日前，爱思唯尔云论坛暨络绎学术Online 第五期线上成功举办，我们与 Elsevier（爱思唯尔）一同为大家呈现量子信息技术的发展与创新。本次论坛由爱思唯尔中国区核心内容总经理应仲丰主持，特邀清华大学教授、北京量子信息科学研究院兼聘科研副院长龙桂鲁教授，中科院物理所研究员、中国科学院大学岗位教授范桁，以及爱思唯尔核心内容客户顾问许靖博士，为我们深入浅出地介绍量子信息的基础知识，重点报告量子计算、量子通信的国内外主要进展，并分享他们近期的最新研究工作。 我们将本次论坛的重点内容与量子科技的基本内容和发展概况结合，在理解和探讨的基础上对量子科技、量子通信和量子信息科技影响的九大行业进行了知识回顾和内容拓展，邀请各位和我们一同再次进入量子信息科技的世界。

　　令人心动的量子科技

　　量子科技是现代信息技术的量子加强版。量子信息科学包括量子计算、量子通信和量子精密测量三大研究领域。随着科研水平的提高，人们对量子科技的关注度也持续上升，资本市场对量子科技的热切关注亦有增不减。据科技市场情报研究机构 CB Insights 数据显示，过去几年内资本市场中对量子科技领域的投资热情不减，历年交易数量呈持续上升的趋势。

　　在成功完成融资的交易中，处在天使轮、种子轮和 A 轮的企业比较多。高活跃度的投资机构有 Threshold Ventures 、Quantonation 和 Founders Fund。其中 Threshold Ventures 正是 D-Wave 的投资方。

　　在近五年融资事件中，美国的数量占比仍然是比较高的。中国正在奋力赶上，也在全球处于前列的水平。值得注意的是，研究机构 Valuenex 对量子技术相关专利的分析显示，目前中国已拿下超 3000 项量子技术相关专利，专利数量规模全球领先，大约是美国的两倍。近日以色列也向外界公布以色列将计划建造其第一台量子计算机。各国纷纷布局量子科技，未来的量子科技研究成果或将呈现爆发式增长。

　　“最强大脑”量子计算

　　了解量子信息科学、掌握基础知识是我们揭开量子计算神秘面纱的第一步。在论坛的第一部分，范桁教授为我们分享了量子计算相关的研究成果，为我们展现了量子计算的基本知识。 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。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。

　　从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。 量子计算和传统计算相比，具备显著的优势。这是因为量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特（QUBIT）能够同时表示二进制中的 0 和 1，从而相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性 (Quantum Supremacy) ”。在这个过程中，我们要牢记量子信息科学的三个基本属性：叠加、纠缠和干涉。 传统计算机的运算和量子计算机的计算过程相比是较简单的。在传统计算机进行展示数据、处理数据和控制数据流的过程中，计算机芯片发挥着重要的最用。逻辑门是计算机芯片的重要组成部分，主要由晶体管构成。晶体管是计算机能够处理数据的最基本的单元，它的功能类似于一个开关，科研用来阻挡或者允许信号通过。这些信号就组成了数据，也就是传统计算机中的 “比特 (BIT) ”。

　　在传统计算机的世界中，比特是 0 或 1 的存在。在量子计算机的世界中，量子比特是 0 且 1 的存在。打个比方，传统计算机的世界中，一个人只能选择向左或者向右转，而不同选择同时向两个方向旋转。但是在量子计算机的世界中，一个人可以在同时既向左转，也向右转。

　　传统计算机的原理就是利用通电、断电（或者说高电平、低电平）这两个状态来表示布尔代数中的逻辑真和逻辑假从而实现布尔运算，由于这个原因，设逻辑真为 1 和逻辑假为 0，这样就可以用计算机表示二进制的数字了。

　　基本的逻辑门有三种，AND（与）、OR（或）、NOT（非）。比如在 "AND" 这个逻辑门中，只有两个输入信号都为“1”的时候其输出为“1”，其它时候则输出为“0”。许多逻辑门组合到一起之后才能完成类似将两个数值相加这一更有意义的工作。这些运算都是基础的运算，所以传统计算机的运算过程也很像是组织了一群能够完成基本数学运算的小学生，在这群小学生的数量和组合足以大的时候，就可以进行更复杂的运算。 而实际上，晶体管其实是一个非常小的开关，一个普通的晶体管大小仅为 14 纳米。比血红细胞还要小 500 倍。

　　从微观上看，晶体管所控制的电流就是特定方向运动的一个个电子。而因为晶体管十分小，有的时候电子甚至可以直接通过一个已经关闭的开关。这个效应就是“量子隧道效应 (Quantum tunnelling effect) ”。在量子尺寸上，传统物理学和物理现象并不适用，符合量子物理学特征的量子计算机就成为了科学研究的重要课题。 量子计算机处理信息的方式与经典计算机完全不同。与晶体管不同，量子计算机中一个量子比特可以由任意二阶量子系统组成。比如一个同时具有磁场和自旋的系统，又或者是单一一个光子。这个二阶量子系统可以存在 0 和 1 两种状态，就如光子可以水平极化或者垂直极化。

　　在微观量子世界中，一个量子比特可以是几种不同量子态中的任意几种的归一化线性组合。这种状态被称为“量子叠加态”。但是一旦我们尝试通过光子探测器去确定它的值的时候，它又会立刻变化为水平极化或者垂直极化状态中的一种。所以只要量子比特不被探测，它就可以处于叠加态，也就是同时是 0 和 1，无法预测确定值。

　　在被探测的一瞬间，它就会变成两种状态中的一种。这样就带来了变革。传统比特表示的数据在某一个特定时间点是只能处于 2 的 4 次方种组合中的一种，也就是 16 种可能中的一种。但是对于叠加态的量子比特表示的数据来说，它可以同时处于这 16 种组合中的所有状态。每增加一位量子比特，能够表示的数据就呈指数倍增长。仅 20 位量子比特就已经可以同时表示数百万种不同的组合。

　　量子比特还具备了处于纠缠态的特性。这种联系会使得一个量子比特上发生的变化能够反应在另一个与之相关联的量子比特上。这意味着只要观察其中一个量子比特的状态，另一个量子比特的状态自然不言而喻。 量子的这些特性使得对于量子的操纵也成为了有趣的现象。普通的逻辑门由一组输入给出一个确定状态的输出。量子门则用于操纵处在叠加态的量子比特，改变这个量子比特被观察时可能出现的状态，并最终输出一个叠加态与之前不同的量子。因此，量子计算机会设置一些量子比特，并用量子门让它们处于纠缠态，并操纵它们各个状态出现的可能性。之后再通过观察它们使叠加态坍塌，这样就会出现可能输出序列中的一种。这便意味着多组不同的运算可以同时进行，最后的结果则会是预期结果中的一种。恰当利用量子纠缠态和叠加态会使得量子计算机的运算效率大大超过普通计算机。

　　从基础理论探索与算法研究时期到技术验证与原理样机研制时期，量子计算的发展经历了曲折的过程。随着科学研究的逐渐深入，人们意识到量子计算的实用价值，并将实现通用量子计算机作为现阶段科研的最终目标。

　　从“天方夜谭”到“百家赞许”，量子计算经历了曲折的发展过程，在科学研究的逐渐深入中获得了必要性和可行性的认证。人们对量子计算的认知逐渐深入，并意识到这一技术的广泛实用前景。

　　要实现这一目标，就必须解决量子比特数和相干时间这两个硬件指标的技术问题。量子比特数越高意味着量子计算机能够支持更大数字参与运算，单次运算处理的信息量越大。在范桁教授的分享中，他也指出 “量子计算的发展目标是实现超过 100 个量子比特通用量子计算机原型机”。相干时间则是指量子比特维持量子叠加态的时间，相干时间越长意味着能够对其进行更为复杂的运算，支持更复杂的算法。

　　目前超导量子计算机最长相干时间为 100μs，这还不足以满足商用需求。 除此之外，量子算法对量子计算机解决问题的范围的影响也至关重要。目前仅有 Shor、Grove 等少量量子算法可以解决破解密码里常用的质因数分解、无序库搜索等问题，可用于人工智能的量子算法还不是很多。

　　第二次量子革命正在赶来，超导和光量子计算展示量子优势

　　第一次量子革命产生了核弹、激光、晶体管，第二次量子革命正在路上，人类现有的生产和生活方式将受到改变，世界格局也将在量子竞争中改写。在这一过程中，物理极限的突破和物理体系潜能的发挥至关重要，超导量子计算技术和光量子计算技术也浮出水面，向我们展示着量子优势。

　　超导量子计算

　　超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。约瑟夫森结，又称为超导隧道结，由两个通过绝缘体连接的超导体组成，由于量子隧道效应，可以维持超电流而无需任何电压。

　　超导量子计算技术可以用超导体的电荷、相位和磁通量三种方式来形成量子比特，目前普遍用电荷 (transmon) 的方式，IBM 与 Google 的 53 位比特量子计算机皆采取此种技术。在中国，中科院、中科大、本源量子、浙江大学等在此技术上均有布局。 超导量子计算具有量子比特可控性强、拓展性良好的特点。超导量子计算需要满足超低温系统工作的条件，在目前的工艺水平下，超导量字计算可利用现有半导体微加工工艺制作电子器件。近年来，超导量子计算的发展较迅速。超导量子计算的比特的相干时间延长了 2 个量级及以上、量子逻辑门保真度提升到了 99.4% 以上、可调控的量子比特数目提升到了 20 个以上，能为量子云计算平台提供储备资源、包含超过 2000 个超导比特的 D-Wave 量子退火机面世。

　　光量子计算

　　光量子计算技术是将光子当成量子比特进行量子计算方案。光子有三个性质可以构成量子状态：自旋、偏振和路径。在量子通讯和量子计算中的光源都是单光子。路径是指光子经光子分离器  (photon splitter)  后因为量子机率的特性可能由不同方向行进。单一光子采取路径 A 就不会再走路径 B，反之亦然。然而在未量测之前我们无法得知光子采取哪一条路径，这就是两种状态的叠加。相对于电子来说，光子具有不带电荷（并行性）、没有静止质量（相对论规定的）、高速、信息存储强（它可以通过激光进行辐射，而传输密度可以非常巨大），此外光子也不会产生大量热量。在各种优势下，光量子计算技术成为量子信息科学研究的宠儿。 光量子技术具有量子比特相干时间长、操控简单、与光纤和集成光学技术相容、拓展性好的特点。但其缺陷在于很难小型化，量子比特之间逻辑操作困难，无法进行编程。从这个角度看，光量子技术难以发展为通用量子计算机。

　　在“量子优越性”之争中，光量子技术的发展确实引人注目。2020 年 9 月，中科院院士潘建伟教授宣布团队已经完成对 50 个光子的玻色取样，相比谷歌的“悬铃木”快 100 万倍。 随着“九章”的面世，中国首个 76 个光子的量子计算原型机向全球展示了中国量子力量。

　　不止是密码的量子通信

　　很多人会将“量子密码”和“量子通信”划等号，但这两者其实并不是一样的。在论坛的第二部分，龙桂鲁教授为我们分享了量子通信的原理、理论和发展，让我们看到了量子通信更广阔的世界。 量子通信泛指通过移动量子态来实现信号、信息和量子态的转移和传输的量子技术。

　　量子密钥分发

　　量子密钥分发（英语：quantum key distribution, 简称 QKD），是一种密钥的安全传输方式，可以在两个相距遥远的通信端之间进行密钥的发送。在保密通信的过程中，需要用密钥加密解密信息，密钥的安全性保证了信息的安全性。

　　理论上，量子密钥分发的安全性由量子力学的基本原理保证。量子不可克隆定理说明，无法完美克隆任意量子态。因此，任何对量子密钥分发过程的窃听，都有可能改变量子态本身，造成高误码率，从而使窃听被发现。一般来说，QKD 过程中对量子态的传输，是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的。

　　量子密集编码

　　量子密集编码（英语：quantum dense coding）。非线性的量子纠缠态来实现所谓的量子密集编码，从而增加单个光子携带的内容。其思路就是在光子的终极接收器 A 上都预备一对处于纠缠态的光子，并向发射器 B 传送其中之一。

　　自 Bennett 等人提出量子密集编码以后，量子密集编码引起了学者的广泛关注，目前已经有很多理论和实验的方案。受控密集编码与同时密集编码已成为编码领域的研究热点。在 Bennett 密集编码的基础上增加 1 个控制方的参与，进而诞生了受控密集编码方案的设计想法。同时密集编码是在密集编码的基础上，提出以 2 个纠缠的 EPR 对作为量子信道，1 个发送者多个接收者的编码方案。

　　量子密集编码的很多问题仍待讨论，但是科学研究取得的阶段性成果仍让我们对量子密集编码的前景充满信心。中国科学技术大学李传锋团队在自主研制的高品质三维纠缠源的基础上，进一步制备出偏振-路径复合的四维纠缠源，保真度达到 98% 。利用这种四维纠缠源首次成功识别了五类贝尔态，并实验演示了量子密集编码，一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了 2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限。

　　量子隐形传态

　　量子隐形传态 (Quantum teleportation)，又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息 (physical information) 的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。这是一种全新的通信方式，等价于量子密钥分发和后续密文传输，其中纠缠分发和 Bell 基测量部分相当于量子密钥分发，通过经典信道传输 Bell 态测量结果，单粒子操作与测量部分相当于密文传输，与量子密钥分发以及随后的密文经典通信相比并没有优势，也不是量子安全直接通信。这个过程好比是经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。 图 | 量子隐形传态量子电路示意图 近几十年，从最简单的 EPR 纠缠对开始，研究人员已经提出诸多可行的量子隐形传态方案。但由于工业制造和环境噪声等方面影响，实现信息 100% 的“复制”在量子隐形传态下并不能保证。因此，作为量子通信中的重要物理量，保真度的提高就成为了很多研究人员努力的方向。

　　量子直接通信

　　量子直接通信是近几十年发展起来的新兴学科, 它以量子态为信息载体, 利用量子力学的基本原理进行信息编码与传输。 与经典通信安全性依赖于计算复杂度的特点不同, 量子通信的安全性建立在物理原理上, 被证明是绝对安全的保密通信方法。量子安全直接通信改变了保密通信的体系结构，将现有保密通信的密钥分发和密文传输双信道结构改变为仅有一条量子直通信道的单信道结构，减少了泄露环节，提高了安全性。量子安全直接通信是对通信理论的发展，将基于 Shannon 信息论的噪声信道下可靠通信发展为基于 Wyner 搭线信道理论的噪声和窃听信道下安全和可靠通信。

　　清华大学联合团队在 2019 年完成了实用化的量子安全直接通信演示系统，实现了通信距离 1.5km、传输速率 50bit/s 的单光子相位编码量子安全直接通信，能在量子信道中直接传输文本、语音、图片等一定大小的文件。

　　在实验设置中，Bob 以两个具有相对相位的时间段的叠加将单个光子发送给 Alice，并且 Alice 随机从两个可能的任务中选择一个，检查错误或编码。两侧均由现场可编程门阵列 (FPGA) 控制，并且使用商用铌酸锂调制器实现四个单光子状态的操作。PM 相位调制器、 PC 偏振控制器、 PBS 偏振分束器、 ATT 衰减器、 CIR 光环行器、 FC 光纤耦合器、 SPD 超导纳米线单光子探测器，具有 70％的探测效率，100Hz 暗计数率和 50ns 复位时间、 PMFC 偏振保持滤波器耦合器、 FR 法拉第旋转器。（来源：Light-Science & Applications) 随着我国成功研制国际首台量子直接通信实用化样机的面世，人们对量子直接通信有了更多期待。量子直接通信对保密通信理论的创新发展是值得肯定的。英国皇家工程院院士拉约斯 • 翰佐评价道，量子直接通信“将香农通信理论保证的噪声信道下的可靠通信，提升为更高层面的既有噪声又有窃听信道下的可靠和安全通信”，“将量子通信从窃听感知发展为既窃听感知又窃听阻止”。量子直接通信的商业化有望让“窃听风云”成为历史。

　　量子信息科技或将影响九大行业

　　不少科学家认为人类正在走进第二次量子革命时代。量子科技走向应用的趋势明显。IBM 预测量子计算的应用时间表将分三个阶段发展：

　　• 第一阶段：未来几年的应用

　　• 第二阶段：在稳定但并非最佳工作的量子计算机之后

　　• 第三阶段：超过 15 年

　　量子信息科技的发展将影响越来越多的行业，其中医疗保健、金融、网络安全、区块链和加密货币、人工智能、物流、制造和工业设计、农业、国家安全这九大行业将会在量子信息科技的影响下，显现出新的发展趋势。

　　医疗保健

　　量子计算对医疗保健行业的影响在药物发现、医疗流程自动化等方面体现明显。 以药物发现领域为例，更快的药物设计在药物发现过程中是至关重要的，这和反应率及灵敏度有极大的联系。一个典型的例子是量子计算可能推动药物发现的另一个领域是蛋白质折叠。初创公司 ProteinQure 已经利用现有的量子计算机来帮助预测蛋白质在体内的折叠方式。

　　该公司被 CB Insights 列入 2020 年 AI 100 强和 Digital Health 150 强中。对于常规计算机而言，这是一个非常困难的任务。但利用量子计算来解决这个问题，最终可以让设计强大的蛋白质药物变得更容易。

　　另一个例子则来自 Google。近日 Google 宣布，它已经使用量子计算机来模拟化学反应，这是这项新兴技术的一个里程碑。尽管这种特殊的相互作用并不复杂，目前的经典计算机也可以模拟它，但是量子计算机具备的优势仍然能让这一过程更加精准，复杂的分子相互作用将较传统计算机操作下显现出更精准、更快捷的结果，这对于加快药物发现有着很重要的作用。 在医疗流程自动化的过程中，量子计算的可应用场景也十分多。比如 DNA 测序和分析的降本增效、个人医疗数据的安全保护、外科手术中的浸入式技术应用、放射疗法优化、个性化医疗等。 目前已经有许多药业巨头对量子计算表现出了兴趣。例如，2019 年由葛兰素史克、武田制药、辉瑞、默克和 AbbVie 等制药公司发起了 QuPharm 联盟。默克公司的风险投资部门在 2020 年 9 月 参与了对 Zapata 的 3800 万美元 B 轮融资。Biogen 与 量子计算软件初创公司 1QBit 和 Accenture 合作，将开发一个量子化分子比较应用，可以改进先进的分子设计，加速药物的开发以治疗复杂的神经系统疾病。

　　金融

　　金融分析师经常依赖计算模型，这些模型建立了关于市场和投资组合表现方式的概率和假设。量子计算机可以通过更快速地解析数据、运行更好的预测模型以及更准确地权衡冲突的可能性来帮助改善这些模型。它们还可以帮助解决与投资组合风险优化和欺诈检测等任务相关的复杂优化问题。

　　金融量子计算机的另一个可能改变的领域是蒙特卡罗模拟ーー一种用于了解金融预测模型中风险和不确定性影响的概率模拟。加拿大 BMO 金融集团 & 丰业银行与加拿大量子计算初创公司 Xanadu 合作开发量子蒙特卡罗算法，以提高金融交易效率、优化实时定价。去年，IBM 公布了一项研究，该研究使用量子算法在评估金融风险方面胜过传统的蒙特卡洛模拟。 很多金融机构和组织对量子计算进行了投资布局，包括苏格兰皇家银行、澳大利亚联邦银行、高盛、花旗集团等。中国则有建信金科携手本源量子，以建信基金应用场景为依托，联合发布了共同研发的业内首批量子金融应用算法，包括“量子期权定价算法”与“量子风险价值计量算法”。这次两者合作的重点聚焦金融市场与风险管理，实现了国内金融领域对量子计算指数级加速能力的首次尝试。 但我们必须认识到，目前提高金融机构处理高频交易、对冲、定价等方面的能能够进行通用计算的量子计算机还未面世。所有已知的量子计算机都还是只能解决特定的问题，并不能解决财务软件的问题。

　　目前看来，量子科技在金融行业的应用是一把“双刃剑”。一方面，量子科技在提高金融机构处理高频交易、对冲、定价等方面的能力；加速机器学习，提升风控、投研、客服水平；增强金融区块链并发水平；优化金融云计算能力等方面具有显著优势。但另一方面金融安全和金融区块链应用将会迎来挑战。

　　网络安全

　　量子计算可能会颠覆网络安全。一方面，量子加密技术凭借着量子纠缠态、测不准原理和不可克隆原理能够使得网络信息安全得到保护；另一方面，量子叠加态、量子纠缠态、量子相干性又使得量子计算技术可能威胁网络信息安全。强大的量子计算机威胁着可轻松破解 RSA 加密等加密技术，而这些技术目前被广泛用于保护敏感数据和电子通信的安全。 量子密钥分发的理论研究与应用在 2019 年就已经呈现出发展态势。在我国，“墨子号”量子卫星开启全球化量子通信时代之门。在欧洲，建设泛欧量子通信基础设施计划受到推动。其中地面组件由欧盟委员会下属机构负责开发 ， 而包含可遍及整个欧洲的卫星量子通信系统的天空基组件“安全和加密技术任务”(SAGA) 则由欧洲航天局负责研发。

　　德国、意大利、荷兰等欧洲十国共同开展欧盟量子通信基础设施计划 (QCI)，该计划将量子技术和系统整合到现有通信基础设施，利用量子基础设施以超级安全方式传输、存储信息和数据，并实现欧盟通信资产全连接。 量子计算带来的潜在安全威胁已经引起了全球性的广泛重视。如何应对“量子安全”问题，设计能够抵御量子计算攻击的量子安全密码，已成为下一代信息通信系统必须考虑的问题。目前，业界考虑的应对措施主要包括基于现有密码的加强、研发新型的后量子公钥密码和基于量子物理的量子密钥分发技术。

　　区块链和加密货币

　　量子计算对加密的威胁延伸到了区块链技术和加密货币（包括比特币和以太坊），它们依赖于量子可感知的加密协议来完成交易。 尽管对基于区块链项目的具体量子威胁各不相同，但在最坏的情况下，潜在的后果可能非常严重。传统的区块链，如比特币和以太坊，采用了经典的公钥加密技术来签署交易，而这些网络被认为是容易受到量子计算攻击影响的。其他系统，例如 Zcash 和 Quorum，严重依赖于特殊的椭圆曲线以提供零知识证明功能，而一次椭圆曲线算法违约 (ECC breach)，便会威胁到这些账本的完整性以比特币为例。一方面，据公开资料显示，大约 25％ 的比特币（目前价值数千亿美元）的存储方式很容易被配备量子计算机的“小偷”偷走。另一方面，量子信息科技的高速发展易使得在一次交易被网络上的其他参与者验证之前，该交易就被解密和干扰，从而将去中心化系统的完整性破坏。

　　区块链技术正在被越来越多的应用于资产交易、供应链、身份管理等领域内。在量子计算机带来的深刻风险冲击下，市场参与者们正为了让区块链技术更加安全而采取一系列行动。像比特币和以太坊等成熟区块链网络正在为未来版本的迭代，试验抗量子方法。也有一些区块链解决方案已经支持了后量子技术，例如量子抵抗账本(QRL)、IOTA 以及 Corda 。初创公司 QuSecure 和 Qaisec 都表示他们正在为企业开发抗量子区块链技术。 国内也有企业和科研团队亦尝试了新的可能性。2020 年 1 月 3 日，亨通集团量子保密通信团队与武汉大学电气与自动化学院张俊教授团队合作，于在线运行的量子保密通信节点之间成功部署了区块链系统，这是国内首次融合量子信息技术和区块链技术的工程实践与尝试。

　　人工智能

　　量子计算机解析海量数据集、模拟复杂模型、快速解决优化问题的能力已经引起了人工智能应用的关注。早在 20 多年前，IEEE 杂志《智能系统》的 7、8 月刊的“趋势与争议”就致力于探讨量子计算与人工智能相结合的可能性。 图灵奖得主姚期智院士曾指出：“量子计算和人工智能两个领域的结合，将会是未来的重大时刻”一方面，人工智能机器学习技术可以用于解决量子信息难题，可以帮助量子物理学家去处理很多复杂的量子物理数据分析，比如机器学习识别相变、神经网络实现量子态的分类、凸优化用于海水量子信道重建等；另一方面，目前同样广受关注的方向，就是如何运用量子计算技术去推动人工智能的发展。

　　以机器学习为例，从技术层面看，机器学习根据是否有标注的训练样本分为无监督型和有监督型机器学习，二者都可以通过量子算法进行改进。如 K-means 是一个常用的无监督型机器学习方法，量子算法利用希尔伯特完备线性空间，对量子态的操作即相当于线性空间中的向量操作，利用多个量子态叠加原理的天然并行操作优势提高效率。对于最近邻算法这种有监督型算法，用量子态的概率幅表示经典向量，并通过比较量子态间距实现量子最近邻算法。

　　还有用于数据降维的主成分分析 PCA（无监督型）、用于数据分类的支持向量机 SVM（有监督型）等常见的技术，都有了量子算法版本。例如，Google 表示，它正在开发结合经典计算和量子计算的机器学习工具，并表示预计这些工具甚至可以与近期的量子计算机一起工作。量子软件初创公司 Zapata 则表示，它认为量子机器学习是量子计算机短期内最具潜力的商业应用之一。 量子机器学习的应用领域广泛，比如自动驾驶车辆和天气预测。利用量子计算的人工智能可以推进诸如计算机视觉、模式识别、语音识别、机器翻译等工具的发展。量子计算甚至可能帮助创造出更像人类的人工智能系统。例如，使机器人能够实时做出优化的决策，并更快地适应不断变化的环境或新的情况。

　　物流

　　在物流系统网络中，物流配送中心地址的优化选择至关重要。这关系着物资配送的高效完成，也关系着配送成本和仓储成本等运营成本最小化，对于显著提高物流管理的效率和能力有重要意义。 针对物流配送中心选址最优解的问题，通常采用经典粒子群算法解决。但是容易出现早熟收敛和仅能得到局部最优解的缺陷让这一问题的解决受阻。而量子计算擅长优化的特点就在解决这一问题上显示出了优越性。在传统计算机的世界中，复杂的优化问题需要数千年才能解决，但是量子计算机则能够在几分钟内完成处理。尤其在国际运输路线中，需要协调供应链所设计的数据非常复杂且存在多种变数，量子计算机很明显比传统计算机更具优势。 目前，DHL 已经在关注量子计算机，以帮助其更高效地包装和优化全球运送路线。该公司希望在提高服务速度的同时，更容易地适应变化——比如取消订单或重新安排送货时间。DHL 亚太区创新中心负责人 Justin Baird 表示：“对于物流行业来说，这项技术是一项令人兴奋的发展，因为其可帮助我们解决在多个节点之间寻找最有效路径这一反复出现的问题，而在复杂的环境中，这一问题变得越来越困难。”

　　2019 年底，世界上第一个交通优化试点项目在葡萄牙里斯本启动。该项目是由汽车制造商大众汽车 (Volkswagen) 和公共交通供应商 Carris 合作开展的，合作方为 D-Wave Systems。该项目使用量子计算机，在 26 个站点的 9 辆参与巴士中，每辆巴士的最快路线都被分别以接近实时的速度计算出来，以帮助通勤者避开交通堵塞。如果系统得到充分开发，这个系统可以应用于任何城市和任何规模的车队，对物流供应商的最后一英里递送具有重要意义。

　　制造和工业设计

　　机器人制造和工业设计是目前制造业水平的一个缩影。诺贝尔物理学奖获得者维克切尔曾表示：“量子能帮助产生更好的艺术。因量子力学基础研究而生的机器人在今后为我们提供服务并非不可能。”在机器人还不具备真正的智慧和创造力的今天，似乎让机器人具备人类思维意义的灵活多变性还处在瓶颈期。人们在寻求解决方案的同时，也将目光投入到了量子信息科技上。 事实上，量子信息科技已经引起了大型制造商对制造和工业设计的关注。例如，全球航空航天公司空中客车公司于 2015 年成立了量子计算部门，还投资了量子软件初创公司 QC Ware 和量子计算机制造商 IonQ。该公司正在关注的一个领域是用于数字建模和材料科学的量子退火。例如，一台像样的量子计算机可以快速过滤无数变量，帮助确定飞机最有效的机翼设计。其它公司，包括戴姆勒和三星，已经在使用量子计算机帮助研究新材料，以制造更好的电池。IBM 将制造业作为量子计算机的目标市场，该公司重点关注材料科学、控制过程的先进分析和风险建模等领域，作为量子计算机的关键应用。

　　在知识产权保护方面，量子信息技术也能发挥一定作用。2017 年 8 月，科技公司Quantum Materials University 授权取得的 通过由 Rice四角形量子点 (TQD) 技术，Materials 还开发出一种能进一步将 TQD 应用在加密、安全密钥交换以及篡改检测的新途径。 实现量子点在防伪领域的应用。TQD 能够更精确地控制发射光线的颜色与强度，通过调整四角锥体的核心方向与 4 臂，这种 TQD 技术能够发射独特的光线频率特性，使其成为一种具有防伪材料特性的免受攻击光源，可应用于货币、微芯片与 3D 打印物体等。Quantum 尽管在未来几年，随着更强大的机器的出现，量子计算可能在制造业中只会逐渐得到应用，但包括机器学习初创公司 Solid State AI 在内的一些公司已经在为制造业提供量子支持服务。

　　农业

　　农业科技的方向正趋于精细化、数据化、平台化。量子计算机可以通过帮助更有效地生产化肥来促进农业的发展。量子信息科技在环境问题分析、农产品和农药残留问题的检测和分析中也可以发挥重要的作用。

　　世界各地农业中使用的几乎所有肥料都依赖于氨，更有效地生产氨（或替代品）的能力将意味着更便宜和更少的能源密集型肥料，这对获得更多食物解决饥饿问题极其重要。 根据 CB Insights 的行业分析师共识，估计到 2025 年，氨将成为一个价值 770 亿美元的全球市场，需求量很大。而与需求量极大的市场相对应的则是仍然较落后的制氨工艺。目前氨的获得仍然依赖于 20 世纪的一种被称为 Haber-Bosch 工艺的能源密集型技术。 量子计算可以帮助分析不同的催化剂组合（模拟化学反应的另一种应用），促进制氨方法升级。植物根部的细菌每天用一种叫做固氮酶的分子，以非常低的能量消耗制造氨。这种分子超出了最好的超级计算机模拟的能力，因此也就无法更好地理解这种机制，但未来的量子计算机可以实现对这种机制的解释。 目前，环境问题、农产品的种植和生产中农药残留问题以及临床药物需求和检验等实际问题使人类生活面临严峻挑战。针对一些重要的药物靶标分子，快速检测分析环境、农产品和药用植物中残留农药百草枯、临床抗凝血药肝素、叶酸以及胰蛋白酶等成分，对建立农药残留检测和临床药物监测平台有重要意义。通过检测重力的微小差异，量子感测和测量将允许绘制不可见的地下特征（包括不同的土壤类型和水资源）的地图。在这一过程中，量子信息科技在监测、检测、建模、计算、分析等过程中可呈现快速、精准和更优化的解决方案。

　　国家安全

　　量子计算机的国防应用可以包括为间谍活动破译代码，运行战场模拟以及为军用车辆设计更好的材料等。量子保密通信的高度安全性使得量子通信未来将在国防、财务和金融专网等领域具有重要应用。 中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟曾表示，量子科技是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域，必须将创新主动权和发展主动权牢牢掌握在自己手中。 纵观世界，全球各地政府均布局量子信息科技研究项目并提高到加强国家安全的高度。 2016 年 4 月，欧盟宣布投入 10 亿欧元支持量子技术，作为其继石墨烯和脑科学之后的第三个旗舰型科研项目。同年 7 月，美国国家科技委员会提出《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》报告，建议加大对量子信息科学的投入。去年，美国政府宣布对由能源部运营的量子技术研究机构投资近 6.25 亿美元，包括微软、IBM 和洛克希德 • 马丁在内的公司也为该计划合计出资 3.4 亿美元。

　　日本于 2013 年成立了量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来 10 年投入 400 亿日元（约 3.77 亿美元）在量子信息技术的研发。2019 年 11 月，日本政府规划了以量子技术研究开发战略为支柱的路线图，其中，关于性能优于超级计算机的量子计算机，计划在 10 年后开发出计算的基本单位（量子位）数量达到 100 个的机型。日本政府计划在 2020 年成立负责整体管理与协调的主管机构，在 8 个领域建立核心研发基地，并在 5 年内不断完善量子计算研发体系。 中国也向众多量子技术项目投入了数十亿美元，在相关专利数量上亦领跑全球。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》显示，中国计划以年均 7% 以上的速度增加全社会研发经费投入，并将新一代人工智能、量子信息、集成电路、脑科学与类脑研究、基因与生物技术、临床医学和健康、深空深地深海和极地探测列为攻关的七大科技前沿领域。 如今，量子科技重要性凸显。尽管不确定量子计算何时能在国家安全中发挥积极作用，但毫无疑问，没有哪个国家愿意落后于其竞争对手的能力。新的“军备竞赛”已经开始。 量子科技的发展是时代科技发展的一个缩影。人类在展望量子科技带来更具科技感的未来的同时，也应当反思在当下如何更好地进行量子科技的研究和应用落地。比如，建设研究中心、促进跨学科研究、增加长期基础研究支持、培养量子科技专业人才、加强国际学术交流等。 霍金说：“上帝不仅掷骰子，他有时候还会把骰子掷到我们看不到的地方去”。曾经看似科幻的量子科技在今时今日却有了无限生机，人们对于科技的认知总是从无到有，从片面到包容，学科之间相互交错，迸发出的科技畅想络绎不绝。

　　来源：络绎知图