量子信息技术发展现状及趋势.docx

量子信息技术发展现状及趋势1、量子信息技术发展现状近年来，量子通信、量子计算和量子精密测量作为量子信息技术的三大核心领域，各自展现出独特的技术特点和广阔的应用前景。总体上，量子信息技术正逐步从实验室研究走向产业化应用，目前已经进入了一个以“产学研用管”协同推进为特征的新阶段，并开始形成初步的产业生态系统。在量子通信领域，量子密钥分发（QKD）已具备“天地一体”广域网络工程化实现条件，处于规模应用推广阶段。织密量子保密通信网络、筑牢新型信息基础设施安全基石已被多个国家和地区提升到国家战略层面，国内外都在持续开展产品集成化升级、应用融合创新、标准化体系建设。在量子计算领域，多个量子计算原型机已经在少数特定问题上证明了“量子优越性”，有望在未来解决更多困难问题并产生革命性的影响，但目前仍处于基础研究阶段，还不能解决有实用价值的复杂问题。各国都在先实现专用量子计算机、最终实现通用量子计算机的道路上快速前行，与之相关的供应链市场、整机销传市场、相关应用探索市场加速发展。在量子精密测量领域，已形成量子雷达、原子重力仪等一批产品，可提升对时间、位置、加速度、电磁场等各种物理量的测量精度。目前整体处于实用化转型阶段，正在多种技术路线上、多种应用场景中进行不同程度的技术探索、产品开发、工程应用。前瞻性、战略性的国家重大科技项目，包括“量子信息等重大创新领域组建一批国家实验室”“加强原创性引领性科技攻关”“量子信息城域、城际、自由空间量子通信技术研发，通用量子计算原型机和实用化量子模拟机研制，量子精密测量技术突破”等。多部委和各地方政府陆续出台相关政策。2023年12月，中央经济工作会议提出“开辟量子、生命科学等未来产业新赛道”。2024年1月，工信部、科技部、国务院国资委、中国科学院等七部门发布了关于推动未来产业创新发展的实施意见，其中多处提出发展量子信息技术。2024年3月，国务院政府工作报告指出，2023年我国科技创新实现新的突破，包括“量子技术等前沿领域创新成果不断涌现”等，2024年要大力推进现代化产业体系建设，加快发展新质生产力，”制定未来产业发展规划，开辟量子技术、生命科学等新赛道”。2、国内外标准化体系建设取得阶段性成果标准化工作是新兴技术走向产业化规模应用的重要环节。2023年，由工业和信息化部、科技部、国家能源局、国家标准化管理委员会四部门共同组织编制的新产业标准化领航工程实施方案（2023-2035年）发布，指出要前瞻布局量子信息产业标准研究，开展量子信息技术标准化路线图研究，聚焦量子通信、量子计算、量子测量领域。量子通信技术服务信息基础设施建设,符合我国安全和信息化发展的趋势与要求。在国内，第三方测评是决定信息安全产品商业准入的关键环节，近年来信息安全、信息通信和金融、电力等领域的专业机构加大了对量子通信这一新兴信息安全技术的关注和参与，通过测评、标准、融合应用等工作，深度参与了量子通信技术、产品、应用的研究和规划，逐步形成阶段性的共识和认可。2023年，国家市场监督管理总局和国家标准委发布.首个量子通信领域国家标准量子保密通信应用基本要求：国家工信部发布通信行业标准量子保密通信网络架构量子密钥分发（QKD）网络网络管理技术要求第1部分：网络管理系统（NMS）功能基于IPSec协议的量子保密通信应用设备技术规范量子密钥分发（QKD）网络Ak接口技术要求第1部分：应用程序接口（API）和量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术要求等，目前还有大量标准有待研制发布。在国际上，ITU、IEEE、ISO/IEC等国际标准化组织，近年来纷纷启动量子信息领域的标准化工作，中国主体在其中发挥着重要作用。其中，量子通信领域标准化进展较为丰富，显示了一定的产业成熟度。例如，中国信息安全测评中心与国科量子联合牵头发起的IS0/IEC国际标准量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法发小，成为首个系统性地规范量子密钥分发（QKD）安全检测技术的国际标准；国科量子牵头或参与的量子密钥分发网络Ak接口协议量子密钥分发网络Kq-I接口协议等5项ITU-T国际标准获批准通过，QKD网络协议国际标准实现“0”的突破，将为QKD网络的规模化建设、互联互通及广泛应用提供有力支持。量子计算与量子精密测量领域的相关标准化工作刚刚起步，国内外基本处于同一阶段。2023年，我国首个量子计算领域国家标准量子计弊术语和定义发布，量子测量领域首批国家标准量子测量术语单光子源性能表征及测量方法等进入批准阶段。IT1.IEEE、ISO/IEC等国际标准组织也在积极开展相关标准化工作布局和预研。3、应用探索蓬勃，各领域处于不同发展阶段在国家战略牵引和先行者的示范带动下，近年来国内外量子信息领域不断有“新军”加入，科技巨头和风投资本投入不断增加，初创型中小型量子科技企业茁壮成长。量子计算、量子通信和量子精密泅量三大领域均展现出蓬勃的发展势头，但各F1.处于不同的发展阶段。量子通信是目前实用化进程最快的领域。国内有国盾量子、国科量子、问天量子等专业从事量子通信业务的科技公司，中国电信、国家电网、木东芝、韩国SKT、华为、中国电科集团等通信及ICT巨:头也成立了相关量子通信研发团队。从产业链来看，量子通信上下游已基本形成，上游主要包括芯片、光源、探测器、量子随机数发生器和其他材料器件；中游主要包括设备研发制造、网络建设、网络运营及服务等；下游主要为行业应用。得益于量子通信技术从实验室到市场的衍化，全球已超30个国家正在部署或已经实施量子通信基础设施建设，如中国、欧盟成员国、加拿大、英国、韩国、新加坡等，量子通信的基建工作与应用场景得到不同程度的拓展。以我国为例，在量子通信领域，我国从基础研究到产业应用都处于国际领先地位，国家量子保密通信骨干网络地面总里程已超100OO公里，在大数据服务、政务信息保护、金融业务加密、电力安全保障、移动通信等领域形成示范应用和试商用项目：长三角区域量子保密通信骨干网络线路总里程约2860公里，形成了以合肥、上海为核心节点，链接南京、杭州、无锡、金华、芜湖等城市的环网，采用自主研发的量子业务运营支撑系统及卫星调度系统，为星地一体量子保密通信网络提供全方位保障。2023年，中国电信发布了“DICT+量子”全场毋能力体系及通话+量子、网+量子、云+量子、平台+量子等一系列应用产品。量子计算目前处于基础攻关和实验阶段，超导、光量子、离子阱、中性原子等主要技术路线在国际上均有布局，不乏科技巨头或量子初创企业在硬件系统和软件算法研发等方面表现活跃。目前，全球仅中美加3国4台量子计算原型机在特定问题上实现了量子计算优越性，达到量子计算发展的第一个里程碑阶段，但在实用复杂问题上都还没展现“量子计算优越性”。科技巨头中，IBM、谷歌、英伟达、亚马逊、微软、英特尔等都在布局，创新公司包括D-Wave.IONQxRigetti等.国内也有屏讯、华为及一些初创公司参与.从产业链来看，上游主要包括制冷设备、真空系统、测控系统、各类光电元器件和线缆连接器等设备组件：中游主要包括硬件整机研制销生和量子软件开发：下游主要包括量子计算云平台和行业应用。目前，量子计算潜在的算力优势受到金融、航空航天、制药等行业的重视，与量子计算企业结合开展应用探索已蔚然成风。云平台和超量融合是目前国内外量子计算应用服务的主要提供模式，谷歌、IBM微软、中科院量子信息与量子科技创新研究院以及公司，都已推出量子计算公平台的服务，通过降低量子计算机使用门槛和成本，牵引更多行业内外的伙伴，助力量子计算的技术攻关与应用探索。量子精密测量正在走向规模化商用。该领域主要是利用量子状态对环境的高度敏感，提升对时间、位置、加速度、电磁场等物理量的测量精度，涉及的方向和领域相对较多，具有应用场景丰富、产业化前景明确等优势，但不同物理量测量的发展成熟度也有差异。从产业链看，量子精密测量上游主要包括低温设备、磁体、光源/激光器、探测器等系统研发所需的基础材料元器件和支撑系统：中游主要包含各技术方向的系统产品，如量子时钟、量子重力仪、单光子雷达等；下游主要为基础科研、生物医疗、环境勘测等领域的行业应用。3、量子信息技术发展特点结合以上对行业发展阶段的分析，可以看到量子信息行业呈现出国家战略驱动、技术发展迅速、应用前景和市场空间广阔的特点。I、量子通信可作为新型信息安全产品和服务，与ICT及信息安全行业天然具有可结合的优势，相关安全验证问题在相关部门指导、测评机构参与、产学研联手的长期攻关下取得了突破。当前，量子通信企业与通信网络运营商合作开展技术验证和应用探索渐成趋势，和不同类型ICT系统及网络融合应用研究持续开展。随着技术的不断成熟和市场对高度安全性的需求增加，量子通信将在网络安全领域发挥越来越重要的作用。口本东芝曾预测，随着量子计算机的发展，全球量子保密通信（QKD）市场有望将从2020年的约2,100亿日元（约合122.79亿元）发展到2035年度的约2.1万亿日元（约合1227.87亿元）。2、量子计算具备极大超越经典计算机运算能力的潜力，作为未来冲算能力跨越式发展的重要方向，近年来受到极高关注。当前量子计算处在多种技术路线并存的早期探索阶段，基本都沿着量子计弊优越性一一专用量子计算一一通用量子计算的路线图发展，实现大规模可容借通用量子计算仍需长期努力。一方面，探索量子计算物理实现方式、高精度拓展量子系统规模是研究机构与企业追逐的关键目标；另一方面，量子计算在不同行业的算法研究广泛开展。英国国家量子计算中心认为，2027年，NJSQ（中等规模含噪声）量子计算机的应用领域的市场需求和影响规模将会达到200亿英镑到350亿英镑，约合人民币1,800亿到3,150亿：其预测量子计算对社会和经济的长期影响可能是巨大的，到2050年，全球市场的影响将超过3,500亿英镑。3、量子精密测量是能对时间、位置、加速度、电磁场等物理量实现超越经典测量极限的测量手段，具有H大的经济、国防、应用价值。但其涉及的领域比较分散，包括时间测量、重力测量、目标识别、磁场测量等研究方向。第三方科技咨询机构ICV预计，全球量子精密测量市场将从2023年的1-4.7亿美元增长到2035年的39.0亿美元，呈现不断上升趋势，年第合增长率为7.79%。4、量子信息技术门槛量子通信、量子计算和量子精密测量作为量子信息技术的三大支柱领域,这些领域涵盖多项核心技术，并呈现出相互融合的发展趋势。总体上看，量子信息技术属于高知识密集型领域，其操控处理的是单量子级别的微观物理对象，具有跨券科、高精尖的技术特点，产品研发和技术创新要求企业具备较强的技术实力、配置丰富的技术研发资源，要求企业研发人员在量子信息理论、光学、微电子学、软件和集成技术等方面形成系统性支撵。在量子通信领域，底层技术涉及到高效率低噪声单光子探测、高速高精度物理信号处理、光学/光电集成、专用数字集成电路等尖端技术：系统与应用技术涉及而向不同场景和要求的信息基础设施融合、业务系统融合、高效安全和法、攻防评估体系建设等。此外，量子保密通信网络的建设环境也不相同，网络建设方案的经济性、项目的快速交付以及业务连续性也是技术难点。在量子计算领域，从量子比特数量到纠错、逻辑门保真度的提高，都是衡量量子计弊能力的重要基准，在量子芯片材料、结构与工艺、量子计算机整体构架以及操作和应用系统等方面实现自主可控、国产化以及提高集成度等，都是难点所在。产业应用上，通用量子计算机的落地还有很长的一段时间，量子计算需要在NISQ（中等规模含噪声）的量子计算机上实现有价值的应用探索，通过并行运算以及不断优化算法，同时克服目前量子计算设备的局限性进行输出，方能满足客户的高标准和高需求。在量子精密测量领域，由于不同物理量的量子传感器成熟度存在差异，产业进入多元化发展周期，在实验室研发、原型机攻关，工程化应用场生落地、能力指标满足实际场景中全方位应用需求等各环节,都需要掌握相关核心技术能力。5、量子信息技术发展趋势世界各主要国家对量子技术的规划布局和投资力度进一步加大，代表性研究成果和应用探索亮点纷呈、前景可期，量子信息技术企业与产业联盟不断发展壮大。新技术、新产业、新业态、新模式蓬勃发展，具体如下：1、运营商积极布局，量子通信和安全应用备受重视全球范围内，对量子计算可能对现有密码体系构成威胁的认识口益增强。因此，发展量子保密通信网络基础设施，以推动相关量子产业的发展，已成为一个显著的全球趋势。在欧洲，多国在欧洲量子通信基础设施计划的资助下，已经开始建立量子通信实验网络和基础设施。例如，西班牙正在建设覆盖马德里大都市区的量子通信城域网，法国、爱尔兰和丹麦等国也在积极建设量子通信试验网络并进行技术产品测试。在亚洲，印度在其国家量子任务中提出了在未来8年内建设国内卫星安全量子通信、国际远距离安全量子通信、2000公里以上城市间量子密钥分发以及配备量子存储器的多节点量子网络的宏伟目标。在这一进程中，通信运营商作为基础网络的构建者和信息安全的守护者，正逐渐与量子通信企业合作，共同开展技术验证和应用探索。2023年，中国电信投资30亿元成立中电信量子集团，围绕“量子融网”构建城市级量子通信基础设施，为行业客户提供信息传输、数据存储等安全服务；英国电信、韩国SK电信、美国沃达丰等国际运营商也积极探索量子通信技术的潜力和商业价值，进行了一系列的实践探索。在技术应用方面上，量子通信领域的产品技术，如QKD.QRNG等，发展已较为成熟，目前的新发展主要集中在产品的升级迭代，旨在提升性能、优化价格应用竞争力、缩小整机尺寸、提升用户友好性和增强产品的可扩展性等。随着量子通信技术水平和市场认可度的提升，该技术将作为网络安全领域中的一种重要补充和增强手段，发展方向集中于在不同领域的深度融合，应用场景也将逐渐清晰和多元，为安全通信提供更为全面和创新的解决方案。在标准体系方面，量子通信领域技术标准体系正初步构建。在量子通信系统中，具备商用化能力的QKD、QRNG和加密应用核心设备已初步实现标准化。在网络标准方面，2023年，国际电信联盟电信标准化局（ITUT）批准通过了5项QKD网络协议相关标准，为QKD网络的互联互通提供有力的技术支捺。未来，组织开展QKD系统和产品的现实安全性测试验证与评估,将是量子通信领域标准实施验证和测评关注的重要方向。2、量子计算云平台、“超量融合”亮眼，应用探索不断2023年，全球科研机构和企业持续对超导、离子阱、光子、中性原子和半导体等物理体系进行系统性研究，这些体系被认为是实现可扩展量子计算的有力候选者，并且在各H的研究领域均取得了不同程度的技术突破。在国外，哈佛大学在基于中性原子阵列的量子计算平台上获得重要进展；IBM推出了干比特超导量子处理器，还发布了其最高性能、最低错误率的133比特量子处理器，表示会在实现量子比特规模扩展时兼顾比特质量的同步提升；谷歌宣布了其在量子纠错方面的重要突破。国内，中国科大潘建伟、朱晓波、彭承志领导的超导量子计算团队刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，验证了中等规模真纠缠的能力：中国科大潘建伟、陆朝阳团队构建了255个光子的“九章三号”光量子计算原型机。这些研究进一步展示了量子计算的潜力。目前，虽然暂时还无法实现容错的通用量子计算，但研究人员正积极探索在带噪声的量子计算阶段的应用。例如，中国科大基于“九章二号”光量子计算原型机完成图论问题求解，展示了高斯玻色采样带来的加速优势；谷歌联合团队在超分子复合物动力学模拟中引入量子机器学习算法，加速量子化学的科学研究等。此外，多家企业和研究机构推出了结合量子计算硬件的云服务'F台，如国盾量子计算云平台、中国电信“天衍”云平台等，国外如IBM.谷歌、亚马逊等也提供了对量子计算机的远程访问服务，推动量子计算在金融、物流、制药等领域的应用探索。这些云平分不仅有助于推动量子计算技术的普及和应用，也为未来的技术创新和产业发展提供了重要的基础设施和生态环境。在超量融合方面，IBM云平台和“天衍”云平台等也都在尝试融合经典超级计算和量子计和。例如，通过量子算法来优化超级计算机上的计算任务，或者在量子计算机上解决特定问题，然后将结果传输到超级计算机进行进一步处理；开发能好与现有超级计算基础设施兼容的量子计算接口和中间件等。目前,欧洲多个超级冲算中心已经在通过云服务将量子计算机与超级计算机相连接，为用户提供全面的量子计算能力。虽然量子计算仍然面临技术挑战和实现难题，但近期的进展表明其具有巨大的潜力和广阔的应用前景。预计在未来几年内，量子计算将在特定领域（如材料模拟、药物发现、优化问题、气象预测等）实现一些初步的应用突破。但要实现广泛的商业化和产业化，可能还需要更长时间的持续研究和开发。3、量子精密测量多点开花，小规模定制化仍是主流2023年，量子精密测量领域技术在多个领域取得了显著进展，量子时频测量、量子磁力计、量子重力仪、量子加速度计与陀螺仪、单光子雷达等整机系统技术均有显著进展，在医疗健康、能源环保、同步通信、科学研究等领域的应用也不断拓展，不仅提升了测量的精度和灵敏度，也为科学研究和工业应用开辟了新的可能性。目前，国内外企业和研窕机构根据特定需求定制量子测量设备和服务，小型化、集成化和低成本将是量子精密测量技术发展的重要趋势。总体来看，尽管各细分领域的市场规模相对较小，量子精密测量技术有望在未来几年内实现更多突破，为各行各业带来更精准、高效的测量解决方案。