量子信息主要指利用量子力学的基本原理（特别是量子态的基本性质）来实现特定的信息任务。现阶段的研究范畴主要包括如下几方面。

量子密码与量子通信：利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码。特别指利用量子态（单光子态和纠缠态）实现量子密钥的分配。

量子计算：利用量子态的叠加性质,设计可以合理利用这种叠加特性的并行算法,并通过合适的物理体系加以实现（通用量子计算）。

量子模拟：利用可控的量子系统实现一些在其他系统中难以实现的物理现象（专用量子计算）。

量子传感：利用量子系统状态对环境的高度敏感性,对特定的参数进行高灵敏度探测。

量子计量：利用特定量子态（比如NOON态、GHZ态、压缩态等）的强关联性质将噪声对系统的影响降低,进而实现高精度的度量。

量子信息领域近10年的重要及热点研究问题如下。

（1）实用化的量子密码系统研究

光子是天然的量子信息载体。实现量子通信的关键问题是如何把加载信息的光子传输分配到足够远的地方。由于传输信道的特性,光子不可避免地会丢失,随着距离的增加,这种衰减是指数增长的,因而传输距离会受到极大的限制。解决问题的关键是引入量子中继,这成为量子信息研究的热点。近10年来,人们在实现长程量子通信的关键技术诸如单光子源、量子存储、量子探测器效率等方面都取得了长足的进展,为最终实现可用的量子中继,进而实现远距离的量子通信打下了基础。到目前为止,提取效率66%、单光子性优于99%的单光子源已实现;量子存储在不同的系统中都取得了重要进展,固体存储系统中的量子相干已可以保持6 h,而冷原子系综的存储时间也已达到百毫秒量级;在没有量子中继可用的前提下,现阶段的量子通信技术已可以实现城域的量子保密通信（合肥、芜湖政务网）。基于自由空间传输的量子通信也是一个重要研究方向,近年来取得了重要进展：目前已实现了144 km的自由空间量子隐形传态,地面和空中飞机之间的量子秘钥传送,卫星和地面之间量子通信的原理性验证正在进行当中。

（2）可扩展的容错量子计算

实现大规模的量子计算是量子信息技术的重要目标,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,提出了很多新的方法和理论,极大地提高了实现量子计算的可能性。特别值得注意的是容错量子计算极大地提高了量子计算的可行性。

在理论上,实现量子计算已没有原则上的障碍,人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片构型。

实验方面的研究在不同的物理系统都已取得了长足的进展,特别是在离子阱系统和约瑟夫森节超导系统中。在这两个系统中单比特操作和两比特操作的操作精度都已经达到和超过了实现容错量子计算的阈值（逻辑门的保真度都超过了99%）。在最近的基于离子阱系统的实验中甚至已经可以看到量子容错的迹象,这是迈向容错量子计算的关键步骤。在约瑟夫森超导系统中,人们甚至能控制512个量子比特,并能实现一定的绝热算法。虽然这个系统的量子性以及它是否能超越经典的计算机还存在争议,但它无疑提高了人们对实现可扩展量子计算的信心。实验方面还值得一提的是对马约拉纳零模的实验进展,大量的实验证据都支持它的存在。具有非阿贝尔交换特性的马约拉纳零模是实现拓扑量子计算的理想载体。在这一体系中,容错的阈值甚至可以低到14%。然而,实现固态系统中马约拉纳零模的交换还需要更多的努力。

（3）量子模拟

在现阶段普适的量子计算机还无法实现的情况下,量子模拟就是利用较小规模的可控系统来实现一些用常规的方法无法或很难实现的物理现象或物理原理,进而达到研究它们的目的。特别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。光晶格系统已经实现了多种强关联系统的模拟,特别是对Bose-Hubbard系统的模拟。除了模拟在凝聚态物理系统中已有的物理系统,量子模拟还可以研究在常见的凝聚态中无法或很难研究的系统,比如近来实验实现的二维Many-body localization。除了凝聚态物理中的问题,实验还对黑洞和量子场论中的一些问题进行了模拟,极大地扩展了量子模拟的应用范围。玻色取样问题给出了一个可能的超越经典计算的量子模拟范例,人们正在为实现这一目标努力。

（4）量子传感和精密测量

在理论上,人们提出了一系列提高量子测量精度的方法。比较重要的包括利用离子阱中的两个离子之间的纠缠来提高时钟标准的精度（实验已经实现,时标精度已达1018）;利用不同离子阱中离子处于GHZ态来提高GPS精度;利用NooN态来压缩噪声的影响,进而达到海森堡极限;利用量子态对环境的敏感性,对某些物理量进行精确测量。特别是利用冷原子系统对引力变化的测量,利用金刚石色心实现对微小磁场的测量都达到了极高的精度。量子传感和精密测量已经处于应用的
前夜。

从统计数据来看中国量子信息领域的总体发展水平（见表1）：中国该领域发表的SCI论文数量从2009–2011年的2 585篇增长至2012–2014年的3 132篇,保持了世界第2位的排名;表征学术影响力的被引频次从前3年的第5位上升至后3年的第3位。中国2012–2014年的论文数量与美国相差无几（是美国的92.3%）,引文数量却仅为美国的43.6%。可见,与美国相比,在学术影响力上,中国还存在一定的差距。国际学术影响力的提升明显滞后于SCI论文数量的增长是现阶段中国量子信息领域的发展特点之一。因此,如何在论文数量急速增加的同时提升科研成果的质量,是我国量子信息领域发展的重要问题之一。

中国在量子信息领域的研究基本能做到与国际同步,并且在某些方面能够领先国际。具体地说,我国在量子通信方面的技术与国际最好的水平相当,特别是在实用化的量子密钥分配方面。但在核心的量子中继方面还需要技术突破。在量子模拟方面近来也能与国际水平同步,特别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。在金刚石色心的量子传感研究中也处于领先水平。然而,在量子计算和量子精密测量方面我国与国际最高水平之间有不小的差距。这两方面的研究都需要长期的资金支持,需要一个积累的过程,这些年也在迅速进步,国内也已开展离子阱系统、约瑟夫森结系统、金刚石色心和量子点系统的量子计算研究。离子阱、NV和超冷原子中的精密测量工作也正在开展。

中国学者对量子信息领域做出了重要的贡献。主要的贡献包括如下一些方面。

在理论方面中国学者提出了一些很重要的实验方案,为实现量子通信做出了重要贡献,比如说利用系综实现量子中继的DLCZ方案;量子避错码的发现为解决量子计算的退相干问题提供了重要的途径。然而总的来说,在原创性理论和思想的提出方面我国与国际最好的水平还有相当的差距。

在实验方面,中国在实用化的量子密钥分配方面引领了国际水平。2005年,中国科学院量子信息重点实验室就已经在商用的光纤上实现了北京和天津之间125 km的量子密钥传输实验,为城域的量子密钥分配奠定了基础。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密钥分配（量子通信）打下了基础。这些成果都处于世界领先水平。在量子密钥系统的研究以及商业化方面,我国也处于世界领先水平。

中国在多光子操控方面代表了世界最高水平。我国（代表性的单位是中国科学技术大学）至今仍保持着多光子纠缠量子态制备的记录（10个光子）。我国学者率先制备了6光子真纠缠态、8光子真纠缠态。无论是光源的质量还是光路的设计都具有独创性。

在量子存储方面我国主要集中在两个系统中：原子系综和固态系统。在原子系综的高维量子态（主要是轨道角动量）存储以及冷原子中光子态存储时间均处于国际领先水平。在固态存储系统的存储保真度等诸多方面也保持国际领先。

在量子模拟方面,我国已开展光学系统、超冷原子光晶格、核磁共振等系统中的实验研究。在自旋轨道耦合方面的研究处于领先水平,率先实现了费米系统和二维光晶格中的耦合。在光学系统中也已实现了对多种物理原理的模拟（包括麦克斯韦妖、PT系统、量子随机行走、马约拉纳零模等）。利用核磁共振系统实现了对李-杨零点等问题的模拟研究。

在量子传感方面,特别是在利用金刚石色心系统对微观系统的磁场的测量方面也处于世界领先水平。除此之外,我国还在量子力学基础（也是量子信息的基础）研究方面取得了重要的成果,特别是对量子纠缠和量子上下文关系的实验方面。

经过对量子信息20多年的投入和研究,量子信息技术处于取得巨大突破的前夜,某些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。下面按不同的方向来阐述其发展前景。

（1）量子密码

随着单光子源技术的不断完善、设备无关的通信方案的提出、通信安全性的进一步研究以及光子探测效率的提高,量子密钥分配在城域范围（100 km）内已处于商业化应用阶段,正在迅速地完善其相关的设备。对于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信研究的核心问题。作为量子中继的核心问题之一的量子存储也会是竞争最激烈的方向。另一个可能的长程量子通信方案基于自由空间中的星地传输。我国已发射了墨子卫星,建立了相关的实验平台,在未来这方面的研究将会进一步推进,人们将更清楚这两种方案的优缺点。

（2）量子计算

量子计算在不同的几个物理系统中已取得了巨大的进展。量子计算已处于取得重大突破的前夜。量子计算的研制会吸引更多商业化公司的投入,各国对于量子计算机研究的竞争将更加白热化。对量子计算机研制的物理系统将进一步集中,不同量子系统在量子计算中的优缺点将进一步明确。设计新的大规模量子计算机构型、研究更好的量子编码、降低容错的阈值将是理论研究的重要课题。对离子阱系统、超导系统和马约拉纳零模系统的研究将会进一步加强。

（3）量子传感

量子传感技术逐渐成熟并商业化。

（4）量子模拟

量子模拟将用于解决更多特定的问题,其强大的模拟能力将会被进一步展示。D-wave公司所使用的超导系统有可能在量子退火算法中超越经典计算机。基于玻色统计的光学模拟将进一步发展,可能会展示超越经典计算机的能力。在冷原子光晶格系统和离子阱系统中会有更多在凝聚态系统中无法求解的问题被模拟研究。量子模拟器会成为研究物理问题的强大工具。