量子信息技术应用及产业发展研究综述

彭云峰

摘要：随着量子信息技术的快速发展，当前世界各国加速了在量子信息技术领域的研究和竞争，抢占量子科技的制高点，凸显了推动量子科技发展的重要性和紧迫性。阐述了世界主要国家和地区量子信息技术创新与产业化的有关情况，分析了我国在量子信息技术领域取得的突破性成就，下一步我国在发展量子信息技术与产业方面仍需克服的挑战，并提出了有关工作建议，为推动我国量子信息产业发展提供借鉴。

关键词：量子信息；量子通信；量子计算；量子科技

一、前言

量子信息科技集合了量子力学和信息理论的概念，它的兴起会极大地改变未来计算机、通信、传感和测量等诸多领域的面貌，可能引发“第二次量子革命”[1]。随着量子信息技术的快速发展，欧美等国纷纷加强布局，抢占量子科技的制高点。2021年7月28日，27个欧盟成员国签署《欧洲量子通信基础设施宣言》，建设覆盖全欧的天基和地面量子通信网络，以保障欧盟成员国之间的敏感通信和数据。这是继中美相继实现“量子优越性”之后，世界各国加速了在量子信息技术领域的研究和竞争，也凸显了推动量子科技发展的重要性和紧迫性。

二、世界主要国家和地区量子信息技术创新与产业布局情况

量子信息科学是新一轮科技革命和产业变革的必争领域之一，欧美等国进一步加大量子信息技术发展投入，通过出台政策文件、成立研究机构等方式，促进量子信息技术的研发和产业发展。

2020年7月，美国能源部公布将打造量子互联网，与现有互联网并行。2020年8月，美国宣布斥资9.65亿美元建立下一代量子科学与工程、超导量子材料和系统中心、量子优势联合设计中心、量子系统加速器以及量子科学中心5个量子信息科学中心。2022年12月，美国Q-NEXT国家量子信息科学研究中心发布了《量子互连路线图》，指出量子互连在量子计算、通信和传感技术中的作用，以期促进量子信息技术在电信、能源、金融服务、制药和物流运输等行业的应用。

2018年10月，欧盟启动了预算为10亿欧元的欧洲量子技术旗舰计划，该计划将历时十年，涉及量子通信、量子计算、量子模拟以及量子传感和计量4个领域，为欧洲量子产业的发展奠定了战略基础。2020年5月，欧盟发布《战略研究议程（SRA）》报告，推动建设欧洲的量子通信网络[2]。

2014年，英国开始实施国家量子技术计划，制定了未来五年的量子科技发展计划，并在计划期内建成了量子通信、量子传感、量子成像和量子计算四大研发中心；2018年，在原来计划的基础上，英国制定了新的量子科技发展五年计划，计划投资数亿英镑，建设英国国家量子计算中心和四个量子技术中心。2020年7月，英国国防科学与技术实验室发布研究报告，认为未来5年——10年内，量子信息处理不仅能在防务体系中得到推广应用，还能广泛应用于金融交易、控制系统、传感器数据处理、机器学习、人工智能场景理解等多个领域[3]。

2022年1月，德国启动了欧洲首台超5000量子位元的量子计算机，用于处理优化和采样问题，是欧洲量子计算机发展的一个重要里程碑[4]。

美国、欧盟和欧洲主要国家在量子科技领域内的积极布局，以及2021年7月28日欧盟成员国签署的《欧洲量子通信基础设施宣言》，将进一步加速形成中、美、欧“三足鼎立”的新格局。

三、我国持续加大量子信息技术创新投入并在部分领域取得突破

国家“十四五”规划提出，瞄准人工智能、量子信息等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目，在量子信息等前沿科技和产业变革领域“谋划布局一批未来产业”。党的二十大报告将量子信息等领域取得重大成果作为我国进入创新型国家行列的标志。近些年，我国还相继出台了《战略性新兴产业发展规划》《科技创新专项规划》《科技军民融合专项规划》等十余项政策。在国家的长期支持下，我国在量子科技领域整体处于世界前列，在部分研究方向上已处于领跑。

（1）在量子通信领域。2016年8月，中国墨子号量子卫星发射升空，进入预定轨道，该卫星是中国研制的首颗空间量子科学实验卫星，2022年5月，中国墨子号卫星实现1200千米地表量子态传输新纪录 。2017年9月29日，全长2000余公里的量子保密通信干线“京沪干线”正式开通运行，该干线连接北京、济南、合肥、上海等多个城市，并可通过北京接入点实现与中国墨子号量子卫星的连接。这两大实验工程的成功实施，标志着我国已经处于世界领先地位。

（2）在量子计算领域。国内多个高校团队正在超导、半导等量子计算研究方向全面跟进，2020年12月，76个光子的量子计算机“九章”问世，这是我国实现“量子优越性”里程碑的标志。2021年10月，113个光子的量子计算机“九章二号”问世，并实现了相位可编程功能，可用于求解不同参数数学问题的编程能力。

（3）在量子应用领域。国家有关单位对接联合有关高校团队和产业力量，推进“量子+电子政务”的应用探索。

四、量子信息以技术创新推动产业规模发展仍需克服诸多挑战

虽然目前量子信息技术及产业仍处于发展初期，但深刻影响社会与人们生活的新一次产业革命已经到来。为了抢抓这一重大历史机遇，我国在发展量子信息技术与产业方面需要克服诸多挑战[5-7]。

（1）需要解决关键元器件“卡脖子”的问题。我国在量子信息基础性科研方面存在诸多短板，部分关键元器件仍然依赖进口。随着国际竞争形势的进一步激烈，在产业链上游被“卡脖子”的问题将日益突出。

（2）需要解决基础科研人才不足的问题。我国在量子信息技术领域的投入时间较短，科技人才队伍结构失衡，尤其是物理、材料等基础科研人才不足。随着相关产业不断发展，产业型人才需求不断提升，对基础科研人才的占用影响日益严重。

（3）需要解决国际标准规范体系话语权的问题。在新兴产业发展初期，获得标准规范制定的主导权决定了国家所处的产业生态位。目前ITU、ETSI等国际标准组织都在开展量子信息领域的相关标准制定，抢占标准规范话语权的竞争日趋白热化。

（4）需要解决前沿技术应用初期政府扶持的问题。量子信息技术创新成果不断涌现，但变革性新技术的应用在初期通常面临使用成本、用户体验、市场空间、产业支撑等难题，完全依靠市场化模式不利于快速培育有国际竞争力的产业实体。

五、结语

目前量子信息各技术方向中，量子通信技术已率先进入实用化，通过与国产自主密码技术、5G网络技术等结合，在政务、金融、交通等行业具备广阔的应用前景。为了推动量子信息产业的发展，建议在基础科研、人才培养、制度规范、应用试点等方面加快推进相关工作[8-9]。

（1）加强基础元器件研发与产业培育。一方面依托国家实验室，集中资源加强科研投入，提升国产自主化水平。另一方面对采用国产自主元器件的量子通信产品给予扶持，完善产业链，并发挥产业对技术创新的反哺作用，逐步解决基础科研“卡脖子”难题。

（2）加强“金字塔”型人才队伍培养。一方面扩大基础型人才的培养范围，通过建立量子通信专业的教学体系培养量子物理、量子密码等基础科研人员，通过校企合办产业学院等形式培养产业人才。另一方面加大高端人才的激励力度，从产研两端入手，培养顶级科学家与产业带头人。

（3）加强国际标准规范方面的内部支撑。充分发挥我国在量子通信标准方面的先发优势，统筹高校与企业资源，加快行业规范、国家标准的制定，加强标准的实施落地，为国际标准制定的主导权争夺提供有力支撑。

（4）加强产业应用初期的调控与扶持。一方面建立市场准入制度，集中资源培养一批“独角兽”企业做大做强，为国际竞争做准备。另一方面从中央到地方加大产业扶持力度，鼓励在电子政务、金融、国防、保密等领域规模化试点示范，“边用边改，以用促改”，通过应用挖掘需求，利用需求牵引研发，最终形成产研协同、迭代演进的良性产业生态。H

参考文献

[1]谷峻战，王滨勇.美国联邦政府推动量子信息科技的政策和布局[J].全球科技经济瞭望，2022，37（5）：14-22，50.

[2]游桂，成阳志，杨雨珂，等.世界主要大国和地区的量子科技政策沿革及军民两用应用情况[J].军事文摘，2022，（6）：11-14.

[3]董立勇，马少维.世界主要国家大力推进量子信息技术发展[J].军事文摘，2020 （5）：16-19.

[4]邹丽雪，刘艳丽.欧盟量子技术战略研究及启示[J].世界科技研究与发展，2022，44（1）：25-34.

[5]李刚.我国量子信息技术发展存在的问题与对策研究[J].中国新通信，2021，23（10）：75-76.

[6]郭光灿.量子信息技术研究现状与未来[J].中国科学：信息科学，2020，50（9）：1395-1406.

[7]张威.拥抱量子科技时代：量子计算的现状与前景[J].学术前沿，2021，（7）：64-75.

[8]张倩，李文宇.全球量子信息技术创新发展研究[J].信息通信技术与政策，2020，（12）：81-85.

[9]李非凡.国际量子密码技术专利发展态势与热点分析[J].世界科技研究与发展，2022，44（1）：69-80.