量子产业发展白皮书

信 研 电子息究 赛迪研究院主办 2024年6月10日 第1期 总第95期 量子产业发展白皮书（2024年） □量子产业发展概况 □量子计算关键技术产品 □量子通信关键技术产品 □量子精密测量关键技术产品 □应用推进情况 □国际政策战略 □产业投融资 □发展建议 『所长导读』 量子产业是将量子力学原理与新一代信息技术融合创新的未来产业。当前，量子计算、量子通信、量子精密测量技术快速迭代，全球量子产业发展进入加速期，量子产业初具雏形，将对现有技术和产业产生颠覆性影响，引领新一轮科技革命和产业变革，已成为构建新质生产力的重要方向。 为开辟我国量子产业发展新赛道，赛迪研究院电子信息研究所编写了《量子产业发展白皮书（2024年）》，总结了量子产业发展总体情况，梳理了产业链各环节创新进展、行业应用推进情况、政策环境、投融资情况，提出了推动产业发展的若干措施建议，期望推动量子产业加快形成新质生产力，有力支撑新型工业化建设，为行业管理部门提供决策参考。如有不当之处，敬请指正。 赛迪智库电子信息研究所所长陈渌萍 2024年6月10日 目录 CONTENTS 量子产业发展白皮书（2024年） 一、量子产业发展概况…1 （一）总体情况1 （二）产业链概况1 二、量子计算关键技术产品…4 （一）超导量子计算4 （二）离子阱量子计算5 （三）光量子计算5 （四）半导体量子计算5 （五）中性原子量子计算5 三、量子通信关键技术产品…6 （一）量子随机数发生器6 （二）量子密钥分发设备6 （三）量子保密通信网络技术6 （四）量子隐形传态技术6 （五）抗量子密码技术7 四、量子精密测量关键技术产品…7 （一）量子时频同步7 （二）量子磁场测量7 （三）量子重力测量7 （四）量子惯性测量8 （五）量子探测测量8 五、应用推进情况…8 （一）量子计算+金融8 （二）量子计算+化工制药9 （三）量子计算+交通物流10 （四）量子通信+金融11 （五）量子通信+电力12 （六）量子精密测量+医疗诊断12 （七）量子精密测量+地质勘探13 （八）量子精密测量+定位导航14 六、国际政策战略14 七、产业投融资18 （一）投融资情况及特点18 （二）典型案例18 八、发展建议21 （一）统筹技术研发21 （二）强化应用牵引21 （三）加快人才引育21 （四）加强国际合作22 量子产业发展白皮书（2024年） 一、量子产业发展概况 （一）总体情况 量子计算、量子通信和量子精密测量是量子产业的三个主要研究方向。量子计算产业正呈现阶梯式多路径演进趋势，产业化关键阶段将至。量子计算沿着量子优越性、专用量子模拟机、可编程通用量子计算机“三阶段”路线发展。目前，量子计算对特定问题的计算能力已超越超级计算机，实现量子优越性，进入含噪声的中等规模量子（NISQ）时代，正逐步向专用量子模拟机演进。现阶段，超导、光量子、离子阱、半导体量子点以及中性原子等多元化技术路线竞相发展。 量子通信产业发展分为量子 保密通信、量子安全互联网以及量子信息网络三个阶段。近期量子通信产业发展正处于量子保密通信阶段，即应用量子密钥分发技术提供高安全的数据传输和通信服务；量子通信产业发展中期是量子安全互联网阶段，即以量子密钥分发技术为基础构建广泛的密钥管理网络，结合量子安全的密码算法，提供系统性的量子安全服务；量子通信产 业发展远期是量子信息网络阶段，即应用量子隐形传态等量子通信技术手段，依托星地一体的广域量子通信网络，实现量子安全网络、量子云计算网络、量子传感网络等网络服务。 量子精密测量产业发展分为 专用量子传感器、工业级量子传感器、消费级量子传感器三个阶段。当前量子精密测量产业发展正处于从专用量子传感器向工业级量子传感器过渡的初始阶段，冷原子干涉、热原子蒸气、金刚石氮空位色心、里德堡原子等多条技术路径并行演进。未来产业重点发展方向是提升灵敏度、稳定性、信噪比等核心指标，健全设备性能指标评价体系，推动已有工程样机产品化。随着产品可靠性、便携性、集成性进一步提升，量子精密测量技术赋能千行百业将成为可能。 （二）产业链概况 1、量子计算产业链 量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算机，作为执行量子计算任务的设备，以量子 《电子信息研究》2024年第1期1 专业就是实力精准就是品牌 比特为基本运算单元。量子计算产业链主要包含上游核心元器件、中游整机制造与软件算法、下游的应用与服务等环节。 产业链上游核心元器件主要包括环境系统、测控系统以及其他关键器件。其中环境系统主要包括低温组件、稀释制冷机以及真空设备等。测控系统主要包括微波测控系统、光学探测器等。其他关键器件主要包括芯片、高性能激光器等。 产业链中游主要包括量子计算 机整机制造、软件算法环节。其中整机制造环节按技术路线分，主要包括超导量子计算机、离子阱量子计算机、光量子计算机、半导体量子计算机以及中性原子量子计算机等。软件算法环节主要包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。 产业链下游应用与服务环节是指使用量子计算技术来提供应用和服务，应用场景覆盖金融、化工、制药、交通、物流等多个领域。 图1量子计算产业链 2、量子通信产业链 量子通信技术依托量子力学的核心理论，采用诸如光子等基本粒子的量子态来编码信息，并通过专门的量子通道进行传输，从而提供一种传输效率高且安全性极强的通 数据来源：赛迪智库整理 信手段。相较于传统的通信方法，量子通信在传输能力和安全性方面有着显著的优势。自20世纪80年代起，随着量子通信理论研究的深入，该技术已经从初步的实验室测试阶段发展至工程样机的制造、 2《电子信息研究》2024年第1期 量子产业发展白皮书（2024年） 工程应用以及网络化解决方案的提供，逐渐发展成为一个技术要求极高的重要行业，并且其行业成熟度正不断增长。 量子通信产业链上游主要是核心器件与材料。主要包括芯片（如数据处理类芯片、电学芯片、光学芯片）、量子光源、单光子探测器、量子随机数发生器、周期极化铌酸锂晶体与波导以及光纤光缆等。 量子通信产业链中游为网络传 输线路及系统平台，主要包括量子密钥分发设备、组网设备和网络管理软件平台、网络建设集成、保密网络运营以及包括新一代的加密算法、安全协议、芯片的抗量子加密等领域。 量子通信产业链下游为应用与服务，主要包括量子加密、保密通信、量子防伪、身份识别、物联网等应用场景。覆盖了国防、金融、通信、电网等应用领域。 图2量子通信产业链 3、量子精密测量产业链 量子精密测量技术是量子力学在计量学方面的一项革命性技术，旨在达到对单个量子系统进行极端灵敏度的探测、精确控制和综合应用。该技术克服了传统基于经典力学原理的精密测量设备所面临的测量不确定性以及无法测量的限制，极大地提高了测量的准确性和灵敏 数据来源：赛迪智库整理 度，并且提高了测量的效率，同时还具备对特定类型噪声的抗干扰能力。量子精密测量技术在基础科学研究、国防安全、生命科学、资源勘探、航空航天以及能源电力等多领域中展现出巨大的应用潜力和价值。 量子精密测量产业链上游主要是核心器件与材料，主要包括材料、 《电子信息研究》2024年第1期3 专业就是实力精准就是品牌 真空系统、磁体环境、低温系统、电子元器件、激光等。 量子精密测量产业链中游是测量仪器，主要包括时间测量（原子钟）、磁场测量（量子磁力计）、重力测量（量子重力仪、量子重力梯度仪）、惯性测量（量子加速度 计、陀螺仪）、探测测量（量子天线、量子雷达）等。 量子精密测量产业链下游为应用与服务，主要覆盖计量、科研、医疗检测、精密制造、能源勘探、定位导航等应用领域。 图3量子精密测量产业链 二、量子计算关键技术产品 量子计算机制备主流技术路径包括超导、离子阱、光量子、半导体量子点、中性原子等。超导和离子阱技术路线当前处于领先地位，受到关注程度最高，半导体量子点和光量子路线发展提速，中性原子近期取得诸多突破性进展，上述五种路径均已制作出物理原型机，但仍无任何一种路线能够完全满足实用化条件要求。 数据来源：赛迪智库整理 （一）超导量子计算 超导量子计算是以超导量子电路为基本单元，以约瑟夫森结为核心结构的量子计算技术路线。由于约瑟夫森结是一个人造结构，同时，得益于超导量子电路与现有的集成电路工艺具有较高的兼容性，因此，超导量子计算极具可扩展性与规模化潜力。近年来超导量子计算路线进展迅速，已成为目前最有希望实现通用量子计算的热门路线之一。但由于超导量子体系的不可封闭 4《电子信息研究》2024年第1期 量子产业发展白皮书（2024年） 性，环境噪声、磁通型偏置噪声等大量不易控制的自由度导致量子比特耗散和退相干等问题有待突破。此外，超导量子系统工作对物理环境要求极为苛刻（超低温）等均是超导量子计算实现过程中不可避免的问题。 （二）离子阱量子计算 离子阱量子计算是利用电荷与电磁场间的交互作用力约束并控制带电粒子，利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光，实现量子比特的初始化和探测。离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。与此同时，离子阱量子计算路线目前仍面临四项问题：一是离子阱难以储存多条离子链；二是由于外加激光强度、频率及相位的不稳定，且离子对电场噪声敏感导致的退相干问题；三是量子比特可扩展性差；四是体积庞大，小型化尚需时日。 （三）光量子计算 光量子计算通过将量子比特信 息编码在单个光子上，并利用光学器件以及光学探测器对光子进行量子操控及测量来实现量子计算。光学量子计算机具有高精度、高稳定性、相干时间长、可室温运行以及与现有的光纤和集成光学技术具有较高的兼容性等优点。但仍面临小型化以及两量子比特之间的逻辑门操作等问题。光量子可分为逻辑门型光量子计算和专用光量子计算两类，近年来以玻色采样和相干伊辛等为代表的专用光量子计算研发成果丰富。 （四）半导体量子计算 半导体量子计算通过将量子比特信息编码在半导体材料中的电子或空穴上，并利用外部电场、磁场或光场等手段进行操控，以实现量子计算。半导体量子计算具有相干时间长、可控性强以及与现有集成电路制造工艺兼容性高等特点。但仍然面临量子比特数不足、保真度不高、比特门操作和状态读取不稳定、测控电路不完善等问题。 （五）中性原子量子计算 中性原子量子计算通过运用光学操控技术精确控制和操纵中性原 《电子信息研究》2024年第1期5 专业就是实力精准就是品牌 子，以此在原子之间实现量子纠缠和量子逻辑操作。中性原子量子计算具有相干时间较长、相互作用可控、良好的扩展性和构型灵活等特点。但也面临原子的量子态稳定性不足以及难以精确操控大量原子等两大难题。 三、量子通信关键技术产品 （一）量子随机数发生器 量子随机数发生器（QuantumRandomNumberGenerator）能够基于量子力学的不确定性与不可预测性，通过测量量子态的随机塌缩来生成随机数。与传统的随机数生成方式相比，量子随机数发生器生成的随机数不可预测性更高，且随机性度量更严格，在信息安全、密码学、科学仿真等领域具有广泛的应用价值，是量子通信系统中关键核心器件。 （二）量子密钥分发设备 量子密钥分发（QuantumKeyDistribution）能够利用量子纠缠态进行密钥分发，信息的发出方和接收方可以安全地生成和共享密钥。量子态的测量不可避免性和量子不可克隆性能够让传输过程中的任何 6《电子信息研究》2024年第1期 窃听行为被合法用户发现，确保通信的安全保密。目前量子密钥分发设备已通过光纤传输、卫星组网等方案部署应用在实际通信网络中，助力量子保密通信网络的经济化、商业化、小型化。 （三）量子保密通信网络技术 量子保密通信网络利用量子信号而非传统的电信号在局域网、城域网和骨干网实现量