量子信息技术发展与应用研究报告2023年

(2023年) 中 国 信 息 通 信 研 究院2023年12月 版权声明 本报告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报告文字或者观点的，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。 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是量子科技的重要组成部分，也是培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一。经过四十余年发展，量子信息领域逐步从基础研究走向基础与应用研究并重，开始进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育一体化推进的发展阶段。至2023年10月，全球29个国家和地区制定和发布了量子信息领域的发展战略规划或法案，公开信息不完全统计投资总额超过280亿美元。加快技术研发攻关，推动创新成果应用，构建供应链、人才队伍和未来产业竞争力，成为全球主要国家在量子信息领域布局规划的普遍共识。 近年来，量子信息三大领域科研与应用探索发展活跃，学术界重要科研进展与产业界样机产品研发成果亮点纷呈，产业生态培育成为各方关注热点，技术标准布局和研究取得阶段性成果。我国高度重视量子信息领域发展，在政策布局、基础科研、工程研发、应用探索和生态培育等方面，取得了诸多重要进展。 自2018年起，中国信息通信研究院每年组织编写和发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，成为管理部门和业界掌握量子信息国内外发展动态和趋势的重要参考。本报告对近一年来全球量子信息领域的总体发展态势、最新研究应用进展、行业热点趋势问题等进行分析探讨，希望为业界凝聚发展共识合力持续做出贡献。 目录 一、量子信息技术总体发展态势..............................................................................1 (一)量子信息技术是未来产业发展重要方向之一........................................1(二)全球主要国家量子信息政策布局进一步加强........................................3(三)量子信息三大领域科研与技术创新持续活跃........................................6(四)量子信息企业数量和投融资规模的增长放缓........................................9 二、量子计算领域研究与应用进展........................................................................14 (一)硬件多技术路线并行发展，创新成果不断涌现..................................14(二)量子纠错突破平衡点，环境测控系统仍有瓶颈..................................20(三)软件与云平台发展迭代迅速，成熟度有待提升..................................23(四)应用探索广泛开展，组合优化或有望率先实用..................................28(五)量子计算产业链初具雏形，标准化成布局热点..................................32 三、量子通信领域研究与应用进展........................................................................35 (一)QKD科研成果亮点纷呈，实验系统指标获提升.................................35(二)QKD应用持续探索，标准研制取得阶段性成果..................................38(三)量子信息网络关键核心技术研究取得一定进展..................................42(四)欧美积极推动量子信息网络组网技术试验验证..................................45(五)PQC首批算法标准发布，应用推广仍任重道远.................................48 (一)基础研究成果亮点纷呈，量子优势越发明显......................................52(二)量子PNT战略价值突出，成为各国关注热点.....................................55(三)量子探测成像具备高灵敏度，应用前景广阔......................................58(四)能源领域探索量子测量应用，助力双碳达标......................................61(五)量子测量产业链形成，规模化商用仍有挑战......................................63 (一)三大领域研究发展迅速，应用探索进一步拓展..................................66(二)培育量子信息未来产业需加强政产学研用协同..................................69 图目录 图1全球量子信息科研论文和专利申请的年度变化趋势......................................6图2量子信息领域科研论文数量前十位国家情况..................................................7图3量子信息领域主要国家科研国际合作情况......................................................8图4量子信息领域不同技术方向专利数量对比......................................................8图5量子信息领域中美专利申请主体情况分析......................................................9图6（a）量子信息全球企业数量及（b）年度增长趋势....................................10图7（a）量子信息各领域企业数量及（b）国家分布情况................................11图8量子信息领域企业投融资事件与金额变化趋势............................................12图9量子计算技术体系框架....................................................................................14图10量子计算比特数和量子体积指标发展趋势..................................................19图11量子计算云平台功能架构图..........................................................................25图12 2023年Gartner量子计算技术成熟度预测...................................................31图13量子计算产业链与国内外代表性企业概况..................................................32图14 2023年QKD系统实验的代表性成果...........................................................37图15美国NIST后量子加密（PQC）算法标准化历程.......................................49图16量子测量实验体现量子优势的代表性成果..................................................53图17量子时频同步研究的代表性进展成果..........................................................56图18量子探测成像应用探索代表性进展成果......................................................60图19量子测量产业链与代表性企业概况..............................................................64 表目录 表1全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况..........................................4表2全球量子信息初创企业十大融资事件（金额降序）....................................13表3量子计算主要技术路线关键指标现状............................................................15表4国内外代表性量子计算云平台发展概况........................................................26表5近年来QKD实验系统传输距离提升趋势.....................................................36表6 2023年量子信息网络科研进展概况（发表时间排序）................................43表7近期欧美地区QIN项目、测试平台及组网实验列表..................................46 一、量子信息技术总体发展态势 (一)量子信息技术是未来产业发展重要方向之一 量子信息技术是量子科技重要组成部分，以量子力学原理为基础，通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和测量，实现信息感知、计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力。未来，量子信息技术有望在前沿科学、信息通信和数字经济等诸多领域引发颠覆性技术创新和改变游戏规则的变革性应用。 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些计算复杂问题上提供指数级加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。当前，量子计算存在超导量子线路、离子阱、光量子、超冷原子、硅基量子点、金刚石色心和拓扑等七大技术路线并行发展，处于中等规模含噪声量子处理器阶段。量子计算应用场景探索广泛开展，但尚未实现“杀手级”应用突破。大规模可容错通用量子计算仍需长期艰苦努力，业界尚无实现时间预期。 量子通信利用量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下实现密钥分发或信息传输，理论层面具有可证明安全性。基于量子密钥分发（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信初步实用化，新型协议和实验系统的研究持续活跃，样机产品研制和示范应用探索逐步开展，但应用与产业发展面临诸多挑战。基于量子隐形传态和量子存储中继等技术构建量子信息网络是未来重要发展方向， 科研探索与试验取得一定进展，但距离实用化有很大差距。 量子测量对外界物理量变化导致的微观系统量子态变化进行调控和观测，实现精密传感测量，精度、灵敏度和稳定性等核心指标比传统技术有数量级提升。主要技术方向包括用于新一代定位/导航/授时的光学原子钟、光学时频传输、原子陀螺仪与重力仪等，以及用于高灵敏度检测与目标识别的光量子雷达、磁场精密测量、物质痕量检测等。主要应用场景涵盖国防军工、航空航天