量子信息技术发展与应用研究报告（2024年）

(2024 年) 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。 更名声明 原“集智”白皮书更名为“集智”蓝皮书。“集智”蓝皮书将继续秉承原有的编撰理念和高质量标准，致力于提供有价值的信息和洞见。 前言 以量子计算、量子通信、量子精密测量为代表的量子信息技术是量子科技的重要组成部分，也是开辟未来产业新赛道、构建新质生产力，打造创新发展新动能的重要发展方向。量子信息领域基础研究与应用研究并重，进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育相互带动，一体化发展阶段。 近年来，量子信息技术已成为全球主要国家在前沿科技领域布局的重点方向，政策规划布局和资金投入力度不断加大，三大领域基础研究、实验探索与技术创新高度活跃，科研亮点成果不断涌现，系统样机产品关键性能指标持续提升，应用场景探索在诸多行业领域广泛开展，企业数量增长和市场投融资保持较高水平，技术标准化研究取得阶段性成果，供应链和产业生态建设成为关注热点。我国高度重视量子信息领域发展，在政策布局、科研攻关、产品研发、示范应用和产业培育等方面，取得了一系列重要进展和成果。 自2018年起，中国信息通信研究院持续编写和年度发布《量子信息技术发展与应用研究报告》，成为管理部门和业界把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、最新技术研究与应用进展、行业热点问题等进行分析探讨，希望为凝聚业界发展共识合力持续做出贡献。 目录 一、量子信息领域总体发展态势................................................................................1 （一）量子信息技术开辟未来产业发展新赛道.................................................1（二）量子信息科研探索与技术创新高度活跃.................................................3（三）量子信息技术标准研究取得阶段性成果.................................................6（四）企业数量增长放缓，投融资保持高水平.................................................9 二、量子计算研究与应用进展..................................................................................14 （一）硬件系统多技术路线并行，科研亮点成果涌现...................................14（二）量子纠错研究备受关注，距离实用化仍有差距...................................18（三）软件与云平台多元开放发展，成熟度有待提升...................................21（四）多领域持续探索应用场景，欧美产业生态活跃...................................25（五）构建测评体系成为热点，支撑技术与产业发展...................................29 三、量子通信研究与应用进展..................................................................................33 （一）量子密钥分发科研持续推进，量子卫星受关注...................................33（二）量子信息网络是研究热点，多方推动前沿探索...................................36（三）量子保密通信应用持续探索，仍存在问题争议...................................40（四）抗量子加密标准正式发布，升级迁移逐步启动...................................43四、量子精密测量研究与应用进展..........................................................................47（一）新技术方案不断涌现，基础前沿研究亮点纷呈...................................47（二）欧美加大布局与投资力度，推动重点领域应用...................................50（三）光钟性能指标稳步提升，秒定义更新研究启动...................................54（四）产业生态构建初具雏形，规模商用仍面临挑战...................................58五、量子信息领域发展与展望..................................................................................60 图 目 录 图1量子信息各领域（a）科研论文（b）专利申请年度变化趋势...................... 4图2量子信息各领域全球科研论文总量前十位国家..............................................4图3量子信息各领域全球科研论文总量前十位机构..............................................5图4量子信息各领域我国专利申请总量前十位省市..............................................6图5量子信息领域企业数量（a）领域分布（b）年度增长趋势........................ 10图6量子信息领域企业数量（a）国家分布（b）领域/区域对比....................... 11图7量子信息领域独角兽企业（a）国家分布（b）平均估值............................ 12图8量子信息领域企业投融资事件与金额年度变化趋势....................................13图9量子计算主要技术路线核心指标发展趋势....................................................15图10量子计算软件技术体系框架..........................................................................22图11量子计算硬件性能基准测评指标体系..........................................................30图12量子计算测评体系1.0....................................................................................32图13新型协议QKD系统实验（a）TF-QKD（b）CV-QKD............................. 33图14量子信息网络实验（a）城域三节点量子网络（b）量子存储器互联...... 39图15美国NIST抗量子密码（PQC）标准化历程............................................... 44图16量子精密测量主要技术方案与产品发展成熟度..........................................48图17秒定义更新路线图任务完成度......................................................................56 表 目 录 表1量子精密测量技术国防领域应用前景概况.....................................................52表2 ITU-T量子信息领域国际标准.......................................................................... 64表3 ISO/IEC量子信息领域国际标准.......................................................................65表4 ETSI量子信息领域国际标准............................................................................ 65表5 TC578量子信息领域国家标准..........................................................................66表6 TC485量子信息领域国家标准..........................................................................66表7 CCSA量子信息领域行业标准.......................................................................... 67表8 CSTC量子信息领域行业标准...........................................................................67表9 DL/TC27量子信息领域行业标准..................................................................... 67 一、量子信息领域总体发展态势 （一）量子信息技术开辟未来产业发展新赛道 量子信息技术是量子科技的重要组成部分，通过调控和观测亚原子尺度的微观物理系统，利用量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等新颖量子物理学现象，实现信息的感知、计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域，在提升计算复杂问题运算处理能力、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，有望带来改变游戏规则的颠覆性创新，成为加快推动前沿科技领域探索、信息通信技术演进和数字经济产业发展的新引擎和加速器。 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，有望产生全新计算范式，在计算复杂问题中带来指数级加速优势，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。当前，量子计算多种技术路线并行发展，原型机工程化研发进展迅速，应用场景探索广泛开展，产业生态初具雏形。基于量子纠错实现可支持大规模量子线路运行的逻辑量子比特，以及基于原型机在实际应用问题中实现量子计算加速和量子优越性应用，是下一阶段的两个主要发展目标。 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量子信息传输，具有理论协议层面的可证明安全性。基于量子密钥分发（QKD）和量子随机数发生器（QRNG）等方案的 量子保密通信技术已进入实用化阶段，新型协议研究与系统实验持续开展，样机产品研发和平台服务探索不断推进，但实现规模化应用仍需推动产品和服务提质降本。基于量子隐形传态、量子存储中继和量子态转换等关键技术构建量子信息网络是未来重要发展方向，科研探索与试验验证高度活跃，但技术成熟度有限，实用化仍有很大差距。 量子精密测量对外界物理量变化导致的微观物理系统量子态变化进行调控和