未来产业系列研究 | 量子信息技术的发展与应用分析

未来产业系列研究 | 量子信息技术的发展与应用分析

量子产业，作为将量子力学原理与新一代信息技术融合创新的未来产业，正以其强大的潜力对现有技术和产业产生颠覆性影响，引领着新一轮科技革命和产业变革，已然成为构建新质生产力的重要方向。当前，世界各国纷纷加快在量子产业的布局，在政府的主导下，中国量子信息技术的基础科学和系统研发力量正快速成长，逐步成为与美欧并驾齐驱的竞争者。

2023年9月，北京市积极响应时代趋势，推出了《北京市促进未来产业创新发展实施方案》。该方案明确指出，面向未来信息通信和先进计算需求，在海淀、朝阳、石景山、通州、北京经济技术开发区等区域，重点发展量子信息等细分产业。明确了在量子物态科学、量子通信、量子计算、量子网络、量子传感等方向，开展量子材料工艺、核心器件和测控系统、量子密码、量子算法、量子计算机和操作系统等核心技术攻关等内容，为量子产业发展提供了宏观的规划和指导。

2024年10月26日，北京市首届量子信息技术创新大会举办。中关村(海淀)量子科技未来产业园、中关村量子科技孵化器在大会上正式揭牌，市区两级政策联动推动量子产业发展。北京市海淀区在市科委、中关村管委会的大力支持下，建成全国首家中关村量子科技孵化器，并在上地地区打造中关村(海淀)量子科技未来产业园。海淀区出台了全市首个区级量子科技产业行动计划，从核心技术攻关、成果转移转化、企业集聚发展、应用场景拓展、产业生态培育等方面全力支持量子科技产业跃迁发展。谋划落地北京首支量子产业专项基金，重点支持初创期、中小企业发展，为量子产业发展提供坚实的资金保障。

量子信息技术的概念与领域分类

概念

来源：中国信息通信研究院

图：量子信息技术是量子科技的重要组成部分

1. 量子
   一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。

2. 量子力学
   量子力学（Quantum Mechanics），为物理学理论，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。

3. 量子信息技术
   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，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。

三大领域

1. 量子计算
   量子计算是把传统量子力学基本原理与现代计算机技术相结合的一种应用，按照量子力学基本原理编制、控制量子信息单元，并进行计算的新型计算方法，由微观粒子所组成的量子比特群为基本单元，并同时具备了量子叠加、纠缠等特性。

2. 量子通信
   量子通信技术依托量子力学的核心理论，采用诸如光子等基本粒子的量子态来编码信息，并通过专门的量子通道进行传输，从而提供一种传输效率高且安全性极强的通信手段。相较于传统的通信方法，量子通信在传输能力和安全性方面有着显著的优势。

3. 量子测量
   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。量子精密测量技术在基础科学研究、国防安全、生命科学、资源勘探、航空航天及能源电力等多领域展现出巨大的应用潜力和价值。

量子信息技术的产业发展概况

产业发展

1. 量子计算：2035年规模有望达到8117亿美元
   2023年，全球量子产业规模达到47亿美元，2023至2028年的年平均增长率（CAGR）达到44.8%，基本符合行业发展规律。2027年，专用量子计算机预计将实现性能突破，带动整体市场规模达到105.4亿美元。在2028年至2035年，市场规模将继续迅速扩大，受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，到2035年总市场规模有望达到8117亿美元。这一接近万亿级别的市场规模标志着量子计算会在此进入全面成熟和商业化的关键阶段，预示着未来量子计算将在各个领域带来深远而持久的影响。

图：全球量子计算产业规模(2021-2035)(单位：十亿美元)

2. 量子通信：2030年规模有望达到196.8亿美元
   量子信息网络目前主要处于基础研究与实验探索阶段，关键技术与使能组件仍有技术瓶颈尚未突破，实用化前景尚不明确，但其实现量子计算机互联组网，指数级提升量子信息处理能力的应用潜力较大。已成为欧美国家布局的重点发展方向之一。近年来，欧美研究机构和行业组织等，通过合作项目、组网实验和平台建设等多种方式，加快推动技术试验与测试验证。

量子通信从目前已经发展的形态来看，主要是由量子物理加密产品与技术（例如QKD、PQC、QRNG等）带来的产业价值。仅考虑QKD、PQC、QRNG三个重要市场，2030年全球量子通信市场规模为196.8亿美元。

图：2023-2030年全球量子通信市场规模

3. 量子测量：2030年规模有望达到25.27亿美元
   全球量子精密市场规模预计从2019年的11.2亿美元增长到2030年的25.27亿美元，市场规模呈现不断上升趋势，年复合增长率为7.97%。

图：2019-2030年全球量子精密测量市场规模

产业链发展

图：中国量子信息产业区域分布情况

1. 量子计算：市场尚在培育阶段，商业模式不明朗
   量子计算上游包括芯片、稀释制冷机、真空设备、光学器件等。目前领先的制造商主要位于欧美国家，我国在该领域也取得一些进展。中游包括软件、算法、云平台以及整机，是量子计算领域企业数量较为集中的部分。软件方面，全球科技巨头都致力于打造自己的量子编程框架，以支持不同的量子计算硬件和云服务，竞争十分激烈。量子计算下游相对较少，主要在医药、金融、化工等领域有拓展应用。全球范围内，量子计算整体仍处于原型产品研发验证阶段，有待进一步释放应用潜力

2. 量子通信：产业相对成熟，我国占据领先地位
   量子通信领域发展相对成熟，产业链分工也逐渐明晰，上游主要涉及核心器件与材料的研发生产。中游主要集中在构建量子通信网络和保密系统运营方面，包括密钥分发系统、加密平台等。下游根据不同的行业有具体的垂直应用，例如国防、金融、通信等。在量子通信领域，中国企业从数量和产品部署上均处于一定的领先地位。

3. 量子测量：应用程度较高，测量方向多样化
   量子测量是量子信息领域落地应用实现商业化进程较快的领域，但整体市场规模较小。上游包括激光、低温系统、磁体环境等基础设备。中游在时频基准、磁场测量、定位导航、惯性测量、重力测量等多个方向都有相应的产品，代表应用包括重力仪、陀螺仪、磁力计、加速度计和原子钟等。下游由于量子测量的高精度和灵敏度，在卫星导航、医疗诊断、环境探测等领域具有独特优势。

产业分布

从中国企业区域分布来看，集中在京津冀、长三角和珠三角地区。具体城市来看，合肥和北京依托高校院所形成了全产业链条布局，综合实力分别位居第一、第二。其中合肥量子科技和产业在全球处于领先水平。

图：中国量子信息产业区域分布情况

关键技术产品

1. 量子计算

• 超导量子计算：超导量子计算是以超导量子电路为基本单元、约瑟夫森结为核心结构的量子计算技术路线。
• 离子阱量子计算：离子阱量子计算是利用电荷与电磁场间的交互作用力约束并控制带电粒子，利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，通过微波激光照射操纵量子态，连续泵浦光和态相关荧光，实现量子比特的初始化和探测。
• 光量子计算：光量子计算是通过将量子比特信息编码在单个光子上，并利用光学器件及光学探测器对光子进行量子操控及测量来实现量子计算。
• 半导体量子计算：半导体量子计算通过将量子比特信息编码在半导体材料中的电子或空穴上，并利用外部电场、磁场或光场等手段进行操控，以实现量子计算。
• 中性原子量子计算：中性原子量子计算运用光学操控技术精确控制和操纵中性原子，以此在原子之间实现量子纠缠和量子逻辑操作。

2. 量子通信

• 量子随机数发生器：量子随机数发生器（Quantum Random Number Generator）能够基于量子力学的不确定性与不可预测性，通过测量量子态的随机塌缩来生成随机数。
• 量子密钥分发设备：量子密钥分发能够利用量子纠缠态进行密钥分发，信息的发出方和接收方可以安全地生成和共享密钥。
• 量子保密通信网络技术：量子保密通信网络利用量子信号而非传统的电信号在局域网、城域网和骨干网中实现量子信息的可靠传输。
• 量子隐形传态技术：量子隐形传态利用量子纠缠的特性，在没有物质粒子实际传输的情况下，实现量子态在不同位置间传输。
• 抗量子密码技术：抗量子密码（Post-quantum Cryptography）是一种能够抵御量子计算机破译能力的前瞻性安全技术。抗量子密码技术能够有效地防止加密信息被窃取和破解，未来将会对信息安全起到至关重要的作用。

3. 量子测量

• 量子时频同步：量子时频同步主要通过原子钟实现，基本原理是在原子量子态吸收或释放能量时的能级跃迁过程中释放出电磁波，由于该电磁波具有极高的精确度和稳定性，测量其共振频率，能够保证超高精度的计时。
• 量子磁场测量：量子磁场测量的主要产品是量子磁力仪，基于量子物理原理操纵原子、电子、光子等单个量子，利用量子的纠缠、相干及叠加等量子系统特殊性质进行高灵敏度的磁场测量。
• 量子重力测量：量子重力测量通过量子重力仪与量子重力梯度仪完成，利用冷原子干涉技术，结合激光与原子团的相互作用在真空中控制原子的量子态，基于不同能级的原子比率测量重力场和重力梯度场。
• 量子惯性测量：量子惯性测量主要产品为量子加速度计与陀螺仪。量子加速度计和量子陀螺仪结合构成了具有高精度和微型化特点的量子惯性导航系统，在自动驾驶、卫星、导弹、无人机等领域有广阔的应用前景。
• 量子探测测量：量子探测测量主要通过量子天线和量子雷达实现。量子天线可利用里德堡原子系统探测射频电场，凭借每米几毫伏的超高灵敏度，拾取功率较弱的无线电信号，降低移动通信网络能耗，在特种保密、物联网等领域拥有较大应用潜力。量子雷达采用微波量子或光量子进行探测，利用波粒二象性对粒子性进行测量，在海事监测、气象监测预报、导弹制导及机场交通导航等领域有广阔应用市场。

量子信息技术应用进展与前景

量子计算

1. 量子计算+金融
   金融数据具有高复杂度、高时效性等特点，经典计算机的算力已无法满足金融领域的算力需求。量子计算凭借其超强的并行计算能力及建模能力，已经在投资组合优化、风险分析、精准定价、信贷评估、高频交易及资产配置等场景中展现出应用价值。

2. 量子计算+化工制药
   在化工领域，量子计算应用探索主要通过模拟化学反应，加速大分子的结构优化、量子涨落、量子场论的计算等任务，以实现提高效率、降低资源消耗等效果。在药物研发领域，药物研发具有高投入、周期长、风险大等特点。一款新药平均需要花费20亿美元并耗时10年才能进入市场，而且有很大的偶然性和盲目性，且新药物临床研究的成功率不足10%。量子计算可在靶标识别和验证、化验开发、筛选和优化等环节发挥作用，提升药物研发效率、降低药物研发成本。

3. 量子计算+交通物流
   量子计算凭借其高速计算能力，可有效加速人工智能模型的训练和推理过程，一方面，可以解决拥堵预测、交通流量管理、路径规划和车辆调度等问题，提高交通系统的通行效率与安全性；另一方面，可以进一步细化库存存储位置、规划包裹装载策略与递送路线，实现物流运输的降本增效。

量子通信

1. 量子通信+金融
   量子通信技术能够满足金融行业对信息传输安全性的极高要求。金融机构和量子通信设备供应商正共同努力，深入探索在有线、无线及云计算等各种环境下确保信息传输的安全性。

2. 量子通信+电力
   电网是支撑现代社会运作的核心基础建设，面临受到网络攻击和实体攻击等多重挑战，这些危机可能引发大规模的电力中断，从而对经济和社会造成深远的负面影响。量子技术的运用，特别是将量子通信技术应用在电力行业中，可以保障电力系统实时数据安全传输，防止网络攻击和数据篡改，从而保障电网稳定运行。

量子测量

1. 量子精密测量+医疗诊断
   量子精密测量技术能够推动新一代生物医学传感器发展，解决生命医学中的许多难题。量子精密测量产品可以用于研究生物分子的磁性质，测量心磁信号和脑磁信号等人体磁信号，如医生通过使用量子传感器进行核磁共振（NMR）或脑磁图（MEG）检测，能够在与人体无接触的情况下大幅提高检测灵敏度与分辨率、提升诊断效率、优化治疗效果。

2. 量子精密测量+地质勘探
   量子精密测量仪器拥有高度灵敏、快速测量和长久耐用等特性。在地质勘探领域，利用量子重力仪、量子磁力仪等仪器，可以测量地表下微小质量变化，帮助科学家了解地球的内部结构与变化，并探测地下矿藏和地质结构，发现新矿产资源。此外，在地震监测与预报、建立绝对重力标准、地下水监测、降水量监控等方面，量子精密测量仪器也具有应用潜力，发展前景十分广阔。

3. 量子精密测量+定位导航
   在卫星定位系统中，定位的精确度受限于星载时钟间的时间同步精确度。量子精密测量产品通过量子纠缠态的制备及传输技术，能够测算电场或磁场的强度、频率、时间等，拥有相比传统定位导航设备更高的安全性和精准性，对全球定位系统（GPS）等卫星定位平台具有极其重要的价值。

未来，中关村产业研究院将持续发挥发现新赛道、赋能新赛道的研究优势，搭建起政府、企业、科研机构间的沟通桥梁，为量子产业的发展提供全方位、深层次的智力支持，诚邀各界关注和参与，共同开启量子产业的辉煌未来。