《杭州市高新技术产业新增长点预测研究枣量子IT产业》调研报告

《杭州市高新技术产业新增长点预测研究——量子IT产业》 调研报告 =著名的理论物理学家戴维斯曾经预言：“19世纪是机械时代，20世纪在

历史上将被称为信息时代。我相信21世纪将会是量子时代。”量子力学的诞生深刻地改变了人类社会：在20世纪推动社会发展的核能、激发、来导体等高科技，都源于量子力学。量子信息学是量子物理与信息科学相结合的新兴交叉学科，它涉及物理、数学、计算机、通信、工程和材料等多门学科。它的未来发展势必将对整个基础科学和工程科学，包括计算机技术，通讯科技、材料工程、精密测量技术、量子基础科学及信息科学，带来一次巨大的变革。台湾成功大学张为民教授在《量子信息科学的发展与展望》中说：如果说20世纪的第三次工业革命是结合微电子学技术、超大规模集成电路制造技术、计算机技术和通讯网格技术而形成今天的“电子工业”（半导体工业）。现在的第四次工业革命将是结合纳来技术，纳来组件制造技术与量子计算机技术和量子通讯技术而形成未来的“量子工业”。

近10多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。这一崭新的学科已经并正在继续大量生长出许多科学技术研究热点，逐渐形成一片新兴广阔的研究领域，不断取得引人瞩目的辉煌成就。

量子信息论的诞生和发展，不但在科学方面有着深远意义，而且在技术方面也有着重大影响。它的发展前景是量子信息技术产业（QIT）。它是更新换代目前庞大IT产业的婴儿。量子信息论可以突破现有信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能，为信息科学的持续发展提供新的原理和方法。它是推动IT产生更新换代的动力，指引IT技术彻底变革的方向，在这方面大量、迅猛、有成效的探索性研究正在逐步导致各色各样的新兴分支学科的诞生，它们必将对计民生和金融安全以及国防技术产生深刻的影响。 鉴于信息科学和技术是经济持续增长的主导力量以及量子信息学科的宏伟前景，为我们构建创新社会提供了重要战略机遇。因此，我们于2005年 提出《杭州市高新技术产业新增长点预测研究——量子IT产业》调研题目。现就量子信息国内外进展情况、杭州市产业和学术界的相关情况及发展杭州QIT的建议报告如下。

量子信息是量子力学与信息科学交叉融合的新兴学科，目前已完成为世界关注的热门研究领域。量子信息是以量子态作为信息载体的，信息的产生、存储、传送和检测等均必须遵从量子力学规律。目前的经典计算机受到经典物理原理限制已接近其处理能力的极限，而由于量子态的叠加原理和量子纠缠特性，量子计算机具有经典计算机无法比拟的存储和处理数据的能力，以及快速的高保密的计算功能，所以研制量子计算机成了全世界人们关注的话题和研究的热点。

传统的计算机处理的是二进制码信息，比特是信息的最小单位：它要么是0，要么是1，对应于电路的开或关。假如一台计算机读入了10个比特的信息，即相当于读入了一个10位的二进制数（如1010101010）这个数的每一位都是一个确定的0或1。量子世界的奇特的性质，是不确定性。在量子计算机是，一个比特不仅只有0或者1的可能性，它还可以表示一个0和1的叠加，一个量子比特可以同时记条0和1。假如读入10个量子比特，这时量子计算机所处理的是210个10位数的叠加，这就是说，同样是读入10比特的信息，传统的计算机只能处理一个10位的二进制数，而量子计算机，则可以同时处理210个这样的数。

1994年，贝尔实验室的肖尔（shor）创造了一种利用量子计算机的算法，可以有效地分解大数，比如分解一个250位的数字，把全世界所有的计算机都联网一起联合工作也要花上几百万年的时间，但如果用量子计算机只需几分钟。

2001年IBM的一个研究组演示了shor算法，他们用7个量子比特把15分解成3和5的乘积；2002年斯坦弗和日本科学家声称硅量子计算机学可以利用现在的技术实现；2003年马里兰大学的科学家成功实践相距0.7毫米的两个量子比特的纠缠。 我国清华大学的量子信息与测量教育部重点实验室龙桂鲁教授领导的研究组，在2000年、2001年和2002年分别实现了两个、三个、七个量子比特核磁共振量子计算机实验。目前国际上仅有四个课题组实现了七个量子比特的量子计算，除了清华大学，还有武汉物理数学研究所和美国的两个课题组。

制造量子计算机的核心任务是造出可控多位量子比特的量子信息处理器。这里的关键是寻找能够避免退相干、易于控制和规模化的多位量子比特。这是制约量子计算机研制进度的主要困难。目前量子计算机的研究仍然处于基础阶段，寻找物理上可扩展的具有容错能力的“量子芯片”是世界各国科学家当前奋斗的方向，迄今尚未取得重要突破。目前，主要研究兴趣是基于干量子光学的量子计算机和固体量子计算两个方向。

研究可以集成到常规划计算机技术中的固态量子逻辑方案，似乎更加可行。日本NEC公司的一个小组最近展示了一个利用约瑟夫结超导技术制作的一个量子有储系统。在未来的大约十年时间内，这样的固态解决方案，似乎是研究大家感兴趣的量子装置的最佳方案。

关于量子计算机研制进度人们持三种态度： 乐观结计，到2010年可以在硅片技术基础上制造出10多位可控量子比特，从而造出简单的台式量子计算机；

稳健估计，可能下在一个10年之内，制造出量子计算机； 持悲观态度的人有个比喻：现在不必作出发展量子计算机的“曼哈顿计划”，因为现在还没有发现“核裂变”。

一切都在向好的方向发展，但量子计算机真正运用尚需时日，但是这个项目还是目前最为热门的话题之一。

在现今这个信息时代，网上交易和电子商务的浪潮正席卷全球，从政府到平民百姓，都越来越依赖于电脑和网络系统。因此电子安全的问题就显得越来越严峻。为了安全，对隐私资料执行严格的加密保护。目前流行的加密算法不少，但都依赖“大数不可分解性”。如果把15这个数字分解成它的质因数的乘积，很容易得到15=3×5这样一个惟一的答案。如果要分解一个很大的数，就遇到了几乎不可克服的困难。

量子计算机使得大数分解不再成为障碍，因此，量子计算机使电子安全的前景一片暗淡，实际上并非如此，量子论不但给我们提供了威力无比计算破解能力，同时也让我们看到另一种可行性：一种永远不可以破解的加密方法，这是现今另一个炙手可热的话题：量子加密术，量子密码可确保保密通讯的绝对安全性。量子通信在大范围内实现已为期不远了。

近年，量子通讯有重大突破。2004年，中国科技大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授等，通过自由空间纠缠光子在穿透等效于整个大气厚的地面大气后仍能保持其纠缠性，并可应用于量子通讯。这一研究成果为实现全球的量子通讯奠定了实验基础。目前，已在87公里的范围内实现了量子通讯。在欧洲有的银行、在美国政府的要害部门，在局域范围内已经使用了量子通讯。现在，科技界普遍认为，“量子信息技术”（QIT）行业的出现已为期不远了。

量子信息，近年来在理论上和实践上取得重大突破，因此，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。量子通讯理论是1993年由美国IBM的研究人员提出来的。目前，美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术。并已投入实用。欧盟从1999年开始研究，日本从2001年将量子通讯纳入十年计划。

量子密码的研究已取得重大突破，在光纤量子密钥分配方面，瑞典科学家在日内瓦湖底实用光纤上实现67公里的量子密钥分配；我国科学家解决光纤传输的稳定性问题，在北京~天津之间125公里实用光纤中实现量子密钥分配；德英科学家在自由空间中实现了23.4公里的量子密钥分配。目前量子密码研究方向是低误码率、高比特率、网络化和运程传输。

目前美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术。2002年，在美国国家工程院第八届工程前沿研讨会上发表的论文覆盖4个领域，其中之一就是量子信息工程学技术。2004年6月，美国和奥地利物理学家在英国《自然》杂志上分别报告，他们首次在没有任何物理连接的情况下实现了原子间的量子态隐形传输。专家认为该成果，证实了量子信息的有关理论预言和该领域的潜在能力。

我国政府、有关部门和科技界已把“量子信息学”列入国家自然科学基金、中国科学院和国家科技部基础性研究特别资助项目，并编入国家重点基础研究发展计划。

2006年2月10日，国务院公布了“国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）”。我国政府已把量子调控作为重大科学研究计划列入发展规划纲要，“我们政府根据世界科学发展趋和我国重大战略需求，选择能引领未来发展，对科学和技术发展有很强带动作用，可促进我国可持续创新能力速迅提高，……重点部署四项重大科学研究计划，这些方向的突破可显著提升我国的国际竞争力，大力促进可持续发展，实现重点跨越……。以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻找新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学……量子通信……构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在20—30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。”

近年，量子信息学在理论和实验上都取得重要突破，因此引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视，在我国学术界取得一系列开创性成果。

中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授等人，通过“自由空间纠缠光子的分发”在国际上首次证明，纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠物性仍能保持，并可应有于高效、安全的量子通信。这一研究成果为实现全球化的量子通信奠定了实验基础，这项成果在国际上被誉为“是一项相当了不起的成就”。该实验室正计划开展更远距离的量子通信实验，下一步目标是通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限，他们希望通过通信卫星实现更远距离乃至全球的量子通信。有朝一日能成为现实。