量子革命，重啟未來——第一財經《未來產業系列白皮書丨量子科技篇》發佈

目錄

一、量子的定義及特性

1.1 量子疊加

1.2 量子糾纏

1.3 量子去相干

二、量子霸權時代來臨

2.1 第二次量子科技革命

2.2 全球量子科技競賽

三、量子計算

3.1 量子計算的定義及優勢

3.2 量子計算主要技術路徑

3.3 量子計算機的發展現狀及技術難點

3.4 量子計算機的應用

四、量子通信與安全

4.1 量子保密通信的必要性

4.2 量子保密通信主要技術的發展現狀及難點

4.3 量子通信網絡和量子互聯網

4.4 量子通信的應用

五、量子精密測量

5.1 量子精密測量的定義

5.2 量子精密測量技術的發展現狀和難點

量子精密測量的應用

六、量子科技投資全景圖

6.1 量子計算、量子通信、量子測量公司圖譜

6.2 中國主要量子科技公司評價

一、量子的定義及特性

量子是物理學上描述微觀世界中微粒的基本單位，它是能量和動量的離散單位。量子並不是一個像電子一樣的「子」，經典世界中各種物理現象是連續變化的，例如温度，而在微觀世界中，能量的狀態是不連續的，是由一塊塊能量共同組成，能量、動量等物理量無限分割至無窮小，有一個最小基本單位，就是量子。在微觀世界里的這種不可無限分割性，就稱為量子化。

量子具備量子疊加、量子糾纏、量子測量等特性，這些特性不僅在物理學中具有重要意義，而且在新興的量子技術領域，如量子計算、量子通信和量子測量中扮演着關鍵角色。量子力學的這些奇特特性為我們提供了全新的視角來理解和利用自然界的基本規律。

1.1 量子疊加

量子疊加是量子力學中的一個重要概念，指的是一個量子系統可以同時處於多個可能的狀態之間的疊加態。在經典物理中，物體只能處於一個確定的狀態，而在量子力學中，量子系統可以處於多個可能的狀態的線性組合。這意味着在某些情況下，一個量子系統可以同時處於多個狀態，直到被測量時纔會坍縮到其中一個確定的狀態。

量子疊加是量子計算和量子信息領域的基礎，通過利用量子疊加可以實現量子並行計算和提高計算效率。

1.2 量子糾纏

量子糾纏是量子力學中一種特殊的相互關聯現象，指的是當兩個或多個量子系統之間發生相互作用后，它們的狀態會變得緊密關聯，無論它們之間有多遠的距離，一個系統的狀態會立即影響另一個系統的狀態。這種關聯稱為糾纏。

處於糾纏態的兩個粒子，在被測量之前，彼此相關狀態是無法確立的，但無論兩者相距多遠，只要糾纏態不破壞，一旦對其中的一個粒子進行測量，另外的一個粒子的狀態也會因此確定下來。量子糾纏不僅為量子運算提供最有效的並行處理方法，而且也是實現量子通信所必備的工具。由於對環境變化非常敏感，量子糾纏也可以用來製造非常精確且靈敏的量子傳感器。

1.3 量子去相干

量子去相干是指在量子系統中，原本具有相干性（即量子態的干涉和疊加性質）的態經過某種過程或相互作用后，喪失了這種相干性質。量子去相干通常會導致量子態變得更加經典化，即更接近於經典物理中的狀態。

量子去相干可以發生在不同的情況下，比如量子測量、量子退相干、環境干擾等。其中，環境干擾是最常見的導致量子去相干的原因，當量子系統與其周圍環境發生相互作用時，環境的不確定性和噪聲會導致量子態的干涉效應逐漸消失，系統逐漸失去相干性。

量子去相干是影響量子計算和量子信息處理的一個重要問題，因為相干性是量子計算中的關鍵資源。因此，研究如何延長量子態的相干時間，減少量子去相干的影響，是當前量子信息領域的研究重點之一。

二、量子霸權時代來臨

2.1第二次量子科技革命

量子概念的首次提出可以追溯到1900年，由德國物理學家馬克斯·普朗克提出。普朗克提出了能量量子化的概念，這是量子理論的基礎，由此拉開20世紀初量子物理學革命的帷幕。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦進一步發展了量子概念，提出了光量子（光子）的概念，解釋了光電效應。

「第一次量子科技革命」始於20世紀初，以馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾温·薛定諤和保羅·狄拉克等人為代表的物理學家，建立了量子力學的理論框架，描述了量子力學的基本特徵，實現了量子力學與數學、化學、生物學的結合，催生了許多重大發明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、計算機等。

2014年，世界頂尖科學雜誌《自然》（Nature）提出，「第二次量子科技革命」已經拉開序幕。

「第一次量子科技革命」將人類從工業時代帶入信息時代，而正在發生的「第二次量子科技革命」意味着人類將突破經典技術的物理極限進入量子時代，標誌着人類對量子世界的探索從單純的「探測時代」走向了主動的「調控時代」，預示着量子計算、量子通信、量子精密測量等領域的重大突破。

「第二次量子科技革命」利用量子糾纏、量子疊加、量子測量等進行創新應用，預計將在多個領域引發變革：

量子計算：量子計算機的發展將經歷從專用量子計算機到通用量子計算機的轉變，最終實現可編程的通用量子計算機，解決經典計算機無法處理的特定難題。

量子通信：具有防竊聽的通信方式，以量子不可克隆等特性建立安全的通信網絡。主要技術包括量子密鑰分配（QKD）、量子隱形傳態（QT）等，量子通信技術的發展也將進一步推動量子互聯網的構建。

量子精密測量：量子精密測量技術為科研和工業帶來更高精度的測量工具，由於量子態對外界環境變化及其敏感，量子精密測量的靈敏度及分辨率將大幅突破經典極限，推動相關領域的技術進步。

「第二次量子科技革命」正在改變我們對量子世界的理解，並推動量子技術在多個領域的應用。隨着技術的不斷進步，量子科技有望在未來幾十年內徹底改變我們的生活和工作方式。

2.2 全球量子科技競賽

「量子技術革命給予中國一次‘換道超車’的機遇。」臺灣大學原代理校長、中原大學講座教授、富士康量子研究所顧問張慶瑞在其《量子大趨勢》一書中表示。

在信息科技時代，經典計算機的計算能力提升遵循摩爾定律。摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數量大約每兩年翻一番，納米制程的精準控制成為信息科技時代的關鍵技術，但隨着晶體管尺寸接近原子尺度，繼續縮小晶體管的物理尺寸變得越來越困難。

在「第二次量子科技革命」中，是利用量子疊加、量子糾纏與量子測量等特性來創造全新的量子組件，並不單純依賴摩爾定律的微縮技術，只要能夠掌握物體特性，甚至亞微米技術都可以做出具備量子糾纏特性的量子組件，而具備糾纏特性的量子組件性能遠由於經典電子元器件，「第二次量子科技革命」將帶來更具顛覆性的創新產業。

被譽為中國「量子之父」的中國科學技術大學潘建偉教授曾表示，在現代信息科學方面，中國一直扮演學習者和追隨者的角色，如今到量子科技時代，如果我們盡力而爲，就可以成為其中的主力。

目前我國在量子通信領域的成就已經在全球領先：2016年成功發射世界第一顆量子科學實驗衞星「墨子號」；2017年的2000千米長距離京滬量子通信線路；2018年，「墨子號」分別與中國興隆、奧地利格拉茨地面站進行了超過7600千米的星地量子密鑰分配；2022年，清華大學教授龍桂魯團隊設計了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統，實現了100千米量子直接通信，打破了「量子直接通信」的世界記錄。

在量子計算領域，2020年12月，中國科學技術大學宣佈成功構建76個光子的原型機「九章」，成為第二個實現量子優越性（Quantum Supremacy）（注）的國家；2021年6月，中國科學技術大學發佈「祖沖之號」可編程的56個量子比特的超導計算機，將超級計算機需要8年完成的任務縮短成1.2個小時，中國是唯一在超導和光量子兩條技術路徑上都實現量子優越性的國家。

根據前瞻產業研究院數據，從投資總額來看，2023年全球量子信息投資規模達到386億美元，其中中國投資總額達150億美元，位居全球第一。

目前中國和美國在量子科技競爭中居於領先地位，歐洲及其他傳統科技強國也在積極追趕，目前量子科技雖有領先者，但所有參與者都離起跑線不遠，因此「換道超車」遠比在其他科技領域有更多的機會。

2021年，我國「十四五」規劃綱要提出，要加快佈局量子計算、量子通信等先進技術，目標是到2030年完成國家量子通信基礎設施建設，開發通用量子計算機。

（注：量子優越性（Quantum Supremacy），也稱為量子霸權，是指量子計算機在執行特定任務時，能夠超越最強大的傳統計算機的能力。這個概念是由物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）在2012年提出的，用以描述量子計算機在解決某些問題上相對於經典計算機的顯著優勢。）

三、量子計算

量子計算作為一門前沿科技，近年來吸引了全球科研人員和資本的極大關注。它利用量子力學原理，突破傳統計算機基於二進制的計算方式，展現出在某些特定問題上遠超經典計算機的潛力。隨着量子物理理論的不斷深入和量子技術的日益成熟，量子計算逐漸從理論走向實用化，被認為是未來計算技術的重要發展方向。

3.1 量子計算的定義及優勢

量子計算是基於量子力學原理，使用量子比特作為信息的基本單元進行計算的一種技術。量子計算機的超並行性來自於量子比特的疊加狀態，多個量子比特與同樣數目的經典比特比較，計算能力差別是指數級的。

傳統計算機使用的是二進制位（bit），每個比特位要麼是0要麼是1，而量子計算機的量子比特（qubit）可以同時處於0和1的疊加態。隨着量子比特數的增加，N個量子比特就可以同時有個值，這就相當於在同一個時刻，可以進行個運算。

量子計算機通過量子算法操縱這些疊加態以及量子比特之間的相互作用，能夠同時處理大量可能的計算路徑，使得量子計算機在解決某些特定類型的問題時，如整數分解、搜索算法等，比傳統計算機快得多。

3.2 量子計算主要技術路徑

我國高度重視量子科學的研究，相繼出臺了多項政策和規劃，支持量子技術的研究與應用。在量子計算領域，中國科研機構和企業在超導量子計算、光量子計算等關鍵技術路線上已取得了一系列具有國際影響力的成果，在全球量子計算競爭中居於較領先地位。

當前量子計算處在的早期探索階段，量子比特的發展方向非常多元，主流方案包含超導、離子阱、光量子、超冷原子、硅基量子點和拓撲量子等，基本都沿着量子計算優越性——專用量子計算——通用量子計算的路線圖發展。

根據前沿科技諮詢機構ICV發佈的《2024全球量子計算產業發展展望》報告，從全球主要量子計算整機企業分佈看，中美兩國佔據主導地位，美國20家、中國18家，分別佔28%、25%。從技術路線分佈看，超導、離子阱、光量子路徑最受關注。2023年全球71家主要量子計算整機企業中，19家為超導量子計算路徑，佔比27%，其中美國8家，中國5家；其次為光量子計算路徑，共計13家，佔比為18%，其中中國企業最多，達到4家；10家為離子阱量子計算路徑，佔比為14%，中國企業佔據4家。

（1）超導量子計算路徑

超導量子計算是目前最為成熟的量子計算技術之一。它基於超導量子電路，通過對超導量子比特進行操控來進行信息的處理。超導量子電路在設計、製備和測量等方面與現有的集成電路系統兼容性較高，並且可以使用傳統電子元器件作為控制系統。IBM、英特爾、谷歌、本源量子、國盾量子等在超導量子計算路徑上進行研發。

超導量子比特的優勢在於其較高的連續性和可擴展性，以及相對較低的失真率。該技術路線已經實現了多量子比特之間的糾纏和量子門操作，為構建實用的量子計算機奠定了基礎。然而，超導量子比特對環境的温度和電磁干擾非常敏感，因此需要在極低温和屏蔽良好的環境中進行實驗。

美國量子計算產業鏈佈局完善，IBM、谷歌、微軟等頭部科技企業入局，尤其在超導量子計算路徑上有顯著優勢。在超導量子芯片領域，2023年12月，IBM發佈了全球首款超過1000量子比特的量子計算處理器芯片Condor，其擁有1121量子比特。

2024年4月，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院發佈了一款504比特超導量子計算芯片「驍鴻」，刷新國內超導量子比特數量的紀錄。

中國科學院量子信息與量子科技創新研究院教授、中電信量子集團及國盾量子（688027.SH）首席科學家彭承志表示，超導量子計算芯片可以複用較成熟的半導體芯片加工技術，在比特數量擴展上特別有優勢，因此研發「不算難」，「最困難的是如何讓量子比特的質量和數量同步提升，從而真正提升芯片的性能，更精密地調控大規模量子比特，這是國際主流科研團隊都在攻堅的。」

量子計算機所能實現的計算能力取決於多個因素，以超導量子計算機為例，包括比特數、保真度、相干時間、門操作速度、連通性等。其中，比特數是一項關鍵指標。但是需要特別注意的是，單談比特數是沒有意義的，更重要的是在大規模量子比特下，門保真度（特別是雙比特門保真度）、相干時間以及比特的連通性等。

此外，超導材料的特性在於當温度降至某一臨界温度以下時，電阻為零，電流可以無損耗地流動。為實現量子比特的高效操作和穩定存儲，量子芯片需要在-273.12℃或更低的極低温環境中運行，所以稀釋製冷機是超導量子計算的關鍵設備之一。

目前我國國產稀釋製冷機取得重大突破，實際運行指標達同類產品國際主流水平。由國盾量子推出的可商用可量產的國產稀釋製冷機ez-Q Fridge為量子芯片提供低至10mK級別的極低温低噪聲環境，製冷功率達到450uW@100mK（450uW@100mK代表稀釋製冷機在100 mK温度時的製冷功率能達到450uW，製冷功率越大，就可以支撐更高比特數的量子計算），並服務於「祖沖之二號」實現量子計算優越性實驗；由本源量子自主研發的本源SL1000稀釋製冷機可提供10mK以下的極低温環境及不低於1000μW @100mK的製冷量，滿足超導量子計算、凝聚態物理、材料科學、深空探測等前沿技術領域的極低温環境需求。

實現「量子優越性」是衡量量子計算機性能的關鍵，即針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機。目前全世界只有兩臺超導量子計算機實現：美國「懸鈴木」、中國「祖沖之二號」。

「祖沖之二號」由中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與中科院上海技術物理研究所合作研發的66量子比特可編程超導量子計算原型機。2023年5月，該團隊在原「祖沖之二號」66量子比特的芯片基礎上做出提升，新增了110個耦合比特的控制接口，使得用户可操縱的量子比特數達到176比特。

國盾量子作為唯一參與「祖沖之號」研發的企業單位，通過超導量子計算原型機的供應鏈管理和整合能力（包括室温操控系統、低温信號傳輸系統、芯片封裝系統、操控軟件系統等），目前已成功對外銷售4台量子計算機整機。

此外，由本源量子研發的第三代自主超導量子計算機「本源悟空」於2024年1月上線運行，「本源悟空」搭載的是72位超導量子芯片「悟空芯」，共有198個量子比特，其中包含72個工作量子比特和126個耦合量子比特。

（注：量子比特（qubit）是量子計算的基本單元，它是量子信息的載體，類似於經典計算中的比特。量子比特可以處於疊加態，即同時處於多種狀態的疊加，這使得量子計算機可以在同一時間處理多個計算任務。耦合量子比特（cQubit）是一種特殊的量子比特，它們之間存在相互作用或耦合。耦合量子比特通常用於實現量子門操作，允許不同量子比特之間進行信息交換和相互影響。總的來説，量子比特是量子計算的基本單元，而耦合量子比特是用於實現量子門操作和量子計算的一種特殊形式的量子比特。

（2）光量子計算路徑

光量子計算路徑利用光子作為信息的載體，通過量子光學元件實現量子計算過程。光量子計算的關鍵優勢在於光子本身與環境交互作用非常微弱，可以維持長時間穩定的量子態，保真度高。此外，光量子計算在室温下即可進行，不像超導量子計算需要極低温環境。其技術挑戰在於光子的生成、操作和檢測等方面，需要高精度的操控技術和設備。目前使用光子作為量子計算機路徑的公司有PsiQuantum、Xanadu、圖靈量子和玻色量子。

中國是唯一在超導和光量子兩條技術路徑上都實現量子優越性的國家，除了超導量子計算路徑的「祖沖之號」，我國實現「量子優越性」的量子計算機還有一臺——由中科大潘建偉團隊研製的「九章」系列，「九章」系列採用光量子計算路徑。

在特定功能量子計算機方面，中國在光量子計算路徑上取得了較大突破和進展。2023年10月，中科大團隊成功構建了255個光子的量子計算原型機「九章三號」。該原型機由255個光子構成，在解決高斯玻色取樣數學問題方面比全球最快的超級計算機快一億億倍，再度刷新了光量子信息技術的世界紀錄。此外，玻色量子於2024年4月發佈的新一代550計算量子比特的相干光量子計算機——「天工量子大腦550W」，通過與以「開物SDK」為代表的開發套件及與多行業生態夥伴共研的「量子算法」相結合，實現了實用化量子計算的突破。

與通用型量子計算機可以隨意變更執行計算程序不同，特定功能量子計算機只能執行特定的量子算法，如果要處理原設計功能之外的計算就必須更改硬件或設備。

在可編程通用型光量子計算機領域，圖靈量子推出了國內首個光量子計算編程框架DeepQuantum。利用DeepQuantum中的QubitCircuit，開發者能夠輕松構建和模擬量子線路，快速設計和優化量子神經網絡。此外，通過DeepQuantum的QumodeCircuit，用户可以深入研究光量子線路，並開發基於高斯玻色採樣等算法的實際應用。DeepQuantum不僅包括自動微分功能，還內置了多種非梯度優化器，幫助用户高效實現和探索變分量子算法。同時，圖靈量子將在量擎雲平臺上部署光量子計算硬件，用户將可以通過DeepQuantum體驗真實的量子計算。

（3）離子阱量子計算路徑

離子阱量子計算路徑是一種利用離子（通常是帶電原子或分子）作為量子比特來執行量子信息處理的技術。利用外在電磁場將離子「囚禁」在一定範圍內，藉助電荷與電磁場間的交互作用力控制離子的運動。離子阱量子計算的優勢在於穩定糾纏態時間長，邏輯門保真度高，但技術難點在於同時實現大量離子的穩定「囚禁」和準確操控，同時需要激光冷卻技術和超高真空環境，與集成電路的兼容性待開發，導致擴展性受到限制。目前深耕離子阱量子計算技術的公司主要有Quantinuum、IonQ、啟科量子、華翊量子、國儀量子等。

華翊量子於2023年發佈規模達37量子比特的第一代離子阱量子計算機商業化原型機HYQ-A37，它的量子比特相干時間、保真度等相關性能指標均達國際一流水平。目前用户可通過預約的方式使用可視化工具或代碼編輯器快速進行量子電路的設計，並通過遠程訪問HYQ-A37執行計算任務與獲得實時的圖形化計算結果反饋。華翊量子預計將於2024年推出110比特的低温離子阱量子計算機。

3.3 量子計算機的發展歷程及技術難點

從上世紀八十年代開始，量子計算經過了基本物理思想和初級原理的驗證，現在量子計算機已經到達NISQ（含噪聲中等規模量子計算機）階段。

擁有50至100量子比特的高保真量子門的計算機被稱為NISQ計算機，「含噪聲」指的是量子比特之間存在一定程度的噪聲和誤差，容錯性較低，還無法實現精確的量子計算。容錯通用型量子計算機是長期發展目標，還需要一段時間才能實現，而含噪聲中等規模量子計算機的計算能力已經遠超超級計算機，可以執行一些特定的量子算法和任務，在一些應用領域已經展現出量子優勢。

現階段量子計算機發展的主要制約因素有：

（1）極端低温要求：爲了維持量子比特的量子態穩定性，量子計算機需要在近似絕對零度的超低温環境中操作。這種條件下，量子比特纔能有效地展現出量子糾纏和量子疊加的特性。製冷系統的維護和運行成本高昂，並且隨着量子比特數量的增加，相應的製冷要求也會上升，有效且便宜的低温技術有待改進。

（2）量子位的穩定性問題：量子位（或量子比特）是量子計算機的基本信息單位，但它們非常脆弱，容易受到噪聲和外部干擾的影響，導致量子退相干。退相干會破壞量子信息，使得計算結果不可靠。增加量子位的相干時間是目前的研究熱點。

（3）量子誤差校正：量子計算過程中不可避免地會產生錯誤，而且由於量子位的特殊性質，這些錯誤不同於傳統計算機中的錯誤。開發有效的量子誤差校正技術對於實現可靠的量子計算至關重要，但目前的量子誤差校正算法仍然複雜且難以擴展。

（4）可擴展性：現有量子計算機的量子位數量相對較少，而實現對複雜問題的計算則要求有成百上千乃至更多的量子位。如何在不降低單個量子位質量的前提下，實現量子計算機的規模擴展，是一個技術上的巨大挑戰。

（5）材料和技術限制：製造高質量量子位需要先進的材料和精密的製造工藝。例如，超導量子位需要高純度的超導材料，而離子阱技術則需要高精度激光和真空系統。這些技術的發展和成熟度直接影響量子計算機的性能和可行性。

（6）算法和軟件發展不足：儘管已知某些量子算法在理論上能夠提供超越經典計算的性能，但量子計算機的算法庫和軟件工具仍然有限，缺乏廣泛適用的量子軟件平臺和編程框架。

（7）理論和實驗之間的差距：量子計算在理論上的進展很快，但在實際實驗中實現這些理論的步伐相對慢。許多理論尚未在實驗中得到驗證，因此必須在實驗技術和設計上進行大量的創新和優化。

（8）人才和知識的短缺：量子計算是一個交叉學科領域，涉及物理學、計算機科學、工程學和數學等多個學科。當前，具備跨學科知識和技能的研究人員和工程師相對稀缺，這限制了量子計算領域的發展速度。

（8）應用場景的侷限性：目前量子計算機在某些特定問題上顯示出潛力，如化學模擬、密碼破解和複雜優化問題。然而，在許多通用計算任務上，量子計算機的優勢尚不明顯，且需要進一步探索其在商業和工業應用中的實際價值。

如上，儘管量子計算商業化仍面臨諸多挑戰，但量子科技已經從理論研究階段進入工程階段，未來容錯通用量子計算機的出現將顛覆幾乎所有行業，現有科技產業在「第二次量子科技革命」后將出現巨大變化，必須提前準備好進入一個嶄新的量子時代。

3.4 量子計算機的應用

（1）量子計算雲平臺

實現「量子優越性」是量子計算商業化、普及化的必要前提，量子計算雲平臺則是量子計算實際應用發展的關鍵。

目前量子計算機的硬件成本極高，特別是對於高保真度和大規模量子比特的系統，同時量子計算機的運行和維護需要專業的技術和環境。量子計算雲平臺為大學、科研院所、企業等提供了低成本觸達量子計算系統的方式。

一方面，雲平臺可以快速更新和部署最新的量子計算技術和算法，用户可以即時體驗到技術進步帶來的優勢；另外一方面，用户在試用雲平臺進行應用開發和測試時，可以向平臺提供商反饋問題和需求，促進技術的迭代和優化。量子計算雲平臺作為連接不同量子計算企業、科研機構和企業用户的橋樑，促進量子計算與各行各業之間的合作，共同推動量子計算技術的發展和應用。

2023年5月，國盾量子發佈新一代量子計算雲平臺，接入了自研的「祖沖之號」同款176比特超導量子計算機，不僅刷新了國內雲平臺的超導量子計算機比特數記錄，也成為國際上首個在超導量子路線上具有實現量子優越性潛力、對外開放的量子計算雲平臺。國盾量子表示，未來還計劃接入多臺高性能量子計算機，互相災備並迭代更新，使得雲平臺硬件保持國際先進水平。

2023年11月，國盾量子協助中電信量子集團「天衍」量子計算雲平臺和中國電信「天翼雲」超算平臺進行對接，構建「超算-量子計算」混合計算架構體系。

（2）量子計算主要應用場景

根據ICV數據，2023年全球量子產業規模達到47億美元，2023至2028年的年平均增長率（CAGR）預計將達到44.8%，受益於通用量子計算機的技術進步和專用量子計算機在特定領域的廣泛應用，到2035年量子計算產業總市場規模有望達到8117億美元。

作為一種新興的計算技術，量子計算在金融、醫藥、化工等多個領域都顯示出了突破性的應用潛力。其中，金融行業是量子計算潛在的重要應用領域，根據ICV預測，全球量子計算下游應用佔比中，2035年金融領域的市場份額最高，將達到51.9%，較2030年的15.8%實現顯著提升。其次為醫藥和化工領域，分別為20.5%、14.2%。

量子計算在金融領域的應用非常廣泛，旨在降低成本並減少處理時間，目前主要包括：風險管控、衍生性商品定價、投資組合優化、套利交易及信用評分等。

國內外的主流金融公司，如摩根大通（J.P Morgan）、高盛集團均成立了量子部門來研發量子金融應用；本源量子與中國經濟信息社新華財經聯合發佈「量子金融應用」，該應用在新華財經App上線，提供了量子計算在投資組合優化、衍生品定價以及風險分析等方面的應用；建設銀行在量子信息技術應用方面進行了積極的探索和實踐，成立了量子金融應用實驗室，與國內外量子安全、量子計算團隊合作，開展了一系列前瞻性研究和創新性探索。建設銀行推出了「量子貝葉斯網絡算法」和「量子投資組合優化算法」等量子金融應用算法，這些算法在風險分析和投資組合優化方面展現出了量子計算的潛力。

在醫藥研發和化學材料科學方面，量子計算機能夠模擬複雜的化學反應和材料特性，這對於發現新葯物、新材料以及優化化學反應過程具有重要意義。

新材料和新葯物具備龐大的經濟價值，尤其是在醫藥領域，如果量子計算能夠通過計算分析取代傳統實驗試錯的方式，不僅大幅減少新葯開發的時間，更可以節約龐大的醫藥開發成本。推動量子計算在醫藥研發和材料科學方面的應用，但仍需要配合特定的量子算法。

2022年7月，華大生命科學研究院與量旋科技合作，探索量子計算在生命科學領域的應用。他們利用量子算法實現基因組組裝，解決了基因組組裝的問題，並使用更少的量子資源模擬更大的量子系統，為在NISQ時代模擬大規模系統提供了可能性。

2022年3月，圖靈量子藉助張量網絡技術，通過張量的縮並，實現38倍提速量子AI藥物設計，並推出一系列量子AI應用模塊，其中 QuOmics（基因組學）、QuChem（藥物分子結構設計）、QuDocking（藥物虛擬篩選）、QuSynthesis（化學分子逆合成）等四大模塊，已實現不同程度的量子算法增強。

2021年4月，本源量子發佈本源量子化學應用系統ChemiQ 2.0，為量子計算在化學領域的應用提供基礎，賦能量子計算在新醫藥、新材料、新能源等領域的創新應用。

在人工智能領域，由於量子比特可以處於多個狀態，因此可以使用量子神經網絡來處理大規模數據集和複雜模型。這將有助於提高人工智能系統的性能，並推動人工智能技術向前發展。

量子計算與機器學習的結合，利用量子計算機善於處理大量數據的優勢，幫助機器學習突破參數過多的瓶頸，是最近重要的研究方向。IBM在Qiskit架構下，加入機器學習模塊，結合量子計算以及機器學習優點，利用量子計算機處理大數據的優勢，建立量子機器學習模型的未來優勢。

四、量子通信與安全

量子通信作為量子科技的重要分支，是對信息傳輸技術的重大突破，也是最先進入實用化階段、發展最為成熟的量子科技技術。量子通信讓通訊更安全，量子通信尤其是量子保密通信已基本實現實用化。基於量子密鑰分發技術，量子保密通信在中國已經有許多工程應用，下游是信息安全行業，產業成熟度高。

在國家政策的支持下，我國量子通信行業近年迅猛發展，已處於世界領先水平。隨着眾多優秀企業和科研院校的不斷加入，量子通信行業也成為一、二級市場關注的焦點。

4.1 量子保密通信的必要性

量子技術被認為是科技領域的下一個里程碑。量子計算帶來計算能力的飛躍，使得處理複雜問題如同小兒科，無論是藥物設計、氣候模擬，還是優化大型系統，量子計算都有望大顯身手。但這把雙刃劍也將帶來巨大威脅——它能在瞬息之間破解現今大多數加密技術。

傳統的公鑰密碼體系，如RSA、ECC（橢圓曲線密碼學）等，依賴於整數因式分解和離散對數問題的計算難度，破解所需的時間極其漫長，在現有技術條件下十分安全。

然而，隨着量子計算機的發展，Shor算法等量子算法被發現能夠快速破解這些問題。以目前最流行和廣泛使用的加密算法——RSA算法為例，現在最常見的是2048位加密（密鑰長度越長破解時間越久），而Shor算法理論上能夠在短短8小時內破解長達2048位的RSA加密，從而威脅傳統公鑰密碼體系的安全性。

關於量子計算機對傳統密碼學的威脅和擔憂已經存在一段時間，但目前尚未變為現實。量子計算機的算力取決於能夠處理的量子比特數，目前的量子計算機只有數百到一千個噪聲量子比特，用於創建少量穩定和糾錯的量子比特。而要威脅到傳統加密技術，需要數千個穩定的量子比特，這可能需要數百萬個噪聲量子比特。因此，雖然量子計算機的能力正在迅速發展，但還沒有達到威脅經典加密的水平，但有業內專家表示，可能在未來5-10年內或更短的時間內達到這一水平。

儘管量子計算對傳統密碼學的威脅目前仍停留在理論階段，但目前一個最大的問題在於敏感信息的前向安全問題，雖然現在量子計算技術還未實現真正突破，但很多加密敏感信息在網上流轉，這意味着不法分子可以現在竊取加密數據並將其存儲起來，等量子計算技術成熟后再來解密。

應對這個問題，目前主要採取量子密鑰分發（QKD，Quantum Key Distribution）、后量子密碼（PQC，Post-Quantum Cryptography）、量子隨機數發生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）、量子隱形傳態（QT，Quantum Teleportation）等量子通信保密技術，其中QKD被認為是理論上唯一無條件安全的通信方式，因為QKD密鑰安全性是基於量子物理定律，而不是基於數學問題的計算複雜性。我國在基於QKD技術的量子保密通信組網建設上已初具規模，商業化應用正在持續推進，而PQC算法目前正在進行標準化論證。

4.2 量子保密通信的主要技術

量子計算是「矛」，量子保密通信是「盾」。在「第二次量子科技革命」正式來臨之前，量子保密通信技術的發展爲信息安全提供了新的解決方案，特別是在高安全需求的領域，如政府通信、金融交易和國防安全等。隨着技術的不斷成熟和應用的推廣，量子保密通信有望在未來構建更加安全和可靠的通信網絡。

（1）量子隨機數發生器（QRNG）

隨機數發生器是一種能夠產生隨機數序列的設備或算法，隨機數發生器在密碼學中非常重要，用於生成加密密鑰、初始化向量（IV）和其他需要保密的參數。它們確保了加密過程的安全性和不可預測性。

隨機數發生器分為真隨機數發生器（TRNG，True Random Number Generator）和偽隨機數發生器（PRNG，Pseudo-Random Number Generator），TRNG一般指基於物理過程或自然現象產生隨機性，例如電子設備的熱噪聲、放射性衰變、光子到達時間等。由於它們依賴於不可預測的物理過程，因此被認為是「真」隨機的。而PRNG使用確定性的算法，從一個初始狀態（種子）出發，按照算法規則生成隨機的數列。

由於TRNG每秒產生隨機數的數量有限，通常TRNG會作為PRNG的「種子」，產生真實且無法重複的隨機數序列，儘管PRNG也被稱為隨機數生成器，但實際上是高度可預測的，只要知道了算法和種子狀態，所以尋找完美的TRNG一直是重要研究方向。

量子隨機數發生器（QRNG）就是完美的TRNG，QRNG借用量子力學的量子隨機疊加性，利用量子世界概率特性，製作出真正的隨機密鑰。由於QRNG的量子機制已被充分掌握與理解，因此產生隨機數的量子組建已經被使用在信息加密上。QRNG目前主要研發方向在製作出更經濟、更快速和更微型的量子隨機芯片上。

（2）量子密鑰分發（QKD）

量子密鑰分發（QKD）利用量子態攜載信息，通過特定協議在通信雙方之間共享密鑰，該技術應用了量子力學的基本特性，確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會被合法用户所發現，從而實現迄今為止理論上唯一無條件安全的通信方式。

量子密鑰分發（QKD）的關鍵是用具有量子態的物質作為密碼，而量子態具有以下兩個關鍵特性，從而保證了信息的安全傳輸：

第一，量子態的測量會改變其狀態：根據量子力學的不確定性原理，對量子態進行測量會引起其狀態的改變。如果有人試圖竊取傳輸中的信息，必須對量子態進行測量，這樣就會對量子系統造成影響，被合法用户所察覺到。

第二，量子態的不可克隆性：根據量子力學的原理，不可能對未知的量子態進行完美的複製。這意味着無法在傳輸過程中竊取量子態的完整信息，保證了信息的安全性。

現階段，量子保密通信技術主要是利用QKD網絡實現密鑰的安全分發，再與對稱密碼技術相結合，進而保證信息的安全傳輸。簡單而言，就是在單模光纖兩端加上能代替常用光模塊功能的、光量子態的發送和接受設備，實現基於物理加密的保密通信。

QKD技術是實現量子通信的關鍵技術，但有了各種安全的QKD協議之后，速度快和傳輸距離遠的量子網也是實現量子通信不可或缺的一部分。儘管量子通信技術在QKD等方案的推動下已初步走向實用化，但傳輸距離和成本仍是制約整個行業的應用與產業發展的因素。商業化、基於光纖的點對點QKD在傳輸距離上受到限制，而衞星對地QKD遠距離傳輸又需要例如衞星等昂貴組件。量子通信的未來發展目標是建立一個覆蓋全球的廣域量子通信網絡體系，相關技術仍需要進一步突破。

（3）量子隱形傳態（QT）

量子隱形傳態（QT）是一種基於量子力學原理的信息傳輸方式。它允許在沒有物理傳輸介質的情況下，將一個量子系統的狀態（比如一個量子比特）精確地從一個地點（通常稱為「發送端」）傳輸到另一個地點（通常稱為「接收端」）。量子隱形傳態並不涉及物質本身的瞬間移動，而是量子信息的瞬間轉移。

量子隱形傳態的實現基於以下量子力學原理：

量子糾纏（Quantum Entanglement）：兩個或多個量子粒子之間存在一種特殊的關聯，即使它們相距遙遠，一個粒子的狀態改變會立即影響到與之糾纏的其他粒子的狀態。

量子態的不可克隆定理（No-Cloning Theorem）：不可能製作一個未知量子態的完美副本。

量子測量（Quantum Measurement）：對量子系統的測量會導態的坍縮，測量結果通常是隨機的。

量子隱形傳態的基本步驟包括：

a. 準備一對糾纏粒子，並將其中一個發送給接收端，另一個留在發送端。

b. 在發送端將待傳輸的量子比特與發送端的糾纏粒子進行特定的聯合測量。這個測量會導致量子比特的信息轉移到接收端的糾纏粒子上，但這個過程是隨機的，並且會破壞原始的量子比特狀態。

c. 將聯合測量的結果（經典信息）通過普通的通信渠道（比如電話或者互聯網）發送到接收端。

d. 根據接收到的經典信息，接收端對其擁有的糾纏粒子進行一系列的量子操作，以此來重構原始的量子比特狀態。

通過這個過程，發送端的量子信息被「隱形傳輸」到了接收端。重要的是要注意，量子隱形傳態並不允許超光速通信，因為重構原始狀態需要依賴於經典通信渠道傳輸的信息，而這個傳輸速率受限於光速。

量子隱形傳態目前主要在實驗室環境中進行研究，量子隱形傳態是實現遠距離量子通信和量子網絡的關鍵技術，有望在未來的量子互聯網中發揮重要作用。

（4）后量子密碼（PQC）

PQC技術是指研發設計能夠抵抗量子計算機攻擊的加密算法。目前，PQC以及量子密碼學領域已經開發出多種密碼學技術和算法用於對抗量子計算的威脅，其重點就是避免使用整數因式分解和離散對數問題來加密數據。具體方法包括基於格的密碼學、基於哈希的密碼學、基於代碼的密碼學和基於多變量的密碼學。

其中，基於格的加密技術被認為是目前最為突出和可靠的。在由美國國家標準與技術研究所（NIST）主導的全球影響力最大的PQC標準化工作中，其2023年選定的四種標準化算法，有三種都是基於格的加密技術。

新的后量子密碼雖然能抵抗Shor量子算法的破譯，但也並非萬無一失。一方面，儘管這些后量子密碼學問題目前看來難以攻破，但未來可能發現新的解決這些問題的方法；另一方面，后量子密碼算法的實際實現也可能存在缺陷，或者在參數選擇上出現失誤，這些都可能成為潛在的安全漏洞。

據悉，目前對PQC算法的安全性已經從理論層面的數學漏洞拓展到實際應用層面，被NIST提名的標準化算法之一的Kyber密鑰封裝機制（KEM），在2023年接連爆出在應對側信道攻擊上的安全漏洞。

實際攻擊的出現強調了在部署PQC算法時，及時檢查並修復潛在漏洞的重要性，促使PQC算法的不斷改進和演進，以提高真實應用場景中的安全性。

密碼技術對於國家安全而言，處於一個非常重要的地位。爲了保持數字世界的安全，PQC技術需要不斷發展和更新，以隨時適應新的威脅。

4.3 量子通信網絡和量子互聯網

（1）我國量子通信保密網絡建設情況

量子保密通信網絡核心設備包括QKD產品、信道與密鑰組網交換產品等。目前能夠實現的量子保密通信網絡，包括局域網、城域網和骨干網。

局域網實現一個單位或一處地點內多個終端的接入，對距離要求不高；城域網負責城市範圍內不同區域的連接，上聯骨干網，下聯局域網；而骨干網實現跨省、跨城的連接（包括地面光纖和衞星-地面站兩種實現方式），現階段以地面光纖為主，對距離要求高。

2016年8月，我國成功發射世界首顆量子科學實驗衞星——墨子號，成為世界上首個實現衞星和地面之間量子通信的國家，並充分驗證了利用衞星平臺實現全球化量子通信的可行性。

2018年經國家發改委批覆，中國科學院旗下的國科量子通信網絡有限公司承擔了建設國家廣域量子保密通信骨干網絡建設一期工程的任務，2022年全線貫通並通過驗收。國家量子骨干網覆蓋京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝雙城經濟圈等國家重要戰略區域，地面干線總里程超10000公里，是全球首個、也是目前唯一的大規模廣域量子網絡。

2023年6月，在第五屆長三角一體化發展高層論壇上，由國科量子建設和運營的長三角區域量子保密通信骨干網建設成果發佈。長三角區域量子保密通信骨干網絡線路總里程約2860公里，形成了以合肥、上海為核心節點，鏈接南京、杭州、無錫、金華、蕪湖等城市的環網。

城域網方面，2022年8月，安徽合肥開通了當時全國最大、覆蓋最廣、應用最多的量子城域網——合肥量子城域網，包含8個核心網站點和159個接入網站點，光纖全長1147公里。

目前二三十個城市都有自己的量子城域網，量子骨干網干線建設也有望加速帶動相應配套城市的城域網建設。以上海為例，在2024年3月22日舉行的上海市產業技術創新大會上，上海電信表示規劃在上海區域內建設量子保密通信城域網，有望在2024年完成一期建設，從而成為全國首個實用化量子通信網絡的標杆範例。

量子骨干網絡建設投資與整個項目的體量相當大，而目前量子網絡應用與客户羣體相對傳統項目較少。因此，后續量子應用部分仍需要各行業共同努力推廣，以加速整個量子網絡建設。

按照「四新」（新賽道、新技術、新平臺、新機制）標準，國務院國資委近期遴選確定了首批啟航企業，加快新領域新賽道佈局、培育發展新質生產力，重點佈局人工智能、量子信息、生物醫藥等新興領域。

此前在2024年1月，工業和信息化部、科學技術部和國務院國資委等七部門聯合印發《關於推動未來產業創新發展的實施意見》提出，前瞻部署新賽道，推動下一代移動通信、衞星互聯網、量子信息等技術產業化應用。

相關政策的密集出，體現了我國對量子通信技術重要性的認識，為行業發展提供了強有力的政策支持，有望推動中國量子通信行業在未來達到新的高度。

（2）量子互聯網

量子互聯網（Quantum Internet）是一個基於量子信息技術的全新的通信網絡概念，它利用量子力學的原理來實現數據的生成、存儲、傳輸和處理。與傳統的基於經典物理原理的互聯網不同，量子互聯網的核心在於利用量子比特和量子糾纏特性來提供更為安全和高效的通信能力。

量子互聯網除了可以絕對安全地傳送量子信息，還可以使用量子傳感器與量子計算機來從事量子精密測量、量子數字簽證、分佈式量子計算等。

量子互聯網具備三大要點：一是網絡連接的設備是量子設備；二是網絡傳輸的是量子信息；三是該網絡傳輸的方式基於量子力學。

儘管已有一些量子通信衞星和地面基站建成，併成功實現了跨地區的量子密鑰分發，但構建一個全球性的量子互聯網還面臨着巨大的技術和工程挑戰，需要解決現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

目前點對點利用光纖的QKD的使用安全距離達到百千米上下，在現有技術下，通過可信中繼器可以有效加長量子通信的距離。

2017年，我國量子保密通信干線「京滬干線」，通過32箇中繼節點，貫通全場約2000千米的城際光纖量子網並順利與量子衞星「墨子號」成功對接，構建成世界上第一個星地量子互聯網。

2018年1月，中國和奧地利之間首次實現了距離達7600千米的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信，標誌着「墨子號」已具備實現洲際量子保密通信的能力。

互聯網的發明將人類帶入信息時代，量子互聯網則將提供一個改變世界的機會，全球主要國家都在積極佈局。2020年8月，美國能源部發布《建立全國量子網引領通信新時代》的報告，提出10年內建成全國性量子互聯網的戰略藍圖。

總體而言目前商用量子計算機還未實現大規模應用，連接量子計算機的量子互聯網仍是未來概念，目前各國推動的QKD量子保密通信網絡是量子互聯網的雛形，量子互聯網的最終目標是將量子計算、量子測量等功能融合。

4.4量子通信的應用

根據ICV預測，2021年，全球量子通信市場規模約為23億美元，預計到2025年，增長到153億美元，到2030年，增長到421億美元，2021-2030年CAGR約為34%。

量子通信產業鏈主要分為上游元器件及核心設備，中游網絡傳輸線路及系統平臺以及下游安全應用市場。目前，量子通信市場仍處於通信網絡基礎設施建設階段，核心設備以及解決方案仍是產業鏈關鍵。根據ICV數據，上中游的核心設備及解決方案2025年市場規模預計佔比達到80%，約122.4億美元。

從目前我國量子通信基礎設施建設情況看，12000多公里的量子骨干網絡建設已經完成。按照總體規劃，后續可能還有將近2萬公里的骨干網絡建設，涉及到北京到蘭州、張家口、西安等地。

隨着我國量子通信網絡基礎設施進一步完善，下游商業化應用也值得期待。ICV諮詢數據顯示，2021年量子通信下游應用市場規模約為2.3億美元，2025年量子通信下游應用市場規模預計為30.6億美元，2030年將達到117.88億美元，2021-2030年CAGR約為54.87%。

目前量子保密通信仍侷限於國防、金融、政務等領域，未來量子通信產業將賦能更多下游場景，相關企業正在積極探索更多商業化應用領域。

其中，國盾量子聯合合作伙伴，將量子安全技術與大數據、雲計算、物聯網、人工智能等融合，共同推動「量子+」產業生態。國盾量子與中國電信共同推出了「量子安全OTN專線」「量子加密對講」等產品和業務，量子密話業務的用户數目前已達到百萬級以上；國盾量子及參股企業浙江國盾電力開展電力領域「量子+5G」應用示範，浙江省首座「量子+變電站」已在紹興投入運營；與釘釘（中國）等企業合作，共同研發「量子安全應用門户」等系列安全辦公產品。

隨着量子密鑰分發（QKD）組網技術成熟，終端設備趨於移動化、小型化，量子保密通信應用將擴展到電信網、企業網、個人家庭網等領域。

五、量子精密測量

量子精密測量技術是以量子力學為基礎理論的，採用粒子能級躍遷、量子糾纏、量子相干等技術原理，對微觀粒子如原子、光子等量子態製備、測量和讀取，實現對物理參數如磁場、頻率、電場、時間、長度等物理參數的高準確度精密測量。

5.1 量子精密測量的定義

量子精密測量的重要技術手段包括：基於微觀粒子能級測量、量子相干疊加測量和量子糾纏測量，也是量子力學的基本屬性。

（1）基於微觀粒子能級測量

根據玻爾的原子理論，原子從一個高的「能量態」躍遷至低的「能量態」時便會釋放電磁波。這種電磁波特徵頻率是不連續的。當待測物理量與量子體系相互作用時，量子體系發生如能級躍遷、能級劈裂或簡併等變化，此時量子體系就會輻射或吸收光譜，輻射或吸收光譜的能量大小與被測量的物理量相關。基於微觀粒子能級測量的技術對外界環境（如温度、磁場等）要求較高，依賴於對量子態的操控技術。如1967年將銫原子中電子能級躍遷周期的9192631770倍定義為1s就是應用了微觀粒子能級的技術原理。

（2）基於量子相干性測量

基於量子相干性測量技術主要利用量子體系的波動特性，待測物理量對兩束原子束產生不同的影響，當兩束原子發生干涉時，待測物理量就反應在原子束的相位差。原子陀螺儀、重力梯度儀等就是運用基於量子相干的技術原理。基於量子相干的技術手段已經應用在重力探測、慣性導航等領域。下一步的發展趨勢是朝着小型化、芯片化發展，增強系統實用性。

（3）基於量子糾纏測量

基於量子糾纏的測量技術是讓n個量子處於一種糾纏態上，外界環境對這n個量子的作用將相干疊加，使得最終的測量精度達到單個量子的1/n。該精度突破了經典力學的散粒噪聲極限，是量子力學理論範疇內所能達到的最高精度——海森堡極限。目前，基於量子糾纏的測量技術的應用領域包括量子通信、量子衞星導航、量子雷達等。

簡單來説，量子精密測量就是利用量子疊加、量子糾纏特性，從基本原理方面突破了傳統測量技術的經典極限，將環境中的各種變化，如温度、磁場、壓力、時間、長度、重量等各種基本物理量和導出量，都提升到量子極限。

5.2 量子精密測量技術的發展現狀和難點

在量子信息三大領域中，量子測量具有技術方向多元、應用場景豐富、產業化前景明確的特點。量子測量各技術方向的發展成熟度有較大差異，既有原子鍾、原子重力儀等已成熟商用產品，也有量子磁力計、光量子雷達和量子陀螺儀等處於工程化研發和應用探索階段的樣機產品，還有量子關聯成像、里德堡原子天線等尚處於系統技術攻關的原型機。

量子精密測量技術的進步需要在量子物理、材料科學、光學、電子學等多個領域的交叉融合和創新，面臨着諸多技術難點，主要包括：

（1）量子糾纏的生成和維持：量子糾纏是量子精密測量中的關鍵資源，但是在實驗中生成高質量的糾纏態並不容易，且糾纏態很容易因為外界環境的干擾而解纏（即退相干）。

（2）退相干和噪聲控制：量子系統非常脆弱，容易受到外部環境的影響，導致量子態的退相干。同時，各種噪聲源，如熱噪聲、電磁噪聲等，也會干擾測量結果。因此，要實現高精度測量，就需要極好地控制噪聲和退相干。

（3）探測器的效率與分辨率：量子精密測量常常需要高效率和高分辨率的探測器來檢測量子態。目前的探測器仍有提升空間，特別是在探測效率和時間分辨率方面。

（4）系統標定和誤差分析：爲了確保測量的準確性，需要對量子測量系統進行精確的標定。此外，測量結果的誤差分析也非常複雜，需要考慮系統誤差、統計誤差等多種因素。

（5）量子態的操控：量子精密測量往往需要對量子態進行精細的操控，包括製備特定的量子態、實現精確的量子態轉換等。這些操作對實驗技術要求極高。

（6）材料和器件的開發：製作用於量子精密測量的材料和器件，如量子點、超導量子干涉器等，既要滿足量子測量的需求，又要具備穩定性和可重複性，這在材料科學和器件工程上都是挑戰。

（7）大規模量子系統的可擴展性：雖然對於小規模量子系統，我們已經能夠實現較為精確的控制，但是如何將這些技術擴展到大規模系統，以便獲得更高精度的測量結果，依然是一個巨大的挑戰。

隨着量子技術的不斷發展，這些難點將逐步被克服，從而推動量子精密測量向實際應用領域的擴展。國際計量體系正處在由基於經典物理的實物標準向「量子標準」發展變革的時期。

2021年國務院印發的《計量發展規劃(2021-2035年)》以及2022年國務院印發的《十四五」市場監管現代化規劃》中，都明確提到要建立以量子計量為核心的國家現代先進測量體系，要研建量子計量基準，研究基於量子效應和物理常數的量子計量技術，推進計量標準的升級換代。

5.3 量子精密測量的應用

根據ICV數據，全球量子精測量密市場規模預計將從2023年的14.7億美元增長到2035年的39.0億美元，呈現不斷上升趨勢，年複合增長率為7.79%。其中，量子時鍾、量子重力儀&梯度儀、量子磁力計三大細分領域市場規模較大，合計約佔量子精密測量市場的85%。

（1）量子時鍾

原子鍾作為一種相對成熟的量子精密測量產品，具有高度準確和穩定的時間測量能力。目前光學原子鍾技術正迅速拓展其應用領域，涵蓋了鐵路移動通信、數據中心、國防和科學測量等多個行業。這一趨勢表明光學原子鍾不僅在科學實驗室中有着卓越表現，還逐漸走向實際應用，為不同行業提供精準的時間測量和同步服務。

量子時鍾憑藉其極高的穩定性和精度，可以在多個領域中發揮重要作用。以下是一些主要的應用場景：

全球定位系統（GPS）和衞星導航：量子時鍾可用於提高GPS和其他衛星導航系統的精確度。由於這些系統依賴於精確的時間測量來計算位置信息，因此量子時鍾可以極大地提高它們的性能和可靠性。

科學研究：物理學實驗，尤其是那些涉及到測量極其細微時間差異的實驗，可以從量子時鍾的高精度和穩定性中獲益。這包括基礎物理常數的測量、精密量子實驗、天體物理學觀測和探索宇宙的基本定律。

通信網絡：量子時鍾可以提高網絡同步的精度，這對於維護高速數據傳輸和通信系統的可靠性至關重要。隨着數據中心和網絡基礎設施的不斷擴展，對時間同步的需求也在不斷增長。

金融交易：在金融行業中，交易需要精確的時間戳記。量子時鍾的精確度可以用於提高交易系統的透明度和公正性，尤其是在高頻交易中。

軍事和國防：精確的時間測量對於現代軍事通信、導航、情報收集和武器系統至關重要。量子時鍾可以提高這些系統的性能和準確性。

量子計算和量子信息：量子時鍾還可以在量子計算機和量子通信領域發揮重要作用，這些領域依賴於精確控制和測量量子比特（qubits）的狀態。

地球物理學和氣候監測：量子時鍾有望用於更精確地監測地球的自轉、地殼運動和海平面變化，這些數據對於瞭解和預測氣候變化和自然災害至關重要。

深空探測：在深空任務中，量子時鍾可以提供更精確的導航和控制，幫助航天器進行長距離的宇宙旅行。

根據ICV數據，2023-2035年，量子時鍾市場呈現出穩步增長趨勢，市場規模從2023年的5.8億美元增長到12.1億 美元，年複合增長率(CAGR)達到5.77%。

（2）量子重力儀

量子重力儀是一種高精度的儀器，它利用量子力學的原理來測量地球的重力場。這些設備通常使用超冷的原子雲，通過對原子的自由落體運動進行精確測量，來探測重力場的微小變化。量子重力儀的工作原理基於量子干涉，這是一種量子物理現象，其中原子的波函數（或狀態）被分割、轉移和再組合，以產生可測量的干涉圖案。

隨着科學研究和工程應用對重力場和重力梯度的精確測量需求不斷提高，量子重力儀和量子重力梯度儀憑藉其高動態場景可靠性、無漂移等優勢在領域得到廣泛應用：

地球物理學研究：探測地殼運動、地震監測、火山活動研究、地下水位測量等。

礦產和石油勘探：確定地下岩石密度分佈，幫助發現礦產資源和油田。

工程與建築：在建築工程中，監測重力變化以評估地基的穩定性。

國防和國家安全：量子重力儀的高精度測量能力在國防領域有潛在應用，例如用於水下導航和地下結構探測。

導航系統：為潛艇或其他需要精確地面參照數據的車輛提供精確的慣性導航信息。

目前，量子重力儀與梯度儀主要被用於軍事領域。根據ICV數據，2023年軍事國防佔據了44%的市場份額，其次是研究領域，佔據了33%的份額，而與油氣勘探相關的民用市場則佔據了23%的份額。

隨着技術的不斷成熟以及下游應用市場的不斷拓展，產品的價格和性能將發揮關鍵作用，民用市場將帶來量子重力儀和量子重力梯度儀市場呈現強勁的增長態勢。市場規模從2023年的1.7億美元迅速增長至2035年的10.7億美元，年複合增長率達15.21%，彰顯了該領域的巨大潛力。

（3）量子磁力計

量子磁力計是一種利用量子效應來測量磁場強度的儀器。它們通常比傳統磁力計更敏感，能夠檢測極其微弱的磁場。量子磁力計工作的基本原理是，當某些物質（通常是原子或電子）的量子態受到外部磁場的影響時，它們的能級會發生變化。通過精確測量這些能級變化，可以推算出磁場的強度。

在當前量子磁力計市場中，技術多樣性是顯著的特點。各種技術，包括質子磁力計、SQUID磁力計、 OPM磁力計、SERF磁力計、NV色心磁力計等，都在不同的應用場景中發揮獨特優勢。這使得市場在技術上呈現出多元化和廣泛的選擇。

量子磁力計具有高靈敏度和精確度，在多個領域有着廣泛的應用場景，以下是一些主要的應用場景：

地球物理勘探：量子磁力計可以用於探測地下的磁性礦物，如鐵礦石，從而幫助地質學家識別礦產資源。此外，它們還可以用於監測地磁場變化，以預測地震和其他地質事件。

醫療成像：在磁共振成像（MRI）中，量子磁力計可以幫助提高成像的分辨率和質量。此外，它們還可以用於磁粒子成像（MPI）技術，這是一種新興的成像技術，有望在未來成為一種無輻射的醫學成像方法。

生物學研究：量子磁力計可以用於測量生物體內的微弱磁場，例如，監測心臟的磁場變化以研究心臟疾病，或者跟蹤神經系統中的信號傳導。

軍事和安全：在軍事領域，量子磁力計可以用於探測潛艇、地雷或其他隱藏的金屬物體。此外，它們還可以用於防止間諜設備的偵聽和監視。

空間和天文物理學：量子磁力計能夠探測太空中的微弱磁場，從而幫助研究太陽風、行星磁場和星際磁場等現象。

基礎物理研究：在實驗物理學中，量子磁力計可以用於探測極其微弱的磁場，這對於粒子物理、量子物理和凝聚態物理等領域的研究至關重要。

工業應用：量子磁力計可以用於無損檢測，例如檢測管道、飛機和橋樑中的微小裂紋和腐蝕，以確保這些結構的安全性。

量子磁力計在科學研究中的應用日益廣泛，尤其在物理學、地球科學和生物醫學領域。同時，在工業領域，量子磁力計廣泛應用於磁性材料測試、電子製造等。這些應用的拓展進一步推動了市場規模的增長。

根據ICV數據，量子磁力計市場在2023-2035年中，呈現出穩步增長態勢，從2023年的4.8億美元增長至2035年的10.0億美元，這一增長趨勢主要受到科學研究、工業領域和其他領域對高精度磁力測量的不斷需求推動。

六、量子科技投資全景圖

6.1 量子科技公司圖譜

（1）量子計算領域主要公司

（2）量子通信領域主要公司

（3）量子測量領域主要公司

6.2 國內主要量子科技公司評價

本報告參考文獻

[1]張慶瑞,《量子大趨勢》

[2]iCV&光子盒,《2024 全球量子計算產業發展展望》

[3]iCV&光子盒,《2024 全球量子通信與安全產業發展展望》

[4]iCV&光子盒,《2024 全球量子精密測量產業發展展望》

[5]東吳證券,《量子信息：下一場信息革命》

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數據｜案例｜觀點來源

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出品：第一財經丨第一財經投研中心

主編：錢焜

主筆：王媛麗

編輯：黃宇