量子信息技术发展与应用 研究报告 （2020 年） 中国信息通信研究院 2020年12月 版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的， 应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本 院将追究其相关法律责任。 前 言 2020 年 10 月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前 景举行第二十四次集体学习。习近平总书记发表重要讲话，为当前和 今后一个时期我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。以量 子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术作为量子科技领 域的重要组成部分，将为推动基础科学研究探索、信息通信技术演进 和数字经济产业发展注入新动能。 近年来，量子信息技术已经成为全球各主要国家在科技领域关注 的焦点之一，规划布局和投资支持力度进一步加大，量子计算、量子 通信和量子测量三大领域科研探索和技术创新保持活跃，代表性研究 成果和应用探索进展亮点纷呈、前景可期，在前沿科技领域和信息通 信行业受到广泛关注和讨论。我国量子信息技术领域具备良好的研究 与应用实践基础，三大领域总体发展态势良好，未来有望进一步取得 更多技术研究与应用探索的新成果。 在连续两年发布研究报告的基础上，中国信息通信研究院深入学 习领会和贯彻落实习近平总书记重要指示精神，进一步加强研究并组 织编写了《量子信息技术发展与应用研究报告》（2020 年），对量子 信息技术总体发展态势，三大领域关键技术、应用进展和热点问题， 以及技术演进和应用前景等进行分析探讨，供业界参考。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势........................................ 1 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 .................... 1 （二）全球量子信息领域进一步规划布局加大投入 .................... 3 （三）量子信息三大领域科研和技术创新保持活跃 .................... 6 （四）量子计算亮点成果纷呈，成为关注讨论焦点 .................... 8 （五）量子信息网络成新热点，欧美加大力度推动 ................... 11 二、量子计算领域研究与应用进展..................................... 13 （一）物理平台仍处攻坚期，多条技术路线并行发展 ................. 13 （二）量子软件全新构建，量子算法展开实用化探索 ................. 17 （三）量子计算应用场景探索多元化开展，前景看好 ................. 20 （四）量子云计算技术架构逐渐成型，竞争日益激烈 ................. 23 （五）应用产业生态逐步构建，标准化研究同步推进 ................. 26 三、量子通信领域研究与应用进展..................................... 29 （一）构建量子信息网络是量子通信发展远期目标 ................... 30 （二）实现量子信息组网仍有待核心关键技术突破 ................... 32 （三）QKD 科研取得新成果，应用与产业化持续探索.................. 36 （四）QKD 应用观点尚未统一，PQC 将成为竞争者 .................... 41 （五）QKD 问题探讨应区分科研、工程和应用三层面.................. 45 四、量子测量领域研究与应用进展..................................... 48 （一）传感器产业发展迅猛，量子测量应用前景广泛 ................. 49 （二）五大技术路线演进渐趋收敛，发展程度不均衡 ................. 51 （三）国内外科研取得新进展，我国仍然有一定差距 ................. 54 （四）欧美应用与产业化发展迅速，我国正逐步发力 ................. 58 （五）标准化开始初步探索，基础材料器件至关重要 ................. 60 五、量子信息技术演进与应用前景展望................................. 61 （一）三大领域研究与应用探索发展迅速，前景可期 ................. 61 （二）我国总体发展态势良好，未来有望进一步加速 ................. 64 附录：缩略语....................................................... 67 图 目 录 图 1 量子科技浪潮与信息技术发展演进 ................................................................. 1 图 图 图 图 图 图 2 3 4 5 6 7 全球量子信息领域项目规划和投资情况 ......................................................... 3 量子信息领域科研论文关键词聚类图 ............................................................. 6 量子信息技术三大领域全球年度科研论文量及国家排序 ............................. 7 量子信息技术三大领域全球科研论文合作网络 ............................................. 8 美国 Gartner 公司 2020 年技术成熟度周期曲线（含量子计算） ............... 11 美国能源部量子互联网蓝图论坛报告网络实验计划 ................................... 12 图 图 图 图 图 图 图 图 图 8 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 ....................................... 14 9 量子计算物理平台方案技术路线与企业布局情况 ....................................... 14 10 量子计算硬件物理平台的三大发展阶段 ..................................................... 17 11 量子计算软件三大类型及其功能应用 ......................................................... 18 12 代表性量子计算算法研究与发展历程 ......................................................... 19 13 量子计算的潜在应用场景和行业领域 ......................................................... 21 14 Google 量子机器学习 Tensorflow-Quantum 框架 ......................................... 22 15 D-Wave 公司量子退火交通组合优化应用 .................................................... 22 16 量子云计算的技术栈架构与主要特征 ......................................................... 23 图 17 量子云计算的应用与服务发展定位 ............................................................. 24 图 图 图 图 图 图 图 图 18 量子云计算测评体系与五大测评维度 ......................................................... 25 19 国外科技和产业巨头量子计算领域布局和发展情况 ................................. 26 20 量子计算领域科技公司和初创企业分布情况 ............................................. 27 21 量子信息网络与经典信息网络特性对比 ..................................................... 33 22 中科大报道改进型 TF-QKD 系统 509 公里超低损光纤传输实验 ............ 37 23 北邮和北大联合报道 CV-QKD 系统 202.81 公里传输实验 ....................... 38 24 “墨子号”量子科学实验卫星相关科研成果 .................................................. 39 25 近期欧美研究机构和政府部门关于 QKD 应用的研究报告 ...................... 41 图 图 图 图 图 图 26 27 28 29 30 31 学术界对于 QKD 技术问题和质疑的回应 .................................................. 46 量子测量技术主要应用领域和场景 ............................................................. 49 量子测量的主要步骤和技术类型 ................................................................. 51 量子测量五大技术路线国内外研究机构与企业布局 ................................. 52 近期国内外量子测量技术与应用研究代表性进展 ..................................... 55 量子信息三大领域的原理特性、发展定位及应用前景 ............................. 62 量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年） 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子科技将为信息技术发展演进注入新动能 二十世纪量子力学的创立和发展引发第一次量子科技革命浪潮， 以认识和掌握微观物理现