量子科技发展演进脉络与各国竞争态势分析

李文清，齐晓曼 ，赵三珊

(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

“促进数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，不断做强做优做大我国数字经济。”无论是大数据、人工智能、区块链还是量子科技，均是数字科技的核心内容，也是推动数字经济时代的核心力量，其中最具颠覆性作用的当属量子科技[1]。

1 内涵与演进

量子是能表现出某物质或物理量特性的不可分割的最小单位，属微观物理世界研究范畴，本质规则是区别于经典力学“世界是测得准的”的观念——“量子世界是测不准的”。

量子科技V1.0：量子力学引导掌握微观物质世界的物理规律。20世纪在量子力学的指引下，兴起了以现代光学、电子学和凝聚态物理为代表的第一次量子科技浪潮，诞生了激光、半导体、原子能、超导、核磁共振成像等具有划时代意义的重大科技突破，其应用涵盖了目前使用的几乎每一个电子设备。

量子科技V2.0：对量子系统的精确观测和操控推动形成量子信息技术领域。随着微观调控技术的突破和发展，以精确观测和调控微观粒子系统，利用其不可复制、不可测量、多态叠加、量子纠缠、量子霍尔效应等特性研制出诸多量子器件，功能要远超经典器件的物理极限，形成新时代的量子信息技术，其学科发展演进脉络见图1。

图1 量子学科发展演进脉络

第二次量子革命带来信息领域颠覆性变革。区别于第一次量子革命对量子规律的被动观测与应用，第二次量子革命主动利用量子特性，操控量子状态，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，比如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，量子计算机几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。量子的诸多特征正被不断地研究与发现，将量子特性应用于各类学科带来的颠覆性创新技术已成为研究热点。

量子科技正进入“产业化前夜”。展望未来，量子计算有望为药物研发、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新方案；量子测量发挥测量精度、灵敏度优势，有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手；量子通信融合量子计算技术，构成高速、安全的“量子互联网”，与人工智能、区块链等技术相结合，可为人类生活增添无限可能，最新研究预测，到2030年量子产业的规模将达数十亿美元。

2 发展竞争态势

2.1 发展成熟度

量子基础理论研究范围广。广阔的量子物理研究范畴是量子科技的研究基础，为量子科技的深入研究带来源源不断的动力。量子计算、量子通信和量子测量等新兴领域均还未进入商业应用阶段。量子计算领域，我国研制的含76个光子的量子计算原型机，运算速度超过现在最快量子计算机的100亿倍，但目前还处于试验样机阶段。由Gartner发布《2019中国ICT技术成熟度曲线》，指出量子计算到达顶峰时间还需10年，如图2所示。量子通信领域内各类样机研究和试点应用加速发展，其中我国在星地量子通信方面处于领先，2016年8月发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。量子测量领域研究成果多集中于原理分析、理论模拟仿真、算法优化等理论及试验方面研究。

图2 Gartner发布的《2019中国ICT技术成熟度曲线》

2.2 各国竞争态势

全球量子战略数以亿计的资金投入凸显战略价值。各国政府高度重视量子科学研究发展，以美国、欧盟、日本等为代表的国家及地区争相启动国家级量子科技战略行动计划，投入数以亿计的战略资金加强量子领域科技研发，推进量子科技前沿技术研究以及创新成果应用。随着对量子科技的高度重视，过去十年我国以国家科技项目为载体，大量布局基础科研和前沿应用研究，取得了丰硕成果；今年中央政治局对量子科学的集体学习，指出要加强量子科技发展战略谋划和系统布局，一批战略性重大科技项目将在“十四五”时期实施。国内外量子科技主要政策见表1。

表1 国内外量子科技主要政策

全球量子科技创新模式趋于多样。各国立足自身实际，以不同类型的创新模式推动量子科技产业化进程，通过联合研究和成果共享，取得大量原创开拓性成果，形成了政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的局面。总体来看可分为企业主导型、协议联盟型、校企协作型和国家助推动这4类创新模式，具体见表2。

表2 量子科技创新模式

全球量子科技呈现中美领跑、各国争相角逐的竞争格局。从科研投入看，各国在量子计算、量子通信及量子保密等领域均投入大量资源，力争在量子科技领域实现竞争优势，量子科技领域竞争态势如图3所示。

图3 量子科技各领域竞争态势

(1)中国引领全球量子保密通信领域前沿。我国初步形成包含基础研究、设备研发、建设运维和安全应用为一体的产业链，项目数量和网络建设规模已处于全球领先，其中“京沪干线”与“墨子号”量子科学实验卫星的成功对接，在世界上首次实现了洲际量子保密通信。

(2)美国率先在能源行业成立量子计算的校企联盟。美国丹佛大学发起成立了首个能源行业量子计算联盟—量子未来电力系统升级计划，结合量子信息和量子计算的力量，专注开发新的量子模型、方法和算法，主题包括提高客户对电网的参与水平、分布式能源集成和利用的机会、电力质量和可靠性的改进以及资产管理和系统效率。

(3)欧盟所有成员国共建量子通信基础设施。该项建设，用来保障欧盟成员国之间的敏感通信和数据，保护关键基础设施，例如，通过提供基于量子密钥分发的服务，保护欧洲各国政府机构、市政当局和大使馆之间以及医院和电网等关键站点之间的数据传输。

(4)日本持续加强量子通信及保密领域科研投入。与欧洲联合建立东京量子保密通信试验床网络并持续开展现网实验。2015年日本NTT公司报道了102 km超低损光纤最远距离量子隐形传态实验。

从量子科技成果产出看，全球各国争相布局知识产权。

(1)专利申请持续加大。美国和日本早期专利申请量较多，随着我国在量子技术领域内的基础研究和应用探索的持续深入，我国专利申请逐渐超越美日，处于国际领先地位。

(2)标准制定广泛开展。国际标准化组织纷纷成立量子信息技术研究组和标准项目，在术语定义、性能评价、系统模块、接口协议、网络架构和管理运维等方面开展项目研究和标准制定。

(3)我国具备成熟的标准化研究基础，在量子通信网络、量子计算和量子测量等领域成立标委会，开展技术标准研究工作。

综上所述，量子科技已经成为全球科技竞争的战略要地，各国不断加大资金投入和政策支持，在基础研究、试验验证以及技术应用等方面开展研究，并在量子计算、量子通信、量子测量等领域研发出颠覆性技术应用。