本文选定了《2017科学发展报告》中科学展望部份，郭光灿韩永建史保森撰写的《量子信息科学发展展望》。
量子信息学是量子热学与信息学等学科相结合而形成的新兴交叉学科。量子信息的信息载体是微观量子态，量子态本身的操控满足量子热学基本原理，因此量子信息的编码、操控、传输和解码都与传统的精典信息学存在巨大差别。在精典信息学中，信息的操作仍然满足精典热学的规律。利药量子力学的特殊性质，量子信息技术可以拥有比相应精典技术更强悍的能力。基于量子信息技术可以实现绝对安全的量子通讯，也可以解决精典计算机无法完成的估算困局。量子信息技术代表了未来信息技术发展的战略方向，是世界各国展开激烈竞争的下一代安全通讯体系的焦点，并极有可能对人类社会的经济发展形成无法估量的影响。
虽然在２０世纪七八十年代，包括费曼（R．）、贝内特（C.H.）、多伊奇（D.）等就提出了有关量子信息的构想，但量子信息学作为一个重要学科方向引发学术界和各国政府高度注重是在1993年知名的Shor算法提出然后。基于量子热学基本原理，采用Shor算法可以在方程时间内实现大数因式分解（而在精典算法中迄今无法发觉方程算法，甚至有人觉得这样的算法根本不存在），这直接恐吓到了人们广泛使用的RSA私钥密码体系的安全性，从那以后人们开始旨在于建立量子计算机和举办新型密码系统的研究。随着20多年的深入研究，量子信息科学早已发展成为一个多学科交叉，对国家安全、国防军事、产业经济等领域都具有潜在颠覆性作用的研究方向。
量子信息学研究进展
迄今，量子信息学的研究范畴早已被极大地扩充，目前主要包括如下几个重要研究方向。
（１）量子密码与量子通讯：借助量子态实现信息的编码、传输、处理和解码，非常是借助量子态（单光子态和纠缠态）实现量子秘钥的分配。
（２）量子估算：借助多比特系统量子态的叠加性质，设计合理的量子并行算法，并通过合适的数学体系加以实现（通用量子估算）。
（３）量子模拟：在通用的量子计算机难以实现的前提下，借助现阶段早已可以挺好控制的小规模的量子系统来实现一些在其他系统中无法实现的化学现象演示（专用量子估算）。
（４）量子传感器：借助量子系统状态对环境的高度敏感性，对我们感兴趣的特定参数进列宽灵敏度侦测。
（５）量子计量：借助特定量子态（如NooN态、GHZ态、压缩态等）的强关联性质将噪音对系统的影响减少，从而实现系统的高精度测度。
近些年来人们在以上研究方向均实现突破，取得了重要的成果，下边我们分别论述以下几个重要研究方向的问题和进展。
１．实用化的量子密码系统研究
常用密码体系的安全性由物理复杂性决定（如RSA私钥密码体系就是基于大数因式分解这一物理困局建立的），这些密码体系存在被破译的可能，并非绝对安全可靠。而量子密码体系的安全性由基本数学原理保证，因此可以实现绝对安全的信息传递。量子秘钥分发是量子密码体系的核心，是目前量子通讯研究最成熟、也是最接近实用化的一个研究方向。近些年来世界各国举办了面向实用化的示范性局域网、广域网的建立研究，取得了许多重大进展。
光子是天然的量子信息载体，非常适宜于远距离的量子信息传输。因此，实现量子通讯的关键问题是怎样把加载信息（或用于构建秘钥）的光子从一个地方高速地传输到足够远的另一个地方。因为传输信道（如光纤或大气）本身的特点，光子将不可防止地因各类诱因（如散射、吸收等）丢失，且随着传输距离的降低，这些衰减呈指数下降。因此单光子的有效传输距离遭到极大的限制。解决这个问题的关键就是引入量子中继，这是当前量子通讯和量子密码系统研究的核心问题。
为了解决单光子随距离指数衰减的问题，量子中继方案的核心思想是将构建长程量子纠缠对的困局改为先构建一系列近程量子纠缠对，之后再借助纠缠交换的方式来拓展距离，从而达到完善远距离量子纠缠对的目的。要实现量子中继的方案并不容易，首先要就能快速构建短距离的量子纠缠对，这须要迅速形成大量的纠缠对；其次，短距离量子纠缠对的完善是机率性成功的，而纠缠交换时须要两对纠缠对要同时存在，因此必须须要一个按需（on-）的量子储存器。并且纠缠交换的操作对量子侦测器的效率也有极高的要求，量子中继的成功机率强烈地依赖于它。此外因为操作偏差和环境影响，完善的近程纠缠对可能并不纯，下一步使用之前须要对其进行提纯，这须要消耗大量纠缠对。由此可见，要研发成功可实用化的量子中继对一些核心量子元件（如量子储存器、量子侦测器等）的关键指标（如效率）都有极高的要求。近些年来，在相关的关键技术方面都取得了长足的进展：量子储存在不同的数学系统中都取得了重要进展，如固体储存系统中的量子相干性已可以保持６小时，而冷原子系综中量子态的储存时间也已达到百微秒量级。那些重要进展为最终实现可用的量子中继，从而实现远距离的量子通讯打下了坚实基础。在未来相当长的时间内，实现量子中继都将是一个具有挑战性的目标。
假如可以实现这类相对简单的量子中继方案，这么怎么提升量子通讯的传输速度是另一个重要的问题。这类中继方案中涉及的纠缠纯化、信息的来回传输都将极大地限制信息的传输速度。为了达到较高信息传输速度，如１兆比特／秒（M／s）以上，这时一般的量子中继方案将不再适用，而基于量子纠错的量子中继方案将起着关键性的作用。为此，基于量子纠错的量子中继在未来也是一个研究重点。
虽然目前还没有可用的量子中继方案，但借助现阶段的量子通讯技术早已可以实现城域网量子保密通讯（如南京、芜湖等地建立的政务网）。量子秘钥可以通过单光子的量子态来传输（量子纠缠并非不可或缺）。在这一方案中，单光子源的品质对量子通讯的传输有重要影响。到目前为止，提取效率66％、单光子性优于99％的单光子源也已实现，这早已才能满足城域网范围内的量子通讯要求。我国在实用化的量子秘钥分配方面推动了国际水平。
在局域网建立方面，中国科学技术学院潘建伟教授团队于2012年在南京实现了由6个节点构成的城域量子网路。该网路使用光纤约1700千米，通过6个接入交换和集控站联接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。由郭光灿教授领衔的中国科大学量子信息重点实验室团队在2005年就早已在商用的光纤上实现了上海与南京之间125千米的量子秘钥传输实验，并于2012年在标准联通光纤中完成了260千米量子秘钥分发实验（系统工作频度为2吉赫），2014年建设了合（肥）巢（湖）芜（湖）量子广域示范网。该网路通过中国联通的商用光纤联接西安、巢湖、芜湖三个城市，其中杭州局域网由5个节点组成，合肥1个节点，扬州3个节点。实地光纤总长超过200千米，全网运行时间超过5000小时，是目前有公开学术报导的国际同类网路中规模最大、距离最长、测试时间最长的网路之一，也是首个广域量子秘钥分配网路。发展更高传输率、更稳定的城域量子通讯网路，以及更长距离广域网，仍是量子通讯实用化的重要问题。现阶段，我国正在构建上海—上海的沪宁量子通讯总干线。这套系统目前是基于可信中继构建的：在沪宁之间设置多个可信中继站点，在每位站点将量子信息转变为精典信息，再重新编码为量子信息并传输到下一个站点，因而实现远程量子态传输。基于引诱态的量子秘钥分配可以实现百千米量级的传输距离且无需单光子源或纠缠光源，并且这些秘钥分配方案与量子中继不兼容，故进一步提高其传输距离的方案仍不明晰。
在没有量子中继可用的前提下，实现远程量子通讯的另一个可能方案是基于自由空间传输的量子通讯，这也是一个十分重要的研究方向。日本苏黎世学院的科研小组举办了飞行物体与固定基站之间的量子通讯研究，于2013年首次实现了一架盘旋飞行中的客机与地面站之间的量子秘钥分发。客机的飞行速率为290千米／时，与地面站之间的距离为20千米。2012年，加拿大维也纳学院的研究团队在加那利群岛中相距147千米的两个小岛之间（特内里费岛和拉帕尔中途岛）实现了量子隐型传态，两个节点之间的空间距离与月球近地轨道和地面站之间的距离相比拟。近些年来，我国在此领域也取得了一系列重要进展，处于世界领先水平。诸如，2012年在湖南湖借助地基实验模拟星地之间的通讯，实现了百千米级的量子隐型传态和单向纠缠分发；2016年，中国发射了量子科学实验卫星“墨子号”，为星地之间自由空间的秘钥分配（量子通讯）打下了基础。卫星和地面之间量子通讯的原理性验证也正在进行当中。
２．可扩充的容错量子估算
实现大规模的量子估算是量子信息技术最重要的目标，同时也是巨大的技术挑战。在过去的10年中，人们在理论方面做了大量的工作，提出了好多新的理论和技巧，提升了实现量子估算的可能性，非常是容错量子估算的证明极大地提升了量子估算的可行性。在理论上实现量子估算已没有原则性的障碍，人们甚至早已开始设计大规模量子估算的芯片构象。
理论上人们早已证明了阀值定律。只要我们对量子系统操作的精度超过一定的限制（例如偏差高于10－5），虽然存在噪音的影响和操作偏差，也能通过量子编码和纠错操作得到正确的估算结果。其实，在具体的估算中，依照估算规模和编码的不同，须要的阀值也不同，对某个具体问题的操作精度没有阀值定律设定的要求这么高。通常来说，估算的时间越长、计算规模越大、编码层数越多，对阀值的要求也越高。人们总是希望通过改进编码的方法以获得更高的阀值，从而减少实验实现的难度。人们发觉通过引入拓扑编码可以有效减少操作的难度，提升阀值。借助表面码（code）编码（这是平面码，对微纳加工有益处），估算的阀值可以提升到1％的量级。假如使用拓扑保护的马约拉纳（）零模作为编码方法，容错的阀值甚至可以提升到14％。找寻阀值更高、更易于实现、更高效的量子编码一直是未来一段时间内量子估算理论中的重要问题，非常是针对特定的实验系统的编码。
满足量子操作的阀值条件是实现普适量子估算的核心前提。在过去的若干年中，基于不同化学体系的实验都取得了长足的进步，非常是在离子阱系统和约瑟夫森结超导系统中。在这两个系统中，单比特操作和两比特操作的精度都早已达到和超过了实现容错量子估算的阀值要求（逻辑门的保真度都超过了99.9％）。实验研究的下一步目标是听到量子编码的容错性。基于离子阱系统的实验中早已听到了量子容错的征兆，这是走向普适容错量子估算的关键步骤。
目前，量子计算机的实现存在两个不同的路径。大部份化学系统（离子阱、部分超导系统、量子点、金刚石色心系统等）都是在先保障量子性的基础上逐步扩大系统，从而实现普适的量子估算。怎样在保障纠缠的基础上实现可扩充是当前遇见的主要问题。可扩充性涉及估算模型（例如分布式估算）以及化学构象设计等一系列的问题。另一条是以日本D-Wave公司为代表的超导系统，首先考虑实现系统的可扩充。如今该公司早已就能控制512个量子比特（甚至更多），并能借助它实现绝热算法。其实这个系统的量子性以及它是否能赶超精典的计算机还存在巨大的争议，但其无疑增强了人们对实现可扩充量子估算的信心。须要强调的是D-Wave公司的计算机并不是普适的量子计算机，它是为特定算法而设计的。
实验方面还非常值得一提的是有关马约拉纳零模的实验进展，目前大量的实验证据都支持它的存在。具有非阿贝尔交换特点的马约拉纳零模是实现拓扑量子估算的理想载体，借助它来做量子比特可以获得极高的阀值，不同比特之间的操作只须要实现不同马约拉纳零模的交换即可。但是在固态系统中实现可控的马约拉纳零模交换是一件很困难的事情，这须要发展新的实验技术。
针对个别特定问题的研究对量子操控的要求并没有对普适量子估算的要求高。为了彰显量子系统在解决问题方面相对于精典系统的优越性，人们正在尝试解决一些特殊的问题，即使解决这种问题要求的技术难度相对低，但可以表明量子卓越的潜力。这方面最知名的事例是玻色采样问题。玻色采样本身是一个＃P困难问题（这是一类比NP完全问题更难的问题），用精典的计算机很难处理（即使用我国运算能力最强的“天河二号”超级计算机，在光子数超过50后都难以估算）。但借助量子元件，人们可以有效地求解。虽然求解此问题不须要复杂的门操作，也不须要编码，相对容易实现，但它对单光子光源有很高的要求，人们正在为实现这一目标而努力。另一个很重要的事例是所谓的量子霸权（）问题，这是为超导系统量身定制的问题。在量子比特超过５０的情况下，超导系统的估算能力将超过现有的超级计算机，D-Wave公司和微软公司正在为实现这一目标而努力。
３．量子模拟
在现阶段普适的量子计算机还未能实现的情况下，量子模拟借助较小规模的可控量子系统来实现一些我们用常规的方式难以或很难实现的化学现象，从而达到研究它们的目的。非常是在离子阱系统和光晶格系统中，量子模拟都取得了巨大的成功。量子模拟搭建了数学理论和化学现象之间的桥梁。
量子多体关联系统是数学学中最重要也是最困难的问题之一。对于这样的问题量子传输速度，我们没有办法进行解析求解，甚至不能进行数值求解，已知的数值方式（如密度矩阵重整化技巧、蒙特卡罗方式）对好多问题都未能给出可靠的结果。但是好多很重要的化学现象（如低温超导）与多体强关联有密切的关系，量子模拟提供了研究这些系统的一个新的工具。非常是基于光晶格系统的量子模拟。在此系统中，人们通过操控实现一些特定的强关联系统的喀什顿量（如Bose-系统的喀什顿量），从而研究这个喀什顿量控制下的化学过程。目前，这个方式已取得了巨大的成功。
不仅模拟在汇聚态化学系统中已有的数学系统外，量子模拟还可以研究在常见的汇聚态中难以或很难研究的系统，例如载流子轨道耦合带来的新现象、二维多体局域化等。不仅汇聚态化学中的问题，量子模拟还可以拿来对量子热学基础、黑洞化学和量子场论中的一些问题进行模拟。在离子阱系统中，人们模拟了规范场中的数学；在光学系统中，人们模拟了PT对称世界，研究了PT理论与信息不超光速传播的相容问题；在光学系统中，人们还研究了黑洞中的光传播行为。对这种问题的研究级大地扩充了量子模拟的应用范围。
随着量子操控技术的进步，人们将就能设计并模拟各类不同的喀什顿量，从而研究其中的数学。
４．量子传感器和精密检测
对化学量的精确检测除了有助于更深层次的数学学规律的发觉（例如微波背景幅射的各向异性），更有其应用上的需求。量子技术的发展促使人们可以对好多化学量的检测获得比精典方式更高的精度。在理论上，人们早已提出了一系列提升量子检测精度的新方式。
时间是最重要的数学量，人类对时间精度的提升贯串整个人类史。借助量子新技术人们可以将时间的检测标准达到前所未有的新高度。瓦恩兰（）等在实验上借助离子阱中两个纠缠的离子，将时钟标准的精度增强到了10－18。借助软禁的原子阵列，时间检测精度还可以进一步提升，甚至可以借助它来直接侦测引力波和暗物质。假如借助多个拘禁在不同离子阱中的离子，假定它们处于GHZ态，并把不同的离子阱分布到空间中不同的地方，就可以极大地提升GPS的精度。
通常来说，数学系统总是遭到噪音的影响，因此，我们对化学量的检测精度总是遭到噪音的限制。量子技术表明，我们可以借助NooN态来压缩噪音的影响，从而达到海森堡极限。
另一方面，量子态本身是很脆弱的，它极易遭到环境的影响。基于量子态对环境的敏感性，可以借助量子系统来对个别变化进行侦测，这些应用就是量子传感器。借助金钢石色心早已实现了对微小磁场的检测，并达到了极高的精度。量子传感器和精密检测早已处于应用的前夜。
我国在量子信息领域的研究起步较早，基本能做到与国际同步，但是在个别方面才能领先国际水平，但各个方向发展不平衡。具体地说，我们在量子通讯方面的技术代表了国际最高的水平，非常是在实用化的量子秘钥分配方面。但在核心的量子中继方面还须要有新的技术突破。在量子模拟方面最近也能与国际水平同步，非常是光学系统的量子模拟、NMR系统和冷原子光晶格系统中的工作。在金钢石色心的量子传感器研究中也处于领先水平。但是，在量子估算和量子精密检测方面我们与国际最高水平之间有不小的差别，这两方面都须要常年的资金支持，须要有一个积累的过程。那些年，国外这两方面的研究水平也在迅速提升，已举办离子阱系统、约瑟夫森结系统、金刚石色心和量子点系统的量子估算研究。离子阱、金刚石色心和超冷原子中的精密检测工作也正在举办。
量子信息科学的发展前景
经过对量子信息科学20多年的投入和研究，目前量子信息技术处于取得巨大突破的前夜，个别单元技术已处于实际应用的初始阶段。未来若干年，量子信息技术研究触发的相关技术和科学进步将不断涌现。下边我们按不同的方向来阐释可能的突破和发展前景。
１．量子密码
随着单光子源技术的不断建立、设备无关通讯方案的提出、通信安全性的进一步研究及光子侦测效率的提升，量子秘钥传输的速度和系统的可靠性都已满足基本的应用要求。量子秘钥分配在城域网范围（100千米）内已处于商业化应用阶段，正在迅速地建立其相关的设备。
对远程的地面量子密码，可信中继方案并不令人满意。为实现绝对安全的信息传输，量子中继将不可或缺，可实用化的量子中继器研究将成为量子通讯研究的核心问题。作为量子中继的关键问题之一的量子储存也会是竞争最激烈的方向。随着新的储存方案（多模式）和实验技术的进一步发展，未来5年有可能实现第一代的量子中继。为进一步提升传输效率，未来几年人们将开始研究基于容错的二代和三代量子中继，从而提供可实用化的量子中继。另一个可能的长程量子通讯方案基于自由空间中的星地传输。我国已发射了“墨子”卫星，完善了相关的实验平台，未来这方面的研究将会进一步深化，人们将更清楚这两种不同的方案的优劣点，并能混和这两种方案建立全球性的量子密码网路。
２．量子估算
量子估算在不同的几个化学系统中已取得了巨大的进展，已处于取得重大突破的前夜。量子估算的研发早已吸引了大量的商业化公司（微软、IBM、微软等公司）的投入，各国政府也针对量子计算机研究推出了各类计划，加强投入。可以预见，量子计算机研发的竞争将愈发白热化。随着研究投入和更多的科学家的加入，不同量子系统在量子估算中的优劣点将进一步明晰，实现量子估算的数学系统将进一步明晰、集中。
可扩充问题是量子计算机现阶段面临的主要障碍。固体系统（如超导系统和量子点系统）在这方面具有天然的优势。离子阱系统和芯片技术相结合，也为可扩充性的解决提供了可能。就现阶段的实验操控技术水平而言，离子阱系统和超导系统处于领先地位，量子门操作精度均已超过普适量子估算所需的阀值。基于这两个系统的可扩充的量子计算机构架原型也早已提出来了（大小堪称篮球场）。研究更经济和便于实现的构架，怎样借助数学系统本身特点而设计更高效、阈值更高的编码等，都是未来重要的研究课题。
在拓扑量子估算方面，通过模拟，人们在未来几年才能对拓扑估算的基本性质进行深入的研究。通过进一步设计和优化基于马约拉纳零模的设计，解决准粒子污染（）问题，提升其操作性能。未来５年有可能实现基于拓扑比特的各类门操作。人们将研发新的制备和实现拓扑量子比特的方式，非常是能进行普适量子估算的拓扑态（如任意子）。
在未来5年，人们将实现超过50个量子比特的量子设备，从而在玻色采样和量子霸权问题上验证量子估算的优越性，其性能在这种特定问题上完全赶超现有的所有精典估算设备。
３．量子模拟
量子模拟将用于解决更多特定的问题，其强悍的模拟能力将会被进一步展示。在冷原子光晶格系统和离子阱系统中会有更多在汇聚态系统中难以求解的问题被模拟研究，量子模拟器会成为研究化学问题的强悍工具。
４．量子传感器和精密检测
量子传感器技术日渐成熟并商业化。借助量子技术提升各类侦测的精度，比如人们将借助增强的时钟标准来提升GPS的定位精度。借助量子技术来检测其他化学现象量子传输速度，例如相对论效应。
基于量子信息带来的颠覆性，但是如今这种技术都处于应用或取得重大突破的前夜，各国政府和商业界都积极参与其中。英国国防部和国家科学基金会都对量子信息技术给与了非常支持；欧共体发表了《量子宣言》，促使量子通讯、量子模拟、量子传感器和量子估算这四方面的中常年发展，以实现原子量午时钟、量子传感、城际量子网路、量子模拟器、量子互联网和通用量子计算机等重大技术的突破与应用；日本先后发布《量子技术国家战略———英国的一个新时代》和《量子技术路线图》，为国家的量子技术发展提供了新蓝图；美国、澳大利亚、加拿大等国也在量子信息技术方面有重大布局。IBM、微软和微软公司很早就在量子信息技术方面布局，最近更是加强了这方面的投入。在各国政府和企业的支持下，最近量子信息技术取得了巨大的进展，各方面都显示出有新的突破征兆。我国在量子信息方面也有常年的投入，但总体规划还须要进一步加大。
对我国量子信息科学发展的建议
对我国量子信息未来的发展有如下的建议。
１．强化量子信息技术发展的规划性
因为国家对量子信息技术发展的高度注重，各个校区和地方政府都在新建各类量子中心和研究所，这导致了大量的重复建设。现阶段量子信息技术，非常是量子计算机依然处于基础研究的阶段，并且高度专业化，须要有长时间的积累才有可能作出创新型成果。好多中学和机构并不具有相关的经验和能力，盲目重复建设势必会导致资源的极大浪费。再者，量子信息技术各个方面发展的不均衡性也应在规划中得到彰显。
２．加强对量子热学基础研究的投入
尽管量子热学基础本身不会直接形成颠覆性的技术，但它是量子信息的基础，没有对量子热学的深入认识，量子信息技术就是无根之木、无源之水。现阶段，你们的有必要的投入支持。
３．对量子估算的研究须要稳定持续的投入支持
如前文所述，量子估算一直处于基础研究的阶段，但是我国在这方面的研究积累较少，无论在理论还是实验方面与国际最好水平都有较大的差别。而这方面的发展须要勤于的长时间积累，可能很长时间内未能获得重要的原创性成果，因而常年稳定的支持对量子估算的发展至关重要。
４．变革建立考评评价机制
如前所说，我国在量子信息各个方面的发展并不均衡，有的方面已步入实用化阶段，有的还处于基础研究阶段。须要用不同的考评和评价机制来有效地调动不同研究方向的积极性。
５．建立协同机制
量子信息科学早已囊括了从基础研究到商业产品的整个链条，因而须要不同专业、不同领域的人才协同合作才有可能取得突破性进展。建立的协同机制是合作成功的重要前提。
本文摘编自中国科大学编《2017科学发展报告》第一章郭光灿韩永建史保森撰写文章《量子信息科学发展展望》。