新质生产力系列｜量子科技：开启量子赋能的未来时代

主要内容： 中证鹏元资信评估股份有限公司研究发展部翁欣wengx@cspengyuan.com 在科技革命与产业变革深度演进的当下，量子科技凭借其对微观世界规律的突破性应用，已成为衡量国家科技实力的战略制高点，其战略价值与发展潜力已形成全球共识。作为描述微观世界能量与物质最小载体的核心概念，量子所具备的叠加、纠缠等独特效应，为信息感知、计算与传输提供了颠覆传统的底层逻辑，催生出量子计算、量子通信、量子精密测量三大核心领域——量子计算依托指数级并行算力突破经典算力瓶颈，为复杂系统模拟、新药研发等难题提供全新解法；量子通信基于物理原理构建无条件安全通信体系，通过QKD与PQC双轨并行抵御量子计算安全威胁；量子精密测量则借助量子态高敏感性突破经典测量极限，在导航、医疗、资源勘探等领域实现精度革命。 从全球发展格局来看，量子科技已进入产业化加速期：2025年“国际量子科学与技术年”的设立及诺贝尔物理学奖对量子领域的认可，标志着该领域从理论研究向产业应用的关键跨越；美国以技术原创与生态构建为核心，中国依托政策驱动与产业链协同实现快速突破，欧洲、日韩聚焦细分领域追赶，形成“中美领跑、多国追赶”的竞争态势。数据显示，2024年全球量子信息产业规模已达80亿美元，预计2035年将攀升至9089.1亿美元，中国在其中的占比与影响力持续提升。 一、量子科技的战略价值已成全球共识 1.1什么是量子科技 量子是现代物理学中描述微观世界的基本单位，是能量和物质不可再分的最小载体。量子科技就是通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和测量，利用量子叠加、量子纠缠等效应实现信息感知、计算和传输。不同于我们日常感知的宏观世界，量子世界有着颠覆常识的运行规律：一个量子系统可以同时处于多个状态的叠加（量子叠加），两个相互纠缠的量子无论相距多远，状态都会瞬间同步变化（量子纠缠），任何对量子态的测量都会不可逆地改变其状态（量子不可克隆）。 量子科技的核心范畴涵盖量子计算、量子通信与量子测量三大领域。其中，量子计算依托量子比特的叠加特性与纠缠效应，实现计算效率的指数级提升；量子通信基于量子纠缠原理与不可克隆定理，构建起具备无条件安全性的通信模式；量子测量则借助量子态的高灵敏度优势，达成对物理量的超高精度探测。具体来看，量子计算的核心优势体现在以下三方面：（1）突破传统算力瓶颈：量子比特可同时处于0与1的叠加态，且多量子比特间能形成非局域纠缠关联，这使得量子计算机具备指数级并行计算能力。在大数分解、复杂系统模拟等特定问题场景中，其计算效率显著超越经典计算机。（2）利用量子隧穿效应：量子计算的核心机制之一是对量子效应的主动应用。以超导量子计算技术为例，结成库珀对的电子通过量子隧穿方式穿越约瑟夫森结，进而构建超导量子比特，为量子计算的实现提供核心支撑。（3）优化热耗散问题：量子计算采用可逆式信息处理方式，相较于传统计算的不可逆操作，可有效缓解热耗散效应带来的影响，为计算系统的稳定性与能效提升奠定基础。 资料来源：中证鹏元整理 量子计算具备巨大的计算能力，为解决当今计算机和可预见的未来无法解决或需要太长时间才能解决的问题提供了巨大的潜力。但在量子计算的巨大潜能的同时，其对信息传输安全也构成了重大威胁，而新兴的量子通信技术，包括后量子密码学（PQC）和量子密钥分发（QKD）等技术，则能够降低安全风险，使人们专注于量子可以带来的众多好处。同时，虽然量子计算目前还处于早期阶段，但量子精密测量领域正在以更快的速度发展。量子测量利用量子态对环境的高度敏感性，突破传统测量技术的“标准量子极限”，在时间、磁场、重力等物理量测量中实现精度跃升。当前，量子测量产业呈现“技术成熟度分层、应用场景多元化”的特征，成为量子科技中“最接近商业化”的领域之一。 1.2量子科技的战略价值已成为全球共识 目前，全球主要国家均已将量子科技纳入国家战略布局，形成美国、中国领跑，欧洲各国及日本、韩国加速追赶的产业竞争格局 在当前科技持续演进的背景下，量子科技已成为前沿科技领域的核心研究方向，其发展进程深刻影响全球科技格局重构。2025年为联合国教科文组织确立的“国际量子科学与技术年”，此举既是对量子力学诞生百年的纪念，也是推动量子技术从理论研究向工程实现、从实验室探索向产业应用转化的全球性倡议，标志着全球量子技术进入产业化加速推进的关键阶段。同期，2025年度诺贝尔物理学奖授予约翰・克拉克、米歇尔・H・德沃雷与约翰・M・马蒂尼斯三位量子物理学家，以表彰他们在电路中宏观量子力学隧穿效应与 能量量子化方面的发现，这一认可进一步凸显了量子科技在基础研究与应用探索领域的重要价值，印证了该领域的前沿性与发展潜力。 美国突出技术原创与生态构建。IBM、谷歌、英特尔、微软等大型科技公司与拿到风投的初创企业，是量子科技创新的驱动力，美国政府则通过“国家量子计划”投资支持基础研究；IBM、谷歌等科技巨头主导量子计算硬件研发与云平台建设（如IBMQuantumCloud接入自研及第三方硬件）；Quantinuum、IonQ等初创企业在离子阱、中性原子路线上深耕。2024年美国在量子计算领域融资额占全球60%以上，在量子科技成果上继续领先全球；去年5月，美国以国家安全为由将22家中国量子科技研发机构列入出口管制实体名单，试图通过科技封锁和打压以巩固自身优势。 中国注重政策驱动与产业链协同。截至2025年4月，全球公共部门宣布的量子技术领域投资已达540亿美元，其中中国153亿美元位居榜首。科研机构（如中科大、中国科学院）在量子计算（祖冲之）、量子通信（墨子号）领域取得原创成果；企业层面，阿里、腾讯等巨头布局量子计算云平台，国盾量子、本源量子等初创企业推进QKD设备与量子计算样机研发；运营商（中国移动、中国电信）则构建量子通信网络与量子计算云平台，推动应用落地。2025年11月，中国超导量子计算机“天衍-287”建成，搭载105个数据比特和182个耦合比特，处理速度超越当前最快超级计算机4.5亿倍，标志着中国正以坚实步伐迈向量子科技的前沿。 欧洲、日韩聚焦细分领域突破。欧盟推进“欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）”，计划2027年建成全欧量子通信网络；日本NICT研发高速QKD技术；韩国SKT收购瑞士IDQuantique，推动量子通信与5G融合，这些地区在量子测量、量子通信应用上具备一定优势，但整体规模与中美存在差距，这从全球量子技术专利的申请情况也可以看出端倪：2014至2024年，全球量子技术专利总量增长五倍，中国、美国和世界知识产权组织（WIPO）是主要申请地，三者2024年合计控制88%的专利。中国从1011件增长到7308件，在量子通信领域较突出；美国从613件，增长到2301件，但技术更聚焦量子计算核心领域；欧洲、日韩专利数量则较少。 图2 2014-2024年各国量子技术专利分布 资料来源：德翼产业，中证鹏元整理 根据中国信息通信研究院（简称“中国信通院”）的数据，截至2024年10月，全球量子信息领域相关核心企业共计626家。其中，量子计算企业数量超331家，占比过半；量子通信与量子精密测量企业数量大致相当，均突破百家。从地域分布来看，全球近半数量子信息企业集中于美国和中国，两国企业数量分别为176家、107家，对应占比达28.1%、17.1%。根据国际前沿科技咨询机构ICV与光子盒研究院联合提供的数据显示，2024年全球量子信息产业整体规模达80亿美元；预计2024-2030年该产业年复合增长率将达76.27%，至2035年，全球量子信息产业总规模有望攀升至9089.1亿美元。中国市场方面，2024年量子信息产业规模为18.4亿美元，占全球市场比重24.03%，预计到2035年将增长至2600.8亿美元。 资料来源：中国信息通信研究院，中证鹏元整理 资料来源：ICVTA&K，光子盒研究院 二、量子计算：颠覆经典计算的底层逻辑 2.1量子计算的原理 量子计算借助量子比特的叠加特性与纠缠效应，突破了经典二进制计算的固有局限。量子比特作为量子计算的核心基础，不仅能够像经典比特那样表征0或1两种离散状态，还可以叠加态形式同时具备两种状态的属性。相较于经典计算体系，量子计算具有以下独特特性：其一，经典比特仅存在0和1两种确定状态，且同一时刻只能处于其中一种状态；而两能级量子比特可处于0态与1态的叠加状态，这意味着单个量子比特能够同时存储0和1两类信息。其二，多个经典比特之间呈相互独立关系，而量子比特通过纠缠作用构成复合系统，各量子比特的状态相互关联、不可分割。 这些特性使量子计算机相较于经典计算机形成两大显著优势：一是信息存储量随量子比特数量的增加呈指数级增长，从理论层面而言，当量子比特数量达到250个时，其可存储的数据量将超过宇宙中所有原子的总数；二是量子计算机的运算本质是对量子比特构成的复合系统进行协同操作，可理解为原理层面的“并行计算”，这一特性是经典计算机无法实现的。 然而，量子比特存在天然短板：其量子态易受环境“噪声”（如温度波动、外部振动、杂散光干扰等）影响，进而发生“退相干”现象，导致信息无法稳定存储。因此，量子纠错技术成为量子计算走向实用化的核心前提——通过部署冗余物理量子比特构建“逻辑量子比特”，实现对噪声引发错误的精准检测与有效纠正，保障计算过程的准确性。量子纠错技术为量子计算机提供了可靠性支撑与容错能力，但同时也面临多重挑战，包括资源消耗过高、逻辑门操作的高精度要求、高效实用纠错码的设计难题，以及编码方案与硬件技术路线的适配性等，这些均是制约量子纠错技术及量子计算产业发展的关键因素。 图5经典计算和量子计算的区别 图6经典计算和量子计算的区别 2.2技术路线多元竞逐 目前，量子计算硬件尚未形成统一技术路线，超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体五大路线呈“多元化竞争”格局。各路线在比特数量、保真度、扩展性等核心技术指标上各有侧重，共同推动全球量子计算从含噪中等规模（NISQ）时代向通用容错阶段演进 超导路线：以约瑟夫森效应为核心构建能级结构，具备易扩展、操控性优异及兼容传统半导体工艺等核心优势，成为全球技术攻关最为集中的路线之一，同时仍面临退相干控制、量子纠错等关键技术挑战。2024年，谷歌发布105比特超导量子芯片“威洛”（Willow），关键性能指标较上一代“悬铃木”（Sycamore）实现显著提升，并基于该芯片再次验证量子优越性；中国科学技术大学等科研机构联合研制的105比特超导量子芯片“祖冲之三号”，其单/双比特门保真度等核心性能指标与“威洛”（Willow）旗鼓相当，标志着我国在该路线上已形成国际先进水平的研发能力。 离子阱路线：通过射频电场与静电场协同约束离子，借助激光或微波精准控制能级跃迁，核心优势体现为比特全同性高、相干时间长，被业界认为是实现大规模量子模拟与计算的潜力方向之一。该路线当前面临加工工艺复杂、系统扩展性受限等问题，国外相关研究较为活跃，重点聚焦整体系统标准化与产品化、QCCD架构优化、芯片阱设计制备及光波导集成等关键方向，Quantinuum等企业推出的离子阱原型机已实现量子体积突破838万的技术进展。 中性原子路线：采用光镊技术囚禁中性原子，通过激光激发里德堡态实现量子操控，兼具比特数量与保真度双重优势，具备按需交互、量子比特均一性强、室温操作、可扩展性与可重构性突出等技术特征，已快速成长为核心技术路线之一。国际层面，美国QuEra公司利用280个物理量子比特的可重构阵列，成功制 备2个高保真度逻辑比特；国内方面，中国科学技术大学团队创新性融合人工智能技术，在60毫秒内构建起2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新该体系世界纪录，其单比特门保真度达99.97%、双比特门保真度达99.5%，已追平国际最高水平。 光量子路线：以光子偏振和路径自由度为量子比特编码方式，通过线性光学元件与干涉效应实现量子逻辑门，依赖纠缠光子源与单光子探测器完成测量，核心优势在于光子在晶体及自由空间中