量子科技發展演進脈絡與各國競爭態勢分析

李文清，齊曉曼 ，趙三珊

(國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

“促進數字技術與實體經濟深度融合，賦能傳統產業轉型升級，催生新產業新業態新模式，不斷做強做優做大我國數字經濟?！睙o論是大數據、人工智能、區塊鏈還是量子科技，均是數字科技的核心內容，也是推動數字經濟時代的核心力量，其中最具顛覆性作用的當屬量子科技[1]。

1 內涵與演進

量子是能表現出某物質或物理量特性的不可分割的最小單位，屬微觀物理世界研究范疇，本質規則是區別于經典力學“世界是測得準的”的觀念——“量子世界是測不準的”。

量子科技V1.0：量子力學引導掌握微觀物質世界的物理規律。20世紀在量子力學的指引下，興起了以現代光學、電子學和凝聚態物理為代表的第一次量子科技浪潮，誕生了激光、半導體、原子能、超導、核磁共振成像等具有劃時代意義的重大科技突破，其應用涵蓋了目前使用的幾乎每一個電子設備。

量子科技V2.0：對量子系統的精確觀測和操控推動形成量子信息技術領域。隨著微觀調控技術的突破和發展，以精確觀測和調控微觀粒子系統，利用其不可復制、不可測量、多態疊加、量子糾纏、量子霍爾效應等特性研制出諸多量子器件，功能要遠超經典器件的物理極限，形成新時代的量子信息技術，其學科發展演進脈絡見圖1。

圖1 量子學科發展演進脈絡

第二次量子革命帶來信息領域顛覆性變革。區別于第一次量子革命對量子規律的被動觀測與應用，第二次量子革命主動利用量子特性，操控量子狀態，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，比如傳統計算機需要數萬年才能破解的復雜密碼，量子計算機幾秒鐘內就能破解。傳統測量技術最小只能探測到微米量級，而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。量子的諸多特征正被不斷地研究與發現，將量子特性應用于各類學科帶來的顛覆性創新技術已成為研究熱點。

量子科技正進入“產業化前夜”。展望未來，量子計算有望為藥物研發、能源勘探、金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新方案；量子測量發揮測量精度、靈敏度優勢，有望在科研、醫療、能源、災害預防等領域大顯身手；量子通信融合量子計算技術，構成高速、安全的“量子互聯網”，與人工智能、區塊鏈等技術相結合，可為人類生活增添無限可能，最新研究預測，到2030年量子產業的規模將達數十億美元。

2 發展競爭態勢

2.1 發展成熟度

量子基礎理論研究范圍廣。廣闊的量子物理研究范疇是量子科技的研究基礎，為量子科技的深入研究帶來源源不斷的動力。量子計算、量子通信和量子測量等新興領域均還未進入商業應用階段。量子計算領域，我國研制的含76個光子的量子計算原型機，運算速度超過現在最快量子計算機的100億倍，但目前還處于試驗樣機階段。由Gartner發布《2019中國ICT技術成熟度曲線》，指出量子計算到達頂峰時間還需10年，如圖2所示。量子通信領域內各類樣機研究和試點應用加速發展，其中我國在星地量子通信方面處于領先，2016年8月發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。量子測量領域研究成果多集中于原理分析、理論模擬仿真、算法優化等理論及試驗方面研究。

圖2 Gartner發布的《2019中國ICT技術成熟度曲線》

2.2 各國競爭態勢

全球量子戰略數以億計的資金投入凸顯戰略價值。各國政府高度重視量子科學研究發展，以美國、歐盟、日本等為代表的國家及地區爭相啟動國家級量子科技戰略行動計劃，投入數以億計的戰略資金加強量子領域科技研發，推進量子科技前沿技術研究以及創新成果應用。隨著對量子科技的高度重視，過去十年我國以國家科技項目為載體，大量布局基礎科研和前沿應用研究，取得了豐碩成果；今年中央政治局對量子科學的集體學習，指出要加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，一批戰略性重大科技項目將在“十四五”時期實施。國內外量子科技主要政策見表1。

表1 國內外量子科技主要政策

全球量子科技創新模式趨于多樣。各國立足自身實際，以不同類型的創新模式推動量子科技產業化進程，通過聯合研究和成果共享，取得大量原創開拓性成果，形成了政府、科研機構、產業和投資力量多方協同的局面?？傮w來看可分為企業主導型、協議聯盟型、校企協作型和國家助推動這4類創新模式，具體見表2。

表2 量子科技創新模式

全球量子科技呈現中美領跑、各國爭相角逐的競爭格局。從科研投入看，各國在量子計算、量子通信及量子保密等領域均投入大量資源，力爭在量子科技領域實現競爭優勢，量子科技領域競爭態勢如圖3所示。

圖3 量子科技各領域競爭態勢

(1)中國引領全球量子保密通信領域前沿。我國初步形成包含基礎研究、設備研發、建設運維和安全應用為一體的產業鏈，項目數量和網絡建設規模已處于全球領先，其中“京滬干線”與“墨子號”量子科學實驗衛星的成功對接，在世界上首次實現了洲際量子保密通信。

(2)美國率先在能源行業成立量子計算的校企聯盟。美國丹佛大學發起成立了首個能源行業量子計算聯盟—量子未來電力系統升級計劃，結合量子信息和量子計算的力量，專注開發新的量子模型、方法和算法，主題包括提高客戶對電網的參與水平、分布式能源集成和利用的機會、電力質量和可靠性的改進以及資產管理和系統效率。

(3)歐盟所有成員國共建量子通信基礎設施。該項建設，用來保障歐盟成員國之間的敏感通信和數據，保護關鍵基礎設施，例如，通過提供基于量子密鑰分發的服務，保護歐洲各國政府機構、市政當局和大使館之間以及醫院和電網等關鍵站點之間的數據傳輸。

(4)日本持續加強量子通信及保密領域科研投入。與歐洲聯合建立東京量子保密通信試驗床網絡并持續開展現網實驗。2015年日本NTT公司報道了102 km超低損光纖最遠距離量子隱形傳態實驗。

從量子科技成果產出看，全球各國爭相布局知識產權。

(1)專利申請持續加大。美國和日本早期專利申請量較多，隨著我國在量子技術領域內的基礎研究和應用探索的持續深入，我國專利申請逐漸超越美日，處于國際領先地位。

(2)標準制定廣泛開展。國際標準化組織紛紛成立量子信息技術研究組和標準項目，在術語定義、性能評價、系統模塊、接口協議、網絡架構和管理運維等方面開展項目研究和標準制定。

(3)我國具備成熟的標準化研究基礎，在量子通信網絡、量子計算和量子測量等領域成立標委會，開展技術標準研究工作。

綜上所述，量子科技已經成為全球科技競爭的戰略要地，各國不斷加大資金投入和政策支持，在基礎研究、試驗驗證以及技術應用等方面開展研究，并在量子計算、量子通信、量子測量等領域研發出顛覆性技術應用。