中國信通院：量子信息技術發展與應用研究報告（2022年）（71頁）.pdf

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1、No.202232 中國信息通信研究院 2023年1月 量子量子信息技術發展與應用信息技術發展與應用 研究報告研究報告 (20222022 年年)版權聲明版權聲明本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。前前 言言 以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術，是量子科技重要組成部分

2、，有望成為未來重大技術范式變革和顛覆式創新應用的新源泉。發展量子信息技術，推動科研成果應用和產業生態構建，已成為全球在前沿科技領域政策布局與投資支持推動的熱點，也是各國構建未來產業競爭力，維護國家技術主權的重要方向之一。2022 年度諾貝爾物理學獎，授予 Alain Aspect、John F.Clauser 和 Anton Zeilinger，表彰他們使用糾纏量子態進行開創性實驗，為基于量子信息的新技術開發奠定基礎，進一步提高全球關注熱度。近年來，量子信息技術科研加速發展，技術創新活躍，亮點成果不斷涌現，標準化研究取得階段性進展，應用場景探索廣泛開展，產業生態培育方興未艾。我國量子信息技術領

3、域具備良好基礎，前沿研究、樣機研發和應用推廣等方面取得諸多進展，未來有望在基礎科研、應用推廣與供應鏈構建等方面取得更多成果。2018 年起，中國信息通信研究院連續 4 年發布量子信息技術發展與應用研究報告，成為管理部門和行業各方掌握量子信息領域發展動態的重要參考。本報告聚焦 2022 年量子信息技術發展態勢，梳理三大領域的最新研究與應用進展，分析探討熱點問題，展望技術演進與產業應用發展趨勢，希望為促進凝聚業界共識，形成發展合力貢獻力量。目目 錄錄 一、量子信息技術總體發展態勢.1(一)量子信息技術是量子科技的重要組成部分.1(二)量子信息成為全球多國政策布局與投資熱點.3(三)量子信息三大領域

4、科研與技術創新快速發展.6(四)量子信息技術與產業生態培育受到多方重視.9 二、量子計算領域研究與應用進展.12(一)樣機研發多路線競相爭鳴，研究進展亮點紛呈.12(二)量子糾錯成業界關注熱點，將是下一個里程碑.16(三)基準測評為性能表征和行業觀察提供重要參考.19(四)軟件與云平臺發展迅速，構建用戶生態是關鍵.21(五)應用探索廣泛開展但尚未落地，泡沫爭議浮現.24 三、量子通信領域研究與應用進展.28(一)量子密鑰分發科研活躍，實驗系統性能獲提升.28(二)量子信息網絡持續研究，使能技術仍有待突破.32(三)空間量子通信將成為科研與應用發展重要方向.36(四)量子保密通信探索應用，標準測

5、評驗證須加強.38(五)量子保密通信與 PQC 將有望形成融合應用方案.41 四、量子測量領域研究與應用進展.44(一)多種量子測量技術并存，樣機工程化水平提升.44(二)助力生命科學研究，實現可穿戴與非侵入檢測.47(三)賦能垂直行業應用，成為加速產業升級催化劑.50(四)量子測量與其他技術領域融合，向智能化發展.54(五)量子測量商用發展迅速，產業價值鏈初步形成.56 五、量子信息技術與應用前景展望.60(一)三大領域研發持續推進，應用與產業前景各異.60(二)發展量子信息技術，開啟下一輪技術創新周期.62 圖圖 目目 錄錄 圖 1 量子信息技術是量子科技的重要組成部分.1 圖 2 量子信

6、息三大領域近年來科研論文趨勢.7 圖 3 量子信息三大領域近年來專利申請趨勢.7 圖 4 量子信息三大領域各國專利申請占比情況.8 圖 5 我國各省市量子信息專利申請量.9 圖 6 全球各國量子信息技術領域產業聯盟概況.10 圖 7 美國量子信息領域行業聯盟平臺概況.11 圖 8 全球量子計算樣機研發與技術驗證代表性成果.16 圖 9 量子計算基準測評體系初步框架與指標.20 圖 10 量子計算基準測評主要技術方案概況.21 圖 11 量子計算技術與應用體系視圖.22 圖 12 國內外代表性量子計算軟件概況.23 圖 13 量子計算應用場景探索發展概況.25 圖 14 量子計算“殺手級”應用需

7、突破“不可能三角”.27 圖 15 TF-QKD 系統實驗（a）830 公里（b）658 公里.30 圖 16 NIST 抗量子計算破解加密（PQC）算法標準化.42 圖 17 量子保密通信與 PQC 融合應用.43 圖 18 量子測量主要技術方向.45 圖 19 量子測量在生命科學領域主要研究成果.48 圖 20 量子測量在垂直行業應用主要案例.51 圖 21 智能化量子傳感器與量子信息和 AI 結合.54 圖 22 量子測量技術產業價值鏈.57 圖 23 量子測量領域產業視圖.59 表表 目目 錄錄 表 1 近年國外量子技術企業融資與上市概況.4 表 2 2022 年全球量子信息網絡代表性

8、科研進展.32 表 3“墨子號”量子科學實驗衛星代表性科研成果.36 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）1 一、一、量子信息技術總體發展態勢(一)量子信息技術是量子科技的重要組成部分(一)量子信息技術是量子科技的重要組成部分 上世紀量子力學創立和發展，開啟了人類對微觀物理世界的認識。通過對光電效應、受激輻射光放大、固體能帶與能級躍遷等現象和規律的闡釋與利用，誕生了以半導體、激光器和傳感器為代表的信息測量、傳輸與處理技術，成為從工業社會邁向信息社會的核心驅動力。本世紀量子調控技術研究和發展，將進一步深化人類對微觀物理世界的理解。通過開發新材料、構筑新結構、發現新物態和研發新測控手段，

9、對量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等新穎物理現象加以利用，并與通信、信息、材料和能源等領域交叉融合而形成的量子科技，有望成為未來重大技術范式變革和顛覆式創新應用的新源泉。來源：中國信息通信研究院 圖 1 量子信息技術是量子科技的重要組成部分 量子信息技術是以量子力學原理為基礎，通過對微觀量子系統中物理狀態的制備、調控和觀測，實現信息感知、計算和傳輸的全新信息處理方式。量子信息技術是量子科技重要組成部分，如圖 1 所示，量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）2 主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域，在提升計算困難問題運算處理能力、加強信息安全保護能力、提高傳感測量精度等方面，具備超越

10、經典信息技術的潛力。量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現并行計算，能在某些計算困難問題上提供指數級加速，是未來計算能力跨越式發展的重要方向。硬件系統研發仍處于多種技術路線并行發展階段，超導和光量子實現量子計算優越性實驗驗證，離子阱量子體積指標領先，中性原子可能成為量子模擬重要平臺。編譯開發與算法應用軟件領域百家爭鳴，多類型編程框架、開發平臺、模擬器和算法軟件工具通過開源社區開放競爭，科技巨頭在軟件和用戶生態構建方面占據優勢。量子計算與模擬的應用探索在各行業領域廣泛開展，業界期待未來在材料與生物醫藥化學模擬、以及復雜系統建模與優化等領域，率先展示實用化量子計算應用案例及其優

11、越性。量子通信利用量子疊加態或糾纏效應，在經典通信輔助下進行量子態信息傳輸或密鑰分發，理論協議層面具有信息論可證明安全性，部分協議可實現經典信息傳輸?；诹孔用荑€分發（QKD）、量子隨機數發生器（QRNG）和量子安全直接通信（QSDC）等技術方案的量子保密通信初步實用化，在科研領域持續探索新型協議系統和提升技術水平，在國內外進一步開展應用探索和標準化研究，但應用與產業發展仍面臨挑戰?；诹孔蛹m纏操控、量子隱形傳態、量子存儲中繼和量子態轉換等使能技術和組件，構建量子信息網絡是量子通信領域未來的重要發展方向，近年來國內外在基礎科研探索和系統原型實驗等方面取得一定進展，但距離實用化仍有較大差距。量子

12、信息技術發展與應用研究報告（2022 年）3 量子測量對外界物理量變化導致的微觀粒子系統量子態變化進行調控和觀測，實現精密傳感測量，在精度、靈敏度和穩定性等方面相較傳統技術帶來數量級提升。當前量子測量技術與應用發展的主要方向包括：基于量子時間頻率基準的授時定位，如光晶格原子鐘與時頻傳輸；基于量子陀螺的自主姿態控制與導航，如冷原子干涉或無自旋交換弛豫原子自旋（SERF）陀螺；基于量子微弱磁場測量的金屬目標探測或生物磁信號成像，如心/腦磁圖和分子級磁共振譜；基于量子絕對重力儀或重力梯度儀的地質及地下結構勘測；基于單光子探測和光量子雷達的目標成像與環境質量監測等。多類型量子測量樣機和產品，在航天、國

13、防、醫療、環保和科研等領域探索應用。(二)量子信息成為全球多國政策布局與投資熱點(二)量子信息成為全球多國政策布局與投資熱點 近年來，全球主要國家在量子信息技術領域加強科技政策布局，推出發展戰略和研究項目規劃，加大公共研發資金的支持投入力度。量子信息領域的國家級規劃與投資情況在 2021 年報告已初步總結1，截至 2022 年 9 月，全球投資最新進展的不完全統計已達 160 億美元以上。我國近年來高度重視量子信息技術領域發展，隨著“十四五”規劃中關于組建國家實驗室和實施重大科技項目等措施的逐步落實，科研布局與支持力度進一步加強。需要指出，在國外統計2和報告3中，對我國量子信息領域的公共資金投

14、資規模，大都不同程度上存在缺乏來源依據的臆想與夸大，例如“中國量子信息領域投資總額達 150 億 1 http:/ 2 https:/ https:/www.weforum.org/reports/state-of-quantum-computing-building-a-quantum-economy 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）4 美元”說法在多個報告間相互引用，頗有三人成虎之勢。國家公共研究資金、大型科技企業投資和社會資本投融資是支持和推動量子信息技術研究和應用發展的三大支柱。IBM、谷歌、Intel和微軟等科技巨頭在量子計算領域的持續投資布局，已成為推動樣機研發和應用

15、探索的重要力量，但具體投資規劃和金額規模難見公開信息披露。近年來，量子信息領域的初創企業獲市場高度關注，通過社會資本股權投資和證券市場上市融資等形式獲得大量資金支持。量子信息領域投融資近兩年來呈現爆發式增長趨勢，2020 和 2021 年投資金額分別達到7億美元和14億美元4，超過2010-2019共十年的總和。值得關注的國外量子技術企業融資上市不完全統計情況如表 1所示，量子技術初創企業在歐美聚集度和關注度更高，市場投資高度集中在量子計算領域，其中又以量子計算系統硬件制造企業最受追捧，反映出量子計算機研發在整個量子信息技術領域的重要價值和意義。表 1 近年國外量子技術企業融資與上市概況 企業

16、（國家）企業（國家）技術領域技術領域 融資類型融資類型 融資融資/收益收益5（億美元）（億美元）時間時間 PsiQuantum（美）量子計算 股權投資 6.65 2021 Quantinuum（英/美）量子計算 股權投資 3.00 2021 Xanadu（加）量子計算 股權投資 1.45 2021 IQM Quantum Computers（芬）量子計算 股權投資 1.28 2022 Quantum Machines（以）量子計算 股權投資 0.75 2022 IonQ（美）量子計算 NYSE 上市 6.36 2021 Rigetti（美）量子計算 NASDAQ 上市 2.62 2021 Ar

17、qit（英）量子加密 NASDAQ 上市 0.70 2021 4https:/ 5 通過特殊目的收購公司（SPAC）完成首次公開募股（IPO）的交易收益（扣除贖回）。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）5 D-Wave（加）量子計算 NYSE 上市 0.09 2022 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理（截至 2022 年 9 月）2022 年，美國在量子信息領域進一步加大政策布局和規劃投資力度，出臺多項法案、政令、規劃和研究報告，全方位推動量子信息科研、應用、產業、教育和國際合作等方面發展。在規劃投資方面，2021 年 12 月公布的國家量子行動（NQI）計劃最新預算年度報告

18、6顯示，2018 年 NQI 立法后的 4 個財年以來，預算授權和請求金額分別為 4.49 億、6.72 億、7.93 億和 8.77 億，總額達 27.91 億美元，已超過原計劃投資規模（5 年合計 12.75 億）的兩倍以上。8 月美國通過的 芯片和科學 法案7中，包含量子科學網絡、科學技術量子用戶擴展、量子網絡與通信研究和標準化、下一代量子領導者先導計劃 4 個項目，未來五年新增預算金額 7.65 億美元。在政策文件方面，NQI 辦公室 2 月發布量子信息科學技術勞動力發展國家戰略 計劃8，評估人力資源需求，提出科普教育宣傳等方面人才培養規劃舉措。3 月發布將量子傳感器付諸實踐報告9，分

19、析量子測量技術應用挑戰，提出加強應用研究、開發組件子系統和簡化技術轉讓與準入等發展建議。白宮 2 月更新關鍵和新興技術清單10，列入量子計算、量子器件材料與制造、抗量子計算破解加密、量子傳感和量子網絡等 5 項量子信息技術。5 月簽發兩項總統行政令 6 https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2021/12/NQI-Annual-Report-FY2022.pdf 7 https:/www.quantum.gov/quantum-in-the-chips-and-science-act-of-2022 8 https:/www.quantum.gov

20、/wp-content/uploads/2022/02/QIST-Natl-Workforce-Plan.pdf 9 https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2022/03/BringingQuantumSensorstoFruition.pdf 10https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2022/02/02-2022-Critical-and-Emerging-Technologies-List-Update.pdf 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）6 11，一是強化 NQI 咨詢委

21、員會職能，二是部署國家信息系統中的抗量子計算破解加密技術產品升級工作。牽頭實施 NQI 計劃的能源部（DOE）、國家科學基金（NSF）和國家標準與技術研究院（NIST），近期發布了該計劃實施和投資進展情況。其中，DOE 報告12顯示，投資 6.25 億美元在其下屬的 5 個國家實驗室組建多方協作的量子技術研究中心。此外，還投資 3.84 億美元在量子材料、核聚變、量子網絡、量子計算軟件算法、量子信息與核物理融合研究等方面支持了 25 個項目。NSF 網站13顯示，資助成立 5家量子飛躍挑戰研究所和 14 所優勢高校構建量子科研與教育基地，開展 18 項專題研究項目投資。NIST 網站14顯示，

22、在離子光鐘、量子存儲器、冷原子傳感器、量子通信和網絡、中性原子量子計算模擬、單光子測量等方向部署開展 40 個科研項目。(三)量子信息三大領域科研與技術創新快速發展(三)量子信息三大領域科研與技術創新快速發展 量子信息技術科學研究探索發展迅速，已成為前沿科技領域的熱點，近年來科研論文發表量的趨勢見圖 2，其中量子計算領域科研產出近十年增長趨勢顯著，在三大領域中最為活躍。11https:/www.whitehouse.gov/briefing-room/presidential-actions/2022/05/04/executive-order-on-enhancing-the-nationa

23、l-quantum-initiative-advisory-committee/https:/www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2022/05/04/national-security-memorandum-on-promoting-united-states-leadership-in-quantum-computing-while-mitigating-risks-to-vulnerable-cryptographic-systems/12https:/www.energy.gov/technologytransiti

24、ons/downloads/spotlight-quantum-information-science-and-technology 13 https:/www.nsf.gov/mps/quantum/quantum_research_at_nsf.jsp 14 https:/www.nist.gov/quantum-information-science 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）7 來源：中國信息通信研究院（截至 2022 年 9 月）圖 2 量子信息三大領域近年來科研論文趨勢15 來源：中國信息通信研究院（截至 2022 年 9 月）圖 3 量子信息三大領域近年來專利

25、申請趨勢 近年來，量子計算、量子通信和量子測量三大領域的全球專利申請數量變化趨勢如圖 3 所示。其中，量子計算領域技術創新活躍，專利申請數量上升迅速，自 2019 年起已成為量子信息領域專利申請數量最多的方向，四年來持續保持領先并呈現加速發展趨勢。量子通信領域專利申請數量增長平穩，量子測量相比其他兩個領域，在專利絕對數量和增長趨勢方面差異較為明顯。15 2022 年科研論文數量僅包含前 9 個月。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）8 來源：中國信息通信研究院（截至 2022 年 9 月）圖 4 量子信息三大領域各國專利申請占比情況 全球各國量子信息領域的專利申請占比情況如圖 4 所

26、示，其中量子計算領域美國技術創新活躍，專利申請占比達到 56%，中國位居第二，專利申請數量占比達到 26%。在量子通信和量子測量領域，中國專利申請數量均處于全球領先，占比分別為 54%和 49%，美國專利申請數量均處于第二位，占比分別為 24%和 32%。從專利申請數量角度看，中美兩國在量子信息技術領域創新能力較強。我國各省市量子信息領域的專利申請量分布情況如圖 5 所示。量子通信領域專利總數最高，相關高校、科研機構和產業公司聚集區域，如北京、安徽和江蘇等省市的專利數量處于領先。量子計算領域以科研為主，應用產業處于探索起步期，國內發展水平較平均，高校和研究機構聚集的北京和安徽等地的專利數量靠前

27、。量子測量領域專利數量較少，安徽和北京的專利申請量明顯高于其他地區。從專利申請數量和分布看，我國北京、安徽、浙江、江蘇和廣東等地區，已成為量子信息技術研發與應用的創新高地。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）9 來源：中國信息通信研究院（截至 2022 年 9 月）圖 5 我國各省市量子信息專利申請量(四)量子信息技術與產業生態培育受到多方重視(四)量子信息技術與產業生態培育受到多方重視 當前，量子信息技術整體處于從基礎科研與實驗探索，向產品研發與應用探索過渡的早期階段。未來，量子信息技術從科研走向應用和產業化16需要多要素的協同推動：一是政府公共研究資金和私營部門社會投資的長期穩定

28、投入；二是學術科研機構的攻關突破與技術創新驅動；三是產業公司和初創企業的技術產品研發、應用場景開發和商業應用轉化；四是在政策、監管、標準、測評、認證和人力資源等多方面的配套支持。近年來，推動量子信息三大領域科研探索，促進科研成果應用轉化，打造技術產業創新鏈與供應鏈，加強量子技術技能人力資源建設，構建培育量子信息技術產業生態體系，已成為各國開展中長期體系化布局，維護量子技術主權的普遍共識。16 https:/www.rand.org/pubs/research_reports/RRA869-1.html 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）10 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理

29、 圖 6 全球各國量子信息技術領域產業聯盟概況 全球主要國家在量子信息技術領域，成立和推動產業聯盟類平臺組織的進展情況概況如圖 6 所示。美國量子經濟發展聯盟（QED C）是全球各類量子信息技術產業聯盟中成立最早和發展最活躍的平臺，由斯坦福研究院（SRI）運營，包含美國境內 160 余家高校、科研機構、科技企業和初創公司，2022 年通過政府間協議等方式，擴展與 36個西方國家的成員合作關系。目前已發布量子傳感、實用量子中間表示（PIRQ）、量子安全組織指南和面向應用的量子計算性能基準測試等多項研究報告與開源軟件工具17。歐盟、荷蘭、加拿大、德國和日本也成立量子信息技術產業聯盟，促進管理部門、

30、研究機構和產業公司等利益相關方和交流與合作研討。以色列成立有 30 余家公司參與的量子計算、量子傳感和量子密碼產業聯盟18。澳大利亞也成立由 6 家本地企業與 3 家美國企業發起的量子產業聯盟19。促進利 17 https:/quantumconsortium.org/news-and-updates/18 https:/doi.org/10.1063/PT.3.4898 19 https:/ 年）11 益相關方協同創新的量子經濟產業聯盟，正成為各國構建培育技術產業生態和供應鏈，加強未來產業競爭力的重要平臺。來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 7 美國量子信息領域行業聯盟平臺概況 在

31、國家級產業聯盟平臺之外，由科技企業和研究機構等組建和運營的量子信息行業聯盟平臺，近年來也成為推動構建應用產業生態的重要力量。美國企業和研究機構在量子信息領域行業聯盟平臺發展方面表現活躍，代表性平臺概況如圖 7 所示。量子計算云平臺服務是推動技術供需雙方協同創新的重要形式，IBM 量子網絡20基于自研超導量子計算 Q Experience 云平臺和 OpenQASM 軟件編程框架，為全球180 余家成員提供軟硬件一體化服務和合作研發。亞馬遜 Braket21聯合多家量子計算硬件廠商提供商業級量子計算云服務。芝加哥量子交易所、西北量子網絡和量子信息前沿等行業聯盟平臺在量子器件技術研發、量子計算機研

32、制與測試、應用開發等方面推動合作。近期，美 20 https:/ 21 https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）12 國成立華盛頓量子網絡研究聯盟（DC-QNet）22，共同開展量子互聯網的原型研發、網絡測試和應用探索等合作。近年來，我國量子信息領域的產學研協同和產業生態培育等工作也逐步得到重視和加強。2022 年 7 月，由工信部指導，中國信通院聯合國內量子信息領域高校、科研機構和產業公司共同發起的量子信息網絡產業聯盟在京正式成立，目前已有成員單位 55 家，組織推動和開展了技術論壇交流、應用案例征集、行業報告研究、產品驗證測評等工作。此外，在電子學會、通信學會、計算機

33、學會、信息協會等行業平臺，也成立了量子計算、量子通信等方向的分會組織，推動開展年度學術進展報告交流和產業研討會議論壇等多學科領域的交流與研討。在行業聯盟平臺方面，本源量子 2018 年組建量子計算產業聯盟23，與上游供應鏈和下游用戶企業等 20 余家單位，推動開展研發制造、應用探索和科普教育等方面合作。二、二、量子計算領域研究與應用進展(一)樣機研發多路線競相爭鳴，研究進展亮點紛呈(一)樣機研發多路線競相爭鳴，研究進展亮點紛呈 量子力學刻畫微觀粒子系統中的疊加性與糾纏性等獨特性質，為新的計算范式提供了物理基礎。量子計算是迄今已知的，可以提供與當今計算機相比，運算處理能力指數級加速的唯一計算模型

34、24。量子計算硬件技術主要分兩大類，一類是以超導和硅半導體為代表的人造 22https:/www.quantum.gov/nrl-announces-the-washington-metropolitan-quantum-network-research-consortium-dc-qnet/23 https:/ 24 https:/nap.nationalacademies.org/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）13 粒子路線，另一類是以離子阱、光量子和中性原子為代表

35、的天然粒子路線。量子計算硬件研發目前處于各種技術路線并行發展和開放競爭階段，近期科研不斷取得進展，亮點成果紛呈。超導量子計算處理器核心器件為超導約瑟夫森結，具有可設計、可擴展、易控制、易耦合等優勢，近年來衍生出 Transmon、Xmon、Fluxonium 等多種新型超導量子比特。近期超導技術路線在比特數量和保真度方面均有突破。2022 年 2 月，Rigetti 上線 Aspen-M80 量子比特系統，預計明年初發布 84 個量子比特單芯片處理器 Ankaa25。5月，IBM 發布新技術路線圖，預計年底發布 433 量子比特 Osprey 處理器，明年推出 1121 量子比特 Condor

36、 處理器，并探索并行芯片擴展方案，2025 年實現 3 處理器集成 4000+量子比特系統26。7 月，阿里報道27實現 Fluxonium 系統中雙比特門的 99.72%保真度。8 月，百度發布超導量子計算機乾始28。超導技術路線是通用量子計算有力競爭者之一，得到眾多科研機構、科技企業和初創公司支持，比特數量穩步提升，每秒電路層操作數（CLOPS）等指標占優。硅半導體量子計算處理器在硅或者砷化鎵等半導體材料制備門控量子點來編碼量子比特，優勢在于可擴展性好，且與成熟 CMOS 工藝相兼容。硅半導體量子比特主要分光門控和電門控兩類，前者通常使用光學活性缺陷或量子點來誘導光子間的強有效耦合，后者通

37、過施加在光刻金屬門上的電壓來限制和操縱形成量子比特的電子。硅半導 25https:/ 26 https:/ 27 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.010502 28 https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）14 體技術路線近期主要進展在于量子比特數量和保真度提升。2022 年 1月，自然雜志發表澳大利亞 UNSW 大學、荷蘭 Delft 理工和日本理化研究所三個團隊成果29，不同方案硅基量子處理器的雙量子比特門保真度均達到 99%以上。9 月，荷蘭 QuTech 實現 6 位硅基自旋量子比特的新紀錄30，實現 99.77%保真

38、度單量子門操控。未來，克服電子自旋易受電磁環境影響，將是硅半導體科研攻關的主要目標。離子阱量子處理器利用電荷與磁場間的交互作用力，形成勢阱操控帶電粒子構建二能級量子比特。操控手段包括通過電場和磁場結合形成電勢的 Penning 阱，以及靜態和振蕩電場相組合形成電勢的 Paul阱等。量子比特包括利用基態和亞穩態之間的能極差構建的光學量子比特和區分不同基態的超精細量子比特等。離子阱技術路線具有天然粒子全同、相干時間長等優勢，近期主要進展是保真度提升和全連接比特數增長。2022 年 3 月，IonQ 報道鋇基離子阱處理器的保真度達99.96%，5 月推出 32 量子比特處理器 Forte31。6 月

39、，Quantinuum 的Model-H1 離子阱量子計算機擴展到 20 全連接量子比特，9 月實現量子體積指標 8192 新紀錄32。離子阱是通用量子計算另一有力競爭者，保真度和相干時間等指標有優勢，未來樣機研發在真空、激光、微波和電子學等多個工程領域需持續攻關。光量子處理器利用單光子或光壓縮態的多種自由度進行量子態編碼和量子比特構建，優勢在于光子受環境影響小、可常溫環境工作、29 https:/doi.org/10.1038/s41586-021-04292-7、https:/doi.org/10.1038/s41586-021-04273-w、https:/doi.org/10.1038

40、/s41586-021-04182-y 30 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-05117-x 31 https:/ 32 https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）15 相干時間長等。光量子計算主要挑戰是在不同光子態之間構建的雙量子比特門和實現邏輯操作，典型策略是在線性光學量子計算中通過單光子操作和測量的結合實現雙比特邏輯門，或是利用集成光學的體系結構實現光子間相互作用。近期光量子技術路線科研進展主要是量子優越性證明和光子糾纏操控實驗。2022 年 6 月，加拿大 Xanadu 報道Borealis 光量子計算機完成 216 壓縮態高斯玻

41、色采樣實驗33，再次驗證光量子計算優越性。2022 年 8 月，德國馬克斯-普朗克研究所報道34實現 14 個光子糾纏操控新紀錄。未來，光量子技術路線需進一步探索新型光源和探測器技術，以及光量子邏輯門操控。中性原子量子計算通過緊密聚焦激光束陣列形成光鑷，約束中性原子在超高真空中懸浮并構建二能級系統，與離子阱技術有一定相似性，主要優勢在于長相干時間和超高維列陣構建能力。中性原子量子計算適用于實現量子哈密頓量和量子模擬處理，是研究和解決凝聚態物質中諸多物理問題的典型模型，也是模擬研究分析量子化學、多體物理、凝聚態物理、核物理等諸多復雜體系和現象的有力工具。2022年 2 月，美國芝加哥大學實現 5

42、12 位雙元素二維原子陣列35，5 月，哈佛大學與麻省理工展示 289 位量子比特里德堡原子處理器和圖問題求解36。9 月，法國 Pasqal 公司在光鑷系統中捕獲 324 位量子比特的中性原子大型量子處理器陣列37。未來中性原子技術路線仍需進一步提升邏輯門操控能力和保真度。33 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04725-x 34 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04987-5 35 https:/doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011040 36 https:/doi.org/10.1038/s

43、41586-022-04725-x 37 https:/pasqal.io/2022/09/14/pasqal-unveils-a-new-quantum-processor-architecture-with-a-record-324-atoms 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）16 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理（截至 2022 年 9 月）圖 8 全球量子計算樣機研發與技術驗證代表性成果 量子計算機研發已經成為全球主要國家在前沿科技領域攻關突破的重點方向之一，近年來取得樣機研制與技術驗證主要代表性成就如圖 8 所示。大規?？扇蒎e通用量子計算機仍是需要長期探索和努力

44、的目標，量子計算領域的發展與競爭也將是一場科技馬拉松。(二)量子糾錯成業界關注熱點，將是下一個里程碑(二)量子糾錯成業界關注熱點，將是下一個里程碑 量子糾錯（QEC）是一類保護量子態信息免受環境噪聲或退相干影響的技術，是進行高保真量子信息處理的重要環節，也是實現可容錯通用量子計算的關鍵要素之一。量子態不可克隆性、相干性以及差錯連續性等特性，使量子糾錯與經典糾錯存在原理性差異。量子糾錯將量子信息存儲在量子糾錯碼中，作為一個較大的希爾伯特空間中的一個特殊子空間，可將常見錯誤狀態移動到與原始編碼空間正交的錯誤空間中，同時保留原狀態中的信息。而后通過適當的測量確定某些粒子是否出錯，并應用測量結果和幺正

45、操作等方法糾正原物理狀態，量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）17 而無需測量受保護的量子態本身。量子糾錯碼的碼字是旨在糾正特定錯誤集的糾纏態，可選擇與最可能發生的噪聲類型相匹配，錯誤集由一組可以乘以碼字狀態的運算符表示。Peter Shor 構建第一個利用九個物理量子比特編碼一個邏輯量子比特的量子糾錯編碼38之后，量子糾錯已成為量子計算一個熱門研究方向。表面碼是當前實驗中使用較為廣泛的量子糾錯方案，優勢在于具有較高容錯閾值，僅需近鄰量子比特間相互作用，易在超導和離子阱等物理系統中實現。隨著量子計算樣機硬件能力的提升，量子糾錯研究具備更好的物理基礎，近期不斷取得新進展。2021 年

46、7 月，谷歌報道39懸鈴木處理器 21 位比特一維重復碼，展示對比特或相位翻轉錯誤的指數級抑制。12 月，Quantinuum 報道40用 10 位物理量子比特離子阱系統實現單邏輯量子比特編碼和實時校正。QuTech 報道41距離為 2 的表面碼量子比特實現邏輯操作并使用邏輯泡利轉移矩陣演示邏輯門的過程層析成像。2022 年 7 月，中科大報道42祖沖之 2.1 平臺 17 位量子比特組成距離為 3 的糾錯表面碼在后處理中減少 20%邏輯錯誤。谷歌報道43在 72 位量子比特超導處理器用擴展量子糾錯代碼來抑制邏輯錯誤。8 月，日本理化研究所報道443 位量子比特硅基處理器的 Toffoli 門

47、糾錯演示。Quantinuum 報道4512 位離子阱處理器構建 5 位顏色編碼的 CNOT 門糾錯實驗。38 https:/doi.org/10.1103/PhysRevA.54.1098 39 https:/doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y 40 https:/doi.org/10.1103/PhysRevX.11.041058 41 https:/doi.org/10.1038/s41567-021-01423-9 42 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.030501 43 https:/arxiv.org/

48、abs/2207.06431 44 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04986-6 45 https:/arxiv.org/abs/2208.01863 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）18 量子糾錯的研究和實現仍頗具挑戰性。首先，量子比特的操控會引入一定的錯誤，除非錯誤概率低于某個閾值，否則會導致錯誤傳播和越糾越錯。其次，量子糾錯操作需要在一個周期內多次迭代進行，糾錯編碼執行也有可能產生一定的讀寫錯誤并導致錯誤累積與擴散。最后，雖然少量量子比特可以驗證量子糾錯可行性，但真正實現量子糾錯仍需要大量的量子比特支持。例如在錯誤率 1E-3 條件下，

49、高保真度執行 Shor 算法或量子化學哈密頓量模擬，需糾錯編碼距離約為35，約需 15,000 個物理量子位實現一個邏輯量子位46。此外并非所有類型邏輯門都可以轉換到由分散的大量物理比特組成，解決這類問題而引入的魔法態編碼將產生額外編碼開銷。未來，量子糾錯的驗證和實現仍面臨諸多挑戰，有待進一步探索。量子糾錯是實現可容錯通用量子計算的關鍵技術，也是量子計算領域的下一個重要里程碑，未來發展方向主要包括三方面：一是理論研究與樣機實驗相互配合，在真實硬件平臺和錯誤條件下，進行理論編碼算法的驗證與改進。二是進一步設計和改進的糾錯程序，防止糾錯過程和操作引入的額外錯誤，阻止錯誤狀態在糾錯過程中的積累和傳播

50、。三是提升硬件比特數、降低邏輯錯誤率和提升糾錯編碼閾值、減低糾錯開銷的雙向努力。進一步提升各類型量子硬件水平滿足實現量子糾錯所需要的冗余比特需求，算法改進降低糾錯所需的資源開銷也是另一個努力方向。目前量子糾錯和邏輯量子比特將何時、在何種物理平臺率先實現突破仍難以預測，開展量子糾錯研究和驗證已成為 46 https:/nap.nationalacademies.org/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）19 業界集中攻關的下一個重要目標。(三)基準測評為性能表征和行業觀察提供

51、重要參考(三)基準測評為性能表征和行業觀察提供重要參考 基準測評通過設計客觀有效的測試方法、工具和系統，對特定對象的功能和性能進行定量和可對比的測試，已在計算機、人工智能、云計算等領域中發揮了重要作用。隨著量子計算樣機研制和算法研究發展，基準測評開始逐步受到重視。2021 年，美國 DOE 啟動量子科學計算開放用戶測試床項目，計劃建立 32 位量子比特離子阱量子處理器測試床。美國 DARPA 推出量子基準項目，明確量子計算可測試的關鍵指標，評估達到關鍵性能閾值的所需資源，衡量大規?？扇蒎e量子計算競賽中的關注重點。量子計算基準測評仍面臨諸多技術挑戰性，一是量子計算有多種技術路線并存發展，針對各類

52、型系統方案的測評基準難以完全一致；二是各技術路線和樣機研發仍在快速迭代發展，現有系統進行分析和衡量的某些指標，未來可能并不適用；三是量子計算的應用案例尚未完全明確，面向不同應用環境和條件的基準測評難以完全對應；四是基準測評需提供量子計算和經典計算之間的算力對比，但經典計算的算法研究也在持續更新，為對比帶來不確定性。例如量子計算優越性證明，對比經典計算的運算時間優勢，就不斷受到新算法的挑戰。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）20 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 9 量子計算基準測評體系初步框架與指標 量子計算基準測評處于開放探索階段，業界提出多種指標方法，初步總結體系框

53、架和測試指標如圖 9所示?？v向維度關注系統硬件、軟件、應用和云平臺等不同層面，包括量子比特、邏輯門、量子電路、系統和應用算法，以及云平臺和技術成熟度評估。硬件層測評反映量子計算機技術能力，測評指標有較好通用性，適合硬件開發者使用。應用層測評對量子計算機執行特定任務能力進行綜合評估，屏蔽底層硬件細節，適合行業用戶或應用開發者使用。橫向維度從規模、質量、速度三方面劃分。其中，規模反映了量子計算機的極限能力，質量反映了執行量子計算任務的準確性和可信度，速度反映了量子計算機單位時間可完成工作量，三者共同支撐量子計算能力評估。規模質量速度電路電路運行時間量子比特通信時間數據傳輸時間隨機基準（RB）鏡像電

54、路線路寬度線路深度算法/應用App-Oriented Benchmark suite混合量子經典計算qBAS基準測試Q-Score云平臺量子云硬件量子云軟件量子云運維量子云安全量子云應用系統量子體積（QV）每秒電路層操作數(CLOPS)體積基準（VB）量子比特量子比特數目連通性串擾量子比特壽命T1量子比特相干時間T2邏輯門單/雙量子比特門錯誤狀態制備和測量錯誤門速度測量速度量子邏輯門集重置速度開放性易用性客觀性可復現性科學性系統性可追溯性技術成熟度GJB 7688-2012GB/T22900-2009門集層析成像（GST）算法比特（#AQ）SupermarQ量子信息技術發展與應用研究報告（20

55、22 年）21 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 10 量子計算基準測評主要技術方案概況 開展基準測評研究與測試驗證，是促進量子計算樣機研發和應用探索的重要支撐，也為評價量子計算機性能和行業發展現狀趨勢提供了一種重要和客觀的觀察角度與手段。目前諸多研究機構、企業和行業組織紛紛推出量子計算基準測評方案，如圖 10 所示，其中硬件基準測試側重評估量子計算機基本性能，應用基準測試則評估量子計算機的特定算法任務整體執行性能。(四)軟件與云平臺發展迅速，構建用戶生態是關鍵(四)軟件與云平臺發展迅速，構建用戶生態是關鍵 隨著量子計算樣機硬件研發不斷深入，量子計算軟件與云平臺作為提供量子邏輯門操

56、控和量子算法編譯功能，以及量子計算應用服務的必要組件與基礎平臺，也在同步快速發展。量子計算軟硬件系統與應用服務體系正在學術界、產業界和用戶的共同推動下逐步探索和構建，量子計算技術與應用體系視圖如圖 11 所示。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）22 來源：中國信息通信研究院 圖 11 量子計算技術與應用體系視圖 量子軟件是構成量子計算系統的關鍵環節，目前仍處于架構探索和迭代發展的起步階段。量子計算與經典計算運行邏輯存在顯著差異，量子軟件需要全新構建。量子軟件可初步分為基礎運行、計算開發、應用服務和通用系統等四類。其中，計算開發軟件對于推動量子計算應用具有重要意義，提供了設計量子算法

57、、創建量子程序、開發量子應用的工具集，支持量子計算機執行算法與程序的編寫和轉譯，需要與底層硬件邏輯門匹配并實現量子算法的配置與優化。典型計算開發軟件包括 Qiskit、Cirq、QDK、Forest、QPanda、ProjectQ、HiQ、PennyLane及 SuperstaQ 等，部分量子計算開發軟件可實現量子噪聲模擬，部分軟件可實現任意體系結構編譯，軟件功能差異將導致不同量子算法在不同平臺的實現也有一定差異性。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）23 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 12 國內外代表性量子計算軟件概況 國內外科技巨頭和初創企業均在努力推動和構建量子

58、軟件生態，典型量子計算軟件如圖 12 所示。IBM、谷歌、微軟等科技巨頭基于長期技術積累與大量資源投入在業內保持領先。華為、百度、本源等也布局推動量子計算軟件研發，但在資源和人力等方面投入有限，與國外先進水平尚有差距。在軟硬件協同方面，國外量子軟件可支持在不同量子計算后端運行，以 PennyLane 為例，支持 IBM、Google、Rigetti 等公司的后端硬件訪問，這種合作有助促進量子軟件生態發展。國內量子軟件大多獨立發展，缺乏協同合作，同質化競爭較為明顯。在用戶生態構建方面，國外量子軟件已開始具備支持科研和應用開發的服務能力與用戶價值，初步形成商業模式和良性迭代。國內量子軟件和硬件系統

59、協同程度有限，可提供基本演示和科普功能，但尚難以吸引用戶深度使用和有效參與意見反饋與研發迭代，軟件開源工具用戶活躍度不高，難以形成規模效應和培養用戶粘性。量子計算云平臺為用戶提供量子計算機或模擬器遠程訪問，成為量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）24 連接量子計算機與用戶的橋梁，處于應用生態構建培育階段?，F階段量子計算云平臺供應商主要分為兩類服務模式，一是含硬件云平臺模式，在云平臺后端接入自研的量子計算機或模擬器，例如 IBM、Google、Rigetti、本源和百度等。二是純軟件云平臺，聯合其他供應商提供量子計算軟硬件系統服務，例如 Amazon、Strangeworks 等。量子

60、計算云平臺用戶使用方式也可分為兩類，一是本地編譯結合 API 云平臺訪問，將待執行本地編譯量子程序通過 API 遠程提交至量子計算云服務器，調度并分配至量子計算機或模擬器后端執行，程序運行結束后可獲得結果。二是直接在云平臺上進行開發實踐，通?？蛇x擇量子編譯預研或圖形化量子線路編程，最終在云平臺上獲得執行結果。量子計算云平臺發展呈多元開放與多方合作趨勢。我國量子計算云平臺的起步較晚，在可訪問樣機比特數、可配置性、用戶吸引能力等方面與科技巨頭有較大差距。未來發展關注點包括：一是提升硬件性能，量子計算機或模擬器作為實體后端，是云平臺的服務能力基礎，加強硬件性能才能更好支撐應用和用戶生態培育。二是深化

61、應用探索，量子計算云平臺的價值體現在應用和用戶服務，需要進一步在金融、化學、人工智能等方面加強應用場景探索，挖掘以應用推動云平臺發展的潛力。三是探索合作與商用模式，量子計算云平臺是全新的算力服務與業務模式，對于商用與合作方式的開拓探索將有助于推動量子計算應用產業生態的可持續健康發展。(五)應用探索廣泛開展但尚未落地，泡沫爭議浮現(五)應用探索廣泛開展但尚未落地，泡沫爭議浮現 隨著量子計算硬件開始進入百位量子比特的含噪聲中等規模量量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）25 子處理器（NISQ）時代，基于 NISQ 樣機開展量子算法研究和應用場景探索，開始成為產業界和行業用戶的共同目標。近

62、年來，量子計算應用探索主要集中在量子模擬、組合優化和線性代數求解等領域，應用探索發展概況如圖 13 所示。來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 13 量子計算應用場景探索發展概況 量子計算機在原子尺度直接模擬微觀系統相互作用，可為物理、化學、材料、醫藥等領域帶來全新探索工具，近年來已成為研究熱點。2022 年，谷歌報道47實現 16 比特費米子量子模特卡羅模擬。歐洲學者發表展望48，綜述量子模擬實驗進展，分析模擬型、容錯數字型和混合型量子模擬性能差異，指出 NISQ 平臺已具備實現超越經典計算的模擬潛力。美國計算機協會技術簡報49指出量子模擬器開發與應用將遠早于通用量子計算機，并將在科

63、學、工業和國防等領域產生重大影響。在涉及復雜多變量組合優化的量化金融、交通規劃、氣象預測 47 https:/doi.org/10.1038/s41586-021-04351-z 48 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04940-6 49 https:/dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3551664 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）26 等領域，量子計算應用探索也在廣泛開展。Multiverse Computing 公司推出奇點投資組合混合求解器用于量化投資優化分析50。本源發布量子金融定價庫，可用于分析期權等金融衍生品定

64、價51。量子機器學習通過構建新型數據處理模型，有望提升目前機器學習算法處理大數據的計算效率。谷歌報道52使用 40 位超導量子處理器，驗證量子主成分分析過程中的原理性優勢。哈佛大學報道53利用里德堡原子陣列構建量子遞歸神經網絡的認知任務學習實驗。量子計算領域各類應用場景探索，要實現真正“殺手級”應用，需要同時滿足三項要求，如圖 14 所示。一是可證明超越經典計算的量子優越性；二是具備實用性，即實現社會經濟價值；三是能在現有NISQ 處理器上運行。具備優越性理論證明和實際應用價值的 Shor 和Grover 算法，硬件需求當前難以滿足；已在 NISQ 系統實驗驗證量子優越性的隨機線路采樣和高斯玻

65、色采樣問題，需要進一步探索與實用化問題的結合；而近期在算法研究領域關注的 VQE 和 QAOA 等算法，需要找到能展現量子優越性的明確案例場景。50 https:/ 51 https:/ 52 https:/www.science.org/doi/10.1126/science.abn7293 53 https:/arxiv.org/abs/2111.10956 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）27 來源：中國信息通信研究院 圖 14 量子計算“殺手級”應用需突破“不可能三角”量子計算應用需要直面與經典計算的算力競爭，只有明確展示量子優越性，量子計算應用案例的價值才能夠覆蓋其研制

66、、開發和應用的高額成本。換言之，量子計算應用關注的不止是能用在哪里，而更是能在哪里明確體現出指數級（至少是多項式級）計算加速優勢。而這一關鍵問題目前在眾多所謂量子計算應用的宣傳報道中，往往語焉不詳。根據現有公開信息可以審慎地認為，量子計算應用仍處于原理性與可行性驗證的探索階段，尚無實質性突破和里程碑式進展。近年來量子計算技術成為國家機構、科技巨頭和資本市場等各方在前沿科技領域的關注焦點之一，公共研究資金、私營部門股權投資和資本市場融資不斷涌入，既為量子計算樣機硬件研發、軟件平臺開發、應用場景探索等方向提供創新支持和資源保障，也引發了技術炒作、夸大宣傳和行業泡沫等不同觀點和爭議。2022 年 5

67、 月，美國量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）28 Scorpion Capital 發布對量子計算上市公司 IonQ 的做空報告54，指出其量子計算產品與應用局限（該報告的技術專業性似乎有限），以及管理運行方面問題，質疑其交付能力與商業模式。8 月，牛津大學學者在金融時報刊文55，直指資金涌入導致量子計算技術成就和前景夸大宣傳，量子計算公司尚未提供真正產品和實現業務收入，行業泡沫不容忽視。上述觀點也引發業界回應56，從技術發展成就、科技巨頭投入和應用探索前景等方面進行熱烈討論。量子計算是未來科技與產業發展變革的重要變量，已成為全球各國學術界、產業界和利益攸關方的普遍共識。但也要指出

68、，量子計算軟硬件技術發展遠未成熟，應用探索與產業培育處于起步階段，和任何新興技術一樣，需要依靠研發攻關突破來跨越缺乏落地應用和商業交付的“死亡之谷”。在政策與資金不斷涌入時，對量子計算領域的“捧殺”，例如毫無根據的樂觀預期或對近期成果的夸大宣傳，需要保持清醒和警惕。在“無人區”探索和技術應用成果的短期交付不達預期時，也要保持戰略定力與發展信心，避免矯枉過正的“棒殺”，對構建未來技術產業競爭力帶來不利影響。三、量子通信領域研究與應用進展(一)量子密鑰分發科研活躍，實驗系統性能獲提升(一)量子密鑰分發科研活躍，實驗系統性能獲提升 量子密鑰分發（QKD）作為量子通信領域進入實用化階段的技術 54 h

69、ttps:/scorpioncapital.s3.us-east- 55 https:/ 56 https:/ https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）29 方向，在新型協議研究、安全性證明、系統實驗探索和現網試驗驗證等方面的科研不斷深入并取得諸多重要成果。傳統點到點“制備-測量”式 QKD 系統，由于光纖鏈路傳輸的固有損耗限制，密鑰成碼率與傳輸效率線性相關，單跨段無中繼光纖傳輸極限距離難突破 500 公里。此外，QKD 系統接收端探測器的不理想特性存在側信道安全漏洞，可能成為系統現實安全性的風險點。近年來，以雙場（TF）為代表的測量設備無關類新型 QKD 協議，因“雙端

70、制備-中心測量”架構可消除探測器端所有側信道安全漏洞，同時將理論成碼率提升至與傳輸效率平方根相關，從而突破量子信道密鑰容量的 PLOB 界，成為業界廣泛認可的下一代遠距離、高安全性 QKD 技術方案。2022 年 1 月，中科大報道57基于改進型四相位調制 TF-QKD 協議，結合獨立光源鎖相、信道相位補償、高信噪比單光子探測甄別等系統關鍵技術，如圖 15（a）所示，實現 830 公里（0.014bit/s 成碼率）光纖無中繼傳輸的新世界紀錄。5 月中科大報道58基于 SNS-TF-QKD協議，利用時頻傳輸頻率控制、參考光相位波動檢測和高計數率低噪聲單光子探測等技術，如圖 15（b）所示，實現

71、 658 公里（0.092bit/s成碼率）光纖無中繼傳輸，同時具備超百公里距離光纖振動傳感檢測定位能力，定位精度可達 1 公里。需要指出，TF-QKD 系統需要遠距離獨立激光器之間實現單光子級的干涉控制，對于光源鎖頻和線路波動補償等方面提出苛刻要求，系統工程化和實用化前景仍不明確。57 https:/doi.org/10.1038/s41566-021-00928-2 58 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180502 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）30 來源：（a）Nature Photonics 16,154161（b）Phy

72、s.Rev.Lett.128,180502 圖 15 TF-QKD 系統實驗（a）830 公里（b）658 公里 區別于采用單光子偏振/相位調制，編碼二進制隨機信息的離散變量（DV）QKD 協議，連續變量（CV）QKD 協議通常采用相干態光場正則分量調制，編碼二維高斯分布隨機信息，可采用傳統光通信器件，如 IQ 調制器和相干接收機等，設備集成化與降成本更具優勢。在數十公里的中短傳輸距離上，CV-QKD 具有 Mbit/s 的高速密鑰成碼能力，有望成為城域 QKD 應用主流技術方案。經過 20 年發展，CV-QKD 協議主要聚焦 GG02、No-Switching 和離散調制三類，系統架構經歷隨

73、路本振、本地本振和離散調制數字化系統的三階段演進，聯合竊聽、相干竊聽和組合安全框架等協議安全性證明已逐步完備，未來離散調制數字化系統有望成為 CV-QKD 商用主流方案。2022 年 6 月，西南通信研究所和北郵聯合報道595GBaud 的 QPSK離散調制 CV-QKD 系統在 25 公里距離獲得 21.53Mbit/s 密鑰成碼率。8 月，丹麥技術大學（DTU）報道60無開關離散調制 CV-QKD 系統在20.3 公里距離獲得 4.71Mbit/s 密鑰成碼率。法國貝爾實驗室提出61概 59 https:/doi.org/10.1038/s42005-022-00941-z 60 http

74、s:/doi.org/10.1038/s41467-022-32161-y 61 https:/doi.org/10.48550/arXiv.2207.11702 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）31 率整形 256QAM 離散調制和全數字相干解調 CV-QKD 系統在 25 公里距離獲得 24Mbit/s 密鑰成碼率。離散調制數字化 QKD 系統硬件結構簡單，但依賴高性能 DSP 算法實現相干解調、信號補償和高吞吐量密鑰后處理，目前仍處實驗室研究階段，商用化尚需時日。上述各類 QKD 協議在理論層面均具備信息論安全性證明，但在實際系統中，由于器件不理想特性，可能存在側信道安全漏

75、洞，即便是測量設備無關類 QKD 也存在源安全風險?，F有解決方案是對各類QKD 系統安全漏洞進行充分的攻防研究并制定完備的標準測評認證體系，確保系統現實安全性，但這一方案對于未知安全漏洞和攻擊方案仍難以完全防范。理想解決方案是研發基于糾纏協議和無漏洞量子力學基礎檢測原理的設備無關（DI）QKD 系統，可以完全消除硬件設備側信道風險，在物理系統中也能達到信息論安全性上限，這也是真正解決 QKD 系統現實安全性問題的終極方案。2022 年 7 月 27 日，英、德、中三國科研團隊，同時報道62了三項 DI-QKD 原理驗證實驗進展。牛津大學團隊通過離子阱系統中相距2 米的鍶離子量子位之間的糾纏存儲

76、，構建 E91 協議 DI-QKD 系統，實現 3.32bit/s 的密鑰生成速率。慕尼黑大學團隊在相距 400 米的銣原子光學阱之間建立預報式糾纏，實現糾纏保真度0.89 和誤碼率 0.078的 DD-QKD，推算每對糾纏可產生 0.07bit 密鑰。中科大團隊通過后選擇基矢和添加噪聲方案降低了系統探測效率要求，通過 220 米光纖進行了糾纏測量與密鑰分發，未來可望實現百 bit/s 成碼率。上述原理 62 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04941-5；https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04891-y；https:/do

77、i.org/10.1103/PhysRevLett.129.050502 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）32 實驗驗證了使用“黑盒”不受信設備基于 DI-QKD 協議產生安全密鑰的可能性，但在糾纏制備檢測能力、傳輸距離和密鑰速率等方面，均遠未達到實用化水平，具有科研意義，尚無應用前景。(二)量子信息網絡持續研究，使能技術仍有待突破(二)量子信息網絡持續研究，使能技術仍有待突破 量子信息網絡，也稱量子互聯網或量子網絡，基于量子隱形傳態、量子存儲中繼和量子態轉換等關鍵技術，完成量子態信息在量子處理器節點之間的傳輸，提供量子計算機和量子傳感器等量子信息系統間的互聯組網能力，從而實現量

78、子計算機信息處理能力的指數級提升，或量子傳感器在測量精度和靈敏度等方面進一步突破。量子信息網絡是集量子態制備、轉換、傳輸、存儲和處理等能力為一體的多種類型組件和系統的集合，也是量子通信、量子計算和量子測量三領域融合發展方向。量子信息網絡已成為量子通信領域的前沿研究熱點方向，2022 年在糾纏制備傳輸、量子態存儲轉換、組網技術實驗等方面取得諸多進展，不完全統計如表 2所示，探索不斷擴展和深化。表 2 2022 年全球量子信息網絡代表性科研進展 時間時間 主要技術成就主要技術成就 研究機構研究機構 發表期刊發表期刊 2022.2 光子-原子系綜確定性時間位糾纏 中國 中科大 Physical Re

79、view Letters 2022.2 核自旋固態材料實現量子存儲 美國 加州理工 Nature 2022.2 基于拓撲相位的高保真度糾纏光源 中國 北京大學 Nature Photonics 2022.3 稀土摻雜晶體光量子 20 毫秒存儲 瑞士 日內瓦大學 NPJ quantum information 2022.3 微波光子貓態和超導量子比特糾纏 中國 清華大學 Science Advances 2022.3 容錯全光量子中繼器方案驗證 中國 中科大 Optica 2002.4 50 公里光纖雙向量子時鐘同步 中國 授時中心 Journal of Lightwave Technology

80、 2022.5 光子偏振態的可集成固態量子存儲 中國 中科大 Physical Review Letters 2022.5 中空光纖可控單光子的頻率上轉換 德國 馬普所 Science 2022.5 NV 色心三節點網絡量子隱形傳態 荷蘭 Delft Nature 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）33 2002.7 光纖集成系統中光-物質糾纏存儲 西班牙 ICFO Science Advances 2022.7 量子存儲 20.5 公里光纖糾纏分發 中國 中科大 Physical Review Letters 2022.8 無探測漏洞的高維貝爾不等式檢驗 中國 中科大 Physi

81、cal Review Letters 2022.8 基于里德堡超原子的多光子糾纏 中國 中科大 Nature Photonics 2022.8 自由電子腔電子-光子糾纏制備 德國 馬普所 Science 2022.8 14 光子 GHZ 態 12 光子簇態制備 德國 馬普所 Nature 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理（截至 2022 年 9 月）實現量子糾纏資源的高效制備和分發，是構建量子信息網絡的基礎資源，當前技術方案在糾纏產生率和保真度等核心指標方面仍有很大提升空間，同時擴展高維量子糾纏操控能力也是未來提升量子信息網絡組網能力的重要方向。德國馬普所報道63基于腔內存儲原子和確定

82、性協議，高效制備多光子糾纏態實驗，完成保真度 76%和 56%的 14光子 GHZ 態、12 光子簇態制備，光子產生及探測效率達 43%。此外還報道64了基于自由電子腔的電子-光子糾纏對制備實驗，糾纏對產生概率為 2.5%，可用于預報式單電子/光子態制備。北京大學報道65硅基芯片拓撲相位糾纏光源，可實現 4 種拓撲糾纏態，保真度達 0.968。中科大報道66基于原子系綜里德堡超原子與光腔耦合的 44%概率單光子輸出與 6 光子 GHZ 態糾纏實驗。實現量子態信息的存儲和中繼，是構建量子信息網絡的核心使能技術。近年來，基于氣態冷原子系綜、固態摻雜晶體和全光子簇態等技術路線的量子存儲方案和實驗研究

83、持續深入，但在存儲時間、帶寬和讀取效率等方面還難以滿足實用化要求，科研探索仍在不斷推進。63 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04987-5 64 https:/doi.org/10.1126/science.abo5037 65 https:/doi.org/10.1038/s41566-021-00944-2 66 https:/doi.org/10.1038/s41566-022-01054-3 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）34 加州理工大學報道67在鐿離子摻雜晶體中，實現含核自旋系綜的多能級態極化、激發和量子存儲，退相干時間達 23

84、9 微秒，保真度達 0.76。日內瓦大學報道68基于銪離子摻雜晶體微磁場動態去耦方法，實現光量子比特時間位置信息存儲，存儲時間達 20 毫秒，平均保真度 0.85。中科大報道69在銪離子摻雜晶體中，基于電場調制原子頻率梳和波導結構實現光集成化光量子偏振態存儲，保真度達 0.994。在全光簇態無存儲中繼方面，中科大報道70全光中繼器圖態與 Shor 糾錯編碼融合的可容錯單向光量子中繼方案，實現整體保真度大于 0.64。量子糾纏純化方面，中科大報道71基于超糾纏 11 公里高效量子糾纏純化和確定糾纏純化實驗，純化效率提升了 6000 多倍。實現信道傳輸光量子比特與處理器物質量子比特之間的量子態轉換

85、，是構建量子信息網絡物理接口的關鍵技術，其中涉及多種類型、不同能級和編碼自由度量子比特之間的相互轉換，目前仍屬開放探索科學問題。德國馬普所報道72在充氦氣空芯光纖中實現可控單光子頻率上轉換方法，轉換帶寬 125THz 效率可達 70%，同時可保持光量子相干性，可提供不同量子體系見轉換界面。中科大報道73采用循環恢復修正調控方案的單光子時間模式和里德堡原子系綜態的糾纏轉換，糾纏讀出保真度達 0.878。西班牙 CIFO 報道74摻鐠離子晶體激光刻蝕波導與光纖及探測器集成，提升糾纏存儲時間和讀寫效率。清華大學 67 https:/doi.org/10.1038/s41586-021-04293-6

86、 68 https:/doi.org/10.1038/s41534-022-00541-3 69 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180501 70 https:/doi.org/10.1364/OPTICA.439170 71 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.010503 72 https:/doi.org/10.1126/science.abn1434 73 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.060502 74 https:/doi.org/10.1126

87、/sciadv.abn3919 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）35 報道75基于超導量子電路和微波諧振腔，制備相干態微波光子的多體“薛定諤貓”態，實現微波-光子量子態糾纏與轉換。量子信息網絡的傳輸與組網技術實驗，以及初步應用探索，也在逐步開展。荷蘭 Delft 報道76在金剛石色心 3 節點線路中，基于節點間糾纏存儲時間和讀取效率提升，首次實現跨節點量子隱形傳態，效率約每 117 秒 1 次，保真度為 0.702。德國馬普所報道77在 33 公里光纖線路中的遠程量子節點間糾纏分發實驗，而中科大報道7820.5 公里現網光纖線路中的量子存儲器糾纏傳輸實驗，保真度達到 0.9。授時

88、中心報道7950 公里光纖線路中的雙向量子時鐘同步應用探索實驗，長期同步穩定度達到飛秒量級，美國阿貢國家實驗室宣布基于伊利諾伊州快速量子網絡平臺也開展了類似實驗?？傮w而言，量子信息網絡在糾纏資源制備操控方面仍在探索不同體系方案，核心技術指標有待提升。量子態存儲中繼的不同技術路線研究持續開展，部分單項指標有所突破，但整體系統未達實用化水平。量子態轉換功能需在進行不同體系之間，基于多種技術方案做開放性研究探索，轉換需求和實施方案仍未完全明確。近期開展若干量子態傳輸和存儲中繼原理驗證性實驗，并探索時頻傳遞等應用場景，未來仍需在核心技術和使能組件方面進一步攻關突破。75 https:/doi.org/

89、10.1126/sciadv.abn1778 76 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04697-y 77 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04764-4 78 https:/doi.org/10.1103/physrevlett.129.050503 79 https:/doi.org/10.1109/JLT.2022.3153655 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）36(三)空間量子通信將成為科研與應用發展重要方向(三)空間量子通信將成為科研與應用發展重要方向 基于衛星開展空間量子信息科學研究和應用探索，具

90、有三方面的獨特優勢。一是作為量子通信終端，衛星可顯著提升傳輸距離與組網能力。大氣層有效厚度在 10 公里以內，千公里軌道星地信道損耗僅為 40dB 左右，相比千公里地面光纖信道 200dB 以上損耗降低 16 個數量級。在量子存儲中繼技術實用化之前，衛星平臺是實現千公里級量子通信的唯一方案。二是作為中繼節點，衛星能夠有效提升 QKD應用的覆蓋面、靈活性與安全性。相比地面網絡光纖資源限制，衛星可與全球范圍或機動配置的地面站實現按需組網，同時衛星高機動性和機密性，可提升其作為密鑰存儲可信中繼節點的安全性。三是作為空間科學實驗平臺，衛星因其超遠距離、高真空、微重力等特性，可為開展大尺度量子物理學基礎

91、實驗、高靈敏度光量子干涉測量、超高精度時頻基準生成與傳遞等前沿科學探索提供有力支持。近年來，量子通信衛星已成為全球多國的布局規劃關注點，例如加拿大 QEYSSat 項目，美國 Marconi 2.0 天基量子鏈路計劃，歐洲CQuCoM 和 Nanobob 微納量子衛星計劃，英國 Arqit 公司商用 QKD衛星計劃等。我國在 2016 年 8 月率先發射了全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，并開展多項開創性的空間量子通信與量子物理學實驗，取得了一系列具有國際領先水平的研究成果，如表 3 所示，成為國際空間量子通信科研與應用的探索引領者。表 3“墨子號”量子科學實驗衛星代表性科研成果 技術方向技

92、術方向 主要技術成就主要技術成就 發表時間發表時間 發表期刊發表期刊 1200 公里星到地 QKD（成碼率 1.1 kbit/s）2017.8 Nature 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）37 量子密鑰分發 1000 公里星到地糾纏協議 QKD（成碼率 3.5 bit/s）2017.11 Phys.Rev.Lett 7600 公里衛星中繼 QKD 與加密傳輸（密鑰 100KB）2018.1 Phys.Rev.Lett 1120 公里地面站糾纏協議 QKD（成碼率 0.12 bit/s）2020.7 Nature 星-地 QKD 速率提升 40 倍（成碼率 47.8 kbit/s

93、）2021.1 Nature 便攜地面站六地星地 QKD 實驗（平均密鑰量 50KB）2022.5 arXiv 量子信息網絡 相距 1200 公里的地面站間糾纏分發（保真度 0.869）2017.6 Science 1400 公里地到星量子隱形傳態（保真度 0.80）2017.8 Nature 相距 1200 公里地面站量子態遠程傳輸（保真度 0.82）2022.4 Phys.Rev.Lett 量子物理學實驗 地球引力導致糾纏退相干理論模型實驗驗證 2019.9 Science 星到地量子安全時間傳輸（9kHz 速率 30ps 精度）2020.5 Nature Physics 來源：中國信息通

94、信研究院根據公開信息整理（截至 2022 年 9 月）2022 年，中科大在國際物理學權威期刊現代物理評論，發表墨子號空間量子實驗長篇綜述論文80，對量子信息基本概念、量子通信原理實驗、地面大空間尺度驗證實驗進行介紹，并綜述“墨子號”衛星研制、試驗與運行情況，以及系列星地量子科學實驗進展，展望未來空間量子科學前景。此外，還報道81基于中傾角軌道“天宮二號”空間實驗室的小型化 QKD 載荷，與四個地面站之間的星地中繼 QKD傳輸組網實驗。報道82基于“墨子號”衛星（已在軌運行 6 年）糾纏源分發和相距1200公里地面站間的量子態遠程傳輸實驗。7月27日，全球首顆 QKD 微納衛星“濟南一號”成功

95、發射83，相比“墨子號”重量僅為 1/6，光源頻率提升約 6 倍，可實時完成密鑰處理和生成，未來有望開展微納衛星與便攜式地面站間的 QKD 傳輸組網與示范應用。上述成果將有助于保持我國空間量子通信領域的領先地位。80 https:/doi.org/10.1103/RevModPhys.94.035001 81 https:/doi.org/10.1364/OPTICA.458330 82 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.170501 83 http:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）38 未來，基于衛星平臺的空間量子通信科研與應用探

96、索，主要面向三個階段發展目標。近期基于低軌和中高軌微納衛星，構建星地 QKD傳輸組網能力，探索高安全需求場景的落地應用。實現該目標一方面要解決日間量子通信背景噪聲影響，降低天氣對信道質量影響，形成全時工作能力。另一方面要低軌和中高軌衛星配合便攜式地面站，形成 QKD 星座與地面站網絡，提升覆蓋范圍和密鑰生成服務能力。中期是進一步開展空間量子科學實驗，例如大空間尺度糾纏分發驗證量子力學非局域性，糾纏引力退相干實驗探討量子力學與廣義相對論關系，基于星載光鐘和頻率梳構建超高精度時頻傳輸網絡等，實現這些科學目標需要具備中高軌衛星平臺和研發相關星載系統設備能力。遠期是構建天地一體化量子信息網絡，將糾纏制

97、備操控、量態存儲中繼和量子態轉換等功能與衛星平臺優勢充分結合，形成量子星座和光纖網絡融合的未來量子信息網絡基礎設施。(四)量子保密通信探索應用，標準測評驗證須加強(四)量子保密通信探索應用，標準測評驗證須加強 基于 QKD 在通信收發雙方產生共享密鑰，結合對稱加密算法進行信息加密傳輸，是一種典型的量子保密通信應用。其中，QKD 通過協議后處理中的對基過程監測信道誤碼率，具有理論協議層面的密鑰分發安全性，同時還可提升對稱密鑰更新速率，從而以密鑰分發安全性和速率的提升，增強對稱加密應用的安全性。廣義量子保密通信還包括基于量子隨機數發生器（QRNG）生成隨機數的加密應用，以及基于量子安全直接通信（Q

98、SDC）的量子態編碼信息傳輸等。QRNG熵源具備理論模型層面可證明的隨機性，結合具備側信道消除能力的量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）39 提取器后處理壓縮，可實現高速率隨機數生成，可用于數據庫加密、非對稱加密算法隨機數提供等方面。QSDC 采用與 QKD 相似的信道誤碼率監測并結合量子態直接信息編碼與糾錯等步驟，實現基于物理方式的信息加密傳輸，無需生成密鑰和使用對稱加密算法。2022 年來，各類量子保密通信技術方案的產品研發、應用探索和網絡建設在國內外持續開展。在產品研發方面，瑞士 IDQ 推出 Clavis XG QKD 系統，標稱密鑰成碼率 100kbit/s50 公里，最遠

99、傳輸距離支持 150 公里84。多種技術方案和設備形態的 QRNG 產品開始商用，最高隨機數生成速率提升至 10Gbit/s 量級。韓國 SKT 和三星推出Galaxy Quantum 3 智能手機，推動芯片化 QRNG 在移動終端認證和信息加密應用85。清華大學報道86新型 QSDC 樣機系統 100 公里超低損光纖的 0.54bit/s 信息傳輸速率實驗。在應用探索方面，美國 ORNL報道87在智能電網數控系統中，利用 QKD 和 QRNG 進行 GMAC 認證加密應用試驗，提升認證加密效率。中國電信和移動推出基于量子密鑰離線充注或平臺轉發等方式的量子加密手機和通話業務。清華大學提出88P

100、QC 和 QSDC 結合的安全中繼量子網絡方案。在網絡建設方面，國家廣域量子保密通信骨干網絡建設工程項目進入驗收階段。合肥量子保密通信城域網開通并為政務系統網絡提供加密服務。韓國SKT 建成 800 公里 QKD 網絡為多個政府機構提供信息加密服務89。84 https:/ https:/zdnet.co.kr/view/?no=20220427114253 86 https:/doi.org/10.1038/s41377-022-00769-w 87 https:/doi.org/10.1038/s41598-022-16090-w 88 https:/doi.org/10.1109/MNE

101、T.108.2100375 89https:/ 年）40 英國電信和東芝歐研所合作在倫敦啟動量子加密城域網商用實驗90。隨著量子保密通信技術產品研發和應用探索發展，國際電信聯盟（ITU-T）、國際標準化組織及國際電工委員會（ISO/IEC）、歐洲電信標準化協會（ETSI）、中國通信標準協會（CCSA）和密碼行業技術標準化委員會（CSTC）均開展了標準化研究并取得階段性進展。截至2022 年 9 月，ITU-T SG13 已發布 QKD 網絡架構、管控、服務需求等 12 項 Y.38xx 系列標準91，SG17 已發布 QRNG 架構、QKD 網絡安全框架和安全設計等 5 項 X.17xx 系列

102、標準92，SG11 開始研究 QKD網絡接口協議相關標準。ETSI 已發布 QKD 器件、內部接口、應用接口、控制接口等 13 項標準93，并進一步對安全性要求、認證和網絡架構等開展研究。ISO/IEC 持續開展 QKD 系統安全性要求和測試評估方法兩項標準研究，目前已完成 DIS 投票94。CCSA 在 ST7 開展 2 項國家標準、19 項行業標準和 2 項協會標準研究95，已發布和報批量子通信術語定義、量子保密通信應用場景、QKD 系統技術要求、測試方法、網絡架構等標準 11 項。CSTC 目前已發布了量子密鑰分配產品技術規范和檢測規范 2 項96。量子保密通信領域的系統設備、核心器件、

103、網絡架構和接口協議等方面的技術標準體系初步形成?；?QKD 的量子保密通信，在產品工程化水平、商用化推廣和產業化發展等方面，仍有較大提升空間并面臨諸多瓶頸挑戰，在往年 90https:/ https:/www.itu.int/ITU-T/recommendations/index_sg.aspx?sg=13 92 https:/www.itu.int/ITU-T/recommendations/index_sg.aspx?sg=17 93 https:/www.etsi.org/committee/1430-qkd 94 https:/www.iso.org/standard/77097.h

104、tml、https:/www.iso.org/standard/77309.html 95 https:/ 96 http:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）41 報告中已有分析97，不再贅述。技術標準化、測評驗證和產品認證，作為信息通信和信息安全等領域的技術產品商用和市場推廣的基礎，也是量子保密通信應用的必要條件之一，當前量子保密通信標準化和測評驗證仍有很多工作需要推進和完成。對于現有“制備-測量”式QKD 產品而言，系統現實安全性要求與測試驗證標準，以及 QKD 網絡的密鑰存儲管理和“可信中繼節點”等安全性標準仍不明確，相關測評驗證仍需進一步加強。如果 QKD 系統和網絡自

105、身的安全性標準和測評認證不完備，則基于量子密鑰的各類加密應用和所謂“量子安全”服務都將無從談起。對于 QRNG 產品而言，雖然從熵源物理方案和協議后處理等技術供給側能夠體現原理優勢，但在應用需求側僅基于隨機性檢測標準的通過性驗證，無法證明 QRNG 相對于 PRNG 所謂“不可預測性”的比較優勢，QRNG 應用推廣如何擺脫“為信仰充值”的尷尬仍需探索。QSDC 樣機工程化和實用化水平仍需進一步提升，在協議安全性證明、系統現實安全性分析、功能性能測試驗證和標準化等方面的研究和測評均有待進一步推進。(五)量子保密通信與(五)量子保密通信與 PQC 將有望形成融合應用方案將有望形成融合應用方案 非對

106、稱（公鑰）加密體系中基于 RSA、ECC 等算法的密鑰交換機制（KEM）、數字簽名（DS）與身份認證機制，以及基于 MAC、AEAD 等算法的消息認證機制，與 AES 等對稱加密算法一道，共同構成了在當今互聯網中保障信息傳輸的機密性、完整性和不可否認的 97 http:/ http:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）42 密鑰交換與加密技術基礎98。量子計算并行處理能力帶來解決特定計算困難問題的算力飛躍，例如 Shor 算法破解質因數分解問題具備指數加速能力，將對 RSA 和 ECC 等算法為基礎的公鑰加密體系帶來嚴重威脅。雖然現有量子計算機硬件水平距離執行 RSA 等公鑰密碼

107、破解任務所需能力，例如數千邏輯比特，或仍需十年以上發展99，考慮到長期敏感信息存在“先存儲后破解”的追溯性風險，以及現有信息系統公鑰密碼體系升級所需時間，應對量子計算信息安全威脅已成為全球各國量子信息技術應用與風險管控的熱點問題。來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理（截至 2022 年 9 月）圖 16 NIST 抗量子計算破解加密（PQC）算法標準化 對當前公鑰加密體系進行升級，形成抗量子計算破解加密（PQC）算法和體系，是全球信息安全管理機構和密碼學界的努力方向。美國NIST主導PQC算法研究、征集評選和標準化工作歷程如圖 16所示，2016 年正式啟動新加密算法征集，經三輪算法安全性

108、研究分析與評選，目前開始標準研究和第四輪評選，預計 2024 年推出 PQC 標準。98 https:/quantumconsortium.org/mp-files/a-guide-to-a-quantum-safe-organization.pdf/99 https:/globalriskinstitute.org/download/quantum-threat-timeline-report-2021-full-report/量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）43 根據 2022 年 7 月發布的最新報告100，NIST 初步明確 KEM 標準算法采用 CRYSTALSKYBE

109、R，DS 標準算法包含 CRYSTALSDilithium、FALCON 和 SPHINCS+三種，仍將對 BIKE、Classic McEliece、HQC和 SIKE 四種 KEM 算法開展第四輪評估?；诟窠Y構最短矢量求解數學難題算法，因其安全性、密鑰大小和處理速度等方面的平衡性，以及面向未來同態加密等應用的可擴展性，已經成為 PQC 標準算法主流。由于量子計算機硬件和算法研究仍在發展，格密碼安全性目前難以完全驗證，基于編碼和多變量方程的 KEM 和 DS 方案仍有可能進入標準。未來，PQC 可能形成不同應用場景采用不同算法的體系化標準，這也會增加 PQC 標準的應用實施難度。來源：中國

110、信息通信研究院 圖 17 量子保密通信與 PQC 融合應用 當前 IKE 與加密應用普遍使用具備加密安全性的偽隨機數發生器（CSPRNG）作為各類密鑰和加密算法的隨機熵源，在 QRNG 技術 100 https:/doi.org/10.6028/NIST.IR.8413 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）44 產品的工程化和集成化水平得到進一步提升后，可在服務器、加密機、移動終端等多種類型系統和應用中，利用 QRNG 與 PRNG 兩種熵源進行輸出隨機數融合，增強隨機性與性能水平。IKE 中的現有 KEM和 DS 算法生成的公鑰或數字簽名，面臨量子計算破解的威脅，需要采用 PQC

111、加密算法進行 KEM 和 DS 升級替換，也可在高安全性需求場景中，具備光纖信道等資源條件下，采用 QKD 系統或網絡來提供對稱密鑰實現 KEM 過程。信息加密過程中的 AES 對稱加密算法和SHA 哈希校驗，可能受到量子計算和 Grover 搜索算法威脅101，但可以通過增加密鑰原語或輸出序列長度的方式提升安全性水平。要實現所謂信息論安全（ITS）的加密傳輸，則需要基于 QRNG隨機熵源，采用現實安全性嚴格驗證 QKD 系統進行直接量子態傳輸與密鑰生成，不能包含可信中繼、密鑰存儲和二次轉發，同時僅采用預置共享密鑰和通用哈希校驗進行身份認證，并且在信息加密過程中僅使用信息與密鑰等長且逐比特更新

112、的“一次一密”方式，不使用包含密鑰縮放重用的加密算法。上述條件在現實系統、多點網絡和高速傳輸中難以滿足，應用場景也非常有限，理論意義大于實用價值。四、量子測量領域研究與應用進展(一)多種量子測量技術并存，樣機工程化水平提升(一)多種量子測量技術并存，樣機工程化水平提升 量子測量是量子信息領域三駕馬車之一，被認為是距離實用化最近的量子技術方向，傳感單元是量子態制備、操控和測量的載體，根 101 http:/dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.8105 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）45 據物理媒介和制備操控方式不同，存在冷原子、熱原子蒸氣、氮空位（NV）色心、里

113、德堡原子、量子糾纏、單光子等多種技術路線，如圖 18 所示。國內外研究機構和初創企業在陸續推出了冷原子鐘、重力儀、磁力計、光量子雷達等樣機和產品，并逐步走向商業應用102。來源：中國信息通信研究院 圖 18 量子測量主要技術方向 冷原子干涉是一種測量精度較高的量子測量技術路線。利用冷原子相干疊加特性可實現頻率、重力、重力梯度、角速度等物理量精密測量。主要優勢在于測量精度高，相干時間長，但是由于激光冷卻操控測量裝置較為復雜，冷原子干涉儀集成度不高，體積較大，成本高，主要應用于基礎科研、計量基準等對體積、成本、功耗不敏感，但對測量精度要求高的領域。國內外公司推出基于冷原子的時鐘、重力儀等產品，嘗試

114、在車載、船載、惡劣自然環境中部署，主要面向科研院所、授時機構、地質勘探等專業用戶。102 https:/quantumconsortium.org/mp-files/quantum-sensing-report-2022.pdf/量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）46 熱原子蒸氣是目前成熟度較高的一種技術路線，已廣泛應用于時頻同步領域，目前商用銫鐘、銣鐘都是基于熱原子蒸氣能級躍遷進行頻率或時間測量，并逐步向小型化和芯片化方向演進。熱原子蒸氣中原子核和電子具有自旋的內稟屬性，會與外界場產生耦合，也可用于磁場和角速度測量?；跓嵩诱魵獾牧孔哟帕τ嬕验_始商用化，特別是 SERF 磁力計

115、，具有超高靈敏度的優點，相比超導干涉儀而言，具備無冷卻裝置、維護費用低、可近距離探測等優點，有望成為下一代心磁和腦磁等人體微弱磁場檢測方案。氮空位（NV）色心是近年來發展起來的新興測量技術。金剛石NV 色心是一種特殊的發光點缺陷，由氮原子與其緊鄰碳原子空位組成，可通過光學和微波脈沖對其量子態進行制備、操控以及讀取。NV色心對外界磁場十分敏感，室溫相干時間可達毫秒級，空間探測分辨率可達納米級，與待測樣品間距可小于 5 納米。NV 色心單量子傳感器可實現樣品表面納米級精度掃描磁成像，為研究單活體細胞、蛋白質、DNA 等新材料和生命科學領域應用帶來全新測量手段。金剛石NV 色心量子測量技術初步成熟，

116、初創企業已推出商用產品。里德堡原子主要用于射頻電場探測，其中價電子遠離原子核，束縛作用較弱，其量子態對外界電磁場十分敏感，可作為射頻信號接收天線。由于電磁誘導透明（EIT）和 Autler-Townes 分裂效應，使得探測光吸收峰產生劈裂，其間隔與外界射頻場的振幅成正比，里德堡原子可實現 MHz 到 THz 量級超寬譜射頻場測量，具有厘米級小尺寸、非導電材料、靈敏度極高（10-10V/m）、可全光調控讀取等特點，并且由于測量基于不變的原子性質，具有免校正特殊優勢。里德堡原子天量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）47 線在信息通信領域有望引發雷達、通信與導航等技術產品變革。量子糾纏理論

117、上可突破標準量子極限（SQL），逼近海森堡極限。糾纏在雷達探測和時頻同步領域具有應用價值，國內外學者提出多種基于糾纏光子對的量子時間同步協議，實驗中得到皮秒量級同步精度。近年提出量子傳感網絡概念，利用量子糾纏將多個量子傳感器連接，進一步提升測量性能。2022 年，英國牛津大學使用光子鏈路成功糾纏相隔 2 米兩個88Sr+離子，展示首個糾纏光學原子鐘量子網絡103，有望用于增強計量學。但量子糾纏目前還不是量子測量領域研究重點，一是目前量子測量精度瓶頸尚未達到標準量子極限，主要受限于經典噪聲；二是量子糾纏態產生、調控以及遠距離分發等技術尚不成熟，難以工程應用。上述光鐘網絡的糾纏持續時間僅為 9 毫

118、秒，目前光鐘需要 500 毫秒探測時間，遠遠不能滿足工程化應用需求。單光子探測主要應用于目標探測和成像領域，以提高探測效率方式提升雷達性能，單光子探測器需要極高增益又要保持極低噪聲。單光子探測可分為硬目標和軟目標探測，硬目標探測是對飛行器等實體目標進行百公里級、三維、非視域成像；軟目標探測是對風場、氣溶膠、云層分布等非實體目標進行檢測。單光子探測技術產品已相對成熟，目前在環境、交通、氣象等領域落地應用。(二)助力生命科學研究，實現可穿戴與非侵入檢測(二)助力生命科學研究，實現可穿戴與非侵入檢測 生命科學技術幫助人們了解生物代謝過程，有效地治療疾病，提高農業生產力，量子測量有望進一步加速生命科學

119、技術的發展。量子 103 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）48 測量在生命科學研究領域的代表性成果如圖 19 所示，可實現納米尺度生物信號檢測與成像，并降低環境依賴性，在心腦疾病診斷、癌細胞檢測、細胞顯微成像等領域具有廣闊的應用前景。來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 19 量子測量在生命科學領域主要研究成果 量子測量可實現納米級空間分辨率。傳統的核磁共振（NMR）和核磁共振成像（MRI）技術可實現人體軟體組織器官的醫學成像，但是需要外加強磁場和使用造影劑，空間分辨率只有幾十微米量級，不能對細胞和分子進行成像分析。細胞級和分子級的成像對于生物醫學研究至關重要，如藥物開發

120、過程中需要研究藥物成分在細胞內和細胞間的運輸、分布和代謝，目前 MRI 等技術無法解決。金剛石 NV 色心可以提供納米級空間分辨率104，通過將光學顯微鏡與金剛石 NV 色心芯片相結合，可實現活細胞寬場磁成像，并可對低頻磁場和高頻磁 104 www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1231675 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）49 場進行動態跟蹤。2022 年，中科大105基于金剛石 NV 色心對腫瘤組織進行免疫磁性顯微成像，利用近表面約百納米的 NV 色心作為二維量子磁傳感器，在毫米級視野范圍里達到微米級空間分辨率。量子金剛石顯微鏡，國

121、內外 Qnami、國儀量子等公司已實現商品化。心腦磁圖相比于傳統的心腦電圖、磁共振成像等技術而言，具有測量精度高、檢測速度快、對人體無創無損等優點。心磁信號在體表的強度約為幾十皮特斯拉量級，腦磁信號僅百飛特斯拉量級。超導式干涉儀（SQUID）需要液氦冷卻至接近絕對零度，失導重啟時間長，體積龐大，需要建設約十幾平米的獨立磁屏蔽間，施工周期 6 個月到1 年，造價接近千萬?；跓嵩诱魵獾墓獗昧孔哟帕τ嬁梢詼y量皮特斯拉（10-12）甚至飛特斯拉（10-15）量級微弱磁場。原子磁力計用作腦磁圖儀可制成可穿戴頭盔，采用小型杜瓦罐制冷，功耗低，上電即可工作，維護成本大幅降低，且設備體積小，僅需小型磁屏蔽

122、室，節約工程成本。目前已有國內外企業推出光泵心腦磁圖儀商用設備，2022 年我國也頒發了國內首張、全球第二張原子磁力計心磁圖儀的醫療器械注冊證，開始進入醫療市場。光學成像分辨率受衍射極限限制，為了提高信噪比需要增大入射光強。但生物樣品對光照敏感，例如光化學效應、局部加熱和物理損傷等，都會影響標本的生長、活力和功能。量子相關性可以用于降低測量噪聲，可在光照強度不變情況下提高信噪比。2021 年，澳大利亞昆士蘭大學106實驗證明利用皮秒脈沖正交振幅分量壓縮態光場可以 105 www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2118876119 106 量子信息技術發展與應用研

123、究報告（2022 年）50 將受激拉曼散射的信噪比提高 1 dB，并對酵母細胞進行了量子增強的顯微成像。新奧集團107基于量子糾纏利用標記光子偏振態符合測量，計算手性生物分子溶液反應過程中，各種試劑分子濃度隨時間的變化，具有更好的信噪比，并且對環境光變化不敏感。隨著量子測量技術的發展，有望在生命科學領域帶來更多變革性應用，例如基于量子技術的實時、長期的大腦電位動態監測可以幫助研究神經元可塑性甚至意識如何從神經元產生；室溫量子腦磁探測有望成為腦機接口的可選技術方案；單分子動態成像為研究蛋白質折疊和藥物代謝提供有力工具等。(三)賦能垂直行業應用，成為加速產業升級催化劑(三)賦能垂直行業應用，成為加

124、速產業升級催化劑 工業互聯網時代，傳感器是信息數據的來源，也是網絡的神經末梢，為工業互聯網生態構建提供感知能力和數據支撐。近年來，越來越多企業推出量子測量裝置設備和儀器儀表，積極探索在工業、能源、氣象、地質、交通等行業的應用場景，推動量子測量產助力垂直行業數字化升級。量子測量在石油、電力、環保、工業生產、新能源汽車等領域應用探索代表性成果如圖 20 所示。107 https:/opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-12-10-6590&id=460075 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）51 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖

125、20 量子測量在垂直行業應用主要案例 國產化核磁共振測井儀實現精確儲層評估。核磁共振測井儀是快速探尋地底油氣資源的有效檢測手段，我國初步實現核磁共振測井儀自主研發。商用產品可用于油氣田及可燃冰鉆井過程地層地質評價，精確評估儲層飽和度、孔隙度、滲透率等，提升鉆進效率和儲層產能，指導油氣田高效開發。此外，井下-地面通信技術是目前石油開采過程中重點關注的問題之一，傳統方案受限于技術或應用條件等因素，難以實現高速穩定通信。原子磁力計具有抗高溫、體積小、功耗小、探測靈敏性強等優勢，可作井-地電磁波通信接收備選方案108。量子電流互感實現大動態范圍交直流精準測量，賦能電力行業。電流互感器廣泛應用于電力系統

126、計量和線路監測等環節，對安全性、可靠性、環保型、智能化等要求極高。傳統電磁式互感器頻帶窄、高頻響應差、動態范圍小等局限性；電子式互感器也存在器件干擾問題、108 https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）52 溫度問題、積分漂移問題，均難以滿足智能電網發展要求。NV 色心電流互感器對高壓電流導線周圍磁場進行探測，實現電流互感，測量精度高、絕緣性能好、穩定性與適應性強，可實現交直流一體檢測，應用前景廣闊。2022 年，量子電流互感器在合肥掛網試運行109，有望降低運維成本，減少測量誤差和干擾故障停電事故，同時可提升直流電流互感器耐壓上限，助力特高壓網絡發展。光量子雷達助力大氣

127、環保，實現工業廢氣實時監測。煤炭能源大量使用以及不法企業的廢氣偷排漏排，導致能見度低下、PM2.5 超標、空氣異味等諸多環境問題。傳統激光雷達受背景光影響大，信噪比低，掃描時間長，監測過程存在滯后性，疊加風速擴散影響，難以實現自動精準實時溯源。光量子雷達具備快速掃描定位、自動識別污染源、實時精準溯源、人眼安全等優勢，為下一代環保領域顆粒物排放監測溯源提供了新解決方案。2022 年，濟南市部署首個顆粒物光量子雷達監測網示范應用平臺110，7 個節點總計覆蓋面積約 700 平方公里，數據刷新間隔由 1 小時縮短到 8 分鐘，污染源自動識別率大于 95%，為環保部門污染源檢測提供有效支撐。量子磁力計

128、用于工業檢測，實現無損探傷。當金屬材料內部存在缺陷時，缺陷處的電導率會發生微小的變化。如果在待測金屬材料上施加交流電，在缺陷處會產生磁場梯度，這種微弱的磁場變化可以被量子磁力計感知，由此可以確定材料缺陷的部位和尺寸，對材料進行無創的磁性鑒別。量子磁力無損探傷在航空、材料等諸多工業領域具 109 https:/ 110 http:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）53 有較高應用價值，有望在近期實施實用。英國工藝創新中心啟動量子傳感器應用于工業檢測的研究項目111，旨在開發基于光泵磁力計的工業探傷在線測試系統。量子傳感監測電池電量，精確評估里程，助力碳中和。電動車電池的電流動態范

129、圍可達到數百安，傳統傳感器大動態范圍下難以保證測量精度，無法準確預測剩余行駛里程，模糊估計充電狀態，電池使用效率低下。2022 年，東京科技大學和矢崎集團報道112開發基于金剛石 NV 色心傳感器的電池監視器樣機，在 1000A 動態范圍下電池電量檢測精度可以達到1%，將電池使用效率提高10%，有望使全球2000萬輛新電動汽車的運行能量損耗減少 3.5%。量子重力儀為地質和地下結構勘測提供服務，用于地質研究、火山檢測、地下測繪等領域。2022 年，英國伯明翰大學113的冷原子重力梯度儀進行外場實地探測，在不破壞道路表面的情況下成功探測到地下三英尺深的一條隧道。法國 iXblue 公司使用便攜式

130、量子重力儀在監測和研究火山活動114，驗證在火山噴發等惡劣環境中的工作能力，為地質災害預警提供了新的方案。此外，量子重力儀可實現 10 微伽量級絕對重力測量精度，可為壓力值標定提供重要的技術支撐115。工業領域的垂直行業應用將加速量子測量技術發展，同時也對量子傳感器提出了更高要求，例如在生產線復雜的電磁和振動環境中仍保證較高的測量精度和魯棒性，同時還需要輕量化、低功耗和低成本，111https:/www.uk- 112 https:/ 113 114 https:/ 115 https:/ 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）54 未來還應具備組網管控和集成智能化等功能。(四)量子測

131、量與其他技術領域融合，向智能化發展(四)量子測量與其他技術領域融合，向智能化發展 智能化傳感器是測量傳感領域的主要發展方向之一，智能化是指能夠對外界物理量進行感知采集，同時自主判斷、分析和處理，智能化傳感器應具有信息的采集、處理分析以及存儲和傳輸功能。來源：中國信息通信研究院 圖 21 智能化量子傳感器與量子信息和 AI 結合 量子測量智能化發展趨勢，如圖 21所示，主要體現在幾個方面：一是與量子計算結合，實現可編程量子制備與調控，利用量子糾錯提升測量性能；二是量子態調控和數據處理引入人工智能（AI），實現自校準和數據分析；三是與量子通信相結合，實現量子傳感器的糾纏態量子信息組網，或與遠端處理

132、器的可信通信?？删幊塘孔觽鞲衅鹘Y合機器學習實現超越經典極限測量精度。經典測量極限受到標準量子極限（SQL）的限制，使用量子糾纏態作為測量“探針”理論上可以突破這一極限。最常用的量子糾纏態是 GHZ態，但其精度優勢依賴于先驗選擇的特性取值范圍。奧地利因斯布魯量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）55 克實驗物理研究所116報道了一種可編程的量子傳感器，利用低深度參量化變分量子電路對量子態進行編解碼，引入經典優化器進行參數優化達到最優性能。傳感器架構適用于任何物理方案，可在沒有先驗估值前提下達到最優測量性能，具備一定自校準能力。使用特殊量子態雖然能提升量子測量的性能，但其本身易受到環境噪聲

133、影響，使得相干時間減小，因此在實際應用中被一定程度削弱。清華大學報道117將量子計算中量子糾錯（QEC）思想引入量子測量，將量子態映射到更大的希爾伯特空間引入冗余度，保護量子態免受退相干和缺陷影響。實驗方案獲得 5.3dB 的靈敏度增強。AI 算法輔助數據處理提升處理效率和結果準確率。量子態極易被外界環境因素影響，使得信噪比劣化，將有效信號淹沒在噪聲中。AI 算法被認為是數據分析處理的有效工具之一，將量子測量與 AI 算法結合，可實現在復雜環境下的精確測量。日本東京大學報道118AI 算法增強金剛石 NV 色心量子傳感器探測性能，并將這一技術應用到場成像，每像素都實現 1.8uT 的準確度?；?/p>

134、于量子糾纏可實現可信量子遙感。在遙感測量場景中，遠端的站點需要將測量數據發送回本地站點，以便本地站點進行數據的匯總和分析處理，測量數據的安全傳輸至關重要。比如竊聽者截獲到地磁場分布的測量數據，對其進行分析整理結合其他信息可以獲取地下礦產資源的分布情況。中科大報道119將量子通信設備無關協議引入量子 116 117 118 119 https:/journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.105.032615 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）56 測量領域，提出基于量子糾纏的可信遙感協議，防止竊聽者獲取有效信息或替換虛假信息，該協議

135、用于磁場測量，證明了其有效性。量子測量技術走向智能化是需求驅動的一種必然趨勢?？删幊?、軟件定義的量子傳感單元，機器學習增強數據后處理機制以及可信遙感協議使得量子測量能夠適應復雜多變的環境噪聲和應用場景，并且進一步提升測量的性能。量子測量智能化還處于開放研究階段，應用于商用量子傳感器還需要 5-10 年的時間甚至更久。(五)量子測量商用發展迅速，產業價值鏈初步形成(五)量子測量商用發展迅速，產業價值鏈初步形成 隨著量子測量逐步成熟，越來越多樣機走出實驗室，邁向產品化。近年來，國內外孵化出多家量子測量領域初創公司，產品在不斷迭代中日漸成熟，同時積極探索應用場景，賦能千行百業。一些傳統測量技術公司，

136、如原子鐘設備商，也積極研發新產品并探索商業模式，工業巨頭博世成立量子測量部門，開展車載量子陀螺儀、醫用心腦磁圖儀等產品研發。法國高科技公司 iXblue 收購量子測量公司 Muquans，打造光子和量子技術能力120。近年來，資本市場對量子測量技術領域的重視程度逐步提高，多家初創公司獲得政府和私營部門投資。120https:/ 年）57 來源：中國信息通信研究院 圖 22 量子測量技術產業價值鏈 量子測量技術產業價值鏈目前已初步形成，如圖 22 所示。上游主要為量子測量設備提供基礎的材料和組件，包括高純度材料（如堿金屬原子、惰性氣體、金剛石等）、激光器、探測器、環境控制系統（如低溫系統、磁屏蔽

137、系統、真空系統、隔振系統等）和光電子元器件，涉及光電子學、微納加工、低溫電子學等領域。中游主要涉及量子探針和傳感器的設計、研發與生產，例如量子磁力計、重力儀、陀螺儀、光量子雷達、金剛石顯微鏡等。下游主要涉及在國防、航天、量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）58 醫療、基礎設施、能源等不同行業領域的應用推廣。量子測量產業上游可以一定程度與傳統光電子加工制造業復用。電學處理部分，如高速信號采集、AD/DA 轉換、FPGA 和單片機處理、光學處理模塊等，制造加工工藝成熟，滿足量子測量設備需求。此外，量子測量對供應鏈有一些特殊需求，如金剛石 NV 色心材料、低溫系統、真空系統、高性能激光器等

138、。以激光器為例，通信激光器大部分集中在 1310 和 1550nm 波段，而量子測量用激光器波長選擇與材料和能級結構強相關，如里德堡原子制備與操控，銣原子對應的激光波長為 510nm，銫原子波長為 481nm，由于用量較小，目前兩種波長工業級產品需定制。另外，量子測量對于激光器性能提出較高的要求，如窄線寬、高功率和無磁封裝等?？傮w而言，量子測量的上游供應鏈正在逐步構建，但部分關鍵要素仍有待完善。產業價值鏈中游主要是量子測量設備的設計研發與加工生產，以科研機構孵化的初創企業為主，部分老牌工業企業開始相關產品布局。產品形態包括原子鐘、重力儀、磁力計探頭、心/腦磁圖儀、磁共振譜儀和光量子雷達等，部分

139、產品已在外場測試工作中展現出量子優勢并驗證其環境適應性。未來量子傳感器向小型化、低功耗、低成本發展，將有效牽引上游產業發展，促進元器件、組件模塊的加工工藝升級，性能指標提升以及制造成本下降，實現緊湊型、芯片化元器件，從而反向帶動量子傳感器進一步小型化、降成本。未來量子測量產品有望降低對操作人員的高技術能力要求，提供友好人機交互、上電即工作、一鍵式操和設備自校準等功能。產業價值鏈下游目前仍在探索階段，用戶主要涉及高?？蒲性核?、量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）59 國防單位、國家機構（地震局、天文臺、授時中心、環保、交通、地質等）、航空航天、能源勘探、醫療機構、工業制造等領域。由于量

140、子測量精度高、成本高，個人消費商業化需求目前尚不明確，主要面向政府和行業用戶。隨著量子測量企業與行業用戶交流合作的不斷深入，更多的應用場景和解決方案有望進一步提出。量子測量領域產業鏈國內外主要企業如圖 23 所示。上游以美、英、德、日企業居多，中游以歐美和中國企業為主，在時頻同步、磁場測量、重力測量等領域均有涉及。我國量子測量創新應用與產業孵化取得一定進展，但在一些領域產業化與歐美存在明顯差距。如美國Rydberg 公司已提供商用的基于里德堡原子的射頻場探頭，我國在該領域還處于原理樣機開發階段。博世等工業巨頭已布局推出量子測量產品，我國量子測量產品研發仍以初創企業為主。來源：中國信息通信研究院

141、根據公開信息整理 圖 23 量子測量領域產業視圖 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）60 五、量子信息技術與應用前景展望(一)三大領域研發持續推進，應用與產業前景各異三大領域研發持續推進，應用與產業前景各異 以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術，作為量子科技的重要組成部分，將成為打破經典技術能力極限，推動未來科技擴展新疆域，促進信息技術產業和數字經濟升級發展的創新源泉。量子信息技術已成為全球科技政策領域布局和投資的熱點方向，同時也成為科技巨頭和社會資本關注的重點領域。近年來，量子信息技術領域基礎科研與技術創新保持快速發展，以技術攻關、樣機研制、應用探索和產業生態培育為

142、一體的體系化發展格局已經形成。加強管理部門、高校研究機構、產業公司和行業用戶等多方交流合作，探索協同創新機制，打造科研產業供應鏈，加強人力資源建設，成為各國在構建量子信息技術產業體系化發展能力方面的共識。量子計算的技術產業影響力最大，是量子信息領域的關注焦點。樣機研發與性能提升是實現量子計算潛力的核心，超導和離子阱技術路線持續領跑，硅半導體、光量子和中性原子等技術路線在樣機技術指標提升方面發展迅速，也是有力競爭者，硬件技術仍處于多種方案并存發展階段。完成量子計算優越性證明之后，進一步提升物理硬件指標與算法糾錯性能，實現基于量子糾錯的邏輯量子比特，將是邁向通用量子計算的下一個重要里程碑。表征和評

143、價量子計算硬件能力和應用可行性的基準測評已成為業界研究熱點，也是觀察分析量子計算技術產業發展水平的重要指標參考。軟件和云平臺成為構建量子計算應用產業生態重要組成部分，科技巨頭在技術創新能力、合作推動力量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）61 和用戶吸引力等方面處于領先?；?NISQ 平臺的量子計算應用探索在金融、制藥、化工、交通等領域廣泛開展，但殺手級應用仍需邁過性能優越性、用例實用性與硬件可執行性三道坎。各類投資大量涌入，既為技術發展提供有力支持，也帶來行業泡沫爭議與討論。作為全球多國重點發展的戰略性新興技術，量子計算科研仍需長期艱苦努力，目前應用產業仍處于探索起步期，跨域技術產

144、品與商業應用難達市場預期的“死亡之谷”，是業界各方需要共同面對的挑戰。量子通信領域，基于 QKD、QRNG、QSDC 的量子保密通信技術初步實用化，在基礎科研領域保持活躍，樣機系統傳輸距離和成碼率等技術指標得到提升，DI-QKD 系統前沿探索取得一定進展，但尚無實用化前景?；诹孔与[形傳態、存儲中繼和轉換等關鍵技術構建量子信息網絡，將是量子通信領域的未來方向，使能技術與組件科研探索取得諸多進展，原理樣機和原型實驗報道開始出現。但在糾纏制備操控和量子態存儲轉換等基礎關鍵技術，有待進一步攻關突破，短期難有實用落地?？臻g量子通信成為科研和應用發展重要方向，墨子號量子科學實驗衛星在軌運行 6 年，取得

145、十余項國際領先實驗成果，為未來空間量子科學探索奠定堅實基礎。量子保密通信產品研發、應用探索和網絡建設在國內外持續開展，標準化研究工作取得階段性成果，對系統功能性能、現實安全性和組網業務能力的標準測評驗證須加強。各類量子保密通信技術與 PQC 有望進一步探索不同方式的融合應用，共同為量子計算時代信息安全保駕護航。對于量子保密通信產業而言，提升產品工程化能力水平，探索信息安全領域的有效融合應用場景，仍將是未來破解行業發展困境的主要努力方向。量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）62 量子測量領域，冷原子、熱原子蒸氣、NV 色心、里德堡原子、量子糾纏、單光子等技術方案并行發展，在時頻基準、重

146、力測量、慣性測量、磁場探測和目標識別等多種場景開展樣機產品研發與應用探索，原子鐘、重力儀、磁力計、光量子雷達等多類型產品已逐步走進商業應用。以微弱磁場探測為代表的量子測量技術在心腦疾病診斷、癌細胞檢測、細胞顯微成像等生命科學研究領域將產生重要推動作用。量子測量在微弱電磁信號檢測，絕對重力與重力梯度測量，以及軟硬目標探測識別等領域的發展，將為國防、工業、地質、環保等眾多垂直行業應用賦能，成為加速產業升級的催化劑。量子測量技術與量子計算、量子通信和 AI 等前沿技術也在探索融合應用，成為智能化量子傳感器的重要發展演進方向。近年來，隨著量子測量技術產品發展和各領域應用探索不斷深入，產業價值鏈逐步明晰

147、，上游關鍵器件供應能力仍需進一步加強。未來，量子測量各類技術產品在國防、航天和醫療等重點行業領域的應用和產業化發展有望率先獲得突破。(二)發展量子信息技術，開啟下一輪技術創新周期發展量子信息技術，開啟下一輪技術創新周期 發展量子信息技術，既由科學家探索物質世界最基本運行規律，拓展人類知識邊界的好奇心驅動，也有突破經典信息技術能力極限，提升人類社會科技與生產力水平的現實需求，還可能成為開啟下一輪康德拉季耶夫（康波）周期技術創新之門的鑰匙。經過四十余年發展，量子信息技術已成為全球科技領域的顯學。2022 年度諾貝爾物理學獎121，授予 Alain Aspect、John F.Clauser 和 A

148、nton Zeilinger，表彰他 121 https:/www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）63 們使用糾纏量子態進行開創性實驗，為基于量子信息的新技術開發奠定基礎。2023 年度科學突破基礎物理獎122，授予 Charles H.Bennett、Gilles Brassard、David Deutsch 和 Peter Shor，表彰他們在量子信息方面的奠基工作。2022 年度科學突破基礎物理獎123，授予香取秀俊和葉軍，表彰他們將時間測量的精度提高了三個數量級。發展量子信

149、息技術，促進創新成果應用與產業培育，是推動信息社會和數字經濟升級演進的觸發器和催化劑，也是構建未來產業競爭實力，維護技術主權的重要環節。在全球量子信息技術產業發展中，美國仍然占據主導地位。在政策布局與投資力度方面，從管理部門、科教部門和產業部門三方進行全面動員和體系化布局，政府公共研發資金、科技巨頭投資與資本市場融資三類資金投入規模均為全球領先。在科研產出與技術成就方面，在超導、離子阱、硅半導體、中性原子和拓撲等量子計算技術路線，以及原子鐘、量子陀螺儀、量子磁力計和量子重力儀等量子測量技術方向均處于領先。在量子通信領域鮮見對 QKD 的投資支持，但大力發展量子信息網絡。在產業發展與國際合作方面

150、，科技巨頭在量子計算軟硬件研發、應用場景探索和用戶習慣培養等方面優勢明顯，開始發力構建關鍵材料、元件、儀器和設備供應鏈，并聯合一些國家構建量子信息技術、應用、標準與產業生態，在量子信息科技和產業領域鞏固優勢地位。我國量子信息領域具備良好科研基礎，已成為全球推動量子信息技術發展的重要力量之一?！笆奈濉币巹澓透鞯卣卟季志叨戎?122 https:/breakthroughprize.org/News/73 123 https:/breakthroughprize.org/News/65 量子信息技術發展與應用研究報告（2022 年）64 視量子信息技術發展與產業培育，隨著國家實驗室和重大科技

151、項目等布局舉措的落地實施，科研體系化布局和支持力度得到進一步增強。在量子通信領域的新型 QKD 系統和星地量子通信實驗處于領先，在量子計算和量子測量領域與歐美先進水平仍有一定差距。在量子計算軟硬件協同發展、應用場景探索和用戶生態構建等方面的推動力和影響力有限。學術界和產業界在技術溝通交流、產學研分工合作、供應鏈建設等方面的協同創新能力有待提升。當前國際形勢較為復雜，量子信息又屬于關鍵基礎性前沿技術，我國量子信息科研與產業發展可能面臨供應鏈維護、國際合作和人才培養等方面的困難和挑戰?？傮w而言，我國量子信息技術領域發展態勢良好，未來，在加強基礎科研攻關，保障自主供給能力，促進產學研協同，培育應用產業生態，夯實人力資源基礎等方面，進一步凝聚共識，聚力加快發展，將有望取得更多科研、應用與產業化成果。中國信息通信研究院 地址：北京市海淀區花園北路 52 號 郵編：100191 電話：010-62300592 傳真：010-62304980 網址：