本文選取了《2017科學發展報告》中科學展望部分，郭光燦 韓永建 史保森撰寫的《量子信息科學發展展望》。
量子信息學是量子力學與信息學等學科相結合而產生的新興交叉學科。量子信息的信息載體是微觀量子態，量子態本身的操控滿足量子力學基本原理，因而量子信息的編碼、操控、傳輸和解碼都與傳統的經典信息學存在巨大差異。在經典信息學中，信息的操作依然滿足經典力學的規律。利用量子力學的特殊性質，量子信息技術可以擁有比相應經典技術更強大的能力。基於量子信息技術可以實現絕對安全的量子通信，也可以解決經典計算機難以完成的計算難題。量子信息技術代表了未來信息技術發展的戰略方向，是世界各國展開激烈競爭的下一代安全通信體系的焦點，並極有可能對人類社會的經濟發展產生難以估量的影響。
儘管在２０世紀七八十年代，包括費曼（R．Feynman）、貝內特（C.H.Bennet）、多伊奇（D.Deutch）等就提出了有關量子信息的設想，但量子信息學作為一個重要學科方向引起學術界和各國政府高度重視是在1993年著名的Shor算法提出之後。基於量子力學基本原理，採用Shor算法可以在多項式時間內實現大數因式分解（而在經典算法中迄今未能發現多項式算法，甚至有人認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，從那之後人們開始致力於構建量子計算機和開展新型密碼系統的研究。隨著20多年的深入研究，量子信息科學已經發展成為一個多學科交叉，對國家安全、國防軍事、產業經濟等領域都具有潛在顛覆性作用的研究方向。
量子信息學研究進展
迄今，量子信息學的研究範疇已經被極大地擴展，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：利用量子態實現信息的編碼、傳輸、處理和解碼，特別是利用量子態（單光子態和糾纏態）實現量子密鑰的分配。
（２）量子計算：利用多比特系統量子態的疊加性質，設計合理的量子並行算法，並通過合適的物理體系加以實現（通用量子計算）。
（３）量子模擬：在通用的量子計算機無法實現的前提下，利用現階段已經可以很好控制的小規模的量子系統來實現一些在其他系統中難以實現的物理現象演示（專用量子計算）。
（４）量子傳感：利用量子系統狀態對環境的高度敏感性，對我們感興趣的特定參數進行高靈敏度探測。
（５）量子計量：利用特定量子態（如NooN 態、GHZ態、壓縮態等）的強關聯性質將噪聲對系統的影響降低，進而實現系統的高精度度量。
近年來人們在以上研究方向均實現突破，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展。
１． 實用化的量子密碼系統研究
常用密碼體系的安全性由數學複雜性決定（如RSA 公鑰密碼體系就是基於大數因式分解這一數學難題構建的），這種密碼體系存在被破譯的可能，並非絕對安全可靠。而量子密碼體系的安全性由基本物理原理保證，因而可以實現絕對安全的信息傳遞。量子密鑰分發是量子密碼體系的核心，是目前量子通信研究最成熟、也是最接近實用化的一個研究方向。近年來世界各國開展了面向實用化的示範性區域網、廣域網的構建研究，取得了許多重大進展。
光子是天然的量子信息載體，特別適合於遠距離的量子信息傳輸。因而，實現量子通信的關鍵問題是如何把加載信息（或用於建立密鑰）的光子從一個地方高速地傳輸到足夠遠的另一個地方。由於傳輸信道（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。解決這個問題的關鍵就是引入量子中繼，這是當前量子通信和量子密碼系統研究的核心問題。
為了解決單光子隨距離指數衰減的問題，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，然後再利用糾纏交換的方法來拓展距離，進而達到建立遠距離量子糾纏對的目的。要實現量子中繼的方案並不容易，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烈地依賴於它。再者由於操作誤差和環境影響，建立的短程糾纏對可能並不純，下一步使用之前需要對其進行提純，這需要消耗大量糾纏對。由此可見，要研製成功可實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）的關鍵指標（如效率）都有極高的要求。近年來，在相關的關鍵技術方面都取得了長足的進展：量子存儲在不同的物理系統中都取得了重要進展，如固體存儲系統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的存儲時間也已達到百毫秒量級。這些重要進展為最終實現可用的量子中繼，進而實現遠距離的量子通信打下了堅實基礎。在未來相當長的時間內，實現量子中繼都將是一個具有挑戰性的目標。
如果可以實現這類相對簡單的量子中繼方案，那麼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，而基於量子糾錯的量子中繼方案將起著關鍵性的作用。因此，基於量子糾錯的量子中繼在未來也是一個研究重點。
儘管目前還沒有可用的量子中繼方案，但利用現階段的量子通信技術已經可以實現城域網量子保密通信（如合肥、蕪湖等地構建的政務網）。量子密鑰可以通過單光子的量子態來傳輸（量子糾纏並非不可或缺）。在這一方案中，單光子源的品質對量子通信的傳輸有重要影響。到目前為止，提取效率66％ 、單光子性優於99％ 的單光子源也已實現，這已經能夠滿足城域網範圍內的量子通信要求。我國在實用化的量子密鑰分配方面引領了國際水平。
在區域網構建方面，中國科學技術大學潘建偉院士團隊於2012年在合肥實現了由6個節點構成的城域量子網絡。該網絡使用光纖約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。由郭光燦院士領銜的中國科學院量子信息重點實驗室團隊在2005年就已經在商用的光纖上實現了北京與天津之間125 千米的量子密鑰傳輸實驗，並於2012年在標準電信光纖中完成了260千米量子密鑰分發實驗（系統工作頻率為2 吉赫），2014年建設了合（肥）巢（湖）蕪（湖）量子廣域示範網。該網絡通過中國移動的商用光纖連接合肥、巢湖、蕪湖三個城市，其中合肥區域網由5個節點組成，巢湖1個節點，蕪湖3個節點。實地光纖總長超過200千米，全網運行時間超過5000小時，是目前有公開學術報導的國際同類網絡中規模最大、距離最長、測試時間最長的網絡之一，也是首個廣域量子密鑰分配網絡。發展更高傳輸率、更穩定的城域量子通信網絡，以及更長距離廣域網，仍是量子通信實用化的重要問題。現階段，我國正在建立北京—上海的京滬量子通信總幹線。這套系統目前是基於可信中繼建立的：在京滬之間設置多個可信中繼站點，在每個站點將量子信息轉變為經典信息，再重新編碼為量子信息並傳輸到下一個站點，從而實現遠程量子態傳輸。基於誘騙態的量子密鑰分配可以實現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，實現遠程量子通信的另一個可能方案是基於自由空間傳輸的量子通信，這也是一個非常重要的研究方向。德國慕尼黑大學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，於2013年首次實現了一架盤旋飛行中的飛機與地面站之間的量子密鑰分發。飛機的飛行速度為290千米／時，與地面站之間的距離為20千米。2012年，奧地利維也納大學的研究團隊在加那利群島中相距147千米的兩個小島之間（特內裡費島和拉帕爾馬島）實現了量子隱形傳態，兩個節點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，我國在此領域也取得了一系列重要進展，處於世界領先水平。例如，2012年在青海湖利用地基實驗模擬星地之間的通信，實現了百千米級的量子隱形傳態和雙向糾纏分發；2016年，中國發射了量子科學實驗衛星「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。衛星和地面之間量子通信的原理性驗證也正在進行當中。
２． 可擴展的容錯量子計算
實現大規模的量子計算是量子信息技術最重要的目標，同時也是巨大的技術挑戰。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，提高了實現量子計算的可能性，特別是容錯量子計算的證明極大地提高了量子計算的可行性。在理論上實現量子計算已沒有原則性的障礙，人們甚至已經開始設計大規模量子計算的晶片構型。
理論上人們已經證明了閾值定理。只要我們對量子系統操作的精度超過一定的限制（比如誤差低於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算結果。當然，在具體的計算中，根據計算規模和編碼的不同，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定的要求那麼高。一般來說，計算的時間越長、計算規模越大、編碼層數越多，對閾值的要求也越高。人們總是希望通過改進編碼的方式以獲得更高的閾值，進而降低實驗實現的難度。人們發現通過引入拓撲編碼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），計算的閾值可以提高到1％ 的量級。如果使用拓撲保護的馬約拉納（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、更便於實現、更高效的量子編碼仍然是未來一段時間內量子計算理論中的重要問題，特別是針對特定的實驗系統的編碼。
滿足量子操作的閾值條件是實現普適量子計算的核心前提。在過去的若干年中，基於不同物理體系的實驗都取得了長足的進步，特別是在離子阱系統和約瑟夫森結超導系統中。在這兩個系統中，單比特操作和兩比特操作的精度都已經達到和超過了實現容錯量子計算的閾值要求（邏輯門的保真度都超過了99.9％）。實驗研究的下一步目標是看到量子編碼的容錯性。基於離子阱系統的實驗中已經看到了量子容錯的跡象，這是邁向普適容錯量子計算的關鍵步驟。
目前，量子計算機的實現存在兩個不同的路徑。大部分物理系統（離子阱、部分超導系統、量子點、金剛石色心系統等）都是在先保障量子性的基礎上逐漸擴大系統，進而實現普適的量子計算。如何在保障糾纏的基礎上實現可擴展是當前遇到的主要問題。可擴展性涉及計算模型（比如分布式計算）以及物理構型設計等一系列的問題。另一條是以加拿大D-Wave公司為代表的超導系統，首先考慮實現系統的可擴展。現在該公司已經能夠控制512個量子比特（甚至更多），並能利用它實現絕熱算法。雖然這個系統的量子性以及它是否能超越經典的計算機還存在巨大的爭議，但其無疑提高了人們對實現可擴展量子計算的信心。需要指出的是D-Wave公司的計算機並不是普適的量子計算機，它是為特定算法而設計的。
實驗方面還特別值得一提的是有關馬約拉納零模的實驗進展，目前大量的實驗證據都支持它的存在。具有非阿貝爾交換特性的馬約拉納零模是實現拓撲量子計算的理想載體，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現不同馬約拉納零模的交換即可。然而在固態系統中實現可控的馬約拉納零模交換是一件很困難的事情，這需要發展新的實驗技術。
針對某些特定問題的研究對量子操控的要求並沒有對普適量子計算的要求高。為了體現量子系統在解決問題方面相對於經典系統的優越性，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），用經典的計算機很難處理（即使用我國運算能力最強的「天河二號」超級計算機，在光子數超過50後都無法計算）。但利用量子器件，人們可以有效地求解。儘管求解此問題不需要複雜的門操作，也不需要編碼，相對容易實現，但它對單光子光源有很高的要求，人們正在為實現這一目標而努力。另一個很重要的例子是所謂的量子霸權（quantum supremacy）問題，這是為超導系統量身定做的問題。在量子比特超過５０的情況下，超導系統的計算能力將超過現有的超級計算機，D-Wave公司和谷歌公司正在為實現這一目標而努力。
３． 量子模擬
在現階段普適的量子計算機還無法實現的情況下，量子模擬利用較小規模的可控量子系統來實現一些我們用常規的方法無法或很難實現的物理現象，進而達到研究它們的目的。特別是在離子阱系統和光晶格系統中，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象之間的橋梁。
量子多體關聯繫統是物理學中最重要也是最困難的問題之一。對於這樣的問題，我們沒有辦法進行解析求解，甚至不能進行數值求解，已知的數值方法（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果。然而很多很重要的物理現象（如高溫超導）與多體強關聯有密切的關係，量子模擬提供了研究這種系統的一個新的工具。特別是基於光晶格系統的量子模擬。在此系統中，人們通過操控實現一些特定的強關聯繫統的哈密頓量（如Bose-Hubbard 系統的哈密頓量），進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。
除了模擬在凝聚態物理系統中已有的物理系統外，量子模擬還可以研究在常見的凝聚態中無法或很難研究的系統，比如自旋軌道耦合帶來的新現象、二維多體局域化等。除了凝聚態物理中的問題，量子模擬還可以用來對量子力學基礎、黑洞物理和量子場論中的一些問題進行模擬。在離子阱系統中，人們模擬了規範場中的物理；在光學系統中，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；在光學系統中，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擴展了量子模擬的應用範圍。
隨著量子操控技術的進步，人們將能夠設計並模擬各種不同的哈密頓量，進而研究其中的物理。
４． 量子傳感和精密測量
對物理量的精確測量不僅有助於更深層次的物理學規律的發現（比如微波背景輻射的各向異性），更有其應用上的需求。量子技術的發展使得人們可以對很多物理量的測量獲得比經典方法更高的精度。在理論上，人們已經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。利用量子新技術人們可以將時間的測量標準達到前所未有的新高度。瓦恩蘭（Wineland）等在實驗上利用離子阱中兩個糾纏的離子，將時鐘標準的精度提高到了10－18。利用囚禁的原子陣列，時間測量精度還可以進一步提高，甚至可以利用它來直接探測引力波和暗物質。如果利用多個囚禁在不同離子阱中的離子，假設它們處於GHZ態，並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。量子技術表明，我們可以利用NooN 態來壓縮噪聲的影響，進而達到海森堡極限。
另一方面，量子態本身是很脆弱的，它極易受到環境的影響。基於量子態對環境的敏感性，可以利用量子系統來對某些變化進行探測，這種應用就是量子傳感。利用金剛石色心已經實現了對微小磁場的測量，並達到了極高的精度。量子傳感和精密測量已經處於應用的前夜。
我國在量子信息領域的研究起步較早，基本能做到與國際同步，並且在某些方面能夠領先國際水平，但各個方向發展不平衡。具體地說，我們在量子通信方面的技術代表了國際最高的水平，特別是在實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，特別是光學系統的量子模擬、NMR系統和冷原子光晶格系統中的工作。在金剛石色心的量子傳感研究中也處於領先水平。然而，在量子計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，國內這兩方面的研究水平也在迅速提高，已開展離子阱系統、約瑟夫森結系統、金剛石色心和量子點系統的量子計算研究。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。
量子信息科學的發展前景
經過對量子信息科學20多年的投入和研究，目前量子信息技術處於取得巨大突破的前夜，某些單元技術已處於實際應用的初始階段。未來若干年，量子信息技術研究觸發的相關技術和科學進步將不斷湧現。下面我們按不同的方向來闡述可能的突破和發展前景。
１． 量子密碼
隨著單光子源技術的不斷完善、設備無關通信方案的提出、通信安全性的進一步研究及光子探測效率的提高，量子密鑰傳輸的速率和系統的可靠性都已滿足基本的應用要求。量子密鑰分配在城域網範圍（100千米）內已處於商業化應用階段，正在迅速地完善其相關的設備。
對遠程的地面量子密碼，可信中繼方案並不令人滿意。為實現絕對安全的信息傳輸，量子中繼將不可或缺，可實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）和實驗技術的進一步發展，未來5年有可能實現第一代的量子中繼。為進一步提高傳輸效率，未來幾年人們將開始研究基於容錯的二代和三代量子中繼，進而提供可實用化的量子中繼。另一個可能的長程量子通信方案基於自由空間中的星地傳輸。我國已發射了「墨子」衛星，建立了相關的實驗平臺，未來這方面的研究將會進一步推進，人們將更清楚這兩種不同的方案的優缺點，並能混合這兩種方案構建全球性的量子密碼網絡。
２． 量子計算
量子計算在不同的幾個物理系統中已取得了巨大的進展，已處於取得重大突破的前夜。量子計算的研製已經吸引了大量的商業化公司（谷歌、IBM、微軟等公司）的投入，各國政府也針對量子計算機研究推出了各種計劃，加大投入。可以預見，量子計算機研製的競爭將更加白熱化。隨著研究投入和更多的科學家的加入，不同量子系統在量子計算中的優缺點將進一步明確，實現量子計算的物理系統將進一步明確、集中。
可擴展問題是量子計算機現階段面臨的主要障礙。固體系統（如超導系統和量子點系統）在這方面具有天然的優勢。離子阱系統和晶片技術相結合，也為可擴展性的解決提供了可能。就現階段的實驗操控技術水平而言，離子阱系統和超導系統處於領先地位，量子門操作精度均已超過普適量子計算所需的閾值。基於這兩個系統的可擴展的量子計算機架構原型也已經提出來了（大小堪比足球場）。研究更經濟和易於實現的架構，如何利用物理系統本身特性而設計更高效、閾值更高的編碼等，都是未來重要的研究課題。
在拓撲量子計算方面，通過模擬，人們在未來幾年能夠對拓撲計算的基本性質進行深入的研究。通過進一步設計和優化基於馬約拉納零模的設計，解決準粒子汙染（quasiparticle poisoning）問題，提高其操作性能。未來５年有可能實現基於拓撲比特的各種門操作。人們將研製新的製備和實現拓撲量子比特的方法，特別是能進行普適量子計算的拓撲態（如 Fibonacci 任意子）。
在未來5年，人們將實現超過50個量子比特的量子設備，進而在玻色取樣和量子霸權問題上驗證量子計算的優越性，其性能在這些特定問題上完全超越現有的所有經典計算設備。
３． 量子模擬
量子模擬將用於解決更多特定的問題，其強大的模擬能力將會被進一步展示。在冷原子光晶格系統和離子阱系統中會有更多在凝聚態系統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大工具。
４． 量子傳感和精密測量
量子傳感技術逐漸成熟並商業化。利用量子技術提高各種探測的精度，例如人們將利用提高的時鐘標準來提高GPS的定位精度。利用量子技術來測量其他物理現象，比如相對論效應。
基於量子信息帶來的顛覆性，而且現在這些技術都處於應用或取得重大突破的前夜，各國政府和商業界都積極參與其中。美國國防部和國家科學基金會都對量子信息技術給予了特別支持；歐盟發表了《量子宣言》，推動量子通信、量子模擬、量子傳感和量子計算這四方面的中長期發展，以實現原子量子時鐘、量子傳感器、城際量子網絡、量子模擬器、量子網際網路和通用量子計算機等重大技術的突破與應用；英國先後發布《量子技術國家戰略———英國的一個新時代》和《量子技術路線圖》，為國家的量子技術發展提供了藍圖；日本、澳大利亞、加拿大等國也在量子信息技術方面有重大布局。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。在各國政府和企業的支持下，近來量子信息技術取得了巨大的進展，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，但總體規劃還需要進一步加強。
對我國量子信息科學發展的建議
對我國量子信息未來的發展有如下的建議。
１． 加強量子信息技術發展的規劃性
由於國家對量子信息技術發展的高度重視，各個學校和地方政府都在新建各種量子中心和研究所，這造成了大量的重複建設。現階段量子信息技術，特別是量子計算機仍然處於基礎研究的階段，而且高度專業化，需要有長時間的積累才有可能做出創新型成果。很多學校和機構並不具有相關的經驗和能力，盲目重複建設勢必會造成資源的極大浪費。此外，量子信息技術各個方面發展的不均衡性也應在規劃中得到體現。
２． 加大對量子力學基礎研究的投入
雖然量子力學基礎本身不會直接產生顛覆性的技術，但它是量子信息的基礎，沒有對量子力學的深入認識，量子信息技術就是無根之木、無源之水。現階段，大家的有必要的投入支持。
３． 對量子計算的研究需要穩定持續的投入支持
如前文所述，量子計算仍然處於基礎研究的階段，而且我國在這方面的研究積累較少，無論在理論還是實驗方面與國際最好水平都有較大的差距。而這方面的發展需要潛心的長時間積累，可能很長時間內無法獲得重要的原創性成果，因此長期穩定的支持對量子計算的發展至關重要。
４． 改革完善考核評價機制
如前所說，我國在量子信息各個方面的發展並不均衡，有的方面已進入實用化階段，有的還處於基礎研究階段。需要用不同的考核和評價機制來有效地調動不同研究方向的積極性。
５． 完善協同機制
量子信息科學已經涵蓋了從基礎研究到商業產品的整個鏈條，因此需要不同專業、不同領域的人才協同合作才有可能取得突破性進展。完善的協同機制是合作成功的重要前提。
本文摘編自中國科學院編《2017科學發展報告》第一章郭光燦 韓永建 史保森撰寫文章《量子信息科學發展展望》。