量子信息學(xué)是量子力學(xué)與信息學(xué)等學(xué)科相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科。量子信息的信息載體是微觀量子態(tài)，量子態(tài)本身的操控滿足量子力學(xué)基本原理，因而量子信息的編碼、操控、傳輸和解碼都與傳統(tǒng)的經(jīng)典信息學(xué)存在巨大差異。在經(jīng)典信息學(xué)中，信息的操作依然滿足經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。利用量子力學(xué)的特殊性質(zhì)，量子信息技術(shù)可以擁有比相應(yīng)經(jīng)典技術(shù)更強(qiáng)大的能力?；诹孔有畔⒓夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的量子通信，也可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以完成的計(jì)算難題。量子信息技術(shù)代表了未來信息技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，是世界各國展開激烈競爭的下一代安全通信體系的焦點(diǎn)，并極有可能對人類社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。

 盡管在２０世紀(jì)七八十年代，包括費(fèi)曼（R．Feynman）、貝內(nèi)特（C.H.Bennet）、多伊奇（D.Deutch）等就提出了有關(guān)量子信息的設(shè)想，但量子信息學(xué)作為一個重要學(xué)科方向引起學(xué)術(shù)界和各國政府高度重視是在1993年著名的Shor算法提出之后?；诹孔恿W(xué)基本原理，采用Shor算法可以在多項(xiàng)式時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大數(shù)因式分解（而在經(jīng)典算法中迄今未能發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式算法，甚至有人認(rèn)為這樣的算法根本不存在），這直接威脅到了人們廣泛使用的RSA 公鑰密碼體系的安全性，從那之后人們開始致力于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)和開展新型密碼系統(tǒng)的研究。隨著20多年的深入研究，量子信息科學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一個多學(xué)科交叉，對國家安全、國防軍事、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域都具有潛在顛覆性作用的研究方向。

 迄今，量子信息學(xué)的研究范疇已經(jīng)被極大地?cái)U(kuò)展，目前主要包括如下幾個重要研究方向。

 （１）量子密碼與量子通信：利用量子態(tài)實(shí)現(xiàn)信息的編碼、傳輸、處理和解碼，特別是利用量子態(tài)（單光子態(tài)和糾纏態(tài)）實(shí)現(xiàn)量子密鑰的分配。

 （２）量子計(jì)算：利用多比特系統(tǒng)量子態(tài)的疊加性質(zhì)，設(shè)計(jì)合理的量子并行算法，并通過合適的物理體系加以實(shí)現(xiàn)（通用量子計(jì)算）。

 （３）量子模擬：在通用的量子計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的前提下，利用現(xiàn)階段已經(jīng)可以很好控制的小規(guī)模的量子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一些在其他系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象演示（專用量子計(jì)算）。

 （４）量子傳感：利用量子系統(tǒng)狀態(tài)對環(huán)境的高度敏感性，對我們感興趣的特定參數(shù)進(jìn)行高靈敏度探測。

 （５）量子計(jì)量：利用特定量子態(tài)（如NooN 態(tài)、GHZ態(tài)、壓縮態(tài)等）的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性質(zhì)將噪聲對系統(tǒng)的影響降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度度量。

 近年來人們在以上研究方向均實(shí)現(xiàn)突破，取得了重要的成果，下面我們分別闡述以下幾個重要研究方向的問題和進(jìn)展。

 １.實(shí)用化的量子密碼系統(tǒng)研究

 常用密碼體系的安全性由數(shù)學(xué)復(fù)雜性決定（如RSA 公鑰密碼體系就是基于大數(shù)因式分解這一數(shù)學(xué)難題構(gòu)建的），這種密碼體系存在被破譯的可能，并非絕對安全可靠。而量子密碼體系的安全性由基本物理原理保證，因而可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的信息傳遞。量子密鑰分發(fā)是量子密碼體系的核心，是目前量子通信研究最成熟、也是最接近實(shí)用化的一個研究方向。近年來世界各國開展了面向?qū)嵱没氖痉缎跃钟蚓W(wǎng)、廣域網(wǎng)的構(gòu)建研究，取得了許多重大進(jìn)展。

 光子是天然的量子信息載體，特別適合于遠(yuǎn)距離的量子信息傳輸。因而，實(shí)現(xiàn)量子通信的關(guān)鍵問題是如何把加載信息（或用于建立密鑰）的光子從一個地方高速地傳輸?shù)阶銐蜻h(yuǎn)的另一個地方。由于傳輸信道（如光纖或大氣）本身的特性，光子將不可避免地因各種原因（如散射、吸收等）丟失，且隨著傳輸距離的增加，這種衰減呈指數(shù)增長。因而單光子的有效傳輸距離受到極大的限制。解決這個問題的關(guān)鍵就是引入量子中繼，這是當(dāng)前量子通信和量子密碼系統(tǒng)研究的核心問題。

 為了解決單光子隨距離指數(shù)衰減的問題，量子中繼方案的核心思想是將建立長程量子糾纏對的難題改為先建立一系列短程量子糾纏對，然后再利用糾纏交換的方法來拓展距離，進(jìn)而達(dá)到建立遠(yuǎn)距離量子糾纏對的目的。要實(shí)現(xiàn)量子中繼的方案并不容易，首先要能夠快速建立短距離的量子糾纏對，這需要迅速產(chǎn)生大量的糾纏對；其次，短距離量子糾纏對的建立是概率性成功的，而糾纏交換時需要兩對糾纏對要同時存在，為此必須需要一個按需（on-demand）的量子存儲器。而且糾纏交換的操作對量子探測器的效率也有極高的要求，量子中繼的成功概率強(qiáng)烈地依賴于它。再者由于操作誤差和環(huán)境影響，建立的短程糾纏對可能并不純，下一步使用之前需要對其進(jìn)行提純，這需要消耗大量糾纏對。由此可見，要研制成功可實(shí)用化的量子中繼對一些核心量子器件（如量子存儲器、量子探測器等）的關(guān)鍵指標(biāo)（如效率）都有極高的要求。近年來，在相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)方面都取得了長足的進(jìn)展：量子存儲在不同的物理系統(tǒng)中都取得了重要進(jìn)展，如固體存儲系統(tǒng)中的量子相干性已可以保持６ 小時，而冷原子系綜中量子態(tài)的存儲時間也已達(dá)到百毫秒量級。這些重要進(jìn)展為最終實(shí)現(xiàn)可用的量子中繼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子中繼都將是一個具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

 如果可以實(shí)現(xiàn)這類相對簡單的量子中繼方案，那么如何提高量子通信的傳輸速率是另一個重要的問題。這類中繼方案中涉及的糾纏純化、信息的來回傳輸都將極大地限制信息的傳輸速率。為了達(dá)到較高信息傳輸速率，如１兆比特／秒（M／s）以上，這時通常的量子中繼方案將不再適用，而基于量子糾錯的量子中繼方案將起著關(guān)鍵性的作用。因此，基于量子糾錯的量子中繼在未來也是一個研究重點(diǎn)。

 盡管目前還沒有可用的量子中繼方案，但利用現(xiàn)階段的量子通信技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)量子保密通信（如合肥、蕪湖等地構(gòu)建的政務(wù)網(wǎng)）。量子密鑰可以通過單光子的量子態(tài)來傳輸（量子糾纏并非不可或缺）。在這一方案中，單光子源的品質(zhì)對量子通信的傳輸有重要影響。到目前為止，提取效率66％ 、單光子性優(yōu)于99％ 的單光子源也已實(shí)現(xiàn)，這已經(jīng)能夠滿足城域網(wǎng)范圍內(nèi)的量子通信要求。我國在實(shí)用化的量子密鑰分配方面引領(lǐng)了國際水平。

 在局域網(wǎng)構(gòu)建方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)于2012年在合肥實(shí)現(xiàn)了由6個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的城域量子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)使用光纖約1700千米，通過6個接入交換和集控站連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。由郭光燦院士領(lǐng)銜的中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在2005年就已經(jīng)在商用的光纖上實(shí)現(xiàn)了北京與天津之間125 千米的量子密鑰傳輸實(shí)驗(yàn)，并于2012年在標(biāo)準(zhǔn)電信光纖中完成了260千米量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)（系統(tǒng)工作頻率為2 吉赫），2014年建設(shè)了合（肥）巢（湖）蕪（湖）量子廣域示范網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)通過中國移動的商用光纖連接合肥、巢湖、蕪湖三個城市，其中合肥局域網(wǎng)由5個節(jié)點(diǎn)組成，巢湖1個節(jié)點(diǎn)，蕪湖3個節(jié)點(diǎn)。實(shí)地光纖總長超過200千米，全網(wǎng)運(yùn)行時間超過5000小時，是目前有公開學(xué)術(shù)報(bào)道的國際同類網(wǎng)絡(luò)中規(guī)模最大、距離最長、測試時間最長的網(wǎng)絡(luò)之一，也是首個廣域量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)。發(fā)展更高傳輸率、更穩(wěn)定的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，以及更長距離廣域網(wǎng)，仍是量子通信實(shí)用化的重要問題。現(xiàn)階段，我國正在建立北京—上海的京滬量子通信總干線。這套系統(tǒng)目前是基于可信中繼建立的：在京滬之間設(shè)置多個可信中繼站點(diǎn)，在每個站點(diǎn)將量子信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典信息，再重新編碼為量子信息并傳輸?shù)较乱粋€站點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子態(tài)傳輸?；谡T騙態(tài)的量子密鑰分配可以實(shí)現(xiàn)百千米量級的傳輸距離且無需單光子源或糾纏光源，但是這種密鑰分配方案與量子中繼不兼容，故進(jìn)一步提升其傳輸距離的方案仍不明確。

 在沒有量子中繼可用的前提下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的另一個可能方案是基于自由空間傳輸?shù)牧孔油ㄐ?，這也是一個非常重要的研究方向。德國慕尼黑大學(xué)的科研小組開展了飛行物體與固定基站之間的量子通信研究，于2013年首次實(shí)現(xiàn)了一架盤旋飛行中的飛機(jī)與地面站之間的量子密鑰分發(fā)。飛機(jī)的飛行速度為290千米／時，與地面站之間的距離為20千米。2012年，奧地利維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在加那利群島中相距147千米的兩個小島之間（特內(nèi)里費(fèi)島和拉帕爾馬島）實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)，兩個節(jié)點(diǎn)之間的空間距離與地球近地軌道和地面站之間的距離相比擬。近年來，我國在此領(lǐng)域也取得了一系列重要進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先水平。例如，2012年在青海湖利用地基實(shí)驗(yàn)?zāi)M星地之間的通信，實(shí)現(xiàn)了百千米級的量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)；2016年，中國發(fā)射了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，為星地之間自由空間的密鑰分配（量子通信）打下了基礎(chǔ)。衛(wèi)星和地面之間量子通信的原理性驗(yàn)證也正在進(jìn)行當(dāng)中。

 ２.可擴(kuò)展的容錯量子計(jì)算

 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算是量子信息技術(shù)最重要的目標(biāo)，同時也是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在過去的10年中，人們在理論方面做了大量的工作，提出了很多新的理論和方法，提高了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的可能性，特別是容錯量子計(jì)算的證明極大地提高了量子計(jì)算的可行性。在理論上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算已沒有原則性的障礙，人們甚至已經(jīng)開始設(shè)計(jì)大規(guī)模量子計(jì)算的芯片構(gòu)型。

 理論上人們已經(jīng)證明了閾值定理。只要我們對量子系統(tǒng)操作的精度超過一定的限制（比如誤差低于10^－5），即使存在噪聲的影響和操作誤差，也能通過量子編碼和糾錯操作得到正確的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)然，在具體的計(jì)算中，根據(jù)計(jì)算規(guī)模和編碼的不同，需要的閾值也不同，對某個具體問題的操作精度沒有閾值定理設(shè)定的要求那么高。一般來說，計(jì)算的時間越長、計(jì)算規(guī)模越大、編碼層數(shù)越多，對閾值的要求也越高。人們總是希望通過改進(jìn)編碼的方式以獲得更高的閾值，進(jìn)而降低實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度。人們發(fā)現(xiàn)通過引入拓?fù)渚幋a可以有效降低操作的難度，提高閾值。利用表面碼（surface code）編碼（這是平面碼，對微納加工有好處），計(jì)算的閾值可以提高到1％ 的量級。如果使用拓?fù)浔Ｗo(hù)的馬約拉納（Majorana）零模作為編碼方式，容錯的閾值甚至可以提高到14％。尋找閾值更高、更便于實(shí)現(xiàn)、更高效的量子編碼仍然是未來一段時間內(nèi)量子計(jì)算理論中的重要問題，特別是針對特定的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的編碼。

 滿足量子操作的閾值條件是實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算的核心前提。在過去的若干年中，基于不同物理體系的實(shí)驗(yàn)都取得了長足的進(jìn)步，特別是在離子阱系統(tǒng)和約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)系統(tǒng)中。在這兩個系統(tǒng)中，單比特操作和兩比特操作的精度都已經(jīng)達(dá)到和超過了實(shí)現(xiàn)容錯量子計(jì)算的閾值要求（邏輯門的保真度都超過了99.9％）。實(shí)驗(yàn)研究的下一步目標(biāo)是看到量子編碼的容錯性。基于離子阱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)看到了量子容錯的跡象，這是邁向普適容錯量子計(jì)算的關(guān)鍵步驟。

 目前，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)存在兩個不同的路徑。大部分物理系統(tǒng)（離子阱、部分超導(dǎo)系統(tǒng)、量子點(diǎn)、金剛石色心系統(tǒng)等）都是在先保障量子性的基礎(chǔ)上逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)普適的量子計(jì)算。如何在保障糾纏的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展是當(dāng)前遇到的主要問題。可擴(kuò)展性涉及計(jì)算模型（比如分布式計(jì)算）以及物理構(gòu)型設(shè)計(jì)等一系列的問題。另一條是以加拿大D-Wave公司為代表的超導(dǎo)系統(tǒng)，首先考慮實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展?，F(xiàn)在該公司已經(jīng)能夠控制512個量子比特（甚至更多），并能利用它實(shí)現(xiàn)絕熱算法。雖然這個系統(tǒng)的量子性以及它是否能超越經(jīng)典的計(jì)算機(jī)還存在巨大的爭議，但其無疑提高了人們對實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的信心。需要指出的是D-Wave公司的計(jì)算機(jī)并不是普適的量子計(jì)算機(jī)，它是為特定算法而設(shè)計(jì)的。

 實(shí)驗(yàn)方面還特別值得一提的是有關(guān)馬約拉納零模的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，目前大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)都支持它的存在。具有非阿貝爾交換特性的馬約拉納零模是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的理想載體，利用它來做量子比特可以獲得極高的閾值，不同比特之間的操作只需要實(shí)現(xiàn)不同馬約拉納零模的交換即可。然而在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可控的馬約拉納零模交換是一件很困難的事情，這需要發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

 針對某些特定問題的研究對量子操控的要求并沒有對普適量子計(jì)算的要求高。為了體現(xiàn)量子系統(tǒng)在解決問題方面相對于經(jīng)典系統(tǒng)的優(yōu)越性，人們正在嘗試解決一些特殊的問題，雖然解決這些問題要求的技術(shù)難度相對低，但可以表明量子卓越的潛力。這方面最著名的例子是玻色取樣問題。玻色取樣本身是一個＃P困難問題（這是一類比NP完全問題更難的問題），用經(jīng)典的計(jì)算機(jī)很難處理（即使用我國運(yùn)算能力最強(qiáng)的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)，在光子數(shù)超過50后都無法計(jì)算）。但利用量子器件，人們可以有效地求解。盡管求解此問題不需要復(fù)雜的門操作，也不需要編碼，相對容易實(shí)現(xiàn)，但它對單光子光源有很高的要求，人們正在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而努力。另一個很重要的例子是所謂的量子霸權(quán)（quantum supremacy）問題，這是為超導(dǎo)系統(tǒng)量身定做的問題。在量子比特超過５０的情況下，超導(dǎo)系統(tǒng)的計(jì)算能力將超過現(xiàn)有的超級計(jì)算機(jī)，D-Wave公司和谷歌公司正在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而努力。

３.量子模擬

 在現(xiàn)階段普適的量子計(jì)算機(jī)還無法實(shí)現(xiàn)的情況下，量子模擬利用較小規(guī)模的可控量子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一些我們用常規(guī)的方法無法或很難實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，進(jìn)而達(dá)到研究它們的目的。特別是在離子阱系統(tǒng)和光晶格系統(tǒng)中，量子模擬都取得了巨大的成功。量子模擬搭建了物理理論和物理現(xiàn)象之間的橋梁。

 量子多體關(guān)聯(lián)系統(tǒng)是物理學(xué)中最重要也是最困難的問題之一。對于這樣的問題，我們沒有辦法進(jìn)行解析求解，甚至不能進(jìn)行數(shù)值求解，已知的數(shù)值方法（如密度矩陣重整化方法、蒙特卡羅方法）對很多問題都無法給出可靠的結(jié)果。然而很多很重要的物理現(xiàn)象（如高溫超導(dǎo)）與多體強(qiáng)關(guān)聯(lián)有密切的關(guān)系，量子模擬提供了研究這種系統(tǒng)的一個新的工具。特別是基于光晶格系統(tǒng)的量子模擬。在此系統(tǒng)中，人們通過操控實(shí)現(xiàn)一些特定的強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的哈密頓量（如Bose-Hubbard 系統(tǒng)的哈密頓量），進(jìn)而研究這個哈密頓量控制下的物理過程。目前，這個方法已取得了巨大的成功。

 除了模擬在凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中已有的物理系統(tǒng)外，量子模擬還可以研究在常見的凝聚態(tài)中無法或很難研究的系統(tǒng)，比如自旋軌道耦合帶來的新現(xiàn)象、二維多體局域化等。除了凝聚態(tài)物理中的問題，量子模擬還可以用來對量子力學(xué)基礎(chǔ)、黑洞物理和量子場論中的一些問題進(jìn)行模擬。在離子阱系統(tǒng)中，人們模擬了規(guī)范場中的物理；在光學(xué)系統(tǒng)中，人們模擬了PT對稱世界，研究了PT理論與信息不超光速傳播的相容問題；在光學(xué)系統(tǒng)中，人們還研究了黑洞中的光傳播行為。對這些問題的研究極大地?cái)U(kuò)展了量子模擬的應(yīng)用范圍。

 隨著量子操控技術(shù)的進(jìn)步，人們將能夠設(shè)計(jì)并模擬各種不同的哈密頓量，進(jìn)而研究其中的物理。

 ４.量子傳感和精密測量

 對物理量的精確測量不僅有助于更深層次的物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)（比如微波背景輻射的各向異性），更有其應(yīng)用上的需求。量子技術(shù)的發(fā)展使得人們可以對很多物理量的測量獲得比經(jīng)典方法更高的精度。在理論上，人們已經(jīng)提出了一系列提高量子測量精度的新方法。

 時間是最重要的物理量，人類對時間精度的提高貫穿整個人類史。利用量子新技術(shù)人們可以將時間的測量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到前所未有的新高度。瓦恩蘭（Wineland）等在實(shí)驗(yàn)上利用離子阱中兩個糾纏的離子，將時鐘標(biāo)準(zhǔn)的精度提高到了10^－18。利用囚禁的原子陣列，時間測量精度還可以進(jìn)一步提高，甚至可以利用它來直接探測引力波和暗物質(zhì)。如果利用多個囚禁在不同離子阱中的離子，假設(shè)它們處于GHZ態(tài)，并把不同的離子阱分布到空間中不同的地方，就可以極大地提高GPS的精度。

 一般來說，物理系統(tǒng)總是受到噪聲的影響，因而，我們對物理量的測量精度總是受到噪聲的限制。量子技術(shù)表明，我們可以利用NooN 態(tài)來壓縮噪聲的影響，進(jìn)而達(dá)到海森堡極限。

 另一方面，量子態(tài)本身是很脆弱的，它極易受到環(huán)境的影響?；诹孔討B(tài)對環(huán)境的敏感性，可以利用量子系統(tǒng)來對某些變化進(jìn)行探測，這種應(yīng)用就是量子傳感。利用金剛石色心已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對微小磁場的測量，并達(dá)到了極高的精度。量子傳感和精密測量已經(jīng)處于應(yīng)用的前夜。

 我國在量子信息領(lǐng)域的研究起步較早，基本能做到與國際同步，并且在某些方面能夠領(lǐng)先國際水平，但各個方向發(fā)展不平衡。具體地說，我們在量子通信方面的技術(shù)代表了國際最高的水平，特別是在實(shí)用化的量子密鑰分配方面。但在核心的量子中繼方面還需要有新的技術(shù)突破。在量子模擬方面近來也能與國際水平同步，特別是光學(xué)系統(tǒng)的量子模擬、NMR系統(tǒng)和冷原子光晶格系統(tǒng)中的工作。在金剛石色心的量子傳感研究中也處于領(lǐng)先水平。然而，在量子計(jì)算和量子精密測量方面我們與國際最高水平之間有不小的差距，這兩方面都需要長期的資金支持，需要有一個積累的過程。這些年，國內(nèi)這兩方面的研究水平也在迅速提高，已開展離子阱系統(tǒng)、約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)、金剛石色心和量子點(diǎn)系統(tǒng)的量子計(jì)算研究。離子阱、金剛石色心和超冷原子中的精密測量工作也正在開展。

量子信息科學(xué)的發(fā)展前景

 經(jīng)過對量子信息科學(xué)20多年的投入和研究，目前量子信息技術(shù)處于取得巨大突破的前夜，某些單元技術(shù)已處于實(shí)際應(yīng)用的初始階段。未來若干年，量子信息技術(shù)研究觸發(fā)的相關(guān)技術(shù)和科學(xué)進(jìn)步將不斷涌現(xiàn)。下面我們按不同的方向來闡述可能的突破和發(fā)展前景。

 １.量子密碼

 隨著單光子源技術(shù)的不斷完善、設(shè)備無關(guān)通信方案的提出、通信安全性的進(jìn)一步研究及光子探測效率的提高，量子密鑰傳輸?shù)乃俾屎拖到y(tǒng)的可靠性都已滿足基本的應(yīng)用要求。量子密鑰分配在城域網(wǎng)范圍（100千米）內(nèi)已處于商業(yè)化應(yīng)用階段，正在迅速地完善其相關(guān)的設(shè)備。

 對遠(yuǎn)程的地面量子密碼，可信中繼方案并不令人滿意。為實(shí)現(xiàn)絕對安全的信息傳輸，量子中繼將不可或缺，可實(shí)用化的量子中繼器研究將成為量子通信研究的核心問題。作為量子中繼的關(guān)鍵問題之一的量子存儲也會是競爭最激烈的方向。隨著新的存儲方案（多模式）和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來5年有可能實(shí)現(xiàn)第一代的量子中繼。為進(jìn)一步提高傳輸效率，未來幾年人們將開始研究基于容錯的二代和三代量子中繼，進(jìn)而提供可實(shí)用化的量子中繼。另一個可能的長程量子通信方案基于自由空間中的星地傳輸。我國已發(fā)射了“墨子”衛(wèi)星，建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺，未來這方面的研究將會進(jìn)一步推進(jìn)，人們將更清楚這兩種不同的方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并能混合這兩種方案構(gòu)建全球性的量子密碼網(wǎng)絡(luò)。

 ２. 量子計(jì)算

 量子計(jì)算在不同的幾個物理系統(tǒng)中已取得了巨大的進(jìn)展，已處于取得重大突破的前夜。量子計(jì)算的研制已經(jīng)吸引了大量的商業(yè)化公司（谷歌、IBM、微軟等公司）的投入，各國政府也針對量子計(jì)算機(jī)研究推出了各種計(jì)劃，加大投入。可以預(yù)見，量子計(jì)算機(jī)研制的競爭將更加白熱化。隨著研究投入和更多的科學(xué)家的加入，不同量子系統(tǒng)在量子計(jì)算中的優(yōu)缺點(diǎn)將進(jìn)一步明確，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)將進(jìn)一步明確、集中。

 可擴(kuò)展問題是量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)階段面臨的主要障礙。固體系統(tǒng)（如超導(dǎo)系統(tǒng)和量子點(diǎn)系統(tǒng)）在這方面具有天然的優(yōu)勢。離子阱系統(tǒng)和芯片技術(shù)相結(jié)合，也為可擴(kuò)展性的解決提供了可能。就現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)操控技術(shù)水平而言，離子阱系統(tǒng)和超導(dǎo)系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位，量子門操作精度均已超過普適量子計(jì)算所需的閾值。基于這兩個系統(tǒng)的可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)原型也已經(jīng)提出來了（大小堪比足球場）。研究更經(jīng)濟(jì)和易于實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)，如何利用物理系統(tǒng)本身特性而設(shè)計(jì)更高效、閾值更高的編碼等，都是未來重要的研究課題。

 在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面，通過模擬，人們在未來幾年能夠?qū)ν負(fù)溆?jì)算的基本性質(zhì)進(jìn)行深入的研究。通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于馬約拉納零模的設(shè)計(jì)，解決準(zhǔn)粒子污染（quasiparticle poisoning）問題，提高其操作性能。未來５年有可能實(shí)現(xiàn)基于拓?fù)浔忍氐母鞣N門操作。人們將研制新的制備和實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍氐姆椒?，特別是能進(jìn)行普適量子計(jì)算的拓?fù)鋺B(tài)（如 Fibonacci 任意子）。

 在未來5年，人們將實(shí)現(xiàn)超過50個量子比特的量子設(shè)備，進(jìn)而在玻色取樣和量子霸權(quán)問題上驗(yàn)證量子計(jì)算的優(yōu)越性，其性能在這些特定問題上完全超越現(xiàn)有的所有經(jīng)典計(jì)算設(shè)備。

３.量子模擬

量子模擬將用于解決更多特定的問題，其強(qiáng)大的模擬能力將會被進(jìn)一步展示。在冷原子光晶格系統(tǒng)和離子阱系統(tǒng)中會有更多在凝聚態(tài)系統(tǒng)中無法求解的問題被模擬研究，量子模擬器會成為研究物理問題的強(qiáng)大工具。

 ４.量子傳感和精密測量

 量子傳感技術(shù)逐漸成熟并商業(yè)化。利用量子技術(shù)提高各種探測的精度，例如人們將利用提高的時鐘標(biāo)準(zhǔn)來提高GPS的定位精度。利用量子技術(shù)來測量其他物理現(xiàn)象，比如相對論效應(yīng)。

 基于量子信息帶來的顛覆性，而且現(xiàn)在這些技術(shù)都處于應(yīng)用或取得重大突破的前夜，各國政府和商業(yè)界都積極參與其中。美國國防部和國家科學(xué)基金會都對量子信息技術(shù)給予了特別支持；歐盟發(fā)表了《量子宣言》，推動量子通信、量子模擬、量子傳感和量子計(jì)算這四方面的中長期發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)原子量子時鐘、量子傳感器、城際量子網(wǎng)絡(luò)、量子模擬器、量子互聯(lián)網(wǎng)和通用量子計(jì)算機(jī)等重大技術(shù)的突破與應(yīng)用；英國先后發(fā)布《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略———英國的一個新時代》和《量子技術(shù)路線圖》，為國家的量子技術(shù)發(fā)展提供了藍(lán)圖；日本、澳大利亞、加拿大等國也在量子信息技術(shù)方面有重大布局。IBM、微軟和谷歌公司很早就在量子信息技術(shù)方面布局，近來更是加大了這方面的投入。在各國政府和企業(yè)的支持下，近來量子信息技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，各方面都顯示出有新的突破跡象。我國在量子信息方面也有長期的投入，但總體規(guī)劃還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

 對我國量子信息科學(xué)發(fā)展的建議（略）