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第 1 页共 13 页 构筑我国量子科技产业发展新优势——
中美量子科技产业发展的比较分析
目录
摘要 ................................................................................................................................................. 1 1. 量子科技正处于从实验室研发到生产实践的关键期，5 年内将有一批量子科技产品实现商业和军事应用 .............................................................................................................................. 1 2. 中美在量子科技产业的竞争态势 ............................................................................................ 3 3. 中美量子技术大 PK.................................................................................................................. 7 4. 对我国启示及政策建议 .......................................................................................................... 10
摘要 战略新兴产业是未来主导经济增长、打造国家核心竞争力的关键，也是中美科技竞争的主要领域。其中，以量子计算、量子通信和量子传感测量为主要内容的量子科技因巨大的应用潜力和经济价值被中美两国提升到了国家战略层面。我们对兰德公司近期发布的《中美量子科技产业评估报告》《量子科技的商业与军事应用及发展时间线》进行了深入分析，同时研究了英国、欧盟、日本等经济体的量子科技发展战略报告，形成了对全球量子科技产业发展前景和中美竞争态势的综合研判，由此提出了推进我国量子科技产业发展的政策建议。
关键词：量子科技产业；发展前景；中美竞争 1. 量子科技正处于从实验室研发到生产实践的关键期，5年内将有一批量子科技产品实现商业和军事应用 量子科技的理论基础经历百余年发展已经成熟完善，利用量子物理特性突破电子计算机和电子传感器的物理极限，大幅提升人类获取、传输、处理信息的能力在理论上完全可行。自 20 世纪 80 年代提出量子计算机的理论模型之后，量子科技的应用研究取得了重大进展，演化出了量子计算、量子通信和量子传感测量 3 个主要应用领域，其中小部分成果已经足够成熟，开始迈向商业化和产业化阶段。
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量子传感测量是应用场景最丰富也是最接近商业化和产业化的领域，预计5 年内可实现商业和军事应用。量子传感测量利用量子物理特性实现对时间、加速度、电磁场、重力场的超高精度测量，在民用和军事领域均有广泛和清晰的应用前景。民用方面，量子传感器可以大幅提升资源勘探、地震预测、核磁共振成像（MRI）、正电子放射断层造影（PET）等的精度和效率。此外，量子时钟可提供高频金融交易、电子支付、5G 通信、智能电网的动态控制等应用所必需的精确计时。军事方面，量子传感器可以测量电子传感器无法精确探测的电磁场和重力场变化，从而实现在水下、建筑物内等无外部信号环境中的精确定位和导航。英国国防实验室研究表明，基于量子技术的导航系统可以将潜艇的定位精度提升 1000 倍。美国陆军实验室提出“鬼成像”（Ghost Imaging）技术，可以实现复杂战场情况下的远距离高清成像。美国国防部、英国国家量子科技项目、欧洲量子旗舰项目等机构一致认为，量子传感测量将在未来 5 年内实现商业和军事应用。
量子计算是最具颠覆潜力同时也是难度最大的应用领域。通用量子计算以量子比特代替电子比特进行计算，根据物理机制可以分为超导量子、光量子、离子阱、量子点和拓扑量子等 5 类。由于量子态的特性，构建量子计算机具有极高的技术难度，尚无法确定哪类技术会成为最终解决方案。目前超导量子和
第 3 页共 13 页 光量子是最为成熟的技术路径，已经开发出可以快速解决特定数学问题的原型机，实现了远超传统电子计算的“量子霸权”，但这一超越仅限于非常特殊的个别数学问题 。通用量子计算的简化版本“量子退火”和“量子模拟”具备清晰的应用场景，特别是前者可求解函数组合优化问题，已于 2011 年实现首次商业应用。普遍认为，5 年内，有实际应用价值的量子计算将首先在生物化学和材料科学领域实现，并随着量子计算软硬件的继续成熟在 10 至 20 年内全面应用于人工智能、自动驾驶、保密通信等众多领域。
量子通信的第一代应用“量子密钥分配”（QKD）已经完成小规模部署，第二代应用“量子传态”仍处于技术研发阶段。2007 年前后，中国和欧洲分别实现了第一代量子通信应用 QKD 的短距离数据传输试运行。2017 年，瑞士构建了连接电信数据中心、银行和政府的光纤 QKD 数据传输线路。同年，中国建立了全球第一条长距离量子保密通信干线“京沪干线”，并通过卫星 QKD首次实现了跨洲视频通信。2020 年，日本东芝成功使用光纤 QKD 传送了数百GB 的基因组数据，首次实现 QKD 的大数据传输。虽然第一代量子通信技术已有小规模商用案例，但其安全性、可靠性和效率仍无法满足大多数商业和军事用途。因此，第二代量子通信应用“量子传态”被寄予厚望。目前该技术还处于实验室研发阶段，预计 10 年左右可以进入商业化阶段，最终目标是建立由量子通信网络将各种终端设备连接在一起的“量子互联网”（Quantum Internet）。
2. 中美在量子科技产业的竞争态势
第 4 页共 13 页 中美两国在量子科技产业的 3 大领域都处于全球领先地位。研究成果方面，通过对全球权威的自然科学数据库 Web of Science 中超过 2.1 万种期刊的9000 万篇发表文章中搜集到 2010 至 2020 年发表的 46016 篇量子科技相关文章。结果显示，中国（15029 篇）和美国（11073 篇）是研究成果最多的两个国家，占全球研究成果总量的 56%以上，多于其他所有国家的总和（详见附表1）。研究力量方面，中美也是实力最强的国家，发表 1 篇以上研究成果的机构数量分别达到 2205 家和 1521 家。发展速度方面，中美两国都处于高速增长期，2011 至 2020 年在量子科技 3 大领域研究成果的年增长率均接近甚至超过 10%。
美国在量子计算和量子传感测量领域领跑全球，量子通信的优先级相对较低 。美国量子科技发展重点集中在量子计算和量子传感测量两个领域，尤其是前者，研究成果的数量和质量均为全球第一。数量方面，2010 至 2020 年，美国共发表量子计算研究成果 7319 篇，占同期全球研究成果的 26%；发表量子传感测量研究成果 1240 篇，占同期全球研究成果的 24%。质量方面，美国在量子计算领域共发表高质量研究成果 1381 篇，占全球总量的 45%，是第二名中国（630 篇）的两倍以上；发表量子传感测量领域高质量研究成果 235篇，占全球总量的 41%，远超中国的 148 篇。从取得高质量研究成果的机构数量上看，美国（361 家）也略优于中国（325 家）。
中国在量子通信领域处于绝对领先地位，并在量子计算和量子传感测量领域快速追赶，其中超导量子计算和光量子计算已与美国接近。2010 至 2020年，我国发表量子通信研究成果 6440 篇，占同期全球总量的 38%，是美国（2524 篇）的两倍以上。其中，高质量研究成果 577 篇，占全球总量的31%，是美国（433 篇）的 1.3 倍。目前中国拥有全球唯一的长距离量子保密通信主干线，也是唯一实现卫星 QKD 通信的国家。在第二代量子通信技术研发中，我国也处于全球领先地位，率先实现了“量子传态”的卫星试验。在量
第 5 页共 13 页 子计算和量子传感测量领域，2010―2020 年我国研究成果的年均增速已达14.1%和 23.8%，大大高于美国的 10.8%和 8.2%。
中美两国量子产业专利申请数快速增长，都已进入技术 S 形曲线的中期，距离全面产业化预计还需约 10 年。IFI CLAIMS Direct Platform 全球专利数据库的数据显示，2000 至 2019 年，美国在量子计算、量子通信、量子传感测量三大领域的申请专利数分别为 4845、1385、787 件，年均增速分别达到17%、12%、14%。同期中国在量子科技产业 3 大领域的专利申请数为3133、3133、1121 件，年均增速更是高达 40%、38%、29%（详见附表2）。从专利申请数量这一关键指标衡量，中美量子科技产业的发展都已经进入技术 S 形曲线的中期。从历史数据看，这意味着 10 年左右将进入全面产业化阶段 。尽管中国进入 S 形曲线的时间比美国晚 5 年，但是更高的增长速度意味着中国正在快速追赶。
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美国公共财政对量子科技产业的投资大、增速高，特别是在 2018 年颁布《国家量子计划法案》之后。主要是联邦政府的三大支柱：一是民事机构。主要包括国家自然科学基金（NSF）、能源部（DoE）、国家标准与技术研究所（NIST）和国家航空航天局（NASA）。二是军事机构。主要包括国防部高级研究计划局（DARPA）等国防部长办公室（OSD）下属的各机构。三是情报机构。主要包括国家安全局（NSA）和情报高级研究计划局（IARPA）等。2021财年联邦政府对量子科技的研发投入预算为 7.1 亿美元，增幅达 29%，2022财年预计增幅也在 22%左右。
美国量子科技产业的重心正在由大学、国家实验室向企业转移，企业数量、融资规模和技术覆盖面均高于我国。截至 2020 年末，美国已有 182 家企业进入量子科技产业，涵盖了量子科技三大应用领域的几乎全部细分应用领域和技术路径。公共投资之外，非盈利基金会和风投基金（VC）也对量子科技产业加大投入。对美国量子科技研究投资最大的 20 家机构中，11 家是联邦政府机构，8 家是非盈利基金会。Crunchbase 数据显示，截至 2021 年 6 月，共有20 家美国企业获得了风投基金共 12.8 亿美元的投资，其中 3/4 以上投入了量子计算领域，显示出市场非常看好该领域商业化前景。相比之下，我国量子科技企业开展相关业务的仅有 13 家 （详见附表 3），主要集中在量子通信领域。
第 7 页共 13 页 3. 中美量子技术大 PK 提起量子技术，就不得不提到量子纠缠，什么是量子纠缠？我们先来看下定义吧！
在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。
怎么样？是不是看不懂？一头雾水？那我们就举个例子来讲下吧！
以两颗向相反方向移动但速率相同的电子为例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星边，在如此遥远的距离下，它们仍保有关联性（correlation）；亦即当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即时发生相应的状态变化。如此现象导致了鬼魅似的超距作用之猜疑，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般。
怎么样是不是还是一头雾水？别说是你，我看了也脑仁疼，爱因斯坦也曾说过，世界上只有两个半人读懂《相对论》，但无人读懂量子力学，其中包括他自己。还好这不是我们今天的重点，我们今天重点说说中美两国在量子领域谁更领先。
量子应用主要集中在量子计算、量子通讯。
我们先从量子计算开始，美国在量子计算领域领先的公司主要有两个：谷歌和 IBM。
2019 年十月底，谷歌宣布其名为 Sycamore 的芯片通过执行传统计算机无法完成的任务首次实现了“量子霸权”。谷歌表示，Sycamore 仅用 53 个量子位就在短短几分钟时间内完成了一项高难度计算任务，而目前最先进的超级计算机 Summit 耗时 1 万年也不可能完成。谷歌表示，这是一项重大的技术突破，甚至将其比作莱特兄弟实现首次飞行和苏联发射第一颗人造卫星，这项突破开启了计算机发展新纪元，如今最强大的超级计算机在它面前也不过是个算盘。
目前，IBM 制造出的处理器设备最多能够达到 60 个量子位，这些量子位通过相互配合来完成工作任务。而今年准备推出的 Eagle 将 127 个量子位连接在一起，不仅使原先达到的量子位数量增加了一倍多，而且成为 IBM 第一
第 8 页共 13 页 个含 100 多个量子位的处理器设备。值得一提的是，IBM 正筹划在 2022 年以前再次进行重大的量子位突破，制造出分别达到 433 和 1121 个量子位的处理器。
我们再看下我国的进度，首先我们先认识下中国量子方面的领军人物--潘建伟！1996 年，硕士毕业，经导师推荐，潘建伟赴奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从量子实验研究的世界级大师蔡林格。1998 年，作为学生参加了他的奥地利老师 Anton Zeilinger 教授（奥地利科学院院长）
[15-16] 成功实现纠缠态交换。1999 年，潘建伟作为第二作者的量子态隐形传输实验取得“量子信息实验领域的突破性进展”，这个实验被公认为量子信息实验领域的开山之作，欧洲物理学会将其评为世界物理学的年度十大进展，美国《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。所以说，潘建伟绝对是世界量子领域顶尖的专家。现在在国内量子领域正是以潘建伟团队为核心带动了国内大批量子方面的人才。
而在 2020 年的时候，潘建伟领导的团队就已成功构建 76 个光子 100 模式的量子计算原型机“九章号”，它在处理高斯玻色取样问题上的速度比当时世界上最快的超级计算机“富岳”快 100 万亿倍。今年，中国科学技术大学的潘建伟等人与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建 113 个光子 144 模式的量子计算原型机“九章二号”。它在求解高斯玻色取样数学问题上，比目前全球最快的超级计算机快 1亿亿亿倍。九章二号比“九章”快 100 亿倍。
除了九章二号，潘建伟领导的研究团队还与中科院上海技术物理研究所合作，成功研制出“祖冲之二号”原型机。
据悉，“祖冲之二号”在处理量子随机线...