量子互联网关键技术与发展研究

量子互联网关键技术与发展研究

孙彬叶澄朱宸锋

国科量子通讯网络有限公司

摘要：近年来，我国的量子技术有了很大进展，量子技术受到越来越多的关注。量子技术催生的技术变革和装备发展不断改变着世界面貌，逐步成为经济社会跨越发展的基石和动力。本文首先分析量子科技，其次探讨量子互联网关键技术，最后就未来展望与发展建议进行研究，从而推动产学研融合发展，打造量子信息产业生态。

关键词：量子互联网；量子通信；关键技术

引言

量子计算作为未来算力跨域式发展的重要探索方向，具备原理上远超经典计算的强大并行计算潜力，有望为人工智能、量化金融、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计、信息安全等所需的大规模计算难题提供潜在的解决方案。近年来，随着量子计算原理样机和实验平台科研的快速发展，量子计算优越性的实验验证不断取得阶段性成果，量子计算领域正逐步形成集学术研究、工程研发、应用探索和产业构建为一体的全方位发展格局。

1量子科技

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，它以量子力学为基础，通过对光子、电子等微观粒子系统及其量子态进行人工观测和调控，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。当前，对量子科技的研究主要集中在量子计算、量子通信和量子测量等方面。

2量子互联网关键技术

2.1量子计算 + 人工智能

量子人工智能是量子计算与人工智能交叉发展起来的技术，将有望对工业、交通、金融、气象等领域的技术变革提供强有力的支持，全球已有诸多创业公司和研究团队对其开展积极的研究探索。量子机器学习(Quantum ML)是量子计算与人工智能结合的一个重要应用方向，主要利用量子计算机的数据处理能力与存储能力构建新型量子机器学习模型，可能解决目前机器学习算法处理大数据时计算效率低等问题，也有望为机器学习任务开发量子算法。2021 年，IBM发布 Qiskit 编程平台0. 25版本，在现有功能基础上对其应用程序库进行重组扩展，包括量子机器学习应用模块，可用于不同应用，包括量子核(Quantum Kernels)和量子神经网络(Quantum NeuralNetworks)。自然语言处理(NLP)作为一项重要的人工智能技术，未来有望与量子计算相结合以获得新型应用。2020 年，剑桥量子计算公司完成量子自然语言处理应用的一次验证，使用自然语言的“本征量子”结构通过将带语法的语句转译成量子线路，在真实的量子计算机上实现所得程序，并得到问题的解答。2021年，Quantinuum展示量子自然语言处理任务能力，主要用于机器翻译、舆情监测、自动摘要、观点提取、文本分类、问题回答、文本语义对比、语音识别、文字识别等方面，实验基于 IBM 量子计算机，将句子实例化为参数化量子电路。

2.2为新应用创建合作网络

为了促进大学和科研机构在量子技术和光子学领域的创新成果向应用进行转移转化，德国资助企业与大学、科研机构进行联合研究，创建合作网络。德国联邦教研部设立“促进初创企业-量子技术和光子学企业家”项目，资助初创企业与大学或科研机构的联盟，大学和科研机构提供进行基础研究的人员和技术，初创企业实施研究成果，进行产品开发和市场定位。除资助技术研究和产品开发外，该项目还支持初创企业制定可行的商业计划。此外，联邦教研部资助了“量子技术使能技术”项目，加强公司和科研机构之间的密切交流与合作，将实验室现有的技术解决方案推向市场成熟应用，并根据需要共同研究新的改进技术。

2.3加强基础能力建设

基础不牢，地动山摇。求木之长者，必固其根本；欲流之远者，必浚其泉源。我国欲在世界量子科技竞争中获得优势，应重视加强相关基础能力建设。加强相关学科国家重大科技基础设施建设、国家重点试验室建设和国家工程实验室建设等，瞄准量子科技前沿，深化原始创新。加强高校在量子计算、量子通信、量子传感和量子测量等方向的学科布局，设立量子硕士和博士专业，培养本土高端技术人才等。注重学术界、产业界，以及国外同行相关联盟建设，构建量子研发生态系统。

3未来展望与发展建议

3.1拓展量子技术的应用研究

第二代量子技术有望在计算、传感器和通信方面取得革命性进步，其技术成熟度和潜在市场影响因应用领域而异，目前，很多量子技术仍停留在实验室阶段，开发适用于市场应用的技术还需要大量的努力，需要远远超出现有实验室设备的系统。德国联邦教研部在创新实验室结构的基础上资助大学和科研机构，进行面向应用的研究，通过改进实验室技术的精度、速度、可扩展性和效率，例如将量子的质量和数量升级到进行特定应用所需的规模，加速技术转化为应用。面向中小企业，德国联邦教研部设立“中小企业创新：光子学和量子技术”资助项目，加强中小企业在尖端领域的创新潜力，鼓励中小企业加大研发力度。此外，德国联邦教研部启动了量子光子学实验室，在弗劳恩霍夫应用光学和精密机械研究所建造量子光学技术转移中心，借助纳米光子学、应用光学和系统集成开发多功能硬件平台，将量子光学研究转化为应用。德国联邦教研部设立了“基于量子测量技术的灯塔项目”，资助量子传感器、量子测量和量子成像领域的复杂联合项目和示范项目，促进量子传感器在医学诊断或分子成像、地球观测或环境监测中应用，并评估量子测量的潜力。

3.2围绕量子信息领域着力培养一批本土高端人才

在部分高校开展量子信息相关学科建设，打造多层次、不同体系的人才培养模式，力争培养一批量子信息青年才俊。聚焦量子信息前沿研究方向，利用量子信息重大科技基础设施平台吸引世界级科学家，产出一批具有世界影响力的研究成果。进一步完善吸引量子信息外国人才制度，全方位引入量子通信、量子计算等领域的杰出科学家和工程师，对高端人才在入境签证、子女落户入学、医疗保障、税收优惠等方面提供便利措施。大力弘扬科学家精神，加强学风作风建设，重视培育量子信息青年科技人才，为科研人员提供潜心科研的政策保障和舆论环境。

3.3应用趋势方面

量子计算的应用处于探索的早期阶段，涉及人工智能、量化金融、化学工业、密码学、交通优化、航空航天等诸多领域，各类报道层出不穷，但某些宣传报道也存在技术细节和实施成效等关键信息比较模糊的问题。总体而言，量子计算距离应用实际落地和产生变革性价值仍有距离，报道的应用案例基本属于预研性质的原理性、验证性实验，这主要受限于量子计算硬件的发展现状，现阶段的量子系统不足以支撑真正有实用效果的、难度较高的算法执行。

结语

量子计算目前正处于发展的初级阶段，世界各主要国家纷纷进行投入布局。量子计算的多种物理技术路线呈现开放性竞争的发展态势，软件与算法仍处于探索的起步阶段，量子软件整体成熟度较低，量子算法的研究具有一定难度。在应用探索方面，众多领域的应用探索是量子计算实用化发展阶段的必经之路，这种探索将是一个长期过程。未来量子计算的发展需要学术界与产业界加强交流合作，共同谋划布局，推动量子计算技术研究、应用探索和产业生态构建。

参考文献

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[3]张志强,陈云伟,陶诚,等.基于文献计量的量子信息研究国际竞争态势分析［J］.世界科技研究与发展,2018,40(1):37-49.