設置星標 關注，從此你的世界多點科學~

智庫觀察

OBSERVER

近期，美國信息技術與創新基金會（ITIF）發布《中國的量子科技創新水平如何？》。ITIF長期聚焦全球前沿科技領域的戰略分析。此次發布的研究報告評估了中國在量子計算、量子通信、量子傳感賽道的發展態勢和特色，旨在為美國政府制定競爭策略提供支撐。遴選本文，是希望幫助讀者了解國外高端智庫對我國量子科技發展的判斷與評價。

量子信息科學（QIS）利用量子力學原理以全新的方式處理和傳輸信息，而中國正在積極開拓此領域，其所取得的一些成就在規模和范圍上都超過了美國，使得美國在量子領域的領導地位岌岌可危。量子技術不僅對國家安全十分重要，還有可能對經濟和社會產生變革性影響。ITIF認為，在這一技術前沿保持領先地位對美國的經濟和社會福祉都至關重要。

總體而言，中國在量子通信領域占據上風，但在量子計算領域弱于美國，而在量子傳感領域則與美國旗鼓相當。中國國家資助的實驗室、中國科學技術大學等精英大學以及一批私營企業正在推進與國家優先事項密切相關的技術。

在量子通信領域，中國已穩居全球領先地位，特別是通過開發世界上最長的量子密鑰分發網絡——2000余公里的北京—上海主干網。

這一網絡與將量子通信延伸到更遠距離的開創性衛星“墨子號”相結合，使中國在安全的長距離量子通信方面處于前沿地位。

然而，在量子計算方面，中國優勢不足，尤其是在硬件和量子系統的實際應用方面。

中國在更適合市場的量子傳感領域處于領先地位，但在不太成熟的量子計算領域優勢較弱，這種對比體現了中國在迅速完善和應用現有研究方面的優勢，但也表明其在基礎創新方面的局限性。

中國充分認識并發揮著自己的優勢。量子創新戰略的核心是堅持不懈地將前沿研究轉化為實際商業應用。政府建立了專門的中心，如合肥的量子大道，將學術研究無縫轉化為市場適用的技術。但中國在研究出版物方面的國際合作有限。雖然這一戰略快速取得了成果，尤其是在量子通信領域，但也帶來了長期風險。因為量子技術開發非常復雜，而且成本巨大，供應鏈遍布全球，這些問題都需要國際合作來解決。

本報告涵蓋的量子技術包括：

• 量子通信，指制定安全通信協議，利用量子力學原理以確保傳輸信息的機密性和完整性；

• 量子計算，指研發使用量子力學進行計算的計算機，其計算速度遠遠高于傳統計算機；

• 量子傳感，指利用量子力學增強傳感器和測量科學。

中國量子產業概況

盡管有大量關于中國量子公司的報道，但只有約14家私營企業可被認定為對量子技術作出了重大貢獻，其中包括9家初創企業和5家大型科技公司，本源量子和國盾量子等知名初創企業以及阿里巴巴、百度和騰訊等巨頭在中國處于領先地位。這五家公司占據了中國大部分量子市場。

中國私營企業對量子技術的投資體量比美國小很多。中國初創企業的資金短缺，蘭德公司2022年的報告指出，中國初創企業的資金預計在4400萬美元，而美國達到12.8億美元。麥肯錫2023年的一份報告也揭露了類似的私營投資差距，指出美國私營的量子初創企業的投資總額大約是中國的10倍。美國的私營企業投資金額不僅超過了中國，還是歐盟的5倍多，美國在量子技術投資方面領跑全球。

美國這種優勢的形成不僅源于可用資金的規模，還源于美國的投資者文化——他們愿意承擔自己深思熟慮過的風險，來推動創新向前發展。中國初創企業難以獲得巨資開展實質性研究，這與美國形成了鮮明對比，但中國正在將這一弱點轉化為優勢，將其初創企業的重點放在現有量子技術的商業化上，并彌補公共資金的缺口。

近期，中國許多大型科技公司退出量子研究領域，阿里巴巴和百度都已關閉了相關量子研究部門，并將資產轉移至與國家有關的機構。例如，百度將其量子研究設施移交給了北京量子信息科學研究院，而阿里巴巴將其量子實驗室轉交給了浙江大學。一些分析家將此歸因于經濟壓力，如量子研究的高成本和成果的不確定性，同時也確保量子研發更好地與國家戰略目標齊頭并進。

中國在哪些量子技術領域有創新？

中國在量子通信領域遙遙領先，而美國則在量子計算領域擁有顯著的領先優勢。

這種差異凸顯了兩國在量子技術領域采取的不同國家戰略：美國投資于量子計算的長期潛力——這是一項不太成熟但極具前景的技術，可廣泛應用于多個行業；而中國則專注于量子通信的即時和安全應用——這是一套更成熟的技術，但是市場范圍較窄。

中國在“十三五”規劃中將量子通信與安全列為優先事項。自那時起，中國迅速采取行動，在全球安全通信競賽中鞏固了其領先地位，特別是在量子密鑰分發領域。

量子密鑰分發可能是安全通信最尖端的子領域，它利用量子力學原理創建了一種幾乎無法破解的數據加密方法。有一些地面系統利用光纜在城市間或鄰近地區間安全傳輸數據，還有一些衛星系統可以在更遠的距離甚至全球范圍內連接安全通信。

為了進一步擴展安全通信，中國已將衛星鏈路整合到這一網絡中。這些衛星鏈路可在光纖無法直接連接的遙遠地點（如不同大陸之間）之間安全傳輸數據，從而保證量子通信的安全性，這遠遠超出僅靠地面系統所能實現的范圍。

隨著2016年“墨子號”衛星的發射，中國的量子密鑰分發雄心在京滬主干網的成就上又向前邁進了一大步。

“墨子號”衛星由中國科學技術大學潘建偉及其團隊領導，并與中國科學院合作研發，是世界上第一顆量子科學衛星。它可實現數千英里安全量子通信，開創了此領域的先河，成功地在亞洲和歐洲之間傳輸量子密鑰，這一壯舉是與奧地利研究團隊合作完成的。

通過實現跨大洲的量子密鑰交換，“墨子號”衛星體現出了建立全球量子互聯網的潛力——一個利用量子技術傳輸信息的網絡，其安全性遠遠超過當今的互聯網，它可保護數據不被攔截或篡改。

“墨子號”衛星的成就遠遠超過京滬主干網，它證明了量子通信可以跨越全球，超越本地網絡，創造一個安全、互聯的世界，這標志著中國在全球安全通信未來的領導地位。

其他國家也認識到在量子密鑰分發領域保持競爭力的重要性，并為保持領先地位進行了投資，但美國在這方面卻弱于別國。

歐盟啟動了量子通信基礎設施（EQCI）計劃，這是一項旨在研發全歐洲安全量子通信網絡的重大舉措，韓國也在開發自己的全國量子密鑰分發主干網，但美國卻沒有此類投資項目。

美國量子經濟發展聯盟在2024年的一份報告中寫道：“目前，美國政府沒有投資于此類試驗平臺或試點領域，這導致美國在該領域的技術發展中將成為追隨者而非領導者。”

然而，中國的弱勢在于量子計算，其在硬件開發和算法先進性等多個領域也都處于偏后位置。

首先，在硬件開發方面，美國已遙遙領先。要開發一臺功能強大的量子計算機，必須創建一個物理系統，對量子比特進行編碼，然后控制和操縱量子比特進行計算。目前有兩種領先的技術可以做到這一點，而美國公司在這兩種技術的開發上都處于領先地位。第一種方法是使用鈹離子等被困在真空中的原子離子來表示量子比特。制造量子計算機的第二種方法（也是最主要的方法）是利用超導材料的獨特性能。

其次，在算法開發或在量子計算機基礎上運行的構件方面，美國同樣領先。兩個最著名的量子算法，即用于求大數因式分解的肖爾算法和用于更快破譯加密信息的格羅弗算法，都是由美國研究人員開發的。美國公司和盟國公司，如英國的Quantinuum公司和澳大利亞的Q-CTRL公司，正在引領將量子算法應用于現實世界的潮流。

各國對量子傳感領域領先地位的爭奪十分激烈。一些被大量引用的研究表明，中國的領先優勢較少；也有其他研究表明，美國的領先優勢遠超中國。但本報告中有關研究成果的創新指標顯示，中美兩國對該技術的研究水平幾乎不相上下。

各國在這一領域領導地位至關重要，因為量子傳感技術是最先進的技術之一，且有幾項技術已經達到了高度成熟的水平。這些技術已經開始應用于各種工業領域，提供了傳統傳感器無法比擬的靈敏度和新功能。

在醫療保健領域，這些技術能更精確地監測心臟，在腦機接口方面也更先進。而在材料科學領域，這項技術能以前所未有的精細程度改進缺陷探測。

總體而言，中國的戰略重點放在了短期內更接近市場成熟的量子技術上，并在這些技術上領先。

事實上，全球量子技術生態系統已在三個領域的市場規模上顯示出明顯的層級結構。據麥肯錫估計，到2040年，量子計算將占據整個量子技術市場約87%的份額，而量子通信和量子傳感分別約占7%和6%。

盡管如此，今天的小賭怡情可能比明天的豪賭更有價值，因為量子通信的優勢顯而易見，而量子計算的規模和回報仍不確定。

中國如何進行量子技術創新？

為什么盡管中國的量子產業規模較小，但其量子生態系統卻始終處于領先地位？

首先，中國在量子領域優先考慮將創新轉化為有形產品。他們注意到，與通常注重知識創造的美國不同，中國確保創新能夠從實驗室無縫過渡到市場。

合肥國家高新技術產業開發區是學術研究與商業應用之間的橋梁。在合肥國家高新技術產業開發區內，政府將科學突破與產業需求相結合，促進大學、研究實驗室和私營企業之間的合作。事實證明，這種方法在量子技術領域尤為有效，合肥已成為量子企業的核心樞紐。

合肥國家高新技術產業開發區內的量子大道就是一個范例，它已成為中國量子技術產業的燈塔。這個位于云飛路的特區據說聚集了約20家量子技術公司，該區域也因此成為量子企業的重要孵化器。這些公司位置的集中加快了量子研究從理論到應用的過渡。這條街道的突破性創新包括超導量子計算原型機、毫米波芯片和著名的“墨子號”衛星。

中國在合肥成功發展工業量子生態系統的關鍵在于其與中國科學技術大學這所實力雄厚的科研機構的聯系，中國科學技術大學是中國量子領域最強的大學之一，被視為中心錨點。

據報道，被稱為中國“量子之父”、國盾量子聯合創始人潘建偉曾說：“在龍頭企業的積極參與和政府的引導下，一個涵蓋設備、網絡、安全和標準的量子通信產業鏈在中國基本形成。”

其次，中國在量子技術方面發展快速。

美國目前將量子創新作為“范內瓦·布什科學項目”，而不是作為國家安全或競爭力優先事項。這指的是線性創新模式，通常歸功于美國科學政策制定的關鍵人物范內瓦·布什（Vannevar Bush）。

在這種模式中，基礎研究推動應用研究，應用研究促進開發，最終形成商業產品。這是一個循序漸進的過程，可能既緩慢又脫節，因為每個階段往往由不同的實體負責。

相比之下，中國的方法旨在提高速度和效率。中國有戰略優勢——集中力量，并簡化從研究到應用的流程。中國科學技術大學是中國量子研究中心和信息中心。在郭光燦的領導下，中國科學技術大學成功爭取到了享有盛譽的政府實驗室（中國科學院量子信息重點實驗室）落地，將國家研究重點與學校的學科優勢緊密結合在一起。

自2017年以來，中國越來越多地將量子研究工作集中在中國科學技術大學，特別是高影響力領域。這種集中化鞏固了中國科學技術大學作為中國量子信息科學領域領導者的地位。

第三，中國對量子研究采用集中資助方式。

事實上，中國的量子資助體系非常集中，主要依靠國家自然科學基金委員會。該組織負責資助中國約50%的量子出版物，涉及量子計算、量子傳感和量子通信等領域。

而美國的資助系統和資助機制各自為政。此外，美國的資金來源明顯更加雜亂，甚至政府資金來源也來自各個聯邦部門。這導致了效率低下和缺乏戰略協調問題，最終會拖慢進展，使美國更難與中國更加集中的方法相抗衡。

中國大膽投資雄心勃勃的項目，如量子通信網絡原型機，旨在實現技術領先。這種承擔風險的意愿使中國能夠實現重大突破，并有可能主導量子科學，而美國則采取了更為保守的方法，專注于理論性更強的項目。

第四，在量子計算、通信和傳感領域，美國近一半的研究論文都是與國際合作伙伴共同完成的，而中國此類論文的數量較少，在這三個領域分別是29%、19%和23%。

中國這種模式揭示了其更廣泛的戰略：將研究重點放在國內，尤其是大學之間的合作；而美國則利用大學、研究機構和私營企業的優勢，建立了一個更加全球一體化和開放的研究生態系統。就像半導體的研究一樣，創新量子技術所需的巨大成本以及其復雜性和規模，是任何一個國家或企業都無法單獨應對的。有限的國際合作可能會阻絆中國在此領域取得長足進步。

最后，美國學術研究系統缺乏集中指導，這與中國高度協調、由政府指導的量子研究方式形成鮮明對比。

在中國，關鍵的研究計劃，如量子信息科學國家實驗室和中國科學院量子信息重點實驗室 （均位于合肥） ，是由政府實驗室指導的。這些實驗室與北京量子信息科學研究院和中國科學院上海微系統與信息技術研究所一起，在統一的國家戰略下運作，確保研究工作與國家目標緊密結合。此外，中國科學技術大學、清華大學和北京郵電大學等一流大學也為這一中央框架作了貢獻，直接響應政府設定的優先事項和目標。

中國量子行業創新投入分析

科學出版物|在量子通信領域，中國的研究數量和質量都遙遙領先，大大超過了美國。在量子計算領域，中國的研究成果更多，但在研究質量方面，美國優勢明顯。在量子傳感領域，中國的研究成果更多，但兩國的研究質量并駕齊驅。

專利|中國在國內量子通信專利方面遙遙領先，在量子傳感專利方面也有相當大的領先優勢，而美國在量子計算專利方面領先。在歐洲，沒有明顯的重點，并且在所有三種技術上都有平衡的產品組合（而在其他地區，量子傳感往往落后）。

在中國，量子通信和量子傳感專利的主要受讓人是公共機構和初創企業，而非大型企業。例如，國盾量子和魯班量子等初創企業在量子通信專利方面處于領先地位，而中國科學院工程研究所則在量子傳感方面處于領先地位。相比之下，美國在量子計算專利方面的領導地位主要是由大型企業推動的，包括國際商業機器公司（IBM）、微軟、谷歌和英特爾等。

在中國，量子技術被視為國防和基礎設施的關鍵。中國優先考慮國內專利，確保這些技術在中國境內，不受外部影響。然而，要充分了解量子創新的全球意義，就必須跳出國內專利的范疇。因為真正影響全球市場和推動國際競爭的是那些延伸到國外的專利。

中國的華為和阿里巴巴兩家公司進入了量子通信領域的前十名，而在量子計算和傳感領域的前幾名中沒有中國公司的身影。量子領域的全球影響力仍然集中在那些優先考慮擴大國際專利覆蓋面的外國公司。

中國政府支持量子行業的政策

中國決心到2035年在量子技術領域取得領先地位。量子科學因有望給計算、密碼學和傳感等領域帶來革命性的變化而被視為對中國提升全球競爭力這一目標的關鍵考驗。

中國通過“十三五”和“十四五”規劃，將量子技術納入國家戰略，將量子通信定位為實現長期目標的關鍵。

一項在“十三五”規劃中啟動的大工程旨在確保到2030年中國在量子通信和計算領域取得突破，包括擴大國家量子基礎設施、開發量子計算原型機和建設量子模擬器。

中國政府為建立量子信息科學國家實驗室投資了超10億美元，同時還為“墨子號”衛星和京滬主干網等關鍵項目單獨投資了100億美元。

這些努力顯然已經取得了成效，因為中國已經在量子通信領域處于領先地位。

中國在量子技術方面投入了大量公共資金，據估計，中國的投資超過了150億美元，遠遠超過了美國約38億美元的撥款。

中國在“十三五”規劃勢頭的基礎上，“十四五”規劃加強了對量子技術的關注，制定了更加具體的宏偉目標。

該計劃要求建立專門研究量子信息的國家實驗室，以鞏固中國在這一關鍵領域的領導地位。

該計劃優先發展城內、城際和自由空間環境下的先進量子通信技術，同時創建通用量子計算原型機和實用量子模擬器。

此外，該計劃還強調了量子精密測量技術的突破以及量子在關鍵數字領域的創新應用。

“十四五”規劃還強調了通過量子發展提升國防和經濟實力的雙重目標，確保國家不僅在技術上領先，還能獲得更廣泛的戰略利益。

此外，中國工業和信息化部在2024年發布的文件中將量子計算確定為其更廣泛產業政策中的“未來產業”，重點發展容錯量子計算技術，并加強量子軟件和云平臺。

2024年中國工業和信息化部在文件中還將加強標準領導力作為量子領域的一個目標，幾年來中國也一直深耕于此。

2021年10月，中國發布了指導方針，思考如何布局以鞏固其作為包括量子技術領域在內的國際技術標準制定領導者的地位。

2022年，《國家標準化發展綱要》啟動，通過分析全球和國內的標準格局，制定了具體步驟以增強中國的標準制定流程。

此外，中國正致力于將標準制定直接納入量子研發項目。國家科技發展計劃要求科研人員將標準工作作為項目的核心組成部分，確保標準與技術發展同時、同步。這種方法旨在實現創新與標準化之間的無縫鏈接，以便更有效地推動量子技術的商業化。通過將標準納入量子計劃，中國旨在加強其國內產業，以便在全球范圍內更具競爭力。

中國的戰略還包括提高其在國際標準化組織 （IOS） 及國際電工委員會 （IEC） 等國際標準機構中的影響力，中國代表在這些機構中發揮了領導作用。通過這些協調努力，中國正在全球舞臺上掣畫量子技術的未來，并確保其標準和技術成為全球基準。

基于以上觀察，為了確保美國在量子技術領域的領先地位，ITIF建議，美國應當機立斷采取行動，比如：

• 大幅增加研發資金，特別是重新授權國家量子計劃（NQI）；

• 國會應支持由行業主導的創新，以應對公共部門的關鍵挑戰，加速量子技術的商業化；

• 美國應避免過早實施嚴格的量子標準，允許行業自然創新和發展；

• 為了保持進步以及對進步至關重要的思想和人才流動，美國有必要實施謹慎、有針對性的出口管制。

《世界科學》雜志版在售中 歡迎訂閱

月刊定價

15元/期

全年訂閱價

180元

點擊左側圖片或以下方訂閱方式選購

方式一：

掃描二維碼，“雜志鋪”訂閱有折扣～

方式二：

全國各地郵局訂閱 郵發代號：4-263

方式三：

機構訂閱，請撥打

021-53300839；

021-53300838