量子信息技术发展与应用 中国信息通信研究院 2021年12月 No.202127 研究报告 版权声明本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应 注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 oPpQqQpNpRvNtOmPrRyQmP6M8Q7NnPpPtRnMjMpOpNeRtRzR6MmNrNuOrMvMvPpOxO 前 言 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术可能引发信息技术体系的颠覆性创新与重构， 并诞生改变游戏规则的变革性应用，从而推动信息通信技术换代演进和数字经济产业突破发展。2020年10月，习近平总书记在中央政治局第二十四次专题集体学习中， 做出把握量子科技大趋势，下好先手棋的系列重要指示，为加快促进我国量子信息技术领域发展提供了战略指引和根本遵循。2021年3月，“十四五”规划正式发布，明确提出量子信息领域组建国家实验室，实施重大科技项目，谋划布局未来产业，加强基础学科交叉创新等一系列规划部署。 近年来，量子计算、量子通信和量子测量三大领域科研探索和技术创新持续活跃，代表性研究成果亮点纷呈 ，应用场景 探索广泛开展，产业生态培育方兴未艾。我国量子信息技术领域具备良好的研究与应用实践基础，三大领域总体发展态势良好，未来有望进一步取得更多技术研究、应用探索与产业培育新成果。 中国信息通信研究院连续三年发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，得到主管部门和业内专家广泛认可。为对量子信息技术总体发展态势、三大领域研究与应用进展情况和热点问题，及技术演进和应用前景等进行持续跟踪研判，我们组织研究编写了2021年版《量子信息技术发展与应用研究报告》，供业界参考。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势 ................................................................................ 1 （一）量子科技突破经典极限，打开未来科学新疆域 .................................. 1 （二）量子信息技术成为全球各国科技政策布局热点 .................................. 3 （三）量子信息各领域科研加速发展，技术创新活跃 .................................. 6 （四）量子信息技术国际国内标准化取得阶段性成果 .................................. 9 （五）量子信息产业培育起步，政产学研协同成趋势 ................................ 11 二、量子计算领域研究与应用进展 .......................................................................... 14 （一）多种硬件技术路线并存，工程研发仍面临挑战 ................................ 14 （二）量子软件与算法研发活跃，开源开放多样发展 ................................ 18 （三）实用案例成为关注重点，多领域探索蓄势待发 ................................ 22 （四）量子计算云平台深化发展，各方探索竞争合作 ................................ 25 （五）科技巨头与初创公司并进，产业生态逐步培育 ................................ 30 三、量子通信领域研究与应用进展 .......................................................................... 34 （一）量子通信科研多方向不断深化，进展成果丰富 ................................ 34 （二）以星地量子通信为契机促进空间量子科学发展 ................................ 38 （三）QKD应用场景持续探索，产业化水平仍待提升 ............................... 41 （四）PQC升级成大势所趋，QKD发展需明确定位 .................................. 44 （五）基于QRNG的加密应用成为关注与探索新方向 ............................... 47 四、量子测量领域研究与应用进展 .......................................................................... 50 （一）量子测量技术发展面向超高精度和超经典能力 ................................ 50 （二）样机性能指标不断提升，新方向探索取得进展 ................................ 54 （三）技术应用场景和领域广泛，多方开拓发展活跃 ................................ 59 （四）量子测量产业化尚处起步阶段，产业链待完善 ................................ 63 五、量子信息技术演进与应用前景展望 .................................................................. 66 （一）各领域研究持续推进，应用产业探索广泛开展 ................................ 66 （二）国内外发展态势与促进研究应用发展的关注点 ................................ 68 附录I：量子信息技术国际/国内标准化进展 .......................................................... 71 附录II：缩略语表 ...................................................................................................... 75 图 目 录 图 1 量子信息三大领域近年来科研论文发表情况 ................................................. 7 图 2 量子信息三大领域近年来专利申请趋势 ......................................................... 8 图 3 量子信息三大领域专利聚类分析 ..................................................................... 8 图 4 近年全球各国量子信息技术领域产业联盟 ................................................... 12 图 5 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 ....................................... 17 图 6量子计算软件分类、定位及现状 .................................................................... 18 图 7 IBM量子计算软件生态培育推广动态 ............................................................ 22 图 8量子计算实用化应用探索发展方向 ................................................................ 23 图 9量子计算云平台服务实现示意图 .................................................................... 26 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布情况 ............................................. 31 图 11 量子计算领域产业联盟发展情况 .................................................................. 32 图 12 TF-QKD传输距离新记录（a）东芝欧研（b）中科大 ............................... 34 图 13 量子信息网络原型试验（a）美国ORNL（b）荷兰Delft......................... 37 图 14 基于―墨子号‖卫星和―京沪干线‖天地一体化组网验证 .............................. 39 图 15 中科大基于PIC芯片的真空态涨落QRNG系统 ........................................ 48 图 16 量子测量技术体系框架 ................................................................................. 51 图 17 量子测量技术的典型应用场景 ..................................................................... 59 图 18 量子测量技术产业链与代表性企业视图 ..................................................... 63 表 目 录 表1 近年全球量子信息领域项目规划布局与投资情况 .......................................... 3 表2 ITU-T量子信息技术标准化进展 ...................................................................... 71 表3 ETSI量子信息技术标准化进展 ........................................................................ 72 表4 ISO/IEC JTC1量子信息技术标准化进展 ......................................................... 72 表5 IRTF量子信息技术标准化进展 ........................................................................ 72 表6 IEEE量子信息技术标准化进展 ........................................................................ 73 表7 CCSA量子信息技术标准化进展 ...................................................................... 73 表8 CSTC量子信息技术标准化进展 ...................................................................... 74 表9 TC578量子信息技术标准化进展 ..................................................................... 74 量子信息