全球量子信息技術最新進展及對中國的啟示

高 芳，徐 峰

(中國科學技術信息研究所，北京 100038)

全球量子信息技術最新進展及對中國的啟示

高 芳，徐 峰

(中國科學技術信息研究所，北京 100038)

當前，量子信息技術成為全球一大熱點。本文對量子信息技術領域的SCI論文和Innography專利數據進行統計分析，梳理了近期美國、歐盟、英國、韓國和日本推進量子信息技術發展的重大舉措，總結提出中國量子信息技術在2010年后已具備一定的競爭優勢，同時在制定國家量子信息技術路線圖、多層次協同攻克關鍵技術、發揮企業主導作用以及加強國際合作參與國際標準制定等方面得到幾點啟示。

量子信息技術；量子通信；量子計算機；技術路線圖；文獻分析

1 引言

20世紀，依賴于量子力學基本原理的揭示，人類實現了對光子、原子等微觀粒子的精確操控，晶體管、傳感器、通信與信息處理設備以及光學器件等由此誕生，人類隨之進入現代信息社會。進入21世紀，量子糾纏、量子相干性等基礎理論的深度研究及其變革式應用成為量子科學領域的研究熱點。其中，量子信息技術，作為量子物理與信息科學相結合的前沿科技，在信息處理及傳輸速度提升、信息安全保障以及信號探測精度提高等方面有可能產生不可預估的影響[1-3]。

近兩年量子信息技術發展迅猛，包括量子通信、量子計算機、量子傳感器[4-5]、量子導航、量子網絡等細分領域均取得若干重大突破[6]。2014年初，美國陸軍研究實驗室利用量子特性實現圖像增強與改進，在低光和氣流紊亂情況下2.33千米的成像測試獲取了清晰的圖像[7]；2015年3月，中國科學技術大學在國際上首次實現多自由度量子體系的隱形傳態[8]；2015年12月，谷歌開發出D-Wave 2X量子計算機，其量子退火算法的執行速度較單核經典計算機上模擬退火算法的執行速度快1億倍[9]。

2016年2月，中國國家重點研發計劃中設立“量子調控與量子信息”重點專項，目前已公示擬立項項目清單。同年7月發布的《“十三五”國家科技創新規劃》中也進一步明確將設立“量子通信與量子計算機”重大科技項目，研發城域、城際、自由空間量子通信技術，研制通用量子計算原型機和實用化量子模擬機。以上都成為中國當前發展量子信息技術的重要抓手。為了明晰中國在全球量子信息領域中的競爭地位，本文基于SCI論文和專利對全球量子信息基礎研究產出和應用研究產出的發展態勢進行分析，并重點梳理了近兩年美國、歐盟、英國、韓國和日本推進量子信息技術發展的舉措，最后結合中國“十三五”科技創新規劃中對“量子通信與量子計算機”項目的戰略部署，給出了幾點啟示。

2 基于文獻計量分析的量子信息技術發展態勢

2.1 數據來源

量子信息技術具體包括量子通信、量子計算機、量子信息存儲、量子傳感器、量子成像、量子導航、量子系統軟件、量子網絡等細分領域。除了主題詞“quantum computer”“quantum communication”“quantum sensor”等之外，對這些細分領域的關鍵詞進行擴充，得到包含量子算法、量子電路、量子處理器、量子糾錯、量子傳輸、量子加密等在內的共計27個主題詞。

以美國ISI出版的SCI為統計源，檢索年限為1900—2016年，檢索日期為2016年7月16日，基于上述27個主題詞進行檢索，共得到44540篇文獻。在Innography專利數據庫中，檢索年限未限定，檢索日期為2016年7月16日，基于上述27個主題詞進行檢索，共得到7822件專利。

2.2 基于SCI文獻分析的發展態勢

該領域最早的SCI論文出現在20世紀20年代，直到1959年期間發表的論文總量未超過10篇，1960—2016年7月全球SCI論文發表的年代分布見圖1。進入20世紀80年代，量子信息技術領域的論文發表進入穩步增長期。1982年，量子信息領域的權威學者Feynman在進行物理系統的計算機模擬時認識到疊加態、量子相干性等量子特性有可能會得到應用[10]。短短3年后，Deutsch便建立了量子圖靈機的模型[11]。

圖1 全球量子信息技術領域SCI論文發表年代分布

進入20世紀90年代，全球量子信息領域論文發表進入快速增長期，特別是從1990年的83篇快速躍升至1991年的243篇。20世紀90年代中后期，世界各國在量子信息方面的科研投資明顯增加。這一時期，量子電路基本邏輯門、量子算法Shor算法和Grover算法、量子隱形傳態方案被相繼提出[12]，量子糾錯碼成為一個重要的研究方向，到20世紀末量子信息科學進入可工程化階段[13-14]。進入21世紀以來論文發表量平穩增長，2001—2015年期間年平均增長率保持在10%左右。

對SCI收錄的量子信息技術領域論文數量最多的前20位國家和地區進行排名，見圖2。整體來看，美國、中國和德國的表現最突出，同時彼此之間的數量差距比較大。美國的論文數量遠多于其他國家，占全球論文總量的25.16%，達到位列第二的中國論文總量的1.37倍，中國論文數量的全球占比為18.4%，是德國論文總量的1.57倍。英國、日本、意大利、加拿大和法國的論文總量均已超過2000篇，位置鄰近國家之間沒有形成較為明顯的差距。歐盟地區(此次統計范圍不包括英國，以下同)的論文總量超過美國達到15138篇，占全球論文總量的34%。

圖2 前20位國家及歐盟地區發表SCI論文數量

排名前10位國家的年度論文發表趨勢見圖3。從年代分布來看，美國仍然占據明顯的優勢，早在20世紀90年代初期美國在量子信息技術領域的SCI論文發表量已超過100篇，同期德國、英國和日本較其他國家與美國的差距相對較少，然而直到1995年德國的論文發表數量才接近美國論文數量的40%。中國的論文發表數量在2000年前后進入快速增長期，1999—2010年期間年平均增長率高達31.34%，同期美國SCI論文年平均增長率僅為10.02%，自2012年中國的論文數量超過美國以來，中國的論文發表年增長率均超過美國。長期以來，英國和日本兩國的年度論文發表數量非常接近，除了2002年、2003年日本出現短暫的明顯優勢之外，近期從2012年開始英國的論文數量則較為突出，加拿大的論文數量超過日本排到全球第五位。

圖3 前10位國家SCI論文發表年代分布

2.3 基于專利分析的發展態勢

截至2016年7月16日，全球量子信息技術領域的專利申請總量為7822件。因專利申請到公開一般有18個月左右延遲，所以2014—2016年數據僅供參考(以下同)。見圖4，20世紀60年代初到80年代末是全球量子信息技術專利申請的萌芽期，隨后進入穩步發展時期，1983—1993年的年均專利增長率為24.3%，1991年全球專利達到100件。1998—2004年為快速增長期，年均專利增長率為33.6%。2005—2009年該領域專利數量從近500件衰減至326件。2009年之后隨著各類研發主體對量子計算核心器件及整機研發、量子通信技術的高度關注，特別是D-Wave公司分別于2007年和2011年成功研制絕熱量子計算機和可商用量子計算機D-Wave One之后，激發了全球市場競爭主體的研發熱情。而以Google公司為代表的高技術企業更是將量子計算機直接用于解決圖像處理、無人駕駛汽車、互聯網數據分析等領域。

圖4 全球量子信息技術領域專利數量年代分布

按專利申請人所在國家和地區擁有的專利數量進行排名，見圖5。表現最為突出的第一梯隊國家有美國、中國和日本，相鄰位置國家之間的專利數量差距不大。位居第二梯隊的國家有韓國、俄羅斯、英國以及加拿大。并且第二梯隊國家擁有的專利數量與第一梯隊的差距非常明顯，第二梯隊國家的平均專利擁有量不到第一梯隊國家平均擁有量的25%。結合圖2的SCI論文產出來看，德國雖排在SCI論文全球排名的第三位，但是其專利申請的優勢卻不再明顯，韓國則與德國相反，韓國的SCI論文產出雖排在全球第19位，但其專利產出卻排在全球第4位。歐盟地區的專利總量超過韓國達505件，占全球專利總量的6.45%。

圖5 前20位國家及歐盟地區申請專利數量

從排名前6位國家的專利數量年代演化趨勢來看(見圖6)，在量子信息技術專利申請的穩步發展期，即20世紀80年代至90年代初期，美國、日本和俄羅斯的專利競爭優勢較為明顯，特別是日本的年均專利數量分別可達到美國、俄羅斯專利擁有量的3.3倍和1.8倍。在隨后的全球專利快速增長期，美國和日本的專利增長態勢基本相似，且明顯優于俄羅斯，2003年前后中國的專利申請已超過俄羅斯。在2009年之后的另一個快速增長期，中國擁有的專利量猛增，不僅超過其歷史上任何一個階段，也超過了其他所有國家；美國的專利量雖是增長態勢，但仍未達到其在2004年的最高水平；韓國在該領域的專利擁有量超過俄羅斯和英國，基本與日本持平。

圖6 前6位國家專利數量年代分布

對排名前6位國家在美國、中國、日本、英國和韓國的專利布局進行統計，如表1所示，同時將各國向世界知識產權組織(World Intellectual Property Organization，WIPO)遞交的國際專利以及在歐洲專利局(European Patent Office，EPO)申請專利的情況統計在內。美國、中國、日本和韓國成為全球量子信息技術布局最為關注的市場。總體來看，各國分別在各自本土擁有最大比例的專利量。

表1 前6位國家在主要國家和組織的專利布局

在第一梯隊國家中，與中國和日本相比，美國在各國的專利布局更為均衡。在各國專利授權率對比中，韓國最突出為38%，美國、中國和日本的專利授權率基本在33%左右，英國稍低為28%，俄羅斯的專利授權率僅為6.4%。在國際專利申請對比中，美國和英國的WIPO專利占比均達到12.7%，韓國、日本和俄羅斯的WIPO專利占比分別為5.6%、4.3%和2.6%，中國的WIPO專利占比僅為1.9%。在EPO專利對比中，除了英國達到16.2%的占比外，美國、日本和韓國的EPO占比分別為6.7%、4.2%和1.8%，中國和俄羅斯僅為0.7%和0.2%。

3 各國/地區推動量子信息技術發展的舉措

3.1 美國

一直以來，美國高度重視量子信息技術的相關研究，將量子信息技術作為引領未來軍事革命的顛覆性、戰略性技術。特別是，美國將量子芯片相關研究計劃命名為“微型曼哈頓計劃”，將其提升至與原子彈研制同等重要的高度。以美國國防部、美國陸軍研究實驗室為代表的軍方機構主導了相關領域的計劃制定與組織實施等。早在2002年，美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)便制定“量子信息科學和技術發展規劃”，并于2004年發布2.0版，給出量子計算發展的主要步驟和時間表。這也成為美國早在21世紀初期便已建立量子信息領域先發優勢的重要原因。

近期的2007年，DARPA將量子科技作為核心技術基礎列入其戰略規劃[15]，在2015年設定的戰略投資領域中，量子物理學成為DARPA的三大技術前沿之一[16]。DARPA希望通過快速推進量子技術，為導航、授時、生化探測、通信和信息處理、計量、電磁頻譜深度控制、電子戰以及其他應用等帶來了新生力量。

2015年初，美國陸軍研究實驗室(Army Research Laboratory，ARL)發布《2015—2019年技術實施計劃》，提出2015—2030財年量子信息科學研發目標與基礎設施建設目標，這兩大目標又分列近期(2015—2019年)、中期(2020—2025年)和遠期(2026—2030年)目標。從近期目標來看，ARL聚焦量子網絡硬件與軟件基礎，即物理架構和網絡協議，中期則是基于已實現的量子網絡，進一步提升糾纏速度、頻率轉換速率以及存儲時間等網絡性能，同時為了滿足可應用的需求，在魯棒性(廣義的抗干擾能力)的提升上需要對新技術進行探索。長期目標則是基于穩定的量子系統，探索量子信息的各類應用，特別是實現經典系統無法實現的功能。在相關基礎設施方面，計劃中近期將實驗室設備、制造設施、開發工具與軟件等列為建設目標，同時要在2019年之前建成分布式量子信息中心。

3.2 歐盟

作為量子理論的發源地，歐洲希望通過量子技術旗艦計劃的實施，引領全球第二次量子革命。2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言(草案)》[17]，呼吁建立10億歐元的量子技術旗艦計劃，意在培育形成具有國際競爭力的量子工業，確保歐洲在未來全球產業藍圖中的領導地位。4月，歐盟正式宣布支持這一計劃，將其置于歐洲開放科學云計劃(European Open Science Cloud，EOSC)之下，并于2018年啟動。這是歐盟繼石墨烯旗艦計劃(Graphene Flagship)和人腦工程(Human Brain Project)之后，在科研領域又一次大規模、高強度發力，希望借此促進包括安全通信網絡、通用量子計算機等在內的多項量子技術的發展。量子技術旗艦計劃聚焦在量子通信、量子模擬器、量子傳感器和量子計算機這四個細分領域，分別開展短期、中期和長期研究。

計劃中將采取的重要行動包括：一是為量子科技有關科學活動的增長提供支撐；二是為量子技術發展打造良好的技術創新與商業創新的生態系統；三是推動學術界和產業界的協同合作，實現量子技術從實驗室到產業的高效轉移；四是聚焦科學、工程、商業及交叉領域，培養新一代量子技術專家與專業人才；五是協調整個歐洲在量子技術上的公共投入和公共政策；六是促進目前沒有強大量子技術研究計劃(項目)的成員國加入。

3.3 英國

英國歷來十分重視量子科學的基礎研究，基于前期研究成果近年來正逐步向基礎研究和規模應用并重轉變。2015年，英國先后發布《量子技術國家戰略》[18]和《英國量子技術路線圖》[19]，將量子技術發展提升至影響未來國家創新力和國際競爭力的重要戰略地位，并通過科學的頂層設計引導未來20年的量子技術研發與應用。

《量子技術國家戰略》高度強調未來量子技術的重要性，確定了英國為發展量子技術應開展的五大工作重點：一是打造堅實的科研基礎；二是推動量子技術的應用；三是培養專業的量子技術人才；四是創造良好的社會和監管環境；五是鼓勵和支持國際合作。《英國量子技術路線圖》一方面展現了英國現有的量子技術布局，幫助企業明確可憑借其自身實力獲得收益的應用領域，面向學術界、產業界和公共部門制定更廣泛的行動，以克服英國量子技術與產業未來發展面臨的障礙；另一方面分析得到包括組件技術、原子鐘、量子傳感器、量子慣性傳感器、量子通信、量子增強影像和量子計算機在內的每項量子技術可能商業化的時間，同時每項技術均有相應的發展路線圖。

3.4 韓國

韓國的信息通信技術，不論是在技術研發，還是在產業化應用與推廣方面，都走在全球的前列[20]。在量子技術方面，韓國集中精力聚焦在量子通信領域，并于2014年12月制訂發布了《量子信息通信中長期推進戰略》，計劃到2020年進入全球量子通信領先國家行列。戰略確定了攻克核心技術、構建商用化基礎和打造可持續發展能力的三大戰略。在推進量子信息技術的研發及商業化方面，重點提高基于有線通信量子密鑰通信的技術成熟度，攻克量子計算機的核心關鍵技術，開發量子元部件。在構建量子密鑰通信商用基礎方面，要建設量子密鑰通信試驗網，并建立通信可靠性提升的驗證體系。

3.5 日本

日本郵政省自2001年開始開發量子通信技術[21]，并將該技術作為國家級高技術研究開發計劃之一，10年內投資約400億日元，采取產學官聯合攻關的方式推進其研發。日本國家信息與通信技術研究院的量子信息通信項目始于同期，主要任務是為構建無條件安全和超大容量通信基礎設施提供技術基礎，而作為該項目的組成部分，Tokyo QKD網絡已于2010年10月正式建立[22]。

近期，日本政府提出以新一代量子通信技術為研究對象的長期戰略[23]，并計劃在2020—2030年建成絕對安全保密的高速量子通信網，從而實現通信技術應用上質的飛躍。日本國家信息通信技術研究院計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

4 對中國的啟示

以學術論文和專利作為主要科研產出進行的統計分析表明，在論文總量和專利總量上雖然中國與美國仍有一定的差距，然而從年代分布來看，中國在量子信息技術領域的SCI論文和專利均在2010年前后超越美國，穩居全球首位。另一方面，論文產出能否帶來等量的商品化以及產業化效果，如何提升專利授權率以及擴大在全球的專利布局等，成為中國推進量子信息技術研發及其應用必須解決的重要問題。

當前，第二次量子革命時代已經到來，量子信息技術成為各國聚焦的重點領域，特別是近兩年，美國、日本、英國、韓國和歐盟相繼提出量子信息技術相關發展戰略或規劃等。中國早在2001年便在科技部“973”計劃和“863”計劃，國家自然科學基金以及中國科學院知識創新工程重大項目等對量子信息關鍵技術進行了前瞻性部署。這成為中國當前在論文和專利產出數量上占據明顯優勢的重要推動力。

借鑒其他國家近期量子信息技術發展舉措經驗，結合中國實施“量子通信與量子計算機”重大科技項目、“量子調控與量子信息”重點專項等的戰略需求，提出如下幾點啟示：

首先，加強頂層設計，制定并發布國家量子信息技術發展路線圖。客觀梳理亟待攻克的量子信息關鍵技術，科學研判量子信息各細分技術的商用化時間，結合國家已有的技術與應用基礎，制定國家量子信息技術發展路線圖，形成在國家自然科學基金、國家科技重大專項、國家重點研發計劃等計劃中對量子信息技術提供資助的統籌指導，實現對公共財政資金的合理配置。在制定技術發展路線圖的同時，注重量子信息基礎設施的建設和實驗資源與條件的積累。

其次，多層次協同攻關，推動量子信息關鍵技術突破。一是跨學科協同攻關，量子信息技術涉及物理學、數學、計算機科學、工程學等學科的知識、方法和思維方式，只有建立綜合性的系統框架，通過在跨學科合作關系網中融會不同領域的專業知識，才有利于推動創新從量子基礎科學發現向實際應用轉化。二是產學研協同攻關，將國內相關行業龍頭企業以及清華大學、中國科技大學、中國科學院等高校和研究機構聯合起來，組織多部門協同創新，同時加強在全球的知識產權布局及有效運營。

再次，提高公眾參與度，特別是充分發揮企業在量子信息技術突破和產業化推進過程中的作用。量子技術社會效益和經濟價值的充分實現，離不開社會的早期廣泛參與，在發展初期便吸引眾多不同領域的利益相關者參與進來，不僅有助于推進創新，同時還可確保其商業活力，并有利于創建有效的監管、標準機制等。尤其是中國大力鼓勵大眾創業、萬眾創新的當前，幫助不同層次的創新創業主體——企業明確技術挑戰和潛在的市場價值等，通過設置示范類項目或工程，支持新技術的早期投資者，以激發某些投資者盡快脫穎而出。

最后，加快突破量子通信和量子計算機有關標準研究，在量子信息全球發展中贏得國際供應鏈的認同。建立與國際接軌的國內技術與應用標準體系，加強國際交流合作，積極參與國際標準和相關協議的制定，特別是在可能的量子計算機新型架構等領域盡早獲得國際話語權。

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(責任編輯 劉傳忠)

The Latest Development of Global Quantum Information Technology and Its Implications to China

Gao Fang，Xu Feng

(Institute of Scientific and Technological Information of China，Beijing 100038，China)

Recently，quantum information technology becomes a hot topic.The global competition is revealed based on statistical analysis of SCI papers and Innography patent data.The important initiatives of the United States，European Union，Britain，South Korea and Japan for promoting the development of the quantum information technology are summarized.It is concluded that China has built some certain competitive advantages in the quantum information technology after 2010.Some suggestions are put forward such as developing the technology roadmap，solving key technologies by multilevel cooperation，playing the leading role of the enterprise and strengthing international cooperation for making international standards，etc.

Quantum information technology；Quantum communication；Quantum computer；Technology roadmap；Literature analysis

科學技術部科技創新戰略研究專項(ZLY2015153)，國家科技圖書文獻中心重大專項服務項目(2015XM55)。

2016-09-07

高芳(1980-)，副研究員，工學博士，情報學博士后；研究方向：科技政策、重點科技領域信息分析。

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