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7.1 量子信息的概念及特点

量子（Quantum），这个概念最早是由德国物理学家普朗克在1900年提出的。所谓量子，其实就是能量的最基本携带者，是构成物质的最基本单元。量子有超出我们常规认识的一些奇妙特性，其不可分割性、量子态叠加性、不可复制性、量子纠缠等独特的现象和特性，具有重要的技术创新价值和潜力。
1. 不可分割性
量子是构成物质的最基本单元，是能量、动能等物理量的最小单位，具有不可分割性。
2. 量子态叠加性
由于微观特性，量子状态可以叠加，即一个量子能够同时处于不同状态的叠加，就是指一个量子系统可以同时处于不同量子态的叠加上。
3. 不可复制性
克隆一个东西首先要测量这个东西的状态，但是量子通常处于极其脆弱的“叠加态”，一旦测量就会被改变形状，不再是原来的状态。因此无法完全克隆。
4. 量子纠缠
量子纠缠是一种量子效应，当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个粒子会立刻感受到，并作出相应的改变。
量子信息技术（Quantum Informatisson Technology）是关于量子系统“状态”所依据的量子理论、信息理论和计算机理论为基础，通过量子的各种相干特性（如量子态叠加性、量子纠缠和不可复制性等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。量子信息技术能够突破传统计算机发展的瓶颈，更为高效地进行信息编码，传输和计算，形成远超过现有计算机的运算处理能力和安全性。
量子比特（Qubit）是量子信息技术计算和处理信息的基本单元，量子比特是相对比特而言的，比特是经典计算机中表示信息量的基本单位，是一种由电脉冲表示1或0的二进制单元，构成计算机的基础。与经典比特不同的是，一个量子比特能同时表示0和1两个状态。在量子比特位数是n时，量子比特的存储容量是传统信息位的二的N次方倍，量子计算速度是传统计算速度的二的N次方倍，这一特性使得量子计算机能够形成高密度储存和并行计算能力，设计出更加高效的算法。

7.2 量子信息的应用现状

量子信息技术是当今世界上最具颠覆性的前沿技术之一，已经成为世界主要国家和军队进行高新技术竞争的重要领域。量子技术正在应用于量子计算机、量子通信、量子测量等多个军事领域。而这些领域的高速发展，正在成为世界新军事变革的强大动力。下图7-1展示了量子信息技术的主要发展方向及应用领域。
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图7-1 量子信息技术的三大领域图
1. 计算技术领域
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。它是利用量子叠加原理，基于量子相干特性，以远超传统电子计算机的速度实现复杂计算。
2015年5月，IBM在量子运算上获取两项关键性突破，开发出四量子位原型电路（Four Quantum Bit Circuit），成为未来10年量子电脑基础。另外一项是，可以同时发现两项量子的错误类型，分别为Bit-Flip（比特翻转）与Phase-Flip（相位翻转），不同于过往在同一时间内只能找出一种错误类型，使量子电脑运作更为稳定。2016年8月，美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5qubit组成的可编程量子计算机。
2. 通信技术领域
量子通信是量子信息技术的一个重要分支，它利用量子力学原理对量子态进行操控，在两个地点之间进行信息交互，可以完成经典通信所不能完成的任务。在量子信息技术的发展中，量子通信也作为排头兵走在了最前面，成为了量子信息学最先的突破点和产业化方向。
美国在2005年建成了DARPA量子网络，连接美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学3个节点。我国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络，大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率，同时保证了绝对安全性。同年，“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通，是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年我国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。2016年8月16日，我国发射一颗量子科学实验卫星“墨子号”，连接地面光纤量子通信网络，并力争在2030年建成20颗卫星规模的全通型量子通信网。
3. 测量技术领域
量子探测技术具备突破传统探测技术性能极限的应用潜力，目前各国的研究主要集中在量子雷达、量子导航、量子传感和量子成像等专业领域。（1）量子雷达属于一种新概念雷达，是将量子信息技术引入经典雷达探测领域，提升雷达的综合性能。（2）量子导航是将量子探测技术引入陀螺及惯性导航领域，使其具有高精度、小体积、低成本等优势和不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。（3）量子传感是将量子叠加的原理作用于传感领域，使传感器具有更高的测量精度。（4）量子成像是利用、控制(或模拟)辐射场的量子涨落来得到物体的图像，使图像获取快速、真实、准确。
2008年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。2013年意大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测，证明其有实战价值的可能性。我国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制，中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成。不过专家表示，量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走。

7.3 量子信息的发展趋势

1. 理论与关键技术待突破，领域发展前景各异
量子信息技术研究和应用探索发端于上世纪九十年代，目前总体处于基础科研向应用研究转化的早期阶段，其技术发展演进和应用产业推广既具有长期性，也存在不确定性。总体而言，真正具有改变游戏规则和颠覆性意义的“杀手级应用”尚未出现，各领域新兴技术的商业化应用和产业化发展的路线有待进一步探索。
2. 我国具备良好的实践基础，机遇与挑战并存
我国在信息技术领域的研究和应用虽然起步稍晚，但与国际先进水平没有明显的代差，在量子计算、量子通信和量子测量三大技术领域均有相关研究团队和工作布局。近年来，在科研经费投入，研究人员和论文发表数量，研究成果水平，专利申请布局，应用探索和创业公司等方面具备较好的实践基础和发展条件。我国已经成为全球量子信息技术研究和应用的重要推动者，与美国和欧洲共同成为推动量子信息技术发展和演进的重要力量。量子信息技术的发展和应用具有重要性和长期性，并且机遇与挑战并存。