读2025世界前沿技术发展报告05量子信息技术

1. 量子信息技术

1.1. 量子信息技术是在物理学和计算机科学研究基础上发展而来的一门新兴学科，可能彻底改变科学和技术的许多领域，包括计算、通信、密码学和传感
1.2. 马克斯·普朗克（Max Planck）1900年提出“量子”概念、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）1925年提出量子力学以来，量子技术已实现飞跃
1.3. 联合国宣布2025年为“量子科学和技术国际年“
1.4. 世界正处于第二次量子技术革命的前夜，量子计算、量子通信和量子传感三大技术方向在国防、金融、大数据、生物制药等领域的巨大潜在应用价值，引起世界主要科技强国和高科技公司高度重视
2. 量子计算

2.1. 量子计算是“基于量子力学原理，利用量子比特实现信息的存储和处理，并通过操控量子比特、借助量子纠缠等特性执行复杂计算任务，超越经典计算”的计算模式
2.2. 从基础研究到应用呈现全链条创新势头

• 2.2.1. 1月，中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线运行
  
• 2.2.2. 用72位的超导量子芯片“悟空芯”​
  
• 2.2.3. 超导量子计算机是基于超导电路量子芯片的量子计算机
  
• 2.2.4. 4月，中国科学技术大学和瑞典隆德大学的联合研究团队发现原本只是探测纠缠有无的实验数据可以用来估计纠缠大小
  
• 2.2.4.1. 量子纠缠是量子理论的基础概念和量子信息中的核心资源，量子纠缠研究的两大基本任务是纠缠的检测和度量
  
• 2.2.5. 5月，中国科学技术大学潘建伟院士团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态
  
• 2.2.5.1. 量子物理学和量子信息科学领域的一个重要进展
  
• 2.2.5.2. 霍尔效应由美国科学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域
  
• 2.2.5.3. 反常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观测到相关效应
  
• 2.2.6. 6月，中科酷原公司在“武汉量子论坛—2024”上发布国内首台中性原子量子计算机“汉原1号”​
  
• 2.2.7. 7月，中国科学技术大学研究团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子仿真器，以超越经典计算机的仿真能力，首次验证了该体系中的反铁磁相变，向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出重要的第一步
  
• 2.2.8. 12月，中国科学技术大学超导量子研究团队成功研制105量子比特的“祖冲之三号”超导量子计算机
  
• 2.2.8.1. 各项性能指标与美国谷歌公司的Willow处理器旗鼓相当
  

2.3. 在量子纠缠和量子纠错领域实现重大突破，加速从实验室走向实际应用

• 2.3.1. IBM公司科学家首次实现“跨芯片”量子纠缠
  
• 2.3.1.1. 首先让一对量子比特纠缠，随后将其中1量子比特传送到第二块芯片上，使两块芯片建立起量子联系，并作为一个整体执行超出单块芯片能力的计算
  
• 2.3.2. 谷歌公司发布105比特的新型量子芯片Willow，错误率可随比特数量的增加呈指数级下降
  
• 2.3.2.1. 该芯片以不到5分钟完成一项标准基准计算，而如今最快的超级计算机也需要1025年才能完成同样的任务
  

2.4. 构建光子量子计算机的新方法，可内置纠错功能

• 2.4.1. 一个光脉冲就可获得一个强大的逻辑量子比特，无需“通过大量光脉冲将单个光子生成为量子比特，然后让它们作为逻辑量子比特相互作用”这一过程，从而提供了量子纠错的固有能力
  

2.5. 开发出一种近乎零错误率的量子计算机制造工艺

• 2.5.1. 2024年3月，英国伦敦大学学院（University College London）开发出一种构建量子计算机的新制造工艺，几乎实现了零错误率，并且具有扩大规模的潜力
  
• 2.5.2. 使用磷原子构建量子位的传统方法，使用砷原子的方法具有较低的量子位错误率，且具有可拓展性，但仍需要解决工程问题才能实现规模化生产
  

2.6. Diraq公司在量子比特全局控制技术方面取得重要进展

• 2.6.1. 可用于确保大量量子比特在同步运行时能具有出色的可持续性能
  

2.7. Qunova Computing在商用量子计算机上实现“化学精度”

• 2.7.1. 在商用量子设备上首次实现“化学精度”​，即误差低于1.6毫哈特里（Hartree）​，为量子化学应用提供了实际解决方案
  

3. 量子通信

3.1. 2024年，量子通信领域发展继续加速

• 3.1.1. 技术研发上，量子通信技术不断优化，在传输速率、时延、传输距离、保真度等指标上再创新高，量子隐形传态等细分领域亦有突破
  
• 3.1.2. 市场规模上，量子通信行业市场规模增长迅速，产业合作愈发紧密
  

3.2. LG公司开发出高维量子安全直接通信协议，有望突破传输速率瓶颈

• 3.2.1. 量子安全直接通信（QSDC）协议，旨在提高量子通信系统的安全性和传输速率
  
• 3.2.2. 相比于DL04 QSDC，新提出的N维QSDC需要更多的设备来测量相位状态
  

3.3. 清华大学首次实现无串扰的量子网络节点
3.4. 英德研究人员首次实现量子互联网关键连接

• 3.4.1. 一种用于创建纠缠光子
  
• 3.4.2. 另一种用于存储并允许稍后检索
  

3.5. 中国科学技术大学潘建伟团队构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

• 3.5.1. 首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建起国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络
  

3.6. 浙江大学在量子态传输研究方面取得突破

• 3.6.1. 2024年6月，浙江大学物理学院王浩华团队提出一种新颖的方法，使量子态传输的保真度大幅提高
  

3.7. SK电信公司推出全球首款QKD-PQC混合量子加密产品

• 3.7.1. 在IDQ的QKD设备上推出量子密码产品QKD-PQC Hybrid
  
• 3.7.2. 结合了SKT最新开发的后量子密码（PQC）软件与瑞士量子加密公司ID Quantique（IDQ）开发的量子密钥分发系统（QKD）Clavis XG
  
• 3.7.3. 最大特点是能够通过双重加密保护信息，即在一台设备中同时进行QKD和PQC加密
  

3.8. 法兰西银行和新加坡金融管理局联合完成后量子密码学的突破性实验

• 3.8.1. 首次尝试了使用抗量子加密算法进行签名和加密电子邮件，且完全基于现有互联网基础设施及美国国家标准与技术研究院最新的后量子加密货币标准，实现了在加强电子通信安全水平的同时，确保与现有技术和标准相兼容
  

3.9. 西北大学研究人员首次成功实现在互联网光缆上的量子隐形传态

• 3.9.1. 该实验成果证明量子通信和经典通信可以共存，为利用现有系统实现安全、长距离的量子连接奠定了基础，有望大幅简化先进传感技术或量子计算应用所需的基础设施
  

4. 量子传感

4.1. 量子传感是利用量子系统的独特性质实现对物理量高灵敏度、高精度测量的技术，具有极高的灵敏度、测量精度和极快的响应速度等特性，能探测并快速感知到极其微弱的物理量变化，达到经典传感技术难以企及的水平
4.2. 量子传感的特性在精密测量、导航、材料科学、环境监测等领域具有广泛的应用潜力
4.3. 洛桑联邦理工学院开发出新型超低噪声系统

• 4.3.1. 可实现室温量子“光学压缩”
  

4.4. 美德研究人员研发出新型激光冷却石英玻璃技术

• 4.4.1. 首次通过激光制冷方式，成功将石英玻璃从室温冷却到67开尔文
  

4.5. 中国科学家开发出接近海森堡极限的量子增强精密测量技术

• 4.5.1. 在基于超导量子线路系统的量子精密测量领域取得了突破性实验进展
  

4.6. 桑迪亚国家实验室开发出高性能硅光子调制器

• 4.6.1. 开发出一种高性能硅光子调制器，可以通过原子干涉法精确地测量加速度变化，用于惯性导航等用途
  

4.7. 英国成功试验新型量子传感定位导航系统

• 4.7.1. 成功试验了在全球定位系统（GPS）拒止和衰退的环境下利用微型冷原子系统进行“定位、导航和授时”​（Positioning，Navigation and Timing，PNT）的能力
  
• 4.7.2. Supemolasses的激光冷却技术，该技术能够将原子冷却到接近绝对零度的温度，使其显现出能够反映运动、电场和磁场细微变化的量子特性
  
• 4.7.3. 该技术不需要耗电磁场，从而减小了设备的尺寸、重量和功率需求，使其更适合海军使用
  

4.8. 英国皇家学会投资量子技术中心，以应对GPS信号易受干扰的挑战

• 4.8.1. 由格拉斯哥大学（University of Glasgow）领导的QEPNT中心将通过研发高性能、小尺寸、低成本的量子传感器来建立独立于GPS定位技术的量子导航系统，从而让英国从具有量子特性的定位、导航和授时技术的进步中受益
  

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