2024上海量子科技产业发展白皮书

上海量子科技产业 发展白皮书（2024） ShanghaiQuantumScienceandTechnologyIndustryDevelopmentWhitePaper 产业概况·格局分析·上海现状·展望建议 上海量子科技产业发展白皮书 指导单位：上海市经济和信息化委员会 编制单位：中国电信股份有限公司上海分公司 上海中创产业创新研究院 编写人员：张杰俊周翔蔡敏华静杨靖宇戴楚楚 丁国杰刘梦琳李光辉王诗悦 (2024) 产业概发况展 量子科技细分领域量子计算 量子通信量子测量 量子科技产业发展前沿趋势 量子科技整体处于“产业化前夜”量子计算多技术路线并行发展 量子通信密钥分发技术应用持续融合量子精密测量正在改变传统测量行业 上海情况发展 地位与进展 国际量子科研重要阵地 集聚一批量子科技领军企业应用示范场景不断丰富 率先打造量子通信新基座存在问题 NTE CO目录NT 世界主要国家布局情况美国 布国局内情外况 中国欧洲日本 国内主要城市布局情况北京 合肥济南深圳武汉 展望与建议 目标愿景发展建议 加快核心技术产品突破促进企业主体引优培强强化战略功能平台布局加强标杆载体园区建设推动应用示范场景开源完善行业融合发展生态 科学意义和战略价值。世界主要国家均发力量子科技，积极抢占前 量子科技是新一轮科技革命和产业变革的关键领域，具有重大 序言 沿科技战略制高点。国内早在“十三五”期间就将量子科技作为重 大科技发展方向提出，目前在全球处于领先水平。上海在量子科技 领域集聚了一批代表性企业，并在高校科研机构研发创新以及应用 场景方面拥有综合优势，应积极布局量子科技未来赛道，壮大培育 新动能，构筑面向未来的竞争优势。2022年9月，上海市人民政 府印发《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方 案》，明确指出量子科技布局的重点方向。2023年底的中央经济 工作会议和2024年政府工作报告，均强调要开辟量子科技新赛道。 行深入分析的基础上，系统梳理上海量子科技产业发展基础、特色 基于此，有必要在对全球量子科技产业发展格局和发展趋势进 优势以及主要进展，并对下一步量子科技产业发展进行展望。在上 海市经济和信息化委员会指导下，上海中创产业创新研究院联合中 国电信股份有限公司上海分公司，共同编制了《上海量子科技产业 发展白皮书》，供各级政府部门、园区、企业提供决策参考。在调 研过程中，也得到了上海交大前沿创新研究院、上海量子科学研究 中心、图灵量子、循态量子、国盾量子、国科量子、微观纪元、国 耀量子、频准激光等机构和企业的支持，在此一并表示感谢。 产业发展概况 量子科技细分领域 量子科技产业发展前沿趋势 量子科技是量子物理和信息技术交叉融合而产生的前沿科学技术，是一种颠覆性的未来产业技术，代表了正兴起的“第二次量子革命”。量子科技产业是指基于量子信息技术形成的战略性新兴产业，有望对传统技术和产业产生颠覆性影响，重塑计算、通信和测量体系，引领新一轮科技革命和产业变革，在国家未来科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响，已成为当前国际科技界激烈竞争的焦点。 量子科技细分领域 1.1 量子科技主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。当前，量子计算进入样机研发攻关和应用场景探索的关键期，但商业化尚远，通用型量子计算机还有相当长的路要走；量子通信商业化时代即将来临，产业链基本成形，但整体应用还处于早期阶段；量子测量进入实用化阶段，量子传感器等商用化产品不断出现，但短期内难以取代经典测量。 支撑起量子通信的技术和硬件基础 基础光电元器件和核心设备 实现远程量子通信及量子网络的传输渠道 量子传输干线 负责令对，信是息维进护行整整量合子处系理统并平根台据需求做出相关指 个系统健康运转的软件基础 量子金信融息、产互业联化网的云下服游应，用主层要为军事国防、政务、 务、电力等领域的应用 从产业链来看，量子信息产业链从上游到下游主要包含基础光电元器件、量子通信核心元器件、量子通信传输干线、量子系统平台、以及应用层五个环节。其中基础光电元器件和核心设备是支撑起量子通信的技术和硬件基础;量子传输干线是实现远程量子通信及量子网络的传输渠道;量子系统平台主要负责对信息进行整合处理并根据需求做出相关指令，是维护整个系统健康运转的软件基础;应用层则为量子信息产业化的下游，主要为军事国防、政务、金融、互联网云服务、电力等领域的应用。 2 3 上海量子科技产业发展白皮书2024上海量子科技产业发展白皮书2024 图1量子科技产业链全景图 信息来源：前瞻产业研究院（中创研究院制图）。 1.1.1量子计算 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，能够在某些计算困难问题上提供指数级加速，有望突破经典算力瓶颈，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。基于含噪声中等规模量子（NISQ）处理器和云接入等方式，在生物化学、大数据优化和机器学习等计算场景中探索“杀手级应用”将是近期的主要发展目标。可扩展可容错量子计算需要物理平台、纠错编码算法和调控系统等方面的进一步突破，仍是需要十年以上持续研究的远期目标。 量子计算是量子科技最热的研究内容，也是量子科技中最有标志性的颠覆性技术，其技术路线主要聚焦于如何利用量子比特的特性进行信息处理，呈现超导、离子阱、光量子、中性原子、拓扑量子等多种技术路线并行探索态势。这些技术路线各有特点，从微观到宏观尺度，在提高相干性和调控并扩展多比特系统上各有优劣，适用于不同的应用场景和问题类型。例如，超导和光量子作为目前最成熟的技术路线，在实现大规模可实用化量子计算机上极具潜力。前者利用超导材料和电路制作的量子比特，具有控制精度高、集成度高、可扩展性好等优点；后者利用光子作为信息载体，具有传输速度快、抗干扰能力强等优点，适用于长距离通信和分布式量子计算。离子阱技术利用离子 阱中的离子进行量子计算，具有相干时间长、可操控性好等优点，适用于高精度的量子模拟和量子化学计算。中性原子体系相互作用可控、相干时间较长，在容错和规模化集成上展现了一定优势。拓扑技术利用拓扑材料和拓扑效应制作的量子比特，具有鲁棒性强、易于扩展等优点，是一种具有潜力的技术路线之一。 总体来看，超导和离子阱技术路线目前仍处于领先地位，受到关注程度最高，同时中性原子路线也是迈向通用量子计算的有力竞争者，硅基半导体和光量子路线发展正在提速，但目前仍无任何一种路线能够完全满足实用化条件要求从而推动技术方案的融合收敛。 4 5 上海量子科技产业发展白皮书2024上海量子科技产业发展白皮书2024 1.1.2量子通信 量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，进行量子态信息传输或密钥分发，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。量子通信的研究主要包括量子随机数、量子密钥分发（也被叫做量子密码，量子保密通信）、量子隐态传输等。目前真正得以商用的主要是以量子密钥分发技术及量子随机数技术为核心的量子密码技术。 一次量子密码主要采用现代密码学中的对称密码算法如 （QKD）技术相结合的方式实现，可有效提高信息安全性， 一密算法（OneTimePad，OTP）和量子密钥分发 抵御量子计算带来的安全威胁，在通信与数据传输的信 息保护方面发挥重要作用。显然，量子密码中QKD技术 是核心，针对QKD技术，目前国外的理论与技术发展集 中在连续变量量子密钥分发（CV-QKD）和离散变量量子 密钥分发（DV-QKD）两个方面。连续变量量子密钥分发 技术一般是利用连续变化的物理量，如光场的强度相位等， 作为信息载体，利用相干探测方式实现量子态的探测，其 具有设备集成度高，现网融合性优，安全密钥率高等优点。 离散变量量子密钥分发技术一般是利用单光子的量子特 性，如偏振、相位等作为信息载体，利用单光子探测器 实现量子态的探测，其具有传输距离远的特点。 近年来，以量子密钥分发为核心的量子保密通信技术主要研究关注提升设备性能指标，以满足更高带宽数据传输的加密需求；持续推进量子保密通信技术应用，开展量子密钥分发系统设备融合性、网络融合性应用研究，开展模块化、集成化、芯片化产品研发，提升设备场景覆盖能力。 1.1.3量子测量 量子测量是利用量子力学的精确性进行超高精度的测量，该领域在时间、空间和能力等方面有着广泛的应用潜力，在许多特性方面比传统测量技术有数量级提升，如尺寸、灵敏度、特异性、统计或系统不确定性、可追溯性、校准间隔、寿命、功耗和安全性等，未来能够激发和释放出全新的测量应用场景。 目前量子测量的五大主要技术路线包括基于冷原子相干叠加，基于核磁共振或顺磁共振，基于无自旋交换弛豫原子自旋（SERF），基于量子纠缠或压缩特性和基于量子增强技术。冷原子技术路线的优势在于降低了与速度相关的频移，减速（或被囚禁）的原子可以被长时间观测，提高了测量精度，有望助力下一代定位导航授时技术的发展。原子自旋量子测量广泛应用于陀螺仪、磁场测量领域。其测量精度较高，特别是基于电子自旋与惰性气体核自旋耦合（SERF）的量子测量具备很高的理论精度极限，是目前另一个研究热点。量子纠缠应用于时钟同步、定位导航、目标识别领域，测量精度可以大幅提高，突破经典物理的限制，逼近海森堡极限。由于非经典态产生十分困难，并且光的量子特性在有损耗的环境中极容易受到破坏，实际应用中存在一定困难，目前主要处于理论分析或原理样机开发阶段。量子增强技术在发射端未使用量子纠缠源或压缩光，而在接收端利用量子技术进行测量增强，比如利用单光子探测和频率上转换等技术提升探测灵敏度，接收端进行压缩光场注入和相敏放大提升信噪比等，主要应用在量子目标识别和成像等领域。 近年来，量子测量技术主要研究关注提升测量性能指标，进一步挑战测量精度记录和突破经典测量极限；推进样机系统工程化，进一步开展小型化、芯片化和可移动化研发，增强系统实用性。 6 7 上海量子科技产业发展白皮书2024上海量子科技产业发展白皮书2024 1.2 量子科技产业发展前沿趋势 当前，量子科技正进入“产业化前夜”，量子通信、量子计算、量子测算等各个细分领域都孕育着巨大增长潜力。以量子计算领域为例，根据麦肯锡和英国国家量子计算中心公布的资料数据，在量子计算在实现“量子纠错”、完成应用落地之前，量子计算行业的总体市场规模在未来7年内将达到90亿至 930亿美元。而一旦实现“量子纠错”，完成应用落地之后，量子计算的应用价值将高达6.2万亿至12.7万亿美元。量子计算机的规模达到算法需求后，下游应用市场进入落地阶段后，以化学品、生物医药、汽车和金融四个领域为首的应用市场规模将爆炸式增长。预期截止到2035年将产生6.2万亿至12.7万亿美元的效益。 1.2.1量子科技整体处于“产业化前夜” 量子处理器作为量子计算的“核心引擎”，其物理平台实现仍是当前阶段量子计算研究与应用的关键瓶颈之一，技术路线呈现多元化和并行发展态势，主流方案包含超导、离子阱、硅基半导体、光量子和拓扑等。近年来，量子计算处理器物理平台的技术研究和样机研制发展进一步加速，超导、光量子、离子阱、硅基半导体等技术路线均已实现量子物理比特，正在向实现可纠错的量子逻辑比特迈进。未来，业界或将不再单纯追求物理比特数量规模的扩展，而在逻辑门保真度、相干时间等质量方面同步提升，关注量子体积等综合性能评价指标。此外，量子计算机成本高、运行环境苛刻等难题尚未解决，距离通用计算机的实用化水平还有较大差距，而量子芯片成为核心关键。未来，随着通用量子计算机技术的逐步成熟，量子应用软件服务也将成为主流，量子计算应用生态亟需加快构建。 1.2.2量子计算多技术路线并行发展 8上海量子科技产业发展白皮书2024 9 上海量子科技产业发展白皮书2024 1.2.3量子通信密钥分发技术应用持续融合 量子通信密钥分发技术（QKD）已初步实用化，多种QKD系统已实现商用，主流商用化技术方案包括DV-QK