研究报告全文：No202232量子信息技术发展与应用研究报告2022年中国信息通信研究院2023年1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重要组成部分有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉发展量子信息技术推动科研成果应用和产业生态构建已成为全球在前沿科技领域政策布局与投资支持推动的热点也是各国构建未来产业竞争力维护国家技术主权的重要方向之一2022年度诺贝尔物理学奖授予AlainAspectJohnFClauser和AntonZeilinger表彰他们使用纠缠量子态进行开创性实验为基于量子信息的新技术开发奠定基础进一步提高全球关注热度近年来量子信息技术科研加速发展技术创新活跃亮点成果不断涌现标准化研究取得阶段性进展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基础前沿研究样机研发和应用推广等方面取得诸多进展未来有望在基础科研应用推广与供应链构建等方面取得更多成果2018年起中国信息通信研究院连续4年发布量子信息技术发展与应用研究报告成为管理部门和行业各方掌握量子信息领域发展动态的重要参考本报告聚焦2022年量子信息技术发展态势梳理三大领域的最新研究与应用进展分析探讨热点问题展望技术演进与产业应用发展趋势希望为促进凝聚业界共识形成发展合力贡献力量目录一量子信息技术总体发展态势1一量子信息技术是量子科技的重要组成部分1二量子信息成为全球多国政策布局与投资热点3三量子信息三大领域科研与技术创新快速发展6四量子信息技术与产业生态培育受到多方重视9二量子计算领域研究与应用进展12一样机研发多路线竞相争鸣研究进展亮点纷呈12二量子纠错成业界关注热点将是下一个里程碑16三基准测评为性能表征和行业观察提供重要参考19四软件与云平台发展迅速构建用户生态是关键21五应用探索广泛开展但尚未落地泡沫争议浮现24三量子通信领域研究与应用进展28一量子密钥分发科研活跃实验系统性能获提升28二量子信息网络持续研究使能技术仍有待突破32三空间量子通信将成为科研与应用发展重要方向36四量子保密通信探索应用标准测评验证须加强38五量子保密通信与PQC将有望形成融合应用方案41四量子测量领域研究与应用进展44一多种量子测量技术并存样机工程化水平提升44二助力生命科学研究实现可穿戴与非侵入检测47三赋能垂直行业应用成为加速产业升级催化剂50四量子测量与其他技术领域融合向智能化发展54五量子测量商用发展迅速产业价值链初步形成56五量子信息技术与应用前景展望60一三大领域研发持续推进应用与产业前景各异60二发展量子信息技术开启下一轮技术创新周期62图目录图1量子信息技术是量子科技的重要组成部分1图2量子信息三大领域近年来科研论文趋势7图3量子信息三大领域近年来专利申请趋势7图4量子信息三大领域各国专利申请占比情况8图5我国各省市量子信息专利申请量9图6全球各国量子信息技术领域产业联盟概况10图7美国量子信息领域行业联盟平台概况11图8全球量子计算样机研发与技术验证代表性成果16图9量子计算基准测评体系初步框架与指标20图10量子计算基准测评主要技术方案概况21图11量子计算技术与应用体系视图22图12国内外代表性量子计算软件概况23图13量子计算应用场景探索发展概况25图14量子计算杀手级应用需突破不可能三角27图15TF-QKD系统实验a830公里b658公里30图16NIST抗量子计算破解加密PQC算法标准化42图17量子保密通信与PQC融合应用43图18量子测量主要技术方向45图19量子测量在生命科学领域主要研究成果48图20量子测量在垂直行业应用主要案例51图21智能化量子传感器与量子信息和AI结合54图22量子测量技术产业价值链57图23量子测量领域产业视图59表目录表1近年国外量子技术企业融资与上市概况4表22022年全球量子信息网络代表性科研进展32表3墨子号量子科学实验卫星代表性科研成果36量子信息技术发展与应用研究报告2022年一量子信息技术总体发展态势一量子信息技术是量子科技的重要组成部分上世纪量子力学创立和发展开启了人类对微观物理世界的认识通过对光电效应受激辐射光放大固体能带与能级跃迁等现象和规律的阐释与利用诞生了以半导体激光器和传感器为代表的信息测量传输与处理技术成为从工业社会迈向信息社会的核心驱动力本世纪量子调控技术研究和发展将进一步深化人类对微观物理世界的理解通过开发新材料构筑新结构发现新物态和研发新测控手段对量子叠加量子纠缠量子隧穿等新颖物理现象加以利用并与通信信息材料和能源等领域交叉融合而形成的量子科技有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉来源中国信息通信研究院图1量子信息技术是量子科技的重要组成部分量子信息技术是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观测实现信息感知计算和传输的全新信息处理方式量子信息技术是量子科技重要组成部分如图1所示1量子信息技术发展与应用研究报告2022年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困难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硬件系统研发仍处于多种技术路线并行发展阶段超导和光量子实现量子计算优越性实验验证离子阱量子体积指标领先中性原子可能成为量子模拟重要平台编译开发与算法应用软件领域百家争鸣多类型编程框架开发平台模拟器和算法软件工具通过开源社区开放竞争科技巨头在软件和用户生态构建方面占据优势量子计算与模拟的应用探索在各行业领域广泛开展业界期待未来在材料与生物医药化学模拟以及复杂系统建模与优化等领域率先展示实用化量子计算应用案例及其优越性量子通信利用量子叠加态或纠缠效应在经典通信辅助下进行量子态信息传输或密钥分发理论协议层面具有信息论可证明安全性部分协议可实现经典信息传输基于量子密钥分发QKD量子随机数发生器QRNG和量子安全直接通信QSDC等技术方案的量子保密通信初步实用化在科研领域持续探索新型协议系统和提升技术水平在国内外进一步开展应用探索和标准化研究但应用与产业发展仍面临挑战基于量子纠缠操控量子隐形传态量子存储中继和量子态转换等使能技术和组件构建量子信息网络是量子通信领域未来的重要发展方向近年来国内外在基础科研探索和系统原型实验等方面取得一定进展但距离实用化仍有较大差距2量子信息技术发展与应用研究报告2022年量子测量对外界物理量变化导致的微观粒子系统量子态变化进行调控和观测实现精密传感测量在精度灵敏度和稳定性等方面相较传统技术带来数量级提升当前量子测量技术与应用发展的主要方向包括基于量子时间频率基准的授时定位如光晶格原子钟与时频传输基于量子陀螺的自主姿态控制与导航如冷原子干涉或无自旋交换弛豫原子自旋SERF陀螺基于量子微弱磁场测量的金属目标探测或生物磁信号成像如心脑磁图和分子级磁共振谱基于量子绝对重力仪或重力梯度仪的地质及地下结构勘测基于单光子探测和光量子雷达的目标成像与环境质量监测等多类型量子测量样机和产品在航天国防医疗环保和科研等领域探索应用二量子信息成为全球多国政策布局与投资热点近年来全球主要国家在量子信息技术领域加强科技政策布局推出发展战略和研究项目规划加大公共研发资金的支持投入力度量子信息领域的国家级规划与投资情况在2021年报告已初步总结1截至2022年9月全球投资最新进展的不完全统计已达160亿美元以上我国近年来高度重视量子信息技术领域发展随着十四五规划中关于组建国家实验室和实施重大科技项目等措施的逐步落实科研布局与支持力度进一步加强需要指出在国外统计2和报告3中对我国量子信息领域的公共资金投资规模大都不同程度上存在缺乏来源依据的臆想与夸大例如中国量子信息领域投资总额达150亿1httpwwwcaictaccnkxyjqwfbbps202112t20211224394517htm2httpsqurecacomoverview-on-quantum-initiatives-worldwide-update-20223httpswwwweforumorgreportsstate-of-quantum-computing-building-a-quantum-economy3量子信息技术发展与应用研究报告2022年美元说法在多个报告间相互引用颇有三人成虎之势国家公共研究资金大型科技企业投资和社会资本投融资是支持和推动量子信息技术研究和应用发展的三大支柱IBM谷歌Intel和微软等科技巨头在量子计算领域的持续投资布局已成为推动样机研发和应用探索的重要力量但具体投资规划和金额规模难见公开信息披露近年来量子信息领域的初创企业获市场高度关注通过社会资本股权投资和证券市场上市融资等形式获得大量资金支持量子信息领域投融资近两年来呈现爆发式增长趋势2020和2021年投资金额分别达到7亿美元和14亿美元4超过2010-2019共十年的总和值得关注的国外量子技术企业融资上市不完全统计情况如表1所示量子技术初创企业在欧美聚集度和关注度更高市场投资高度集中在量子计算领域其中又以量子计算系统硬件制造企业最受追捧反映出量子计算机研发在整个量子信息技术领域的重要价值和意义表1近年国外量子技术企业融资与上市概况融资收益5企业国家技术领域融资类型时间亿美元PsiQuantum美量子计算股权投资6652021Quantinuum英美量子计算股权投资3002021Xanadu加量子计算股权投资1452021IQMQuantumComputers芬量子计算股权投资1282022QuantumMachines以量子计算股权投资0752022IonQ美量子计算NYSE上市6362021Rigetti美量子计算NASDAQ上市2622021Arqit英量子加密NASDAQ上市07020214httpswwwmckinseycommediamckinseybusiness20functionsmckinsey20digitalour20insightsquantum20computing20funding20remains20strong20but20talent20gap20raises20concernquantum-technology-monitorpdf5通过特殊目的收购公司SPAC完成首次公开募股IPO的交易收益扣除赎回4量子信息技术发展与应用研究报告2022年D-Wave加量子计算NYSE上市0092022来源中国信息通信研究院根据公开信息整理截至2022年9月2022年美国在量子信息领域进一步加大政策布局和规划投资力度出台多项法案政令规划和研究报告全方位推动量子信息科研应用产业教育和国际合作等方面发展在规划投资方面2021年12月公布的国家量子行动NQI计划最新预算年度报告6显示2018年NQI立法后的4个财年以来预算授权和请求金额分别为449亿672亿793亿和877亿总额达2791亿美元已超过原计划投资规模5年合计1275亿的两倍以上8月美国通过的芯片和科学法案7中包含量子科学网络科学技术量子用户扩展量子网络与通信研究和标准化下一代量子领导者先导计划4个项目未来五年新增预算金额765亿美元在政策文件方面NQI办公室2月发布量子信息科学技术劳动力发展国家战略计划8评估人力资源需求提出科普教育宣传等方面人才培养规划举措3月发布将量子传感器付诸实践报告9分析量子测量技术应用挑战提出加强应用研究开发组件子系统和简化技术转让与准入等发展建议白宫2月更新关键和新兴技术清单10列入量子计算量子器件材料与制造抗量子计算破解加密量子传感和量子网络等5项量子信息技术5月签发两项总统行政令6httpswwwquantumgovwp-contentuploads202112NQI-Annual-Report-FY2022pdf7httpswwwquantumgovquantum-in-the-chips-and-science-act-of-20228httpswwwquantumgovwp-contentuploads202202QIST-Natl-Workforce-Planpdf9httpswwwquantumgovwp-contentuploads202203BringingQuantumSensorstoFruitionpdf10httpswwwwhitehousegovwp-contentuploads20220202-2022-Critical-and-Emerging-Technologies-List-Updatepdf5量子信息技术发展与应用研究报告2022年11一是强化NQI咨询委员会职能二是部署国家信息系统中的抗量子计算破解加密技术产品升级工作牵头实施NQI计划的能源部DOE国家科学基金NSF和国家标准与技术研究院NIST近期发布了该计划实施和投资进展情况其中DOE报告12显示投资625亿美元在其下属的5个国家实验室组建多方协作的量子技术研究中心此外还投资384亿美元在量子材料核聚变量子网络量子计算软件算法量子信息与核物理融合研究等方面支持了25个项目NSF网站13显示资助成立5家量子飞跃挑战研究所和14所优势高校构建量子科研与教育基地开展18项专题研究项目投资NIST网站14显示在离子光钟量子存储器冷原子传感器量子通信和网络中性原子量子计算模拟单光子测量等方向部署开展40个科研项目三量子信息三大领域科研与技术创新快速发展量子信息技术科学研究探索发展迅速已成为前沿科技领域的热点近年来科研论文发表量的趋势见图2其中量子计算领域科研产出近十年增长趋势显著在三大领域中最为活跃11httpswwwwhitehousegovbriefing-roompresidential-actions20220504executive-order-on-enhancing-the-national-quantum-initiative-advisory-committeehttpswwwwhitehousegovbriefing-roomstatements-releases20220504national-security-memorandum-on-promoting-united-states-leadership-in-quantum-computing-while-mitigating-risks-to-vulnerable-cryptographic-systems12httpswwwenergygovtechnologytransitionsdownloadsspotlight-quantum-information-science-and-technology13httpswwwnsfgovmpsquantumquantumresearchatnsfjsp14httpswwwnistgovquantum-information-science6量子信息技术发展与应用研究报告2022年来源中国信息通信研究院截至2022年9月图2量子信息三大领域近年来科研论文趋势15来源中国信息通信研究院截至2022年9月图3量子信息三大领域近年来专利申请趋势近年来量子计算量子通信和量子测量三大领域的全球专利申请数量变化趋势如图3所示其中量子计算领域技术创新活跃专利申请数量上升迅速自2019年起已成为量子信息领域专利申请数量最多的方向四年来持续保持领先并呈现加速发展趋势量子通信领域专利申请数量增长平稳量子测量相比其他两个领域在专利绝对数量和增长趋势方面差异较为明显152022年科研论文数量仅包含前9个月7量子信息技术发展与应用研究报告2022年来源中国信息通信研究院截至2022年9月图4量子信息三大领域各国专利申请占比情况全球各国量子信息领域的专利申请占比情况如图4所示其中量子计算领域美国技术创新活跃专利申请占比达到56中国位居第二专利申请数量占比达到26在量子通信和量子测量领域中国专利申请数量均处于全球领先占比分别为54和49美国专利申请数量均处于第二位占比分别为24和32从专利申请数量角度看中美两国在量子信息技术领域创新能力较强我国各省市量子信息领域的专利申请量分布情况如图5所示量子通信领域专利总数最高相关高校科研机构和产业公司聚集区域如北京安徽和江苏等省市的专利数量处于领先量子计算领域以科研为主应用产业处于探索起步期国内发展水平较平均高校和研究机构聚集的北京和安徽等地的专利数量靠前量子测量领域专利数量较少安徽和北京的专利申请量明显高于其他地区从专利申请数量和分布看我国北京安徽浙江江苏和广东等地区已成为量子信息技术研发与应用的创新高地8量子信息技术发展与应用研究报告2022年来源中国信息通信研究院截至2022年9月图5我国各省市量子信息专利申请量四量子信息技术与产业生态培育受到多方重视当前量子信息技术整体处于从基础科研与实验探索向产品研发与应用探索过渡的早期阶段未来量子信息技术从科研走向应用和产业化16需要多要素的协同推动一是政府公共研究资金和私营部门社会投资的长期稳定投入二是学术科研机构的攻关突破与技术创新驱动三是产业公司和初创企业的技术产品研发应用场景开发和商业应用转化四是在政策监管标准测评认证和人力资源等多方面的配套支持近年来推动量子信息三大领域科研探索促进科研成果应用转化打造技术产业创新链与供应链加强量子技术技能人力资源建设构建培育量子信息技术产业生态体系已成为各国开展中长期体系化布局维护量子技术主权的普遍共识16httpswwwrandorgpubsresearchreportsRRA869-1html9量子信息技术发展与应用研究报告2022年来源中国信息通信研究院根据公开信息整理图6全球各国量子信息技术领域产业联盟概况全球主要国家在量子信息技术领域成立和推动产业联盟类平台组织的进展情况概况如图6所示美国量子经济发展联盟QEDC是全球各类量子信息技术产业联盟中成立最早和发展最活跃的平台由斯坦福研究院SRI运营包含美国境内160余家高校科研机构科技企业和初创公司2022年通过政府间协议等方式扩展与36个西方国家的成员合作关系目前已发布量子传感实用量子中间表示PIRQ量子安全组织指南和面向应用的量子计算性能基准测试等多项研究报告与开源软件工具17欧盟荷兰加拿大德国和日本也成立量子信息技术产业联盟促进管理部门研究机构和产业公司等利益相关方和交流与合作研讨以色列成立有30余家公司参与的量子计算量子传感和量子密码产业联盟18澳大利亚也成立由6家本地企业与3家美国企业发起的量子产业联盟19促进利17httpsquantumconsortiumorgnews-and-updates18httpsdoiorg101063PT3489819httpswwwinnovationauscomaustralian-quantum-leaders-form-industry-alliance10量子信息技术发展与应用研究报告2022年益相关方协同创新的量子经济产业联盟正成为各国构建培育技术产业生态和供应链加强未来产业竞争力的重要平台来源中国信息通信研究院根据公开信息整理图7美国量子信息领域行业联盟平台概况在国家级产业联盟平台之外由科技企业和研究机构等组建和运营的量子信息行业联盟平台近年来也成为推动构建应用产业生态的重要力量美国企业和研究机构在量子信息领域行业联盟平台发展方面表现活跃代表性平台概况如图7所示量子计算云平台服务是推动技术供需双方协同创新的重要形式IBM量子网络20基于自研超导量子计算QExperience云平台和OpenQASM软件编程框架为全球180余家成员提供软硬件一体化服务和合作研发亚马逊Braket21联合多家量子计算硬件厂商提供商业级量子计算云服务芝加哥量子交易所西北量子网络和量子信息前沿等行业联盟平台在量子器件技术研发量子计算机研制与测试应用开发等方面推动合作近期美20httpswwwibmcomquantumnetwork21httpsawsamazoncombraket11量子信息技术发展与应用研究报告2022年国成立华盛顿量子网络研究联盟DC-QNet22共同开展量子互联网的原型研发网络测试和应用探索等合作近年来我国量子信息领域的产学研协同和产业生态培育等工作也逐步得到重视和加强2022年7月由工信部指导中国信通院联合国内量子信息领域高校科研机构和产业公司共同发起的量子信息网络产业联盟在京正式成立目前已有成员单位55家组织推动和开展了技术论坛交流应用案例征集行业报告研究产品验证测评等工作此外在电子学会通信学会计算机学会信息协会等行业平台也成立了量子计算量子通信等方向的分会组织推动开展年度学术进展报告交流和产业研讨会议论坛等多学科领域的交流与研讨在行业联盟平台方面本源量子2018年组建量子计算产业联盟23与上游供应链和下游用户企业等20余家单位推动开展研发制造应用探索和科普教育等方面合作二量子计算领域研究与应用进展一样机研发多路线竞相争鸣研究进展亮点纷呈量子力学刻画微观粒子系统中的叠加性与纠缠性等独特性质为新的计算范式提供了物理基础量子计算是迄今已知的可以提供与当今计算机相比运算处理能力指数级加速的唯一计算模型24量子计算硬件技术主要分两大类一类是以超导和硅半导体为代表的人造22httpswwwquantumgovnrl-announces-the-washington-metropolitan-quantum-network-research-consortium-dc-qnet23httpsoriginqccomcnzhunionhtml24httpsnapnationalacademiesorgcatalog25196quantum-computing-progress-and-prospects12量子信息技术发展与应用研究报告2022年粒子路线另一类是以离子阱光量子和中性原子为代表的天然粒子路线量子计算硬件研发目前处于各种技术路线并行发展和开放竞争阶段近期科研不断取得进展亮点成果纷呈超导量子计算处理器核心器件为超导约瑟夫森结具有可设计可扩展易控制易耦合等优势近年来衍生出TransmonXmonFluxonium等多种新型超导量子比特近期超导技术路线在比特数量和保真度方面均有突破2022年2月Rigetti上线Aspen-M80量子比特系统预计明年初发布84个量子比特单芯片处理器Ankaa255月IBM发布新技术路线图预计年底发布433量子比特Osprey处理器明年推出1121量子比特Condor处理器并探索并行芯片扩展方案2025年实现3处理器集成4000量子比特系统267月阿里报道27实现Fluxonium系统中双比特门的9972保真度8月百度发布超导量子计算机乾始28超导技术路线是通用量子计算有力竞争者之一得到众多科研机构科技企业和初创公司支持比特数量稳步提升每秒电路层操作数CLOPS等指标占优硅半导体量子计算处理器在硅或者砷化镓等半导体材料制备门控量子点来编码量子比特优势在于可扩展性好且与成熟CMOS工艺相兼容硅半导体量子比特主要分光门控和电门控两类前者通常使用光学活性缺陷或量子点来诱导光子间的强有效耦合后者通过施加在光刻金属门上的电压来限制和操纵形成量子比特的电子硅半导25httpswwwglobenewswirecomnews-release2022021523853860enRigetti-Computing-Announces-Commercial-Availability-of-80-Qubit-Aspen-M-System-and-Results-of-CLOPS-Speed-Testshtml26httpsresearchibmcomblogibm-quantum-roadmap-202527httpsdoiorg101103PhysRevLett12901050228httpsquantumbaiducomnewsquantum-create-2022-summary13量子信息技术发展与应用研究报告2022年体技术路线近期主要进展在于量子比特数量和保真度提升2022年1月自然杂志发表澳大利亚UNSW大学荷兰Delft理工和日本理化研究所三个团队成果29不同方案硅基量子处理器的双量子比特门保真度均达到99以上9月荷兰QuTech实现6位硅基自旋量子比特的新纪录30实现9977保真度单量子门操控未来克服电子自旋易受电磁环境影响将是硅半导体科研攻关的主要目标离子阱量子处理器利用电荷与磁场间的交互作用力形成势阱操控带电粒子构建二能级量子比特操控手段包括通过电场和磁场结合形成电势的Penning阱以及静态和振荡电场相组合形成电势的Paul阱等量子比特包括利用基态和亚稳态之间的能极差构建的光学量子比特和区分不同基态的超精细量子比特等离子阱技术路线具有天然粒子全同相干时间长等优势近期主要进展是保真度提升和全连接比特数增长2022年3月IonQ报道钡基离子阱处理器的保真度达99965月推出32量子比特处理器Forte316月Quantinuum的Model-H1离子阱量子计算机扩展到20全连接量子比特9月实现量子体积指标8192新纪录32离子阱是通用量子计算另一有力竞争者保真度和相干时间等指标有优势未来样机研发在真空激光微波和电子学等多个工程领域需持续攻关光量子处理器利用单光子或光压缩态的多种自由度进行量子态编码和量子比特构建优势在于光子受环境影响小可常温环境工作29httpsdoiorg101038s41586-021-04292-7httpsdoiorg101038s41586-021-04273-whttpsdoiorg101038s41586-021-04182-y30httpsdoiorg101038s41586-022-05117-x31httpsionqcompostsmay-17-2022-ionq-forte32httpswwwquantinuumcompressreleasequantinuum-sets-new-record-with-highest-ever-quantum-volume14