編者按：未來產(chǎn)業(yè)作為前瞻性新興產(chǎn)業(yè)，具備成長(zhǎng)為先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)或支柱性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，是把握未來?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主動(dòng)權(quán)的重要戰(zhàn)略支撐。第一財(cái)經(jīng)持續(xù)關(guān)注未來產(chǎn)業(yè)，通過一線走訪和案頭研究相結(jié)合的方式，將陸續(xù)推出《未來產(chǎn)業(yè)系列白皮書》。量子科技為系列白皮書首期關(guān)注議題。

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目錄

一、量子的定義及特性

1.1 量子疊加

1.2 量子糾纏

1.3 量子去相干

二、量子霸權(quán)時(shí)代來臨

2.1 第二次量子科技革命

2.2 全球量子科技競(jìng)賽

三、量子計(jì)算

3.1 量子計(jì)算的定義及優(yōu)勢(shì)

3.2 量子計(jì)算主要技術(shù)路徑

3.3 量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)

3.4 量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

四、量子通信與安全

4.1 量子保密通信的必要性

4.2 量子保密通信主要技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及難點(diǎn)

4.3 量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)

4.4 量子通信的應(yīng)用

五、量子精密測(cè)量

5.1 量子精密測(cè)量的定義

5.2 量子精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和難點(diǎn)

量子精密測(cè)量的應(yīng)用

六、量子科技投資全景圖

6.1 量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量公司圖譜

6.2 中國(guó)主要量子科技公司評(píng)價(jià)

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一、量子的定義及特性

量子是物理學(xué)上描述微觀世界中微粒的基本單位，它是能量和動(dòng)量的離散單位。量子并不是一個(gè)像電子一樣的“子”，經(jīng)典世界中各種物理現(xiàn)象是連續(xù)變化的，例如溫度，而在微觀世界中，能量的狀態(tài)是不連續(xù)的，是由一塊塊能量共同組成，能量、動(dòng)量等物理量無限分割至無窮小，有一個(gè)最小基本單位，就是量子。在微觀世界里的這種不可無限分割性，就稱為量子化。

量子具備量子疊加、量子糾纏、量子測(cè)量等特性，這些特性不僅在物理學(xué)中具有重要意義，而且在新興的量子技術(shù)領(lǐng)域，如量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量中扮演著關(guān)鍵角色。量子力學(xué)的這些奇特特性為我們提供了全新的視角來理解和利用自然界的基本規(guī)律。

1.1 量子疊加

量子疊加是量子力學(xué)中的一個(gè)重要概念，指的是一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于多個(gè)可能的狀態(tài)之間的疊加態(tài)。在經(jīng)典物理中，物體只能處于一個(gè)確定的狀態(tài)，而在量子力學(xué)中，量子系統(tǒng)可以處于多個(gè)可能的狀態(tài)的線性組合。這意味著在某些情況下，一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，直到被測(cè)量時(shí)才會(huì)坍縮到其中一個(gè)確定的狀態(tài)。

量子疊加是量子計(jì)算和量子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)，通過利用量子疊加可以實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算和提高計(jì)算效率。

1.2 量子糾纏

量子糾纏是量子力學(xué)中一種特殊的相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，指的是當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間發(fā)生相互作用后，它們的狀態(tài)會(huì)變得緊密關(guān)聯(lián)，無論它們之間有多遠(yuǎn)的距離，一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)立即影響另一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。這種關(guān)聯(lián)稱為糾纏。

處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，在被測(cè)量之前，彼此相關(guān)狀態(tài)是無法確立的，但無論兩者相距多遠(yuǎn)，只要糾纏態(tài)不破壞，一旦對(duì)其中的一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，另外的一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)因此確定下來。量子糾纏不僅為量子運(yùn)算提供最有效的并行處理方法，而且也是實(shí)現(xiàn)量子通信所必備的工具。由于對(duì)環(huán)境變化非常敏感，量子糾纏也可以用來制造非常精確且靈敏的量子傳感器。

1.3 量子去相干

量子去相干是指在量子系統(tǒng)中，原本具有相干性（即量子態(tài)的干涉和疊加性質(zhì)）的態(tài)經(jīng)過某種過程或相互作用后，喪失了這種相干性質(zhì)。量子去相干通常會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)變得更加經(jīng)典化，即更接近于經(jīng)典物理中的狀態(tài)。

量子去相干可以發(fā)生在不同的情況下，比如量子測(cè)量、量子退相干、環(huán)境干擾等。其中，環(huán)境干擾是最常見的導(dǎo)致量子去相干的原因，當(dāng)量子系統(tǒng)與其周圍環(huán)境發(fā)生相互作用時(shí)，環(huán)境的不確定性和噪聲會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的干涉效應(yīng)逐漸消失，系統(tǒng)逐漸失去相干性。

量子去相干是影響量子計(jì)算和量子信息處理的一個(gè)重要問題，因?yàn)橄喔尚允橇孔佑?jì)算中的關(guān)鍵資源。因此，研究如何延長(zhǎng)量子態(tài)的相干時(shí)間，減少量子去相干的影響，是當(dāng)前量子信息領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

二、量子霸權(quán)時(shí)代來臨

2.1第二次量子科技革命

量子概念的首次提出可以追溯到1900年，由德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出。普朗克提出了能量量子化的概念，這是量子理論的基礎(chǔ)，由此拉開20世紀(jì)初量子物理學(xué)革命的帷幕。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦進(jìn)一步發(fā)展了量子概念，提出了光量子（光子）的概念，解釋了光電效應(yīng)。

“第一次量子科技革命”始于20世紀(jì)初，以馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤和保羅·狄拉克等人為代表的物理學(xué)家，建立了量子力學(xué)的理論框架，描述了量子力學(xué)的基本特征，實(shí)現(xiàn)了量子力學(xué)與數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的結(jié)合，催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、計(jì)算機(jī)等。

2014年，世界頂尖科學(xué)雜志《自然》（Nature）提出，“第二次量子科技革命”已經(jīng)拉開序幕。

“第一次量子科技革命”將人類從工業(yè)時(shí)代帶入信息時(shí)代，而正在發(fā)生的“第二次量子科技革命”意味著人類將突破經(jīng)典技術(shù)的物理極限進(jìn)入量子時(shí)代，標(biāo)志著人類對(duì)量子世界的探索從單純的“探測(cè)時(shí)代”走向了主動(dòng)的“調(diào)控時(shí)代”，預(yù)示著量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量等領(lǐng)域的重大突破。

“第二次量子科技革命”利用量子糾纏、量子疊加、量子測(cè)量等進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，預(yù)計(jì)將在多個(gè)領(lǐng)域引發(fā)變革：

量子計(jì)算：量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展將經(jīng)歷從專用量子計(jì)算機(jī)到通用量子計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的特定難題。

量子通信：具有防竊聽的通信方式，以量子不可克隆等特性建立安全的通信網(wǎng)絡(luò)。主要技術(shù)包括量子密鑰分配（QKD）、量子隱形傳態(tài)（QT）等，量子通信技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。

量子精密測(cè)量：量子精密測(cè)量技術(shù)為科研和工業(yè)帶來更高精度的測(cè)量工具，由于量子態(tài)對(duì)外界環(huán)境變化及其敏感，量子精密測(cè)量的靈敏度及分辨率將大幅突破經(jīng)典極限，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

“第二次量子科技革命”正在改變我們對(duì)量子世界的理解，并推動(dòng)量子技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子科技有望在未來幾十年內(nèi)徹底改變我們的生活和工作方式。

2.2 全球量子科技競(jìng)賽

“量子技術(shù)革命給予中國(guó)一次‘換道超車’的機(jī)遇。”臺(tái)灣大學(xué)原代理校長(zhǎng)、中原大學(xué)講座教授、富士康量子研究所顧問張慶瑞在其《量子大趨勢(shì)》一書中表示。

在信息科技時(shí)代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提升遵循摩爾定律。摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?，納米制程的精準(zhǔn)控制成為信息科技時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)，但隨著晶體管尺寸接近原子尺度，繼續(xù)縮小晶體管的物理尺寸變得越來越困難。

在“第二次量子科技革命”中，是利用量子疊加、量子糾纏與量子測(cè)量等特性來創(chuàng)造全新的量子組件，并不單純依賴摩爾定律的微縮技術(shù)，只要能夠掌握物體特性，甚至亞微米技術(shù)都可以做出具備量子糾纏特性的量子組件，而具備糾纏特性的量子組件性能遠(yuǎn)由于經(jīng)典電子元器件，“第二次量子科技革命”將帶來更具顛覆性的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)。

被譽(yù)為中國(guó)“量子之父”的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授曾表示，在現(xiàn)代信息科學(xué)方面，中國(guó)一直扮演學(xué)習(xí)者和追隨者的角色，如今到量子科技時(shí)代，如果我們盡力而為，就可以成為其中的主力。

目前我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的成就已經(jīng)在全球領(lǐng)先：2016年成功發(fā)射世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”；2017年的2000千米長(zhǎng)距離京滬量子通信線路；2018年，“墨子號(hào)”分別與中國(guó)興隆、奧地利格拉茨地面站進(jìn)行了超過7600千米的星地量子密鑰分配；2022年，清華大學(xué)教授龍桂魯團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了100千米量子直接通信，打破了“量子直接通信”的世界記錄。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，2020年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布成功構(gòu)建76個(gè)光子的原型機(jī)“九章”，成為第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy）（注）的國(guó)家；2021年6月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布“祖沖之號(hào)”可編程的56個(gè)量子比特的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，將超級(jí)計(jì)算機(jī)需要8年完成的任務(wù)縮短成1.2個(gè)小時(shí)，中國(guó)是唯一在超導(dǎo)和光量子兩條技術(shù)路徑上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，從投資總額來看，2023年全球量子信息投資規(guī)模達(dá)到386億美元，其中中國(guó)投資總額達(dá)150億美元，位居全球第一。

目前中國(guó)和美國(guó)在量子科技競(jìng)爭(zhēng)中居于領(lǐng)先地位，歐洲及其他傳統(tǒng)科技強(qiáng)國(guó)也在積極追趕，目前量子科技雖有領(lǐng)先者，但所有參與者都離起跑線不遠(yuǎn)，因此“換道超車”遠(yuǎn)比在其他科技領(lǐng)域有更多的機(jī)會(huì)。

2021年，我國(guó)“十四五”規(guī)劃綱要提出，要加快布局量子計(jì)算、量子通信等先進(jìn)技術(shù)，目標(biāo)是到2030年完成國(guó)家量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開發(fā)通用量子計(jì)算機(jī)。

（注：量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy），也稱為量子霸權(quán)，是指量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，能夠超越最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力。這個(gè)概念是由物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）在2012年提出的，用以描述量子計(jì)算機(jī)在解決某些問題上相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的顯著優(yōu)勢(shì)。）

三、量子計(jì)算

量子計(jì)算作為一門前沿科技，近年來吸引了全球科研人員和資本的極大關(guān)注。它利用量子力學(xué)原理，突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于二進(jìn)制的計(jì)算方式，展現(xiàn)出在某些特定問題上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛力。隨著量子物理理論的不斷深入和量子技術(shù)的日益成熟，量子計(jì)算逐漸從理論走向?qū)嵱没徽J(rèn)為是未來計(jì)算技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3.1 量子計(jì)算的定義及優(yōu)勢(shì)

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)原理，使用量子比特作為信息的基本單元進(jìn)行計(jì)算的一種技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)的超并行性來自于量子比特的疊加狀態(tài)，多個(gè)量子比特與同樣數(shù)目的經(jīng)典比特比較，計(jì)算能力差別是指數(shù)級(jí)的。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的是二進(jìn)制位（bit），每個(gè)比特位要么是0要么是1，而量子計(jì)算機(jī)的量子比特（qubit）可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)的增加，N個(gè)量子比特就可以同時(shí)有個(gè)值，這就相當(dāng)于在同一個(gè)時(shí)刻，可以進(jìn)行個(gè)運(yùn)算。

量子計(jì)算機(jī)通過量子算法操縱這些疊加態(tài)以及量子比特之間的相互作用，能夠同時(shí)處理大量可能的計(jì)算路徑，使得量子計(jì)算機(jī)在解決某些特定類型的問題時(shí)，如整數(shù)分解、搜索算法等，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多。

3.2 量子計(jì)算主要技術(shù)路徑

我國(guó)高度重視量子科學(xué)的研究，相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策和規(guī)劃，支持量子技術(shù)的研究與應(yīng)用。在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在超導(dǎo)量子計(jì)算、光量子計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)路線上已取得了一系列具有國(guó)際影響力的成果，在全球量子計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)中居于較領(lǐng)先地位。

當(dāng)前量子計(jì)算處在的早期探索階段，量子比特的發(fā)展方向非常多元，主流方案包含超導(dǎo)、離子阱、光量子、超冷原子、硅基量子點(diǎn)和拓?fù)淞孔拥龋径佳刂孔佑?jì)算優(yōu)越性——專用量子計(jì)算——通用量子計(jì)算的路線圖發(fā)展。

根據(jù)前沿科技咨詢機(jī)構(gòu)ICV發(fā)布的《2024全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望》報(bào)告，從全球主要量子計(jì)算整機(jī)企業(yè)分布看，中美兩國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位，美國(guó)20家、中國(guó)18家，分別占28%、25%。從技術(shù)路線分布看，超導(dǎo)、離子阱、光量子路徑最受關(guān)注。2023年全球71家主要量子計(jì)算整機(jī)企業(yè)中，19家為超導(dǎo)量子計(jì)算路徑，占比27%，其中美國(guó)8家，中國(guó)5家；其次為光量子計(jì)算路徑，共計(jì)13家，占比為18%，其中中國(guó)企業(yè)最多，達(dá)到4家；10家為離子阱量子計(jì)算路徑，占比為14%，中國(guó)企業(yè)占據(jù)4家。

（1）超導(dǎo)量子計(jì)算路徑

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前最為成熟的量子計(jì)算技術(shù)之一。它基于超導(dǎo)量子電路，通過對(duì)超導(dǎo)量子比特進(jìn)行操控來進(jìn)行信息的處理。超導(dǎo)量子電路在設(shè)計(jì)、制備和測(cè)量等方面與現(xiàn)有的集成電路系統(tǒng)兼容性較高，并且可以使用傳統(tǒng)電子元器件作為控制系統(tǒng)。IBM、英特爾、谷歌、本源量子、國(guó)盾量子等在超導(dǎo)量子計(jì)算路徑上進(jìn)行研發(fā)。

超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢(shì)在于其較高的連續(xù)性和可擴(kuò)展性，以及相對(duì)較低的失真率。該技術(shù)路線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多量子比特之間的糾纏和量子門操作，為構(gòu)建實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。然而，超導(dǎo)量子比特對(duì)環(huán)境的溫度和電磁干擾非常敏感，因此需要在極低溫和屏蔽良好的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

美國(guó)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈布局完善，IBM、谷歌、微軟等頭部科技企業(yè)入局，尤其在超導(dǎo)量子計(jì)算路徑上有顯著優(yōu)勢(shì)。在超導(dǎo)量子芯片領(lǐng)域，2023年12月，IBM發(fā)布了全球首款超過1000量子比特的量子計(jì)算處理器芯片Condor，其擁有1121量子比特。

2024年4月，中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院發(fā)布了一款504比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“驍鴻”，刷新國(guó)內(nèi)超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量的紀(jì)錄。

中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授、中電信量子集團(tuán)及國(guó)盾量子（688027.SH）首席科學(xué)家彭承志表示，超導(dǎo)量子計(jì)算芯片可以復(fù)用較成熟的半導(dǎo)體芯片加工技術(shù)，在比特?cái)?shù)量擴(kuò)展上特別有優(yōu)勢(shì)，因此研發(fā)“不算難”，“最困難的是如何讓量子比特的質(zhì)量和數(shù)量同步提升，從而真正提升芯片的性能，更精密地調(diào)控大規(guī)模量子比特，這是國(guó)際主流科研團(tuán)隊(duì)都在攻堅(jiān)的。”

量子計(jì)算機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力取決于多個(gè)因素，以超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)為例，包括比特?cái)?shù)、保真度、相干時(shí)間、門操作速度、連通性等。其中，比特?cái)?shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。但是需要特別注意的是，單談比特?cái)?shù)是沒有意義的，更重要的是在大規(guī)模量子比特下，門保真度（特別是雙比特門保真度）、相干時(shí)間以及比特的連通性等。

此外，超導(dǎo)材料的特性在于當(dāng)溫度降至某一臨界溫度以下時(shí)，電阻為零，電流可以無損耗地流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)量子比特的高效操作和穩(wěn)定存儲(chǔ)，量子芯片需要在-273.12℃或更低的極低溫環(huán)境中運(yùn)行，所以稀釋制冷機(jī)是超導(dǎo)量子計(jì)算的關(guān)鍵設(shè)備之一。

目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)取得重大突破，實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)達(dá)同類產(chǎn)品國(guó)際主流水平。由國(guó)盾量子推出的可商用可量產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)ez-Q Fridge為量子芯片提供低至10mK級(jí)別的極低溫低噪聲環(huán)境，制冷功率達(dá)到450uW@100mK（450uW@100mK代表稀釋制冷機(jī)在100 mK溫度時(shí)的制冷功率能達(dá)到450uW，制冷功率越大，就可以支撐更高比特?cái)?shù)的量子計(jì)算），并服務(wù)于“祖沖之二號(hào)”實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)；由本源量子自主研發(fā)的本源SL1000稀釋制冷機(jī)可提供10mK以下的極低溫環(huán)境及不低于1000μW @100mK的制冷量，滿足超導(dǎo)量子計(jì)算、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、深空探測(cè)等前沿技術(shù)領(lǐng)域的極低溫環(huán)境需求。

實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”是衡量量子計(jì)算機(jī)性能的關(guān)鍵，即針對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。目前全世界只有兩臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：美國(guó)“懸鈴木”、中國(guó)“祖沖之二號(hào)”。

“祖沖之二號(hào)”由中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海技術(shù)物理研究所合作研發(fā)的66量子比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)。2023年5月，該團(tuán)隊(duì)在原“祖沖之二號(hào)”66量子比特的芯片基礎(chǔ)上做出提升，新增了110個(gè)耦合比特的控制接口，使得用戶可操縱的量子比特?cái)?shù)達(dá)到176比特。

國(guó)盾量子作為唯一參與“祖沖之號(hào)”研發(fā)的企業(yè)單位，通過超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)的供應(yīng)鏈管理和整合能力（包括室溫操控系統(tǒng)、低溫信號(hào)傳輸系統(tǒng)、芯片封裝系統(tǒng)、操控軟件系統(tǒng)等），目前已成功對(duì)外銷售4臺(tái)量子計(jì)算機(jī)整機(jī)。

此外，由本源量子研發(fā)的第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”于2024年1月上線運(yùn)行，“本源悟空”搭載的是72位超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，共有198個(gè)量子比特，其中包含72個(gè)工作量子比特和126個(gè)耦合量子比特。

（注：量子比特（qubit）是量子計(jì)算的基本單元，它是量子信息的載體，類似于經(jīng)典計(jì)算中的比特。量子比特可以處于疊加態(tài)，即同時(shí)處于多種狀態(tài)的疊加，這使得量子計(jì)算機(jī)可以在同一時(shí)間處理多個(gè)計(jì)算任務(wù)。耦合量子比特（cQubit）是一種特殊的量子比特，它們之間存在相互作用或耦合。耦合量子比特通常用于實(shí)現(xiàn)量子門操作，允許不同量子比特之間進(jìn)行信息交換和相互影響?？偟膩碚f，量子比特是量子計(jì)算的基本單元，而耦合量子比特是用于實(shí)現(xiàn)量子門操作和量子計(jì)算的一種特殊形式的量子比特。

（2）光量子計(jì)算路徑

光量子計(jì)算路徑利用光子作為信息的載體，通過量子光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程。光量子計(jì)算的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于光子本身與環(huán)境交互作用非常微弱，可以維持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的量子態(tài)，保真度高。此外，光量子計(jì)算在室溫下即可進(jìn)行，不像超導(dǎo)量子計(jì)算需要極低溫環(huán)境。其技術(shù)挑戰(zhàn)在于光子的生成、操作和檢測(cè)等方面，需要高精度的操控技術(shù)和設(shè)備。目前使用光子作為量子計(jì)算機(jī)路徑的公司有PsiQuantum、Xanadu、圖靈量子和玻色量子。

中國(guó)是唯一在超導(dǎo)和光量子兩條技術(shù)路徑上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家，除了超導(dǎo)量子計(jì)算路徑的“祖沖之號(hào)”，我國(guó)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的量子計(jì)算機(jī)還有一臺(tái)——由中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)研制的“九章”系列，“九章”系列采用光量子計(jì)算路徑。

在特定功能量子計(jì)算機(jī)方面，中國(guó)在光量子計(jì)算路徑上取得了較大突破和進(jìn)展。2023年10月，中科大團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”。該原型機(jī)由255個(gè)光子構(gòu)成，在解決高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題方面比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，再度刷新了光量子信息技術(shù)的世界紀(jì)錄。此外，玻色量子于2024年4月發(fā)布的新一代550計(jì)算量子比特的相干光量子計(jì)算機(jī)——“天工量子大腦550W”，通過與以“開物SDK”為代表的開發(fā)套件及與多行業(yè)生態(tài)伙伴共研的“量子算法”相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化量子計(jì)算的突破。

與通用型量子計(jì)算機(jī)可以隨意變更執(zhí)行計(jì)算程序不同，特定功能量子計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行特定的量子算法，如果要處理原設(shè)計(jì)功能之外的計(jì)算就必須更改硬件或設(shè)備。

在可編程通用型光量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，圖靈量子推出了國(guó)內(nèi)首個(gè)光量子計(jì)算編程框架DeepQuantum。利用DeepQuantum中的QubitCircuit，開發(fā)者能夠輕松構(gòu)建和模擬量子線路，快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，通過DeepQuantum的QumodeCircuit，用戶可以深入研究光量子線路，并開發(fā)基于高斯玻色采樣等算法的實(shí)際應(yīng)用。DeepQuantum不僅包括自動(dòng)微分功能，還內(nèi)置了多種非梯度優(yōu)化器，幫助用戶高效實(shí)現(xiàn)和探索變分量子算法。同時(shí)，圖靈量子將在量擎云平臺(tái)上部署光量子計(jì)算硬件，用戶將可以通過DeepQuantum體驗(yàn)真實(shí)的量子計(jì)算。

（3）離子阱量子計(jì)算路徑

離子阱量子計(jì)算路徑是一種利用離子（通常是帶電原子或分子）作為量子比特來執(zhí)行量子信息處理的技術(shù)。利用外在電磁場(chǎng)將離子“囚禁”在一定范圍內(nèi)，借助電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力控制離子的運(yùn)動(dòng)。離子阱量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定糾纏態(tài)時(shí)間長(zhǎng)，邏輯門保真度高，但技術(shù)難點(diǎn)在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)大量離子的穩(wěn)定“囚禁”和準(zhǔn)確操控，同時(shí)需要激光冷卻技術(shù)和超高真空環(huán)境，與集成電路的兼容性待開發(fā)，導(dǎo)致擴(kuò)展性受到限制。目前深耕離子阱量子計(jì)算技術(shù)的公司主要有Quantinuum、IonQ、啟科量子、華翊量子、國(guó)儀量子等。

華翊量子于2023年發(fā)布規(guī)模達(dá)37量子比特的第一代離子阱量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化原型機(jī)HYQ-A37，它的量子比特相干時(shí)間、保真度等相關(guān)性能指標(biāo)均達(dá)國(guó)際一流水平。目前用戶可通過預(yù)約的方式使用可視化工具或代碼編輯器快速進(jìn)行量子電路的設(shè)計(jì)，并通過遠(yuǎn)程訪問HYQ-A37執(zhí)行計(jì)算任務(wù)與獲得實(shí)時(shí)的圖形化計(jì)算結(jié)果反饋。華翊量子預(yù)計(jì)將于2024年推出110比特的低溫離子阱量子計(jì)算機(jī)。

3.3 量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程及技術(shù)難點(diǎn)

從上世紀(jì)八十年代開始，量子計(jì)算經(jīng)過了基本物理思想和初級(jí)原理的驗(yàn)證，現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)到達(dá)NISQ（含噪聲中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)）階段。

擁有50至100量子比特的高保真量子門的計(jì)算機(jī)被稱為NISQ計(jì)算機(jī)，“含噪聲”指的是量子比特之間存在一定程度的噪聲和誤差，容錯(cuò)性較低，還無法實(shí)現(xiàn)精確的量子計(jì)算。容錯(cuò)通用型量子計(jì)算機(jī)是長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，還需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，而含噪聲中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)超超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以執(zhí)行一些特定的量子算法和任務(wù)，在一些應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出量子優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要制約因素有：

（1）極端低溫要求：為了維持量子比特的量子態(tài)穩(wěn)定性，量子計(jì)算機(jī)需要在近似絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境中操作。這種條件下，量子比特才能有效地展現(xiàn)出量子糾纏和量子疊加的特性。制冷系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)行成本高昂，并且隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，相應(yīng)的制冷要求也會(huì)上升，有效且便宜的低溫技術(shù)有待改進(jìn)。

（2）量子位的穩(wěn)定性問題：量子位（或量子比特）是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單位，但它們非常脆弱，容易受到噪聲和外部干擾的影響，導(dǎo)致量子退相干。退相干會(huì)破壞量子信息，使得計(jì)算結(jié)果不可靠。增加量子位的相干時(shí)間是目前的研究熱點(diǎn)。

（3）量子誤差校正：量子計(jì)算過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且由于量子位的特殊性質(zhì)，這些錯(cuò)誤不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的錯(cuò)誤。開發(fā)有效的量子誤差校正技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的量子計(jì)算至關(guān)重要，但目前的量子誤差校正算法仍然復(fù)雜且難以擴(kuò)展。

（4）可擴(kuò)展性：現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的量子位數(shù)量相對(duì)較少，而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的計(jì)算則要求有成百上千乃至更多的量子位。如何在不降低單個(gè)量子位質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模擴(kuò)展，是一個(gè)技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。

（5）材料和技術(shù)限制：制造高質(zhì)量量子位需要先進(jìn)的材料和精密的制造工藝。例如，超導(dǎo)量子位需要高純度的超導(dǎo)材料，而離子阱技術(shù)則需要高精度激光和真空系統(tǒng)。這些技術(shù)的發(fā)展和成熟度直接影響量子計(jì)算機(jī)的性能和可行性。

（6）算法和軟件發(fā)展不足：盡管已知某些量子算法在理論上能夠提供超越經(jīng)典計(jì)算的性能，但量子計(jì)算機(jī)的算法庫和軟件工具仍然有限，缺乏廣泛適用的量子軟件平臺(tái)和編程框架。

（7）理論和實(shí)驗(yàn)之間的差距：量子計(jì)算在理論上的進(jìn)展很快，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這些理論的步伐相對(duì)慢。許多理論尚未在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，因此必須在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)計(jì)上進(jìn)行大量的創(chuàng)新和優(yōu)化。

（8）人才和知識(shí)的短缺：量子計(jì)算是一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域，涉及物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。當(dāng)前，具備跨學(xué)科知識(shí)和技能的研究人員和工程師相對(duì)稀缺，這限制了量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展速度。

（8）應(yīng)用場(chǎng)景的局限性：目前量子計(jì)算機(jī)在某些特定問題上顯示出潛力，如化學(xué)模擬、密碼破解和復(fù)雜優(yōu)化問題。然而，在許多通用計(jì)算任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)尚不明顯，且需要進(jìn)一步探索其在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際價(jià)值。

如上，盡管量子計(jì)算商業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但量子科技已經(jīng)從理論研究階段進(jìn)入工程階段，未來容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將顛覆幾乎所有行業(yè)，現(xiàn)有科技產(chǎn)業(yè)在“第二次量子科技革命”后將出現(xiàn)巨大變化，必須提前準(zhǔn)備好進(jìn)入一個(gè)嶄新的量子時(shí)代。

3.4 量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

（1）量子計(jì)算云平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”是量子計(jì)算商業(yè)化、普及化的必要前提，量子計(jì)算云平臺(tái)則是量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。

目前量子計(jì)算機(jī)的硬件成本極高，特別是對(duì)于高保真度和大規(guī)模量子比特的系統(tǒng)，同時(shí)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)需要專業(yè)的技術(shù)和環(huán)境。量子計(jì)算云平臺(tái)為大學(xué)、科研院所、企業(yè)等提供了低成本觸達(dá)量子計(jì)算系統(tǒng)的方式。

一方面，云平臺(tái)可以快速更新和部署最新的量子計(jì)算技術(shù)和算法，用戶可以即時(shí)體驗(yàn)到技術(shù)進(jìn)步帶來的優(yōu)勢(shì)；另外一方面，用戶在試用云平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和測(cè)試時(shí)，可以向平臺(tái)提供商反饋問題和需求，促進(jìn)技術(shù)的迭代和優(yōu)化。量子計(jì)算云平臺(tái)作為連接不同量子計(jì)算企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)用戶的橋梁，促進(jìn)量子計(jì)算與各行各業(yè)之間的合作，共同推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

2023年5月，國(guó)盾量子發(fā)布新一代量子計(jì)算云平臺(tái)，接入了自研的“祖沖之號(hào)”同款176比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，不僅刷新了國(guó)內(nèi)云平臺(tái)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)比特?cái)?shù)記錄，也成為國(guó)際上首個(gè)在超導(dǎo)量子路線上具有實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性潛力、對(duì)外開放的量子計(jì)算云平臺(tái)。國(guó)盾量子表示，未來還計(jì)劃接入多臺(tái)高性能量子計(jì)算機(jī)，互相災(zāi)備并迭代更新，使得云平臺(tái)硬件保持國(guó)際先進(jìn)水平。

2023年11月，國(guó)盾量子協(xié)助中電信量子集團(tuán)“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)和中國(guó)電信“天翼云”超算平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，構(gòu)建“超算-量子計(jì)算”混合計(jì)算架構(gòu)體系。

（2）量子計(jì)算主要應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，2023年全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到47億美元，2023至2028年的年平均增長(zhǎng)率（CAGR）預(yù)計(jì)將達(dá)到44.8%，受益于通用量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和專用量子計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，到2035年量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)總市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到8117億美元。

作為一種新興的計(jì)算技術(shù)，量子計(jì)算在金融、醫(yī)藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域都顯示出了突破性的應(yīng)用潛力。其中，金融行業(yè)是量子計(jì)算潛在的重要應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)ICV預(yù)測(cè)，全球量子計(jì)算下游應(yīng)用占比中，2035年金融領(lǐng)域的市場(chǎng)份額最高，將達(dá)到51.9%，較2030年的15.8%實(shí)現(xiàn)顯著提升。其次為醫(yī)藥和化工領(lǐng)域，分別為20.5%、14.2%。

量子計(jì)算在金融領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，旨在降低成本并減少處理時(shí)間，目前主要包括：風(fēng)險(xiǎn)管控、衍生性商品定價(jià)、投資組合優(yōu)化、套利交易及信用評(píng)分等。

國(guó)內(nèi)外的主流金融公司，如摩根大通（J.P Morgan）、高盛集團(tuán)均成立了量子部門來研發(fā)量子金融應(yīng)用；本源量子與中國(guó)經(jīng)濟(jì)信息社新華財(cái)經(jīng)聯(lián)合發(fā)布“量子金融應(yīng)用”，該應(yīng)用在新華財(cái)經(jīng)App上線，提供了量子計(jì)算在投資組合優(yōu)化、衍生品定價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)分析等方面的應(yīng)用；建設(shè)銀行在量子信息技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了積極的探索和實(shí)踐，成立了量子金融應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，與國(guó)內(nèi)外量子安全、量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)合作，開展了一系列前瞻性研究和創(chuàng)新性探索。建設(shè)銀行推出了“量子貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法”和“量子投資組合優(yōu)化算法”等量子金融應(yīng)用算法，這些算法在風(fēng)險(xiǎn)分析和投資組合優(yōu)化方面展現(xiàn)出了量子計(jì)算的潛力。

在醫(yī)藥研發(fā)和化學(xué)材料科學(xué)方面，量子計(jì)算機(jī)能夠模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和材料特性，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)新藥物、新材料以及優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)過程具有重要意義。

新材料和新藥物具備龐大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是在醫(yī)藥領(lǐng)域，如果量子計(jì)算能夠通過計(jì)算分析取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的方式，不僅大幅減少新藥開發(fā)的時(shí)間，更可以節(jié)約龐大的醫(yī)藥開發(fā)成本。推動(dòng)量子計(jì)算在醫(yī)藥研發(fā)和材料科學(xué)方面的應(yīng)用，但仍需要配合特定的量子算法。

2022年7月，華大生命科學(xué)研究院與量旋科技合作，探索量子計(jì)算在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。他們利用量子算法實(shí)現(xiàn)基因組組裝，解決了基因組組裝的問題，并使用更少的量子資源模擬更大的量子系統(tǒng)，為在NISQ時(shí)代模擬大規(guī)模系統(tǒng)提供了可能性。

2022年3月，圖靈量子借助張量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過張量的縮并，實(shí)現(xiàn)38倍提速量子AI藥物設(shè)計(jì)，并推出一系列量子AI應(yīng)用模塊，其中 QuOmics（基因組學(xué)）、QuChem（藥物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、QuDocking（藥物虛擬篩選）、QuSynthesis（化學(xué)分子逆合成）等四大模塊，已實(shí)現(xiàn)不同程度的量子算法增強(qiáng)。

2021年4月，本源量子發(fā)布本源量子化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)ChemiQ 2.0，為量子計(jì)算在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)，賦能量子計(jì)算在新醫(yī)藥、新材料、新能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

在人工智能領(lǐng)域，由于量子比特可以處于多個(gè)狀態(tài)，因此可以使用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集和復(fù)雜模型。這將有助于提高人工智能系統(tǒng)的性能，并推動(dòng)人工智能技術(shù)向前發(fā)展。

量子計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合，利用量子計(jì)算機(jī)善于處理大量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，幫助機(jī)器學(xué)習(xí)突破參數(shù)過多的瓶頸，是最近重要的研究方向。IBM在Qiskit架構(gòu)下，加入機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，結(jié)合量子計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)點(diǎn)，利用量子計(jì)算機(jī)處理大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，建立量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型的未來優(yōu)勢(shì)。

四、量子通信與安全

量子通信作為量子科技的重要分支，是對(duì)信息傳輸技術(shù)的重大突破，也是最先進(jìn)入實(shí)用化階段、發(fā)展最為成熟的量子科技技術(shù)。量子通信讓通訊更安全，量子通信尤其是量子保密通信已基本實(shí)現(xiàn)實(shí)用化?；诹孔用荑€分發(fā)技術(shù)，量子保密通信在中國(guó)已經(jīng)有許多工程應(yīng)用，下游是信息安全行業(yè)，產(chǎn)業(yè)成熟度高。

在國(guó)家政策的支持下，我國(guó)量子通信行業(yè)近年迅猛發(fā)展，已處于世界領(lǐng)先水平。隨著眾多優(yōu)秀企業(yè)和科研院校的不斷加入，量子通信行業(yè)也成為一、二級(jí)市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。

4.1 量子保密通信的必要性

量子技術(shù)被認(rèn)為是科技領(lǐng)域的下一個(gè)里程碑。量子計(jì)算帶來計(jì)算能力的飛躍，使得處理復(fù)雜問題如同小兒科，無論是藥物設(shè)計(jì)、氣候模擬，還是優(yōu)化大型系統(tǒng)，量子計(jì)算都有望大顯身手。但這把雙刃劍也將帶來巨大威脅——它能在瞬息之間破解現(xiàn)今大多數(shù)加密技術(shù)。

傳統(tǒng)的公鑰密碼體系，如RSA、ECC（橢圓曲線密碼學(xué)）等，依賴于整數(shù)因式分解和離散對(duì)數(shù)問題的計(jì)算難度，破解所需的時(shí)間極其漫長(zhǎng)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下十分安全。

然而，隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，Shor算法等量子算法被發(fā)現(xiàn)能夠快速破解這些問題。以目前最流行和廣泛使用的加密算法——RSA算法為例，現(xiàn)在最常見的是2048位加密（密鑰長(zhǎng)度越長(zhǎng)破解時(shí)間越久），而Shor算法理論上能夠在短短8小時(shí)內(nèi)破解長(zhǎng)達(dá)2048位的RSA加密，從而威脅傳統(tǒng)公鑰密碼體系的安全性。

關(guān)于量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)密碼學(xué)的威脅和擔(dān)憂已經(jīng)存在一段時(shí)間，但目前尚未變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。量子計(jì)算機(jī)的算力取決于能夠處理的量子比特?cái)?shù)，目前的量子計(jì)算機(jī)只有數(shù)百到一千個(gè)噪聲量子比特，用于創(chuàng)建少量穩(wěn)定和糾錯(cuò)的量子比特。而要威脅到傳統(tǒng)加密技術(shù)，需要數(shù)千個(gè)穩(wěn)定的量子比特，這可能需要數(shù)百萬個(gè)噪聲量子比特。因此，雖然量子計(jì)算機(jī)的能力正在迅速發(fā)展，但還沒有達(dá)到威脅經(jīng)典加密的水平，但有業(yè)內(nèi)專家表示，可能在未來5-10年內(nèi)或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到這一水平。

盡管量子計(jì)算對(duì)傳統(tǒng)密碼學(xué)的威脅目前仍停留在理論階段，但目前一個(gè)最大的問題在于敏感信息的前向安全問題，雖然現(xiàn)在量子計(jì)算技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)真正突破，但很多加密敏感信息在網(wǎng)上流轉(zhuǎn)，這意味著不法分子可以現(xiàn)在竊取加密數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)起來，等量子計(jì)算技術(shù)成熟后再來解密。

應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，目前主要采取量子密鑰分發(fā)（QKD，Quantum Key Distribution）、后量子密碼（PQC，Post-Quantum Cryptography）、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）、量子隱形傳態(tài)（QT，Quantum Teleportation）等量子通信保密技術(shù)，其中QKD被認(rèn)為是理論上唯一無條件安全的通信方式，因?yàn)镼KD密鑰安全性是基于量子物理定律，而不是基于數(shù)學(xué)問題的計(jì)算復(fù)雜性。我國(guó)在基于QKD技術(shù)的量子保密通信組網(wǎng)建設(shè)上已初具規(guī)模，商業(yè)化應(yīng)用正在持續(xù)推進(jìn)，而PQC算法目前正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化論證。

4.2 量子保密通信的主要技術(shù)

量子計(jì)算是“矛”，量子保密通信是“盾”。在“第二次量子科技革命”正式來臨之前，量子保密通信技術(shù)的發(fā)展為信息安全提供了新的解決方案，特別是在高安全需求的領(lǐng)域，如政府通信、金融交易和國(guó)防安全等。隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的推廣，量子保密通信有望在未來構(gòu)建更加安全和可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列的設(shè)備或算法，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在密碼學(xué)中非常重要，用于生成加密密鑰、初始化向量（IV）和其他需要保密的參數(shù)。它們確保了加密過程的安全性和不可預(yù)測(cè)性。

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器分為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG，True Random Number Generator）和偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（PRNG，Pseudo-Random Number Generator），TRNG一般指基于物理過程或自然現(xiàn)象產(chǎn)生隨機(jī)性，例如電子設(shè)備的熱噪聲、放射性衰變、光子到達(dá)時(shí)間等。由于它們依賴于不可預(yù)測(cè)的物理過程，因此被認(rèn)為是“真”隨機(jī)的。而PRNG使用確定性的算法，從一個(gè)初始狀態(tài)（種子）出發(fā)，按照算法規(guī)則生成隨機(jī)的數(shù)列。

由于TRNG每秒產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的數(shù)量有限，通常TRNG會(huì)作為PRNG的“種子”，產(chǎn)生真實(shí)且無法重復(fù)的隨機(jī)數(shù)序列，盡管PRNG也被稱為隨機(jī)數(shù)生成器，但實(shí)際上是高度可預(yù)測(cè)的，只要知道了算法和種子狀態(tài)，所以尋找完美的TRNG一直是重要研究方向。

量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）就是完美的TRNG，QRNG借用量子力學(xué)的量子隨機(jī)疊加性，利用量子世界概率特性，制作出真正的隨機(jī)密鑰。由于QRNG的量子機(jī)制已被充分掌握與理解，因此產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的量子組建已經(jīng)被使用在信息加密上。QRNG目前主要研發(fā)方向在制作出更經(jīng)濟(jì)、更快速和更微型的量子隨機(jī)芯片上。

（2）量子密鑰分發(fā)（QKD）

量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子態(tài)攜載信息，通過特定協(xié)議在通信雙方之間共享密鑰，該技術(shù)應(yīng)用了量子力學(xué)的基本特性，確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會(huì)被合法用戶所發(fā)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)迄今為止理論上唯一無條件安全的通信方式。

量子密鑰分發(fā)（QKD）的關(guān)鍵是用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，而量子態(tài)具有以下兩個(gè)關(guān)鍵特性，從而保證了信息的安全傳輸：

第一，量子態(tài)的測(cè)量會(huì)改變其狀態(tài)：根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)引起其狀態(tài)的改變。如果有人試圖竊取傳輸中的信息，必須對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量，這樣就會(huì)對(duì)量子系統(tǒng)造成影響，被合法用戶所察覺到。

第二，量子態(tài)的不可克隆性：根據(jù)量子力學(xué)的原理，不可能對(duì)未知的量子態(tài)進(jìn)行完美的復(fù)制。這意味著無法在傳輸過程中竊取量子態(tài)的完整信息，保證了信息的安全性。

現(xiàn)階段，量子保密通信技術(shù)主要是利用QKD網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)密鑰的安全分發(fā)，再與對(duì)稱密碼技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而保證信息的安全傳輸。簡(jiǎn)單而言，就是在單模光纖兩端加上能代替常用光模塊功能的、光量子態(tài)的發(fā)送和接受設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于物理加密的保密通信。

QKD技術(shù)是實(shí)現(xiàn)量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，但有了各種安全的QKD協(xié)議之后，速度快和傳輸距離遠(yuǎn)的量子網(wǎng)也是實(shí)現(xiàn)量子通信不可或缺的一部分。盡管量子通信技術(shù)在QKD等方案的推動(dòng)下已初步走向?qū)嵱没珎鬏斁嚯x和成本仍是制約整個(gè)行業(yè)的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素。商業(yè)化、基于光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD在傳輸距離上受到限制，而衛(wèi)星對(duì)地QKD遠(yuǎn)距離傳輸又需要例如衛(wèi)星等昂貴組件。量子通信的未來發(fā)展目標(biāo)是建立一個(gè)覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，相關(guān)技術(shù)仍需要進(jìn)一步突破。

（3）量子隱形傳態(tài)（QT）

量子隱形傳態(tài)（QT）是一種基于量子力學(xué)原理的信息傳輸方式。它允許在沒有物理傳輸介質(zhì)的情況下，將一個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)（比如一個(gè)量子比特）精確地從一個(gè)地點(diǎn)（通常稱為“發(fā)送端”）傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)（通常稱為“接收端”）。量子隱形傳態(tài)并不涉及物質(zhì)本身的瞬間移動(dòng)，而是量子信息的瞬間轉(zhuǎn)移。

量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)基于以下量子力學(xué)原理：

量子糾纏（Quantum Entanglement）：兩個(gè)或多個(gè)量子粒子之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，即使它們相距遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)改變會(huì)立即影響到與之糾纏的其他粒子的狀態(tài)。

量子態(tài)的不可克隆定理（No-Cloning Theorem）：不可能制作一個(gè)未知量子態(tài)的完美副本。

量子測(cè)量（Quantum Measurement）：對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量會(huì)導(dǎo)態(tài)的坍縮，測(cè)量結(jié)果通常是隨機(jī)的。

量子隱形傳態(tài)的基本步驟包括：

a. 準(zhǔn)備一對(duì)糾纏粒子，并將其中一個(gè)發(fā)送給接收端，另一個(gè)留在發(fā)送端。

b. 在發(fā)送端將待傳輸?shù)牧孔颖忍嘏c發(fā)送端的糾纏粒子進(jìn)行特定的聯(lián)合測(cè)量。這個(gè)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子比特的信息轉(zhuǎn)移到接收端的糾纏粒子上，但這個(gè)過程是隨機(jī)的，并且會(huì)破壞原始的量子比特狀態(tài)。

c. 將聯(lián)合測(cè)量的結(jié)果（經(jīng)典信息）通過普通的通信渠道（比如電話或者互聯(lián)網(wǎng)）發(fā)送到接收端。

d. 根據(jù)接收到的經(jīng)典信息，接收端對(duì)其擁有的糾纏粒子進(jìn)行一系列的量子操作，以此來重構(gòu)原始的量子比特狀態(tài)。

通過這個(gè)過程，發(fā)送端的量子信息被“隱形傳輸”到了接收端。重要的是要注意，量子隱形傳態(tài)并不允許超光速通信，因?yàn)橹貥?gòu)原始狀態(tài)需要依賴于經(jīng)典通信渠道傳輸?shù)男畔?，而這個(gè)傳輸速率受限于光速。

量子隱形傳態(tài)目前主要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行研究，量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，有望在未來的量子互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。

（4）后量子密碼（PQC）

PQC技術(shù)是指研發(fā)設(shè)計(jì)能夠抵抗量子計(jì)算機(jī)攻擊的加密算法。目前，PQC以及量子密碼學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)出多種密碼學(xué)技術(shù)和算法用于對(duì)抗量子計(jì)算的威脅，其重點(diǎn)就是避免使用整數(shù)因式分解和離散對(duì)數(shù)問題來加密數(shù)據(jù)。具體方法包括基于格的密碼學(xué)、基于哈希的密碼學(xué)、基于代碼的密碼學(xué)和基于多變量的密碼學(xué)。

其中，基于格的加密技術(shù)被認(rèn)為是目前最為突出和可靠的。在由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）主導(dǎo)的全球影響力最大的PQC標(biāo)準(zhǔn)化工作中，其2023年選定的四種標(biāo)準(zhǔn)化算法，有三種都是基于格的加密技術(shù)。

新的后量子密碼雖然能抵抗Shor量子算法的破譯，但也并非萬無一失。一方面，盡管這些后量子密碼學(xué)問題目前看來難以攻破，但未來可能發(fā)現(xiàn)新的解決這些問題的方法；另一方面，后量子密碼算法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)也可能存在缺陷，或者在參數(shù)選擇上出現(xiàn)失誤，這些都可能成為潛在的安全漏洞。

據(jù)悉，目前對(duì)PQC算法的安全性已經(jīng)從理論層面的數(shù)學(xué)漏洞拓展到實(shí)際應(yīng)用層面，被NIST提名的標(biāo)準(zhǔn)化算法之一的Kyber密鑰封裝機(jī)制（KEM），在2023年接連爆出在應(yīng)對(duì)側(cè)信道攻擊上的安全漏洞。

實(shí)際攻擊的出現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在部署PQC算法時(shí)，及時(shí)檢查并修復(fù)潛在漏洞的重要性，促使PQC算法的不斷改進(jìn)和演進(jìn)，以提高真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中的安全性。

密碼技術(shù)對(duì)于國(guó)家安全而言，處于一個(gè)非常重要的地位。為了保持?jǐn)?shù)字世界的安全，PQC技術(shù)需要不斷發(fā)展和更新，以隨時(shí)適應(yīng)新的威脅。

4.3 量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)

（1）我國(guó)量子通信保密網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況

量子保密通信網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備包括QKD產(chǎn)品、信道與密鑰組網(wǎng)交換產(chǎn)品等。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，包括局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。

局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)單位或一處地點(diǎn)內(nèi)多個(gè)終端的接入，對(duì)距離要求不高；城域網(wǎng)負(fù)責(zé)城市范圍內(nèi)不同區(qū)域的連接，上聯(lián)骨干網(wǎng)，下聯(lián)局域網(wǎng)；而骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨省、跨城的連接（包括地面光纖和衛(wèi)星-地面站兩種實(shí)現(xiàn)方式），現(xiàn)階段以地面光纖為主，對(duì)距離要求高。

2016年8月，我國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號(hào)，成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家，并充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

2018年經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，中國(guó)科學(xué)院旗下的國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司承擔(dān)了建設(shè)國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程的任務(wù)，2022年全線貫通并通過驗(yàn)收。國(guó)家量子骨干網(wǎng)覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈等國(guó)家重要戰(zhàn)略區(qū)域，地面干線總里程超10000公里，是全球首個(gè)、也是目前唯一的大規(guī)模廣域量子網(wǎng)絡(luò)。

2023年6月，在第五屆長(zhǎng)三角一體化發(fā)展高層論壇上，由國(guó)科量子建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)三角區(qū)域量子保密通信骨干網(wǎng)建設(shè)成果發(fā)布。長(zhǎng)三角區(qū)域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)線路總里程約2860公里，形成了以合肥、上海為核心節(jié)點(diǎn)，鏈接南京、杭州、無錫、金華、蕪湖等城市的環(huán)網(wǎng)。

城域網(wǎng)方面，2022年8月，安徽合肥開通了當(dāng)時(shí)全國(guó)最大、覆蓋最廣、應(yīng)用最多的量子城域網(wǎng)——合肥量子城域網(wǎng)，包含8個(gè)核心網(wǎng)站點(diǎn)和159個(gè)接入網(wǎng)站點(diǎn)，光纖全長(zhǎng)1147公里。

目前二三十個(gè)城市都有自己的量子城域網(wǎng)，量子骨干網(wǎng)干線建設(shè)也有望加速帶動(dòng)相應(yīng)配套城市的城域網(wǎng)建設(shè)。以上海為例，在2024年3月22日舉行的上海市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)上，上海電信表示規(guī)劃在上海區(qū)域內(nèi)建設(shè)量子保密通信城域網(wǎng)，有望在2024年完成一期建設(shè)，從而成為全國(guó)首個(gè)實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)桿范例。

量子骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資與整個(gè)項(xiàng)目的體量相當(dāng)大，而目前量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與客戶群體相對(duì)傳統(tǒng)項(xiàng)目較少。因此，后續(xù)量子應(yīng)用部分仍需要各行業(yè)共同努力推廣，以加速整個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

按照“四新”（新賽道、新技術(shù)、新平臺(tái)、新機(jī)制）標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)務(wù)院國(guó)資委近期遴選確定了首批啟航企業(yè)，加快新領(lǐng)域新賽道布局、培育發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，重點(diǎn)布局人工智能、量子信息、生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域。

此前在2024年1月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部和國(guó)務(wù)院國(guó)資委等七部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》提出，前瞻部署新賽道，推動(dòng)下一代移動(dòng)通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、量子信息等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

相關(guān)政策的密集出，體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)量子通信技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)，為行業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的政策支持，有望推動(dòng)中國(guó)量子通信行業(yè)在未來達(dá)到新的高度。

（2）量子互聯(lián)網(wǎng)

量子互聯(lián)網(wǎng)（Quantum Internet）是一個(gè)基于量子信息技術(shù)的全新的通信網(wǎng)絡(luò)概念，它利用量子力學(xué)的原理來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的生成、存儲(chǔ)、傳輸和處理。與傳統(tǒng)的基于經(jīng)典物理原理的互聯(lián)網(wǎng)不同，量子互聯(lián)網(wǎng)的核心在于利用量子比特和量子糾纏特性來提供更為安全和高效的通信能力。

量子互聯(lián)網(wǎng)除了可以絕對(duì)安全地傳送量子信息，還可以使用量子傳感器與量子計(jì)算機(jī)來從事量子精密測(cè)量、量子數(shù)字簽證、分布式量子計(jì)算等。

量子互聯(lián)網(wǎng)具備三大要點(diǎn)：一是網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備是量子設(shè)備；二是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖橇孔有畔?；三是該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞交诹孔恿W(xué)。

盡管已有一些量子通信衛(wèi)星和地面基站建成，并成功實(shí)現(xiàn)了跨地區(qū)的量子密鑰分發(fā)，但構(gòu)建一個(gè)全球性的量子互聯(lián)網(wǎng)還面臨著巨大的技術(shù)和工程挑戰(zhàn)，需要解決現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。

目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)利用光纖的QKD的使用安全距離達(dá)到百千米上下，在現(xiàn)有技術(shù)下，通過可信中繼器可以有效加長(zhǎng)量子通信的距離。

2017年，我國(guó)量子保密通信干線“京滬干線”，通過32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通全場(chǎng)約2000千米的城際光纖量子網(wǎng)并順利與量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功對(duì)接，構(gòu)建成世界上第一個(gè)星地量子互聯(lián)網(wǎng)。

2018年1月，中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)7600千米的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信，標(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時(shí)代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供一個(gè)改變世界的機(jī)會(huì)，全球主要國(guó)家都在積極布局。2020年8月，美國(guó)能源部發(fā)布《建立全國(guó)量子網(wǎng)引領(lǐng)通信新時(shí)代》的報(bào)告，提出10年內(nèi)建成全國(guó)性量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖。

總體而言目前商用量子計(jì)算機(jī)還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，連接量子計(jì)算機(jī)的量子互聯(lián)網(wǎng)仍是未來概念，目前各國(guó)推動(dòng)的QKD量子保密通信網(wǎng)絡(luò)是量子互聯(lián)網(wǎng)的雛形，量子互聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是將量子計(jì)算、量子測(cè)量等功能融合。

4.4量子通信的應(yīng)用

根據(jù)ICV預(yù)測(cè)，2021年，全球量子通信市場(chǎng)規(guī)模約為23億美元，預(yù)計(jì)到2025年，增長(zhǎng)到153億美元，到2030年，增長(zhǎng)到421億美元，2021-2030年CAGR約為34%。

量子通信產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游元器件及核心設(shè)備，中游網(wǎng)絡(luò)傳輸線路及系統(tǒng)平臺(tái)以及下游安全應(yīng)用市場(chǎng)。目前，量子通信市場(chǎng)仍處于通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，核心設(shè)備以及解決方案仍是產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵。根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，上中游的核心設(shè)備及解決方案2025年市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)占比達(dá)到80%，約122.4億美元。

從目前我國(guó)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況看，12000多公里的量子骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)完成。按照總體規(guī)劃，后續(xù)可能還有將近2萬公里的骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，涉及到北京到蘭州、張家口、西安等地。

隨著我國(guó)量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善，下游商業(yè)化應(yīng)用也值得期待。ICV咨詢數(shù)據(jù)顯示，2021年量子通信下游應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模約為2.3億美元，2025年量子通信下游應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為30.6億美元，2030年將達(dá)到117.88億美元，2021-2030年CAGR約為54.87%。

目前量子保密通信仍局限于國(guó)防、金融、政務(wù)等領(lǐng)域，未來量子通信產(chǎn)業(yè)將賦能更多下游場(chǎng)景，相關(guān)企業(yè)正在積極探索更多商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域。

其中，國(guó)盾量子聯(lián)合合作伙伴，將量子安全技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等融合，共同推動(dòng)“量子+”產(chǎn)業(yè)生態(tài)。國(guó)盾量子與中國(guó)電信共同推出了“量子安全OTN專線”“量子加密對(duì)講”等產(chǎn)品和業(yè)務(wù)，量子密話業(yè)務(wù)的用戶數(shù)目前已達(dá)到百萬級(jí)以上；國(guó)盾量子及參股企業(yè)浙江國(guó)盾電力開展電力領(lǐng)域“量子+5G”應(yīng)用示范，浙江省首座“量子+變電站”已在紹興投入運(yùn)營(yíng)；與釘釘（中國(guó)）等企業(yè)合作，共同研發(fā)“量子安全應(yīng)用門戶”等系列安全辦公產(chǎn)品。

隨著量子密鑰分發(fā)（QKD）組網(wǎng)技術(shù)成熟，終端設(shè)備趨于移動(dòng)化、小型化，量子保密通信應(yīng)用將擴(kuò)展到電信網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、個(gè)人家庭網(wǎng)等領(lǐng)域。

五、量子精密測(cè)量

量子精密測(cè)量技術(shù)是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論的，采用粒子能級(jí)躍遷、量子糾纏、量子相干等技術(shù)原理，對(duì)微觀粒子如原子、光子等量子態(tài)制備、測(cè)量和讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理參數(shù)如磁場(chǎng)、頻率、電場(chǎng)、時(shí)間、長(zhǎng)度等物理參數(shù)的高準(zhǔn)確度精密測(cè)量。

5.1 量子精密測(cè)量的定義

量子精密測(cè)量的重要技術(shù)手段包括：基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量、量子相干疊加測(cè)量和量子糾纏測(cè)量，也是量子力學(xué)的基本屬性。

（1）基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量

根據(jù)玻爾的原子理論，原子從一個(gè)高的“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí)便會(huì)釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的。當(dāng)待測(cè)物理量與量子體系相互作用時(shí)，量子體系發(fā)生如能級(jí)躍遷、能級(jí)劈裂或簡(jiǎn)并等變化，此時(shí)量子體系就會(huì)輻射或吸收光譜，輻射或吸收光譜的能量大小與被測(cè)量的物理量相關(guān)?；谖⒂^粒子能級(jí)測(cè)量的技術(shù)對(duì)外界環(huán)境（如溫度、磁場(chǎng)等）要求較高，依賴于對(duì)量子態(tài)的操控技術(shù)。如1967年將銫原子中電子能級(jí)躍遷周期的9192631770倍定義為1s就是應(yīng)用了微觀粒子能級(jí)的技術(shù)原理。

（2）基于量子相干性測(cè)量

基于量子相干性測(cè)量技術(shù)主要利用量子體系的波動(dòng)特性，待測(cè)物理量對(duì)兩束原子束產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)兩束原子發(fā)生干涉時(shí)，待測(cè)物理量就反應(yīng)在原子束的相位差。原子陀螺儀、重力梯度儀等就是運(yùn)用基于量子相干的技術(shù)原理。基于量子相干的技術(shù)手段已經(jīng)應(yīng)用在重力探測(cè)、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域。下一步的發(fā)展趨勢(shì)是朝著小型化、芯片化發(fā)展，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)用性。

（3）基于量子糾纏測(cè)量

基于量子糾纏的測(cè)量技術(shù)是讓n個(gè)量子處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對(duì)這n個(gè)量子的作用將相干疊加，使得最終的測(cè)量精度達(dá)到單個(gè)量子的1/n。該精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達(dá)到的最高精度——海森堡極限。目前，基于量子糾纏的測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括量子通信、量子衛(wèi)星導(dǎo)航、量子雷達(dá)等。

簡(jiǎn)單來說，量子精密測(cè)量就是利用量子疊加、量子糾纏特性，從基本原理方面突破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的經(jīng)典極限，將環(huán)境中的各種變化，如溫度、磁場(chǎng)、壓力、時(shí)間、長(zhǎng)度、重量等各種基本物理量和導(dǎo)出量，都提升到量子極限。

5.2 量子精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和難點(diǎn)

在量子信息三大領(lǐng)域中，量子測(cè)量具有技術(shù)方向多元、應(yīng)用場(chǎng)景豐富、產(chǎn)業(yè)化前景明確的特點(diǎn)。量子測(cè)量各技術(shù)方向的發(fā)展成熟度有較大差異，既有原子鐘、原子重力儀等已成熟商用產(chǎn)品，也有量子磁力計(jì)、光量子雷達(dá)和量子陀螺儀等處于工程化研發(fā)和應(yīng)用探索階段的樣機(jī)產(chǎn)品，還有量子關(guān)聯(lián)成像、里德堡原子天線等尚處于系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)的原型機(jī)。

量子精密測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步需要在量子物理、材料科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合和創(chuàng)新，面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)，主要包括：

（1）量子糾纏的生成和維持：量子糾纏是量子精密測(cè)量中的關(guān)鍵資源，但是在實(shí)驗(yàn)中生成高質(zhì)量的糾纏態(tài)并不容易，且糾纏態(tài)很容易因?yàn)橥饨绛h(huán)境的干擾而解纏（即退相干）。

（2）退相干和噪聲控制：量子系統(tǒng)非常脆弱，容易受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致量子態(tài)的退相干。同時(shí)，各種噪聲源，如熱噪聲、電磁噪聲等，也會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果。因此，要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，就需要極好地控制噪聲和退相干。

（3）探測(cè)器的效率與分辨率：量子精密測(cè)量常常需要高效率和高分辨率的探測(cè)器來檢測(cè)量子態(tài)。目前的探測(cè)器仍有提升空間，特別是在探測(cè)效率和時(shí)間分辨率方面。

（4）系統(tǒng)標(biāo)定和誤差分析：為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要對(duì)量子測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精確的標(biāo)定。此外，測(cè)量結(jié)果的誤差分析也非常復(fù)雜，需要考慮系統(tǒng)誤差、統(tǒng)計(jì)誤差等多種因素。

（5）量子態(tài)的操控：量子精密測(cè)量往往需要對(duì)量子態(tài)進(jìn)行精細(xì)的操控，包括制備特定的量子態(tài)、實(shí)現(xiàn)精確的量子態(tài)轉(zhuǎn)換等。這些操作對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求極高。

（6）材料和器件的開發(fā)：制作用于量子精密測(cè)量的材料和器件，如量子點(diǎn)、超導(dǎo)量子干涉器等，既要滿足量子測(cè)量的需求，又要具備穩(wěn)定性和可重復(fù)性，這在材料科學(xué)和器件工程上都是挑戰(zhàn)。

（7）大規(guī)模量子系統(tǒng)的可擴(kuò)展性：雖然對(duì)于小規(guī)模量子系統(tǒng)，我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的控制，但是如何將這些技術(shù)擴(kuò)展到大規(guī)模系統(tǒng)，以便獲得更高精度的測(cè)量結(jié)果，依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，這些難點(diǎn)將逐步被克服，從而推動(dòng)量子精密測(cè)量向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。國(guó)際計(jì)量體系正處在由基于經(jīng)典物理的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)向“量子標(biāo)準(zhǔn)”發(fā)展變革的時(shí)期。

2021年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》以及2022年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《十四五”市場(chǎng)監(jiān)管現(xiàn)代化規(guī)劃》中，都明確提到要建立以量子計(jì)量為核心的國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系，要研建量子計(jì)量基準(zhǔn)，研究基于量子效應(yīng)和物理常數(shù)的量子計(jì)量技術(shù)，推進(jìn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)換代。

5.3 量子精密測(cè)量的應(yīng)用

根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，全球量子精測(cè)量密市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2023年的14.7億美元增長(zhǎng)到2035年的39.0億美元，呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.79%。其中，量子時(shí)鐘、量子重力儀&梯度儀、量子磁力計(jì)三大細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模較大，合計(jì)約占量子精密測(cè)量市場(chǎng)的85%。

（1）量子時(shí)鐘

原子鐘作為一種相對(duì)成熟的量子精密測(cè)量產(chǎn)品，具有高度準(zhǔn)確和穩(wěn)定的時(shí)間測(cè)量能力。目前光學(xué)原子鐘技術(shù)正迅速拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋了鐵路移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)中心、國(guó)防和科學(xué)測(cè)量等多個(gè)行業(yè)。這一趨勢(shì)表明光學(xué)原子鐘不僅在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中有著卓越表現(xiàn)，還逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，為不同行業(yè)提供精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量和同步服務(wù)。

量子時(shí)鐘憑借其極高的穩(wěn)定性和精度，可以在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。以下是一些主要的應(yīng)用場(chǎng)景：

全球定位系統(tǒng)（GPS）和衛(wèi)星導(dǎo)航：量子時(shí)鐘可用于提高GPS和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度。由于這些系統(tǒng)依賴于精確的時(shí)間測(cè)量來計(jì)算位置信息，因此量子時(shí)鐘可以極大地提高它們的性能和可靠性。

科學(xué)研究：物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其是那些涉及到測(cè)量極其細(xì)微時(shí)間差異的實(shí)驗(yàn)，可以從量子時(shí)鐘的高精度和穩(wěn)定性中獲益。這包括基礎(chǔ)物理常數(shù)的測(cè)量、精密量子實(shí)驗(yàn)、天體物理學(xué)觀測(cè)和探索宇宙的基本定律。

通信網(wǎng)絡(luò)：量子時(shí)鐘可以提高網(wǎng)絡(luò)同步的精度，這對(duì)于維護(hù)高速數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。隨著數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷擴(kuò)展，對(duì)時(shí)間同步的需求也在不斷增長(zhǎng)。

金融交易：在金融行業(yè)中，交易需要精確的時(shí)間戳記。量子時(shí)鐘的精確度可以用于提高交易系統(tǒng)的透明度和公正性，尤其是在高頻交易中。

軍事和國(guó)防：精確的時(shí)間測(cè)量對(duì)于現(xiàn)代軍事通信、導(dǎo)航、情報(bào)收集和武器系統(tǒng)至關(guān)重要。量子時(shí)鐘可以提高這些系統(tǒng)的性能和準(zhǔn)確性。

量子計(jì)算和量子信息：量子時(shí)鐘還可以在量子計(jì)算機(jī)和量子通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，這些領(lǐng)域依賴于精確控制和測(cè)量量子比特（qubits）的狀態(tài)。

地球物理學(xué)和氣候監(jiān)測(cè)：量子時(shí)鐘有望用于更精確地監(jiān)測(cè)地球的自轉(zhuǎn)、地殼運(yùn)動(dòng)和海平面變化，這些數(shù)據(jù)對(duì)于了解和預(yù)測(cè)氣候變化和自然災(zāi)害至關(guān)重要。

深空探測(cè)：在深空任務(wù)中，量子時(shí)鐘可以提供更精確的導(dǎo)航和控制，幫助航天器進(jìn)行長(zhǎng)距離的宇宙旅行。

根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，2023-2035年，量子時(shí)鐘市場(chǎng)呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模從2023年的5.8億美元增長(zhǎng)到12.1億 美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)到5.77%。

（2）量子重力儀

量子重力儀是一種高精度的儀器，它利用量子力學(xué)的原理來測(cè)量地球的重力場(chǎng)。這些設(shè)備通常使用超冷的原子云，通過對(duì)原子的自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)量，來探測(cè)重力場(chǎng)的微小變化。量子重力儀的工作原理基于量子干涉，這是一種量子物理現(xiàn)象，其中原子的波函數(shù)（或狀態(tài)）被分割、轉(zhuǎn)移和再組合，以產(chǎn)生可測(cè)量的干涉圖案。

隨著科學(xué)研究和工程應(yīng)用對(duì)重力場(chǎng)和重力梯度的精確測(cè)量需求不斷提高，量子重力儀和量子重力梯度儀憑借其高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景可靠性、無漂移等優(yōu)勢(shì)在領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

地球物理學(xué)研究：探測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)、地震監(jiān)測(cè)、火山活動(dòng)研究、地下水位測(cè)量等。

礦產(chǎn)和石油勘探：確定地下巖石密度分布，幫助發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源和油田。

工程與建筑：在建筑工程中，監(jiān)測(cè)重力變化以評(píng)估地基的穩(wěn)定性。

國(guó)防和國(guó)家安全：量子重力儀的高精度測(cè)量能力在國(guó)防領(lǐng)域有潛在應(yīng)用，例如用于水下導(dǎo)航和地下結(jié)構(gòu)探測(cè)。

導(dǎo)航系統(tǒng)：為潛艇或其他需要精確地面參照數(shù)據(jù)的車輛提供精確的慣性導(dǎo)航信息。

目前，量子重力儀與梯度儀主要被用于軍事領(lǐng)域。根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，2023年軍事國(guó)防占據(jù)了44%的市場(chǎng)份額，其次是研究領(lǐng)域，占據(jù)了33%的份額，而與油氣勘探相關(guān)的民用市場(chǎng)則占據(jù)了23%的份額。

隨著技術(shù)的不斷成熟以及下游應(yīng)用市場(chǎng)的不斷拓展，產(chǎn)品的價(jià)格和性能將發(fā)揮關(guān)鍵作用，民用市場(chǎng)將帶來量子重力儀和量子重力梯度儀市場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。市場(chǎng)規(guī)模從2023年的1.7億美元迅速增長(zhǎng)至2035年的10.7億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15.21%，彰顯了該領(lǐng)域的巨大潛力。

（3）量子磁力計(jì)

量子磁力計(jì)是一種利用量子效應(yīng)來測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的儀器。它們通常比傳統(tǒng)磁力計(jì)更敏感，能夠檢測(cè)極其微弱的磁場(chǎng)。量子磁力計(jì)工作的基本原理是，當(dāng)某些物質(zhì)（通常是原子或電子）的量子態(tài)受到外部磁場(chǎng)的影響時(shí)，它們的能級(jí)會(huì)發(fā)生變化。通過精確測(cè)量這些能級(jí)變化，可以推算出磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

在當(dāng)前量子磁力計(jì)市場(chǎng)中，技術(shù)多樣性是顯著的特點(diǎn)。各種技術(shù)，包括質(zhì)子磁力計(jì)、SQUID磁力計(jì)、 OPM磁力計(jì)、SERF磁力計(jì)、NV色心磁力計(jì)等，都在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這使得市場(chǎng)在技術(shù)上呈現(xiàn)出多元化和廣泛的選擇。

量子磁力計(jì)具有高靈敏度和精確度，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，以下是一些主要的應(yīng)用場(chǎng)景：

地球物理勘探：量子磁力計(jì)可以用于探測(cè)地下的磁性礦物，如鐵礦石，從而幫助地質(zhì)學(xué)家識(shí)別礦產(chǎn)資源。此外，它們還可以用于監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)變化，以預(yù)測(cè)地震和其他地質(zhì)事件。

醫(yī)療成像：在磁共振成像（MRI）中，量子磁力計(jì)可以幫助提高成像的分辨率和質(zhì)量。此外，它們還可以用于磁粒子成像（MPI）技術(shù)，這是一種新興的成像技術(shù)，有望在未來成為一種無輻射的醫(yī)學(xué)成像方法。

生物學(xué)研究：量子磁力計(jì)可以用于測(cè)量生物體內(nèi)的微弱磁場(chǎng)，例如，監(jiān)測(cè)心臟的磁場(chǎng)變化以研究心臟疾病，或者跟蹤神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)傳導(dǎo)。

軍事和安全：在軍事領(lǐng)域，量子磁力計(jì)可以用于探測(cè)潛艇、地雷或其他隱藏的金屬物體。此外，它們還可以用于防止間諜設(shè)備的偵聽和監(jiān)視。

空間和天文物理學(xué)：量子磁力計(jì)能夠探測(cè)太空中的微弱磁場(chǎng)，從而幫助研究太陽風(fēng)、行星磁場(chǎng)和星際磁場(chǎng)等現(xiàn)象。

基礎(chǔ)物理研究：在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中，量子磁力計(jì)可以用于探測(cè)極其微弱的磁場(chǎng)，這對(duì)于粒子物理、量子物理和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。

工業(yè)應(yīng)用：量子磁力計(jì)可以用于無損檢測(cè)，例如檢測(cè)管道、飛機(jī)和橋梁中的微小裂紋和腐蝕，以確保這些結(jié)構(gòu)的安全性。

量子磁力計(jì)在科學(xué)研究中的應(yīng)用日益廣泛，尤其在物理學(xué)、地球科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域，量子磁力計(jì)廣泛應(yīng)用于磁性材料測(cè)試、電子制造等。這些應(yīng)用的拓展進(jìn)一步推動(dòng)了市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)。

根據(jù)ICV數(shù)據(jù)，量子磁力計(jì)市場(chǎng)在2023-2035年中，呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2023年的4.8億美元增長(zhǎng)至2035年的10.0億美元，這一增長(zhǎng)趨勢(shì)主要受到科學(xué)研究、工業(yè)領(lǐng)域和其他領(lǐng)域?qū)Ω呔却帕y(cè)量的不斷需求推動(dòng)。

六、量子科技投資全景圖

6.1 量子科技公司圖譜

（1）量子計(jì)算領(lǐng)域主要公司

（2）量子通信領(lǐng)域主要公司

（3）量子測(cè)量領(lǐng)域主要公司

6.2 國(guó)內(nèi)主要量子科技公司評(píng)價(jià)

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本報(bào)告參考文獻(xiàn)

[1]張慶瑞,《量子大趨勢(shì)》

[2]iCV&光子盒,《2024 全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望》

[3]iCV&光子盒,《2024 全球量子通信與安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望》

[4]iCV&光子盒,《2024 全球量子精密測(cè)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望》

[5]東吳證券,《量子信息：下一場(chǎng)信息革命》

數(shù)據(jù)說明

數(shù)據(jù)｜案例｜觀點(diǎn)來源

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出品：第一財(cái)經(jīng)丨第一財(cái)經(jīng)投研中心

主編：錢焜

主筆：王媛麗

編輯：黃宇

審定：錢焜 黃宇

視覺：符樂樂

統(tǒng)籌：朱國(guó)泉 周瑾

聯(lián)系人：王媛麗 wangyuanli@yicai.com