本文選定了《2017科學發展報告》中科學展望部份，郭光燦韓永建史保森撰寫的《量子信息科學發展展望》。
量子信息學是量子熱學與信息學等學科相結合而形成的新興交叉學科。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熱學基本原理，因此量子信息的編碼、操控、傳輸和解碼都與傳統的精典信息學存在巨大差別。在精典信息學中，信息的操作仍然滿足精典熱學的規律。利藥量子力學的特殊性質，量子信息技術可以擁有比相應精典技術更強悍的能力。基于量子信息技術可以實現絕對安全的量子通訊，也可以解決精典計算機無法完成的估算困局。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訊體系的焦點，并極有可能對人類社會的經濟發展形成無法估量的影響。
雖然在２０世紀七八十年代，包括費曼（R．）、貝內特（C.H.）、多伊奇（D.）等就提出了有關量子信息的構想，但量子信息學作為一個重要學科方向引發學術界和各國政府高度注重是在1993年知名的Shor算法提出然后。基于量子熱學基本原理，采用Shor算法可以在方程時間內實現大數因式分解（而在精典算法中迄今無法發覺方程算法，甚至有人覺得這樣的算法根本不存在），這直接恐嚇到了人們廣泛使用的RSA私鑰密碼體系的安全性，從那以后人們開始旨在于建立量子計算機和舉辦新型密碼系統的研究。隨著20多年的深入研究，量子信息科學早已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，量子信息學的研究范疇早已被極大地擴充，目前主要包括如下幾個重要研究方向。
（１）量子密碼與量子通訊：借助量子態實現信息的編碼、傳輸、處理和解碼，非常是借助量子態（單光子態和糾纏態）實現量子秘鑰的分配。
（２）量子估算：借助多比特系統量子態的疊加性質，設計合理的量子并行算法，并通過合適的數學體系加以實現（通用量子估算）。
（３）量子模擬：在通用的量子計算機難以實現的前提下，借助現階段早已可以挺好控制的小規模的量子系統來實現一些在其他系統中無法實現的化學現象演示（專用量子估算）。
（４）量子傳感器：借助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列寬靈敏度偵測。
（５）量子計量：借助特定量子態（如NooN態、GHZ態、壓縮態等）的強關聯性質將噪音對系統的影響減少，從而實現系統的高精度測度。
近些年來人們在以上研究方向均實現突破，取得了重要的成果，下邊我們分別論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物理復雜性決定（如RSA私鑰密碼體系就是基于大數因式分解這一物理困局建立的），這些密碼體系存在被破譯的可能，并非絕對安全可靠。而量子密碼體系的安全性由基本數學原理保證，因此可以實現絕對安全的信息傳遞。量子秘鑰分發是量子密碼體系的核心，是目前量子通訊研究最成熟、也是最接近實用化的一個研究方向。近些年來世界各國舉辦了面向實用化的示范性局域網、廣域網的建立研究，取得了許多重大進展。
光子是天然的量子信息載體，非常適宜于遠距離的量子信息傳輸。因此，實現量子通訊的關鍵問題是怎樣把加載信息（或用于構建秘鑰）的光子從一個地方高速地傳輸到足夠遠的另一個地方。因為傳輸信道（如光纖或大氣）本身的特點，光子將不可防止地因各類誘因（如散射、吸收等）丟失，且隨著傳輸距離的降低，這些衰減呈指數下降。因此單光子的有效傳輸距離遭到極大的限制。解決這個問題的關鍵就是引入量子中繼，這是當前量子通訊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構建長程量子糾纏對的困局改為先構建一系列近程量子糾纏對，之后再借助糾纏交換的方式來拓展距離，從而達到完善遠距離量子糾纏對的目的。要實現量子中繼的方案并不容易，首先要就能快速構建短距離的量子糾纏對，這須要迅速形成大量的糾纏對；其次，短距離量子糾纏對的完善是機率性成功的，而糾纏交換時須要兩對糾纏對要同時存在，因此必須須要一個按需（on-）的量子儲存器。并且糾纏交換的操作對量子偵測器的效率也有極高的要求，量子中繼的成功機率強烈地依賴于它。此外因為操作偏差和環境影響，完善的近程糾纏對可能并不純，下一步使用之前須要對其進行提純，這須要消耗大量糾纏對。由此可見，要研發成功可實用化的量子中繼對一些核心量子元件（如量子儲存器、量子偵測器等）的關鍵指標（如效率）都有極高的要求。近些年來，在相關的關鍵技術方面都取得了長足的進展：量子儲存在不同的數學系統中都取得了重要進展，如固體儲存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儲存時間也已達到百微秒量級。那些重要進展為最終實現可用的量子中繼，從而實現遠距離的量子通訊打下了堅實基礎。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。
假如可以實現這類相對簡單的量子中繼方案，這么怎么提升量子通訊的傳輸速度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度。為了達到較高信息傳輸速度，如１兆比特／秒（M／s）以上，這時一般的量子中繼方案將不再適用，而基于量子糾錯的量子中繼方案將起著關鍵性的作用。為此，基于量子糾錯的量子中繼在未來也是一個研究重點。
雖然目前還沒有可用的量子中繼方案，但借助現階段的量子通訊技術早已可以實現城域網量子保密通訊（如南京、蕪湖等地建立的政務網）。量子秘鑰可以通過單光子的量子態來傳輸（量子糾纏并非不可或缺）。在這一方案中，單光子源的品質對量子通訊的傳輸有重要影響。到目前為止，提取效率66％、單光子性優于99％的單光子源也已實現，這早已才能滿足城域網范圍內的量子通訊要求。我國在實用化的量子秘鑰分配方面推動了國際水平。
在局域網建立方面，中國科學技術學院潘建偉教授團隊于2012年在南京實現了由6個節點構成的城域量子網路。該網路使用光纖約1700千米，通過6個接入交換和集控站聯接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。由郭光燦教授領銜的中國科大學量子信息重點實驗室團隊在2005年就早已在商用的光纖上實現了上海與南京之間125千米的量子秘鑰傳輸實驗，并于2012年在標準聯通光纖中完成了260千米量子秘鑰分發實驗（系統工作頻度為2吉赫），2014年建設了合（肥）巢（湖）蕪（湖）量子廣域示范網。該網路通過中國聯通的商用光纖聯接西安、巢湖、蕪湖三個城市，其中杭州局域網由5個節點組成，合肥1個節點，揚州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路中規模最大、距離最長、測試時間最長的網路之一，也是首個廣域量子秘鑰分配網路。發展更高傳輸率、更穩定的城域量子通訊網路，以及更長距離廣域網，仍是量子通訊實用化的重要問題。現階段，我國正在構建上海—上海的滬寧量子通訊總干線。這套系統目前是基于可信中繼構建的：在滬寧之間設置多個可信中繼站點，在每位站點將量子信息轉變為精典信息，再重新編碼為量子信息并傳輸到下一個站點，因而實現遠程量子態傳輸。基于引誘態的量子秘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，并且這些秘鑰分配方案與量子中繼不兼容，故進一步提高其傳輸距離的方案仍不明晰。
在沒有量子中繼可用的前提下，實現遠程量子通訊的另一個可能方案是基于自由空間傳輸的量子通訊，這也是一個十分重要的研究方向。日本蘇黎世學院的科研小組舉辦了飛行物體與固定基站之間的量子通訊研究，于2013年首次實現了一架盤旋飛行中的客機與地面站之間的量子秘鑰分發。客機的飛行速率為290千米／時，與地面站之間的距離為20千米。2012年，加拿大維也納學院的研究團隊在加那利群島中相距147千米的兩個小島之間（特內里費島和拉帕爾中途島）實現了量子隱型傳態，兩個節點之間的空間距離與月球近地軌道和地面站之間的距離相比擬。近些年來，我國在此領域也取得了一系列重要進展，處于世界領先水平。諸如，2012年在湖南湖借助地基實驗模擬星地之間的通訊，實現了百千米級的量子隱型傳態和單向糾纏分發；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秘鑰分配（量子通訊）打下了基礎。衛星和地面之間量子通訊的原理性驗證也正在進行當中。
２．可擴充的容錯量子估算
實現大規模的量子估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，提出了好多新的理論和技巧，提升了實現量子估算的可能性，非常是容錯量子估算的證明極大地提升了量子估算的可行性。在理論上實現量子估算已沒有原則性的障礙，人們甚至早已開始設計大規模量子估算的芯片構象。
理論上人們早已證明了閥值定律。只要我們對量子系統操作的精度超過一定的限制（例如偏差高于10－5），雖然存在噪音的影響和操作偏差，也能通過量子編碼和糾錯操作得到正確的估算結果。其實，在具體的估算中，依照估算規模和編碼的不同，須要的閥值也不同，對某個具體問題的操作精度沒有閥值定律設定的要求這么高。通常來說，估算的時間越長、計算規模越大、編碼層數越多，對閥值的要求也越高。人們總是希望通過改進編碼的方法以獲得更高的閥值，從而減少實驗實現的難度。人們發覺通過引入拓撲編碼可以有效減少操作的難度，提升閥值。借助表面碼（code）編碼（這是平面碼，對微納加工有益處），估算的閥值可以提升到1％的量級。假如使用拓撲保護的馬約拉納（）零模作為編碼方法，容錯的閥值甚至可以提升到14％。找尋閥值更高、更易于實現、更高效的量子編碼一直是未來一段時間內量子估算理論中的重要問題，非常是針對特定的實驗系統的編碼。
滿足量子操作的閥值條件是實現普適量子估算的核心前提。在過去的若干年中，基于不同化學體系的實驗都取得了長足的進步，非常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早已達到和超過了實現容錯量子估算的閥值要求（邏輯門的保真度都超過了99.9％）。實驗研究的下一步目標是聽到量子編碼的容錯性。基于離子阱系統的實驗中早已聽到了量子容錯的征兆，這是走向普適容錯量子估算的關鍵步驟。
目前，量子計算機的實現存在兩個不同的路徑。大部份化學系統（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步擴大系統，從而實現普適的量子估算。怎樣在保障糾纏的基礎上實現可擴充是當前遇見的主要問題。可擴充性涉及估算模型（例如分布式估算）以及化學構象設計等一系列的問題。另一條是以日本D-Wave公司為代表的超導系統，首先考慮實現系統的可擴充。如今該公司早已就能控制512個量子比特（甚至更多），并能借助它實現絕熱算法。其實這個系統的量子性以及它是否能趕超精典的計算機還存在巨大的爭議，但其無疑增強了人們對實現可擴充量子估算的信心。須要強調的是D-Wave公司的計算機并不是普適的量子計算機，它是為特定算法而設計的。
實驗方面還非常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點的馬約拉納零模是實現拓撲量子估算的理想載體，借助它來做量子比特可以獲得極高的閥值，不同比特之間的操作只須要實現不同馬約拉納零模的交換即可。但是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，這須要發展新的實驗技術。
針對個別特定問題的研究對量子操控的要求并沒有對普適量子估算的要求高。為了彰顯量子系統在解決問題方面相對于精典系統的優越性，人們正在嘗試解決一些特殊的問題，即使解決這種問題要求的技術難度相對低，但可以表明量子卓越的潛力。這方面最知名的事例是玻色采樣問題。玻色采樣本身是一個＃P困難問題（這是一類比NP完全問題更難的問題），用精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后都難以估算）。但借助量子元件，人們可以有效地求解。雖然求解此問題不須要復雜的門操作，也不須要編碼，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。另一個很重要的事例是所謂的量子霸權（）問題，這是為超導系統量身定制的問題。在量子比特超過５０的情況下，超導系統的估算能力將超過現有的超級計算機，D-Wave公司和微軟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未能實現的情況下，量子模擬借助較小規模的可控量子系統來實現一些我們用常規的方式難以或很難實現的化學現象，從而達到研究它們的目的。非常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。量子模擬搭建了數學理論和化學現象之間的橋梁。
量子多體關聯系統是數學學中最重要也是最困難的問題之一。對于這樣的問題量子傳輸速度，我們沒有辦法進行解析求解，甚至不能進行數值求解，已知的數值方式（如密度矩陣重整化技巧、蒙特卡羅方式）對好多問題都未能給出可靠的結果。但是好多很重要的化學現象（如低溫超導）與多體強關聯有密切的關系，量子模擬提供了研究這些系統的一個新的工具。非常是基于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系統的喀什頓量（如Bose-系統的喀什頓量），從而研究這個喀什頓量控制下的化學過程。目前，這個方式已取得了巨大的成功。
不僅模擬在匯聚態化學系統中已有的數學系統外，量子模擬還可以研究在常見的匯聚態中難以或很難研究的系統，例如載流子軌道耦合帶來的新現象、二維多體局域化等。不僅匯聚態化學中的問題，量子模擬還可以拿來對量子熱學基礎、黑洞化學和量子場論中的一些問題進行模擬。在離子阱系統中，人們模擬了規范場中的數學；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。對這種問題的研究級大地擴充了量子模擬的應用范圍。
隨著量子操控技術的進步，人們將就能設計并模擬各類不同的喀什頓量，從而研究其中的數學。
４．量子傳感器和精密檢測
對化學量的精確檢測除了有助于更深層次的數學學規律的發覺（例如微波背景幅射的各向異性），更有其應用上的需求。量子技術的發展促使人們可以對好多化學量的檢測獲得比精典方式更高的精度。在理論上，人們早已提出了一系列提升量子檢測精度的新方式。
時間是最重要的數學量，人類對時間精度的提升貫串整個人類史。借助量子新技術人們可以將時間的檢測標準達到前所未有的新高度。瓦恩蘭（）等在實驗上借助離子阱中兩個糾纏的離子，將時鐘標準的精度增強到了10－18。借助軟禁的原子陣列，時間檢測精度還可以進一步提升，甚至可以借助它來直接偵測引力波和暗物質。假如借助多個拘禁在不同離子阱中的離子，假定它們處于GHZ態，并把不同的離子阱分布到空間中不同的地方，就可以極大地提升GPS的精度。
通常來說，數學系統總是遭到噪音的影響，因此，我們對化學量的檢測精度總是遭到噪音的限制。量子技術表明，我們可以借助NooN態來壓縮噪音的影響，從而達到海森堡極限。
另一方面，量子態本身是很脆弱的，它極易遭到環境的影響。基于量子態對環境的敏感性，可以借助量子系統來對個別變化進行偵測，這些應用就是量子傳感器。借助金鋼石色心早已實現了對微小磁場的檢測，并達到了極高的精度。量子傳感器和精密檢測早已處于應用的前夜。
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，但是在個別方面才能領先國際水平，但各個方向發展不平衡。具體地說，我們在量子通訊方面的技術代表了國際最高的水平，非常是在實用化的量子秘鑰分配方面。但在核心的量子中繼方面還須要有新的技術突破。在量子模擬方面最近也能與國際水平同步，非常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。在金鋼石色心的量子傳感器研究中也處于領先水平。但是，在量子估算和量子精密檢測方面我們與國際最高水平之間有不小的差別，這兩方面都須要常年的資金支持，須要有一個積累的過程。那些年，國外這兩方面的研究水平也在迅速提升，已舉辦離子阱系統、約瑟夫森結系統、金剛石色心和量子點系統的量子估算研究。離子阱、金剛石色心和超冷原子中的精密檢測工作也正在舉辦。
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于取得巨大突破的前夜，個別單元技術已處于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涌現。下邊我們按不同的方向來闡釋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建立、設備無關通訊方案的提出、通信安全性的進一步研究及光子偵測效率的提升，量子秘鑰傳輸的速度和系統的可靠性都已滿足基本的應用要求。量子秘鑰分配在城域網范圍（100千米）內已處于商業化應用階段，正在迅速地建立其相關的設備。
對遠程的地面量子密碼，可信中繼方案并不令人滿意。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訊研究的核心問題。作為量子中繼的關鍵問題之一的量子儲存也會是競爭最激烈的方向。隨著新的儲存方案（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。為進一步提升傳輸效率，未來幾年人們將開始研究基于容錯的二代和三代量子中繼，從而提供可實用化的量子中繼。另一個可能的長程量子通訊方案基于自由空間中的星地傳輸。我國已發射了“墨子”衛星，完善了相關的實驗平臺，未來這方面的研究將會進一步深化，人們將更清楚這兩種不同的方案的優劣點，并能混和這兩種方案建立全球性的量子密碼網路。
２．量子估算
量子估算在不同的幾個化學系統中已取得了巨大的進展，已處于取得重大突破的前夜。量子估算的研發早已吸引了大量的商業化公司（微軟、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類計劃，加強投入。可以預見，量子計算機研發的競爭將愈發白熱化。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估算中的優劣點將進一步明晰，實現量子估算的數學系統將進一步明晰、集中。
可擴充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。離子阱系統和芯片技術相結合，也為可擴充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于領先地位，量子門操作精度均已超過普適量子估算所需的閥值。基于這兩個系統的可擴充的量子計算機構架原型也早已提出來了（大小堪稱籃球場）。研究更經濟和便于實現的構架，怎樣借助數學系統本身特點而設計更高效、閾值更高的編碼等，都是未來重要的研究課題。
在拓撲量子估算方面，通過模擬，人們在未來幾年才能對拓撲估算的基本性質進行深入的研究。通過進一步設計和優化基于馬約拉納零模的設計，解決準粒子污染（）問題，提升其操作性能。未來５年有可能實現基于拓撲比特的各類門操作。人們將研發新的制備和實現拓撲量子比特的方式，非常是能進行普適量子估算的拓撲態（如任意子）。
在未來5年，人們將實現超過50個量子比特的量子設備，從而在玻色采樣和量子霸權問題上驗證量子估算的優越性，其性能在這種特定問題上完全趕超現有的所有精典估算設備。
３．量子模擬
量子模擬將用于解決更多特定的問題，其強悍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匯聚態系統中難以求解的問題被模擬研究，量子模擬器會成為研究化學問題的強悍工具。
４．量子傳感器和精密檢測
量子傳感器技術日漸成熟并商業化。借助量子技術提升各類偵測的精度，比如人們將借助增強的時鐘標準來提升GPS的定位精度。借助量子技術來檢測其他化學現象量子傳輸速度，例如相對論效應。
基于量子信息帶來的顛覆性，但是如今這種技術都處于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。英國國防部和國家科學基金會都對量子信息技術給與了非常支持；歐共體發表了《量子宣言》，促使量子通訊、量子模擬、量子傳感器和量子估算這四方面的中常年發展，以實現原子量午時鐘、量子傳感、城際量子網路、量子模擬器、量子互聯網和通用量子計算機等重大技術的突破與應用；日本先后發布《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新藍圖；美國、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、微軟和微軟公司很早就在量子信息技術方面布局，最近更是加強了這方面的投入。在各國政府和企業的支持下，最近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征兆。我國在量子信息方面也有常年的投入，但總體規劃還須要進一步加大。
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．強化量子信息技術發展的規劃性
因為國家對量子信息技術發展的高度注重，各個校區和地方政府都在新建各類量子中心和研究所，這導致了大量的重復建設。現階段量子信息技術，非常是量子計算機依然處于基礎研究的階段，并且高度專業化，須要有長時間的積累才有可能作出創新型成果。好多中學和機構并不具有相關的經驗和能力，盲目重復建設勢必會導致資源的極大浪費。再者，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彰顯。
２．加強對量子熱學基礎研究的投入
盡管量子熱學基礎本身不會直接形成顛覆性的技術，但它是量子信息的基礎，沒有對量子熱學的深入認識，量子信息技術就是無根之木、無源之水。現階段，你們的有必要的投入支持。
３．對量子估算的研究須要穩定持續的投入支持
如前文所述，量子估算一直處于基礎研究的階段，但是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別。而這方面的發展須要勤于的長時間積累，可能很長時間內未能獲得重要的原創性成果，因而常年穩定的支持對量子估算的發展至關重要。
４．變革建立考評評價機制
如前所說，我國在量子信息各個方面的發展并不均衡，有的方面已步入實用化階段，有的還處于基礎研究階段。須要用不同的考評和評價機制來有效地調動不同研究方向的積極性。
５．建立協同機制
量子信息科學早已囊括了從基礎研究到商業產品的整個鏈條，因而須要不同專業、不同領域的人才協同合作才有可能取得突破性進展。建立的協同機制是合作成功的重要前提。
本文摘編自中國科大學編《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》。