钟。微观量子态的跃迁具有稳定的周期，可以用于时间标准计量。1967年，国际计量大会采用了原子秒定义：秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。应用激光冷却、磁光阱、光梳等技术，目前世界上最精确的锶原子光钟稳定度达到了10-18秒量级。外界环境对量子光钟的干扰也是可以充分利用的，这些扰动反映了地磁场、重力场等的变化。通过测量量子光钟时频的漂移变化，能够获得地表以下重力场的情况，探知埋藏的矿物或物体；还能获得水面以下地磁场的情况，探知沉船和潜艇等。量子精密测量的应用远远不止这些，诸如量子痕迹跟踪、量子成像、量子导航、量子雷达等等也同样具有广阔的前景。
“第二次量子革命”当前的主要表现是技术变革，即以技术形态量子化为主要特征，颠覆经典的信息获取、存储、传递、处理、使用等过程，创新出量子通信、量子计算、量子光钟、量子导航、量子雷达、量子成像等应用。各自发展的单项技术，需要从顶层进行统筹设计，实现科技资源和工程资源的最大化利用，这也是开展量子信息系统研究的目的和意义。量子信息更是深刻的思维变革，对信息系统的系统形态会产生什么影响？研究工作还很初步，前景图像还很模糊。
（参考文献略）
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