量子信息技术产业发展研究报告（2024年）

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量子信息技术产业发展研究报告 (2024 年) 量子信息网络产业联盟 2025 年 3 月 声 明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据观 点、建议等，均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见本报 告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络产业联盟所有(注明 是引自其他方的内容除外)，并受法律保护。如需转载需联系本联盟 并获得授权许可。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字、图 表或者观点的，应注明“来源：量子信息网络产业联盟”。违反上述 声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 目 录 一、 总体发展态势 ........................................ 1 二、 政策布局投资 ........................................ 3 (一) 国际政策布局 .................................... 3 (二) 国内政策布局 .................................... 9 三、 科研进展成果 ....................................... 11 (一) 量子计算 ....................................... 11 (二) 量子通信 ....................................... 22 (三) 量子精密测量 ................................... 28 四、 应用场景探索 ....................................... 33 (一) 量子模拟成为探索复杂量子现象的重要途经 ......... 33 (二) 量子人工智能有望应用于众多行业领域 ............. 35 (三) 量子保密通信应用场景探索持续开展 ............... 37 (四) NIST 发布 PQC 标准，应对量子计算安全威胁 ......... 39 (五) 量子精密测量应用试验验证稳步推进 ............... 42 (六) 多国加大量子精密测量应用探索投入力度 ........... 43 五、 产业发展分析 ....................................... 46 (一) 量子计算产业生态培育处于早期发展阶段 ........... 46 (二) 量子保密通信领域产业化水平持续提升 ............. 47 (三) 量子精密测量产业链初形成，商用仍存挑战 ......... 48 六、 发展趋势展望 ....................................... 51 图 目 录 图 1 量子信息技术三大领域概况 ........................................................... 1 图 2 量子计算技术体系架构 ................................................................. 18 图 3 秒定义修改路线图完成度 ............................................................. 33 图 4 美国 NIST 后量子加密（PQC）标准化历程 ............................... 40 表 目 录 表 1 国内外典型量子计算云平台概况 ................................................. 20 表 2 量子模拟行业应用探索概况 .......................................................... 34 表 3 量子人工智能行业应用探索概况 .................................................. 36 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 1 一、总体发展态势 二十一世纪以来，随着人类对微观粒子操控能力的大幅提升， 第二次量子革命也随之开启，并且正在迅速催生出大批具有潜在价 值和颠覆意义的新兴技术，有望在未来为信息社会的演进和发展提 供强劲动力。量子信息技术是新一代信息技术和量子科技的关键组 成部分之一，通过使用量子叠加、纠缠等量子物理规律来存储、传 输、操作、计算或测量信息。量子信息技术主要包括量子计算、量 子通信和量子精密测量三大领域，原理特性和发展目标如图 1 所示， 在提高计算复杂问题运算处理能力、增强信息安全保护能力、提升 传感测量精度等方面，具备远超经典计算范式的潜力，有望成为推 动前沿科技探索、信息技术演进和数字经济产业发展的重要引擎和 加速器。 图 1 量子信息技术三大领域概况 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理 实现并行计算，可以作为一种新型计算范式带来经典计算无法比拟 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 2 的算力飞跃，有望在经济社会发展的多个领域产生颠覆性影响。目 前超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等技术路线科研探 索和原型机工程研发不断取得进展，实现大规模可容错通用量子计 算仍需长期攻关，行业领域应用探索持续深化，“杀手级”应用尚未 实现落地，产业生态培育稳步推进。 量子通信基于量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下实现 密钥分发以及信息传输，在理论协议层面具有可证明安全性。基于 量子密钥分发和量子随机数发生器等技术方案的量子保密通信系统 正初步进入实用化阶段，在新型协议研究和实验系统研制等方面持 续取得阶段性成果，样机产品研发和应用探索持续推进，推广大规 模应用仍面临诸多挑战。量子信息网络是重要的远期发展目标之一， 近期在基础研究、关键设备组件和系统原型实验等方面取得一定进 展，距离实用化仍有较远差距。此外，量子密码作为一种基于量子 力学原理的加密技术，是理论上安全的密码技术，有望应用于诸多 行业领域。 量子精密测量对外界物理量变化导致的微观系统量子态变化进 行调控和观测，实现精密传感测量，精度、灵敏度和稳定性等核心 指标相较传统测量方式具有数量级提升。量子精密测量具有多种技 术方向，不同方向的技术成熟度各有差异，微波原子钟、冷原子重 力仪、光量子雷达、量子磁力仪等多种类型产品已初步实现商用， 光学原子钟、原子陀螺仪、里德堡原子天线等目前处于科研攻关和 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 3 样机研制阶段。主要应用场景涵盖国防军工、航空航天、生物医疗、 地质资源勘测等领域，产业化前景广阔。 二、政策布局投资 (一)国际政策布局 1.美国 美国通过《国家量子计划（NQI）》立法，统筹全美量子信息技 术发展，形成统一部署和资金支持的法律基础，组织能源部、自然 科学基金会、国防部、NIST 等多个部门，战略部署围绕顶层设计、 组织机制、专项计划、生态建设等多个维度展开，在基础科研、工 程研发、应用探索、人力资源、产业生态和供应链等方面实现体系 化布局，技术方向涵盖了量子计算、量子通信和量子传感等多个领 域，投资规模冠绝全球。NQI 法案第一阶段于 2023 财年结束，法 案实施以来，美国已在机构平台建设、技术研发突破、产业生态培 育与国际合作等方面取得一系列重要进展。 2024 年 7 月，美国国会众议院科学、空间和技术委员推动《国 家量子计划（NQI）再授权法案》更新1，包含去年 11 月以来该法 案的修订，目标是加速推动 NQI 法案第二阶段授权并增加项目拨款， 维护美国在量子科学技术领域的全球领导地位，主要措施包括加大 基础科学投资、打造量子人才队伍、深化产业界合作、建设关键基 1 https://www.congress.gov/bill/118th-congress/house-bill/6213 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 4 础设施、维护国家安全和推进盟友合作等方面，旨在维护美国在量 子科学技术领域的全球领导地位。 2024 年 8 月，美国参议院两党参议员提出《能源部量子领导法 案》2，内容涵盖科学研究、设备支持、人才培养、基础设施、政企 合作等多方面，由美国能源部牵头实施，旨在扩大能源部在量子信 息科学领域的职权和研发投资能力，法案计划未来五年内授权超过 25 亿美元的资金，以加强量子技术的研究、开发和商业化。 2024 年 8 月，美国国家科学和技术委员会量子信息科学小组委 员会发布《推进量子信息科学与技术领域国际合作》报告3，回顾美 国在量子信息技术领域的发展历程，展望了未来十年美国在量子信 息技术领域的发展规划，并阐述了国际合作在实现这一目标中的关 键作用，目标是为美国在量子信息技术领域的国际合作提供战略指 导和政策建议。 2024 年 9 月，美国国家量子计划咨询委员会（NQIAC）发布《量 子网络：增强美国领导力的发现与建议）》报告4。这份报告是对美 国国家量子计划的第二次独立评估，重点关注量子网络及试验平台 在技术研发中的作用，进一步巩固美国在量子网络科技领域的领先 地位。 2 https://www.durbin.senate.gov/newsroom/press-releases/durbin-daines-introduce-bipartisan-legislation-to-fun d-the-future-of-quantum-research-at-doe 3 https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2024/08/Advancing-International-Cooperation-in-QIST.pdf#pa ge=2.48 4 https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2024/09/NQIAC-Report-Quantum-Networking.pdf 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 5 2024 年 11 月，美国国会预算办公室发布了 H.R.6213《国家量 子倡议重新授权法案》的成本估算报告5，预计将在 2025 年至 2029 年的五年内授权拨款 18 亿美元。H.R.6213 将授权《国家量子倡议 法案》第二阶段拨款，通过加大对能源部、国家科学基金会、美国 国家标准与技术研究院、国家航空航天局等部门资金支持，进一步 巩固美国在量子技术领域的领导地位。 2.欧盟 欧洲国家自上世纪九十年代开始关注并持续支持量子信息技术 领域发展。欧盟以“量子旗舰计划”整合欧洲各国科研和产业力量， 加快量子信息技术产业发展，致力于在量子信息技术这一新赛道中 抢占先机，并在全球量子科技竞争中赢得主动。近年来，欧盟积极 布局并出台了一系列量子信息相关战略以及专项计划。 2024 年 2 月，欧盟量子旗舰计划发布《战略研究和产业议程 （SRIA）》的更新版6，在量子计算、量子模拟、量子通信、量子传 感与计量四大领域，分别提出针对不同技术路线和发展方向的短期 （2027 年）和中期（2030 年）发展目标和建议。分析量子技术创新 和产业化必要条件及社会影响，在基础科学探索、工程技术开发、 劳动力培养、技术标准化、公私部门投资、知识产权保护、国际合 作与出口管制等 7 个方面提出未来发展策略建议，为打造对标美国 5 https://www.cbo.gov/system/files/2024-11/hr6213.pdf 6 https://qt.eu/news/2024/2024-02-14_new-roadmap-to-position-europe-as-the-quantum-valley-of-the-world 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 6 硅谷的欧洲量子谷奠定基础。 2024 年 3 月，欧盟 26 个成员国联合签署《欧洲量子技术宣言》 7，提出协调各国研发计划，共同承诺在量子信息生态系统的各个领 域进行协调与合作，加快量子技术从“实验室”走向“晶圆厂”，发展 欧洲量子生态系统等举措，力争打造一个“量子谷”，成为全球领先 的量子卓越和创新地区。 2024 年 4 月，欧盟与美国在共同举办的第六次贸易和技术委员 会部长级会议上，宣布加强量子等领域的合作8。双方成立量子工作 组，以解决量子技术研究与发展方面的合作问题，主要目标是弥合 欧盟和美国在研发方面的差距，协调量子技术领域的发展。此外， 欧盟和美国申明在后量子密码学领域需要加速发展，旨在确保数字 通信网络免受未来量子计算机可能造成的安全威胁。同期，欧盟委 员会启动了新一轮“地平线欧洲”（Horizon Europe）项目征集9，本 项目将投入 4000 万欧元用以推动量子技术研究，支持范围涵盖量子 传感基础设施、跨国合作的下一代量子技术等。 2024 年 11 月，来自 18 个欧盟成员国的网络安全机构联合发布 了一份名为《保护明天、今天：向后量子密码学过渡》的声明文件10。 该声明旨在呼吁欧盟成员国为量子威胁做好准备，并强烈建议在大 7 https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/library/european-declaration-quantum-technologies 8 https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/statement_24_1828 9 https://ec.europa.eu/info/funding-tenders/opportunities/docs/2021-2027/horizon/wp-call/2023-2024/wp-7-digi tal-industry-and-space_horizon-2023-2024_en.pdf 10 https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/EN/BSI/Crypto/PQC-joint-statement.pdf?__blob=publicati onFile&v=3 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 7 部分用例中部署融合了 PQC 和传统加密方法的混合解决方案，因为 这种混合方案即使在某一种加密技术失效时也能保持安全性。同期， 欧盟委员会宣布将在《欧盟芯片法案》框架内创建一条名为 PIXEu rope 的新欧洲光子芯片试点生产线11，旨在提供平台用于针对具有 颠覆性的集成光子学工艺与技术进行成果转化，以加速该技术在工 业领域的采用。 3.其他主要国家/组织 北约于 2024 年 1 月发布《量子技术战略摘要》12，概述了四个 重点布局方向，一是发展量子产业联盟，二是为量子技术创新制定 可靠的发展方案，三是培育量子生态系统并构建跨大西洋量子共同 体，四是保护北约免受量子威胁的影响。摘要中指出，北约成员国 将持续支持量子产业联盟的发展，并将量子技术纳入作战概念、防 御规划周期、能力开发周期和标准化工作的实施过程中。 新加坡于 2024 年 5 月发布《国家量子战略（NQS）》13，涵盖 科学研究、工程能力、量子人才、商业合作等四个战略方向，将在 5 年内投资近 3 亿新元，集中于量子技术中心（CQT）、量子工程计 划 3.0（QEP 3.0）、国家量子处理器计划（NQPI）和国家量子奖学 金计划（NQSS）等四个资助计划，旨在推进新加坡不断发展量子 11 https://www.tue.nl/en/news-and-events/news-overview/05-12-2024-pixeurope-consortium-to-lead-the-europe an-pilot-line-on-advanced-photonic-integrated-circuits 12 https://www.nato.int/cps/en/natohq/official_texts_221777.htm 13 https://www.imda.gov.sg/resources/press-releases-factsheets-and-speeches/press-releases/2024/sg-announces- green-data-centre-roadmap 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 8 产业，加强新加坡作为量子技术开发和部署的领先中心的国际地位。 印度于 2024 年 5 月宣布正式启动《国家量子任务（NQM）》14， 政府将提供 600 亿卢比的专项投资，用于建设包括量子通信、量子 计算、量子传感和量子材料四个方向在内的技术中心，旨在促进量 子科技研究和工业应用开发，使印度成为量子技术的全球领导者， 同时支撑实现数字印度、印度制造、技能印度和可持续发展等方面 的目标。 英国于 2024 年 10 月发布政策文件《监管量子技术应用：政府 对 RHC 的回应》15，针对英国监管地平线委员会（RHC）先前提出 的建议逐一回应。报告强调需要建立针对量子领域的监管框架用于 支持创新和保护国家安全，确保监管举措在支持量子技术发展、为 生态系统提供保障和信心以及降低投资风险方面发挥推动作用。 澳大利亚于 2024 年 12 月宣布已投资 6000 万澳元以支持对国防 和制造业未来至关重要的量子信息等技术16。澳大利亚高级战略能 力加速器（ASCA）的新兴和颠覆性技术项目已与该国大学和行业 合作伙伴签署了 21 份总价值超 6000 万澳元的合同。 14 https://www.cnbctv18.com/videos/young-turks/quantum-technology-skills-india-mission-19414099.htm 15 https://www.gov.uk/government/publications/regulating-quantum-technology-applications-government-respo nse-to-recommendations-made-by-the-regulatory-horizons-council/regulating-quantum-technology-applicatio ns-government-response-to-the-rhc 16 https://thequantuminsider.com/2024/12/02/australia-invests-39-million-in-quant