专题丨量子计算技术产业发展趋势研究

量子计算技术产业发展趋势研究

王敬  张萌  李芳

（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

摘要：近年来，随着多国及地区在政策布局上加大投入，量子计算技术研究、应用探索以及产业培育等快速发展，有望在处理一些计算复杂问题上实现指数级加速，已成为未来算力跨越发展的重要方向之一。基于此，梳理了国内外量子计算领域的政策布局，分析了量子计算的技术进展、应用探索以及产业培育现状等，并展望了其未来发展趋势。

关键词：量子计算；技术研究；应用探索；产业培育

0  引言

量子信息技术的理论基础是量子力学原理，一般通过制备、调控以及测量量子态实现信息的感知、计算及传输。量子计算、量子通信和量子测量三大领域共同组成量子信息技术领域，并分别在加快计算处理能力、提高信息安全保护能力、提升传感测量精度等方面具备优势^[1]。其中，量子计算的基本单元是量子比特，通过利用量子叠加和量子干涉等原理为某些复杂计算问题提供指数级加速，具有重要的战略意义与科学价值。与此同时，量子计算是全球主要科技国家及地区布局投入的重点领域之一，是一种引领新一轮科技革命和产业变革方向的颠覆性创新^[2]。

近年来，全球主要科技国家及地区在量子计算领域的政策布局投资进一步加强，科研成果不断出现，应用探索持续推进，产业生态培育成为关注重点。本文梳理了国内外主要国家及地区在量子计算领域的政策布局情况，分析了量子计算在技术进展、应用探索以及产业培育等方面的发展情况，并展望了量子计算领域的未来发展趋势。

1  国内外政策布局

近年来，量子信息技术已成为世界各国及地区科技竞争的关注焦点之一。2018年，欧盟推出“量子技术旗舰计划”^[3]；同年，美国发布国家量子倡议（National Quantum Initiative，NQI）法案^[4]。这两项战略规划正式拉开了国家层面支持和推进量子信息领域发展的序幕。近几年，全球主要科技国家和地区在量子计算领域的规划布局持续加强，根据公开信息不完全统计，截至2024年5月，已有30余个国家和地区制定了量子信息领域发展战略或规划法案，投资总金额超过290亿美元（见表1）。

表1   全球主要国家/地区量子信息领域战略规划和投资情况（据公开信息统计）

1.1  国外政策布局

美国是世界上较早开展量子计算研究的国家之一，注重基于政府指导推动量子计算发展，国家战略部署围绕顶层设计、组织机制、专项计划、生态建设等多个维度展开。2023年12月，美国国家科学技术委员会发布“NQI 2024年年报”，报告表明美国在量子信息领域实际投资较NQI法案原定5年投资12.75亿美元的计划超出两倍多，2019—2023年累计投资39.39亿美元，2024年预计投资9.68亿美元，覆盖量子计算、量子传感/计量、量子网络、量子基础科研和量子工程技术五大领域^[5]。其中，量子计算领域投资金额占比最高，5年共计投资约14亿美元^[5]。美国NQI法案中多项授权于2023年9月到期，2023年11月，美国众议院科学、空间和技术委员会提出“国家量子倡议再授权法案”^[6]并于12月通过法案重新授权。再授权法案采取的措施主要包括加大基础科学投资、打造量子人才队伍、深化产业界合作、建设关键基础设施、维护国家安全和推进盟友合作等。

欧洲国家及地区自20世纪90年代开始关注并持续支持量子计算领域发展。近年来，欧盟及相关国家及地区积极布局并出台了一系列量子信息相关战略以及专项计划，目标是在全球量子科技竞争中赢得主动权。2023年，“量子技术旗舰计划”启动“OpenSuperQPlus”项目^[7]和“PASQuanS2”项目^[8]，前者旨在建立1 000比特量子计算系统，后者致力于开发能够处理10 000个中性原子的量子模拟器。2023年底，欧盟委员会发布11个成员国联合签署的《欧洲量子技术宣言》^[9]，旨在支持量子计算和量子模拟、量子安全通信以及量子传感/计量学的发展。2024年，欧盟推出更新后的量子旗舰计划《战略研究和产业议程》^[10]，在量子计算等4个领域分别提出短期（2027年）和中期（2030年）发展目标和建议，为打造“欧洲量子谷”奠定基础。

此外，英国、日本、加拿大、印度、澳大利亚、丹麦、韩国、爱尔兰、北约等国家和地区也高度重视量子计算领域发展，相继发布了量子信息发展战略，围绕顶层规划、专项计划、组织机制、前沿研究、应用探索、产业培育和人才培养等领域，在量子计算技术领域争夺制高点。

1.2  国内政策布局

我国高度重视包括量子计算在内的量子信息技术发展。《关于2022年国民经济和社会发展计划执行情况与2023年国民经济和社会发展计划的决议》^[11]提到，加快人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算、航空航天等前沿技术研发和应用推广。《新产业标准化领航工程实施方案（2023—2035年）》^[12]聚焦量子计算领域，研制量子计算处理器、量子编译器、量子计算机操作系统、量子云平台、量子人工智能、量子优化、量子仿真等标准。《2024年政府工作报告》在积极培育新兴产业和未来产业领域部分提到，要制定未来产业发展规划，开辟量子技术、生命科学等新赛道，创建一批未来产业先导区。

近年来，我国已有20多个省市在地方“十四五”科技与信息技术产业发展规划中针对推动量子计算领域发展作出具体部署，措施主要围绕3个方向开展，即量子计算技术研究、应用探索和产业培育。一是加强技术攻关，针对量子计算基础科研、核心器件、工程研发等展开研究；二是推动应用探索，在金融、生物医药、人工智能等重要行业领域，开展量子计算应用场景探索；三是培育产业生态，通过设立投资基金、建设未来产业园等方式，促进产业生态发展。我国针对量子计算领域的支持力度逐渐加大，未来需要持续加强顶层规划并完善布局，争取产出更多技术、应用与产业化成果。

2  技术研究进展

近年来，业界在量子计算技术路线研究、量子纠错、量子计算软件开发等方面取得了多项进展。超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等主流技术路线的基础研究与工程研发成果层出不穷，量子纠错方案研究与试验验证不断取得突破，多类型量子计算软件持续开放探索。

2.1  硬件技术路线

超导技术路线基于超导约瑟夫森结构建二能级系统，具有扩展性好、易操控和集成电路工艺兼容等优势，是关注度较高、发展较为迅速的技术路线之一，近年来的样机研制与科研成果丰富。2023年，美国国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）推出1 121量子比特超导量子处理器Condor以及133量子比特超导量子处理器Heron^[13]。中国科学院（简称“中科院”）物理研究所利用41位超导量子芯片“庄子”模拟“侯世达蝴蝶”拓扑物态^[14]。2024年，中科院研发504量子比特超导量子计算芯片“骁鸿”^[15]。北京量子信息科学研究院联合团队实现5块百比特规模的量子芯片算力资源与经典算力资源融合，实现规模为590的总量子比特数^[16]。超导技术路线主要面临极低温制冷环境系统、大规模量子比特测控系统等方面的挑战，未来需要持续提升相干时间和逻辑门保真度。

离子阱技术路线使用电荷与磁场囚禁带电离子，以离子的超精细或塞曼能级作为量子比特的载体，离子阱量子比特的全连接性使其在操控精度、相干时间等方面具有优势，近年来囚禁离子数量、逻辑门操控保真度等关键指标持续提升。2024年，Quantinuum公司的离子阱原型机Model H1中单/双量子比特逻辑门保真度分别达到99.99 79%和99.91 4%，量子体积达到1 048 576^[17]。离子阱技术路线面临量子比特规模扩展、高集成度测控以及模块化互联等瓶颈和挑战，能否在竞争中脱颖而出仍有待观察。

中性原子技术路线利用光镊或光晶格囚禁原子，激光激发原子里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化，在相干时间、操控精度以及可扩展性方面占据优势，近年来在比特规模扩展和基于中性原子路线的科研成果颇多。2023年，美国Atom Computing公司发布1 225原子阵列中性原子量子计算原型机^[18]。2024年，德国达姆施塔特工业大学发布1 305个单原子量子比特阵列操控的实验成果^[19]。美国Infleqtion公司发布原子量子计算路线图，计划2024年推出1 600个量子比特原型机^[20]。中性原子路线近年来在比特规模扩展和量子纠错等方面取得诸多突破，成为多路线竞争中的“后起之秀”。

光量子技术路线利用光子的多个自由度进行编码，优点在于相干时间长、室温运行以及测控相对简单，可分为逻辑门型和专用型两类。2023年，中国科学技术大学（简称“中科大”）联合团队研制并推出光子数为255的“九章三号”光量子计算原型机^[21]，并基于其完成稠密子图和Max-Haf 两类图论问题求解^[22]，针对潜在计算加速优势进行验证。2024年，北京玻色量子科技有限公司发布自研550量子比特相干光量子相干伊辛机“天工量子大脑550W”^[23]。专用光量子计算未来有望在求解组合优化等专用问题中展示优势，逻辑门型光量子计算样机研发则需在加强光子间相互作用、构建双比特逻辑门以及大规模光子集成等方面集中攻关。

硅半导体技术路线利用硅同位素量子点结构中的电子自旋实现量子比特，使用电脉冲操控量子比特，其优点体现在可扩展性好、门速度快、与集成电路工艺技术兼容等方面。2023年，美国Intel公司发布12位硅基自旋量子芯片Tunnel Falls^[24]。中科大实现硅基锗量子点超快调控^[25]，自旋翻转速率超1.2 GHz。硅半导体路线受限于同位素材料加工以及介电层噪声等因素的影响，比特数量和操控精度等指标进展比较缓慢，在竞争中优势尚不明确。

此外，金刚石NV色心路线在单/双量子比特逻辑门保真度、量子比特测控系统等方面取得进展，拓扑路线则在控制空间分离的电子之间的相互作用、寻找新型材料构建拓扑量子比特等方面持续开展研究。上述两种技术路线基本处于基础研究阶段，发展前景值得期待。

总体而言，量子计算多条技术路线竞争激烈，研究成果不断涌现，关键技术指标节节攀升，但尚未形成技术路线聚焦，距离实现大规模可容错通用量子计算也均有较远距离，未来仍需业界持续攻关。

2.2  量子纠错

量子纠错产生一个逻辑比特通常由多个物理比特编码而成，以增加信息编码空间冗余度的方式，使受环境噪声或退相干影响的量子状态得以识别和区分，而后通过纠错恢复出原始的量子态信息。量子纠错是支持大规模量子逻辑门操作、实现通用量子计算不可或缺的环节之一。目前已经产生了基于不同原理的多类量子纠错编码方案，其中表面码是当前研究热点^[26]，具备高容错阈值、仅需近邻比特间作用、多技术路线适用等优势，但也存在物理比特编码冗余度较高等局限性。

随着量子计算样机硬件水平的不断提升，量子纠错研究具备了更好的物理基础，近年来取得诸多新突破。2023年，美国谷歌公司、南方科技大学、耶鲁大学相继突破量子计算纠错编码规模与收益的平衡点，验证了量子纠错方案的可行性^[27-29]。美国加州理工大学采用量子橡皮擦纠错方法使激光照射下的错误原子发出荧光实现错误定位，系统纠缠率提升10倍^[30]。美国普林斯顿大学利用相似擦除原理将门操作错误转化为擦除错误，有效提升逻辑门保真度^[31]。美国哈佛大学在60个铷原子阵列实现99.5%双比特纠缠门保真度，超过表面码纠错阈值^[32]。

需要注意的是，虽然量子纠错领域的科研与实验已取得较多进展，但当前逻辑量子比特的最低错误率距离实用化要求仍有较大差距，仍需在理论研究与实验验证配合程度、优化纠错程序设计、提升硬件指标水平等方面持续探索。实用化量子纠错已经成为量子计算领域的重点攻关方向之一，未来还将有更多进展和成果涌现。

2.3  量子计算软件

量子计算软件需要根据量子计算原理进行全新设计，提供应对不同技术路线的底层编译工具、量子中间表示、指令集、应用软件，是连接用户和量子计算硬件的重要纽带。目前量子计算软件发展处于研发早期阶段，业界在量子计算应用开发软件、编译软件、EDA软件、测控软件等方向展开布局，体系架构如图1所示。

图1   量子计算软件系统架构

量子计算应用开发软件提供创建和操作量子程序的工具集、开发组件以及算法库，支持开发者编写、运行、验证量子程序并获得执行结果。美国Intel公司发布量子计算开发平台SDK 1.0^[33]，美国QC Ware公司推出量子化学软件SaaS Promethium^[34]。未来应用开发软件面临的主要挑战在于需加强应用场景、计算问题和算法开发的支持能力，并提升与不同硬件后端的协同适配性。量子计算编译软件规范量子编程边界并确保程序编译正确执行，并提供完善且体系化的语法规则用于协调和约束量子操作与经典操作。美国微软公司发布Azure量子开发套件（Quantum Development Kit，QDK）^[35]，法国Pasqal公司发布中性原子量子计算软件Pulser Studio以及用于数字模拟量子计算软件Qadence^[36]。编译软件未来需要在持续更新迭代的基础上，提升软硬件协同编译、调度和优化能力。量子计算测控软件提供量子芯片控制、处理、运算等功能，并支持测量结果反馈以及芯片校准。国开启科量子技术（北京）有限公司发布ARTIQ架构量子测控系统 QuSoil^[37]，成都中微达信科技有限公司推出量子计算测控系统QCS1000^[38]。测控软件后续需要在量子纠错可支持性、物理比特和逻辑比特可映射性、自动化和流程化等方面持续提升。量子计算芯片设计EDA软件具备量子芯片的自动化设计、参数标定与优化、芯片封装设计等功能。美国亚马逊公司推出可执行复杂电磁模型的3D模拟并支持量子计算硬件设计的开源软件平台Palace^[39]，深圳量旋科技有限公司发布超导芯片EDA软件“天乙”^[40]。芯片设计EDA软件未来需要在芯片性能验证、自动化辅助设计能力、芯片设计效率等方面持续提升完善。

整体而言，由于硬件技术路线尚未收敛、应用尚未落地等原因，量子计算软件目前处于开放探索阶段，整体发展基本处于工具级水平，距离经典软件的发展成熟度仍有一定距离。未来，量子计算软件的发展不仅需要注重量子编程语言和框架、量子编译器和优化器、量子误差校正模块等关键功能特性的研发，还需业界进一步协同推动构建完善的软硬件技术栈和应用生态系统。

3  应用产业发展概况

现阶段基于中等规模含噪量子处理器（Noisy Intermediate Scale Quantum，NISQ）的应用案例探索在国内外广泛开展，致力于为多个行业领域的计算困难问题提供更高效的量子解决方案。量子计算产业生态蓬勃发展，科技巨头与初创企业表现活跃，投融资金额稍有回落但仍保持较高水平，产业联盟成为推动产业生态发展的重要助力。

3.1  应用探索现状

目前量子计算应用探索的典型场景涵盖金融、化学、人工智能等众多领域，计算问题原型涉及量子模拟、量子组合优化、量子人工智能等类型。业界普遍期待未来数年能够以NISQ样机为基础，为具有社会经济价值的计算问题提供加速求解方案，从而实现“杀手级”应用突破。

金融领域与量子计算的结合应用有望为解决优化预测分析、精准定价和资产配置等问题提供优势。花旗银行与以色列Classiq公司联手利用量子计算优化金融领域的投资组合问题，基于预期回报和风险水平构建了优化的投资组合^[41]。美国Zapata公司提出一种蒙特卡洛快速替代方案，在相同计算硬件上运行同样的资产问题，速度比传统蒙特卡罗模拟所需的时间更快^[42]。化学领域的量子计算应用探索主要通过模拟化学反应，达到提高运算效率、降低资源消耗等目的。英国Phasecraft公司提出一种量子算法用于提升材料的量子模拟效率，并简化模拟过程^[43]。美国IBM公司和克利夫兰诊所联合建立量子计算应用联合研究中心，推出用于医疗保健的量子计算机，旨在加速生物医学等方面的研究^[44]。人工智能领域与量子计算结合可能在于机器学习、化学分析、神经网络等领域产生应用。美国Zapata公司与美国Insilico Medicine公司、加拿大多伦多大学和美国圣裘德儿童研究医院合作，在量子硬件上运行量子增强生成式模型，发现其在癌症候选药物方面优于先进的经典模型^[45]。

量子计算应用处于探索的早期阶段，目前量子计算应用案例基本属于可行性原理验证实验，部分应用案例可以取得一定加速优势，但距离为实际应用中的计算困难问题提供指数级加速这一目标仍有较大差距。量子计算应用落地面临的挑战主要在于样机的相干操控比特规模、逻辑门保真度和线路深度等关键硬件性能指标仍十分有限，量子算法、量子纠错编码方案等的成熟度不高，难以支撑具有明确加速优势的算法实施。综上所述，未来需要持续提升量子计算样机性能，推进量子算法研究，并建设量子计算应用生态圈，为量子计算技术走向应用奠定良好的基础。

3.2  产业生态培育概况

在企业发展方面，科技巨头和初创企业均为促进量子计算的产业化发展提供重要推动力。欧美是量子计算企业聚集度和活跃度较高的地区，科技巨头以及专注不同方向的初创企业纷纷积极研发量子计算样机及软件算法，推动量子计算技术产业发展。此外，欧美企业间合作密切，在技术推进、应用探索和产业培育等方面取得诸多进展。我国华为、腾讯等大型科技企业陆续建设专门的量子计算团队，布局推动软硬件研发、应用探索、量子计算云平台等方向的发展，但相对欧美科技巨头而言投入力度仍有加大空间。我国量子计算初创企业大力推动量子计算技术研究与应用探索，力争在全球量子计算产业生态中占得一席之地。此外，大批量子计算企业也在澳大利亚、加拿大、新加坡等地崭露头角，在硬件系统研发、软件产品开发等方面积极产出。

在企业投融资方面，据本文统计，从投融资事件数量来看，企业投融资事件数量从2017年开始出现明显增长，2022年和2023年全年投融资笔数均超100笔，大量初创企业获得了政府赠予投资和不同轮次的股权融资等风险投资，但大多数企业仍处于早期投资阶段。从投融资金额规模来看，过去五年资本市场对量子计算领域企业的投资经历了一轮爆发式增长，2022年融资金额近20亿美元，2023年稍有回落，约为14亿美元。量子计算企业投资金额的回落一方面有全球疫情、经济衰退和美元加息等宏观因素的影响，另一方面也存在一些具体原因，例如量子计算初创企业的技术产品和投资收益未达市场预期等。

在产业联盟方面，目前已有多个国家和地区成立了涵盖量子企业、研究机构和行业用户的量子信息产业联盟。国际方面，美国量子经济发展联盟（Quantum Economic Development Consortium，QED-C）、欧洲量子产业联盟（European Quantum Industry Consortium，QuIC）、日本量子技术与应用联盟（Quantum STrategic industry Alliance for Revolution，Q-STAR）、加拿大量子工业联盟（Quantum Industry Canada，QIC）、IBM量子网络（IBM Quantum Network）、微软量子网络（Microsoft Quantum Network）等联盟表现活跃，成员众多，联盟工作集中在技术、应用、产业、人才、知产等方面。此外，国际联盟之间合作密切，QIC、QED-C、Q-STAR和QuIC于2023年签署谅解备忘录，成立国际量子产业协会理事会，加强发展目标、战略规划、标准制定以及知产管理等方面的沟通协作。国内方面，本文发现，量子信息网络产业联盟（Quantum Internet Industry Alliance，QIIA）目前有81家成员单位已启动技术研究、标准预研、测评验证、应用案例征集等方向的20余个研究项目。粤港澳大湾区量子科学创新联盟由15家单位共同创建，致力于帮助联盟成员开展基础研究、技术研发、成果转化、供应链对接、人才交流，推动促进未来行业发展的政策落地。

目前全球量子计算生态体系处于早期构建阶段，量子计算企业发展迅速且数量持续增加，企业投融资金额规模虽出现一定回落，但总体仍保持较高水平，产业联盟等平台成为推动产业生态建设的重要方式。我国量子计算企业在布局投入、创新能力、亮点成果等方面相较于欧美企业仍有提升空间，产业联盟的生态影响力较为有限。未来我国需要依托产业联盟等平台，进一步整合业界各方力量，加快量子计算软硬件协同开发迭代和应用场景探索等产业生态建设工作，为加速培育未来产业提供良好基础。

4  未来发展趋势

总体而言，量子计算领域多条技术路线并存的发展态势在短期内将会保持，量子纠错是实现容错量子计算必须突破的环节。量子计算虽已出现具有加速能力的应用案例，但距离解决实用化问题仍有一定距离，这也是业界近期将持续努力的重要方向之一。

技术研究方面，量子计算技术发展保持高度活跃，总体发展处于早期阶段，尽管各个研究方向都取得了不少成果，但仍然面临瓶颈挑战。硬件路线上，各路线发展水平参差不齐，距离实现大规模可容错通用量子计算均有很大差距，未来需要在高质量比特设计、大规模芯片扩展等方面集中攻关。软件研究上，需要提升面向应用的软件成熟度，加强建设软件生态与用户反馈机制，确保软硬件协同发展。量子纠错上，通过实验持续改进和优化量子纠错方案，提高纠错准确率并降低纠错开销。环境测控方面，设计高度自动化辅助能力的量子测控软件，建设高性能且运行稳定的环境支撑系统，用以提高大规模量子芯片的测控效率。

应用探索方面，应用案例探索涉及多个行业领域，例如化学模拟、量化金融、人工智能、交运航空、气象预测等。需要强调的是，量子计算在应用实际落地和产生商业价值方面仍面临挑战，目前基本处于可行性和实用性探索阶段，业内期待在未来几年内，“杀手级”应用能够有所突破。未来需要在加快样机研制和量子应用算法研究的基础上，加大软件及云平台的支持力度，为应用探索提供更有力的工具。

产业培育方面，全球量子计算生态体系处于早期构建阶段，产业生态上中下游各环节已初具雏形，国内外各方通过构建产业联盟、汇集行业伙伴、探索应用场景、促进创新协同等方式促进产业发展已成为重要趋势。未来需要充分发挥产业联盟等平台的作用，同时加强加工制造、测试验证和云平台等公共基础设施建设，进一步推动供应链建设和产业生态培育。

5  结束语

量子计算有望推动未来数字经济产业升级、信息社会发展演进等领域产生重要变革，已成为全球科技竞争的关注焦点之一。当前，量子计算优越性已经得到验证，超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等的基础科研与工程实验成果不断涌现，路线竞争较为激烈，多个行业领域应用场景加速探索，产业生态逐步构建。未来业界需要持续突破量子计算核心技术，加速工程转化，针对重点行业开展应用探索，促进产学研用各方协同，为进一步推动量子计算技术产业发展提供坚实保障。

Analysis of quantum computing technology and industrial development trends

WANG Jing, ZHANG Meng, LI Fang

（Technology and Standands Research lnstitute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China）

Abstract: With increased investment in policy layout by multiple countries and regions in recent years, rapid development in quantum computing technology research, application exploration, and industrial cultivation offers promising potential for exponential acceleration in solving some computationally complex problems. Quantum computing has emerged as one of the vital directions for future leaps in computing power. This paper sorts out the policy layout in the field of quantum computing at home and abroad, analyzes the technological progress, application exploration, and the current status of industrial cultivation, and looks forward to the future development trend.

Keywords: quantum computing; technology research; application exploration; industrial cultivation

本文刊于《信息通信技术与政策》2024年 第7期

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