滕学强 周钰哲 彭 璐
摘 要：量子信息技术是量子力学和信息技术交叉融合而产生的前沿科学技术，是一种颠覆性的未来产业技术，量子信息产业已成为新一轮科技革命和产业变革的关键领域，具有重大科学意义和战略价值。量子信息主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。近年来，全球主要国家持续发力布局，加强顶层设计和资源投入，加快技术突破和产业发展，国际竞争日益激烈。整体来看，目前量子信息处于从科学研究发展到产品应用的阶段，我国与全球保持同步。近期量子信息领域科研不断取得进展，亮点成果纷呈，各种技术路线竞相发展。
关键词：量子信息技术；量子信息产业；新动向；趋势研判
一、量子信息产业全球发展新动向
（一）科技强国竞相出台国家量子战略，我国全面加强系统布局
当前，全球主要国家和地区均大力部署关乎未来竞争的关键技术与产业，力争主导未来产业高地，量子信息是未来科技最受关注的焦点之一，各国政府持续发力布局，密集推出相关科技战略规划。截至2022年，美欧日韩等全球主要经济体均出台了国家层面的战略规划或倡议。各国政策普遍涉及量子技术研发、应用转化及人才发展等方面的目标和措施。其中，美国公布的政策最多也最全面（如表1所示）。
我国高度重视量子技术的发展，早在“十三五”期间就将量子信息作为重大科技发展方向提出，目前已在多个国家战略规划中进行统筹布局。2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中进一步明确将在量子信息等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。2021年12月发布的《“十四五”国家信息化规划》，提出探索建立面向未来的量子信息设施和试验环境，加强共性关键技术和基础器件研发，超前布局量子通信、量子计算、量子传感技术研究，推动量子计算应用探索与产业生态体系建设，探索构建量子信息网络技术与标准体系。为加快量子科学基础人才培养，教育部于2021年3月将“量子信息科学”专业正式纳入2021年度普通高等学校本科专业目录。我国各地方也纷纷结合自身优势谋篇布局量子产业。截至目前，已有北京、上海、广东、安徽等20多个省市将量子科技写进地方“十四五”发展规划。
（二）各国政府量子科技投入不断加码，全球风险投资大幅增加
为在未来量子科技革命和产业变革中占据一席之地，各国政府纷纷对量子科技基础研究和关键核心技术进行前瞻部署，其首要措施之一就是加强量子技术领域财政拨款。德国联邦政府在2022年开始实施量子系统研究计划，并为此提供超过10亿欧元，以实现量子计算的行业应用。印度作为一个新兴的发展中国家，也在2020年联邦预算中为国家量子技术和应用任务拨款11.2亿美元，逐步缩小与量子技术领先国家间的差距，成为国际量子竞赛的一员。据不完全统计，截至2021年底，全球各国政府对量子科技的研发投资规模已超过145亿美元。这些投资主要用于资助建立专门的量子技术中心、应用研发中心、创新中心等新型研发机构和具有战略意义的量子技术研发项目。
与此同时，全球量子信息产业培育进入起步期，逐渐成为风险投资的新风口。量子信息产业的发展主要以企业为主力军，以产学研合作的形式进行开发，正在形成科技巨头争相进入和初创公司蓬勃发展的局面。科技巨头方面，亚马逊、IBM、英特尔、微软、谷歌等全球科技巨头高度关注量子技术，纷纷设立研究中心或独立部门进入这一领域。初创公司中涌现出ColdQuanta、IonQ、PsiQuantum、 Rigetti Computing、Quantum Circuits等一批知名企业，这些公司大多由专业研究人员建立。据统计，2021年全球量子科技公司完成了约50笔融资，融资额达32亿美元，超过之前历年累计融资总额。2022年，量子科技公司融资持续活跃，第一季度就完成了18笔合计7亿美元融资。
（三）量子计算多路径探索亮点纷呈，量子优越性取得重大突破
量子计算是当前量子技术发展最受关注的领域，集中了全球一半以上的量子领域风险投资，近年来，该领域的研究创新十分活跃，论文发表、专利申请及研究机构数量均呈现明显上升趋势。量子芯片是量子计算研究和应用的核心领域，目前其技术发展仍呈现超导、离子阱、光量子、硅基半导体、拓扑量子等多种技术路线并行探索态势。总体而言，我国处于国际量子计算的第一方阵。目前，美国、中国、加拿大等国量子科技公司已经取得多项世界级研究成果。
量子优越性（也译作量子霸权）是指在某个特定计算问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机，从而体现量子计算的算力优势。 2019年，谷歌正式在《Nature》上发表了他们关于验证“量子优越性”的论文，宣布在悬铃木（Sycamore）量子计算机上实现了量子优越性，完成了一个经典计算机需要数百年才能完成的计算任务。2020年12月，我国构建的76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法“高斯玻色取样”只需200秒，而使用当时最快的超级计算机也要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
（四）全球量子通信试验喜讯频传，我国量子通信处于国际领先水平
受新冠疫情影响，全球量子通信网络建设进度放缓，但竞争却更加激烈，多国在量子通信网络建设方面取得了相应进展。2021年1月，美国国家科学与技术委员会（NSTC）发布《量子网络研究协同路径》报告，提出技术路径和方案建议，旨在加强美国在量子网络利用方面的知识基础和应用准备。2021年3月，韩国标准科学研究院和国家安全技术研究院联合在20公里区间内首次成功展示了量子直接通信（QDC）技术。2021年4月，英国第一个工业量子安全网络完成测试。同年6月，美国宣布将量子密钥分发首次应用于地月通信基础设施，为合作伙伴实体提供超安全、量子保护的网络创建、存储和空间数据传递服务。英国科学团队成功展示了一个涉及四方的量子安全会议电话，在四方之间同时共享密钥，克服了传统量子密钥分发（QKD）系统只能在两个用户之间共享密钥的局限。G7峰会上，七国领导人宣布联合开发基于卫星的量子保密网络，建设联邦量子系统（FQS）来实现盟国之间的军事和情报安全共享通信。2022年7月，英、德两国科研团队对外报道了设备无关（DI）QKD系统原理验证实验进展。2022年以来，各类量子保密通信技术方案应用探索和网络建设也在持续开展，美国在智能电网数控系统中，利用QKD和QRNG进行GMAC认证加密应用试验，提升了认证加密效率。韩国SKT已建成800公里QKD网络，为多个政府机构提供信息加密服务。
近年来，我国大力发展量子通信技术，在量子通信保密试点应用、网络建设和星地量子通信探索，QKD网络建设和示范应用项目的数量和规模等方面，均处于世界领先地位。在前期建设的量子保密通信“京沪干线”与“墨子号”量子科学实验卫星的基础上，我国构建了世界首个广域量子通信网络，实现了地面跨度4600公里、天地一体的大范围、多用户量子密钥分发。2021年6月，我国使用已有的商用光纤链路，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，分别采用两种技术方案实现500公里量级双场量子密钥分发（TF-QKD），创造了现场无中继光纤量子密钥分发传输距离的新世界纪录。同年9月，上海交通大学和江西师范大学合作构建了一个15用户的量子安全直接通信（QSDC）网络，传输距离达40公里。2022年7月，全球首颗QKD微纳卫星“济南一号”成功发射。目前，合肥量子城域网正在建设过程中，是目前中国最大、覆盖最广、应用最多的量子城域网，有望成为实用化量子通信网络的标杆范例。
（五）量子测量政策规划进入密集期，研发取得新突破
量子测量是距离实用化最近的量子信息技术方向，世界主要科技强国相继推出一系列支持举措。2021年，法国颁布量子技术国家战略，计划在5年内投资18亿欧元支持量子技术研究；德国出台《量子系统议程2030》，宣布把量子传感器作为重点研发项目。2022年，美国发布《芯片法案》《量子劳动力发展国家战略计划》等，支持量子测量等关键技术领域的研发工作，并持续投入资金。2021年12月，中国国务院印发《计量发展规划（2021-2035年）》，提出加强计量基础和前沿技术研究，突破量子传感和芯片级计量标准技术，形成核心器件研制能力。同年，科技部发布《“十四五”国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿）》和《“十四五”国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿）》等政策。
当前，传统测量行业的竞争格局正被量子精密仪器改变。在量子时间测量领域，美国研究人员建立并运行了一个包含单个捕获的镭226离子的光学时钟；中国科学院外籍院士、美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队制作出全球最精确的原子钟，可验证广义相对论。在量子重力测量领域，我国成功推出量子重力仪产品；英国建造了世界上第一个在实验室条件之外的量子重力梯度仪。在磁场测量方面，欧洲光学研究所（ICFO）和阿尔托大学的研究人员使用仅比绝对零度高几十亿分之一度的原子，检测到任何其它现有传感技术都无法检测到的磁信号，首次实现超过能量分辨率的极限。
二、量子信息产业发展趋势研判
（一）专用量子模拟机和云服务将成为量子计算下一阶段的重要目标
量子计算是量子信息领域当前最热的研究内容，目前正处于各种技术路线并行发展和开放竞争的阶段，距离实际应用还有较大距离。当前的量子计算机系统和样机仍然非常初级、成本高昂且需要在极为苛刻的环境下运行，距离通用计算机的实用化水平还有较大差距。构建大型可靠的量子计算机需要实现量子纠错（QEC），以满足量子计算的高保真量子信息处理要求。量子计算下一阶段的重要目标和抓手将是研发金融、医药、气象等重要领域实际应用的专用量子模拟机，当可操纵量子比特达到几百个以后，量子计算机有望执行一些具有实际意义和应用价值的算法，用于解决若干当前超级计算机难以解决的实际问题，例如计算化学、分子结构解析、大数据优化和机器学习算法优化等。另一个应用推广的重要抓手是推动量子计算软件以及云平台的发展，提供专用量子计算服务，初步构建量子计算应用生态，培养量子计算人才梯队。随着量子芯片性能的提升，量子基础设施服务的比重将逐步提升；随着通用量子计算机技术的逐步成熟，量子应用软件服务也将进一步成为主流。
（二）量子通信相关标准逐步完善并加速向垂直行业应用渗透
各国和国际标准组织ITU-T、ISO/IEC JTC1、IETF、ETSI等都在开展QKD的标准化工作，量子通信相关标准日趋完善。未来，量子通信网络将在量子中继技术的支持下实现多用户、远距离的量子纠缠共享，进而实现QKD和量子安全应用。我国也在重点推进量子信息等新技术、新产业、新基建标准的制定，预计陆续将有更多量子密钥分发QKD相关标准发布。量子通信的优势是信息传输的安全性，目前已在军事、国防、政务、金融、电力等领域实现应用。随着QKD相关技术标准的成熟，量子通信器件和终端设备将趋于小型化、移动化，量子通信网络应用服务将扩展到商业企业、互联网云服务、个人数据存储和信息消费等领域，催生更多的下游行业应用。
（三）量子测量计划将进一步清晰，传感器逐步量子化
当前，全球主要国家纷纷出台相应政策布局量子测量，将量子精密测量纳入重点科研计划，并上升至国家战略层面。例如，美国发布独立的量子传感器报告，针对量子测量研发、应用领域提出1—8年的短中期建议，其长期目标是通过量子技术的发展促进经济发展、安全应用和科学进步。英国已明确两大研究中心，专注量子精密测量领域的研究。德国成立慕尼黑量子科技中心，主要研究量子雷达、量子成像等技术。我国的“十四五”规划或其他纲领性文件中并未详细指明中国在量子精密测量领域将要取得哪些重点突破，不过，从各主要量子精密测量科研院所和大学公布的的研究方向中可初见端倪。基于量子测量技术研发的量子传感器，相比于其他传统测量仪器具有更高的灵敏度和精度。传统传感器在测量方面，主要依赖电、磁、压阻或电容效应，其测量精度在理论上存在极限，而量子传感器则有望突破经典物理极限，向更高灵敏度、准确率和稳定性等方面发展，逐步替代传统技术的传感器。
三、量子信息产业发展面临的挑战
（一）量子信息产业创新环境仍需优化
量子信息技术存在多学科交叉、发展迅速的特征。这对该领域的创新发展环境提出了更高的要求，量子信息产业化发展亟需协同创新和高水平人才支撑。目前，量子信息领域政策规划体系尚未形成有机整体，部分关键技术尚处于从基础科研向应用转化的早期阶段，演进方向有待进一步明确，相关技术应用场景依旧无法落地和商用。量子信息领域的创新研发需要跨行业研究机构和企业之间广泛深度的交流合作，然而目前该领域缺乏有效的沟通平台和合作机制，且研究人员较为分散，科研考核等也集中在论文发表和原理样机验证等单一方式上。
（二）量子计算目前仍处于发展初期
量子计算目前仍处于多种技术路线并行发展阶段，技术发展方向尚未融合收敛，量子计算机还处于原型机研发阶段，进行大规模通用量子计算仍是远期目标，真正具备经济社会价值的实用化场景仍不明朗。从产业化与市场化布局上看，我国量子计算产业化相对落后，产学研用一体的研发模式有待完善，但与欧美国家并没有明显代差；从产业链来看，全球整体处于科学研究和验证阶段，尚没有形成完整的量子计算产业链。
（三）远距离量子通信技术仍需攻关
目前，量子通信产业发展较快，但在量子通信领域，还没有可参考的已有的成熟发展模式。量子通信基础理论研究仍不完善，导致多技术路径并存的特点。例如，量子通信的远距离安全传输是未来通信网络的必然选择。为了实现完善的量子保密通信网络，需要解决远距离量子通信网络中继站点的安全可信问题，其中涉及许多关键技术的攻关和解决方案的选择。
（四）量子测量产业仍处于初级阶段
由于量子测量技术研发门槛较高，研发人员需要具备量子力学和测量计量等专业的知识积累，但相关企业在前期参与程度较低，成果难以转化，实用化仍不成熟。从应用领域看，量子测量应用领域较窄，除量子雷达、量子磁力计具有明确的民用场景外，其他量子测量技术主要定位于非民用、非工业的应用场景，面向政府等特殊领域的封闭市场，不适于推广商用。另外，量子测量领域分支较多，标准化存在一定难度。目前仅在零星的领域开展标准化预研和初步探索，例如TU-T面向网络的量子信息技术焦点组（FG-QT4N）和ETF量子互联网研究组对量子时频同步在网络中的应用案例开展研究等，标准化尚未全面开展。
四、发展建议
（一）加大量子信息产业政策支持力度
一是结合我国现有的量子信息产业基础及比较优势，出台量子信息产业发展规划和系列配套扶持政策体系，制定稳步推进战略和产业的应用计划。二是持续进行基础研究资本投入，引导金融资本、民间投资投入到量子信息项目的研发。采取政府和社会资本合作的模式，推动建设量子技术创新中心、研究院所，支持企业设立研发创新中心、工程技术中心，构建开放、协同、高效的共性技术研发平台。三是推进产学研用协同创新发展，开发量子信息关键共性技术、前沿引领技术，鼓励依托大学实验室或大学研究团队技术入股的产学研模式，鼓励企业参与或牵头国家级基础研究项目。四是建设梯次人才培养和引进体系，成立专业的量子通信院校，制定量子科技高精尖人才培养计划，培育量子通信领域的龙头企业、骨干企业，支持量子通信初创型中小企业发展。
（二）打造量子计算领域关键优势环节
一是紧密跟踪国际最新技术进展，准确研判技术发展演进趋势和应用前景，着力在可扩展性、操作性、量子纠错处理和逻辑量子比特等关键共性领域加强攻关。二是推动建立量子计算企业与气象、金融、石油化工、材料、生物医药、汽车交通等下游应用行业的合作平台与机制，设计专用量子模拟器，加快探索具有实际应用价值与量子优越性的实用案例。三是抓住量子计算领域充分竞争的时机，尽快打造完整的量子计算产业链，争取在部分环节尽快确立相对优势。
（三）突破量子通信关键技术和标准
一是在量子存储、量子中继等领域进行技术攻关，研发支持纠缠分发和隐形传态的高保真网络设备，以及可以补充损耗、容许操作纠错的量子中继器方案，实现多目的地之间的量子分发。二是紧密跟踪国际国内量子通信发展动态，遴选一批量子通信前沿性、基础性、战略性的细分领域，围绕量子通信理论、前沿技术、关键器件方面重点研发。三是创新研发量子随机数发生器模块及芯片、量子光源、探测器等核心器件，进一步提高量子通信关键元器件和设备的稳定性、可靠性、小型化、轻量化等问题，降低制造和运维成本。四是加速开展量子密钥分发和量子保密通信的标准化研究工作，引领相关行业标准制定，推动量子通信知识产权保护专项立法，合理布局量子通信标准专利组合。
（四）推动量子测量领域产业化进程
一是依托国家实验室、大科学装置等，加强对关键性量子纠缠技术的布局和研发，开展量子测量技术的工程化、小型化应用研究，全面推动量子测量领域的原始创新和产业化进程。二是提升行业用户、企业等在量子测量标准制定中的参与度，面向重点领域成立标准推进联盟，推进量子传感器项目的就绪度评价标准（Technology Readiness Level，TRL），促进产学研用各方在原理探索、技术攻关、产品研发、部署应用等方面深度交流合作，协同推进产业生态构建与标准制定。（参考文献略）
（作者单位：中国电子信息产业发展研究院未来产业研究中心）