一、量子信息技术简述
一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，由此掀起了20世纪初量子物理学革命的帷幕。为了达到研究和描述微观世界基本粒子结构、性质以及相互的目的，量子力学就在克服早期量子论的困难和局限性中逐渐建立起来。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，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[2]。现阶段，大家对量子信息技术的研究与应用主要包括量子计算、量子通信和量子测量等方面。
1.量子计算
量子计算是一种应用量子力学原理进行有效计算的新颖计算模式,它基于量子态受控演化，利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算。从本质上改变了传统的计算理念。针对“大数因子求解”问题和数据库搜索操作分别提出了Shor和Grover算法，其算法核心就是通过量子计算特点加速求解速度，使量子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力，有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。
（1）量子因数分解
Shor算法计算因式分解利用了量子比特的叠加性，使用这个特性可以使得所需的计算次数比现有的经典算法进行指数级减少。Shor算法核心是利用数论中的一些定理，将大多数因式分解转化为求某一个函数的周期。其基本思想是：利用量子并行性通过一步计算获得所有的函数值，然后通过测量函数得到相关联的函数自变量的叠加态，并对其进行量子快速傅立叶变换。其实质就是将大数因子分解转化为量子FFT在多项式步骤内完成的求一个函数的周期问题。由于在量子环境下可以以极高的效率实现量子傅立叶变换，从而使对大多数因子分解成为可能。
现代常用的RSA密码体制在加解密过程中，公钥是公开密码用来加密，私钥用来解密，任何用户都可将传送给此用户的信息用公钥加密发送，而该用户唯一保存的私人密钥是保密的，也只有它能将密文复原、解密。在RSA体制中，对极大整数做因数分解的难度决定了RSA算法的可靠性，对一极大整数做因数分解愈困难，RSA算法愈可靠。按照传统计算机的计算速率，1024bit长度的RAS密钥大概需要2年，但如果实用化的量子计算出现，RAS加密算法就会在极端时间内被破解，现有的密码系统都将遭受威胁。
（2）量子搜索
搜索算法是最常用的一类算法，然而传统计算机对非结构化数据的搜索其实是比较低效的。一般情况下，算法复杂度为Omicron (N),N 为数据规模。量子计算机中存在着量子搜索算法Grover算法，被称为“从杂草堆里找一根针”它的时间复杂度是 Omicron(√N) 。Grover算法量子线路包含两个部分，一个是量子态准备，另一个是多次Grover迭代。每一次的Grover迭代也可以分为两个部分，一部分是为了实现指定态的相位翻转，另一部分是绕均值的相位翻转。使用Grover迭代一定次数，目标态的幅值将逐渐比较接近1，进行测量后，可以大概率搜索到目标态。相较于传统二分查找法，在数据规模较大的情况下，量子搜索算法的优越性会非常惊人。
2.量子通信
量子通信使用量子态来携带索要传送的信息，并把量子纠缠作为信道，将量子态由A地传送到B地[1]。由量子隐形传态和量子密钥分发两类为主要构成的量子通信可大幅提升现代通信的安全性，同时对信息安全和通信网络等领域也具有重大影响力。
（1）量子密钥分发
量子密钥分发通常采用BB84协议，传送量子态光子（量子密钥），通过对叠加状态的测量产生随机数，运用一次一密的加密手段。BB84协议通过光子的4种偏振态来进行编码，线偏振光子（水平、垂直）和圆偏振光子（左旋、右旋）。一般BB84协议的实现需要两个信道：经典信道和量子信道，经典信道要确保收发双方A和B之间能进行一些必要信息的交换，而量子信道用于传输携带信息的或者随机的量子态。在BB84 协议中，所采用的线偏振和圆偏振是共扼态，满足观测不对异性。对量子的两个不太特征进行两次测量，观测的顺序会影响测量结果。因此，任何攻击者的测量必定会对原来量子状态产生改变，而合法通信双方可以根据观测不对异性检测出该扰动，从而检测出是否存在窃听。另外，线偏振态和圆偏振态是非正交的，因此它们是不可区分的，攻击者不可能精确地测量所截获的每一个量子态，也就不可能制造出相同的光子来冒充。观测不对异性和量子不可克隆定理保证了 BB84 协议量子通信的无条件安全性。
（2）量子隐形传态
对于量子隐形传态，所谓隐形的意思就是没有物质介质进行信息传递，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方出现。由于量子不可克隆，在传递过程中，只是将一个粒子的状态传递到了另一个粒子的状态，在传递完成之后这个粒子的状态已经被破坏，这样最终结果只有一个粒子拥有最初的状态。
3.量子测量
量子测量与经典物理中的测量不同，量子测量不是独立于所观测的物理系统而单独存在，相反而言，测量本身即是物理系统的一部分，所作的测量会对系统的状态产生干扰。量子测量主要包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别等方向，其在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势[2]。
图1 量子信息技术
二、国际量子信息技术发展现状
1.美国量子技术发展
（1）量子技术在美国新兴军事技术中的发展
据媒体报道，在美国国会研究服务部（CRS）发布提交的《新兴军事技术：背景与呈国会问题》报告中，评估了美国及其竞争对手在六大新兴军事技术领域的发展现状，及新兴技术对战争的潜在影响。其中对于量子技术的报告如下：
量子技术将量子物理学的原理转化为技术应用。整体而言，量子技术尚未发展成熟，但它对未来的军事通信、加密和隐形技术将产生重大影响：（1）量子通信可以使敌方开发出美国人员无法拦截或解密的安全通信，同时可以使敌方解密信息，从而瞄准美国人员和军事行动。（2）量子雷达系统可以比传统雷达系统更为精准地识别目标的性能特征，增强敌方对美国低可观测或隐形飞机、潜艇等的追踪和瞄准能力。但量子技术的军事应用受脆弱的量子态的限制，极易被运动、温度或其他环境因素的变化影响，因此，量子技术的大规模应用需依赖材料科学与制造技术的进步。
（2）量子技术在美国民营企业的发展
美国初期量子创业公司IonQ近日向外界披露，他们实现的下一代32量子比特的量子计算机，号称拥有400万量子体积。IonQ早期实现的11位量子比特的量子计算机，可通过微软的Azure云服务访问。这次实现的32位量子比特离子阱量子计算机，看似位数仅提升了21位，但由于量子计算机的可计算能力是随着量子比特数量呈指数级增长，因此，性能的提升也是呈指数级。IonQ采用的离子阱技术路线相比较于超导实现，离子阱在比特数量及相干时间上具有比较大的优势，因此，能够实现较大的量子体积。QCWare的算法负责人声称：“基于IonQ的新量子系统，QCWare的量子分类算法具有非常好的性能”。此外，IonQ和Zapata、剑桥量子计算中心也在共同努力实现更多的量子应用。
2.英国国防科学与技术实验室预测量子技术应用前景
英国国防科学与技术实验室（Dstl）代表英国国防部（MoD）、英国战略司令部，联合发布《量子信息处理技术布局2020：英国防务与安全前景》研究报告。Dstl的研究报告指出，商用量子计算机能够以远超普通计算机的速度运行重要/通用级人工智能软件，其算法是一种成熟且经验证的模式匹配算法，也称为“神经网络”算法。基于量子退火特性，量子计算机可在一个机器周期内运行一个神经网络，而非像传统计算架构一样需调用数千或数百万个机器周期。因此，量子计算机在计算执行效率方面具有质的突破。
另外，研究报告详述了量子神经网络执行量子信息处理的过程，最终可实现数据搜索定位、近实时/实时数据反馈、自动兴趣点搜集、异常/突变案例检测等多种目标。这一优势特性对于缩减作战环境数据处理时间、降低数据处理成本，提升数据处理量级大有裨益，且能够 三、我国量子信息技术发展现状
1.我国光量子计算最新进展
据安徽日报，中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士、西湖大学创校校董潘建伟教授9月5日在西湖大学首场公开课演讲上向公众透露光量子计算最新进展：他带领的研究团队已经实现了光量子计算性能超过谷歌53比特量子计算机的100万倍。量子力学通过百余年的发展，为解决信息科技的重大问题做好了准备。量子计算机能解决传统计算机无法解决的复杂难题，展现量子优越性。比如，量子计算的计算能力随着可操纵的量子比特数呈指数增长。利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，而利用万亿次量子计算机只需1秒。
2.百度在量子计算机领域的布局
近日，百度量子计算研究所所长段润尧教授披露了百度在量子计算领域的全面布局。2019年，百度发布国际领先、国内第一的云上量子脉冲系统“量脉”(Quanlse)。作为国内最先研发的基于云平台的量子脉冲计算系统，“量脉”是连接量子软硬件的桥梁，其性能指标非常优异。2020年5月，百度飞桨发布量子机器学习开发工具“量桨”(Paddle Quantum)，使百度飞桨成为了国内首个、也是目前唯一支持量子机器学习的深度学习平台。2020年9月百度世界大会上，百度研究院量子计算研究所还带来国内首个云原生量子计算平台“量易伏”(Quantum Leaf)，可用于编程、模拟和运行量子计算机，为量子基础设施服务提供量子计算环境，同时“量脉”和“量桨”也获得全面升级。
目前，百度已初步建成由“量脉”、“量桨”和“量易伏”三大项目为主体的百度量子平台(quantum.baidu.com)，提供了连接顶层解决方案和底层硬件基础所需的大量软件工具及接口。百度研究院量子计算研究所所长段润尧介绍，“这一平台将扮演量子计算时代操作系统的角色，用户可通过这一平台实现量子计算对所在行业的赋能，而无需针对性接触和学习复杂的量子软、硬件”。
四、结语
IBM在2019年提出“量子体积”的概念，作为用于衡量量子计算的专用性指标，此外还提出量子计算机的量子体积每年增加一倍的“量子摩尔定律”。如果“量子摩尔定律”成立，那么人类有可能在10年内实现量子霸权，但距离实现量子通用计算机还有很大距离[2]。量子信息技术在通信传输、运行计算、测量等方面都具有独天的优势，同时量子计算的超强算力足以满足人工智能技术对海量异构数据并行计算的需求，量子计算已经帮助机器学习提升数据聚类的能力。由此可见量子信息技术在应用上也具有强大的潜力，各个国家也在极力部署相关发展规划，相信随着技术不断发展，我们的生活也会发生巨大的改变。
参考文献
[1]郭光灿,张昊,王琴.量子信息技术发展概况[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2017,37(03):1-14.
[2]冯晓辉,李雅琪,周斌,王翠林. 2019年量子计算发展白皮书(上)[N]. 中国计算机报,2019-10-21(008).
