量子技术的全球竞争劲旅大博弈

全球量子技术的激烈竞争主要在中美两个大国之间展开，其中两国在量子计算领域你追我赶，但在量子通信方面中国略胜一筹。

在全球科技发展领域，量子技术乃是具有颠覆性的尖端技术形态，并正在以巨大的功力引领着科技革命的前行脚步；在全球产业变革领域，量子技术乃是具有创新性的前沿技术劲旅，并正在以强大的能量催生出未来产业的恢宏格局；在全球经济竞争领域，量子技术乃是具有决胜性的战略技术法宝，并正在以惊人的速度重塑着国家经济的强弱版图。从科技攻关，到工程研发，从应用探索，到产业培育，从基础设施建设，到自主产品开发，全球主要经济体正在围绕着步入关键时期的量子技术展开激烈竞赛与博弈。

沿着三条主线演进

学术上对量子的定义是“离散变化的最小单元”，通俗地讲就是对物质或物理量进行不断分割，直至不能分割或者没有再分割为止，此时形成的最小单元就是“量子”，比如光子就是光能量的最小单元，而宇宙间最小的物质是夸克，光子与夸克便是量子，假如光子与夸克还能继续分割出更小的单元，这个最小单元也是量子。因此，量子既是一个物理概念，也是一个数学概念，它代表的是所有物质与物质量的最小单位，采用的是信息量最小计量单位比特表示，如一个量子比特，2个量子比特等。

作为一门新兴的物理和工程领域，量子技术的基础是量子力学原理，也就是单个量子的作用力或者量子之间的作用力与反作用力原理，这些原理包括量子纠缠、量子叠加、量子相干以及量子隧穿等，以此为基础展开跨学科与跨领域的研究。目前来看，量子技术研究主要沿着量子计算、量子通信和量子测量等三大路径展开，简洁地说，量子计算指的是信息的处理，量子通信指的是信息的传输，而量子测量指的是信息的采集，且三者之间存在着紧密相连的逻辑关系，没有量子测量与量子通信，量子计算在内容上将变得残缺不全，而失去量子计算，量子通信与量子测量的价值也会无从表现。

量子计算主要建立在量子叠加原理基础之上。传统计算机中的比特即经典比特只能处于0或1的不同状态，也就是要么0，要么1，而在量子计算机里，量子比特具有叠加特征，它可以表示0也可以表示1，更可以表示0和1的叠加，即可以同时处于0和1的线性组合，相应地，量子计算机（分为光量子计算机与超导量子计算机两种）不仅要比电子计算机的信息存储功能强大得多，运算速度也更迅疾，算力更卓越，一个携带250个量子比特的量子计算机，可存信息量比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多，使用目前最快的电子计算机大概需要5万年才能完成的计算任务，量子计算机只需4小时就能轻松搞定，而且量子计算机里的量子比特数量越多，存储能力就越强，算力也越优秀。无论对于企业还是对于国家，如果实验证明旗下或域内的量子计算机通过增加量子比特数量表达出电子计算机无法达到的更高算力，就意味着获得了“量子霸权”，或实现了“量子计算优越性”里程碑。

量子通信主要运用的是量子纠缠原理。所谓量子纠缠，就是两个具有“心灵感应”的量子无论相距多么遥远，一个量子状态变化，另一个也会瞬间随之改变。不同于传统方式搭建出的密码容易被破译，借助于量子纠缠特性，量子通信可以组建出根本无法破解的密码体系，这是因为量子通信在进行量子密钥分发（QKD）即信息传输时，两地或多地的用户可以共享安全的密钥，并可利用该密钥对信息进行一次又一次的严格加密，从而使得密匙不可被跟踪与监听，更不能被复制与探测；除QKD技术之外，QT（量子隐形传态）也是支撑量子通信的一个重要技术分支。QT指传输量子态（量子信息）的时候，不像经典通信那样需发射电磁波，这样更具隐蔽性，更容易屏蔽所有外部环境的干扰，从而使得信息的传输更具稳定性与真实性，完全不会发生中途拦截或者恶意篡改的现象，正是如此，量子通信被视为信息传输“绝对安全”的回归。另外要强调的是，量子之间距离愈是遥远愈能进行QKD与QT，代表量子通信的技术水平愈高。

量子测量主要依赖量子隧穿原理。顾名思义，量子隧穿就是指的量子测量技术可以穿越任何的物质量，即使是微观的粒子也可穿入，而且穿入的广度、高度相比经典的测量会大大延伸。除延展测量视域外，量子隧穿原理还可以实现对物理量测量和信息获取的高精度、高分辨率以及高稳定度，技术可精细到纳米、亚纳米量级，由于超高的分辨率与灵敏度，量子测量可以准确无误地展开缺陷探测，甚至在1000亿个正常原子中出现一个缺陷也能探测到；另外，量子测量的精密性还体现在量子授时方面，即对时间同步精度的提升使得测量信息的传递过程可实现最小的时频错差，乃至可以达到了100亿年只差一秒的精度。一般而言，量子测量在运用量子传感比如量子磁力计、重力仪等对物理量进行精密测量时，会生成量子成像，发送端与接收端的量子授时的误差越小，量子测量的成果越精密，量子测量也因此称为量子精密测量。

广袤的应用空间与落地场景

作为一门新兴学科，量子技术涉及物理学、计算机科学、信息科学、材料科学等多个学科领域，同时作为综合性学科，量子技术也涉及多个学科领域的交叉研究。理论上说，跨学科与跨门类越广泛的技术，渗透性与覆盖性越强，实际效用价值更多元与更显著，特别随着近几年量子技术的不断突破，量子产业呈现出快速成型趋势，应用场景也逐渐向纵深拓展，量子技术在许多行业的表现异常活跃，并展示出十分广阔的商业前景。

在量子计算应用上，更大更强的存储以及更优更快的算法支持量子计算为生产制造和组织管理提供快速有效的解决方案，其中金融行业不仅可以借助量子计算进行市场预测、降低风险和增加收益，也能够实现产品定价、交易结算以及资产分配的优化；而在制药行业，量子计算可以用来研究新药的分子结构和化学反应，模拟化学分析结构，进而解决量子化学的合成和药物辅助设计，提高新药的产量和品质；在气象行业，量子计算可以用来快速、有效地处理大量且多维度的复杂气象数据，有助于提高天气预报实时性和准确性。现实来看，谷歌正在与世界最大私有制药企业勃林格殷格翰合作研究量子计算药物研发，美国最大港口洛杉矶港已采用量子计算技术数倍提升了港口运营效率，微软、苏黎世联邦理工学院和西北太平洋国家实验室基于量子计算模拟一个催化化学反应，实现了30倍加速和10倍成本降低等。

在量子通信应用上，从政府机构，到军事组织，再到市场各个行业，都可以借助量子密匙实现信息加密和数据解密，除各类静态数据的安全性与可靠性得到大幅提升外，量子密钥也是一种流动资源，可以与物联网、大数据、云计算等诸多领域的安全需求结合，进而形成各类信息安全应用解决方案，可以说量子通信技术为所有有效的数据穿上了精密无缝的坚硬铠甲。另一方面，基于量子纠缠原理，量子通信技术可以准确掌握广袤空间甚至旷远宇宙中的量子物的运动情况，这样，无论是空中疾行的飞机，还是大海上航行的船只、抑或陆地上行驶的车辆，都可以实现对危险目标和突发状况的精准捕捉，并实现有效的规避，人类再也不会有空难、海难与各种车祸的发生，海陆空的全域交通管理以及卫星、宇宙飞船等飞行物的发射运行都将变得更为便捷且富有极大的安全性保障。

在量子测量应用上，由于保持着对险恶环境的强大抗逆性，且能够排除极端恶劣因素的干扰，量子测量显而易见地可以大大拓展人类对资源勘探开采的广度与深度，人类由此将获得更为丰富的矿藏、石油等宝贵资源，而在能源领域，量子测量可用于分析和管理太阳能、氢能、风电场的流体动力学特性等，进而为能源高效利用、转化、储存提供更多的技术支持；受益于量子测量的高精密性特征，诸如电网监测、医学检测、卫星导航、水下定位和引力波探测等业务的准确性和精确度都将大幅提升，如量子测量用于生命科学领域，能精确分析血液中极微量物质含量；用于超导材料的研发，能实现纳米级别的表面磁性分布成像；用于水下探测，可将定位精度从传统的100天误差数百公里级压缩至100天误差小于公里量级；用于卫星导航，量子惯性导航比GPS（全球定位系统）或GNSS（全球导航卫星系统）等经典惯性导航的精度要高出100倍之多，而且对于那些GNSS无能为力的地下或水下环境，量子惯性导航均可大显神威，而更为重要的是，正是由于不需要GPS、红外或雷达导航，因量子惯性导航不易受到干扰，运用到军事领域就根本用不着担心会遭遇到电子战的袭击。

据互联网数据中心IDC预测，到2030年全球量子计算市场规模将达到200亿美元，量子通信市场总额升至421亿美元，量子精密测量市场规模扩大至500亿美元；同时波士顿咨询也做出预测，保守估算，到2050年，全球量子技术市场规模将飙升至2600亿美元。但必须强调的是，目前所有的预测数据都是基于量子技术在专业化市场的应用，而量子技术的民用化也是大势所趋，如C端通用量子计算机的问世，量子通信与量子测量搭载于更广泛的私用载具上等，由此引爆的增量市场规模将更为庞大。另外，被视为第四次科技革命的人工智能刚刚启航，数据和算力是其最重要的基础，借助于量子测量传输的海量信息，依靠量子计算的迅疾算速，加之量子通信的安全护航，人工智能的应用步伐将大幅提速，最终产生出的商业价值将无法估量。

抢占量子科技国际竞争制高点

量子技术不仅能够生成战略性新兴产业与未来产业，而且能够向其他行业渗透并对所及产业展开技术赋能，既促进了产业规模的扩容，也拉动了产业层次的升级，并有力提升产业的技术含量，正是如此，量子技术事关一个国家未来的国际产业竞争力水平与能级；不仅如此，各国的经济、政治以及军事安全与量子技术存在紧密关联，甚至可以说量子技术直接决定着一国在全球多元力量角逐中的安危命运；基于此，集群式加入量子技术的竞争赛道并抢先展开产业布局，成为主要国家的一致性战略矢量。

首先是顶层设计引导先行。作为全球首个在宏观层面创建量子技术发展战略的国家，英国政府早在10年前就发布了“国家量子技术计划”，截至目前已经成立4个国家量子技术中心，设定了至2025年提供100+量子位用户平台的目标。两年之后，欧盟宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目，其中德国制定了《量子计算路线图》，在此基础上启动慕尼黑量子谷研究集群计划。虽然在政策启动层面美国要比英国要晚，但在1999年美国国家标准与技术研究所就发布了“量子信息科学”的科学技术报告，最近几年除美国国会推出了《国家量子行动法案》外，美国政府又先后发布《美国量子网络战略愿景》等量子专项战略以及促进量子计算的《国家安全备忘录》，美国政府将量子技术相关计划命名为“微型曼哈顿计划”，比肩大名鼎鼎的原子弹项目“曼哈顿计划”。另外，加拿大政府也宣布制定国家量子战略，并专门组建了量子工业部，同时日本也在文部科学省设置了对量子技术进行统一管理的专门机构。据第三方数据，除G7（七国集团）均已全部署量子技术研发计划外，瑞典、荷兰、印度、澳大利亚、丹麦和韩国等都已实质性启动了本国的量子战略，与此同时，作为量子技术赛道的一支劲旅，中国政府先后将量子技术列入“十三五”和“十四五”规划，并纳入科技创新2030重大项目范围。

其次是专项投资加速扩容。除了基层理论的拓展与突破离不开资金的支持外，量子技术的产业化应用以及商业化探索同样需要足够财力的辅助，因此，政策层面为量子技术加热造势的同时，各国政府在资金投入上更是不遗余力地赋能加力。自从启动为期10年的《国家量子行动法案》以来，美国政府的专项投资已累计达到45亿美元，当然这并不包括伊利诺伊州等州政府超过10多亿美元的投资；欧盟的“量子技术旗舰项目”实施至今，连同各成员国的配套，总经费支出已超过40亿欧元；作为“国家量子技术计划”的支点，英国在该计划颁布的两年后便启动“国家量子技术专项”，每年投资额度达2.7亿英镑，迄今总投入已超过21亿英镑，而且今年年初，英国政府又另外拨出4500万英镑的专项资金，以加快量子技术在改善医疗、能源、交通等方面的应用研究；日本虽在量子技术研究方面有点不温不火，但过去10年的总投资也超过400亿日元。根据前瞻产业研究院的报告，至2023年，全球量子技术的投资规模达386亿美元，其中中国投资总额150亿美元，位居全球第一。

再次是官产学集体联动。整合科技资源，集中力量突破，政府机构、产业组织与学术界加速融合与联手，尤其是依托头部企业的主导力量，实施研发和应用“双向驱动”，最终直接关联出新产品的迭代升级，已成主要发达国家推进量子技术研究与应用的核心路径。谷歌早在2013年与美国国家航天局、加州大学圣芭芭拉分校联合成立了量子人工智能实验室，次年微软与哈佛大学、玻尔研究所等携手组建量子设计与量子计算研究中心，英特尔与荷兰代尔夫特理工大学合作开发新型量子计算机；作为另一条力量整合线路，加拿大的量子工业部集合了24家专门从事量子领域的加拿大硬件和软件公司，德国汉堡启动了名为“量子创新之都”的量子计算网络联盟，而澳大利亚也在国家最高机构澳大利亚技术委员会下成立了澳大利亚量子联盟。数据显示，日本东芝、韩国SKT、中国电信与华为等ICT（信息与通信技术）巨头都成立了相关量子保密通信研发团队，全球成立的量子技术专业公司超过2000多家，覆盖所有技术路线和行业潜在应用方向。

综合评判，全球量子技术的激烈竞争主要在中美两个大国之间展开，其中两国在量子计算领域你追我赶，但在量子通信方面中国略胜一筹。在实现“量子计算优越性”里程碑方面，目前全球仅有4台量子计算机，除了谷歌的“悬铃木”外，美国还与加拿大合作推出了“北极光”量子计算机，而中国的“祖冲之”和“九章”占据两席，其中“九章三号”作为光量子计算机，可操纵的光子数目达到255个，比目前全球最快超级计算机要快上一亿亿倍，相当于一微秒的算出结果需要传统超级计算机花费200亿年才能完成，而“祖冲之二号”作为超导量子计算原型机，可操纵的量子比特数达到176比特，另外，中国的中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”也上线运行，全球远程访问人次不断攀高。在量子通信领域，中国发射的“墨子”号卫星所具备的信息传输能力是传统无线电传输系统的128倍，量子通信距离从最初实验室的32厘米扩展到了今天的4600公里，并可支持从地面到太空的多用户通信传输，中国由此成为全球第一个实现卫星和地面之间量子保密通信的国家。不仅如此，中国还建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，并在此基础上，全线贯通了总里程超过104km的国家量子骨干网，覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域。“墨子号”量子科学实验卫星与“京沪干线”骨干网构建出了全球首个天地一体化广域量子通信网络雏形。

（作者系中国市场学会理事、经济学教授）