量子信息技術應用及產業發展研究綜述

彭云峰

摘要：隨著量子信息技術的快速發展，當前世界各國加速了在量子信息技術領域的研究和競爭，搶占量子科技的制高點，凸顯了推動量子科技發展的重要性和緊迫性。闡述了世界主要國家和地區量子信息技術創新與產業化的有關情況，分析了我國在量子信息技術領域取得的突破性成就，下一步我國在發展量子信息技術與產業方面仍需克服的挑戰，并提出了有關工作建議，為推動我國量子信息產業發展提供借鑒。

關鍵詞：量子信息；量子通信；量子計算；量子科技

一、前言

量子信息科技集合了量子力學和信息理論的概念，它的興起會極大地改變未來計算機、通信、傳感和測量等諸多領域的面貌，可能引發“第二次量子革命”[1]。隨著量子信息技術的快速發展，歐美等國紛紛加強布局，搶占量子科技的制高點。2021年7月28日，27個歐盟成員國簽署《歐洲量子通信基礎設施宣言》，建設覆蓋全歐的天基和地面量子通信網絡，以保障歐盟成員國之間的敏感通信和數據。這是繼中美相繼實現“量子優越性”之后，世界各國加速了在量子信息技術領域的研究和競爭，也凸顯了推動量子科技發展的重要性和緊迫性。

二、世界主要國家和地區量子信息技術創新與產業布局情況

量子信息科學是新一輪科技革命和產業變革的必爭領域之一，歐美等國進一步加大量子信息技術發展投入，通過出臺政策文件、成立研究機構等方式，促進量子信息技術的研發和產業發展。

2020年7月，美國能源部公布將打造量子互聯網，與現有互聯網并行。2020年8月，美國宣布斥資9.65億美元建立下一代量子科學與工程、超導量子材料和系統中心、量子優勢聯合設計中心、量子系統加速器以及量子科學中心5個量子信息科學中心。2022年12月，美國Q-NEXT國家量子信息科學研究中心發布了《量子互連路線圖》，指出量子互連在量子計算、通信和傳感技術中的作用，以期促進量子信息技術在電信、能源、金融服務、制藥和物流運輸等行業的應用。

2018年10月，歐盟啟動了預算為10億歐元的歐洲量子技術旗艦計劃，該計劃將歷時十年，涉及量子通信、量子計算、量子模擬以及量子傳感和計量4個領域，為歐洲量子產業的發展奠定了戰略基礎。2020年5月，歐盟發布《戰略研究議程（SRA）》報告，推動建設歐洲的量子通信網絡[2]。

2014年，英國開始實施國家量子技術計劃，制定了未來五年的量子科技發展計劃，并在計劃期內建成了量子通信、量子傳感、量子成像和量子計算四大研發中心；2018年，在原來計劃的基礎上，英國制定了新的量子科技發展五年計劃，計劃投資數億英鎊，建設英國國家量子計算中心和四個量子技術中心。2020年7月，英國國防科學與技術實驗室發布研究報告，認為未來5年——10年內，量子信息處理不僅能在防務體系中得到推廣應用，還能廣泛應用于金融交易、控制系統、傳感器數據處理、機器學習、人工智能場景理解等多個領域[3]。

2022年1月，德國啟動了歐洲首臺超5000量子位元的量子計算機，用于處理優化和采樣問題，是歐洲量子計算機發展的一個重要里程碑[4]。

美國、歐盟和歐洲主要國家在量子科技領域內的積極布局，以及2021年7月28日歐盟成員國簽署的《歐洲量子通信基礎設施宣言》，將進一步加速形成中、美、歐“三足鼎立”的新格局。

三、我國持續加大量子信息技術創新投入并在部分領域取得突破

國家“十四五”規劃提出，瞄準人工智能、量子信息等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目，在量子信息等前沿科技和產業變革領域“謀劃布局一批未來產業”。黨的二十大報告將量子信息等領域取得重大成果作為我國進入創新型國家行列的標志。近些年，我國還相繼出臺了《戰略性新興產業發展規劃》《科技創新專項規劃》《科技軍民融合專項規劃》等十余項政策。在國家的長期支持下，我國在量子科技領域整體處于世界前列，在部分研究方向上已處于領跑。

（1）在量子通信領域。2016年8月，中國墨子號量子衛星發射升空，進入預定軌道，該衛星是中國研制的首顆空間量子科學實驗衛星，2022年5月，中國墨子號衛星實現1200千米地表量子態傳輸新紀錄 。2017年9月29日，全長2000余公里的量子保密通信干線“京滬干線”正式開通運行，該干線連接北京、濟南、合肥、上海等多個城市，并可通過北京接入點實現與中國墨子號量子衛星的連接。這兩大實驗工程的成功實施，標志著我國已經處于世界領先地位。

（2）在量子計算領域。國內多個高校團隊正在超導、半導等量子計算研究方向全面跟進，2020年12月，76個光子的量子計算機“九章”問世，這是我國實現“量子優越性”里程碑的標志。2021年10月，113個光子的量子計算機“九章二號”問世，并實現了相位可編程功能，可用于求解不同參數數學問題的編程能力。

（3）在量子應用領域。國家有關單位對接聯合有關高校團隊和產業力量，推進“量子+電子政務”的應用探索。

四、量子信息以技術創新推動產業規模發展仍需克服諸多挑戰

雖然目前量子信息技術及產業仍處于發展初期，但深刻影響社會與人們生活的新一次產業革命已經到來。為了搶抓這一重大歷史機遇，我國在發展量子信息技術與產業方面需要克服諸多挑戰[5-7]。

（1）需要解決關鍵元器件“卡脖子”的問題。我國在量子信息基礎性科研方面存在諸多短板，部分關鍵元器件仍然依賴進口。隨著國際競爭形勢的進一步激烈，在產業鏈上游被“卡脖子”的問題將日益突出。

（2）需要解決基礎科研人才不足的問題。我國在量子信息技術領域的投入時間較短，科技人才隊伍結構失衡，尤其是物理、材料等基礎科研人才不足。隨著相關產業不斷發展，產業型人才需求不斷提升，對基礎科研人才的占用影響日益嚴重。

（3）需要解決國際標準規范體系話語權的問題。在新興產業發展初期，獲得標準規范制定的主導權決定了國家所處的產業生態位。目前ITU、ETSI等國際標準組織都在開展量子信息領域的相關標準制定，搶占標準規范話語權的競爭日趨白熱化。

（4）需要解決前沿技術應用初期政府扶持的問題。量子信息技術創新成果不斷涌現，但變革性新技術的應用在初期通常面臨使用成本、用戶體驗、市場空間、產業支撐等難題，完全依靠市場化模式不利于快速培育有國際競爭力的產業實體。

五、結語

目前量子信息各技術方向中，量子通信技術已率先進入實用化，通過與國產自主密碼技術、5G網絡技術等結合，在政務、金融、交通等行業具備廣闊的應用前景。為了推動量子信息產業的發展，建議在基礎科研、人才培養、制度規范、應用試點等方面加快推進相關工作[8-9]。

（1）加強基礎元器件研發與產業培育。一方面依托國家實驗室，集中資源加強科研投入，提升國產自主化水平。另一方面對采用國產自主元器件的量子通信產品給予扶持，完善產業鏈，并發揮產業對技術創新的反哺作用，逐步解決基礎科研“卡脖子”難題。

（2）加強“金字塔”型人才隊伍培養。一方面擴大基礎型人才的培養范圍，通過建立量子通信專業的教學體系培養量子物理、量子密碼等基礎科研人員，通過校企合辦產業學院等形式培養產業人才。另一方面加大高端人才的激勵力度，從產研兩端入手，培養頂級科學家與產業帶頭人。

（3）加強國際標準規范方面的內部支撐。充分發揮我國在量子通信標準方面的先發優勢，統籌高校與企業資源，加快行業規范、國家標準的制定，加強標準的實施落地，為國際標準制定的主導權爭奪提供有力支撐。

（4）加強產業應用初期的調控與扶持。一方面建立市場準入制度，集中資源培養一批“獨角獸”企業做大做強，為國際競爭做準備。另一方面從中央到地方加大產業扶持力度，鼓勵在電子政務、金融、國防、保密等領域規模化試點示范，“邊用邊改，以用促改”，通過應用挖掘需求，利用需求牽引研發，最終形成產研協同、迭代演進的良性產業生態。H

參考文獻

[1]谷峻戰，王濱勇.美國聯邦政府推動量子信息科技的政策和布局[J].全球科技經濟瞭望，2022，37（5）：14-22，50.

[2]游桂，成陽志，楊雨珂，等.世界主要大國和地區的量子科技政策沿革及軍民兩用應用情況[J].軍事文摘，2022，（6）：11-14.

[3]董立勇，馬少維.世界主要國家大力推進量子信息技術發展[J].軍事文摘，2020 （5）：16-19.

[4]鄒麗雪，劉艷麗.歐盟量子技術戰略研究及啟示[J].世界科技研究與發展，2022，44（1）：25-34.

[5]李剛.我國量子信息技術發展存在的問題與對策研究[J].中國新通信，2021，23（10）：75-76.

[6]郭光燦.量子信息技術研究現狀與未來[J].中國科學：信息科學，2020，50（9）：1395-1406.

[7]張威.擁抱量子科技時代：量子計算的現狀與前景[J].學術前沿，2021，（7）：64-75.

[8]張倩，李文宇.全球量子信息技術創新發展研究[J].信息通信技術與政策，2020，（12）：81-85.

[9]李非凡.國際量子密碼技術專利發展態勢與熱點分析[J].世界科技研究與發展，2022，44（1）：69-80.