量子信息科技的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

潘建偉

1) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心,合肥 230026)

2) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院,合肥 230026)

1 引言

量子通信、量子計算和量子精密測量等是量子信息科技的三個主要研究方向.

量子通信包括量子密鑰分發(fā)[1–6]和量子隱形傳態(tài)[7–11]兩種應(yīng)用方式.其中量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來加載信息,通過一定的協(xié)議在遙遠(yuǎn)地點的通信雙方共享密鑰.基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式,也是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù).量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態(tài)(即量子信息),而不用傳輸這個微觀粒子本身.量子隱形傳態(tài)技術(shù)可以鏈接量子信息處理單元來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò),同時也是構(gòu)建遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)所需的量子中繼的關(guān)鍵環(huán)節(jié).因此,國際學(xué)術(shù)界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信.量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系,具體發(fā)展路線: 利用光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器鏈接鄰近兩個城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)鏈接遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的量子通信網(wǎng)絡(luò).

量子計算[12–15]具有強(qiáng)大的并行計算和模擬能力,一旦成功研制,基于計算復(fù)雜度的經(jīng)典信息安全體系將受到巨大沖擊.例如,基于量子計算機(jī)的“Shor 算法”[16],能夠輕易破解當(dāng)前在公鑰加密和電子商業(yè)中被廣泛使用的非對稱加密算法RSA算法;而基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信的安全性與計算復(fù)雜度無關(guān),即使是量子計算機(jī)也無法破解.量子計算研究的核心任務(wù)是實現(xiàn)多量子比特的相干操縱.如圖1 所示,根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模,國際學(xué)術(shù)界設(shè)定了如下3 個“里程碑”.第1 個是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”,即量子計算機(jī)對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機(jī),達(dá)到這一里程碑需要約50 個量子比特的相干操縱.第2 個是實現(xiàn)專用量子模擬機(jī),應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題,為特定領(lǐng)域提供初步算力服務(wù).達(dá)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(dāng)前的主要研究任務(wù).第3 個是在量子糾錯的輔助下實現(xiàn)可編程通用量子計算機(jī),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(shè)計、氣象預(yù)報、生物制藥等方面發(fā)揮巨大作用.由于技術(shù)上的難度,國際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為實現(xiàn)通用量子計算機(jī)仍需10—15年甚至更長時間.

圖1 量子計算的3 個發(fā)展階段Fig.1.Three steps of achieving universal quantum computing.

利用量子資源和量子調(diào)控帶來的量子計量給精密測量迎來了新的發(fā)展契機(jī)、新內(nèi)涵、新原理新體系新方法與新技術(shù),有望實現(xiàn)如時間、電場、磁場、相位、重力、溫度等物理量超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測量,同時也帶來了量子操控和量子世界本身測量中許多嶄新的問題.正是由于量子調(diào)控與量子信息技術(shù)的發(fā)展,2018年第26 屆國際計量大會正式通過決議,從2019年開始實施新的國際單位定義,從實物計量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向量子計量標(biāo)準(zhǔn),這標(biāo)志著精密測量開始進(jìn)入量子時代.

2 我國量子信息科技的發(fā)展態(tài)勢

經(jīng)過近30年的努力,我國量子信息科技領(lǐng)域整體上已經(jīng)實現(xiàn)了從跟蹤、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍.具體而言,我國在量子通信的研究與應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位,在量子計算方面牢固占據(jù)國際第一方陣,在量子精密測量的多個方向進(jìn)入國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平.

2.1 量子通信

我國的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實用化要求,自主研制的量子通信裝備已經(jīng)為黨的“十八大”、“十九大”、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70 周年閱兵、北京冬奧會、杭州亞運會等國家重要活動提供了信息安全保障.在城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面,我國建成了國際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”,率先在金融、政務(wù)、電力等領(lǐng)域開展了遠(yuǎn)距離量子保密通信的技術(shù)驗證與應(yīng)用示范.在此基礎(chǔ)上,我國全線貫通了總里程超過104km 的國家量子骨干網(wǎng),覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域,將推動量子保密通信的規(guī)模化應(yīng)用.

在衛(wèi)星量子通信方面,我國研制并成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”,在國際上率先實現(xiàn)了星地量子通信[17],充分驗證了基于衛(wèi)星平臺實現(xiàn)全球化量子通信[18–20]和開展物理學(xué)基本問題檢驗[21]的可行性.利用“墨子號”積累的成功經(jīng)驗,我國研制并發(fā)射了世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”,為構(gòu)建低成本、實用化的量子星座奠定基礎(chǔ).同時,地面接收站的重量也已由十幾噸降到100 kg 左右,可初步支持移動量子通信.結(jié)合“墨子號”量子衛(wèi)星與“京滬干線”,我國率先構(gòu)建了天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形[22],成為近年來國際量子信息研究的一大標(biāo)志性事件.

2.2 量子計算

實現(xiàn)量子計算主要的物理系統(tǒng)包括光量子、超導(dǎo)量子線路、超冷原子、離子阱、固態(tài)自旋、硅基量子點以及拓?fù)鋺B(tài)等.這些系統(tǒng)各自具有優(yōu)勢和缺點,需要全面考察各種物理體系,發(fā)展規(guī)模化量子比特的操縱技術(shù)和超高精度容錯量子邏輯門操縱技術(shù).目前,構(gòu)建量子計算機(jī)的技術(shù)路線尚未收斂,對各種有望實現(xiàn)可擴(kuò)展量子計算的物理體系,中國、美國和歐盟均已具有完整布局.根據(jù)各物理體系的優(yōu)勢,國際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為基于光量子、超導(dǎo)和超冷原子等體系有望率先實現(xiàn)實用化的專用量子模擬機(jī).

在光量子體系,我國構(gòu)建了76 光子的光量子計算原型機(jī) “九章”[23],在國際上首次在光量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑.加拿大量子計算初創(chuàng)公司Xanadu 實現(xiàn)了219 個光子的量子計算原型機(jī)“北極光”[24],一度超越我國113 光子的“九章二號”[25],成為第3 個在“高斯玻色取樣”問題上實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的量子計算處理器,但隨后又被255 光子的“九章三號”[26]反超(圖2 為“九章三號”局部展示).基于“九章”系列光量子計算原型機(jī)平臺,我國學(xué)者已完成在快速求解圖論有關(guān)問題方面的演示[27],為探索現(xiàn)階段量子計算原型機(jī)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

圖2 “九章”系列光量子計算原型機(jī)Fig.2.“Jiuzhang” series photonics quantum computing prototype.

在超導(dǎo)量子體系,我國先后構(gòu)建了62 qubits超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之號”[28]和66 qubits的“祖沖之二號”[29](圖3 為“祖沖之二號”量子電路展示).“祖沖之二號”對量子隨機(jī)線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機(jī)快107倍,這使得我國首次在超導(dǎo)量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”.值得指出的是,根據(jù)Pan 等[30]提出的張量網(wǎng)絡(luò)算法,經(jīng)典計算機(jī)求解谷歌“懸鈴木”超導(dǎo)量子計算原型機(jī)處理的隨機(jī)線路采樣任務(wù)預(yù)計僅需數(shù)十秒(“懸鈴木”需要200 s),該算法已在經(jīng)典超算上得到驗證,因此谷歌基于“懸鈴木”宣稱的“量子計算優(yōu)越性”已不成立.而即便根據(jù)最新的經(jīng)典算法,無論是“九章”系列還是“祖沖之二號”,仍然具備超越超級計算機(jī)的能力.目前,我國是唯一在兩種物理體系都達(dá)到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家,牢固確立了國際量子計算研究第一方陣的地位.

此外,基于超導(dǎo)量子芯片,Zhang 等[31]首次實現(xiàn)了拓?fù)鋾r間晶體的全數(shù)字化量子模擬;基于超導(dǎo)量子計算芯片實現(xiàn)了51 qubits 簇態(tài)糾纏態(tài)的制備[32],是目前規(guī)模最大的超導(dǎo)量子比特糾纏.

在超冷原子體系,我國目前整體上與歐美發(fā)達(dá)國家并跑,在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱[33]、自旋軌道耦合[34,35]、超冷分子反應(yīng)[36–38]、復(fù)雜物理問題的量子模擬[39–41]等方面取得了系列重要成果,并已開展了Feshbach 共振費米氣體研究[42]、光晶格的相變和關(guān)聯(lián)研究[43,44]、自旋軌道角動量耦合研究[45]、超冷原子自旋糾纏態(tài)和高分波Feshbach 研究[46]、費米氣體的Efimovian 膨脹和腔QED 的相關(guān)研究[42,47,48]、BEC 在動量空間光晶格的相關(guān)研究[49]等基礎(chǔ)性研究工作,為解決凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)等領(lǐng)域中若干經(jīng)典計算機(jī)難以處理的復(fù)雜問題奠定了基礎(chǔ).

在離子阱[50–53]、硅基量子點、金剛石色心[54,55]等物理體系,我國已在相關(guān)基本要素方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù).此外,由于拓?fù)淞孔佑嬎憷碚撋显谌蒎e能力方面的優(yōu)越性,基于拓?fù)潴w系實現(xiàn)通用量子計算機(jī)是國際上面向長遠(yuǎn)的重要研究目標(biāo).當(dāng)前國內(nèi)外均在為實現(xiàn)單個拓?fù)淞孔颖忍剡@一“0 到1”的突破而努力.在這些體系,整體上我國處于并跑或小幅落后的水平.

近年來,隨著量子計算的快速發(fā)展,國際上普遍認(rèn)為能夠破解公鑰密碼體系的量子計算機(jī)的誕生時間可能會大幅提前.為了應(yīng)對量子計算機(jī)對現(xiàn)有密碼體系可能帶來的沖擊,主要發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始布局未來的信息安全體系.主要路徑有兩種:一是抗量子計算的數(shù)學(xué)密碼(PQC),二是抗量子計算的量子密碼(即量子保密通信).值得注意的是,PQC 本質(zhì)上是基于計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法,原理上仍然會被破解.例如,此前通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)多輪審查的PQC 算法“彩虹”(Rainbow)[56]和SIKE[57]先后被使用經(jīng)典手段破解.因此,PQC 仍然缺乏嚴(yán)格的安全性證明,難以單獨作為未來信息安全的屏障.相比之下,以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信是迄今唯一的安全性得到嚴(yán)格證明的通信方式,可大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性.國際學(xué)術(shù)界的主流觀點為通過結(jié)合抗量子計算的數(shù)學(xué)密碼和量子保密通信,共同構(gòu)建抗量子計算密碼體系.

2.3 量子精密測量

在時間頻率標(biāo)準(zhǔn)方面,我國研制的高精度光鐘,其穩(wěn)定度和不確定度已進(jìn)入10–18量級[58–60],達(dá)到國際先進(jìn)水平,但性能指標(biāo)仍然落后國際上最優(yōu)水平1—2 個數(shù)量級[61–64].我國首次在國際上實現(xiàn)百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗[65],時間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級,頻率傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4×10–19,達(dá)到國際最優(yōu)水平(圖4 為實驗裝置示意圖);在量子導(dǎo)航方面,我國研制成功的原子自旋陀螺原理樣機(jī)[66,67],指標(biāo)與國外公開報道的最高指標(biāo)相當(dāng);可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平,小型移動式冷原子重力儀達(dá)到了目前國際上野外連續(xù)重力觀測的最好水平[68–70].

圖4 我國在國際上首次實現(xiàn)百公里級自由空間時間頻率傳遞[65]Fig.4.Free-space dissemination of time and frequency with 10–19 instability over 113 km[65].

在單量子靈敏探測方向,我國研究人員在磁場探測[71,72]、量子激光雷達(dá)[73,74]、痕量原子示蹤[75]、單分子表征[76]等若干方向上達(dá)到國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平.

3 激烈的國際競爭態(tài)勢

鑒于量子信息科技重要的科學(xué)意義和巨大的應(yīng)用價值,歐美發(fā)達(dá)國家的政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本正在不斷完善戰(zhàn)略部署,穩(wěn)步增加研發(fā)投入.

1) 政府發(fā)揮主導(dǎo)和引領(lǐng)作用.2018年12月,美國啟動了為期10年的“國家量子行動法案”(NQI)[77],2019—2022年間已投入近30 億美元,2023年的預(yù)算請求為8.44 億美元,遠(yuǎn)超NQI 法案最初計劃的5年13 億美元.2022年8月,美國總統(tǒng)拜登簽署了《2022年芯片和科學(xué)法案》[78],為多個量子信息相關(guān)項目撥款近8 億美元.

2018年10月,歐盟正式實施“量子技術(shù)旗艦項目”[79],連同各成員國的配套,總經(jīng)費超過40 億歐元;2021年,歐盟提出天基安全連接計劃[80],計劃將衛(wèi)星星座和歐洲量子通信基礎(chǔ)設(shè)施集成,以借助量子加密技術(shù)為歐洲政府和軍事組織提供安全通信,預(yù)估經(jīng)費總額為60 億歐元;2023年,德國政府通過“量子技術(shù)行動計劃”[81],將在2023—2026年期間投入約30 億歐元.2021年1月,法國啟動量子技術(shù)國家行動計劃[82],5年將投資18 億歐元.2023年3月,英國發(fā)布《國家量子戰(zhàn)略》[83],將在2024—2034年間提供25 億英鎊的政府投資,并吸引至少10 億英鎊的額外私人投資.

2) 大型高科技企業(yè)積極投入.2019年10月,谷歌率先宣布在超導(dǎo)量子體系達(dá)到了“量子計算優(yōu)越性”里程碑[84].此后,谷歌僅在超導(dǎo)量子計算單一方向就追加10 億美元投入,實驗室每年的運行經(jīng)費約6000 萬美元.2022年10月,IBM 宣布未來十年將投資200 億美元加強(qiáng)半導(dǎo)體、量子計算等的研發(fā)和制造.2023年5月,IBM、谷歌承諾將為芝加哥大學(xué)和東京大學(xué)提供1.5 億美元,支持兩所大學(xué)的量子計算研究工作.

3) 擴(kuò)大對我國的禁運范圍.美國政府自2017年起禁止出口量子密碼技術(shù)和器件,2018年起管制量子信息和傳感技術(shù)出口.受美國影響,一些其他北約國家也開始對我國禁運.2021年底,美國將我國部分量子信息研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)列入“實體清單”,進(jìn)一步加強(qiáng)禁運.2023年頒布對外投資限制行政令,并著力打造以美英法德日為首的十二國量子技術(shù)利益集團(tuán),通過成立量子技術(shù)國際協(xié)會等形式,試圖建立排除我國的量子技術(shù)相關(guān)全球市場和供應(yīng)鏈,意在將我國孤立于國際量子科技創(chuàng)新圈之外.

4 下一步量子信息科技創(chuàng)新發(fā)展的重點

根據(jù)國家戰(zhàn)略需求和國際競爭態(tài)勢,未來5—10年我國在量子信息領(lǐng)域的發(fā)展重點如下.

1) 量子通信領(lǐng)域.構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系,開展量子通信安全攻防、量子通信專網(wǎng)應(yīng)用等研究,進(jìn)行量子通信系統(tǒng)的安全測評與認(rèn)證,完成涵蓋器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、安全等層面的量子通信標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建.與此同時,開展自主抗量子計算的數(shù)學(xué)密碼(PQC)體系的研究,推動PQC 和量子密鑰分發(fā)、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的創(chuàng)新融合、優(yōu)勢互補(bǔ)和安全測評,推動形成下一代抗量子計算的密碼體系.在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接,推進(jìn)量子通信技術(shù)在政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用,支撐自主可控的國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)建設(shè).

2) 量子計算領(lǐng)域.除了各體系相干操縱量子比特規(guī)模的提升外,量子糾錯技術(shù)是目前研究的一大重點和難點.2021年底,我國團(tuán)隊已經(jīng)基于“祖沖之二號”處理器實現(xiàn)了表面碼的重復(fù)糾錯實驗,這是朝向容錯計算的重要一步[85].此外,我國在基于玻色碼的糾錯方案方面也取得重要進(jìn)展[86].下一步,將基于可擴(kuò)展的量子糾錯方案,構(gòu)建高保真度邏輯比特,實現(xiàn)高保真度邏輯門操控,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)容錯量子計算.在專用量子模擬機(jī)研制方面,在光量子、超導(dǎo)、離子、超冷原子等物理體系中,高精度地將量子計算系統(tǒng)擴(kuò)展至上千比特,應(yīng)用于解決若干具有重要價值、經(jīng)典計算機(jī)無法勝任的計算難題,包括高溫超導(dǎo)機(jī)制、量子化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等復(fù)雜物理問題研究.同時,在帶噪聲的中等規(guī)模量子處理器上探索將量子計算應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域.利用在專用量子計算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的相關(guān)技術(shù),提高量子比特的操縱精度使之超越量子計算的容錯閾值(>99%),實現(xiàn)容錯量子邏輯門,最終突破量子比特大規(guī)模集成關(guān)鍵技術(shù),研制可編程的通用量子計算原型機(jī).

3) 量子精密測量領(lǐng)域.力爭進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列,突破與導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗、科學(xué)研究等領(lǐng)域密切相關(guān)的一系列量子精密測量關(guān)鍵技術(shù),研制一批重要的量子精密測量設(shè)備.尤其是時間頻率標(biāo)準(zhǔn)方面,建設(shè)空地時頻傳遞地面終端,開展高精度星地時頻比對、衛(wèi)星共視千公里級雙站時頻比對等實驗,形成廣域光頻標(biāo)比對網(wǎng)絡(luò),支撐未來國際計量單位“秒”定義變更,為未來引力波探測、暗物質(zhì)探測等物理學(xué)基本原理檢驗奠定基礎(chǔ).

4) 持續(xù)增強(qiáng)自主可控能力.在國家科技主管部門和地方政府的支持下,以量子信息領(lǐng)域國家戰(zhàn)略任務(wù)為牽引,統(tǒng)籌組織國內(nèi)優(yōu)勢高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)、用戶部門,匯聚各方資源開展量子科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需的關(guān)鍵材料、核心器件與高端設(shè)備自主研發(fā),保障國家重大科技任務(wù)的實施,確保產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)自主可控,形成具有國際競爭力的科技儀器產(chǎn)業(yè)典范;依托全國性量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟,打造自主研發(fā)協(xié)同攻關(guān)共同體,搭建政產(chǎn)學(xué)研用金協(xié)同創(chuàng)新、優(yōu)勢互補(bǔ)的合作平臺,推動創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈深度融合、協(xié)調(diào)發(fā)展,構(gòu)筑自主可控、可持續(xù)發(fā)展的量子科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系.

5 結(jié)論

以量子信息為主導(dǎo)的第二次量子革命正在向我們走近,它給了我國一個從經(jīng)典信息技術(shù)時代的跟隨者和模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)引領(lǐng)者的歷史機(jī)遇.在國際上率先掌握能夠形成先發(fā)優(yōu)勢、引領(lǐng)未來發(fā)展的顛覆性技術(shù),率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術(shù)體系,推動我國的信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)核心競爭力實現(xiàn)跨越式提升,是我國量子科技領(lǐng)域的重要使命.