国内外量子科技发展形势及问题与挑战分析

程姣　李盛葆　冀冰

【摘要】    2020年，关于“量子霸权”的话题不断进入公众的视野，在全球引起了广泛关注和讨论。在量子科技蓬勃发展的背景下，关于量子科技的研究和应用发展已上升到一个新的高度，推动量子科技领域的发展已然成为各国必须谋划和布局的重点。面对国外量子科技政策的频出，中国也开始加大量子科技战略和产业布局，在量子通信及计算等领域取得了可喜成绩。然而中国的量子科技发展与先进国家相比仍然存在一定差距，在顶层设计、战略布局、科研攻关、人才培养等方面仍有较大进步空间。中国的量子科技的发展该如何紧跟全球步伐，如何在量子领域实现突破和领先，是我们当下科技研究需关注的重点问题。

【关键字】    量子    通信    互联网    计算机

引言：

2020年10月16日，习近平总书记主持召开中央政治局集体学习，专题学习量子科技研究和应用前景，并就中国量子科技如何抢占国际制高点、构筑发展新形势提出了一系列具体部署和要求。在国家政策的大力支持和鼓励下，我国量子科技发展取得了长足进步，开始逐步瓦解美国等西方国家在量子科技领域的垄断地位，在國际社会占据一席之地。同时，美国、欧盟等国家也加大对量子科技的研究及投入力度，出台了一系列政策及措施，对我国量子科技发展具有较大借鉴意义和参考意义。我国量子科技为了保持高速发展的势头，需要正视发展中的不足，汲取先进经验，不断调整发展方向，方能在激烈的国际竞争中立于不败之地。

一、国际量子科技发展势头强劲

量子科技已成为当今时代全球科技发展的代名词，量子科技的发展态势引起世界科技强国的强烈关注，各国关于量子科技的动态频频出现，纷纷出台国家级政策和开展战略行动计划，旨在量子科技领域取得领先地位，提高本国科技实力和水平，为本国科技发展贡献中坚力量。

1.1美国

美国是全球量子科技研发最早的国家之一。2002和2004年，美国防部高级研究计划局就分别发布和改善了《量子信息技术与科技规划》1.0和2.0版，给出了量子计算发展实施步骤和时间规划。

2008年，该机构又启动了一项名为“微型曼哈顿计划”的项目，投入了大量的资金，致力于半导体量子芯片研究。

2016年7月，美国发布《推进量子信息科学：国家挑战和机遇》，该报告对美国量子科技发展现状和可能遇到的机遇和挑战进行分析，并构思了未来量子科技的应用场景，引发了新一轮科技的高潮。

2018年6月，美国《国家量子倡议法案》被高票通过，在10年内累计投资12.75亿美元，为美国量子科技发展提供资金支持。同年，美国国家标准与技术研究院还支持成立了量子经济发展联盟，旨在全球范围内推动量子科技部署和创新。

2020年2月，美国白宫网站公布了《美国量子网络战略构想》，该构想提出美国将全力进军量子互联网领域，随后7月，美国能源部计划十年内建成全球首个量子互联网。美国国家标准技术研究院还在研究制定第一个后量子密码标准，尝试为量子科技发展制订技术规范和规则。

从各个方面来看，美国已将量子科技的研究与发展提升为国家战略，并在量子科技领域实现了战略布局，在理论研究方面及具体实践层面，也取得了实质性的进展及阶段性的成果。大力投资研究经费，发展量子科技，一方面是增强国家科技实力和综合国力的需要，另一方面也表明美国想继续确保全球量子科技领先地位的决心。

1.2欧盟

欧盟各成员国早在2005年就计划布局量子科技发展。首先颁布了《欧洲研究与发展框架计划》，并提出包括量子计算、量子通信、量子信息处理等领域的量子科技发展计划。

2008年9月，欧盟各国又联合开展量子通信密码技术的研究和发展。

2016年4月，欧盟委员会启动“量子旗舰技术计划”，投入10亿欧元资金，旨在建设具有国际竞争力的量子工业，确保欧盟在全球未来产业蓝图中的领导地位。随后，又推出了“量子宣言”旗舰项目，斥巨资支持量子领域研究和推广。

2020年5月，欧盟“量子旗舰计划”在官网上发布了一份报告，指出要将欧洲量子互联网的建设与发展提上议程。

1.3日本

日本对量子科技的发展也十分重视。早在2001年，日本就计划10年内投资400亿日元，大力发展量子通信技术，为基础设施的建设提供资金支持。2018年3月，日本文部省公布了量子飞跃旗舰项目，重点集中在量子信息处理，量子测度和传感器，以及下一代激光技术的应用，旨在通过量子技术解决经济上和社会中的重要难题。2020年1月，日本统合创新战略推进会议公布了《量子技术创新战略（最终报告）》，将量子技术创新战略确定为国家新战略。2020年8月，日本政府决定设立负责量子领域整体管理与协调工作的主要机构，计划建立涉及8个领域的核心研究基地。

英国、俄罗斯、印度、澳大利亚等国也出台了相关的政策，投入了大量的资金来发展自己国家的量子技术。2016年12月，英国政府科技办公司发表《量子技术：时代机会》报告，称要联合政府、工业界、学术界三方成立量子科技联盟，全力发展本国量子科技技术。英国还加强量子科技的现实应用，英国电信正与多个企业合作，探索5G和车联网间的量子通信。

2019年12月，俄罗斯副总理阿基莫夫在一次技术讨论会上提出了俄罗斯的量子行动项目，计划在五年内投入7.9亿美元，建造一台实用型的量子计算机，希望能在实用量子技术领域跟上全球国家的步伐。

2020年2月，印度科技部提出了国家量子任务，计划在未来的五年中投入11.2亿美元，重点发展量子通信、量子计算和量子互联网等关键技术。

2020年5月，澳大利亚联邦科技与工业研究组织制定和发布了《发展澳大利亚量子技术产业》，该报告是澳大利亚量子技术产业发展的路线图，旨在使澳大利亚抓住量子科技发展的机遇。

2020年，德国联邦信息安全办公室更新后量子密码的行动建议，旨在应对未来量子计算机对公钥密码技术的威胁。

2020年8月，韩国电信运营商SK宣布，将5G量子加密通信技术进行商用。

2020年，芬兰VTT研究公司推出建造芬兰第一台量子计算机的项目，旨在将芬兰打造成量子科技领域的全球领先力量。

二、国内量子科技发展成果丰硕

我国在量子科技领域的布局相对较早，在2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，就提出要重点研究量子计算和量子通信方面的原理和新方法。在国家“十四五”规划中，也提出要瞄准多个包括量子科技在内的前沿领域，实施一批具有前瞻性和战略意义的国家重大科技项目。可以看出量子科技已上升为国家战略，成为实现国家发展目标的重要组成部分。

在量子通信领域，中国在目前世界各大范围内已经取得领先，基础量子通信研究的最新成果排名也名列前茅。2006年，中国科学院院士潘建伟的团队首次提出了容错性的量子信号中继器的设计方案，并据此给出了一个基于物理电路实现的设计方法。

2006年至2016年，该团队在量子存储、量子纠缠分发、量子态隐形传输等领域取得了重大突破和巨大成果，使中国量子通信技术在全球范围内领先明显。这些研究和成果也证实了卫星基于全球量子通信网络和探索空间尺度量子缠绕的可行性，为发射量子卫星“墨子号”奠定了坚实的基础。

2016年8月，中国成功发射了人类历史上第一颗量子卫星“墨子号”，开启了世界量子通信、空间量子物理学和量子引力检验实验的大门，为中国抢占到了量子科技创新的制高点，成为全球量子通信行业标杆。

2017年5月至今，关于“墨子号”的多个人类首次的话题和新闻都震惊国内外，潘建伟团队一直保持并刷新着自己在量子通信领域的多项世界纪录，丰硕的成果下，中国成为量子通信领域的全球领军者，而潘建伟也成为量子通信领域的第一人。

在量子计算领域，我国和世界水平之间的差异比较明显，还需要努力追赶。但我国也在量子计算机研究上实现了“量子称霸”，建立起世界上首台超过早期经典计算机的光量子计算机，为最终达到超越经典计算机的量子计算功能奠定了坚实的基础。

我国的百度、本源量子等本土科技企业加大对量子科技的研究力度，纷纷开发量子计算云平台，通过使用云技术连接用户与真实的量子计算设备，促进量子科技的落地应用。其中由本源量子自主研发的量子计算云平台“悟源”是我国第一个6比特超导量子计算云平台，对我国量子计算产业发展具有重要意义。但是IBM已开发出高达65个量子比特的量子计算机，我国研发的6比特量子计算机仅是其2017年的最初水平，我国的量子计算水平与世界先进国家相比仍有相当大的差距。

在发明专利和学术论文的申请数量上，中国总体水平仍然需要保持稳步提升。在发明专利数量方面，参考国际知识产权产业媒体的IPRdaily与incoPat创新指数研究中心截至2020年9月30日的一份报告来看，在全球量子计算技术的主要发明专利数量排名中，前六名中有五家被美国公司占据，其中IBM公司拥有554项专利，位列榜单第一名。而中国量子计算公司的本源量子则以77个专利名列第7，在整个排名单上，中国公司的占比为12%，不如日本公司14%占比，更遠低于美国的43%，而且在排行榜前20的企业中，只有本源量子一家中国企业。

在量子计算领域的论文数目上，据有关信息统计，美国SCI论文共发表8492篇，位居世界第一，占全球总数的31%，而中国和德国分别以4573篇、3325篇分列第二和第三名。论文总数占比超过10%，但与美国之间的差距明显。但值得自豪的时，中国在涉及量子密码和传感器等领域上优势明显，总体论文数量排在全球第一位。

三、我国量子科技发展问题与挑战仍然突出

3.1顶层设计和统筹规划尚未形成

目前，我国量子科技的总体水平较美国还有不小的差距，量子科技的发展战略还尚未正式提出，量子科技发展的总体布局还尚未形成，量子科技的研发、应用、普及还尚未形成有机整体。

同时，对量子研究的重点领域的指导和投入力度倾斜较为明显，存在重量子应用，轻量子比特，重量子通信，轻量子计算的现象。

3.2关键核心技术和关键领域技术尚未实现自主创新可控

我国量子科技发展的关键核心技术还存在着一些短板，尚未实现自主控制，缺乏自主研究和创新。在量子精密测量领域，国际社会已经在量子导航、量子灵敏探测等方面有比较多的应用，而我国量子精密测量起步较晚，与技术先进国家相比仍存在短板。

量子计算领域，中国虽然已经上线了首款量子计算机，但是量子比特与先进国家相比仍有很大不足，此外，在量子计算机制造的高品质材料样品、工艺结构、制冷设备和测控系统等制造业领域仍有很大进步空间，若不快速发展将可能造成“卡脖子”局面。

我国量子通信领域相较于其他领域发展较为先进，但量子叠加、量子纠缠和测量坍缩等研究仍处于实验阶段，尚未取得突破。

3.3国家、产业、学术界合力尚未达到深入合作水平

目前，国家对量子科技的发展给予高度重视，在“十三五”和“十四五”规划中，量子科技的话题多次被提及和讨论，并出台了一系列相关政策来助力量子科技的发展。在产业界，华为、百度、阿里巴巴、本源量子等企业已开始开展对量子领域的研究，并取得不错成果，纷纷上线量子计算云平台。而在学术界，量子科技的科研模式存在以重发论文轻深研究的畸形研究模式，科研模式单一，缺少产业应用。总体而言，在量子计算方面，国家、产业、学术界三方之间的合作交流有限，产学研三方力量较为分散，缺乏紧密结合，多方协同的发展模式尚未形成。

3.4人才培养和人才机制不够灵活和多样，专业人才欠缺。

量子科技是一个新兴的高精尖行业，其涉及到计算机、互联网、物理、数学等多个领域，对人才的专业水平和能力素质有较高要求。而我国量子科技刚刚进入起步阶段，量子科技专业型、技能型人才还大量缺乏，无法满足我国大力发展量子科技的要求。此外，我国对于量子领域的人才引进、人才培养和人才选拔方面相对缺乏更为有效的管理，人才机制缺乏灵活性和多样性，也成为限制人才培养和发展的一大因素。

四、启示与建议

4.1强规划：完善顶层设计，统筹量子科技总体布局。

量子科技发展之路并非一帆风顺，具有长期的复杂性，首先要在国家级别更加注重整体发展战略的制定和执行，完善量子科技的顶层战略规划，有效引导量子科技的研究，同时促进量子科技的落地应用。

国家应建立量子科技发展的蓝图和线路，综合国家自然科学基金、重大科技专项和国家科研重点计划，以及重大项目、国家重点研究计划等，统筹运营和指导当下量子科技发展策略和方向，梳理技术难关和突破瓶颈，整合现有技术优势和应用基础，助力量子科技实现跨越式发展。

4.2重突破：加强核心技术攻关，尽快实现自主可控。

中国量子科技的发展难在关键核心技术的突破，要协调多层次专业型人才，组织多部门协同配合，勇于实验，大胆创新。要推进跨学科的交叉融合和交流，加强基础理论研究，打牢扎实“地基”;要加强量子科技基础研究到实际应用转化，不断扩大量子科技实际应用规模和水平;要加大对量子计算、量子通信、量子测量等领域标准的跟踪、研究和制定，争取在国际社会推出自主可控的量子标准。同时还要密切关注国际量子科技发展的前沿科技动向，加大与国际社会的科研合作，可以联合建立研究中心，引进国际先进技术，开展成果共享，全方位、多角度参与国际量子科技发展，实现量子科技的齐进步、共发展。

4.3深交流：推进产学研合作和产业化应用发展，加强成果转化。

目前，国内关于量子科技的研究机构、科技企业越来越多，但两者间开展深入交流合作的情况少之又少，为了推进我国量子科技真正发展，需要加强产学研交流合作，可以从技术、人才、资金、市场等多方面开展合作交流，探索建立量子科技研究平台和产业发展联盟，构建量子科技发展产业链。要加强基础性研究与产业化应用的协同配合，简化技术转化机制，促进科技成果转化，切实将科学技术研究转化为生产力。

4.4育人才：完善人才培养和机制，培育专业型人才。

现如今，有能力从事量子科技研究的专家十分匮乏，青年人才队伍更是屈指可数，建议国家层面在人才培养机制上进行改革完善，制定切实可行的人才选拔和评估方案，提高奖励机制，提供容错机会，激发各类型人才创新活力。针对量子科技方面的科研项目和经费申请，可以制定专有管理和使用模式，简化申请步骤和流程。

高校要加强相关学科和课程体系的建设，建立量子科技研究兴趣小组，培育有兴趣、有能力、有专业的人才。科研机构要以项目为依托，勇于实践，加快人才体系建设，科技企业要提供专业机会，制定培养计划，全方位助力专业型人才的培育与发展。

参考文献

[1]高芳，徐峰.全球量子信息技术最新进展及对中国的启示[J].中国科技论坛，2017年，（6）：164-P170

[2]张丽娟.日本量子技术创新发展的五大战略[J].科技中国，2019年，（11）：94-96

[3]张翼燕. 世界各国的量子技术研究[J]. 科技中国，2016年（8）： 51-P54

[4]孙柏林. 全球涌现"量子科技"潮[J].自动化博览，2019年（2）： 10-13

[5]王林飞. 量子通信中的分组传输策略研究[D]：西安邮电学院，2016年

[6]中共中央政治局学习的“量子科技”有多重要？中美欧日谁能在量子科技革命中抢占先机？[EB/OL].微信公众号“新华裔”.2020年10月21日

[7]吴勇毅，陈渊源. 量子革命开启"中国速度" [J].上海信息化，2017年（6）： 10-14

程姣（1989年-），性别：女，民族：汉，籍贯：山东临沂，单位：国家计算机网络应急技术处理协调中心山东分中心，职称：工程师，研究方向：网络空间战略研究;

李盛葆（1987年-），性别：男，民族：汉，籍貫：山东济南，单位：国家计算机网络应急技术处理协调中心山东分中心，职称：工程师，研究方向：网络安全;

冀冰（1988年-），性别：女，民族：汉，籍贯：山东济南，单位：国家计算机网络应急技术处理协调中心山东分中心，职称：助理研究员，研究方向：网络空间战略研究。