量子信息技术及产业发展趋势的思考

未来产业是基于前沿重大科技创新而形成的产业，是面向未来并决定产业竞争力和区域竞争实力的前瞻性产业，是支撑未来产业发展的主导产业。人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、未来网络、深海空天开发等前沿领域均是未来产业的重点[1]。迄今为止，量子科技已有百余年的发展史，而量子信息技术自诞生以来则仅仅40年，但其重要性却不言而喻。20世纪90年代以来，美国、欧洲、日本等相继开始了量子通信技术研发与应用。近年来，量子信息技术方兴未艾，量子信息技术催生的技术变革和装备发展不断改变世界面貌，逐步成为经济社会跨越发展的基石和动力。

一、全球量子信息战略布局及产业发展概述

各国政府高度重视量子科学研究发展，成为世界主要国家竞相角逐的重要领域。目前全球量子科技呈现中美领跑、各国争相角逐的竞争格局，大国博弈日趋激烈。美国为维护国家安全，早先于2017年开始推动后量子密码（PQC）算法标准化研究。近年来美政府高度重视后量子密码技术，长期推进相关技术遴选和标准化工作，近期更是密集出台相关举措，对后量子密码孕育和推广步伐不断加快。2022年美国继续加码部署后量子密码领域研究，后量子密码技术发展已进入关键时期，美国在这轮技术竞赛中已经抢占到先机。2022年，欧洲各国出台政策加强量子计算领域部署及发展计划，在国家层面上推动着整个欧洲量子科技的发展。2021年、2022年，欧美很多国家开始加强量子信息科技领域的政府之间战略合作，合作方式以发表联合声明为主，合作涉及面较广，涉及面较广共同制定发展规划或共同投入资金开展量子项目，合作培育量子人才，加强建立全球市场和供应链，以促进量子技术研究与量子产业发展。2022年，我国在量子信息领域科学研究层面继续集中迅猛发展，发布了一系列的政策，为量子信息领域的科学研究和产业化发展指明道路，但国家层面合作尚未开拓。我国在量子信息领域发展居于世界前列，政府对量子信息领域的资金支持力度高于美国，仍然面临以美国为首发达国家的竞争。

量子信息产业化本质是量子计算、量子通信、量子测量等关键技术的商用化水平，随着量子信息产业三大领域技术的迅猛发展，相应的商业应用落地也开始逐渐崭露头角，已经出现相关产品雏形。近年来，全球量子技术的投资多达三分之二都集中于量子计算领域，其中包括量子计算硬件、软件或全栈公司，而来自量子安全、量子传感和量子通信等领域的公司获得投资相对较少。2022年，在全球范围内量子领域的融资公司多数来自欧美，目前北美地区拥有量子信息领域近40%的公司和超过60%的创业资金，北欧国家量子公司投融资市场也较活跃。在量子技术的三个主要领域中，量子计算领域吸引到最大份额的投资，得到融资的量子计算领域公司数量占总量的76%，其中包括量子计算硬件、软件或全栈公司等。全球量子公司的融资轮次大部分处于种子轮和A轮阶段，融资金额在数百万元至数亿元不等。国内外量子计算公司融资的特点是不仅融资金额大，投资一线机构多，还表现在融资轮次密。目前国内有8家量子计算企业完成融资，融资额在亿元以上的公司有量旋科技、图灵量子、华翊量子、未磁科技、本源量子等。2022年7月，本源量子正式完成近10亿元B轮融资，将用于攻关防“卡脖子”的国产自主可控的工程化量子计算机、全栈式软硬件系统，量子计算应用的落地推广以及进行相关上下游产业生态建设等方面。

二、量子信息技术未来发展趋势

1.量子计算技术未来发展趋势

量子计算目前还处于原型机研发阶段，量子计算机现在只是刚起步，目前的硬件水平还不能制造出通用的量子计算机。在技术上仍面临多项挑战，主要是实现不了编码逻辑比特，其次还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面，其次，除了要有基础的硬件，对比经典计算机，量子计算也需要有软件、算法以及云平台等技术的支持，所以今后这些方面将是技术突破的高地和研究重点。

硬件：未来可能突破数千量级物理比特，通用量子计算机备受关注

目前，量子计算处于NISQ（含噪声中等规模量子）阶段，在此阶段将基于百位量级物理量子物理比特，在含有噪声，即未实现量子纠错的条件下，探索开发相关应用和解决特定计算困难问题。根据IBM、谷歌等发布的技术路线图，预计未来3年左右有望实现数千量级的物理比特，在量子比特数达到一定规模且量子态质量足够高的条件下，可能催生出解决实际问题的“杀手级”应用案例，而后基于量子硬件水平提升与量子纠错技术的发展，由物理量子比特向逻辑量子比特过渡。长期来看几种量子硬件技术路线和性能提升的趋势仍具有一定的不确定性，后续业界将持续在扩展量子比特规模、提高量子态质量、加快量子计算运行速度等方向发力[2]，逐步向着实现可容错通用量子计算机的远期目标努力。

软件：量子计算软件算法发展依赖硬件，量子计算云平台逐渐商用化

量子软件目前处于发展的初期阶段，与经典软件的发展成熟度相差尚远。量子算法的研究同时也离不开量子硬件，算法需要硬件的支持以便进行测试对比。未来量子算法的研究可能需要将重点放在研究更多可用于解决更多实际问题的算法，并进行量子算法优化的相关研究。目前，国内外开放的量子计算云平台主要以展示和验证量子计算运行原理为主的演示应用和服务，以及提供量子算法、量子算法软件初步运行和验证等服务为主，有实用价值“量子优越性”还未出现。未来，随着量子计算软硬件不断发展完善，待“杀手级”和“工业级”应用出现之后，量子计算云平台也将逐步走向“商用级”，推动量子计算生态的发展。

2.量子通信技术未来发展趋势

量子通信领域的主要研究热点方向包括量子密码、量子隐形传态、量子密集编码等研究分支。目前，量子密集编码技术处于基础研究阶段，实验条件尚不成熟；量子隐形传态技术近期取得突破性进展，但离实用尚有距离；量子密码发展最为成熟，正迅速走向实用化。

量子保密通信技术：量子中继技术成为核心技术之一

短期来看，完善量子保密通信网络，需要解决长距离量子保密通信网络中的中继站点没有得到量子技术的充分保护的问题，未来需要在量子存储、量子中继等领域实现技术突破。量子通信网络由于中继等原因不可避免会发生错误，需要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。长期来看，发展量子互联网需要量子通信、量子测量、量子计算等领域全方位的突破。此外，除了继续深耕量子中继器研发，推进无中继光纤量子通信网络将会是一个新的可行方向。

量子通信网络建设：量子通信网络规模加速扩大

目前主要的发达国家都已经或正在加紧实施远距离量子通信干线工程，一些干线网络也已经初步建成了。我国在该方面已走在了世界前列。我国仅2021年通过招标形式开启的量子通信网络建设项目达十余项，包括国家骨干网、城域网等，以及相关配套设施。2022年8月安徽合肥量子城域网正式开通，量子密钥分发网络光纤全长1147公里，包含8个核心网站点和159个接入网站点，是目前全国（世界）最大、覆盖最广、应用最多的量子城域网。未来量子通信网络工程建设将继续扩大规模，量子通信网络工程得到全球各国的高度重视，

QKD与PQC：两者融合应用为保障网络安全提供新思路

从全球来看，QKD依然是主要解决方案，且取得了较大进展，但仍然需要突破一些技术、性能瓶颈，在实际应用上依然受到限制。总结各国的观点，QKD并不是应对量子计算威胁的唯一方法，PQC也存在较大的发展空间，与QKD相比，这些算法不需要专用硬件，可通过身份验证共享密钥，避免中间人攻击风险。QKD与PQC相比，缺乏具有明显优势和定义清晰的应用场景。未来，随着PQC标准化工作的推进，以及PQC方案的逐渐成熟，PQC以及“PQC+QKD”的融合方案也将有可能是一个可行选择。

3.量子测量技术未来发展趋势

计量学与量子力学的结合产生了量子精密测量这一前沿领域，对前沿技术的发展具有重要意义。目前，量子精密测量广泛应用于离子系综、冷原子系综、光子系综以及核磁共振系综等物理体系，其中，冷原子系综拥有较高的可控性和稳固的量子相干性，因此具有较高的测量精度。

测量仪器小型化，测量精度持续提升。

量子测量技术的物理理论和原理机制基本明确，大量理论和实验证明利用量子能级跃迁、量子相干叠加、量子纠缠等物理特性可实现多种物理量的精密测量，但部分原理技术仍有待突破，如量子纠缠态高效确定性的产生方法、远距离分发技术等。基于量子相干性的测量技术的技术成熟度和测量精度均比较高,但通常体积较大,难以集成化。目前,已开展小型化、可移动化方向的研究。基于量子纠缠的测量技术精度理论上可以突破经典极限,达到海森堡极限,实现超高精度的传感与测量。但成熟度较低,纠缠量子态的制备、量子中继、操控等关键技术尚未突破,目前还处于理论验证或原理样机开发阶段。未来除了在纠缠量子态的制备、量子中继、量子态操控等关键技术继续加强攻关外，针对技术成熟度相对较高的技术，高精度、小型化、低成本是未来研究的趋势，从而为高精度量子测量装置实现进一步商用奠定良好基础。

注重提升性能指标，逐步增强实用可能。

近年来，国内外更加注重测量精度、稳定度、环境适应、体积功耗等性能指标的提升，进一步推进样机系统工程化，开展小型化、芯片化和可移动研发，增强实用性。目前来看，在量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子定位导航、量子时频同步等领域均取得了一些重要的进展。未来除了在硬件与系统工程化层面要不断探索提升之外，在软件层面也要对相关开发、控制、应用等软件逐步开展研究，借助相关算法，一方面可以提升数据提取的效率，进而进一步降低系统对环境因素的严苛要求，另一方面，可以对相关应用场景进行积极探索，提高实用性。

三、量子信息产业发展趋势

1.量子计算产业发展趋势

一是量子计算开始商业化，“杀手级应用”正在加速出现。量子计算未来将发展达到商用规模，为终端用户提供转型能力。一些制造商将按规划发展大型量子计算系统，量子计算将广泛应用在各行各业，并落地成为改变生活的产品，给市场带来颠覆性变化。应用领域有，一是加速新药开发。这是因为量子计算天然具备擅长模拟分子特性，计算机数字形式可以直接帮助人类获得大分子性状，极大缩短理论验证时间，加快开发抗癌药物等的速度。二是加速人工智能。要实现更深层次的人工智能离不开量子计算硬件设备的成熟与完善以及量子人工智能算法的长足进步。三是加速金融发展。量子计算可释放的巨大算力，将为开发新的金融服务和产品带来无限可能性。此外量子计算也将广泛应用于物流和产业组织的大型优化问题，以及面向消费者技术的服务，如推荐系统、数据分析、智慧城市、物联网等。

二是可扩展、可容错的门模型量子计算机未来将会出现。目前来看，通用量子计算机主要擅长解决搜索类型的问题，能够在某些经典计算机计算困难的搜索问题上实现平方级甚至指数级的加速。鉴于量子计算机强大的运算能力和在军事国防、金融、信息安全、灾害预报等领域的潜在应用价值，量子计算机的研发势在必行。随着量子硬件将在规模、质量和速度上得到显著提升以及在缓解错误率和纠错方面的研究突破，容错量子计算机将取得更大规模的发展，之后会产生更多算法突破和新应用，并对商业和社会产生重大影响。

2.量子通信产业发展趋势

一是量子互联网应用前景巨大。量子互联网作为基于量子通信技术产生和使用量子资源的新型功能网络，是在互联网上叠加新功能的基础设施，将带来网络安全、计算以及科学上的飞跃，被行业认为应用前景巨大。一是可实现无条件安全通信，二是可升级量子计算，三是可助力科学研究。从现在到今后约5至7年内，量子互联网的主要应用是量子通信技术对传统互联网的“赋能”，集中在国家安全、金融安全及其他高度依赖安全通信的领域。此外，利用量子互联网还有望实现全新传感技术，在军事国防中有较大应用潜力。量子互联网能够带来传感灵敏度的极大提升，应用于定位系统中将会极大提升其授时、定位精度与安全性。实现全联通的大规模量子通信需10年以上，以及高度依赖量子计算的实际进展。

二是后量子引领新的密码时代。为了应对未来基于量子计算机攻击手法的出现，新的后量子加密算法有望成为未来全球加密与数字签名新标准。为了要能够与量子计算机攻击相抗衡，后量子加密算法也要融合多领域密码知识，包括编码密码、网格密码、多变量密码、散列密码，以及超通用椭圆曲线同源密码等。PQC将来会更广泛应用在政务、军事、金融、通信、数据中心、能源等领域，公钥加密、数字签名和密钥交换算法被广泛应用于各种应用中，包括互联网协议，如TLS、SSH、IKE、IPsec和DNSSEC，以及证书、软件代码签名等。但是后量子密码转型是一个系统化的漫长过程，并未伴随后量子算法的选择和标准化的研究，还要与现有系统、协议相融合，考虑安全、性能、合规等重要问题。

三是量子通信技术未来应用领域广泛。因为量子通信所具有的高安全性，可广泛应用于对信息安全要求很高的领域或行业，如军事国防、政务、金融、互联网云服务、电力等。从长期的趋势来看，更为安全、高效、稳定的量子互联网势必会取代传统互联网。量子通信技术的未来应用有，一是军事国防领域。因为军事国防对信息安全要求最高，大概率会较快实现量子通信的大规模应用，如作战区域内机动的安全军事通信网络、信息对抗能力等。二是国家政务领域。政府机关单位可以搭建量子通信节点，保证实时语音通信、实时文本通信，及文件传输等的安全性。三是金融领域。目前，金融交易的网络化、系统化、快速化和货币数字化快速推进，亟需提升金融交易的机密性、完整性、可控性、可用性、抗抵赖性和可靠性。四是云服务领域。随着5G技术的推广与深入应用，大量数据和业务向云端转移，云计算数据中心对信息安全的要求显著增高。电力系统的发、变、输、配、用等，对安全、稳定、可靠都有着很高要求。为应对战争风险，更需要提高安全级别。量子通信有望帮助电力系统实现安全稳定可靠运行。五是量子加密驱动的代币经济开始兴起，各种物联网设备中的量子加密将支持新的代币驱动应用落地。未来量子计算和元宇宙等多种新兴技术的融合将提供新的用例和商业模式。

3.量子测量产业发展趋势

一是提高测量体系的准确性和便捷性。基于量子测量技术的量传体系，由于可以直接溯源至物理常数，大大压缩了计量标准传递层级，甚至可以直接在工程测量现场环境条件下进行测量。量子测量技术的发展将进一步缩短溯源链，大大提升计量校准的准确性和便捷性。

二是量子测量仪器向小型化发展。随着科学技术的发展，量子测量设备的体积不断变小，正在快速从成套装置向便携设备乃至传感芯片发展，同时其技术性能与可靠性不断提升。在地面或飞行试验中需要使用大量测量仪器，由于使用环境与安装条件限制，为开展计量校准而进行拆装往往会带来巨大的成本和损耗，而且在很多特殊的应用环境和场合下，可能根本无法提供在线校准，以保证测量数据准确。如果采用具备自校准或免标定功能的量子传感器件，就能很好地解决此类问题。所以量子测量仪器向着体积小、高准确度方向发展。

三是量子测量将引发航空设备颠覆性变革。量子测量技术将引发航空装备产生系列变革，与传统仪器相比，量子陀螺及量子重力测量仪的测量准确度可以提升几个数量级;基于量子技术的重力仪、 磁场测量仪的准确度进一步提升后，通过精细刻画地球的重力场、地磁场物理图景，还可以催生出重力场匹配导航、地磁匹配导航等新型无源高准确度导航技术，独立于GPS运行的量子增强型惯性导航系统。利用金刚石色心等固态原子体系，有望制成米粒大小的传感器探头，实现磁场、微波场的超高空间分辨力测量。

参考文献：

[1] 中关村论坛圆桌｜未来产业将爆发式增长，新一轮经济发展如何制胜[EB/OL].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1711874996670107306&wfr=spider&for=pc.

王敬, 李红阳, 赵文玉. 量子计算技术研究及应用探索分析[J]. 信息通信技术与政策, 2022(7):8.