量子信息產業發展新動向及趨勢研判

摘 要：量子信息技術是量子力學和信息技術交叉融合而產生的前沿科學技術，是一種顛覆性的未來產業技術，量子信息產業已成為新一輪科技革命和產業變革的關鍵領域，具有重大科學意義和戰略價值。量子信息主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域。近年來，全球主要國家持續發力布局，加強頂層設計和資源投入，加快技術突破和產業發展，國際競爭日益激烈。整體來看，目前量子信息處于從科學研究發展到產品應用的階段，我國與全球保持同步。近期量子信息領域科研不斷取得進展，亮點成果紛呈，各種技術路線競相發展。

關鍵詞：量子信息技術；量子信息產業；新動向；趨勢研判

一、量子信息產業全球發展新動向

（一）科技強國競相出臺國家量子戰略，我國全面加強系統布局

當前，全球主要國家和地區均大力部署關乎未來競爭的關鍵技術與產業，力爭主導未來產業高地，量子信息是未來科技最受關注的焦點之一，各國政府持續發力布局，密集推出相關科技戰略規劃。截至2022年，美歐日韓等全球主要經濟體均出臺了國家層面的戰略規劃或倡議。各國政策普遍涉及量子技術研發、應用轉化及人才發展等方面的目標和措施。其中，美國公布的政策最多也最全面（如表1所示）。

我國高度重視量子技術的發展，早在“十三五”期間就將量子信息作為重大科技發展方向提出，目前已在多個國家戰略規劃中進行統籌布局。2021年3月發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中進一步明確將在量子信息等前沿科技和產業變革領域，組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產業。2021年12月發布的《“十四五”國家信息化規劃》，提出探索建立面向未來的量子信息設施和試驗環境，加強共性關鍵技術和基礎器件研發，超前布局量子通信、量子計算、量子傳感技術研究，推動量子計算應用探索與產業生態體系建設，探索構建量子信息網絡技術與標準體系。為加快量子科學基礎人才培養，教育部于2021年3月將“量子信息科學”專業正式納入2021年度普通高等學校本科專業目錄。我國各地方也紛紛結合自身優勢謀篇布局量子產業。截至目前，已有北京、上海、廣東、安徽等20多個省市將量子科技寫進地方“十四五”發展規劃。

（二）各國政府量子科技投入不斷加碼，全球風險投資大幅增加

為在未來量子科技革命和產業變革中占據一席之地，各國政府紛紛對量子科技基礎研究和關鍵核心技術進行前瞻部署，其首要措施之一就是加強量子技術領域財政撥款。德國聯邦政府在2022年開始實施量子系統研究計劃，并為此提供超過10億歐元，以實現量子計算的行業應用。印度作為一個新興的發展中國家，也在2020年聯邦預算中為國家量子技術和應用任務撥款11.2億美元，逐步縮小與量子技術領先國家間的差距，成為國際量子競賽的一員。據不完全統計，截至2021年底，全球各國政府對量子科技的研發投資規模已超過145億美元。這些投資主要用于資助建立專門的量子技術中心、應用研發中心、創新中心等新型研發機構和具有戰略意義的量子技術研發項目。

與此同時，全球量子信息產業培育進入起步期，逐漸成為風險投資的新風口。量子信息產業的發展主要以企業為主力軍，以產學研合作的形式進行開發，正在形成科技巨頭爭相進入和初創公司蓬勃發展的局面。科技巨頭方面，亞馬遜、IBM、英特爾、微軟、谷歌等全球科技巨頭高度關注量子技術，紛紛設立研究中心或獨立部門進入這一領域。初創公司中涌現出ColdQuanta、IonQ、PsiQuantum、 Rigetti Computing、Quantum Circuits等一批知名企業，這些公司大多由專業研究人員建立。據統計，2021年全球量子科技公司完成了約50筆融資，融資額達32億美元，超過之前歷年累計融資總額。2022年，量子科技公司融資持續活躍，第一季度就完成了18筆合計7億美元融資。

（三）量子計算多路徑探索亮點紛呈，量子優越性取得重大突破

量子計算是當前量子技術發展最受關注的領域，集中了全球一半以上的量子領域風險投資，近年來，該領域的研究創新十分活躍，論文發表、專利申請及研究機構數量均呈現明顯上升趨勢。量子芯片是量子計算研究和應用的核心領域，目前其技術發展仍呈現超導、離子阱、光量子、硅基半導體、拓撲量子等多種技術路線并行探索態勢。總體而言，我國處于國際量子計算的第一方陣。目前，美國、中國、加拿大等國量子科技公司已經取得多項世界級研究成果。

量子優越性（也譯作量子霸權）是指在某個特定計算問題上，量子計算機的計算能力遠超傳統計算機，從而體現量子計算的算力優勢。 2019年，谷歌正式在《Nature》上發表了他們關于驗證“量子優越性”的論文，宣布在懸鈴木（Sycamore）量子計算機上實現了量子優越性，完成了一個經典計算機需要數百年才能完成的計算任務。2020年12月，我國構建的76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法“高斯玻色取樣”只需200秒，而使用當時最快的超級計算機也要用6億年。這一突破使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。

（四）全球量子通信試驗喜訊頻傳，我國量子通信處于國際領先水平

受新冠疫情影響，全球量子通信網絡建設進度放緩，但競爭卻更加激烈，多國在量子通信網絡建設方面取得了相應進展。2021年1月，美國國家科學與技術委員會（NSTC）發布《量子網絡研究協同路徑》報告，提出技術路徑和方案建議，旨在加強美國在量子網絡利用方面的知識基礎和應用準備。2021年3月，韓國標準科學研究院和國家安全技術研究院聯合在20公里區間內首次成功展示了量子直接通信（QDC）技術。2021年4月，英國第一個工業量子安全網絡完成測試。同年6月，美國宣布將量子密鑰分發首次應用于地月通信基礎設施，為合作伙伴實體提供超安全、量子保護的網絡創建、存儲和空間數據傳遞服務。英國科學團隊成功展示了一個涉及四方的量子安全會議電話，在四方之間同時共享密鑰，克服了傳統量子密鑰分發（QKD）系統只能在兩個用戶之間共享密鑰的局限。G7峰會上，七國領導人宣布聯合開發基于衛星的量子保密網絡，建設聯邦量子系統（FQS）來實現盟國之間的軍事和情報安全共享通信。2022年7月，英、德兩國科研團隊對外報道了設備無關（DI）QKD系統原理驗證實驗進展。2022年以來，各類量子保密通信技術方案應用探索和網絡建設也在持續開展，美國在智能電網數控系統中，利用QKD和QRNG進行GMAC認證加密應用試驗，提升了認證加密效率。韓國SKT已建成800公里QKD網絡，為多個政府機構提供信息加密服務。

近年來，我國大力發展量子通信技術，在量子通信保密試點應用、網絡建設和星地量子通信探索，QKD網絡建設和示范應用項目的數量和規模等方面，均處于世界領先地位。在前期建設的量子保密通信“京滬干線”與“墨子號”量子科學實驗衛星的基礎上，我國構建了世界首個廣域量子通信網絡，實現了地面跨度4600公里、天地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發。2021年6月，我國使用已有的商用光纖鏈路，突破現場遠距離高性能單光子干涉技術，分別采用兩種技術方案實現500公里量級雙場量子密鑰分發（TF-QKD），創造了現場無中繼光纖量子密鑰分發傳輸距離的新世界紀錄。同年9月，上海交通大學和江西師范大學合作構建了一個15用戶的量子安全直接通信（QSDC）網絡，傳輸距離達40公里。2022年7月，全球首顆QKD微納衛星“濟南一號”成功發射。目前，合肥量子城域網正在建設過程中，是目前中國最大、覆蓋最廣、應用最多的量子城域網，有望成為實用化量子通信網絡的標桿范例。

（五）量子測量政策規劃進入密集期，研發取得新突破

量子測量是距離實用化最近的量子信息技術方向，世界主要科技強國相繼推出一系列支持舉措。2021年，法國頒布量子技術國家戰略，計劃在5年內投資18億歐元支持量子技術研究；德國出臺《量子系統議程2030》，宣布把量子傳感器作為重點研發項目。2022年，美國發布《芯片法案》《量子勞動力發展國家戰略計劃》等，支持量子測量等關鍵技術領域的研發工作，并持續投入資金。2021年12月，中國國務院印發《計量發展規劃（2021-2035年）》，提出加強計量基礎和前沿技術研究，突破量子傳感和芯片級計量標準技術，形成核心器件研制能力。同年，科技部發布《“十四五”國家重點研發計劃“基礎科研條件與重大科學儀器設備研發”重點專項2022年度項目申報指南（征求意見稿）》和《“十四五”國家重點研發計劃“地球觀測與導航”重點專項2022年度項目申報指南（征求意見稿）》等政策。

當前，傳統測量行業的競爭格局正被量子精密儀器改變。在量子時間測量領域，美國研究人員建立并運行了一個包含單個捕獲的鐳226離子的光學時鐘；中國科學院外籍院士、美國科羅拉多大學JILA實驗室的葉軍團隊制作出全球最精確的原子鐘，可驗證廣義相對論。在量子重力測量領域，我國成功推出量子重力儀產品；英國建造了世界上第一個在實驗室條件之外的量子重力梯度儀。在磁場測量方面，歐洲光學研究所（ICFO）和阿爾托大學的研究人員使用僅比絕對零度高幾十億分之一度的原子，檢測到任何其它現有傳感技術都無法檢測到的磁信號，首次實現超過能量分辨率的極限。

二、量子信息產業發展趨勢研判

（一）專用量子模擬機和云服務將成為量子計算下一階段的重要目標

量子計算是量子信息領域當前最熱的研究內容，目前正處于各種技術路線并行發展和開放競爭的階段，距離實際應用還有較大距離。當前的量子計算機系統和樣機仍然非常初級、成本高昂且需要在極為苛刻的環境下運行，距離通用計算機的實用化水平還有較大差距。構建大型可靠的量子計算機需要實現量子糾錯（QEC），以滿足量子計算的高保真量子信息處理要求。量子計算下一階段的重要目標和抓手將是研發金融、醫藥、氣象等重要領域實際應用的專用量子模擬機，當可操縱量子比特達到幾百個以后，量子計算機有望執行一些具有實際意義和應用價值的算法，用于解決若干當前超級計算機難以解決的實際問題，例如計算化學、分子結構解析、大數據優化和機器學習算法優化等。另一個應用推廣的重要抓手是推動量子計算軟件以及云平臺的發展，提供專用量子計算服務，初步構建量子計算應用生態，培養量子計算人才梯隊。隨著量子芯片性能的提升，量子基礎設施服務的比重將逐步提升；隨著通用量子計算機技術的逐步成熟，量子應用軟件服務也將進一步成為主流。

（二）量子通信相關標準逐步完善并加速向垂直行業應用滲透

各國和國際標準組織ITU-T、ISO/IEC JTC1、IETF、ETSI等都在開展QKD的標準化工作，量子通信相關標準日趨完善。未來，量子通信網絡將在量子中繼技術的支持下實現多用戶、遠距離的量子糾纏共享，進而實現QKD和量子安全應用。我國也在重點推進量子信息等新技術、新產業、新基建標準的制定，預計陸續將有更多量子密鑰分發QKD相關標準發布。量子通信的優勢是信息傳輸的安全性，目前已在軍事、國防、政務、金融、電力等領域實現應用。隨著QKD相關技術標準的成熟，量子通信器件和終端設備將趨于小型化、移動化，量子通信網絡應用服務將擴展到商業企業、互聯網云服務、個人數據存儲和信息消費等領域，催生更多的下游行業應用。

（三）量子測量計劃將進一步清晰，傳感器逐步量子化

當前，全球主要國家紛紛出臺相應政策布局量子測量，將量子精密測量納入重點科研計劃，并上升至國家戰略層面。例如，美國發布獨立的量子傳感器報告，針對量子測量研發、應用領域提出1—8年的短中期建議，其長期目標是通過量子技術的發展促進經濟發展、安全應用和科學進步。英國已明確兩大研究中心，專注量子精密測量領域的研究。德國成立慕尼黑量子科技中心，主要研究量子雷達、量子成像等技術。我國的“十四五”規劃或其他綱領性文件中并未詳細指明中國在量子精密測量領域將要取得哪些重點突破，不過，從各主要量子精密測量科研院所和大學公布的的研究方向中可初見端倪。基于量子測量技術研發的量子傳感器，相比于其他傳統測量儀器具有更高的靈敏度和精度。傳統傳感器在測量方面，主要依賴電、磁、壓阻或電容效應，其測量精度在理論上存在極限，而量子傳感器則有望突破經典物理極限，向更高靈敏度、準確率和穩定性等方面發展，逐步替代傳統技術的傳感器。

三、量子信息產業發展面臨的挑戰

（一）量子信息產業創新環境仍需優化

量子信息技術存在多學科交叉、發展迅速的特征。這對該領域的創新發展環境提出了更高的要求，量子信息產業化發展亟需協同創新和高水平人才支撐。目前，量子信息領域政策規劃體系尚未形成有機整體，部分關鍵技術尚處于從基礎科研向應用轉化的早期階段，演進方向有待進一步明確，相關技術應用場景依舊無法落地和商用。量子信息領域的創新研發需要跨行業研究機構和企業之間廣泛深度的交流合作，然而目前該領域缺乏有效的溝通平臺和合作機制，且研究人員較為分散，科研考核等也集中在論文發表和原理樣機驗證等單一方式上。

（二）量子計算目前仍處于發展初期

量子計算目前仍處于多種技術路線并行發展階段，技術發展方向尚未融合收斂，量子計算機還處于原型機研發階段，進行大規模通用量子計算仍是遠期目標，真正具備經濟社會價值的實用化場景仍不明朗。從產業化與市場化布局上看，我國量子計算產業化相對落后，產學研用一體的研發模式有待完善，但與歐美國家并沒有明顯代差；從產業鏈來看，全球整體處于科學研究和驗證階段，尚沒有形成完整的量子計算產業鏈。

（三）遠距離量子通信技術仍需攻關

目前，量子通信產業發展較快，但在量子通信領域，還沒有可參考的已有的成熟發展模式。量子通信基礎理論研究仍不完善，導致多技術路徑并存的特點。例如，量子通信的遠距離安全傳輸是未來通信網絡的必然選擇。為了實現完善的量子保密通信網絡，需要解決遠距離量子通信網絡中繼站點的安全可信問題，其中涉及許多關鍵技術的攻關和解決方案的選擇。

（四）量子測量產業仍處于初級階段

由于量子測量技術研發門檻較高，研發人員需要具備量子力學和測量計量等專業的知識積累，但相關企業在前期參與程度較低，成果難以轉化，實用化仍不成熟。從應用領域看，量子測量應用領域較窄，除量子雷達、量子磁力計具有明確的民用場景外，其他量子測量技術主要定位于非民用、非工業的應用場景，面向政府等特殊領域的封閉市場，不適于推廣商用。另外，量子測量領域分支較多，標準化存在一定難度。目前僅在零星的領域開展標準化預研和初步探索，例如TU-T面向網絡的量子信息技術焦點組（FG-QT4N）和ETF量子互聯網研究組對量子時頻同步在網絡中的應用案例開展研究等，標準化尚未全面開展。

四、發展建議

（一）加大量子信息產業政策支持力度

一是結合我國現有的量子信息產業基礎及比較優勢，出臺量子信息產業發展規劃和系列配套扶持政策體系，制定穩步推進戰略和產業的應用計劃。二是持續進行基礎研究資本投入，引導金融資本、民間投資投入到量子信息項目的研發。采取政府和社會資本合作的模式，推動建設量子技術創新中心、研究院所，支持企業設立研發創新中心、工程技術中心，構建開放、協同、高效的共性技術研發平臺。三是推進產學研用協同創新發展，開發量子信息關鍵共性技術、前沿引領技術，鼓勵依托大學實驗室或大學研究團隊技術入股的產學研模式，鼓勵企業參與或牽頭國家級基礎研究項目。四是建設梯次人才培養和引進體系，成立專業的量子通信院校，制定量子科技高精尖人才培養計劃，培育量子通信領域的龍頭企業、骨干企業，支持量子通信初創型中小企業發展。

（二）打造量子計算領域關鍵優勢環節

一是緊密跟蹤國際最新技術進展，準確研判技術發展演進趨勢和應用前景，著力在可擴展性、操作性、量子糾錯處理和邏輯量子比特等關鍵共性領域加強攻關。二是推動建立量子計算企業與氣象、金融、石油化工、材料、生物醫藥、汽車交通等下游應用行業的合作平臺與機制，設計專用量子模擬器，加快探索具有實際應用價值與量子優越性的實用案例。三是抓住量子計算領域充分競爭的時機，盡快打造完整的量子計算產業鏈，爭取在部分環節盡快確立相對優勢。

（三）突破量子通信關鍵技術和標準

一是在量子存儲、量子中繼等領域進行技術攻關，研發支持糾纏分發和隱形傳態的高保真網絡設備，以及可以補充損耗、容許操作糾錯的量子中繼器方案，實現多目的地之間的量子分發。二是緊密跟蹤國際國內量子通信發展動態，遴選一批量子通信前沿性、基礎性、戰略性的細分領域，圍繞量子通信理論、前沿技術、關鍵器件方面重點研發。三是創新研發量子隨機數發生器模塊及芯片、量子光源、探測器等核心器件，進一步提高量子通信關鍵元器件和設備的穩定性、可靠性、小型化、輕量化等問題，降低制造和運維成本。四是加速開展量子密鑰分發和量子保密通信的標準化研究工作，引領相關行業標準制定，推動量子通信知識產權保護專項立法，合理布局量子通信標準專利組合。

（四）推動量子測量領域產業化進程

一是依托國家實驗室、大科學裝置等，加強對關鍵性量子糾纏技術的布局和研發，開展量子測量技術的工程化、小型化應用研究，全面推動量子測量領域的原始創新和產業化進程。二是提升行業用戶、企業等在量子測量標準制定中的參與度，面向重點領域成立標準推進聯盟，推進量子傳感器項目的就緒度評價標準（Technology Readiness Level，TRL），促進產學研用各方在原理探索、技術攻關、產品研發、部署應用等方面深度交流合作，協同推進產業生態構建與標準制定。（參考文獻略）

（作者單位：中國電子信息產業發展研究院未來產業研究中心）