量子信息技术发展与应用研究报告2023年

No.202316 量子信息技术发展与应用研究报告 (2023年) 中国信息通信研究院2023年12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的重要组成部分，也是培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一。经过四十余年发展，量子信息领域逐步从基础研究走向基础与应用研究并重，开始进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育一体化推进的发展阶段。至2023年10月，全球 29个国家和地区制定和发布了量子信息领域的发展战略规划或法案， 公开信息不完全统计投资总额超过280亿美元。加快技术研发攻关，推动创新成果应用，构建供应链、人才队伍和未来产业竞争力，成为全球主要国家在量子信息领域布局规划的普遍共识。 近年来，量子信息三大领域科研与应用探索发展活跃，学术界重要科研进展与产业界样机产品研发成果亮点纷呈，产业生态培育成为各方关注热点，技术标准布局和研究取得阶段性成果。我国高度重视量子信息领域发展，在政策布局、基础科研、工程研发、应用探索和生态培育等方面，取得了诸多重要进展。 自2018年起，中国信息通信研究院每年组织编写和发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，成为管理部门和业界掌握量子信息国内外发展动态和趋势的重要参考。本报告对近一年来全球量子信息领域的总体发展态势、最新研究应用进展、行业热点趋势问题等进行分析探讨，希望为业界凝聚发展共识合力持续做出贡献。 目录 一、量子信息技术总体发展态势1 (一)量子信息技术是未来产业发展重要方向之一1 (二)全球主要国家量子信息政策布局进一步加强3 (三)量子信息三大领域科研与技术创新持续活跃6 (四)量子信息企业数量和投融资规模的增长放缓9 二、量子计算领域研究与应用进展14 (一)硬件多技术路线并行发展，创新成果不断涌现14 (二)量子纠错突破平衡点，环境测控系统仍有瓶颈20 (三)软件与云平台发展迭代迅速，成熟度有待提升23 (四)应用探索广泛开展，组合优化或有望率先实用28 (五)量子计算产业链初具雏形，标准化成布局热点32 三、量子通信领域研究与应用进展35 (一)QKD科研成果亮点纷呈，实验系统指标获提升35 (二)QKD应用持续探索，标准研制取得阶段性成果38 (三)量子信息网络关键核心技术研究取得一定进展42 (四)欧美积极推动量子信息网络组网技术试验验证45 (五)PQC首批算法标准发布，应用推广仍任重道远48 四、量子测量领域研究与应用进展52 (一)基础研究成果亮点纷呈，量子优势越发明显52 (二)量子PNT战略价值突出，成为各国关注热点55 (三)量子探测成像具备高灵敏度，应用前景广阔58 (四)能源领域探索量子测量应用，助力双碳达标61 (五)量子测量产业链形成，规模化商用仍有挑战63 五、量子信息技术与应用前景展望66 (一)三大领域研究发展迅速，应用探索进一步拓展66 (二)培育量子信息未来产业需加强政产学研用协同69 图目录 图1全球量子信息科研论文和专利申请的年度变化趋势6 图2量子信息领域科研论文数量前十位国家情况7 图3量子信息领域主要国家科研国际合作情况8 图4量子信息领域不同技术方向专利数量对比8 图5量子信息领域中美专利申请主体情况分析9 图6（a）量子信息全球企业数量及（b）年度增长趋势10 图7（a）量子信息各领域企业数量及（b）国家分布情况11 图8量子信息领域企业投融资事件与金额变化趋势12 图9量子计算技术体系框架14 图10量子计算比特数和量子体积指标发展趋势19 图11量子计算云平台功能架构图25 图122023年Gartner量子计算技术成熟度预测31 图13量子计算产业链与国内外代表性企业概况32 图142023年QKD系统实验的代表性成果37 图15美国NIST后量子加密（PQC）算法标准化历程49 图16量子测量实验体现量子优势的代表性成果53 图17量子时频同步研究的代表性进展成果56 图18量子探测成像应用探索代表性进展成果60 图19量子测量产业链与代表性企业概况64 表目录 表1全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况4 表2全球量子信息初创企业十大融资事件（金额降序）13 表3量子计算主要技术路线关键指标现状15 表4国内外代表性量子计算云平台发展概况26 表5近年来QKD实验系统传输距离提升趋势36 表62023年量子信息网络科研进展概况（发表时间排序）43 表7近期欧美地区QIN项目、测试平台及组网实验列表46 一、量子信息技术总体发展态势 (一)量子信息技术是未来产业发展重要方向之一 量子信息技术是量子科技重要组成部分，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、调控和测量，实现信息感知、计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、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。未来，量子信息技术有望在前沿科学、信息通信和数字经济等诸多领域引发颠覆性技术创新和改变游戏规则的变革性应用。 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，能在某些计算复杂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。当前，量子计算存在超导量子线路、离子阱、光量子、超冷原子、硅基量子点、金刚石色心和拓扑等七大技术路线并行发展，处于中等规模含噪声量子处理器阶段。量子计算应用场景探索广泛开展，但尚未实现“杀手级”应用突破。大规模可容错通用量子计算仍需长期艰苦努力，业界尚无实现时间预期。 量子通信利用量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下实现密钥分发或信息传输，理论层面具有可证明安全性。基于量子密钥分发 （QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步实用化，新型协议和实验系统的研究持续活跃，样机产品研制和示范应用探索逐步开展，但应用与产业发展面临诸多挑战。基于量子隐形传态和量子存储中继等技术构建量子信息网络是未来重要发展方向， 科研探索与试验取得一定进展，但距离实用化有很大差距。 量子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比传统技术有数量级提升。主要技术方向包括用于新一代定位/导航/授时的光学原子钟、光学时频传输、原子陀螺仪与重力仪等，以及用于高灵敏度检测与目标识别的光量子雷达、磁场精密测量、物质痕量检测等。主要应用场景涵盖国防军工、航空航天、地质/资源勘测和生物医疗等众多行业领域，多种样机产品进入实用化与产业化阶段。 经过四十余年的发展，量子信息技术已从仅有学术界关注的基础科学研究和前沿技术探索，逐步开启产业界共同参与的工程应用研究和未来产业培育。量子信息三大领域的前沿科研与工程研发亮点成果不断涌现，技术成熟度持续提升，应用探索加速发展，进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育一体化推进的发展阶段。 以量子信息技术为代表的量子科技，已成为未来产业布局和发展的关注重点之一。“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，在量子信息等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。习近平总书记提出，整合科技创新资源，引领发展战略性新兴产业和积极培育未来产业，加快形成新质生产力，以高质量发展推动中国式现代化。工信部高度重视量子科技发展，推动量子科技等前沿领域研究，鼓励各地方先行先试，加快布局未来产业。近年来，多地陆续发布科技和信息产业规划，部署支持量子信息领域发展。2023年，北京市发布《北京市促进未来产业创新发展实施 方案》1，部署量子物态科学、量子通信、量子计算、量子网络、量子传感等方向的核心技术攻关、行业应用拓展、产业生态和用户群体培育等工作。合肥市政府工作报告2提出，合肥国家实验室入轨运行，量子信息未来产业科技园入列首批国家试点，后续进一步加快建设量子信息未来产业科技园，打造“世界量子中心”。湖北省设立20亿元量子科技产业投资基金3，发布《湖北省加快发展量子科技产业三年行动方案（2023—2025年）》，打造全国量子科技产业高地。 (二)全球主要国家量子信息政策布局进一步加强 量子信息技术是挑战人类调控微观世界能力极限的世纪系统工程，是对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。量子信息技术发展与应用已成为大国间开展科技、经济等领域综合国力竞争，维护国家技术主权与发展主动权的战略制高点之一。截至2023年10月，29个国家和地区制定和推出了量子信息领域的发展战略规划或法案文件，据公开信息不完全统计的投资总额已超过280亿美元。全球主要国家在量子信息 领域的战略规划和投资概况如表1所示，以2018年欧盟“量子旗舰计划”和美国《国家量子倡议（NQI）》法案为重要标志，近五年来各国在量子信息领域的规划布局持续加速。2023年6个国家相继发布量子信息相关国家战略和投资规划，计划投资总规模达到67亿美元。总体而言，量子信息领域的国际科技竞争正日趋激烈。 1https://www.beijing.gov.cn/zhengce/gfxwj/202309/t20230908_3255227.html 2https://www.hefei.gov.cn/ssxw/zwyw/108461121.html 3http://www.hubei.gov.cn/zwgk/hbyw/hbywqb/202311/t20231116_4947889.shtml 表1全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况 时间 战略规划/法案 国家/地区 投资规模（美元） 2014 国家量子技术计划 英国 10年投资约12.15亿 2018 光量子跃迁旗舰计划 日本 投资约1.2亿/年 2018 量子旗舰计划 欧盟 10年投资约11亿 2018 国家量子信息科学战略国家量子倡议（NQI）法案 美国 计划5年投资12.75亿， 实际投资已达37.38亿 2018 量子技术从科研到市场 德国 投资约7.1亿 2019 量子技术发展国家计划 荷兰 7年投资约7.4亿 2019 国家量子技术计划 以色列 5年投资约3.3亿 2019 国家量子行动计划 俄罗斯 5年投资约5.3亿 2020 国家量子技术投资计划 法国 投资约19.6亿 2021 量子系统研究计划 德国 5年投资约21.7亿 2022 国家量子计算平台 法国 投资约1.85亿 2022 芯片与科学法案 美国 4个量子项目1.53亿/年 2023 国家量子战略 加拿大 投资约2.7亿 2023 国家量子战略（NQS） 英国 10年投资31.8亿 2023 国家量子战略 澳大利亚 投资约6.4亿 2023 国家量子技术战略 丹麦 5年投资约1亿 2023 量子科技发展战略 韩国 2035年前投资17.9亿 2023 国家量子任务 印度 2030年前投资7.2亿 来源：中国信息通信研究院（截至2023年10月） 2023年1月，美国国家科学技术委员会发布《NQI2023年报》4显示，NQI法案五年来的实际投资远超原计划规模。2019-2023财年投资累计达37.38亿美元，超出原计划的12.75亿美元近两倍，投资覆盖量子计算、量子网络、量子传感/计量、量子基础科研和量子工程技术五大领域。其中，量子计算投资占比最高，共计约10亿美元，量子网络投资增速最快。美国能源部（DOE）、美国国家科学基金会 （NSF）和国家标准与技术研究院（NIST）是NQI法案主要实施部门，其中DOE和NSF五年来分别累积投资超过12亿和10亿美元。 4https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2023/01/NQI-Annua