量子信息技术产业发展概况及建议_量子信息发展前景

通信世界网消息（CWW）量子信息技术是量子科技的重要组成部分，它以量子力学原理为基础，通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和测量，实现信息感知、计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力。未来，量子信息技术有望在前沿科学、信息通信和数字经济等诸多领域引发颠覆性的技术创新和改变游戏规则的变革性应用。

发展量子信息技术是未来产业发展的重要方向

量子信息技术是量子科技的重要组成部分，也是培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要技术手段之一。经过四十余年的发展，量子信息技术已走过仅有学术界关注的基础科学研究和前沿技术探索阶段，逐步迈向产业界共同参与的应用研究阶段。当前量子信息三大领域的科研成果不断涌现，技术成熟度持续提升，应用探索加速发展，进入科技攻关、应用探索和产业培育一体化推进的新发展阶段。

以量子信息技术为代表的量子科技，已成为未来产业布局和发展的重点之一。国家“十四五”规划提出，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。2023年9月8日，习近平总书记在黑龙江考察时强调，整合科技创新资源，引领发展战略性新兴产业和未来产业，加快形成新质生产力。工信部高度重视量子科技发展，推动量子科技等前沿领域研究，鼓励各地方先行先试，加快布局未来产业。2023年12月，全国工业和信息化工作会议提出，出台未来产业发展行动计划，瞄准人形机器人、量子信息等产业，着力突破关键技术、培育重点产品、拓展场景应用。2023年12月，中央经济工作会议也提出开辟量子和生命科学等未来产业新“赛道”。近年来，多地陆续发布科技和信息产业规划，支持量子信息技术领域发展。2023年，北京市发布《北京市促进未来产业创新发展实施方案》，部署量子物态科学、量子通信、量子计算、量子网络、量子传感等方向的核心技术攻关、行业应用拓展、产业生态建设和用户群体培育等工作。2023年合肥市政府工作报告提出，合肥国家实验室已入轨运行，量子信息未来产业科技园入列首批国家试点。下一步，合肥市将加快建设量子信息未来产业科技园，打造“世界量子中心”。湖北省设立20亿元量子科技产业投资基金，发布《湖北省加快发展量子科技产业三年行动方案（2023—2025年）》，致力于打造全国量子科技产业高地。

量子计算产业生态已具雏形

随着近年来量子计算原型机研制、软件研发、应用探索和云平台服务的快速发展，以及国内外各类型量子计算初创企业的大量涌现、量子应用企业的不断加入，量子计算领域的产业生态已具雏形（如图1所示）。目前全球量子计算相关企业数量已超过250家，欧美企业聚集度最高，各环节参与者逐步增多，产业生态蓬勃发展。

量子计算产业生态上游主要包括环境支撑系统、测控系统以及各类光电元器件、线缆连接器等设备组件的提供商，这些企业是支持量子信息各大技术路线开展原型机研制的基础保障。目前，量子计算多种技术路线并行发展，对于上游供应链的需求各不相同，例如稀释制冷机主要用于超导和硅半导体路线，真空系统主要用于离子阱和中性原子路线，高性能激光器和单光子探测器主要用于光量子路线。供应链需求的多元化和碎片化是当前量子计算产业发展的显著特征，在一定程度上限制了上游供应链企业的技术攻关和规模化发展。

量子计算产业生态中游主要由硬件和软件研发企业构成，量子计算原型机研制是产业生态的核心环节。目前，超导、离子阱、光量子、硅半导体和中性原子是产业界关注的主要技术路线，其中超导路线受到热捧，国内外科技企业和初创企业集中布局这一路线，硅半导体和拓扑技术路线也得到了英特尔和微软等科技企业的支持，离子阱、中性原子和光量子技术路线则主要由初创企业推动。近年来，量子计算领域涌现出大量初创企业，成为推动量子计算生态建设和应用场景探索的重要力量。

量子计算产业生态下游包括面向用户提供服务的量子计算云平台企业，以及在各领域开展量子应用探索的行业企业。目前，IBM、亚马逊、微软等科技企业的量子计算云平台，在硬件丰富程度、软件框架完备性、商业模式成熟度等方面形成了较大的优势，已成为业界标杆。未来量子计算云平台的重要发展方向是构建多种技术路线的硬件支撑能力，实现编译指令、中间表示和编程框架等层面的互联互通。当前量子计算的潜在算力优势受到金融、航空航天、汽车、制药等领域欧美领军企业的高度重视，行业企业与量子计算企业联合开展应用探索已蔚然成风。

量子保密通信领域产业化进程持续推进

基于Q K D（量子密钥分发）、QSDC（量子安全直接通信）、QRNG（量子随机数发生器）等技术的量子保密通信，需要通信和信息安全领域的企业、用户联合开展产品研发和应用探索。只有明确系统融合方案和加密应用场景，才能为有高安全性需求的用户提供切实有效且成本收益合理的解决方案，进而带动技术产品规模化部署和产业化发展。量子保密通信领域产业总体架构如图2所示。

近年来，量子保密通信企业与运营商合作开展技术验证和应用探索已渐成趋势，双方在企业合作和网络建设方面取得一定进展。例如，中国移动与国科量子联合组建了信通数智量子科技有限公司，中国电信与国盾量子联合组建了中电信量子科技有限公司。合肥市已经建成包含8个核心节点和159个接入节点，总长度达1147千米的量子保密通信城域网，可为市、区两级党政机关的电子政务网络提供量子安全接入和数据传输加密服务。2023年中国电信投资30亿元在安徽成立了中电信量子信息科技集团有限公司，全面推动量子通信产业化，并提高量子计算和量子测量等领域的开发能力。在“欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）计划”的资金支持下，欧洲多个国家启动了量子通信基础设施建设。西班牙Madrid Quantum项目将建设覆盖马德里大都市区的量子通信城域网，法国、爱尔兰和丹麦等国开始建设量子通信试验网络并开展相关技术产品测试。

QKD、QSDC等技术与不同类型ICT系统及网络的融合应用研究持续开展。中国电信联合华为、烽火通信和国盾量子等企业开展了QKD与OTN（光传送网）设备融合组网的原型产品开发和测试验证，推出了量子保密传送网和OTN融量子加密专线等概念方案。2023年，基于FMF（少模光纤）和分离光放系统，中国电信联合团队完成了QKD与经典光通信系统共纤传输的实验，在100.96千米FMF和经典光通信带宽1Tbit/s的条件下，实现了2.7 kbit/s密钥成码率。华夏银行联合北京量子信息科学研究院开展QSDC在银行关键数据加密传输方面的应用探索。日本东芝和软银合作，在英国建立量子技术中心，开发兼容QKD接口的VPN（虚拟专用网）路由器产品，完成基于IPSec协议的量子加密VPN通信技术实验。英国Bristol大学称，通过将QKD设备与5G天线后端前传网络设施结合，验证了在5G前传光信道中使用量子加密技术的可行性。意大利电信集团与QTI公司合作开展工业网络中的QKD应用演示，可为工控交换机和边缘云计算节点的数据传输提供加密保护服务。

总而言之，量子保密通信在系统、网络架构和安全性等方面的标准化研究已取得阶段性进展，但仍有较大提升空间，产业发展也面临诸多挑战，未来产业界应大力推动技术标准实施验证和产品测评认证。

量子测量产业链形成，规模化商用仍存挑战

在量子信息三大领域中，量子测量具有技术方向多元、应用场景丰富、产业前景明确等特点。量子测量各技术方向的发展成熟度有较大差异，既有原子钟、原子重力仪等成熟的商用产品，也有量子磁力计、光量子雷达和量子陀螺等处于工程化研发和应用探索阶段的样机产品，还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于技术攻关阶段的原型机产品。近年来，国内外量子测量领域的初创企业不断涌现，传统企业也在不同技术方向加大布局力度，由上游材料供应、中游样机产品研发和下游多领域行业应用组成的产业链基本形成（如图3所示）。

量子测量产业链上游主要指系统研发所需基础材料、元器件和支撑系统的提供商。基础材料包括高纯度同位素材料、金刚石、惰性气体等；元器件主要包括激光器、原子气室、光学系统元器件、电子元器件、线缆等；支撑系统主要包括磁屏蔽、真空、低温、隔振等环境保障。量子测量上游厂商主要集中在欧美地区。目前量子测量技术路线多元，所需上游材料、器件差异性较大，给上游企业整合优化带来了挑战。未来，供应链发展需要“产学研”加大合作、产业链上下游协同创新，通过共同研发、技术转让、联合生产等方式，逐步实现上游供应链的整合和优化。此外，建立行业标准和规范也是推动量子测量供应链发展的重要手段，通过制定技术标准和建立检测体系，推动上游材料和器件的标准化，可降低供应链企业的成本和风险。

量子测量产业链中游包含各种技术路线的系统设备提供商。目前可以商用的量子测量设备包括量子时钟、量子重力仪、量子磁力计及其衍生产品、光量子雷达等。冷原子钟多用于计量、授时、基础科研等场景，其设备结构复杂、体积庞大，产业化程度较低。热原子钟已经广泛应用于通信、电力、卫星导航等领域，商业化成熟度最高。近年来，芯片级的热原子钟成为产业界关注的热点，该产品也逐步实现样机向商用产品的迭代演进，如果成本进一步降低，则有望替代现有高精度晶振并改变现有时频网络的体系架构。分子钟是近年来提出的一种新型量子时钟，其利用惰性气体的振动谱特性，有望实现千秒稳10-13~10-11量级，且由纯电学元件驱动，无需光学器件和恒温加热系统，对磁场也不敏感，易实现芯片化，未来应用前景广阔。量子重力仪目前已实现集成化、可移动、自动化控制，未来还需要实现小型化并降低成本。量子磁力计近年来发展迅速，也随之衍生出一系列新型测量传感设备，如脑磁图仪、心磁图仪、量子扫描显微镜、量子电流互感器等，商业成熟度快速提升。量子雷达主要分为两种，一种是基于单光子探测的光量子雷达，另一种是基于量子纠缠、压缩等原理的量子干涉雷达、量子照明雷达和量子增强雷达。前者已经实现商用，后者仍处于原理验证阶段。光量子雷达在环境监测、道路交通、气象测绘等诸多领域具有广阔的应用前景，市场驱动力较大。量子惯性导航系统和原子天线等其他量子测量产品，在国防军工等领域有重要的战略价值，但产品成熟度还有待提升。

量子测量产业下游涉及基础科研、国防军工、生物医疗、能源开发、工业制造、资源勘探、环境监测等诸多领域。当前量子测量技术已经成为传统传感测量技术的有效补充，未来随着样机产品性能指标、工程化水平和体积成本的进一步优化，有望成为超越现有传感测量手段的下一代技术演进方向。但也应看到，大多量子测量技术仍处于实验室研发和原型机攻关阶段，产品如何从“实验室”走到“应用场”、样机整体能力指标如何全方位满足实际应用场景需求，仍是产业界和学术界需要协同解决的瓶颈问题。当前，量子测量技术的商业价值尚未完全显现，社会资本的投入力度有限，主要依靠公共研发资金支持。因此，加大对量子测量领域创新创业的支持力度，是未来推动量子测量技术商业化应用的必要条件。

培育量子信息未来产业需多方共同支持

量子信息技术是挑战人类调控微观世界能力极限的“世纪系统工程”，目前总体处于从基础研究向应用研究转换的发展关键期，近年来该领域科研成果不断涌现、应用探索广泛开展、产业生态方兴未艾，已成为国家培育未来产业、构建新质生产力的焦点之一。

加快量子信息技术发展，推动创新成果应用，构建供应链、人才队伍和未来产业竞争力，已成为全球主要国家战略布局和政策规划的基本共识。新兴技术和未来产业的培育发展，需要政府战略规划和政策引导、公共研发资金投入、科研攻关突破、产业创新推动、行业应用转化等多方要素的共同支持。

面对全球量子信息技术快速发展的形势和日趋白热化的国际竞争态势，我国不进则退、慢进亦退。同时，我国量子信息领域在全方位体系布局、核心技术攻关、产业基础能力支撑、“产学研”协同合作和人才体系建设等方面，也存在一些短板和瓶颈。未来，产业界仍需在完善政策体系布局、强化战略科技力量、加快关键技术攻关、保障自主供给能力、加强“产学研用”协同等方面，进一步聚力加快发展，取得更多技术、应用与产业化成果。

*本文刊载于《通信世界》

总第940期 2024年3月25日 第6期