第二章 认识：什么是量子信息

2.1 量子信息技术概述

20世纪，量子力学的创立和发展，开启了人类对微观物理世界的认识。通过对光电效应、受激辐射光放大、固体能带与能级跃迁等现象和规律的阐释与利用，诞生了以半导体、激光器和传感器为代表的信息测量、传输与处理技术，这些技术成为从工业社会迈向信息社会的核心驱动力。21世纪量子调控技术的研究和发展，将进一步深化人类对微观物理世界的理解。通过开发新材料、构筑新结构、发现新物态和研发新测控手段，对量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等物理现象加以利用，并与通信、信息、材料和能源等领域交叉融合而形成的量子科技，有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉。

量子信息技术是以量子力学原理为基础，通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和观测，实现信息感知、计算和传输的全新信息处理方式。量子信息技术是量子科技的重要组成部分，量子信息技术和量子科技的关系如图2-1所示，量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域，在提升运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力。

量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉、量子纠缠等原理实现高效的并行计算，能在计算特定的、复杂的问题上加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。当前，量子计算在超导量子、离子阱、光量子、超冷原子、硅基量子点、金刚石色心和拓扑七大技术路线上并行发展，处于中等规模含噪声量子处理器阶段。量子计算应用场景探索广泛开展，但尚未实现“杀手级”应用突破。大规模可容错通用量子计算仍需长期艰苦努力，业界尚无实现时间预期。

量子通信利用量子叠加态或纠缠效应，在经典通信手段的辅助下实现密钥分发或信息传输，理论层面具有可证明安全性。基于量子密钥分发（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步实用化，新型协议和实验系统的研究持续活跃，样机产品研制和示范应用探索逐步开展，但应用与产业发展面临诸多挑战。基于量子隐形传态和量子存储中继等技术构建量子信息网络是未来重要发展方向，科研探索与试验虽取得一定进展，但距离实用化仍有很大差距。

量子精密测量对外界物理量变化导致的微观系统量子态变化进行调控和观测，实现精密传感测量，精度、灵敏度和稳定性等核心指标比传统技术有数量级提升。量子精密测量主要技术方向包括用于新一代定位/导航/授时的光学原子钟、光学时频传递、原子陀螺仪与重力仪等，以及用于高灵敏度检测与目标识别的光量子雷达、磁场精密测量、物质痕量检测等。量子精密测量主要应用场景涵盖国防军工、航空航天、地质/资源勘测和生物医疗等众多行业领域，多种样机产品进入实用化与产业化阶段。