量子信息技術(shù)以其獨(dú)特的疊加、糾纏等物理特性，可以突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限，有望引發(fā)信息技術(shù)顛覆性變革，引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

量子信息的三大領(lǐng)域

量子信息技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等。

量子計(jì)算是利用量子的疊加和糾纏特性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，能夠在特定計(jì)算困難問(wèn)題上提供指數(shù)級(jí)加速。2019年，Google宣稱其53位超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)Sycamore實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。2020年12月，我國(guó)成功構(gòu)建76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，其運(yùn)算速度是Sycamore的100億倍，是目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”的100萬(wàn)億倍。

量子通信利用量子的不可分割、不可復(fù)制等特性進(jìn)行保密通信和密鑰協(xié)商，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明可以絕對(duì)安全的通信方式，具有可感知竊聽(tīng)，甚至阻止竊聽(tīng)的能力，主要包括量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子直接通信（QSDC）和量子隱形傳態(tài)（QT）等方式。2020年6月，我國(guó)利用距離地球500公里的“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了相距1200公里的量子密鑰分發(fā)，打破了量子密鑰分發(fā)距離的記錄，其密鑰傳輸?shù)陌踩赃_(dá)到了“前所未有的水平”，為創(chuàng)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

在清華大學(xué)學(xué)者原創(chuàng)提出的量子直接通信方面，北京量子院和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)于2019年研制實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，次年完成了量子直接通信保密電話，并與2020年9月的中關(guān)村論壇作為重大成果發(fā)布。2020年，團(tuán)隊(duì)還完成了自由空間量子直接通信的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在10米自由空間距離下，實(shí)現(xiàn)了500 bps的傳輸速率。特別是，他們提出了與經(jīng)典密碼結(jié)合的安全中繼量子網(wǎng)絡(luò)理論，在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)，具有端對(duì)端的安全通信、與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)完全兼容、具有感知和阻止竊聽(tīng)的優(yōu)點(diǎn)，加速了全球量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和實(shí)用化。

量子測(cè)量是利用量子態(tài)對(duì)外界環(huán)境的極度敏感特性，通過(guò)外界環(huán)境對(duì)量子體系作用引發(fā)其量子態(tài)的改變，并基于對(duì)量子態(tài)變化的讀取實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境物理量的高精度測(cè)量，其測(cè)量精度、靈敏度及穩(wěn)定性方面有明顯優(yōu)勢(shì)。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括空間探測(cè)、慣性制導(dǎo)、災(zāi)害預(yù)防等。

全球量子信息產(chǎn)業(yè)概況

各主要國(guó)家陸續(xù)啟動(dòng)量子科技國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，從頂層設(shè)計(jì)、資金投入等方面推進(jìn)量子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，力爭(zhēng)搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

美國(guó)在2018年6月通過(guò)《國(guó)家量子倡議法案》，計(jì)劃在10年投資12.75億美元推動(dòng)量子科學(xué)發(fā)展；9月發(fā)布《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，旨在維持和擴(kuò)大美國(guó)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力。2020年2月發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》明確構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的愿景目標(biāo)；7月，能源部發(fā)布《從遠(yuǎn)距離糾纏到建立全國(guó)性的量子互聯(lián)網(wǎng)》明確量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍(lán)圖。2021年，美國(guó)總統(tǒng)拜登表示將投入1800億美元用于“未來(lái)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)”，其中有包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的先進(jìn)計(jì)算以及半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造。

歐盟在2018年10月啟動(dòng)歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃，擬在未來(lái)十年內(nèi)擬投資10億歐元支持量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子計(jì)量和傳感等領(lǐng)域的研究。2020年3月，歐盟“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”官網(wǎng)發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》，明確了旗艦計(jì)劃的發(fā)展目標(biāo)。德國(guó)2018年11月通過(guò)“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”框架計(jì)劃，擬于2022年前投資6.5億歐元重點(diǎn)研究量子衛(wèi)星、量子計(jì)算和用于高性能高安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域。2021年1月，法國(guó)宣布啟動(dòng)量子技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略，并計(jì)劃5年內(nèi)在量子領(lǐng)域投資18億歐元。2021年3月，歐盟委員會(huì)公布《2030數(shù)字指南針》提出計(jì)劃到2025年，歐洲將擁有第1臺(tái)具有量子加速功能的計(jì)算機(jī)。

日本在2013年成立量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì)以及量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，計(jì)劃未來(lái)10年投入400億日元在量子信息技術(shù)的研發(fā)。英國(guó)在2014年設(shè)立“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”，每年投資2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心。俄羅斯在2019年12月出臺(tái)國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃，擬在5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。印度于2020年2月提出國(guó)家量子任務(wù)，計(jì)劃未來(lái)5年內(nèi)投入800億盧比（約合11.2億美元），重點(diǎn)推進(jìn)量子通信、量子計(jì)算、量子材料開(kāi)發(fā)和密碼學(xué)等量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

我國(guó)量子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

量子信息上升為國(guó)家戰(zhàn)略。2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出要瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目，加快布局量子計(jì)算、量子通信等前沿技術(shù)。

各省市高度重視，紛紛加快量子信息產(chǎn)業(yè)布局。2017年12月24日，北京量子信息科學(xué)研究院成立，這一新型研發(fā)機(jī)構(gòu)由北京市政府發(fā)起，聯(lián)合北京多家頂尖學(xué)術(shù)單位共同建設(shè)，院長(zhǎng)由清華大學(xué)副校長(zhǎng)、中科院院士薛其坤擔(dān)任。山東、廣東、合肥等地陸續(xù)發(fā)布相關(guān)規(guī)劃，加快布局量子信息產(chǎn)業(yè)。2021年以來(lái)，各省市十四五規(guī)劃陸續(xù)出臺(tái)，其中北京、上海、重慶、浙江等18個(gè)省市十四五規(guī)劃意見(jiàn)稿提及量子信息，要求加快量子信息產(chǎn)業(yè)布局，搶占發(fā)展制高點(diǎn)。

三大領(lǐng)域均有布局，龍頭企業(yè)多數(shù)起源于科研院校。

在量子通信方面，我國(guó)處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，試點(diǎn)應(yīng)用數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模等全球領(lǐng)先。龍頭企業(yè)科大國(guó)盾量子發(fā)源于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，是國(guó)內(nèi)最大的量子通信設(shè)備制造商和量子信息系統(tǒng)服務(wù)提供商，相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量全國(guó)第一。在量子計(jì)算方面，與美歐等國(guó)際先進(jìn)水平基本持平。起源于中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的本源量子專(zhuān)注量子計(jì)算全棧開(kāi)發(fā)，各軟、硬件產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，2020年以77件專(zhuān)利位列“全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利排行榜”第七位。BAT、華為等科技巨頭紛紛布局，玻色量子、圖靈量子等海歸初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)嶄露頭角。在量子測(cè)量方面，某些關(guān)鍵技術(shù)研究存在一定差距。國(guó)儀量子、國(guó)耀量子雷達(dá)等主要企業(yè)也均起源于科研院所。

量子信息產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用落地

隨著量子信息產(chǎn)業(yè)三大領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，相應(yīng)的商業(yè)應(yīng)用落地也嶄露頭角。

量子通信領(lǐng)域商業(yè)化落地最為完善。尤其是我國(guó)在量子通信技術(shù)應(yīng)用方面取得了豐碩成果，總體上處于國(guó)際領(lǐng)先地位。特別是在 “量子保密通信‘京滬干線’技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目”和中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)部署的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星項(xiàng)目的牽引和帶動(dòng)下，我國(guó)不僅掌握了城域、城際以及自由空間的量子通信關(guān)鍵技術(shù)，更培育和集聚了一批覆蓋核心器件研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)備制造、業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等各環(huán)節(jié)的企業(yè)，已初步形成集技術(shù)研究、設(shè)備制造、建設(shè)運(yùn)維、安全應(yīng)用為一體的產(chǎn)業(yè)鏈。

國(guó)際上對(duì)量子通訊的應(yīng)用也非常積極。早在2009年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究署和Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就分別建成了多節(jié)點(diǎn)的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。2014 年，NASA正式提出了在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）之間建立一個(gè)600km遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線的計(jì)劃，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。英國(guó)、歐盟、日本等地也開(kāi)始了量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)和建設(shè)。

量子計(jì)算的商業(yè)化落地之路正在探索當(dāng)中。如“量子計(jì)算+金融”方面，量子計(jì)算可用于投資組合管理、資本市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析、保險(xiǎn)行業(yè)災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)建模、加密和后量子密碼學(xué)、蒙特卡洛模擬等。例如UBS 正與另一初創(chuàng)量子公司QxBranch 合作，致力于研究量子算法在外匯交易和套利方面的應(yīng)用。又如渣打銀行與大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)（USRA）簽署了合作研究協(xié)議開(kāi)展量子計(jì)算研究和開(kāi)發(fā)量子計(jì)算應(yīng)用程序。此外，還有一些金融科技企業(yè)在與前沿科研團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)相干伊辛機(jī)（CIM）等類(lèi)型專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)，用于求解大數(shù)據(jù)處理、投資組合、風(fēng)險(xiǎn)控制等領(lǐng)域內(nèi)常見(jiàn)的組合優(yōu)化類(lèi)問(wèn)題。預(yù)計(jì)此類(lèi)專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)將更早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

在“量子計(jì)算+通信”方面，滿足未來(lái)龐大、異構(gòu)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與高效性需求。量子計(jì)算對(duì)高維數(shù)據(jù)并行處理以及對(duì)最優(yōu)解并行搜索的能力，天然地適合解決通信網(wǎng)絡(luò)包含多未知量、多狀態(tài)和多維度特征的分類(lèi)問(wèn)題、優(yōu)化問(wèn)題，可顯著提高通信網(wǎng)絡(luò)中資源利用效率，降低電信網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)維、管理與優(yōu)化成本。

在“量子計(jì)算+軍工”方面，量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景包括破譯敵方通訊密碼、兵棋推演模擬、海量信息研判、戰(zhàn)場(chǎng)仿真、裝備研發(fā)、后勤保障優(yōu)化等。去年，美國(guó)政府宣布對(duì)有關(guān)的量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)投資近6.25億美元，包括微軟、IBM和洛克希德·馬丁在內(nèi)的公司也為該計(jì)劃合計(jì)出資3.4億美元。加拿大D-Wave公司也成功將其研發(fā)量子計(jì)算機(jī)銷(xiāo)售給洛克希德·馬丁公司、NASA。此外，生物醫(yī)藥、化工行業(yè)、新型材料、交通優(yōu)化等行業(yè)和量子計(jì)算的結(jié)合被社會(huì)各界普遍看好。

量子測(cè)量領(lǐng)域商業(yè)化的進(jìn)程也已經(jīng)開(kāi)始。歐美多家公司已推出基于冷原子的重力儀、頻率基準(zhǔn)（時(shí)鐘）、加速度計(jì)、陀螺儀等商用化產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為迅速。代表性量子傳感測(cè)量企業(yè)包括：美國(guó)AOSense 公司作為創(chuàng)新型原子光學(xué)傳感器制造商，專(zhuān)注于高精度導(dǎo)航、時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)以及重力測(cè)量研究，主要產(chǎn)品包括商用緊湊型量子重力儀、冷原子頻率基準(zhǔn)等。在量子測(cè)量與傳感器領(lǐng)域內(nèi)，美國(guó)Geometrics公司、法國(guó)Muquans 公司、英國(guó)M Squared Lasers 公司等表現(xiàn)也相當(dāng)活躍。

我國(guó)較為成熟的量子測(cè)量產(chǎn)品主要集中于量子時(shí)頻同步領(lǐng)域，中電科、航天科技、航天科工和中船重工集團(tuán)下屬的一些研究機(jī)構(gòu)正逐步在各自優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域開(kāi)展量子測(cè)量方向研究。國(guó)耀量子、國(guó)儀量子、科大國(guó)盾等幾家企業(yè)表現(xiàn)也頗為亮眼，有量子激光雷達(dá)、量子鉆石原子力顯微鏡、量子鉆石單自旋譜儀、基于冷原子干涉的重力儀等產(chǎn)品，可用于環(huán)境保護(hù)、數(shù)字氣象、航空安全、智慧城市等場(chǎng)景。


文：田靜秀?袁為 劉敏 弓超
編輯：慕一

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