量子科技驅動量子經濟的興起及對我國的啟示

□ 文 王花蕾 段 斌

0 引言

量子力學催生了第一次量子革命，產生了磁共振成像、原子鐘、激光、晶體管等技術，目前世界正迎來第二次量子革命，對經濟和科技發展將帶來顛覆性的影響。2020年，Gartner公司發布的技術成熟度周期曲線預測，量子科技仍面臨許多有待解決的科學問題，量子計算技術距離實現產業化仍需10年以上時間。2022年，美國國防部也將量子技術列為新科技戰略投資的14個商業應用潛力巨大的關鍵技術領域之一。雖然量子科技和產業的發展遠未成熟，但是，量子安全技術等領域，已開始進入商業應用，開啟了產業化進程。美國哈德遜研究所Arthur Herman認為，量子計算是2022年引發爆炸性顛覆效應的技術之一，其影響將持續十年甚至整個世紀（另兩項技術為高超音速導彈、加密貨幣）。世界經濟論壇也呼吁各方做好準備，加快向量子經濟過渡。這意味著，量子產業雖然是未來產業，但并不是需要等到未來才發展的產業，而是需要當下就做好發展準備，這一趨勢非常值得政府和業界關注。

1 量子經濟開始發展，量子治理受到重視

量子科技成為未來科技競爭的重要領域，政府和企業均加大了研發投入。根據世界經濟論壇2022年初統計，全球各國政府和企業對量子技術投資超過355億美元，其中公共投資超過300億美元。隨著技術發展加快，量子技術已經從實驗室技術向應用方向發展。為此，世界經濟論壇鼓勵各國政府和企業加快發展量子經濟，并建議在以下幾個領域加快布局。其一，勞動力可用性和發展。各國既需要考慮當前的量子勞動力狀況，又需要考慮未來的勞動力發展需要，包括中等教育、高等教育的課程設置和教材內容等，以及政產學研在人才培養問題上的合作。其二，制定政策和法規，便于各方了解如何開發和應用量子技術。其三，加強技術標準制定，包括量子硬件、工具、軟件和算法中的標準。顯然，量子經濟與量子科技發展密切相關，包括技術開發及其在各領域的應用，以及相關的人才培養、標準制定、安全防護等配套措施。

這就要求各國從量子經濟的角度通盤考慮量子技術、產業、人才等部署，制定配套政策，也要求相關機構根據量子經濟要求明確各自的發展重點。例如，美國俄亥俄州立大學雖然沒有入選量子躍遷計劃，但2022年仍宣布建立量子信息科學與工程中心（CQISE）。該中心的定位基本與量子經濟要求保持一致，通過招聘物理、化學、計算機科學和工程、電氣和計算機工程、材料科學與工程等五個學科領域的研究人員，致力于從事相關領域的量子技術應用研究，還將與其他大學、研究機構、行業組織和企業等合作，擴展量子信息等新興研究領域。同時，該中心還在量子科學教育方面明確了目標，加強培訓研究人員，并建立種子基金以支持跨學科量子研究。

針對量子經濟發展過程中可能存在的問題，2022年1月，世界經濟論壇聯合量子專家、新興技術倫理和法律專家、決策者、社會科學家和學者共同發布了《量子計算治理原則》報告，旨在幫助公共和私營部門解決量子計算商業化的倫理、社會和法律問題。報告指出，當前圍繞量子計算的社會經濟生態系統不再處于起步階段，而是正在迅速發展，及早制定相關治理原則并讓利益相關者參與制定，可以避免對量子計算施加不必要的監管限制。從過去一年的產業和政策實踐來看，量子科技應用及其經濟生態的確在快速發展。

2 產業界大量投入量子科技研發，應用性技術加快突破

量子計算可加快機器學習算法等的計算效率，可以快速、低成本地訓練復雜的模型，能夠促進新材料、醫學、能源、生物學等科學新發現，改變氣候、糧食和能源安全以及健康等領域目前的管理方式，應用前景非常廣闊，技術創新不斷涌現。

2.1 全球大量企業投入量子科技領域，量子專利持續增加

IBM、谷歌、英特爾、微軟、亞馬遜等互聯網頭部企業均在量子計算領域有所布局。歐洲的諾基亞（Nokia）與源訊（Atos）、日本的富士通與日立公司都是具有代表性的量子計算公司。我國的阿里巴巴、騰訊、百度、華為等互聯網和通信企業近年來在量子計算云平臺、量子軟件及應用開發等領域進行布局。同時，全球量子科技公司不斷出現，據世界經濟論壇統計，2 02 2 年僅從事量子計算硬件開發的企業就有46家公司。部分初創企業，如D-Wave、IonQ、Regetti Computing經過數年發展，已在業界具備一定知名度。相關企業在量子計算處理系統、量子線路運行、量子態層析、量子程序轉化、量子邏輯門操作優化、超導量子處理器及量子測控等領域形成大量技術積累，并積極搶注專利。根據知識產權服務商IPRdaily公布的全球量子計算專利統計，截至2020年9月30日，全球前100強企業專利數共計3252件，到2022年10月18日，則增加為6516件，兩年時間實現翻番。相關統計未包含量子密鑰加密、抗量子計算密碼等技術領域，而以實踐性、工程性技術為主，說明相關技術正在快速進入應用領域。

2.2 在產業界和科研界的共同努力下，量子應用技術出現大量創新突破

在量子計算機方面，2 02 2年，IBM在美國克利夫蘭醫學中心部署了一臺由IBM管理的量子計算機，以推進生物醫學研究，這是用于醫療領域的第一臺量子計算機，也是第一個專為商業用途而設計的集成量子計算系統，說明量子計算機開始從實驗室產品進入商業應用。在量子芯片方面，美國國家標準與技術研究院與加拿大量子技術公司Xanadu合作，開發了一種可以執行多算法、可編程、可擴展的光量子計算芯片，僅需36微秒即可完成超級計算機需耗時9000多年才能完成的計算任務，運行速度加快了5000萬倍以上。在量子算法方面，谷歌量子人工智能公司、英國布里斯托爾大學和量子算法初創公司Phasecraft開發出首個真正可擴展的量子算法，可對“費米-哈伯德模型”進行大規模模擬，量子門數量比此前多10倍。在量子仿真方面，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校與空軍研究實驗室的聯合研究團隊研發出新型半導體模擬工具——商用流體動力學軟件包和Fermi動力學求解器。該求解器能夠有效模擬氮化鎵半導體的電氣特征和極端條件下的運行狀態，有望應用于量子計算。

3 世界主要國家加快部署，積極推動量子技術產業化發展

世界已經進入全面推動量子科技發展的戰略競爭時代，主要國家紛紛出臺量子計算政策、法案，力爭獲取量子競爭優勢。總體來看，主要國家的量子政策開始由僅支持理論和實驗室研究擴展至支持產業應用、孵化初創企業、培育人才等方面。

3.1 美國量子研究計劃開始關注產業應用，強化人才培養以完善產業生態建設

美國軍用和商用領域均開始關注量子技術應用。2022年，美國國防部成立“戰略資本辦公室”，支持包括量子科學在內的下一代技術開發，確保具有軍事應用前景的重要技術獲得市場轉化資金，以期建立持久的國家安全優勢。美國國家安全局、航空航天局、國家標準與技術研究院、陸軍研究實驗室、海軍研究實驗室、海軍天文臺六個聯邦機構宣布成立華盛頓大都會量子網絡研究聯盟（DC-QNEt），以創建一個實驗性的量子網絡，用于在量子計算機之間安全地共享信息。另外，眾議員蘭迪·費恩斯特拉（Randy Feenstra）提請修訂《國家量子計劃法案》，強調量子建模和模擬等內容，包括支持化學、下一代肥料、藥物研發、儲能材料、新型金屬、新型耐用材料、新型超導體等領域的相關研究。由于該法案主要關注量子技術在具體行業的應用，所以美國國會將這一法案稱為《量子實踐法案》。顯然，美國量子計劃已由關注基礎技術研究向產業應用層面擴展。

在國家量子計劃的基礎上，2022年美國國家科學技術委員會推出《量子信息科技勞動力發展國家戰略計劃》，以培養下一代量子信息人才，完善量子生態建設。戰略要求從短期和長期角度評估量子科技生態系統對人才的需求，彌補量子科技在專業教育和培訓方面的差距，通過宣傳教育提高民眾對于量子科技的興趣，拓寬不同來源、不同背景人才的就業渠道。

3.2 歐盟關注量子創新平臺、量子通信技術發展，注重與盟友加強合作

歐盟在先后發布《歐洲量子科學技術》《量子宣言（草案）》《量子技術旗艦計劃》《量子通信基礎設施計劃》等文件加強量子計算技術研發的基礎上，2022年同樣開始關注產業發展。在支持量子企業創新創業方面，北約啟動了10 億美元的多國新興技術創新基金，支持對量子計算等具有雙重用途技術的初創企業投資。法國在《量子技術國家戰略》的基礎上，再次宣布將投資35億歐元用于其科技創業環境，并推出量子計算—經典計算互聯的混合計算平臺，以期成為第一個擁有通用量子計算機完整原型的國家。在支持產業應用方面，歐盟通過《2023-2027年歐盟安全連接計劃》（IRIS2），作為繼伽利略、哥白尼之后的第三個太空旗艦計劃，將投入24億歐元預算，使用最新的量子通信技術，集成歐洲量子通信基礎設施（EuroQCI），建設具有韌性、互聯性和安全性的衛星基礎設施系統。

同時，歐盟強調與盟友國家加強合作。11月，歐盟和韓國啟動的歐盟與韓國數字伙伴關系，明確表示將加強量子計算相關合作。12月，美國-歐盟貿易和技術委員會（TTC）第三次部長級會議確認，美歐將加強量子計算技術合作，雙方還將成立“人才促進增長工作組”，強化包括量子計算在內的人才培養工作。

3.3 日本等國家加強量子研發部署，推動量子應用

日本將量子計算視為“國家間爭霸的工具”。2020年，日本制定了“量子技術創新戰略”，2022年4月，又制定了新戰略“量子未來社會愿景（暫名）”草案，提出將在本年度內建成首臺可進行超高速計算的量子計算機，并打造四個量子技術研究基地，完善量子計算機使用環境，力爭在醫療、新材料研發和金融等多個領域應用。該戰略還提出，將在2030年使國內量子技術用戶達到1000萬人。2月，印度國家軟件及服務行業協會發布報告《印度的量子技術變革——在量子優勢上押注重金》，也表示印度政府將加大量子技術投入，在量子技術革命中發揮關鍵作用。

4 量子安全產品快速產業化，安全防范政策逐步推出

量子計算能夠破解公鑰密碼，威脅到商業交易、安全通信和信息安全。Gartner預測，由于量子計算的進步，到2030年，大多數當前的非對稱密碼將不再安全。因此，現有系統需盡快遷移到量子安全系統，抵御量子攻擊。

4.1 量子安全產品或服務逐步開始商用

企業積極采取措施為客戶提供量子安全產品或服務，有的引入混合安全系統，將量子隨機數生成器與基于算法的安全防護技術結合起來，有的使用量子糾纏創建安全網絡，不少產品已開始量產、應用。2022年，金融服務巨頭萬事達卡結合量子密碼技術，開發了一種新型非接觸式卡，旨在防止黑客攻擊。日本凸版印刷株式會社（Toppan）與日本信息通信研究機構（NICT）表示將聯合開發使用美國最新抗量子加密標準的IC卡，據稱可以防止被量子計算機破解，具有高安全性，并計劃在2025年實現商業化。美國企業QuSecure據稱創建了業內首個基于軟件的端到端量子平臺，使用量子安全通道保護加密通信和數據，解決了企業和政府機構面臨的經典攻擊和未來的量子計算威脅。QuSecure已獲得美國聯邦政府新一輪的小企業創新研究（SBIR III）合同，成為美國政府的首選供應商。

4.2 美國等國政府開始制定量子安全政策

為了促進各組織加強量子風險管理，世界經濟論壇提出《量子安全過渡框架》，建議各組織定義量子安全愿景、識別量子安全轉型的驅動因素、規劃量子安全技術路線圖，還提出有助于確保量子安全技術路線成功的四個關鍵因素：使用技術標準和認證、加強生態系統各方之間的合作、加快量子技術研發和創新、進行長期投資并實施負責任的商業戰略。

各國政府中美國最早出臺量子安全政策，推動關鍵領域向量子安全過渡。在聯邦機構方面，2022年5月，拜登總統簽署《關于促進美國量子計算領域的領導地位同時降低易受攻擊的密碼系統風險的國家安全備忘錄》，概述了政府發展量子計算的相關政策和舉措，要求建立公私合作工作組以加強量子加密標準研究。11月，白宮管理和預算辦公室發布了一份新的備忘錄文件，要求聯邦機構清點當前的加密硬件和軟件系統（2023年5月4日之前完成），在量子計算機開始運行前采用量子密碼標準。在這份新備忘錄發布后的一年內，網絡安全與基礎設施安全局將與國家標準與技術研究院和國家安全局合作，發布新的量子密碼學遷移戰略。12月，美國國會參議院通過《量子計算網絡安全防范法案》（The Quantum Computing Cybersecurity Preparedness Act），要求管理和預算辦公室幫助聯邦機構將IT系統遷移至后量子密碼學標準，同時要求白宮幫助各機構制定評估關鍵系統的指南，并要求管理和預算辦公室向國會提交年度報告以及聯邦政府應對后量子密碼學風險的計劃。同月，拜登總統簽署了該法案。這說明，美國聯邦機構的量子遷移工作已在法律保障下正式啟動。

在關鍵基礎設施方面，美國網絡安全與基礎設施安全局發布了名為《為后量子密碼學的關鍵基礎設施做準備》（Preparing Critical Infrastructure for Post-Quantum Cryptography）的指南文件，旨在幫助美國的基礎設施運營商等相關方采取行動，為未來遷移到后量子加密標準做準備。其中，工業控制系統升級到后量子密碼學將是一個挑戰，因為部署工控系統硬件是昂貴的，而且相關設備往往在地理上是分散的，但網絡安全與基礎設施安全局仍敦促工控組織為遷移到后量子密碼學做好必要的準備，確保其硬件更換周期和網絡安全風險管理能滿足應對量子計算風險的需要?？傊?，量子安全將是各國政府和企業應用較早的量子產品。

5 對我國的啟示

近幾年，國務院和相關部委發布的《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》《信息通信行業發展規劃（2016-2020年）》《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》等文件均強調量子科技發展，諸多省市級規劃也將量子科技作為十四五期間的支持方向。大型企業積極投入量子科技研發，也涌現出本源量子、國盾量子等創新企業。在量子專利百強名單中，美國占比40%，我國占比15%，僅次于美國，且本源量子、百度、浪潮、騰訊、華為、阿里巴巴等15家企業均入圍。在應用方面，中國電信推出了業內首款搭載量子安全SIM卡的手機，武漢地鐵16號線開始應用量子保密通信技術。但是，與發達國家相比，我國相關政策還不夠體系化，較為分散，且大多集中在對技術發展的支持上，治理規則、安全指南、標準制定、人才培養等方面系統部署不多。

為適應量子經濟快速發展和量子安全應用加快的需要，我國有關部門應加快出臺相關政策，引導各方有序開發、應用量子技術，推動相關產業加快發展，及早做好準備以適應量子經濟發展需要。

第一，加快量子科技研發體系化部署，打通技術研發到產業發展的整個創新鏈。系統部署基礎研究、應用性研究，確保研究領域覆蓋不同研究方向、不同環節，積極引導研究成果產業化應用，鼓勵設立初創企業，支持量子產業不斷發展壯大。

第二，加強量子人才培養、量子標準研制和量子治理研究，推動量子生態建設不斷完善。量子產業發展不僅需要具有相關技術，而且需要大量專業人才，需要具有相關標準、規范，尤其人才培養并非一朝一夕之功，需要政府盡早做出安排，鼓勵量子生態相關要素加快發展。

第三，鼓勵產學研及不同學科、不同領域加強合作，促進量子經濟全面發展。量子技術應用廣泛，但其真正在各領域實現應用，需要量子技術與其他技術及相關領域專業知識密切結合，這需要政府引導各界通力合作，加強產學研之間和跨學科、跨領域合作，并為測試、應用創新性產品提供條件，為向量子經濟過渡做好準備。

6 結束語

目前量子技術發展雖然尚不成熟，但量子產業被公認是未來產業，相關量子技術已開始進入商業試應用。政府、產業界、教育科研界在開展量子科研的同時，均需同時考慮產業發展問題，做好相關準備。具有較好技術基礎的機構應抓緊創新創業，相關部門建立相關技術服務和孵化機制，支持企業創新發展；安全等較為成熟的領域，應盡快推動科研成果轉化，加快產業化布局；量子技術應與某些重點產業加強跨界研究和融合發展，培育相關領域的量子經濟；產業界應與教育界合作加快制定量子科技人才培養計劃，逐步擴大人才規模；針對某些已經開始應用量子技術的領域，標準組織應與產業界聯合推動標準體系研制和治理規范研究，促進相關行業健康發展。■