前言

量子技术作为产业、安保的影响力,继半导体、人工智能(AI)等之后,正在成为未来战略技术的核心。在国内,也认识到量子信息通信技术的重要性,正在国家层面对原创技术开发及研究基础进行投资。

正文

QKD： 量子密钥分配

• 量子密钥分配(QKD)是利用能源的最小单位量子传达密码密钥的技术。
• 不像现有的公钥密码或PQC等基于数学难题,而是基于不确定性原理和不可重复定理
• 量子计算机、超级计算机等计算能力发展也不会降低安全性
• 与利用高性能计算解决问题的算法能力的发展无关

后量子密码(PQC: Post Quantum Cryotography)

• 量子耐性密码(PGC)是指基于现有数学难题的密码中,基于量子计算机安全新技术的密码方式。
• 密码技术应考虑开发后应用所需的时间及数据保护所需的时间
• 应对利用量子计算机破解现有密钥密码，需要开发PQC及标准化

量子信息认真(QMA, Quantum message authentication)

• 基于量子不确定性的加密方式的安全信息认证方式。
• 通过数据量化提高数据的稳定性和高速传输能力
• 作为通信网络的一部分，重点保护所有用户的隐私。
• 防止数据伪造、变造攻击, 保持信息完整性
• 对小型设备的轻量量子信息认证协议的必要性正在进行研究。

量子实体认证（Quantum entity authentication）

• ● 作为通信网的一部分,为了确立所有用户的正当性,必须进行有效用户的认证。
• ● 利用基于MDI的量子通信协议的量子实体认证
• ● 防止实体学习两个认证用户之间交换的量子位的相关性。
• 作为主要研究动向,使用对量子黑客具有抵抗力的MDI架构,以确立网络上的所有用户信赖度为目标。※ 独立测量设备( MDI: Measurement Device Independent)- 量子密钥分配协议是检测器方面消除子信道攻击可能性的安全构成确认方法。
• ● 重点解决波长偏振光和光子到达带来的复杂性，以提高量子密钥分布的实用性，保持两种光子的区分性。

量子签名

● 本发明涉及一种用于检查消息量子位和标志量子位的标志对可靠性的密钥控制方法。

● 重点设计防伪通用量子密码体系和量子签名的最佳实现体系

• 量子密码通信技术的研究中,加密方式的安全性和实际可通信的技术研究是核心。
• 在量子密码技术领域,美国作为技术发达国家,正在利用多种技术进行量子密码学领域的研究。
• 在包括量子通信在内的量子密码通信方面,中国是技术发达国家,正在进行远程量子通信测试。

量子加密（装置独立）协议

● 通过几乎与物理设备的质量或可靠性无关的保证来实现安全。

● 设备独立协议基于非商业化的量子现象和不平等的违反

● 如果发现设备存在漏洞,则通过设备独立协议代替提供安全补丁来应对。

基于纠缠的量子加密

● 量子密钥分配是利用理论上基于纠缠的量子密钥分配来防止

● 如果使用量子中继器,可以进行远距离圈布,但在实际实现中,相关技术还不成熟。

● 在保持安全性的同时扩大量子通信范围的方式是基于卫星的量子密钥分配方式。

量子密钥分配

● 量子密钥分配是以量子力学原理为基础,确保稳定性的现实元件技术。

● 安全标准速度为4dB（长20km，与光纤相同）的通道丢失时的26.2Mbps，实际通过光纤的最大密钥分配距离为500km。

● 目前研究的重点是结合后量子密码和量子密钥分布，实现经认证的短期安全性和密钥的长期安全。

水下量子通信

● 使用偏振光模拟绕组分布在3米长的管道上。

● 重点验证高维编码系统的可行性，比较水下量子通道中不同的量子加密方案。

● 研究湍流对传输错误率的影响

● 目前面临的问题： 纤维系统不实用地与目标通信，而无需设置的纤维链接

● 尝试解决的方案：室外条件下利用扭力光子调查暖流对水中量子通道的影响

量子传感

通过量子测定传感器、量子成像传感器可以进行超精密测定。用于资源勘查、地质勘查和医疗影像分析。在国内,对量子传感的研究没有太大进展。府计划将量子传感器与半导体相结合,以开发超精密传感技术为目标,投资研究及试制品开发

量子纠错

● 量子错误校正技术是提高量子度量学精度的核心技术

● 量子系统应确定对未知物理参数的准确评估，形成信息丢失脆弱的非经典量子状态。

● 进行量子错误修正技术研究,也可以适用于量子传感器。

3阶段量子协议

● 这是通过两个用户之间无法信赖的快递司机传送秘密时,在秘密箱子上安装锁定装置的技术。

● 基本的偏振光旋转方式是在两个用户之间交易两个以上光子的硬件上实现的, 提示了多光子量子密码学的机会

● 研究的核心是修改量子3阶段协议,使多个比特以单一量子状态连接,并利用这些在使用者之间传送。

量子校正

● 它提供了通过减少系统中的噪声量来提高准确度的可能性。

● 重点调查激活量子增强测量和成功处理量子错误校正协议所需的资源。

● 由于量子位的本质特性,量子位运算中的错误率非常低,因此需要修改量子错误。

● 为了实现完全的内在缺陷,需要构成量子架构的量子位以上的量子位资源要求。

● 在量子处理器上进行了缓解协议的研究和量子位修正用量子位规模减少的研究。

● 通过Qubit处理器的最优化Hamiltonion模拟,确保存在错误的中规模量子技术(NISQ)的稳定性,正在研究解决量子错误缓解问题。

• 美国劳伦斯伯克利国立研究所的高级量子测试台(AQT)组正在研究减少小规模量子计算机匹配错误(coherent errors)的方法。

量子计算

● 如果实现量子错误更正支援协议,就可以实现大时间间隔的无限制协议或小时间间隔的量子无关协议。

● 本研究包括调查考虑用于量子测量的顺序系统结构内纠错方法的结果。

● 目标是开发能够实现量子计算机及提高性能的硬件系统要素技术、算法、SW等量子计算要素技术。

● 2mm*2mm大小、厚度500μm的小纳米基板

● 可以用其他技术和比较稳定的物质钻石维持两者的状态● 可以在常温下工作或用光进行调节。

量子芯片素材*多晶纳米材料碳化硅

● 目标是制作量子元件、构筑性能评价相关标准工程及装备、开发小规模特性评价测试台等。

● 韩国蔚山科学技术院(UNIST)开发碳化硅(SiC)纳米钢丝材料

● 如果将钻石换成常见的碳化硅材料,就可以进行现有的常温动作。

● 与现有的精制单晶材料不同,粘贴在面缺陷内,减少光子引起的不必要的干涉。

● 克服固体量子位系统的痼疾–可靠性和效率性问题

量子错误修正代码的噪声信号修正

● 防止基本系统噪声引起的逻辑错误

● 在量子误差校正方法中，噪声是部分产生的，物理系统的其他部分不作为调节方法发挥作用。

● 寻找最佳无Ancilla-free检测代码的半程研究正在进行中。

● 如果逻辑量子位被非局部编码，则可以在有限的时间内检测和校正由噪声引起的进化，然后损害编码信息。

● 在保存编码信息的同时,实现这种噪音诱发的振荡器进化的测定在实验上是困难的。

量子位逻辑运算的不正确性

● 利用玻色子希尔伯特空间的无限次元性，研究量子错误修正的有效方法

● 采用单一保存模式校正损耗量子误差，通过硬件高效的方法抑制光子损耗或相位空间位移误差等相关误差。

● 逻辑错误率是最低架构,不能任意抑制为小值,在基于栅极的量子计算框架中,会出现耐缺陷性临界值计算的问题。

● 正在进行的研究趋势集中在分析表面代码,即与表面代码相连的Gottesman-Kitaev-Preskill代码的整体错误修正协议上。

海森堡效应

● 海森堡限值限制了参数估计准确度随着总探针时间t的增加而增加的方法。

● 设计了一种解决探针系统汉密尔顿进化中信号问题的方法。

● 目前的研究集中在寻找海森堡极限精度的必要充分条件上。

实时错误检测

● 连续量子错误校正码是基于现有量子错误校正码的错误综合征运算符的连续量子测量

● 应用离散或连续量子误差校正来保护编码量子位系统时，必须完全识别和校正误差。

● 目前的研究旨在开发一种协议，以继续执行量子错误校正码，以保护由编码的汉密尔顿错误引起的一致进化，该错误使用3-量子位触发错误。

量子优越性

• 存在现有测试的量子计算机的量子优势验证问题和结果可信度不足的问题。
• 现有提出的量子计算机运算性能测试问题由有利于量子计算机运算方式的问题构成- 改变了超级计算机的处理器构成,确认了比量子计算机更快的运算。
• 为了实现量子计算机的真正量子优势,需要进行量子纠缠、量子错误校正、量子位增加、量子算法研究等多方面的研究。
• 各国研究组正在进行量子计算机量子位之间的错误更正、多方量子纠缠、实用量子计算机算法开发等多种研究。

量子纠缠

● Greenberger-Horne-Zeilinger的研究正在进行，以实现多量子系统的高精度控制多三分子缠绕状态。

● 到目前为止,GHZ状态的真正多分子缠绕状态被报告为超导元件10-量子位、离子元件14-量子位、光电子元件18量子位。

● 作为追加研究,正在进行多重量子位串扰模拟及验证、大规模随机电路取样及可扩展测定基础的量子计算研究。

● 正在研究以个别单量子位门和控制电位门为基础的量子电位技术

量子信息器

● 目前,量子处理器将可编程门序列应用到初始化的量子位状态,实行算法。

● 虽然很难实现可编程半导体的量子处理器,但可编程量子处理器比为固定工作而设计的处理器具有更高的利用性。

据悉,在过去的10年里,Intellectual Property5(IP5)申请的量子信息通信技术相关专利在10年间共达6,777件。- 按国家分类，依次是美国2223件（33%）、中国1978件（29%）、欧洲1296件（19%）、日本665件（10%）、韩国615件（9%）。- 从具体技术来看,量子计算有2572件,量子密码通信有2711件,量子传感器有1494件。