量子信息技术发展与应用研究报告（2024年）

No.202413 量子信息技术发展与应用研究报告 (2024年) 中国信息通信研究院2024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。 更名声明 原“集智”白皮书更名为“集智”蓝皮书。“集智”蓝 皮书将继续秉承原有的编撰理念和高质量标准，致力于提供有价值的信息和洞见。 前言 以量子计算、量子通信、量子精密测量为代表的量子信息技术是量子科技的重要组成部分，也是开辟未来产业新赛道、构建新质生产力，打造创新发展新动能的重要发展方向。量子信息领域基础研究与应用研究并重，进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育相互带动，一体化发展阶段。 近年来，量子信息技术已成为全球主要国家在前沿科技领域布局的重点方向，政策规划布局和资金投入力度不断加大，三大领域基础研究、实验探索与技术创新高度活跃，科研亮点成果不断涌现，系统样机产品关键性能指标持续提升，应用场景探索在诸多行业领域广泛开展，企业数量增长和市场投融资保持较高水平，技术标准化研究取得阶段性成果，供应链和产业生态建设成为关注热点。我国高度重视量子信息领域发展，在政策布局、科研攻关、产品研发、示范应用和产业培育等方面，取得了一系列重要进展和成果。 自2018年起，中国信息通信研究院持续编写和年度发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，成为管理部门和业界把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、最新技术研究与应用进展、行业热点问题等进行分析探讨，希望为凝聚业界发展共识合力持续做出贡献。 目录 一、量子信息领域总体发展态势1 （一）量子信息技术开辟未来产业发展新赛道1 （二）量子信息科研探索与技术创新高度活跃3 （三）量子信息技术标准研究取得阶段性成果6 （四）企业数量增长放缓，投融资保持高水平9 二、量子计算研究与应用进展14 （一）硬件系统多技术路线并行，科研亮点成果涌现14 （二）量子纠错研究备受关注，距离实用化仍有差距18 （三）软件与云平台多元开放发展，成熟度有待提升21 （四）多领域持续探索应用场景，欧美产业生态活跃25 （五）构建测评体系成为热点，支撑技术与产业发展29 三、量子通信研究与应用进展33 （一）量子密钥分发科研持续推进，量子卫星受关注33 （二）量子信息网络是研究热点，多方推动前沿探索36 （三）量子保密通信应用持续探索，仍存在问题争议40 （四）抗量子加密标准正式发布，升级迁移逐步启动43 四、量子精密测量研究与应用进展47 （一）新技术方案不断涌现，基础前沿研究亮点纷呈47 （二）欧美加大布局与投资力度，推动重点领域应用50 （三）光钟性能指标稳步提升，秒定义更新研究启动54 （四）产业生态构建初具雏形，规模商用仍面临挑战58 五、量子信息领域发展与展望60 附录：量子信息领域国际/国内技术标准64 图目录 图1量子信息各领域（a）科研论文（b）专利申请年度变化趋势4 图2量子信息各领域全球科研论文总量前十位国家4 图3量子信息各领域全球科研论文总量前十位机构5 图4量子信息各领域我国专利申请总量前十位省市6 图5量子信息领域企业数量（a）领域分布（b）年度增长趋势10 图6量子信息领域企业数量（a）国家分布（b）领域/区域对比11 图7量子信息领域独角兽企业（a）国家分布（b）平均估值12 图8量子信息领域企业投融资事件与金额年度变化趋势13 图9量子计算主要技术路线核心指标发展趋势15 图10量子计算软件技术体系框架22 图11量子计算硬件性能基准测评指标体系30 图12量子计算测评体系1.0.32 图13新型协议QKD系统实验（a）TF-QKD（b）CV-QKD33 图14量子信息网络实验（a）城域三节点量子网络（b）量子存储器互联39 图15美国NIST抗量子密码（PQC）标准化历程44 图16量子精密测量主要技术方案与产品发展成熟度48 图17秒定义更新路线图任务完成度56 表目录 表1量子精密测量技术国防领域应用前景概况52 表2ITU-T量子信息领域国际标准64 表3ISO/IEC量子信息领域国际标准65 表4ETSI量子信息领域国际标准65 表5TC578量子信息领域国家标准66 表6TC485量子信息领域国家标准66 表7CCSA量子信息领域行业标准67 表8CSTC量子信息领域行业标准67 表9DL/TC27量子信息领域行业标准67 一、量子信息领域总体发展态势 （一）量子信息技术开辟未来产业发展新赛道 量子信息技术是量子科技的重要组成部分，通过调控和观测亚原子尺度的微观物理系统，利用量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等新颖量子物理学现象，实现信息的感知、计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域，在提升计算复杂问题运算处理能力、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，有望带来改变游戏规则的颠覆性创新，成为加快推动前沿科技领域探索、信息通信技术演进和数字经济产业发展的新引擎和加速器。 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，有望产生全新计算范式，在计算复杂问题中带来指数级加速优势，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。当前，量子计算多种技术路线并行发展，原型机工程化研发进展迅速，应用场景探索广泛开展，产业生态初具雏形。基于量子纠错实现可支持大规模量子线路运行的逻辑量子比特，以及基于原型机在实际应用问题中实现量子计算加速和量子优越性应用，是下一阶段的两个主要发展目标。 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量子信息传输，具有理论协议层面的可证明安全性。基于量子密钥分发（QKD）和量子随机数发生器（QRNG）等方案的 量子保密通信技术已进入实用化阶段，新型协议研究与系统实验持续开展，样机产品研发和平台服务探索不断推进，但实现规模化应用仍需推动产品和服务提质降本。基于量子隐形传态、量子存储中继和量子态转换等关键技术构建量子信息网络是未来重要发展方向，科研探索与试验验证高度活跃，但技术成熟度有限，实用化仍有很大差距。 量子精密测量对外界物理量变化导致的微观物理系统量子态变化进行调控和观测，实现高精度传感测量，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。量子精密测量包含多种技术方向和应用领域，技术成熟度与应用发展水平各异，其中微波原子钟、冷原子重力仪、光量子雷达、量子磁力仪等产品已实现商业化应用，光学原子钟、原子陀螺仪、里德堡原子天线等主要处于科研攻关和样机研制阶段。量子精密测量应用场景涉及国防军工、航空航天、生物医疗、地质/资源勘测等众多领域，产业化前景广阔。 量子信息技术是开辟未来产业新赛道的重要发展方向。当前，量子信息领域已进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育相互带动和一体化发展的关键阶段，加快核心技术攻关、推动科技成果转化、构建自主产业体系，是培育未来产业竞争力的核心。2024年政府工作报告1提出：制定未来产业发展规划，开辟量子技术等新赛道，创建一批未来产业先导区。党的二十届三中全会审议通过《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》2提出： 1https://www.gov.cn/yaowen/liebiao/202403/content_6939153.htm2https://www.gov.cn/zhengce/202407/content_6963770.htm 完善推动量子科技等战略性产业发展政策和治理体系，引导新兴产业健康有序发展。量子科技发展规划、细分领域发展布局和未来产业发展行动等政策体系进一步完善3。北京、安徽、广东、上海、湖北等省市通过布局科技研发项目、设立未来产业基金、支持新型研发机构、建设平台设施网络、孵化培育初创企业、提供产品服务采购等多类型举措，积极推动量子信息未来产业培育和生态建设先行先试。 （二）量子信息科研探索与技术创新高度活跃 量子信息科学研究和技术创新发展持续加速。量子计算、量子通信、量子精密测量三大领域已成为前沿科技领域热点方向，此外，由量子计算快速发展引发的密码破译威胁使得抗量子加密（PQC）逐步受到重视，PQC已成为与量子信息密切相关的技术领域。中国信息通信研究院持续跟踪四大领域的科研与技术创新进展，统计分析相关数据信息为业界提供参考。近十年来，四大领域的科研论文和专利申请数量保持逐年递增态势，如图1所示。 （a）科研论文（b）专利申请 来源：中国信息通信研究院整理（截至2024年10月） 3https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202401/content_6929021.htm 图1量子信息各领域（a）科研论文（b）专利申请年度变化趋势4 科研论文方面，量子计算在量子信息各领域中研究关注度最高，论文数量增长最快，近三年来量子计算领域论文数量已超过其他领域总和。量子通信和量子精密测量领域论文小幅增长，PQC领域在2018年之后论文增长加快，研究热度上升明显。专利申请方面，量 子通信在2018年之前数量保持领先，主要得益于量子密钥分发等方 向技术成熟度较高，量子计算自2019年起，专利数量增长迅速，在各领域中保持领先，技术创新持续活跃。PQC领域2018年之后专利数量有数量级增长，业界关注度持续提升。 来源：中国信息通信研究院整理（截至2024年10月） 图2量子信息各领域全球科研论文总量前十位国家 量子信息各领域的全球科研论文总量前十位的国家统计如图2 4科研论文统计基于WOS核心数据库检索，专利数量统计有滞后效应，近2年数据包含预测值。 所示。中、美、德三国在量子信息科研论文数量方面占据前列，在科研成果输出方面表现突出，日本、英国、印度、法国等国家也具备较强科研实力。量子计算领域，美国论文数量领先优势较为明显。量子通信领域，我国论文数量全球占比约为三分之一。量子精密测量和PQC领域各国论文数量差距相对不大，分布较为均衡。 来源：中国信息通信研究院整理（截至2024年10月） 图3量子信息各领域全球科研论文总量前十位机构 量子信息各领域的全球科研论文总量前十位的机构统计如图3所示。中国科学院（含下属院所）、中科大、清华等研究机构和高校，是我国量子信息领域的代表性科研力量。美国能源部下属国家实验室、加州大学系统（含分校）、马里兰大学系统（含分校）、国家标准技术研究院（NIST）等机构是美国量子信息领域代表性科研力量。欧洲法国国家科学研究中心、瑞士联邦理工大学、马克斯·普 朗克学会、亥姆霍兹学会等机构也是量子信息领域的科研重镇。 来源：中国信息通信研究院整理（截至2024年10月） 图4量子信息各领域我国专利申请总量前十位省市 量子信息各领域我国专利申请总量前十位的省市统计如图4所示。北京、安徽、江苏、广东、浙江、湖北等地已成为量子信息领域技术创新高地。其中，安徽地区量子计算领域院校和企业聚集度较高，专利数量领先。量子通信和量子精密测量领域，北京专利数量领先，体现出科教资源优势。PQC领域浙江企业专利布局较早。 （三）量子信息技术标准研究取得阶段性成果 标准对于量子信息科技成果转化、产品应用推广和产业生态建设具有重要作用。技术标准通过规范产品和应用的功能及性能一致性，保障安全性和互操作能力，可提升产业链分工合作水平与研发效率，降低系统成本，通过行业规范可增强企业市场竞争力和用户 认可度，引导和促进产业健康发展。量子信息技术标准化也是全球主要国家在发展战略布局中的关注重点之一。2024年7月，美国白宫发布包含量子信息技术在内的《关键和新兴技术国家标准战略》实施路线图5，提出增加政府项目支持，加大标准化前期研究投入，提升利益相关者参与度，加强政府机构间和公私部门间沟通协调，开展标准化领导者和人才培养，加强与盟友国家合作，提升国际标准组织影响力