量子信息科學(xué)（QIS）基于奇特的量子現(xiàn)象，如疊加、糾纏、壓縮等，以精典理論未能實現(xiàn)的方法來獲取和處理信息，技術(shù)應(yīng)用包括量子傳感器與計量、量子通訊、量子模擬及量子估算等方面，它將在傳感器與檢測、通信、仿真、高性能估算等領(lǐng)域擁有寬廣的應(yīng)用前景，并有望在數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物與材料科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域帶來突破，未來可能顛覆包括人工智能領(lǐng)域在內(nèi)的諸多科學(xué)領(lǐng)域。
量子傳感器與計量：用途多多
QIS在傳感器與計量領(lǐng)域有多種用途。
借助糾纏現(xiàn)象量子物理應(yīng)用到哪些領(lǐng)域，可將不同的量子系統(tǒng)彼此相連，對一個系統(tǒng)的檢測會影響另一個系統(tǒng)的結(jié)果——即使這種系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上是分開的。兩個量子系統(tǒng)處于略有不同的環(huán)境中，可通過彼此干涉提供有關(guān)環(huán)境的信息量子物理應(yīng)用到哪些領(lǐng)域，從理論上講，這些原子干涉儀提供的感知性能要比傳統(tǒng)技術(shù)高出幾個數(shù)目級。原子干涉儀除用于慣導(dǎo)外，還可加裝為重力儀，以及用于月球系統(tǒng)檢測、礦物質(zhì)精確定位等。量子授時裝置，如法國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）研發(fā)的量子邏輯鐘，是目前世界上精度最高的授時裝置之一。光子源及單光子偵測技術(shù)可提升光敏偵測器的校正精度，用于微量元素的偵測。
量子加密通訊：安全性更高
傳統(tǒng)加密技術(shù)使用秘鑰：發(fā)送方使用一個秘鑰對信息進(jìn)行編碼，接收方使用另一個秘鑰對信息進(jìn)行解碼，但這樣的秘鑰有可能被泄漏，因而不可防止地受到監(jiān)聽。不過，信息可以通過量子秘鑰分布（QKD）進(jìn)行加密。在QKD中，關(guān)于秘鑰的信息通過隨機(jī)偏振光的光子發(fā)送，這限制了光子，使其僅在一個平面中震動。若果此時監(jiān)聽者檢測信息，量子狀態(tài)才會崩塌！只有擁有準(zhǔn)確量子秘鑰的人，才才能揭秘信息。
量子通訊還可能應(yīng)用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒別等等。未來，量子網(wǎng)路將聯(lián)接分布式量子傳感，用于全球的水災(zāi)檢測。而在5年—10年內(nèi)，有望開發(fā)出可靠的光子源及相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子信息傳輸，并促使量子處理器之間數(shù)據(jù)共享合同的相關(guān)理論研究。
量子模擬：建模材料最可能
量子模擬器使用易操控的量子系統(tǒng)，來研究其他無法直接研究的量子系統(tǒng)屬性。對物理反應(yīng)和材料進(jìn)行建模是量子模擬最有可能的一個應(yīng)用。研究者可以在計算機(jī)中研究數(shù)百萬歐元的候選材料，而無需再耗費數(shù)年、投入數(shù)億港元，卻只能制造和定性少量材料。不管目標(biāo)是更強(qiáng)的客機(jī)用高分子材料、更有效的車用觸媒轉(zhuǎn)化器、更好的太陽能電板材料和醫(yī)學(xué)品，還是更透氣的纖維等，開發(fā)環(huán)節(jié)推動將會帶來巨大價值。
基于不同技術(shù)的量子模擬器原型已在實驗室環(huán)境得到了驗證。
量子估算：未來研究顯神通
量子估算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特點來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼和操縱。在過去的幾六年里，量子估算只存在于理論上，但近年的研究早已開始出現(xiàn)有意義的結(jié)果，開發(fā)并驗證了多種量子算法，研發(fā)出了量子計算機(jī)實驗截?fù)魴C(jī)，未來的5年—15年里，我們很有可能制造出一款有實用意義的量子計算機(jī)。
量子計算機(jī)的出現(xiàn)將給氣候模擬、藥物研究、材料科學(xué)等其他科研領(lǐng)域帶來巨大的進(jìn)步。不過，最令人期盼的還是量子密碼學(xué)。一臺量子計算機(jī)將可以破解目前所有的加密方法，而量子加密也將真正無懈可擊。