量子信息技术研究现状与未来

郭光灿（中国科学技术大学, 中国科学院量子信息重点实验室）

        摘要：量子信息技术是量子力学与信息科学融合的新兴交叉学科，它的诞生标志着人类社会将从经典技术迈进到量子技术的新时代，本文将阐述量子信息技术的研究现状与未来。文中描绘了量子技术发展远景，即筑建各种类型的量子网络，包括量子云计算网络、分布式量子计算、量子传感网络和量子密钥分配网络等。量子计算机已从实验室的研究迈进到企业的实用器件研制，目前已发展到中等规模带噪声量子计算机 (noisy intermidiate-scale quantum, NISQ) 的阶段. 在量子技术时代，没有绝对安全的保密体系，也没有无坚不摧的破译手段，信息安全进入 “量子对抗” 的新阶段。关键词 量子信息技术，量子网络，量子计算机，量子密码。

1、第二次量子革命
       1900年Max Planck提出 “量子” 概念，宣告了 “量子” 时代的诞生。科学家发现，微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。宏观世界的物理客体，要么是粒子，要么是波动，它们遵从经典物理学的运动规律，而微观世界的所有粒子却同时具有粒子性和波动性，它们显然不遵从经典物理学的运动规律。20世纪20年代，一批天才的年轻物理学家建立了支配着微观粒子运动规律的新理论,这便是量子力学。近百年来，凡是量子力学预言的都被实验所证实，人们公认，量子力学是人类迄今最成功的理论。

       我们将物理世界分成两类：凡是遵从经典物理学的物理客体所构成的物理世界，称为经典世界；而遵从量子力学的物理客体所构成的物理世界，称为量子世界。这两个物理世界有着绝然不同的特性，经典世界中物理客体每个时刻的状态和物理量都是确定的，而量子世界的物理客体的状态和物理量都是不确定的。概率性是量子世界区别于经典世界的本质特征[1]。

       量子力学的成功不仅体现在迄今量子世界中尚未观察到任何违背量子力学的现象，事实上，正是量子力学催生了现代的信息技术，造就人类社会的繁荣昌盛。信息领域的核心技术是电脑和互联网。量子力学的能带理论是晶体管运行的物理基础，晶体管是各种各样芯片的基本单元。光的量子辐射理论是激光诞生的基本原理，而正是该技术的发展才产生当下无处不在的互联网。然而，晶体管和激光器却是经典器件，因为它们遵从经典物理的运行规律。因此，现在的信息技术本质上是源于量子力学的经典技术。

       20世纪80年代，科学家将量子力学应用到信息领域，从而诞生了量子信息技术，诸如量子计算机、量子密码、量子传感等。这些技术的运行规律遵从量子力学，因此不仅其原理是量子力学，器件本身也遵从量子力学，这些器件应用了量子世界的特性，如叠加性、纠缠、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能远远优于相应的经典技术。量子信息技术突破了经典技术的物理极限，开辟了信息技术发展的新方向。一旦量子技术获得广泛的实际应用，人类社会生产力将迈进到新阶段。因此，我们将量子信息的诞生称为第二次量子革命，而基于量子力学研制出的经典技术，称之为第一次量子革命。量子信息技术就是未来人类社会的新一代技术。

2、量子网络

       量子信息技术最终的发展目标就是研制成功量子网络 (如图1所示)。

       量子网络基本要素包括量子节点和量子信道。所有节点通过量子纠缠相互连接，远程信道需要量子中继。量子网络将信息传输和处理融合在一起，量子节点用于存储和处理量子信息，量子信道用于各节点之间的量子信息传送。

       与经典网络相比，量子网络中信息的存储和传输过程更加安全，信息的处理更加高效，有着更加强大的信息功能。量子节点包括通用量子计算机、专用量子计算机、量子传感器和量子密钥装置等。应用不同量子节点将构成不同功能的量子网络。典型的有 (表 1):

      (1) 由通用量子计算机作为量子节点，将构成量子云计算平台，其运算能力将强大无比；

      (2) 使用专用量子计算机作为量子节点可以构成分布式量子计算，其信息功能等同于通用量子计算机。亦即应用这种方法可以从若干比特数较少的量子节点采用纠缠通道连接起来，可以构成等效的通用量子计算机；

        (3) 量子节点是量子传感器，所构成的量子网络便是高精度的量子传感网络，也可以是量子同步时钟；

        (4) 量子节点是量子密钥装置，所构成的量子网络便是量子密钥分配 (QKD) 网络，可以用于安全的量子保密通信。

当然，单个量子节点本身就是量子器件，也会有许多应用场景，量子网络就是这些量子器件的集成，其信息功能将得到巨大提升，应用更广泛。

       上述的量子网络是量子信息技术领域发展的远景，当前距离这个远景的实现还相当遥远。不仅尚无哪种类型量子网络已经演示成功，即使是单个量子节点的量子器件也仍处于研制阶段，距离实际的应用仍有着很长的路要走。即便是单个量子节点研制成功，要将若干量子节点通过纠缠信道构成网络也极其困难 —— 通常采用光纤作为量子信息传输的通道，量子节点的量子信息必须能强耦合到光纤通信波长的光子上，该光子到达下个量子节点处再强耦合到该节点工作波长的量子比特上，任何节点之间最终均可实现强耦合、高保真度的相干操控，只有这样才能实现量子网络的信息功能。目前，连接多个节点的量子界面仍然处于基础研究阶段。

       至于远程的量子通道，必须有量子中继才能实现，而量子中继的研制又依赖于高速确定性纠缠光源和可实用性量子存储器的研究，所有这些核心器件仍然处于基础研究阶段，离实际应用还很远。

因此整个量子信息技术领域仍然处于初期研究阶段，实际应用还有待时日。

       那么，量子信息技术时代何时到来？量子计算机是量子信息技术中最有标志性的颠覆性技术，只有当通用量子计算机获得广泛实际应用之时，我们才可断言人类社会已进入量子技术新时代。