國內(nèi)外量子科技發(fā)展形勢及問題與挑戰(zhàn)分析

程姣　李盛葆　冀冰

【摘要】 ? ?2020年，關(guān)于“量子霸權(quán)”的話題不斷進(jìn)入公眾的視野，在全球引起了廣泛關(guān)注和討論。在量子科技蓬勃發(fā)展的背景下，關(guān)于量子科技的研究和應(yīng)用發(fā)展已上升到一個新的高度，推動量子科技領(lǐng)域的發(fā)展已然成為各國必須謀劃和布局的重點(diǎn)。面對國外量子科技政策的頻出，中國也開始加大量子科技戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)布局，在量子通信及計算等領(lǐng)域取得了可喜成績。然而中國的量子科技發(fā)展與先進(jìn)國家相比仍然存在一定差距，在頂層設(shè)計、戰(zhàn)略布局、科研攻關(guān)、人才培養(yǎng)等方面仍有較大進(jìn)步空間。中國的量子科技的發(fā)展該如何緊跟全球步伐，如何在量子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破和領(lǐng)先，是我們當(dāng)下科技研究需關(guān)注的重點(diǎn)問題。

【關(guān)鍵字】 ? ?量子 ? ?通信 ? ?互聯(lián)網(wǎng) ? ?計算機(jī)

引言：

2020年10月16日，習(xí)近平總書記主持召開中央政治局集體學(xué)習(xí)，專題學(xué)習(xí)量子科技研究和應(yīng)用前景，并就中國量子科技如何搶占國際制高點(diǎn)、構(gòu)筑發(fā)展新形勢提出了一系列具體部署和要求。在國家政策的大力支持和鼓勵下，我國量子科技發(fā)展取得了長足進(jìn)步，開始逐步瓦解美國等西方國家在量子科技領(lǐng)域的壟斷地位，在國際社會占據(jù)一席之地。同時，美國、歐盟等國家也加大對量子科技的研究及投入力度，出臺了一系列政策及措施，對我國量子科技發(fā)展具有較大借鑒意義和參考意義。我國量子科技為了保持高速發(fā)展的勢頭，需要正視發(fā)展中的不足，汲取先進(jìn)經(jīng)驗，不斷調(diào)整發(fā)展方向，方能在激烈的國際競爭中立于不敗之地。

一、國際量子科技發(fā)展勢頭強(qiáng)勁

量子科技已成為當(dāng)今時代全球科技發(fā)展的代名詞，量子科技的發(fā)展態(tài)勢引起世界科技強(qiáng)國的強(qiáng)烈關(guān)注，各國關(guān)于量子科技的動態(tài)頻頻出現(xiàn)，紛紛出臺國家級政策和開展戰(zhàn)略行動計劃，旨在量子科技領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位，提高本國科技實力和水平，為本國科技發(fā)展貢獻(xiàn)中堅力量。

1.1美國

美國是全球量子科技研發(fā)最早的國家之一。2002和2004年，美國防部高級研究計劃局就分別發(fā)布和改善了《量子信息技術(shù)與科技規(guī)劃》1.0和2.0版，給出了量子計算發(fā)展實施步驟和時間規(guī)劃。

2008年，該機(jī)構(gòu)又啟動了一項名為“微型曼哈頓計劃”的項目，投入了大量的資金，致力于半導(dǎo)體量子芯片研究。

2016年7月，美國發(fā)布《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國家挑戰(zhàn)和機(jī)遇》，該報告對美國量子科技發(fā)展現(xiàn)狀和可能遇到的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，并構(gòu)思了未來量子科技的應(yīng)用場景，引發(fā)了新一輪科技的高潮。

2018年6月，美國《國家量子倡議法案》被高票通過，在10年內(nèi)累計投資12.75億美元，為美國量子科技發(fā)展提供資金支持。同年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院還支持成立了量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟，旨在全球范圍內(nèi)推動量子科技部署和創(chuàng)新。

2020年2月，美國白宮網(wǎng)站公布了《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，該構(gòu)想提出美國將全力進(jìn)軍量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，隨后7月，美國能源部計劃十年內(nèi)建成全球首個量子互聯(lián)網(wǎng)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院還在研究制定第一個后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)，嘗試為量子科技發(fā)展制訂技術(shù)規(guī)范和規(guī)則。

從各個方面來看，美國已將量子科技的研究與發(fā)展提升為國家戰(zhàn)略，并在量子科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了戰(zhàn)略布局，在理論研究方面及具體實踐層面，也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展及階段性的成果。大力投資研究經(jīng)費(fèi)，發(fā)展量子科技，一方面是增強(qiáng)國家科技實力和綜合國力的需要，另一方面也表明美國想繼續(xù)確保全球量子科技領(lǐng)先地位的決心。

1.2歐盟

歐盟各成員國早在2005年就計劃布局量子科技發(fā)展。首先頒布了《歐洲研究與發(fā)展框架計劃》，并提出包括量子計算、量子通信、量子信息處理等領(lǐng)域的量子科技發(fā)展計劃。

2008年9月，歐盟各國又聯(lián)合開展量子通信密碼技術(shù)的研究和發(fā)展。

2016年4月，歐盟委員會啟動“量子旗艦技術(shù)計劃”，投入10億歐元資金，旨在建設(shè)具有國際競爭力的量子工業(yè)，確保歐盟在全球未來產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)導(dǎo)地位。隨后，又推出了“量子宣言”旗艦項目，斥巨資支持量子領(lǐng)域研究和推廣。

2020年5月，歐盟“量子旗艦計劃”在官網(wǎng)上發(fā)布了一份報告，指出要將歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展提上議程。

1.3日本

日本對量子科技的發(fā)展也十分重視。早在2001年，日本就計劃10年內(nèi)投資400億日元，大力發(fā)展量子通信技術(shù)，為基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供資金支持。2018年3月，日本文部省公布了量子飛躍旗艦項目，重點(diǎn)集中在量子信息處理，量子測度和傳感器，以及下一代激光技術(shù)的應(yīng)用，旨在通過量子技術(shù)解決經(jīng)濟(jì)上和社會中的重要難題。2020年1月，日本統(tǒng)合創(chuàng)新戰(zhàn)略推進(jìn)會議公布了《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略（最終報告）》，將量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略確定為國家新戰(zhàn)略。2020年8月，日本政府決定設(shè)立負(fù)責(zé)量子領(lǐng)域整體管理與協(xié)調(diào)工作的主要機(jī)構(gòu)，計劃建立涉及8個領(lǐng)域的核心研究基地。

英國、俄羅斯、印度、澳大利亞等國也出臺了相關(guān)的政策，投入了大量的資金來發(fā)展自己國家的量子技術(shù)。2016年12月，英國政府科技辦公司發(fā)表《量子技術(shù)：時代機(jī)會》報告，稱要聯(lián)合政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界三方成立量子科技聯(lián)盟，全力發(fā)展本國量子科技技術(shù)。英國還加強(qiáng)量子科技的現(xiàn)實應(yīng)用，英國電信正與多個企業(yè)合作，探索5G和車聯(lián)網(wǎng)間的量子通信。

2019年12月，俄羅斯副總理阿基莫夫在一次技術(shù)討論會上提出了俄羅斯的量子行動項目，計劃在五年內(nèi)投入7.9億美元，建造一臺實用型的量子計算機(jī)，希望能在實用量子技術(shù)領(lǐng)域跟上全球國家的步伐。

2020年2月，印度科技部提出了國家量子任務(wù)，計劃在未來的五年中投入11.2億美元，重點(diǎn)發(fā)展量子通信、量子計算和量子互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)。

2020年5月，澳大利亞聯(lián)邦科技與工業(yè)研究組織制定和發(fā)布了《發(fā)展澳大利亞量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)》，該報告是澳大利亞量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路線圖，旨在使澳大利亞抓住量子科技發(fā)展的機(jī)遇。

2020年，德國聯(lián)邦信息安全辦公室更新后量子密碼的行動建議，旨在應(yīng)對未來量子計算機(jī)對公鑰密碼技術(shù)的威脅。

2020年8月，韓國電信運(yùn)營商SK宣布，將5G量子加密通信技術(shù)進(jìn)行商用。

2020年，芬蘭VTT研究公司推出建造芬蘭第一臺量子計算機(jī)的項目，旨在將芬蘭打造成量子科技領(lǐng)域的全球領(lǐng)先力量。

二、國內(nèi)量子科技發(fā)展成果豐碩

我國在量子科技領(lǐng)域的布局相對較早，在2006年《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，就提出要重點(diǎn)研究量子計算和量子通信方面的原理和新方法。在國家“十四五”規(guī)劃中，也提出要瞄準(zhǔn)多個包括量子科技在內(nèi)的前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性和戰(zhàn)略意義的國家重大科技項目。可以看出量子科技已上升為國家戰(zhàn)略，成為實現(xiàn)國家發(fā)展目標(biāo)的重要組成部分。

在量子通信領(lǐng)域，中國在目前世界各大范圍內(nèi)已經(jīng)取得領(lǐng)先，基礎(chǔ)量子通信研究的最新成果排名也名列前茅。2006年，中國科學(xué)院院士潘建偉的團(tuán)隊首次提出了容錯性的量子信號中繼器的設(shè)計方案，并據(jù)此給出了一個基于物理電路實現(xiàn)的設(shè)計方法。

2006年至2016年，該團(tuán)隊在量子存儲、量子糾纏分發(fā)、量子態(tài)隱形傳輸?shù)阮I(lǐng)域取得了重大突破和巨大成果，使中國量子通信技術(shù)在全球范圍內(nèi)領(lǐng)先明顯。這些研究和成果也證實了衛(wèi)星基于全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和探索空間尺度量子纏繞的可行性，為發(fā)射量子衛(wèi)星“墨子號”奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2016年8月，中國成功發(fā)射了人類歷史上第一顆量子衛(wèi)星“墨子號”，開啟了世界量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力檢驗實驗的大門，為中國搶占到了量子科技創(chuàng)新的制高點(diǎn)，成為全球量子通信行業(yè)標(biāo)桿。

2017年5月至今，關(guān)于“墨子號”的多個人類首次的話題和新聞都震驚國內(nèi)外，潘建偉團(tuán)隊一直保持并刷新著自己在量子通信領(lǐng)域的多項世界紀(jì)錄，豐碩的成果下，中國成為量子通信領(lǐng)域的全球領(lǐng)軍者，而潘建偉也成為量子通信領(lǐng)域的第一人。

在量子計算領(lǐng)域，我國和世界水平之間的差異比較明顯，還需要努力追趕。但我國也在量子計算機(jī)研究上實現(xiàn)了“量子稱霸”，建立起世界上首臺超過早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)，為最終達(dá)到超越經(jīng)典計算機(jī)的量子計算功能奠定了堅實的基礎(chǔ)。

我國的百度、本源量子等本土科技企業(yè)加大對量子科技的研究力度，紛紛開發(fā)量子計算云平臺，通過使用云技術(shù)連接用戶與真實的量子計算設(shè)備，促進(jìn)量子科技的落地應(yīng)用。其中由本源量子自主研發(fā)的量子計算云平臺“悟源”是我國第一個6比特超導(dǎo)量子計算云平臺，對我國量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。但是IBM已開發(fā)出高達(dá)65個量子比特的量子計算機(jī)，我國研發(fā)的6比特量子計算機(jī)僅是其2017年的最初水平，我國的量子計算水平與世界先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)大的差距。

在發(fā)明專利和學(xué)術(shù)論文的申請數(shù)量上，中國總體水平仍然需要保持穩(wěn)步提升。在發(fā)明專利數(shù)量方面，參考國際知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)媒體的IPRdaily與incoPat創(chuàng)新指數(shù)研究中心截至2020年9月30日的一份報告來看，在全球量子計算技術(shù)的主要發(fā)明專利數(shù)量排名中，前六名中有五家被美國公司占據(jù)，其中IBM公司擁有554項專利，位列榜單第一名。而中國量子計算公司的本源量子則以77個專利名列第7，在整個排名單上，中國公司的占比為12%，不如日本公司14%占比，更遠(yuǎn)低于美國的43%，而且在排行榜前20的企業(yè)中，只有本源量子一家中國企業(yè)。

在量子計算領(lǐng)域的論文數(shù)目上，據(jù)有關(guān)信息統(tǒng)計，美國SCI論文共發(fā)表8492篇，位居世界第一，占全球總數(shù)的31%，而中國和德國分別以4573篇、3325篇分列第二和第三名。論文總數(shù)占比超過10%，但與美國之間的差距明顯。但值得自豪的時，中國在涉及量子密碼和傳感器等領(lǐng)域上優(yōu)勢明顯，總體論文數(shù)量排在全球第一位。

三、我國量子科技發(fā)展問題與挑戰(zhàn)仍然突出

3.1頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃尚未形成

目前，我國量子科技的總體水平較美國還有不小的差距，量子科技的發(fā)展戰(zhàn)略還尚未正式提出，量子科技發(fā)展的總體布局還尚未形成，量子科技的研發(fā)、應(yīng)用、普及還尚未形成有機(jī)整體。

同時，對量子研究的重點(diǎn)領(lǐng)域的指導(dǎo)和投入力度傾斜較為明顯，存在重量子應(yīng)用，輕量子比特，重量子通信，輕量子計算的現(xiàn)象。

3.2關(guān)鍵核心技術(shù)和關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)尚未實現(xiàn)自主創(chuàng)新可控

我國量子科技發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)還存在著一些短板，尚未實現(xiàn)自主控制，缺乏自主研究和創(chuàng)新。在量子精密測量領(lǐng)域，國際社會已經(jīng)在量子導(dǎo)航、量子靈敏探測等方面有比較多的應(yīng)用，而我國量子精密測量起步較晚，與技術(shù)先進(jìn)國家相比仍存在短板。

量子計算領(lǐng)域，中國雖然已經(jīng)上線了首款量子計算機(jī)，但是量子比特與先進(jìn)國家相比仍有很大不足，此外，在量子計算機(jī)制造的高品質(zhì)材料樣品、工藝結(jié)構(gòu)、制冷設(shè)備和測控系統(tǒng)等制造業(yè)領(lǐng)域仍有很大進(jìn)步空間，若不快速發(fā)展將可能造成“卡脖子”局面。

我國量子通信領(lǐng)域相較于其他領(lǐng)域發(fā)展較為先進(jìn)，但量子疊加、量子糾纏和測量坍縮等研究仍處于實驗階段，尚未取得突破。

3.3國家、產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界合力尚未達(dá)到深入合作水平

目前，國家對量子科技的發(fā)展給予高度重視，在“十三五”和“十四五”規(guī)劃中，量子科技的話題多次被提及和討論，并出臺了一系列相關(guān)政策來助力量子科技的發(fā)展。在產(chǎn)業(yè)界，華為、百度、阿里巴巴、本源量子等企業(yè)已開始開展對量子領(lǐng)域的研究，并取得不錯成果，紛紛上線量子計算云平臺。而在學(xué)術(shù)界，量子科技的科研模式存在以重發(fā)論文輕深研究的畸形研究模式，科研模式單一，缺少產(chǎn)業(yè)應(yīng)用?？傮w而言，在量子計算方面，國家、產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界三方之間的合作交流有限，產(chǎn)學(xué)研三方力量較為分散，缺乏緊密結(jié)合，多方協(xié)同的發(fā)展模式尚未形成。

3.4人才培養(yǎng)和人才機(jī)制不夠靈活和多樣，專業(yè)人才欠缺。

量子科技是一個新興的高精尖行業(yè)，其涉及到計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、物理、數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域，對人才的專業(yè)水平和能力素質(zhì)有較高要求。而我國量子科技剛剛進(jìn)入起步階段，量子科技專業(yè)型、技能型人才還大量缺乏，無法滿足我國大力發(fā)展量子科技的要求。此外，我國對于量子領(lǐng)域的人才引進(jìn)、人才培養(yǎng)和人才選拔方面相對缺乏更為有效的管理，人才機(jī)制缺乏靈活性和多樣性，也成為限制人才培養(yǎng)和發(fā)展的一大因素。

四、啟示與建議

4.1強(qiáng)規(guī)劃：完善頂層設(shè)計，統(tǒng)籌量子科技總體布局。

量子科技發(fā)展之路并非一帆風(fēng)順，具有長期的復(fù)雜性，首先要在國家級別更加注重整體發(fā)展戰(zhàn)略的制定和執(zhí)行，完善量子科技的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，有效引導(dǎo)量子科技的研究，同時促進(jìn)量子科技的落地應(yīng)用。

國家應(yīng)建立量子科技發(fā)展的藍(lán)圖和線路，綜合國家自然科學(xué)基金、重大科技專項和國家科研重點(diǎn)計劃，以及重大項目、國家重點(diǎn)研究計劃等，統(tǒng)籌運(yùn)營和指導(dǎo)當(dāng)下量子科技發(fā)展策略和方向，梳理技術(shù)難關(guān)和突破瓶頸，整合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用基礎(chǔ)，助力量子科技實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

4.2重突破：加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，盡快實現(xiàn)自主可控。

中國量子科技的發(fā)展難在關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，要協(xié)調(diào)多層次專業(yè)型人才，組織多部門協(xié)同配合，勇于實驗，大膽創(chuàng)新。要推進(jìn)跨學(xué)科的交叉融合和交流，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，打牢扎實“地基”;要加強(qiáng)量子科技基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化，不斷擴(kuò)大量子科技實際應(yīng)用規(guī)模和水平;要加大對量子計算、量子通信、量子測量等領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤、研究和制定，爭取在國際社會推出自主可控的量子標(biāo)準(zhǔn)。同時還要密切關(guān)注國際量子科技發(fā)展的前沿科技動向，加大與國際社會的科研合作，可以聯(lián)合建立研究中心，引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，開展成果共享，全方位、多角度參與國際量子科技發(fā)展，實現(xiàn)量子科技的齊進(jìn)步、共發(fā)展。

4.3深交流：推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展，加強(qiáng)成果轉(zhuǎn)化。

目前，國內(nèi)關(guān)于量子科技的研究機(jī)構(gòu)、科技企業(yè)越來越多，但兩者間開展深入交流合作的情況少之又少，為了推進(jìn)我國量子科技真正發(fā)展，需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研交流合作，可以從技術(shù)、人才、資金、市場等多方面開展合作交流，探索建立量子科技研究平臺和產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，構(gòu)建量子科技發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈。要加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的協(xié)同配合，簡化技術(shù)轉(zhuǎn)化機(jī)制，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，切實將科學(xué)技術(shù)研究轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

4.4育人才：完善人才培養(yǎng)和機(jī)制，培育專業(yè)型人才。

現(xiàn)如今，有能力從事量子科技研究的專家十分匱乏，青年人才隊伍更是屈指可數(shù)，建議國家層面在人才培養(yǎng)機(jī)制上進(jìn)行改革完善，制定切實可行的人才選拔和評估方案，提高獎勵機(jī)制，提供容錯機(jī)會，激發(fā)各類型人才創(chuàng)新活力。針對量子科技方面的科研項目和經(jīng)費(fèi)申請，可以制定專有管理和使用模式，簡化申請步驟和流程。

高校要加強(qiáng)相關(guān)學(xué)科和課程體系的建設(shè)，建立量子科技研究興趣小組，培育有興趣、有能力、有專業(yè)的人才?？蒲袡C(jī)構(gòu)要以項目為依托，勇于實踐，加快人才體系建設(shè)，科技企業(yè)要提供專業(yè)機(jī)會，制定培養(yǎng)計劃，全方位助力專業(yè)型人才的培育與發(fā)展。

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程姣（1989年-），性別：女，民族：漢，籍貫：山東臨沂，單位：國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心山東分中心，職稱：工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)空間戰(zhàn)略研究;

李盛葆（1987年-），性別：男，民族：漢，籍貫：山東濟(jì)南，單位：國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心山東分中心，職稱：工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全;

冀冰（1988年-），性別：女，民族：漢，籍貫：山東濟(jì)南，單位：國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心山東分中心，職稱：助理研究員，研究方向：網(wǎng)絡(luò)空間戰(zhàn)略研究。