全球量子信息技术最新进展及对中国的启示

高 芳，徐 峰

(中国科学技术信息研究所，北京 100038)

全球量子信息技术最新进展及对中国的启示

高 芳，徐 峰

(中国科学技术信息研究所，北京 100038)

当前，量子信息技术成为全球一大热点。本文对量子信息技术领域的SCI论文和Innography专利数据进行统计分析，梳理了近期美国、欧盟、英国、韩国和日本推进量子信息技术发展的重大举措，总结提出中国量子信息技术在2010年后已具备一定的竞争优势，同时在制定国家量子信息技术路线图、多层次协同攻克关键技术、发挥企业主导作用以及加强国际合作参与国际标准制定等方面得到几点启示。

量子信息技术；量子通信；量子计算机；技术路线图；文献分析

1 引言

20世纪，依赖于量子力学基本原理的揭示，人类实现了对光子、原子等微观粒子的精确操控，晶体管、传感器、通信与信息处理设备以及光学器件等由此诞生，人类随之进入现代信息社会。进入21世纪，量子纠缠、量子相干性等基础理论的深度研究及其变革式应用成为量子科学领域的研究热点。其中，量子信息技术，作为量子物理与信息科学相结合的前沿科技，在信息处理及传输速度提升、信息安全保障以及信号探测精度提高等方面有可能产生不可预估的影响[1-3]。

近两年量子信息技术发展迅猛，包括量子通信、量子计算机、量子传感器[4-5]、量子导航、量子网络等细分领域均取得若干重大突破[6]。2014年初，美国陆军研究实验室利用量子特性实现图像增强与改进，在低光和气流紊乱情况下2.33千米的成像测试获取了清晰的图像[7]；2015年3月，中国科学技术大学在国际上首次实现多自由度量子体系的隐形传态[8]；2015年12月，谷歌开发出D-Wave 2X量子计算机，其量子退火算法的执行速度较单核经典计算机上模拟退火算法的执行速度快1亿倍[9]。

2016年2月，中国国家重点研发计划中设立“量子调控与量子信息”重点专项，目前已公示拟立项项目清单。同年7月发布的《“十三五”国家科技创新规划》中也进一步明确将设立“量子通信与量子计算机”重大科技项目，研发城域、城际、自由空间量子通信技术，研制通用量子计算原型机和实用化量子模拟机。以上都成为中国当前发展量子信息技术的重要抓手。为了明晰中国在全球量子信息领域中的竞争地位，本文基于SCI论文和专利对全球量子信息基础研究产出和应用研究产出的发展态势进行分析，并重点梳理了近两年美国、欧盟、英国、韩国和日本推进量子信息技术发展的举措，最后结合中国“十三五”科技创新规划中对“量子通信与量子计算机”项目的战略部署，给出了几点启示。

2 基于文献计量分析的量子信息技术发展态势

2.1 数据来源

量子信息技术具体包括量子通信、量子计算机、量子信息存储、量子传感器、量子成像、量子导航、量子系统软件、量子网络等细分领域。除了主题词“quantum computer”“quantum communication”“quantum sensor”等之外，对这些细分领域的关键词进行扩充，得到包含量子算法、量子电路、量子处理器、量子纠错、量子传输、量子加密等在内的共计27个主题词。

以美国ISI出版的SCI为统计源，检索年限为1900—2016年，检索日期为2016年7月16日，基于上述27个主题词进行检索，共得到44540篇文献。在Innography专利数据库中，检索年限未限定，检索日期为2016年7月16日，基于上述27个主题词进行检索，共得到7822件专利。

2.2 基于SCI文献分析的发展态势

该领域最早的SCI论文出现在20世纪20年代，直到1959年期间发表的论文总量未超过10篇，1960—2016年7月全球SCI论文发表的年代分布见图1。进入20世纪80年代，量子信息技术领域的论文发表进入稳步增长期。1982年，量子信息领域的权威学者Feynman在进行物理系统的计算机模拟时认识到叠加态、量子相干性等量子特性有可能会得到应用[10]。短短3年后，Deutsch便建立了量子图灵机的模型[11]。

图1 全球量子信息技术领域SCI论文发表年代分布

进入20世纪90年代，全球量子信息领域论文发表进入快速增长期，特别是从1990年的83篇快速跃升至1991年的243篇。20世纪90年代中后期，世界各国在量子信息方面的科研投资明显增加。这一时期，量子电路基本逻辑门、量子算法Shor算法和Grover算法、量子隐形传态方案被相继提出[12]，量子纠错码成为一个重要的研究方向，到20世纪末量子信息科学进入可工程化阶段[13-14]。进入21世纪以来论文发表量平稳增长，2001—2015年期间年平均增长率保持在10%左右。

对SCI收录的量子信息技术领域论文数量最多的前20位国家和地区进行排名，见图2。整体来看，美国、中国和德国的表现最突出，同时彼此之间的数量差距比较大。美国的论文数量远多于其他国家，占全球论文总量的25.16%，达到位列第二的中国论文总量的1.37倍，中国论文数量的全球占比为18.4%，是德国论文总量的1.57倍。英国、日本、意大利、加拿大和法国的论文总量均已超过2000篇，位置邻近国家之间没有形成较为明显的差距。欧盟地区(此次统计范围不包括英国，以下同)的论文总量超过美国达到15138篇，占全球论文总量的34%。

图2 前20位国家及欧盟地区发表SCI论文数量

排名前10位国家的年度论文发表趋势见图3。从年代分布来看，美国仍然占据明显的优势，早在20世纪90年代初期美国在量子信息技术领域的SCI论文发表量已超过100篇，同期德国、英国和日本较其他国家与美国的差距相对较少，然而直到1995年德国的论文发表数量才接近美国论文数量的40%。中国的论文发表数量在2000年前后进入快速增长期，1999—2010年期间年平均增长率高达31.34%，同期美国SCI论文年平均增长率仅为10.02%，自2012年中国的论文数量超过美国以来，中国的论文发表年增长率均超过美国。长期以来，英国和日本两国的年度论文发表数量非常接近，除了2002年、2003年日本出现短暂的明显优势之外，近期从2012年开始英国的论文数量则较为突出，加拿大的论文数量超过日本排到全球第五位。

图3 前10位国家SCI论文发表年代分布

2.3 基于专利分析的发展态势

截至2016年7月16日，全球量子信息技术领域的专利申请总量为7822件。因专利申请到公开一般有18个月左右延迟，所以2014—2016年数据仅供参考(以下同)。见图4，20世纪60年代初到80年代末是全球量子信息技术专利申请的萌芽期，随后进入稳步发展时期，1983—1993年的年均专利增长率为24.3%，1991年全球专利达到100件。1998—2004年为快速增长期，年均专利增长率为33.6%。2005—2009年该领域专利数量从近500件衰减至326件。2009年之后随着各类研发主体对量子计算核心器件及整机研发、量子通信技术的高度关注，特别是D-Wave公司分别于2007年和2011年成功研制绝热量子计算机和可商用量子计算机D-Wave One之后，激发了全球市场竞争主体的研发热情。而以Google公司为代表的高技术企业更是将量子计算机直接用于解决图像处理、无人驾驶汽车、互联网数据分析等领域。

图4 全球量子信息技术领域专利数量年代分布

按专利申请人所在国家和地区拥有的专利数量进行排名，见图5。表现最为突出的第一梯队国家有美国、中国和日本，相邻位置国家之间的专利数量差距不大。位居第二梯队的国家有韩国、俄罗斯、英国以及加拿大。并且第二梯队国家拥有的专利数量与第一梯队的差距非常明显，第二梯队国家的平均专利拥有量不到第一梯队国家平均拥有量的25%。结合图2的SCI论文产出来看，德国虽排在SCI论文全球排名的第三位，但是其专利申请的优势却不再明显，韩国则与德国相反，韩国的SCI论文产出虽排在全球第19位，但其专利产出却排在全球第4位。欧盟地区的专利总量超过韩国达505件，占全球专利总量的6.45%。

图5 前20位国家及欧盟地区申请专利数量

从排名前6位国家的专利数量年代演化趋势来看(见图6)，在量子信息技术专利申请的稳步发展期，即20世纪80年代至90年代初期，美国、日本和俄罗斯的专利竞争优势较为明显，特别是日本的年均专利数量分别可达到美国、俄罗斯专利拥有量的3.3倍和1.8倍。在随后的全球专利快速增长期，美国和日本的专利增长态势基本相似，且明显优于俄罗斯，2003年前后中国的专利申请已超过俄罗斯。在2009年之后的另一个快速增长期，中国拥有的专利量猛增，不仅超过其历史上任何一个阶段，也超过了其他所有国家；美国的专利量虽是增长态势，但仍未达到其在2004年的最高水平；韩国在该领域的专利拥有量超过俄罗斯和英国，基本与日本持平。

图6 前6位国家专利数量年代分布

对排名前6位国家在美国、中国、日本、英国和韩国的专利布局进行统计，如表1所示，同时将各国向世界知识产权组织(World Intellectual Property Organization，WIPO)递交的国际专利以及在欧洲专利局(European Patent Office，EPO)申请专利的情况统计在内。美国、中国、日本和韩国成为全球量子信息技术布局最为关注的市场。总体来看，各国分别在各自本土拥有最大比例的专利量。

表1 前6位国家在主要国家和组织的专利布局

在第一梯队国家中，与中国和日本相比，美国在各国的专利布局更为均衡。在各国专利授权率对比中，韩国最突出为38%，美国、中国和日本的专利授权率基本在33%左右，英国稍低为28%，俄罗斯的专利授权率仅为6.4%。在国际专利申请对比中，美国和英国的WIPO专利占比均达到12.7%，韩国、日本和俄罗斯的WIPO专利占比分别为5.6%、4.3%和2.6%，中国的WIPO专利占比仅为1.9%。在EPO专利对比中，除了英国达到16.2%的占比外，美国、日本和韩国的EPO占比分别为6.7%、4.2%和1.8%，中国和俄罗斯仅为0.7%和0.2%。

3 各国/地区推动量子信息技术发展的举措

3.1 美国

一直以来，美国高度重视量子信息技术的相关研究，将量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。特别是，美国将量子芯片相关研究计划命名为“微型曼哈顿计划”，将其提升至与原子弹研制同等重要的高度。以美国国防部、美国陆军研究实验室为代表的军方机构主导了相关领域的计划制定与组织实施等。早在2002年，美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)便制定“量子信息科学和技术发展规划”，并于2004年发布2.0版，给出量子计算发展的主要步骤和时间表。这也成为美国早在21世纪初期便已建立量子信息领域先发优势的重要原因。

近期的2007年，DARPA将量子科技作为核心技术基础列入其战略规划[15]，在2015年设定的战略投资领域中，量子物理学成为DARPA的三大技术前沿之一[16]。DARPA希望通过快速推进量子技术，为导航、授时、生化探测、通信和信息处理、计量、电磁频谱深度控制、电子战以及其他应用等带来了新生力量。

2015年初，美国陆军研究实验室(Army Research Laboratory，ARL)发布《2015—2019年技术实施计划》，提出2015—2030财年量子信息科学研发目标与基础设施建设目标，这两大目标又分列近期(2015—2019年)、中期(2020—2025年)和远期(2026—2030年)目标。从近期目标来看，ARL聚焦量子网络硬件与软件基础，即物理架构和网络协议，中期则是基于已实现的量子网络，进一步提升纠缠速度、频率转换速率以及存储时间等网络性能，同时为了满足可应用的需求，在鲁棒性(广义的抗干扰能力)的提升上需要对新技术进行探索。长期目标则是基于稳定的量子系统，探索量子信息的各类应用，特别是实现经典系统无法实现的功能。在相关基础设施方面，计划中近期将实验室设备、制造设施、开发工具与软件等列为建设目标，同时要在2019年之前建成分布式量子信息中心。

3.2 欧盟

作为量子理论的发源地，欧洲希望通过量子技术旗舰计划的实施，引领全球第二次量子革命。2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》[17]，呼吁建立10亿欧元的量子技术旗舰计划，意在培育形成具有国际竞争力的量子工业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位。4月，欧盟正式宣布支持这一计划，将其置于欧洲开放科学云计划(European Open Science Cloud，EOSC)之下，并于2018年启动。这是欧盟继石墨烯旗舰计划(Graphene Flagship)和人脑工程(Human Brain Project)之后，在科研领域又一次大规模、高强度发力，希望借此促进包括安全通信网络、通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。量子技术旗舰计划聚焦在量子通信、量子模拟器、量子传感器和量子计算机这四个细分领域，分别开展短期、中期和长期研究。

计划中将采取的重要行动包括：一是为量子科技有关科学活动的增长提供支撑；二是为量子技术发展打造良好的技术创新与商业创新的生态系统；三是推动学术界和产业界的协同合作，实现量子技术从实验室到产业的高效转移；四是聚焦科学、工程、商业及交叉领域，培养新一代量子技术专家与专业人才；五是协调整个欧洲在量子技术上的公共投入和公共政策；六是促进目前没有强大量子技术研究计划(项目)的成员国加入。

3.3 英国

英国历来十分重视量子科学的基础研究，基于前期研究成果近年来正逐步向基础研究和规模应用并重转变。2015年，英国先后发布《量子技术国家战略》[18]和《英国量子技术路线图》[19]，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位，并通过科学的顶层设计引导未来20年的量子技术研发与应用。

《量子技术国家战略》高度强调未来量子技术的重要性，确定了英国为发展量子技术应开展的五大工作重点：一是打造坚实的科研基础；二是推动量子技术的应用；三是培养专业的量子技术人才；四是创造良好的社会和监管环境；五是鼓励和支持国际合作。《英国量子技术路线图》一方面展现了英国现有的量子技术布局，帮助企业明确可凭借其自身实力获得收益的应用领域，面向学术界、产业界和公共部门制定更广泛的行动，以克服英国量子技术与产业未来发展面临的障碍；另一方面分析得到包括组件技术、原子钟、量子传感器、量子惯性传感器、量子通信、量子增强影像和量子计算机在内的每项量子技术可能商业化的时间，同时每项技术均有相应的发展路线图。

3.4 韩国

韩国的信息通信技术，不论是在技术研发，还是在产业化应用与推广方面，都走在全球的前列[20]。在量子技术方面，韩国集中精力聚焦在量子通信领域，并于2014年12月制订发布了《量子信息通信中长期推进战略》，计划到2020年进入全球量子通信领先国家行列。战略确定了攻克核心技术、构建商用化基础和打造可持续发展能力的三大战略。在推进量子信息技术的研发及商业化方面，重点提高基于有线通信量子密钥通信的技术成熟度，攻克量子计算机的核心关键技术，开发量子元部件。在构建量子密钥通信商用基础方面，要建设量子密钥通信试验网，并建立通信可靠性提升的验证体系。

3.5 日本

日本邮政省自2001年开始开发量子通信技术[21]，并将该技术作为国家级高技术研究开发计划之一，10年内投资约400亿日元，采取产学官联合攻关的方式推进其研发。日本国家信息与通信技术研究院的量子信息通信项目始于同期，主要任务是为构建无条件安全和超大容量通信基础设施提供技术基础，而作为该项目的组成部分，Tokyo QKD网络已于2010年10月正式建立[22]。

近期，日本政府提出以新一代量子通信技术为研究对象的长期战略[23]，并计划在2020—2030年建成绝对安全保密的高速量子通信网，从而实现通信技术应用上质的飞跃。日本国家信息通信技术研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

4 对中国的启示

以学术论文和专利作为主要科研产出进行的统计分析表明，在论文总量和专利总量上虽然中国与美国仍有一定的差距，然而从年代分布来看，中国在量子信息技术领域的SCI论文和专利均在2010年前后超越美国，稳居全球首位。另一方面，论文产出能否带来等量的商品化以及产业化效果，如何提升专利授权率以及扩大在全球的专利布局等，成为中国推进量子信息技术研发及其应用必须解决的重要问题。

当前，第二次量子革命时代已经到来，量子信息技术成为各国聚焦的重点领域，特别是近两年，美国、日本、英国、韩国和欧盟相继提出量子信息技术相关发展战略或规划等。中国早在2001年便在科技部“973”计划和“863”计划，国家自然科学基金以及中国科学院知识创新工程重大项目等对量子信息关键技术进行了前瞻性部署。这成为中国当前在论文和专利产出数量上占据明显优势的重要推动力。

借鉴其他国家近期量子信息技术发展举措经验，结合中国实施“量子通信与量子计算机”重大科技项目、“量子调控与量子信息”重点专项等的战略需求，提出如下几点启示：

首先，加强顶层设计，制定并发布国家量子信息技术发展路线图。客观梳理亟待攻克的量子信息关键技术，科学研判量子信息各细分技术的商用化时间，结合国家已有的技术与应用基础，制定国家量子信息技术发展路线图，形成在国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划等计划中对量子信息技术提供资助的统筹指导，实现对公共财政资金的合理配置。在制定技术发展路线图的同时，注重量子信息基础设施的建设和实验资源与条件的积累。

其次，多层次协同攻关，推动量子信息关键技术突破。一是跨学科协同攻关，量子信息技术涉及物理学、数学、计算机科学、工程学等学科的知识、方法和思维方式，只有建立综合性的系统框架，通过在跨学科合作关系网中融会不同领域的专业知识，才有利于推动创新从量子基础科学发现向实际应用转化。二是产学研协同攻关，将国内相关行业龙头企业以及清华大学、中国科技大学、中国科学院等高校和研究机构联合起来，组织多部门协同创新，同时加强在全球的知识产权布局及有效运营。

再次，提高公众参与度，特别是充分发挥企业在量子信息技术突破和产业化推进过程中的作用。量子技术社会效益和经济价值的充分实现，离不开社会的早期广泛参与，在发展初期便吸引众多不同领域的利益相关者参与进来，不仅有助于推进创新，同时还可确保其商业活力，并有利于创建有效的监管、标准机制等。尤其是中国大力鼓励大众创业、万众创新的当前，帮助不同层次的创新创业主体——企业明确技术挑战和潜在的市场价值等，通过设置示范类项目或工程，支持新技术的早期投资者，以激发某些投资者尽快脱颖而出。

最后，加快突破量子通信和量子计算机有关标准研究，在量子信息全球发展中赢得国际供应链的认同。建立与国际接轨的国内技术与应用标准体系，加强国际交流合作，积极参与国际标准和相关协议的制定，特别是在可能的量子计算机新型架构等领域尽早获得国际话语权。

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(责任编辑 刘传忠)

The Latest Development of Global Quantum Information Technology and Its Implications to China

Gao Fang，Xu Feng

(Institute of Scientific and Technological Information of China，Beijing 100038，China)

Recently，quantum information technology becomes a hot topic.The global competition is revealed based on statistical analysis of SCI papers and Innography patent data.The important initiatives of the United States，European Union，Britain，South Korea and Japan for promoting the development of the quantum information technology are summarized.It is concluded that China has built some certain competitive advantages in the quantum information technology after 2010.Some suggestions are put forward such as developing the technology roadmap，solving key technologies by multilevel cooperation，playing the leading role of the enterprise and strengthing international cooperation for making international standards，etc.

Quantum information technology；Quantum communication；Quantum computer；Technology roadmap；Literature analysis

科学技术部科技创新战略研究专项(ZLY2015153)，国家科技图书文献中心重大专项服务项目(2015XM55)。

2016-09-07

高芳(1980-)，副研究员，工学博士，情报学博士后；研究方向：科技政策、重点科技领域信息分析。

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