量子信息技术发展与应用研究报告（2022年）

No.202232 量子信息技术发展与应用研究报告 (2022年) 中国信息通信研究院2023年1月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术，是量子科技重要组成部分，有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉。发展量子信息技术，推动科研成果应用和产业生态构建，已成为全球在前沿科技领域政策布局与投资支持推动的热点，也是各国构建未来产业竞争力，维护国家技术主权的重要方向之一。2022年度诺贝尔物理学奖，授予AlainAspect、JohnF.Clauser和AntonZeilinger，表彰他们使用纠缠量子态进行开创性实验，为基于量子信息的新技术开发奠定基础，进一步提高全球关注热度。 近年来，量子信息技术科研加速发展，技术创新活跃，亮点成果不断涌现，标准化研究取得阶段性进展，应用场景探索广泛开展，产业生态培育方兴未艾。我国量子信息技术领域具备良好基础，前沿研究、样机研发和应用推广等方面取得诸多进展，未来有望在基础科研、应用推广与供应链构建等方面取得更多成果。 2018年起，中国信息通信研究院连续4年发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，成为管理部门和行业各方掌握量子信息领域发展动态的重要参考。本报告聚焦2022年量子信息技术发展态势，梳理三大领域的最新研究与应用进展，分析探讨热点问题，展望技术演进与产业应用发展趋势，希望为促进凝聚业界共识，形成发展合力贡献力量。 目录 一、量子信息技术总体发展态势1 (一)量子信息技术是量子科技的重要组成部分1 (二)量子信息成为全球多国政策布局与投资热点3 (三)量子信息三大领域科研与技术创新快速发展6 (四)量子信息技术与产业生态培育受到多方重视9 二、量子计算领域研究与应用进展12 (一)样机研发多路线竞相争鸣，研究进展亮点纷呈12 (二)量子纠错成业界关注热点，将是下一个里程碑16 (三)基准测评为性能表征和行业观察提供重要参考19 (四)软件与云平台发展迅速，构建用户生态是关键21 (五)应用探索广泛开展但尚未落地，泡沫争议浮现24 三、量子通信领域研究与应用进展28 (一)量子密钥分发科研活跃，实验系统性能获提升28 (二)量子信息网络持续研究，使能技术仍有待突破32 (三)空间量子通信将成为科研与应用发展重要方向36 (四)量子保密通信探索应用，标准测评验证须加强38 (五)量子保密通信与PQC将有望形成融合应用方案41 四、量子测量领域研究与应用进展44 (一)多种量子测量技术并存，样机工程化水平提升44 (二)助力生命科学研究，实现可穿戴与非侵入检测47 (三)赋能垂直行业应用，成为加速产业升级催化剂50 (四)量子测量与其他技术领域融合，向智能化发展54 (五)量子测量商用发展迅速，产业价值链初步形成56 五、量子信息技术与应用前景展望60 (一)三大领域研发持续推进，应用与产业前景各异60 (二)发展量子信息技术，开启下一轮技术创新周期62 图目录 图1量子信息技术是量子科技的重要组成部分1 图2量子信息三大领域近年来科研论文趋势7 图3量子信息三大领域近年来专利申请趋势7 图4量子信息三大领域各国专利申请占比情况8 图5我国各省市量子信息专利申请量9 图6全球各国量子信息技术领域产业联盟概况10 图7美国量子信息领域行业联盟平台概况11 图8全球量子计算样机研发与技术验证代表性成果16 图9量子计算基准测评体系初步框架与指标20 图10量子计算基准测评主要技术方案概况21 图11量子计算技术与应用体系视图22 图12国内外代表性量子计算软件概况23 图13量子计算应用场景探索发展概况25 图14量子计算“杀手级”应用需突破“不可能三角”27 图15TF-QKD系统实验（a）830公里（b）658公里30 图16NIST抗量子计算破解加密（PQC）算法标准化42 图17量子保密通信与PQC融合应用43 图18量子测量主要技术方向45 图19量子测量在生命科学领域主要研究成果48 图20量子测量在垂直行业应用主要案例51 图21智能化量子传感器与量子信息和AI结合54 图22量子测量技术产业价值链57 图23量子测量领域产业视图59 表目录 表1近年国外量子技术企业融资与上市概况4 表22022年全球量子信息网络代表性科研进展32 表3“墨子号”量子科学实验卫星代表性科研成果36 一、量子信息技术总体发展态势 (一)量子信息技术是量子科技的重要组成部分 上世纪量子力学创立和发展，开启了人类对微观物理世界的认识。通过对光电效应、受激辐射光放大、固体能带与能级跃迁等现象和规律的阐释与利用，诞生了以半导体、激光器和传感器为代表的信息测量、传输与处理技术，成为从工业社会迈向信息社会的核心驱动力。本世纪量子调控技术研究和发展，将进一步深化人类对微观物理世界的理解。通过开发新材料、构筑新结构、发现新物态和研发新测控手段，对量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等新颖物理现象加以利用，并与通信、信息、材料和能源等领域交叉融合而形成的量子科技，有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉。 来源：中国信息通信研究院 图1量子信息技术是量子科技的重要组成部分 量子信息技术是以量子力学原理为基础，通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和观测，实现信息感知、计算和传输的全新信息处理方式。量子信息技术是量子科技重要组成部分，如图1所示， 主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力。 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，能在某些计算困难问题上提供指数级加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。硬件系统研发仍处于多种技术路线并行发展阶段，超导和光量子实现量子计算优越性实验验证，离子阱量子体积指标领先，中性原子可能成为量子模拟重要平台。编译开发与算法应用软件领域百家争鸣，多类型编程框架、开发平台、模拟器和算法软件工具通过开源社区开放竞争，科技巨头在软件和用户生态构建方面占据优势。量子计算与模拟的应用探索在各行业领域广泛开展，业界期待未来在材料与生物医药化学模拟、以及复杂系统建模与优化等领域，率先展示实用化量子计算应用案例及其优越性。 量子通信利用量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下进行量子态信息传输或密钥分发，理论协议层面具有信息论可证明安全性，部分协议可实现经典信息传输。基于量子密钥分发（QKD）、量子随机数发生器（QRNG）和量子安全直接通信（QSDC）等技术方案的量子保密通信初步实用化，在科研领域持续探索新型协议系统和提升技术水平，在国内外进一步开展应用探索和标准化研究，但应用与产业发展仍面临挑战。基于量子纠缠操控、量子隐形传态、量子存储中继和量子态转换等使能技术和组件，构建量子信息网络是量子通信领域未来的重要发展方向，近年来国内外在基础科研探索和系统原型实验等方面取得一定进展，但距离实用化仍有较大差距。 量子测量对外界物理量变化导致的微观粒子系统量子态变化进行调控和观测，实现精密传感测量，在精度、灵敏度和稳定性等方面相较传统技术带来数量级提升。当前量子测量技术与应用发展的主要方向包括：基于量子时间频率基准的授时定位，如光晶格原子钟与时频传输；基于量子陀螺的自主姿态控制与导航，如冷原子干涉或无自旋交换弛豫原子自旋（SERF）陀螺；基于量子微弱磁场测量的金属目标探测或生物磁信号成像，如心/脑磁图和分子级磁共振谱；基于量子绝对重力仪或重力梯度仪的地质及地下结构勘测；基于单光子探测和光量子雷达的目标成像与环境质量监测等。多类型量子测量样机和产品，在航天、国防、医疗、环保和科研等领域探索应用。 (二)量子信息成为全球多国政策布局与投资热点 近年来，全球主要国家在量子信息技术领域加强科技政策布局，推出发展战略和研究项目规划，加大公共研发资金的支持投入力度。量子信息领域的国家级规划与投资情况在2021年报告已初步总结1， 截至2022年9月，全球投资最新进展的不完全统计已达160亿美元以上。我国近年来高度重视量子信息技术领域发展，随着“十四五”规划中关于组建国家实验室和实施重大科技项目等措施的逐步落实，科研布局与支持力度进一步加强。需要指出，在国外统计2和报告3中，对我国量子信息领域的公共资金投资规模，大都不同程度上存在缺乏来源依据的臆想与夸大，例如“中国量子信息领域投资总额达150亿 1http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202112/t20211224_394517.htm 2https://qureca.com/overview-on-quantum-initiatives-worldwide-update-2022/ 3https://www.weforum.org/reports/state-of-quantum-computing-building-a-quantum-economy 美元”说法在多个报告间相互引用，颇有三人成虎之势。 国家公共研究资金、大型科技企业投资和社会资本投融资是支持和推动量子信息技术研究和应用发展的三大支柱。IBM、谷歌、Intel和微软等科技巨头在量子计算领域的持续投资布局，已成为推动样机研发和应用探索的重要力量，但具体投资规划和金额规模难见公开信息披露。近年来，量子信息领域的初创企业获市场高度关注，通过社会资本股权投资和证券市场上市融资等形式获得大量资金支持。量子信息领域投融资近两年来呈现爆发式增长趋势，2020和2021年投资金额分别达到7亿美元和14亿美元4，超过2010-2019共十年的总和。 值得关注的国外量子技术企业融资上市不完全统计情况如表1所示，量子技术初创企业在欧美聚集度和关注度更高，市场投资高度集中在量子计算领域，其中又以量子计算系统硬件制造企业最受追捧，反映出量子计算机研发在整个量子信息技术领域的重要价值和意义。 表1近年国外量子技术企业融资与上市概况 企业（国家） 技术领域 融资类型 融资/收益5 （亿美元） 时间 PsiQuantum（美） 量子计算 股权投资 6.65 2021 Quantinuum（英/美） 量子计算 股权投资 3.00 2021 Xanadu（加） 量子计算 股权投资 1.45 2021 IQMQuantumComputers（芬） 量子计算 股权投资 1.28 2022 QuantumMachines（以） 量子计算 股权投资 0.75 2022 IonQ（美） 量子计算 NYSE上市 6.36 2021 Rigetti（美） 量子计算 NASDAQ上市 2.62 2021 Arqit（英） 量子加密 NASDAQ上市 0.70 2021 4https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/business%20functions/mckinsey%20digital/our%20insights/quantu m%20computing%20funding%20remains%20strong%20but%20talent%20gap%20raises%20concern/quantum-technology-monitor.pdf 5通过特殊目的收购公司（SPAC）完成首次公开募股（IPO）的交易收益（扣除赎回）。 D-Wave（加） 量子计算 NYSE上市 0.09 2022 来源：中国信息通信研究院根据公开信息整理（截至2022年9月） 2022年，美国在量子信息领域进一步加大政策布局和规划投资力度，出台多项法案、政令、规划和研究报告，全方位推动量子信息科研、应用、产业、教育和国际合作等方面发展。