中国在量子方面有多创新 ？

中国在量子方面有多创新？ 哈丹·奥马尔和马丁·马尔卡扬|2024年9月 中国在量子通信领域的领先地位不容置疑，但其整体量子能力有限；在计算突破未取得重大进展的情况下，美国仍占据优势地位。 KEYTKEAWAYS 中国在量子通信领域领先，但在计算（美国擅长的领域）落后，与美国在感知方面持平，在市场成熟技术方面表现出色，而美国则主导了高影响力领域。 中国在公共量子科技领域的资金投入超过150亿美元，远超美国。尽管美国在私人资金方面较高，但中国通过巨大的公共投资弥补了私营部门的不足。 中国量子战略具有孤立性，主要依赖国内资源且全球合作有限。这种策略短期内能取得快速进展，但长期来看在维持复杂技术进步方面存在风险。 政府主导的工业枢纽，如合肥的“量子大道”对于培育中国的量子产业至关重要，它直接连接学术研究与服务于国家战略、市场准备就绪的技术，确保国家优先事项得到满足。 中国对量子研究与开发（R&D）的国家控制正在增长，阿里巴巴和百度等企业退出量子研究，使创新与国家目标相一致，并减少私营部门的参与。 中国从国外开放创新环境中战略受益，有选择性地参与其中同时保护自己的量子技术进展 ，从而形成了一种不对称的知识共享环境。 美国应迅速扩大资金规模、促进以行业为主导的创新，并简化从研究到市场的路径，以确保其量子领导地位转化为实际的经济和战略收益。 itif.org CONTENTS 摘要部分 在不确定的环境中实现稳定的市场份额增长 关键要点.1 引言.3 背景与方法论.4 中国量子产业概述.4 评估中国✁量子创新.6 中国在哪些量子技术领域进行创新？.6 中国如何在量子技术领域进行创新？.9 对中国量子产业的创新投入分析12 科学出版物.12 专利.13 公司案例研究.15 -起源量子（OriginQuantum）.15 -量子CTek.15 中国政府支持量子产业✁政策.17 美国应采取什么行动？.19 附注.22 INTRODUCTION 中国正在积极寻求量子信息科学（QIS）的发展，该领域利用量子力学原理以根本不同的方式处理和传输信息。这些进展在规模和范围上超越了美国，使得美国在量子领域的领导地位远非稳固 。量子技术不仅对国家安全至关重要，还有可能对经济和社会产生变革性影响。对于美国而言，在这一技术前沿处于领先地位对于其经济和社会福祉都具有战略重要性。 总体而言，中国在量子通信领域占据主导地位，但在量子计算方面落后于美国，而在量子传感领域与中国和美国大致相当。国家资助的实验室、顶尖大学如中国科学技术大学（USTC）以及少数选定的私营公司正在推进与国家优先事项高度一致的技术。在量子通信领域，中国在全球范围内确立了领导地位，这一成就尤为突出，通过建设世界上最长的量子密钥分发（QKD）网络——北京-上海主干道，以及开创性的墨子号卫星，将量子通信扩展至更远的距离。这一网络使中国在安全的长距离量子通信领域处于领先地位。然而，在量子计算领域，中国显著落后，尤其是在硬件和量子系统的实际应用方面。在量子传感领域，中国在某些方面领先，而美国在其他方面领先 。这种对比——中国在更成熟的量子传感领域的领导地位与量子计算领域尚不成熟的状态之间的差异，体现了其迅速提炼并应用现有研究的强大能力，同时也揭示了其在基础创新方面的局限性 。 中国充分认识并利用其优势。量子创新战略的核心在于坚持不懈地将前沿研究转化为实际、商业化的应用。政府举措创建了如合肥的量子大道等专门枢纽，在这里，学术研究无缝转换为市场可用技术。中国的策略尤为封闭，研究出版物中与国际的合作相对有限。尽管这种策略带来了快速的收益，尤其是在量子通信领域，但也存在长期风险。量子技术开发的巨大成本和复杂性，以及全球分散的供应链，要求国际合作——这可能是中国内向型策略难以持续的地方。中国从其他国家开放的创新环境中获益良多，但对自身进展的保护尤为明显。虽然它利用全球研究，但限制了自身发展成果的分享，反映了保持竞争优势的战略方法。 美国应立即且果断地采取行动，确保其在量子技术领域的领导地位。这包括大幅增加研发投入，尤其是通过重新授权国家量子倡议（NQI）来实现。国会应支持由行业主导的创新，以解决关键的公共部门挑战，加速量子技术的商业化进程。此外，美国应避免过早实施严格的量子标准，让行业自然地进行创新和演变。必要的谨慎、针对性的出口管制措施是保护美国先进成果的同时，保持思想和技术流动的关键。通过平衡战略投资、创新与安全，美国可以确保在全球量子技术领域保持领先地位。 背景技术和方法 史密斯·理查森基金会为信息技术与创新基金会（ITIF）提供了支持，旨在评估中国的创新产业情况。作为这项研究的一部分，ITIF重点关注了包括量子技术在内的行业和技术。本报告中涉及的量子技术包括以下内容： ▪量子通信,这指的是利用量子力学原理开发安全通信协议的发展，以确保传输信息的机密性和完整性。 ▪量子计算,这指的是利用量子力学进行计算的计算机发展，其计算速度比经典计算机快指数级。 ▪量子传感,这是指使用量子力学来增强传感器和测量科学。 确定的是，评估任何国家工业的创新能力确实具有挑战性，而对于中国工业而言，这一挑战尤为显著。部分原因在于，在习近平主席领导下，中国向世界披露的信息比过去要少得多，尤其是在工业和技术能力方面。尽管如此，国际创新与技术论坛（ITIF）采用了三种方法来评估中国在量子领域的创新情况。首先，我们对全球专家进行了访谈，并举办了一场聚焦小组圆桌会议，讨论中国的量子产业，同时辅以对这一领域中国创新的全面文献回顾。其次，我们评估了全球范围内的量子创新数据，包括科学文章和专利信息。最后，我们对由专家小组认定为引领中国行业的两家量子公司进行了深入案例研究评估。 中国量子产业概述 尽管报道中有大量的中国量子公司，但实际上可以识别为对量子技术做出重大贡献的私营部门企业仅有约14家，包括九家初创企业和五家主要科技公司（见表1）。1引领潮流的是如原量子和量子CTek等突出的初创企业，以及阿里巴巴、百度和腾讯等巨头。这五家公司在中国量子市场占据最大的份额。2 大型科技公司 量子聚焦的起点 量子研究小组 1 Ciqtek 阿里巴巴量子计算实验室 2 昆峰 百度量子计算实验室 3 量子起源 ➴为HiQ 4 Qasky 腾讯 5 QuantumCtek ZTE 表1：中国私营部门量子生态系统中的创新企业 量子聚焦的起点 大型科技公司量子研究小组 7神州量子通信技术 6QuDoor 8SpinQ 9TuringQ 近期，大型中国科技公司退出量子研究领域表明了中国政府更广泛的举措，旨在加强对中国量子研发的管控。 中国私营部门对量子技术的投资与美国相比显得黯淡无光。中国的初创企业资金严重不足，《兰德2022报告》仅识别出4400万美元的资本，这与美国初创企业可获得的12.8亿美元形成了鲜明对比。32023年麦肯锡报告发现类似的私人投资鸿沟，指出美国的量子初创企业总私人投资额 约为中国的十倍。4尽管如此，美国的私人投资者在量子技术投资领域不仅超越了中国，他们在 全球范围内领先，投资额超过欧盟私人投资的五倍。5这种优势不仅源自可获取资本的规模，还源于投资者文化对承担经过计算的风险的深刻承诺，这些风险推动了创新的发展。中国在资金方面的严重缺口使得初创企业难以大量投资于进行深入研究，与资金更为充足的美国同行形成鲜明对比。然而，中国通过将初创企业的重点放在现有量子技术的商业化上，并弥补公共资金缺口（后文详细阐述政府政策部分），将这一弱点转化为优势。 近期，大型中国科技公司退出量子研究领域表明中国政府正在全面加强对中国量子研发的管控 。阿里巴巴和百度均已关闭其量子研究部门，将资产转移至与国家关联的机构。例如，百度将其量子研究设施转交给北京量子信息科学研究院，而阿里巴巴则将其量子实验室转移至浙江大学。6尽管一些分析人士将这些退出归因于经济压力——例如量子研究高昂的成本和不确定的回报——更令人信服的解释是政府正在整合控制权，以确保量子研发活动更好地与国家战略目标相协调。7通过将量子研究集中于与政府关联的机构内，政府不仅减少了私营公司的角色，而且还指导了创新的方向。 评价中国量子创新 为了评估中国量子技术的发展，我们的关注点在于理解“是什么”以及“如何实现”：中国在哪些量子创新领域表现出色，以及这些进展是如何实现的。尽管诸如量子位数、相干时间以及门操作保真度等指标通常主导着关于量子能力的讨论，但在涉及中国数据和方法透明度不足的情况下 ，这些指标作为衡量进步的手段既不充分也不可靠。 中国创新的量子技术有哪些？ 中国在量子通信领域具有显著优势，而美国在量子计算领域同样处于领先地位。8一位专家指出，这一差异凸显了两国在量子技术领域采取的两种截然不同的国家策略：美国投资于量子计算的长期潜力——这是一种尚不成熟但极具前景、适用于多个行业的技术；而中国则专注于量子通信的即刻安全应用，这是一种更为成熟的技术集，市场范围相对较窄但应用直接且安全。 在2013年斯诺登泄露事件之后，习近平主席鉴于中国通信可能存在的安全漏洞，将量子通信与安全列为第十三个五年计划的重点。9自那时起，中国迅速行动，稳固了其在全球安全通信竞赛中的领先地位，特别是在量子密钥分发（QKD）领域。这是安全通信中最先进的子领域之一，利用量子力学原理创造出几乎不可破解的数据加密方法。该领域包括基于地面的系统，通过光纤电缆安全地在城市之间或邻近区域传输数据；以及基于卫星的系统，可实现更长距离乃至全球范围内的安全通信连接。中国在这方面拥有最雄心勃勃的技术演示，特别是通过被称为北京-上海主干的项目，这是世界上最大的QKD网络，使用光纤电缆跨越超过1200英里的距离。10为了进一步扩展安全通信，中国将卫星链路整合进了这一网络。这些卫星链路允许在距离过远无法通过光纤直接连接的地方，如不同大陆之间，进行安全传输数据，从而维持了超越基于地面系统的可能的安全量子通信，确保了通信的安全性远超传统地面系统所能达到的程度。 中国在2016年发射墨子号卫星，这一举动标志着其量子通信领域的雄心迈出了一大步。墨子号项目超越了北京至上海骨干网络所取得的令人瞩目的成就。由潘建伟及其在中国科学技术大学的团队领导，与中科院合作，墨子号成为了全球首个量子科学卫星。11它率先实现了跨越数千英里的安全量子通信，成功地在亚洲与欧洲之间传输量子密钥，这一壮举涉及与奥地利的研究团队合作。通过在洲际间实现量子密钥交换，墨子号展示了构建全球量子互联网的可能性——这是一种能够以比当前互联网更为安全的方式传输信息的网络，能够保护数据免受拦截或篡改 。墨子号证明了量子通信能够覆盖全球，从地方网络扩展到创建一个安全、互联互通的世界， 超越了北京-上海骨干网，使中国成为了未来全球安全通信领域的领导者。 图1：1200英里的量子通信走廊连接了中国四个城市的量子网络12 其他国家认识到保持量子密钥分发（QKD）竞争力的重要性，并已投入资金以保持领先地位，但美国在这方面落后了。欧盟启动了EuroQCI项目，这是一个主要计划，旨在开发覆盖欧洲的量子安全通信网络，而韩国正在自行开发全国性的QKD骨干网，但在美国并未见到类似的投入。美国量子经济开发联盟（QED-C）在2024年的一份报告中指出，“目前，美国政府并未投资于此类试验床或演示，确保它将在该领域技术进步的发展中成为跟随者而非领导者。”13 然而，中国在量子计算方面落后。中国在多个领域都存在滞后，包括硬件开发和算法复杂度 。 首先，在硬件开发领域，美国已在与中国竞争中占据主导地位。为了构建功能性的量子计算机 ，必须创建一个物理系统，用于编码、控制和操作量子位以执行计算。目前有两大主要技术可以实现这一目标，而美国公司在这两方面的研发均处于领先地位。一种方法使用原子离子，如铍离子，将其困于真空环境中代表量子位。14与传统的电路不同，在传统电路中，比特通过电路的不同组件移动，而在此方法中，离子（即qubits）被固定并由电场操