世界前沿技术发展报告2023《世界信息技术发展报告》（三）量子信息技术
资料来自：《世界前沿技术发展报告2023》和网络
1. 概述
量子信息技术是在物理学和计算机科学研究基础上发展而来的一门新兴学科，涉及量子信息及其应用的研究，可能彻底改变科学和技术的许多领域，包括计算、通信、密码学和传感。量子信息是一种基于量子力学原理的信息，包括量子态，如单个粒子的极化或自旋，以及多个粒子的纠缠。中国科学院院士薛其坤指出，在众多科技领域中，包括量子计算在内的第二代量子技术作为一种颠覆性技术，一旦实现实用化，有可能会引发一场新的工业技术革命。当下，世界正处于第二次量子技术革命的前夜，量子计算、量子通信和量子传感三大技术方向在国防、金融、大数据、生物制药等领域的巨大潜在应用价值，引起了主要世界科技强国和高科技公司的高度重视。
2. 量子计算
量子计算机具有超高的运算速率，有可能解决经典计算机无法在短时间内完成的运算任务，包括多体问题求解、解决优化问题和破解经典加密密码。这些应用有可能在医学、金融和人工智能等领域产生重大影响，以及带来科学和技术的新突破和新发现。
2.1 阿里巴巴达摩院成功研制两比特量子芯片，单比特操控精度超99.97%
2022年3月，中国阿里巴巴公司达摩院量子实验室成功研制出两比特量子芯片。达摩院量子实验室的报告显示，该团队基于新型Fluxonium超导量子比特成功设计制造的两比特量子处理器，实现了单比特操控精度超99.97%，两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%，取得此类比特全球最佳水平，性能逼近业界主流的Transmon比特。目前，两个Transmon比特门操控精度最高可达99.85%～99.87%，该纪录由美国麻省理工学院(MIT)和IBM公司创造。在另一个芯片制备的课题上，达摩院量子实验室制备的基于氮化钛的超导量子比特，在相干时长这一最关键的性能指标上，可复现地达到300微秒，达到世界一流水平。
2.2 加拿大Xanadu公司开发出可编程光量子计算机
2022年6月，加拿大初创公司Xanadu开发出名为Borealis的光量子计算机。Borealis计算机可以通过测量多达216个纠缠光子的行为来进行计算，在36微秒内完成高斯玻色取样任务。此外，Borealis也是世界上第一台能够通过云向公众提供服务的具有量子优越性(Quantum Supremacy)的计算机。Xanadu公司介绍，Borealis是可以编程和扩展的，有助于解决下一代电池开发、药物发现、金融和物流等领域的复杂问题。
2.3 美国英伟达公司为经典-量子混合计算推出开发架构
2022年7月，美国英伟达公司发布名为量子优化设备架构(Quantum Optimized Device Architecture, QODA)的编程开发架构，旨在为经典-量子混合计算创建单一编程环境。该开发架构与英伟达为并行计算开发推出的统一计算设备架构(Compute Unified Device Architecture, CUDA)平台相似，但结合了更多量子专业知识，并致力于让更多软件开发人员可以轻松使用。英伟达的图形处理器技术将在量子电路仿真中发挥重要作用，因为图形处理器可以实现状态向量和张量网络方法，从而加速量子电路仿真。QODA架构将拥有通用编程语言（如C++和Python）的接口，以及同时兼容量子与经典计算指令的编译器。预计经典-量子混合计算架构将在药物发现、化学、金融和工程优化领域发挥重要作用。
2.4 日本国家自然科学研究所开发出运算速度最快的双量子比特门
2022年8月，日本国家自然科学研究所(National Institute of Natural Sciences, NINS)研究人员利用两个单原子成功开发出目前运算速度最快的双量子比特门。研究人员使用光学镊子将两个超冷铷原子以微米级间隔排列，并使用特殊的激光操纵原子10皮秒，观察其发生的变化。分别被困在两个相邻原子最小轨道中的两个电子被撞入里德堡轨道。随后，这些铷原子间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为6.5纳秒。在一次振荡后，量子物理定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现了双量子比特门功能。该研究有望促进冷原子量子硬件的开发。
2.5 全球量子计算专利百强公布，美国上榜公司占比达40%
2022年10月，中国知识产权服务商IPRdaily公布全球量子计算专利百强名单。该榜单对截至2022年10月18日在全球公开的量子计算领域发明专利申请数量进行统计排名。本排行榜中量子计算技术领域限制在量子计算处理系统及方法、量子线路的运行方法及装置、量子态层析方法及装置、量子程序的转化方法及装置、量子逻辑门的操作优化方法、超导量子处理器及量子测控等技术领域，未包含量子密钥加密、抗量子密码等技术领域。入榜前100名的企业主要来自18个国家和地区，美国占比达40%，中国占比达15%，日本占比达11%。其中，美国IBM公司以1323件专利位列第一，谷歌和加拿大D-Wave公司分别以762件和501件专利排名第二位和第三位。本源量子、百度网讯、浪潮、腾讯科技、华为、阿里巴巴等15家中国企业入围。
2.6 美国IBM公司发布具有433个量子比特的量子计算机
2022年11月，美国IBM公司发布具有433个量子比特的量子计算机Osprey，其量子比特数是2021年推出的127量子比特的Eagle量子计算机的3倍以上。同时，IBM高级副总裁达里奥·吉尔(Dario Gil)表示，IBM将在此基础上继续扩大规模，最终推出拥有数百万个量子比特的量子系统。
3. 量子通信
2022年，量子通信研究继续朝着远距离、高效率、高容量的方向发展，不断在传输速率、时延、传输距离、保真度等指标上再创新高。当前，量子通信技术接连取得新进展和新突破，潜在应用进一步扩展，有望深度变革全球通信方式。
3.1 中国高校研究人员实现高效率量子纠缠提纯，可用于量子通信
2022年1月，中国科学技术大学与南京邮电大学联合研究团队首次在实验室中实现了确定的纠缠纯化。研究人员首先在实验室制备了空间-极化超纠缠，随后在极化纠缠上加上噪声，再经纯化操作后，将极化纠缠的保真度从0.268提高到0.989。此次采用的新方法，仅需要一对超纠缠，即可实现纯化。从理论上估算，新方法的纯化效率可提高10亿倍，这对于提高量子中继速度十分有利，能为未来高效率量子中继实现长距离量子通信提供技术支撑。
3.2 中国清华大学打破量子安全直接通信距离纪录
2022年4月，清华大学物理系龙桂鲁教授团队和电子系陆建华教授团队进行合作，首次实现通信距离达到100千米的相位量子态与时间戳量子态相混合编码的量子直接通信系统。这套新系统可以在50兆赫激光脉冲频率下，将最大可容忍损耗从5.1分贝提升到18.4分贝，在商用低损耗单模光纤中，最远的通信距离达到了102.2千米，直接突破了此前18千米的最长距离。尽管该系统的传输速率仅为0.54比特每秒，但足以发送信息和语音数据。研究人员还表示，该系统可以与现有的互联网基础设施部分兼容。
3.3 荷兰代尔夫特理工大学在非相邻节点间实现了量子比特隐形传态
2022年5月，荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology, TUD)研究人员在非相邻节点间实现了量子比特隐形传态(Quantum Teleportation)。研究人员使用氮空穴系统(Nitrogen Vacancy System)，通过合成钻石中的极小空间来捕获电子，成功在3个节点之间传送数据，实现了多个站点之间通信的量子比特隐形传态。此前研究人员只能在2个节点间进行同类通信。这项研究的突破有望推动大规模量子互联网的研发。
3.4 .奥地利研究人员在248千米的跨国光纤链路上实现连续纠缠分发
2022年10月，奥地利维也纳量子光学与量子信息研究所(Institute for Quantum Optics and Quantum Information-Vienna, IQOQI-Vienna)研究人员成功在从奥地利到斯洛伐克的248千米跨国电信光纤中直接分发偏振纠缠的光子对，刷新了基于实用化光纤的纠缠分发的最长距离。该研究团队以高效、非局域的方式主动稳定偏振，使通信链路连续运行了110小时，实现了75%的占空比，考虑到有限密钥效应，总密钥长度为258千比特。
3.5 美国宾夕法尼亚大学开发出新型量子通信芯片，使量子信息空间翻倍
2022年11月，美国宾夕法尼亚大学研究团队研发出新型微型激光芯片，其安全性和鲁棒性超过了现有的量子通信硬件。该研究团队通过超维自旋轨道微激光器生成高维量子位，来升级激光器的能力，能操纵并耦合轨道角动量和自旋，从而生成四能级系统。该技术可通过拥有多个能级的“量子电码”进行通信，使激光器的量子信息空间翻倍。相关研究成果发表在《自然》(Nature)期刊。
4. 量子传感
量子传感器利用量子系统的独特属性，如叠加和纠缠，实现更高的精度和灵敏度，在物理量测量方面提供了前所未有的精度和灵敏度，可在原子和分子尺度上进行精确测量。量子传感的特性在使其精密测量、导航、材料科学、环境监测等领域具有广泛的应用潜力。
4.1 美国陆军研发新型量子传感器，可探测跨波段电磁辐射
2022年6月，美国陆军指挥、控制、通信、计算机、网络、情报、监视和侦察中心(Command, Control, Communications,Computers, Cyber, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Center, C5ISR Center)宣布正在开发一种里德堡量子传感器(Rydberg Quantum Sensor)。该量子传感器能够探测长波段、短波段和传统波段间的信号，可进一步提升士兵的战场通信、频谱感知和电子战能力。研究人员首先使用激光束在微波电路的正上方产生里德堡原子，利用里德堡原子暴露于不同电磁场时的不同反应，确定原子周围的电场，进而灵敏探测零频率至20千兆赫的射频频谱广泛信号。该型传感器已在实验中证实了能够在宽频率范围内连续工作，有望突破传统电子器件在灵敏度、带宽和频率范围方面的限制，为美国陆军在频谱感知、电子战等方面带来突破创新。
4.2 .美国麻省理工学院开发出可检测任何频率电磁信号的量子传感器
2022年6月，美国麻省理工学院研究人员开发了一种新系统，使量子传感器可以检测任何频率的电磁信号，同时不损失其测量纳米级特征的能力。研究团队将新系统称为“量子混合器”(Quantum Mixer)，使用一束微波向探测器注入第二个频率，将探测目标的频率转换为“原始频率和新增信号的频率之差”。这个简单的过程使检测器能够对任何所需的频率进行调整，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。
4.3 日本东京工业大学开发出可精准检测电池电量的钻石量子传感器
2022年9月，日本东京工业大学开发出一种基于钻石的量子传感器，可使大电流工况下估测电池电量的模糊性下降到1%。通常情况下，电动汽车电池的电流可达到数百安培，而能够检测到这种电流的商用传感器无法测量毫安级别电流的微小变化，导致电动汽车在估测电池电量时约有10%的模糊性。东京工业大学研究人员使用两个钻石量子传感器制作了一个原型传感器，利用差分检测技术，消除了两个传感器检测到的共同噪声，只保留了实际信号，从而能在-50安至130安的范围内检测到10毫安的小电流。该研究有望在提高电池使用效率、降低能耗方面发挥作用，延长电动汽车续航里程。
4.4 美国芝加哥大学将量子传感器性能提升100倍
2022年9月，美国芝加哥大学(University of Chicago)研究人员开发出一种新方法，可将固态量子传感器的灵敏度提升100倍。通常，固态量子传感器依赖量子效应来执行检测，容易受到外界干扰，尤其是量子比特在光子爆发中释放的能量可能会引入噪声，影响传感器的灵敏度。芝加哥大学研究人员发现，如果让光子爆发这种超辐射衰变现象仅在有限的时间内发生，则可以使一半数量的量子比特保持完整，同时显著放大其中的信号。研究人员指出，将微波或机械谐振器与氮空穴(Nitrogen Vacancy)中心量子传感器中的量子位耦合，可在执行读出操作之前实现超辐射放大，这将大大增加设备的灵敏度。目前，研究人员正努力提高该方法的可拓展性。
4.5 法国科学家研制出可以开展三维测量的量子加速计
2022年10月，法国国家科学研究中心(French National Centre for Scientific Research, CNRS)研制出一种可以开展三维测量的量子加速计。该三维加速计的外壳是一个长40厘米的金属盒，装有3个激光器和1个装满铷原子的小玻璃盒。为了测量运动的变化，研究人员调控3束激光分别沿盒子的长度、宽度和高度方向照射原子，迫使原子发生碰撞，产生波纹，波纹的性质取决于加速计的运动。通过分析波纹图案，量子加速计可以计算激光器的加速度。未来，该成果有望帮助船只在无全球定位系统(Global Positioning System, GPS)信号的情况下导航，也可用于更精确绘制地球内部的情况。
4.6 美国科罗拉多大学博尔德分校研究团队在量子传感领域取得新突破
2022年11月，美国科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)研究团队利用新模型在量子传感领域取得了重大进展。该研究团队利用一种实用化的光纤源模拟了马赫-曾德尔干涉仪的内部损耗、外部相位噪声及低效率，并从双模压缩真空中产生了Holland-Burnett纠缠态。该研究方法显著降低了内部损耗和相位噪声，并证明了基于量子的灵敏度方法的潜在增益。该研究对于基于光纤的量子增强遥感和光敏材料探测方面具有重要意义。相关研究发表在《光学快报》(Optics Express)期刊。
