量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

No.202232

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

研究報告

(2022年)

中國信息通信研究院

2023年1月

前言

以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)，是量

子科技重要組成部分，有望成為未來重大技術(shù)范式變革和顛覆式創(chuàng)新

應(yīng)用的新源泉。發(fā)展量子信息技術(shù)，推動科研成果應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)

建，已成為全球在前沿科技領(lǐng)域政策布局與投資支持推動的熱點，也

是各國構(gòu)建未來產(chǎn)業(yè)競爭力，維護(hù)國家技術(shù)主權(quán)的重要方向之一。

2022年度諾貝爾物理學(xué)獎，授予AlainAspect、JohnF.Clauser和Anton

Zeilinger，表彰他們使用糾纏量子態(tài)進(jìn)行開創(chuàng)性實驗，為基于量子信

息的新技術(shù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高全球關(guān)注熱度。

近年來，量子信息技術(shù)科研加速發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新活躍，亮點成果

不斷涌現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化研究取得階段性進(jìn)展，應(yīng)用場景探索廣泛開展，產(chǎn)

業(yè)生態(tài)培育方興未艾。我國量子信息技術(shù)領(lǐng)域具備良好基礎(chǔ)，前沿研

究、樣機研發(fā)和應(yīng)用推廣等方面取得諸多進(jìn)展，未來有望在基礎(chǔ)科研、

應(yīng)用推廣與供應(yīng)鏈構(gòu)建等方面取得更多成果。

2018年起，中國信息通信研究院連續(xù)4年發(fā)布《量子信息技術(shù)

發(fā)展與應(yīng)用研究報告》，成為管理部門和行業(yè)各方掌握量子信息領(lǐng)域

發(fā)展動態(tài)的重要參考。本報告聚焦2022年量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，

梳理三大領(lǐng)域的最新研究與應(yīng)用進(jìn)展，分析探討熱點問題，展望技術(shù)

演進(jìn)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展趨勢，希望為促進(jìn)凝聚業(yè)界共識，形成發(fā)展合力

貢獻(xiàn)力量。

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

一、量子信息技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢

(一)量子信息技術(shù)是量子科技的重要組成部分

上世紀(jì)量子力學(xué)創(chuàng)立和發(fā)展，開啟了人類對微觀物理世界的認(rèn)識。

通過對光電效應(yīng)、受激輻射光放大、固體能帶與能級躍遷等現(xiàn)象和規(guī)

律的闡釋與利用，誕生了以半導(dǎo)體、激光器和傳感器為代表的信息測

量、傳輸與處理技術(shù)，成為從工業(yè)社會邁向信息社會的核心驅(qū)動力。

本世紀(jì)量子調(diào)控技術(shù)研究和發(fā)展，將進(jìn)一步深化人類對微觀物理世界

的理解。通過開發(fā)新材料、構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)新物態(tài)和研發(fā)新測控手

段，對量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等新穎物理現(xiàn)象加以利用，并

與通信、信息、材料和能源等領(lǐng)域交叉融合而形成的量子科技，有望

成為未來重大技術(shù)范式變革和顛覆式創(chuàng)新應(yīng)用的新源泉。

來源：中國信息通信研究院

圖1量子信息技術(shù)是量子科技的重要組成部分

量子信息技術(shù)是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過對微觀量子系統(tǒng)中

物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和觀測，實現(xiàn)信息感知、計算和傳輸?shù)娜滦?/p>

息處理方式。量子信息技術(shù)是量子科技重要組成部分，如圖1所示，

1

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域，在提升計算困難

問題運算處理能力、加強信息安全保護(hù)能力、提高傳感測量精度等方

面，具備超越經(jīng)典信息技術(shù)的潛力。

量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實

現(xiàn)并行計算，能在某些計算困難問題上提供指數(shù)級加速，是未來計算

能力跨越式發(fā)展的重要方向。硬件系統(tǒng)研發(fā)仍處于多種技術(shù)路線并行

發(fā)展階段，超導(dǎo)和光量子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性實驗驗證，離子阱量子

體積指標(biāo)領(lǐng)先，中性原子可能成為量子模擬重要平臺。編譯開發(fā)與算

法應(yīng)用軟件領(lǐng)域百家爭鳴，多類型編程框架、開發(fā)平臺、模擬器和算

法軟件工具通過開源社區(qū)開放競爭，科技巨頭在軟件和用戶生態(tài)構(gòu)建

方面占據(jù)優(yōu)勢。量子計算與模擬的應(yīng)用探索在各行業(yè)領(lǐng)域廣泛開展，

業(yè)界期待未來在材料與生物醫(yī)藥化學(xué)模擬、以及復(fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化

等領(lǐng)域，率先展示實用化量子計算應(yīng)用案例及其優(yōu)越性。

量子通信利用量子疊加態(tài)或糾纏效應(yīng)，在經(jīng)典通信輔助下進(jìn)行量

子態(tài)信息傳輸或密鑰分發(fā)，理論協(xié)議層面具有信息論可證明安全性，

部分協(xié)議可實現(xiàn)經(jīng)典信息傳輸?；诹孔用荑€分發(fā)（QKD）、量子隨

機數(shù)發(fā)生器（QRNG）和量子安全直接通信（QSDC）等技術(shù)方案的量

子保密通信初步實用化，在科研領(lǐng)域持續(xù)探索新型協(xié)議系統(tǒng)和提升技

術(shù)水平，在國內(nèi)外進(jìn)一步開展應(yīng)用探索和標(biāo)準(zhǔn)化研究，但應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)

發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)?；诹孔蛹m纏操控、量子隱形傳態(tài)、量子存儲中繼

和量子態(tài)轉(zhuǎn)換等使能技術(shù)和組件，構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)是量子通信領(lǐng)域

未來的重要發(fā)展方向，近年來國內(nèi)外在基礎(chǔ)科研探索和系統(tǒng)原型實驗

等方面取得一定進(jìn)展，但距離實用化仍有較大差距。

2

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

量子測量對外界物理量變化導(dǎo)致的微觀粒子系統(tǒng)量子態(tài)變化進(jìn)

行調(diào)控和觀測，實現(xiàn)精密傳感測量，在精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面

相較傳統(tǒng)技術(shù)帶來數(shù)量級提升。當(dāng)前量子測量技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展的主要

方向包括：基于量子時間頻率基準(zhǔn)的授時定位，如光晶格原子鐘與時

頻傳輸；基于量子陀螺的自主姿態(tài)控制與導(dǎo)航，如冷原子干涉或無自

旋交換弛豫原子自旋（SERF）陀螺；基于量子微弱磁場測量的金屬目

標(biāo)探測或生物磁信號成像，如心/腦磁圖和分子級磁共振譜；基于量子

絕對重力儀或重力梯度儀的地質(zhì)及地下結(jié)構(gòu)勘測；基于單光子探測和

光量子雷達(dá)的目標(biāo)成像與環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等。多類型量子測量樣機和產(chǎn)

品，在航天、國防、醫(yī)療、環(huán)保和科研等領(lǐng)域探索應(yīng)用。

(二)量子信息成為全球多國政策布局與投資熱點

近年來，全球主要國家在量子信息技術(shù)領(lǐng)域加強科技政策布局，

推出發(fā)展戰(zhàn)略和研究項目規(guī)劃，加大公共研發(fā)資金的支持投入力度。

量子信息領(lǐng)域的國家級規(guī)劃與投資情況在2021年報告已初步總結(jié)1，

截至2022年9月，全球投資最新進(jìn)展的不完全統(tǒng)計已達(dá)160億美元

以上。我國近年來高度重視量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，隨著“十四五”規(guī)

劃中關(guān)于組建國家實驗室和實施重大科技項目等措施的逐步落實，科

研布局與支持力度進(jìn)一步加強。需要指出，在國外統(tǒng)計2和報告3中，

對我國量子信息領(lǐng)域的公共資金投資規(guī)模，大都不同程度上存在缺乏

來源依據(jù)的臆想與夸大，例如“中國量子信息領(lǐng)域投資總額達(dá)150億

1/kxyj/qwfb/bps/202112/t20211224_394517.htm

2/overview-on-quantum-initiatives-worldwide-update-2022/

3/reports/state-of-quantum-computing-building-a-quantum-economy

3

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

美元”說法在多個報告間相互引用，頗有三人成虎之勢。

國家公共研究資金、大型科技企業(yè)投資和社會資本投融資是支持

和推動量子信息技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展的三大支柱。IBM、谷歌、Intel

和微軟等科技巨頭在量子計算領(lǐng)域的持續(xù)投資布局，已成為推動樣機

研發(fā)和應(yīng)用探索的重要力量，但具體投資規(guī)劃和金額規(guī)模難見公開信

息披露。近年來，量子信息領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)獲市場高度關(guān)注，通過社

會資本股權(quán)投資和證券市場上市融資等形式獲得大量資金支持。量子

信息領(lǐng)域投融資近兩年來呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢，2020和2021年投資

金額分別達(dá)到7億美元和14億美元4，超過2010-2019共十年的總和。

值得關(guān)注的國外量子技術(shù)企業(yè)融資上市不完全統(tǒng)計情況如表1所示，

量子技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)在歐美聚集度和關(guān)注度更高，市場投資高度集中在

量子計算領(lǐng)域，其中又以量子計算系統(tǒng)硬件制造企業(yè)最受追捧，反映

出量子計算機研發(fā)在整個量子信息技術(shù)領(lǐng)域的重要價值和意義。

表1近年國外量子技術(shù)企業(yè)融資與上市概況

融資/收益5

企業(yè)（國家）技術(shù)領(lǐng)域融資類型時間

（億美元）

PsiQuantum（美）量子計算股權(quán)投資6.652021

Quantinuum（英/美）量子計算股權(quán)投資3.002021

Xanadu（加）量子計算股權(quán)投資1.452021

IQMQuantumComputers（芬）量子計算股權(quán)投資1.282022

QuantumMachines（以）量子計算股權(quán)投資0.752022

IonQ（美）量子計算NYSE上市6.362021

Rigetti（美）量子計算NASDAQ上市2.622021

Arqit（英）量子加密NASDAQ上市0.702021

4/~/media/mckinsey/business%20functions/mckinsey%20digital/our%20insights/quantu

m%20computing%20funding%20remains%20strong%20but%20talent%20gap%20raises%20concern/quantum-

technology-monitor.pdf

5通過特殊目的收購公司（SPAC）完成首次公開募股（IPO）的交易收益（扣除贖回）。

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

D-Wave（加）量子計算NYSE上市0.092022

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理（截至2022年9月）

2022年，美國在量子信息領(lǐng)域進(jìn)一步加大政策布局和規(guī)劃投資

力度，出臺多項法案、政令、規(guī)劃和研究報告，全方位推動量子信息

科研、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)、教育和國際合作等方面發(fā)展。

在規(guī)劃投資方面，2021年12月公布的《國家量子行動（NQI）》

計劃最新預(yù)算年度報告6顯示，2018年NQI立法后的4個財年以來，

預(yù)算授權(quán)和請求金額分別為4.49億、6.72億、7.93億和8.77億，總

額達(dá)27.91億美元，已超過原計劃投資規(guī)模（5年合計12.75億）的兩

倍以上。8月美國通過的《芯片和科學(xué)》法案7中，包含量子科學(xué)網(wǎng)絡(luò)、

科學(xué)技術(shù)量子用戶擴展、量子網(wǎng)絡(luò)與通信研究和標(biāo)準(zhǔn)化、下一代量子

領(lǐng)導(dǎo)者先導(dǎo)計劃4個項目，未來五年新增預(yù)算金額7.65億美元。

在政策文件方面，NQI辦公室2月發(fā)布《量子信息科學(xué)技術(shù)勞動

力發(fā)展國家戰(zhàn)略》計劃8，評估人力資源需求，提出科普教育宣傳等方

面人才培養(yǎng)規(guī)劃舉措。3月發(fā)布《將量子傳感器付諸實踐》報告9，分

析量子測量技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)，提出加強應(yīng)用研究、開發(fā)組件子系統(tǒng)和簡

化技術(shù)轉(zhuǎn)讓與準(zhǔn)入等發(fā)展建議。白宮2月更新《關(guān)鍵和新興技術(shù)》清

單10，列入量子計算、量子器件材料與制造、抗量子計算破解加密、

量子傳感和量子網(wǎng)絡(luò)等5項量子信息技術(shù)。5月簽發(fā)兩項總統(tǒng)行政令

6/wp-content/uploads/2021/12/NQI-Annual-Report-FY2022.pdf

7/quantum-in-the-chips-and-science-act-of-2022

8/wp-content/uploads/2022/02/QIST-Natl-Workforce-Plan.pdf

9/wp-content/uploads/2022/03/BringingQuantumSensorstoFruition.pdf

10/wp-content/uploads/2022/02/02-2022-Critical-and-Emerging-Technologies-List-

Update.pdf

5

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

11，一是強化NQI咨詢委員會職能，二是部署國家信息系統(tǒng)中的抗量

子計算破解加密技術(shù)產(chǎn)品升級工作。

牽頭實施NQI計劃的能源部（DOE）、國家科學(xué)基金（NSF）和

國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST），近期發(fā)布了該計劃實施和投資進(jìn)展

情況。其中，DOE報告12顯示，投資6.25億美元在其下屬的5個國家

實驗室組建多方協(xié)作的量子技術(shù)研究中心。此外，還投資3.84億美元

在量子材料、核聚變、量子網(wǎng)絡(luò)、量子計算軟件算法、量子信息與核

物理融合研究等方面支持了25個項目。NSF網(wǎng)站13顯示，資助成立5

家量子飛躍挑戰(zhàn)研究所和14所優(yōu)勢高校構(gòu)建量子科研與教育基地，

開展18項專題研究項目投資。NIST網(wǎng)站14顯示，在離子光鐘、量子

存儲器、冷原子傳感器、量子通信和網(wǎng)絡(luò)、中性原子量子計算模擬、

單光子測量等方向部署開展40個科研項目。

(三)量子信息三大領(lǐng)域科研與技術(shù)創(chuàng)新快速發(fā)展

量子信息技術(shù)科學(xué)研究探索發(fā)展迅速，已成為前沿科技領(lǐng)域的熱

點，近年來科研論文發(fā)表量的趨勢見圖2，其中量子計算領(lǐng)域科研產(chǎn)

出近十年增長趨勢顯著，在三大領(lǐng)域中最為活躍。

11/briefing-room/presidential-actions/2022/05/04/executive-order-on-enhancing-the-

national-quantum-initiative-advisory-committee/

/briefing-room/statements-releases/2022/05/04/national-security-memorandum-on-

promoting-united-states-leadership-in-quantum-computing-while-mitigating-risks-to-vulnerable-cryptographic-

systems/

12/technologytransitions/downloads/spotlight-quantum-information-science-and-technology

13/mps/quantum/quantum_research_at_nsf.jsp

14/quantum-information-science

6

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院（截至2022年9月）

圖2量子信息三大領(lǐng)域近年來科研論文趨勢15

來源：中國信息通信研究院（截至2022年9月）

圖3量子信息三大領(lǐng)域近年來專利申請趨勢

近年來，量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域的全球?qū)＠?/p>

請數(shù)量變化趨勢如圖3所示。其中，量子計算領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新活躍，專

利申請數(shù)量上升迅速，自2019年起已成為量子信息領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)

量最多的方向，四年來持續(xù)保持領(lǐng)先并呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。量子通信

領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量增長平穩(wěn)，量子測量相比其他兩個領(lǐng)域，在專利絕

對數(shù)量和增長趨勢方面差異較為明顯。

152022年科研論文數(shù)量僅包含前9個月。

7

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院（截至2022年9月）

圖4量子信息三大領(lǐng)域各國專利申請占比情況

全球各國量子信息領(lǐng)域的專利申請占比情況如圖4所示，其中

量子計算領(lǐng)域美國技術(shù)創(chuàng)新活躍，專利申請占比達(dá)到56%，中國位居

第二，專利申請數(shù)量占比達(dá)到26%。在量子通信和量子測量領(lǐng)域，中

國專利申請數(shù)量均處于全球領(lǐng)先，占比分別為54%和49%，美國專利

申請數(shù)量均處于第二位，占比分別為24%和32%。從專利申請數(shù)量角

度看，中美兩國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新能力較強。

我國各省市量子信息領(lǐng)域的專利申請量分布情況如圖5所示。

量子通信領(lǐng)域?qū)＠倲?shù)最高，相關(guān)高校、科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)公司聚集區(qū)

域，如北京、安徽和江蘇等省市的專利數(shù)量處于領(lǐng)先。量子計算領(lǐng)域

以科研為主，應(yīng)用產(chǎn)業(yè)處于探索起步期，國內(nèi)發(fā)展水平較平均，高校

和研究機構(gòu)聚集的北京和安徽等地的專利數(shù)量靠前。量子測量領(lǐng)域?qū)?/p>

利數(shù)量較少，安徽和北京的專利申請量明顯高于其他地區(qū)。從專利申

請數(shù)量和分布看，我國北京、安徽、浙江、江蘇和廣東等地區(qū)，已成

為量子信息技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的創(chuàng)新高地。

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院（截至2022年9月）

圖5我國各省市量子信息專利申請量

(四)量子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育受到多方重視

當(dāng)前，量子信息技術(shù)整體處于從基礎(chǔ)科研與實驗探索，向產(chǎn)品研

發(fā)與應(yīng)用探索過渡的早期階段。未來，量子信息技術(shù)從科研走向應(yīng)用

和產(chǎn)業(yè)化16需要多要素的協(xié)同推動：一是政府公共研究資金和私營部

門社會投資的長期穩(wěn)定投入；二是學(xué)術(shù)科研機構(gòu)的攻關(guān)突破與技術(shù)創(chuàng)

新驅(qū)動；三是產(chǎn)業(yè)公司和初創(chuàng)企業(yè)的技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、應(yīng)用場景開發(fā)和

商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化；四是在政策、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)、測評、認(rèn)證和人力資源等

多方面的配套支持。近年來，推動量子信息三大領(lǐng)域科研探索，促進(jìn)

科研成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化，打造技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈與供應(yīng)鏈，加強量子技術(shù)技

能人力資源建設(shè)，構(gòu)建培育量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，已成為各國

開展中長期體系化布局，維護(hù)量子技術(shù)主權(quán)的普遍共識。

16/pubs/research_reports/RRA869-1.html

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理

圖6全球各國量子信息技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟概況

全球主要國家在量子信息技術(shù)領(lǐng)域，成立和推動產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟類平臺

組織的進(jìn)展情況概況如圖6所示。美國量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（QED·C）

是全球各類量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中成立最早和發(fā)展最活躍的平臺，

由斯坦福研究院（SRI）運營，包含美國境內(nèi)160余家高校、科研機

構(gòu)、科技企業(yè)和初創(chuàng)公司，2022年通過政府間協(xié)議等方式，擴展與36

個西方國家的成員合作關(guān)系。目前已發(fā)布《量子傳感》、《實用量子中

間表示（PIRQ）》、《量子安全組織指南》和面向應(yīng)用的量子計算性能

基準(zhǔn)測試等多項研究報告與開源軟件工具17。歐盟、荷蘭、加拿大、

德國和日本也成立量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，促進(jìn)管理部門、研究機構(gòu)

和產(chǎn)業(yè)公司等利益相關(guān)方和交流與合作研討。以色列成立有30余家

公司參與的量子計算、量子傳感和量子密碼產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟18。澳大利亞也

成立由6家本地企業(yè)與3家美國企業(yè)發(fā)起的量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟19。促進(jìn)利

17/news-and-updates/

18/10.1063/PT.3.4898

19/australian-quantum-leaders-form-industry-alliance/

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

益相關(guān)方協(xié)同創(chuàng)新的量子經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，正成為各國構(gòu)建培育技術(shù)產(chǎn)

業(yè)生態(tài)和供應(yīng)鏈，加強未來產(chǎn)業(yè)競爭力的重要平臺。

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理

圖7美國量子信息領(lǐng)域行業(yè)聯(lián)盟平臺概況

在國家級產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺之外，由科技企業(yè)和研究機構(gòu)等組建和運

營的量子信息行業(yè)聯(lián)盟平臺，近年來也成為推動構(gòu)建應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)的

重要力量。美國企業(yè)和研究機構(gòu)在量子信息領(lǐng)域行業(yè)聯(lián)盟平臺發(fā)展方

面表現(xiàn)活躍，代表性平臺概況如圖7所示。量子計算云平臺服務(wù)是推

動技術(shù)供需雙方協(xié)同創(chuàng)新的重要形式，IBM量子網(wǎng)絡(luò)20基于自研超導(dǎo)

量子計算QExperience云平臺和OpenQASM軟件編程框架，為全球

180余家成員提供軟硬件一體化服務(wù)和合作研發(fā)。亞馬遜Braket21聯(lián)

合多家量子計算硬件廠商提供商業(yè)級量子計算云服務(wù)。芝加哥量子交

易所、西北量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息前沿等行業(yè)聯(lián)盟平臺在量子器件技術(shù)

研發(fā)、量子計算機研制與測試、應(yīng)用開發(fā)等方面推動合作。近期，美

20/quantum/network

21/braket

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

國成立華盛頓量子網(wǎng)絡(luò)研究聯(lián)盟（DC-QNet）22，共同開展量子互聯(lián)

網(wǎng)的原型研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)測試和應(yīng)用探索等合作。

近年來，我國量子信息領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等工作

也逐步得到重視和加強。2022年7月，由工信部指導(dǎo)，中國信通院聯(lián)

合國內(nèi)量子信息領(lǐng)域高校、科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)公司共同發(fā)起的量子信息

網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在京正式成立，目前已有成員單位55家，組織推動和

開展了技術(shù)論壇交流、應(yīng)用案例征集、行業(yè)報告研究、產(chǎn)品驗證測評

等工作。此外，在電子學(xué)會、通信學(xué)會、計算機學(xué)會、信息協(xié)會等行

業(yè)平臺，也成立了量子計算、量子通信等方向的分會組織，推動開展

年度學(xué)術(shù)進(jìn)展報告交流和產(chǎn)業(yè)研討會議論壇等多學(xué)科領(lǐng)域的交流與

研討。在行業(yè)聯(lián)盟平臺方面，本源量子2018年組建量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)

盟23，與上游供應(yīng)鏈和下游用戶企業(yè)等20余家單位，推動開展研發(fā)制

造、應(yīng)用探索和科普教育等方面合作。

二、量子計算領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

(一)樣機研發(fā)多路線競相爭鳴，研究進(jìn)展亮點紛呈

量子力學(xué)刻畫微觀粒子系統(tǒng)中的疊加性與糾纏性等獨特性質(zhì)，為

新的計算范式提供了物理基礎(chǔ)。量子計算是迄今已知的，可以提供與

當(dāng)今計算機相比，運算處理能力指數(shù)級加速的唯一計算模型24。量子

計算硬件技術(shù)主要分兩大類，一類是以超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體為代表的人造

22/nrl-announces-the-washington-metropolitan-quantum-network-research-consortium-

dc-qnet/

23/zh/union.html

24/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

粒子路線，另一類是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子

路線。量子計算硬件研發(fā)目前處于各種技術(shù)路線并行發(fā)展和開放競爭

階段，近期科研不斷取得進(jìn)展，亮點成果紛呈。

超導(dǎo)量子計算處理器核心器件為超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，具有可設(shè)計、

可擴展、易控制、易耦合等優(yōu)勢，近年來衍生出Transmon、Xmon、

Fluxonium等多種新型超導(dǎo)量子比特。近期超導(dǎo)技術(shù)路線在比特數(shù)量

和保真度方面均有突破。2022年2月，Rigetti上線Aspen-M80量子

比特系統(tǒng)，預(yù)計明年初發(fā)布84個量子比特單芯片處理器Ankaa25。5

月，IBM發(fā)布新技術(shù)路線圖，預(yù)計年底發(fā)布433量子比特Osprey處

理器，明年推出1121量子比特Condor處理器，并探索并行芯片擴展

方案，2025年實現(xiàn)3處理器集成4000+量子比特系統(tǒng)26。7月，阿里

報道27實現(xiàn)Fluxonium系統(tǒng)中雙比特門的99.72%保真度。8月，百度

發(fā)布超導(dǎo)量子計算機乾始28。超導(dǎo)技術(shù)路線是通用量子計算有力競爭

者之一，得到眾多科研機構(gòu)、科技企業(yè)和初創(chuàng)公司支持，比特數(shù)量穩(wěn)

步提升，每秒電路層操作數(shù)（CLOPS）等指標(biāo)占優(yōu)。

硅半導(dǎo)體量子計算處理器在硅或者砷化鎵等半導(dǎo)體材料制備門

控量子點來編碼量子比特，優(yōu)勢在于可擴展性好，且與成熟CMOS工

藝相兼容。硅半導(dǎo)體量子比特主要分光門控和電門控兩類，前者通常

使用光學(xué)活性缺陷或量子點來誘導(dǎo)光子間的強有效耦合，后者通過施

加在光刻金屬門上的電壓來限制和操縱形成量子比特的電子。硅半導(dǎo)

25/news-release/2022/02/15/2385386/0/en/Rigetti-Computing-Announces-

Commercial-Availability-of-80-Qubit-Aspen-M-System-and-Results-of-CLOPS-Speed-Tests.html

26/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

27/10.1103/PhysRevLett.129.010502

28/news/quantum-create-2022-summary

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

體技術(shù)路線近期主要進(jìn)展在于量子比特數(shù)量和保真度提升。2022年1

月，《自然》雜志發(fā)表澳大利亞UNSW大學(xué)、荷蘭Delft理工和日本

理化研究所三個團(tuán)隊成果29，不同方案硅基量子處理器的雙量子比特

門保真度均達(dá)到99%以上。9月，荷蘭QuTech實現(xiàn)6位硅基自旋量

子比特的新紀(jì)錄30，實現(xiàn)99.77%保真度單量子門操控。未來，克服電

子自旋易受電磁環(huán)境影響，將是硅半導(dǎo)體科研攻關(guān)的主要目標(biāo)。

離子阱量子處理器利用電荷與磁場間的交互作用力，形成勢阱操

控帶電粒子構(gòu)建二能級量子比特。操控手段包括通過電場和磁場結(jié)合

形成電勢的Penning阱，以及靜態(tài)和振蕩電場相組合形成電勢的Paul

阱等。量子比特包括利用基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)之間的能極差構(gòu)建的光學(xué)量子

比特和區(qū)分不同基態(tài)的超精細(xì)量子比特等。離子阱技術(shù)路線具有天然

粒子全同、相干時間長等優(yōu)勢，近期主要進(jìn)展是保真度提升和全連接

比特數(shù)增長。2022年3月，IonQ報道鋇基離子阱處理器的保真度達(dá)

99.96%，5月推出32量子比特處理器Forte31。6月，Quantinuum的

Model-H1離子阱量子計算機擴展到20全連接量子比特，9月實現(xiàn)量

子體積指標(biāo)8192新紀(jì)錄32。離子阱是通用量子計算另一有力競爭者，

保真度和相干時間等指標(biāo)有優(yōu)勢，未來樣機研發(fā)在真空、激光、微波

和電子學(xué)等多個工程領(lǐng)域需持續(xù)攻關(guān)。

光量子處理器利用單光子或光壓縮態(tài)的多種自由度進(jìn)行量子態(tài)

編碼和量子比特構(gòu)建，優(yōu)勢在于光子受環(huán)境影響小、可常溫環(huán)境工作、

29/10.1038/s41586-021-04292-7、/10.1038/s41586-021-04273-w、

/10.1038/s41586-021-04182-y

30/10.1038/s41586-022-05117-x

31/posts/may-17-2022-ionq-forte

32/pressrelease/quantinuum-sets-new-record-with-highest-ever-quantum-volume

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

相干時間長等。光量子計算主要挑戰(zhàn)是在不同光子態(tài)之間構(gòu)建的雙量

子比特門和實現(xiàn)邏輯操作，典型策略是在線性光學(xué)量子計算中通過單

光子操作和測量的結(jié)合實現(xiàn)雙比特邏輯門，或是利用集成光學(xué)的體系

結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光子間相互作用。近期光量子技術(shù)路線科研進(jìn)展主要是量子

優(yōu)越性證明和光子糾纏操控實驗。2022年6月，加拿大Xanadu報道

Borealis光量子計算機完成216壓縮態(tài)高斯玻色采樣實驗33，再次驗

證光量子計算優(yōu)越性。2022年8月，德國馬克斯-普朗克研究所報道

34實現(xiàn)14個光子糾纏操控新紀(jì)錄。未來，光量子技術(shù)路線需進(jìn)一步探

索新型光源和探測器技術(shù)，以及光量子邏輯門操控。

中性原子量子計算通過緊密聚焦激光束陣列形成光鑷，約束中性

原子在超高真空中懸浮并構(gòu)建二能級系統(tǒng)，與離子阱技術(shù)有一定相似

性，主要優(yōu)勢在于長相干時間和超高維列陣構(gòu)建能力。中性原子量子

計算適用于實現(xiàn)量子哈密頓量和量子模擬處理，是研究和解決凝聚態(tài)

物質(zhì)中諸多物理問題的典型模型，也是模擬研究分析量子化學(xué)、多體

物理、凝聚態(tài)物理、核物理等諸多復(fù)雜體系和現(xiàn)象的有力工具。2022

年2月，美國芝加哥大學(xué)實現(xiàn)512位雙元素二維原子陣列35，5月，

哈佛大學(xué)與麻省理工展示289位量子比特里德堡原子處理器和圖問

題求解36。9月，法國Pasqal公司在光鑷系統(tǒng)中捕獲324位量子比特

的中性原子大型量子處理器陣列37。未來中性原子技術(shù)路線仍需進(jìn)一

步提升邏輯門操控能力和保真度。

33/10.1038/s41586-022-04725-x

34/10.1038/s41586-022-04987-5

35/10.1103/PhysRevX.12.011040

36/10.1038/s41586-022-04725-x

37https://pasqal.io/2022/09/14/pasqal-unveils-a-new-quantum-processor-architecture-with-a-record-324-atoms

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理（截至2022年9月）

圖8全球量子計算樣機研發(fā)與技術(shù)驗證代表性成果

量子計算機研發(fā)已經(jīng)成為全球主要國家在前沿科技領(lǐng)域攻關(guān)突

破的重點方向之一，近年來取得樣機研制與技術(shù)驗證主要代表性成就

如圖8所示。大規(guī)模可容錯通用量子計算機仍是需要長期探索和努

力的目標(biāo)，量子計算領(lǐng)域的發(fā)展與競爭也將是一場科技馬拉松。

(二)量子糾錯成業(yè)界關(guān)注熱點，將是下一個里程碑

量子糾錯（QEC）是一類保護(hù)量子態(tài)信息免受環(huán)境噪聲或退相干

影響的技術(shù)，是進(jìn)行高保真量子信息處理的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)可容

錯通用量子計算的關(guān)鍵要素之一。量子態(tài)不可克隆性、相干性以及差

錯連續(xù)性等特性，使量子糾錯與經(jīng)典糾錯存在原理性差異。量子糾錯

將量子信息存儲在量子糾錯碼中，作為一個較大的希爾伯特空間中的

一個特殊子空間，可將常見錯誤狀態(tài)移動到與原始編碼空間正交的錯

誤空間中，同時保留原狀態(tài)中的信息。而后通過適當(dāng)?shù)臏y量確定某些

粒子是否出錯，并應(yīng)用測量結(jié)果和幺正操作等方法糾正原物理狀態(tài)，

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

而無需測量受保護(hù)的量子態(tài)本身。量子糾錯碼的碼字是旨在糾正特定

錯誤集的糾纏態(tài)，可選擇與最可能發(fā)生的噪聲類型相匹配，錯誤集由

一組可以乘以碼字狀態(tài)的運算符表示。

PeterShor構(gòu)建第一個利用九個物理量子比特編碼一個邏輯量子

比特的量子糾錯編碼38之后，量子糾錯已成為量子計算一個熱門研究

方向。表面碼是當(dāng)前實驗中使用較為廣泛的量子糾錯方案，優(yōu)勢在于

具有較高容錯閾值，僅需近鄰量子比特間相互作用，易在超導(dǎo)和離子

阱等物理系統(tǒng)中實現(xiàn)。隨著量子計算樣機硬件能力的提升，量子糾錯

研究具備更好的物理基礎(chǔ)，近期不斷取得新進(jìn)展。

2021年7月，谷歌報道39懸鈴木處理器21位比特一維重復(fù)碼，

展示對比特或相位翻轉(zhuǎn)錯誤的指數(shù)級抑制。12月，Quantinuum報道

40用10位物理量子比特離子阱系統(tǒng)實現(xiàn)單邏輯量子比特編碼和實時

校正。QuTech報道41距離為2的表面碼量子比特實現(xiàn)邏輯操作并使用

邏輯泡利轉(zhuǎn)移矩陣演示邏輯門的過程層析成像。2022年7月，中科

大報道42祖沖之2.1平臺17位量子比特組成距離為3的糾錯表面碼在

后處理中減少20%邏輯錯誤。谷歌報道43在72位量子比特超導(dǎo)處理

器用擴展量子糾錯代碼來抑制邏輯錯誤。8月，日本理化研究所報道

443位量子比特硅基處理器的Toffoli門糾錯演示。Quantinuum報道

4512位離子阱處理器構(gòu)建5位顏色編碼的CNOT門糾錯實驗。

38/10.1103/PhysRevA.54.1098

39/10.1038/s41586-021-03588-y

40/10.1103/PhysRevX.11.041058

41/10.1038/s41567-021-01423-9

42/10.1103/PhysRevLett.129.030501

43/abs/2207.06431

44/10.1038/s41586-022-04986-6

45/abs/2208.01863

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

量子糾錯的研究和實現(xiàn)仍頗具挑戰(zhàn)性。首先，量子比特的操控會

引入一定的錯誤，除非錯誤概率低于某個閾值，否則會導(dǎo)致錯誤傳播

和越糾越錯。其次，量子糾錯操作需要在一個周期內(nèi)多次迭代進(jìn)行，

糾錯編碼執(zhí)行也有可能產(chǎn)生一定的讀寫錯誤并導(dǎo)致錯誤累積與擴散。

最后，雖然少量量子比特可以驗證量子糾錯可行性，但真正實現(xiàn)量子

糾錯仍需要大量的量子比特支持。例如在錯誤率1E-3條件下，高保

真度執(zhí)行Shor算法或量子化學(xué)哈密頓量模擬，需糾錯編碼距離約為

35，約需15,000個物理量子位實現(xiàn)一個邏輯量子位46。此外并非所有

類型邏輯門都可以轉(zhuǎn)換到由分散的大量物理比特組成，解決這類問題

而引入的魔法態(tài)編碼將產(chǎn)生額外編碼開銷。未來，量子糾錯的驗證和

實現(xiàn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步探索。

量子糾錯是實現(xiàn)可容錯通用量子計算的關(guān)鍵技術(shù)，也是量子計算

領(lǐng)域的下一個重要里程碑，未來發(fā)展方向主要包括三方面：一是理論

研究與樣機實驗相互配合，在真實硬件平臺和錯誤條件下，進(jìn)行理論

編碼算法的驗證與改進(jìn)。二是進(jìn)一步設(shè)計和改進(jìn)的糾錯程序，防止糾

錯過程和操作引入的額外錯誤，阻止錯誤狀態(tài)在糾錯過程中的積累和

傳播。三是提升硬件比特數(shù)、降低邏輯錯誤率和提升糾錯編碼閾值、

減低糾錯開銷的雙向努力。進(jìn)一步提升各類型量子硬件水平滿足實現(xiàn)

量子糾錯所需要的冗余比特需求，算法改進(jìn)降低糾錯所需的資源開銷

也是另一個努力方向。目前量子糾錯和邏輯量子比特將何時、在何種

物理平臺率先實現(xiàn)突破仍難以預(yù)測，開展量子糾錯研究和驗證已成為

46/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

業(yè)界集中攻關(guān)的下一個重要目標(biāo)。

(三)基準(zhǔn)測評為性能表征和行業(yè)觀察提供重要參考

基準(zhǔn)測評通過設(shè)計客觀有效的測試方法、工具和系統(tǒng)，對特定對

象的功能和性能進(jìn)行定量和可對比的測試，已在計算機、人工智能、

云計算等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。隨著量子計算樣機研制和算法研究

發(fā)展，基準(zhǔn)測評開始逐步受到重視。2021年，美國DOE啟動量子科

學(xué)計算開放用戶測試床項目，計劃建立32位量子比特離子阱量子處

理器測試床。美國DARPA推出量子基準(zhǔn)項目，明確量子計算可測試

的關(guān)鍵指標(biāo)，評估達(dá)到關(guān)鍵性能閾值的所需資源，衡量大規(guī)?？扇蒎e

量子計算競賽中的關(guān)注重點。

量子計算基準(zhǔn)測評仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)性，一是量子計算有多種

技術(shù)路線并存發(fā)展，針對各類型系統(tǒng)方案的測評基準(zhǔn)難以完全一致；

二是各技術(shù)路線和樣機研發(fā)仍在快速迭代發(fā)展，現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行分析和

衡量的某些指標(biāo)，未來可能并不適用；三是量子計算的應(yīng)用案例尚未

完全明確，面向不同應(yīng)用環(huán)境和條件的基準(zhǔn)測評難以完全對應(yīng)；四是

基準(zhǔn)測評需提供量子計算和經(jīng)典計算之間的算力對比，但經(jīng)典計算的

算法研究也在持續(xù)更新，為對比帶來不確定性。例如量子計算優(yōu)越性

證明，對比經(jīng)典計算的運算時間優(yōu)勢，就不斷受到新算法的挑戰(zhàn)。

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

開放性易用性客觀性可復(fù)現(xiàn)性科學(xué)性系統(tǒng)性可追溯性

技術(shù)成熟度GJB7688-2012GB/T22900-2009

云平臺量子云硬件量子云軟件量子云安全量子云應(yīng)用量子云運維

App-OrientedBenchmarksuite

SupermarQ

算法/應(yīng)用算法比特（#AQ）···

混合量子經(jīng)典計算qBAS基準(zhǔn)測試

Q-Score

量子體積（QV）每秒電路層操

系統(tǒng)

體積基準(zhǔn)（VB）作數(shù)(CLOPS)···

鏡像電路電路運行時間

線路寬度

電路隨機基準(zhǔn)（RB）量子比特通信時間···

線路深度門集層析成像（GST）數(shù)據(jù)傳輸時間

單/雙量子比特門錯誤門速度

邏輯門量子邏輯門集測量速度

狀態(tài)制備和測量錯誤···

重置速度

量子比特壽命T1

量子比特量子比特數(shù)目連通性串?dāng)_

量子比特相干時間T2···

規(guī)模質(zhì)量速度

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理

圖9量子計算基準(zhǔn)測評體系初步框架與指標(biāo)

量子計算基準(zhǔn)測評處于開放探索階段，業(yè)界提出多種指標(biāo)方法，

初步總結(jié)體系框架和測試指標(biāo)如圖9所示。縱向維度關(guān)注系統(tǒng)硬件、

軟件、應(yīng)用和云平臺等不同層面，包括量子比特、邏輯門、量子電路、

系統(tǒng)和應(yīng)用算法，以及云平臺和技術(shù)成熟度評估。硬件層測評反映量

子計算機技術(shù)能力，測評指標(biāo)有較好通用性，適合硬件開發(fā)者使用。

應(yīng)用層測評對量子計算機執(zhí)行特定任務(wù)能力進(jìn)行綜合評估，屏蔽底層

硬件細(xì)節(jié)，適合行業(yè)用戶或應(yīng)用開發(fā)者使用。橫向維度從規(guī)模、質(zhì)量、

速度三方面劃分。其中，規(guī)模反映了量子計算機的極限能力，質(zhì)量反

映了執(zhí)行量子計算任務(wù)的準(zhǔn)確性和可信度，速度反映了量子計算機單

位時間可完成工作量，三者共同支撐量子計算能力評估。

20

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理

圖10量子計算基準(zhǔn)測評主要技術(shù)方案概況

開展基準(zhǔn)測評研究與測試驗證，是促進(jìn)量子計算樣機研發(fā)和應(yīng)用

探索的重要支撐，也為評價量子計算機性能和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀趨勢提供

了一種重要和客觀的觀察角度與手段。目前諸多研究機構(gòu)、企業(yè)和行

業(yè)組織紛紛推出量子計算基準(zhǔn)測評方案，如圖10所示，其中硬件基

準(zhǔn)測試側(cè)重評估量子計算機基本性能，應(yīng)用基準(zhǔn)測試則評估量子計算

機的特定算法任務(wù)整體執(zhí)行性能。

(四)軟件與云平臺發(fā)展迅速，構(gòu)建用戶生態(tài)是關(guān)鍵

隨著量子計算樣機硬件研發(fā)不斷深入，量子計算軟件與云平臺作

為提供量子邏輯門操控和量子算法編譯功能，以及量子計算應(yīng)用服務(wù)

的必要組件與基礎(chǔ)平臺，也在同步快速發(fā)展。量子計算軟硬件系統(tǒng)與

應(yīng)用服務(wù)體系正在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和用戶的共同推動下逐步探索和構(gòu)

建，量子計算技術(shù)與應(yīng)用體系視圖如圖11所示。

21

量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：中國信息通信研究院

圖11量子計算技術(shù)與應(yīng)用體系視圖

量子軟件是構(gòu)成量子計算系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前仍處于架構(gòu)探索

和迭代發(fā)展的起步階段。量子計算與經(jīng)典計算運行邏輯存在顯著差異，

量子軟件需要全新構(gòu)建。量子軟件可初步分為基礎(chǔ)運行、計算開發(fā)、

應(yīng)用服務(wù)和通用系統(tǒng)等四類。其中，計算開發(fā)軟件對于推動量子計算

應(yīng)用具有重要意義，提供了設(shè)計量子算法、創(chuàng)建量子程序、開發(fā)量子

應(yīng)用的工具集，支持量子計算機執(zhí)行算法與程序的編寫和轉(zhuǎn)譯，需要

與底層硬件邏輯門匹配并實現(xiàn)量子算法的配置與優(yōu)化。典型計算開發(fā)

軟件包括Qiskit、Cirq、QDK、Forest、QPanda、ProjectQ、HiQ、PennyLane

及SuperstaQ等，部分量子計算開發(fā)軟件可實現(xiàn)量子噪聲模擬，部分

軟件可實現(xiàn)任意體系結(jié)構(gòu)編譯，軟件功能差異將導(dǎo)致不同量子算法在

不同平臺的實現(xiàn)也有一定差異性。

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

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圖12國內(nèi)外代表性量子計算軟件概況

國內(nèi)外科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)均在努力推動和構(gòu)建量子軟件生態(tài)，

典型量子計算軟件如圖12所示。IBM、谷歌、微軟等科技巨頭基于

長期技術(shù)積累與大量資源投入在業(yè)內(nèi)保持領(lǐng)先。華為、百度、本源等

也布局推動量子計算軟件研發(fā)，但在資源和人力等方面投入有限，與

國外先進(jìn)水平尚有差距。在軟硬件協(xié)同方面，國外量子軟件可支持在

不同量子計算后端運行，以PennyLane為例，支持IBM、Google、

Rigetti等公司的后端硬件訪問，這種合作有助促進(jìn)量子軟件生態(tài)發(fā)展。

國內(nèi)量子軟件大多獨立發(fā)展，缺乏協(xié)同合作，同質(zhì)化競爭較為明顯。

在用戶生態(tài)構(gòu)建方面，國外量子軟件已開始具備支持科研和應(yīng)用開發(fā)

的服務(wù)能力與用戶價值，初步形成商業(yè)模式和良性迭代。國內(nèi)量子軟

件和硬件系統(tǒng)協(xié)同程度有限，可提供基本演示和科普功能，但尚難以

吸引用戶深度使用和有效參與意見反饋與研發(fā)迭代，軟件開源工具用

戶活躍度不高，難以形成規(guī)模效應(yīng)和培養(yǎng)用戶粘性。

量子計算云平臺為用戶提供量子計算機或模擬器遠(yuǎn)程訪問，成為

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

連接量子計算機與用戶的橋梁，處于應(yīng)用生態(tài)構(gòu)建培育階段?，F(xiàn)階段

量子計算云平臺供應(yīng)商主要分為兩類服務(wù)模式，一是含硬件云平臺模

式，在云平臺后端接入自研的量子計算機或模擬器，例如IBM、Google、

Rigetti、本源和百度等。二是純軟件云平臺，聯(lián)合其他供應(yīng)商提供量

子計算軟硬件系統(tǒng)服務(wù)，例如Amazon、Strangeworks等。量子計算

云平臺用戶使用方式也可分為兩類，一是本地編譯結(jié)合API云平臺訪

問，將待執(zhí)行本地編譯量子程序通過API遠(yuǎn)程提交至量子計算云服務(wù)

器，調(diào)度并分配至量子計算機或模擬器后端執(zhí)行，程序運行結(jié)束后可

獲得結(jié)果。二是直接在云平臺上進(jìn)行開發(fā)實踐，通?？蛇x擇量子編譯

預(yù)研或圖形化量子線路編程，最終在云平臺上獲得執(zhí)行結(jié)果。

量子計算云平臺發(fā)展呈多元開放與多方合作趨勢。我國量子計算

云平臺的起步較晚，在可訪問樣機比特數(shù)、可配置性、用戶吸引能力

等方面與科技巨頭有較大差距。未來發(fā)展關(guān)注點包括：一是提升硬件

性能，量子計算機或模擬器作為實體后端，是云平臺的服務(wù)能力基礎(chǔ)，

加強硬件性能才能更好支撐應(yīng)用和用戶生態(tài)培育。二是深化應(yīng)用探索，

量子計算云平臺的價值體現(xiàn)在應(yīng)用和用戶服務(wù)，需要進(jìn)一步在金融、

化學(xué)、人工智能等方面加強應(yīng)用場景探索，挖掘以應(yīng)用推動云平臺發(fā)

展的潛力。三是探索合作與商用模式，量子計算云平臺是全新的算力

服務(wù)與業(yè)務(wù)模式，對于商用與合作方式的開拓探索將有助于推動量子

計算應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)的可持續(xù)健康發(fā)展。

(五)應(yīng)用探索廣泛開展但尚未落地，泡沫爭議浮現(xiàn)

隨著量子計算硬件開始進(jìn)入百位量子比特的含噪聲中等規(guī)模量

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子處理器（NISQ）時代，基于NISQ樣機開展量子算法研究和應(yīng)用場

景探索，開始成為產(chǎn)業(yè)界和行業(yè)用戶的共同目標(biāo)。近年來，量子計算

應(yīng)用探索主要集中在量子模擬、組合優(yōu)化和線性代數(shù)求解等領(lǐng)域，應(yīng)

用探索發(fā)展概況如圖13所示。

來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理

圖13量子計算應(yīng)用場景探索發(fā)展概況

量子計算機在原子尺度直接模擬微觀系統(tǒng)相互作用，可為物理、

化學(xué)、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域帶來全新探索工具，近年來已成為研究熱點。

2022年，谷歌報道47實現(xiàn)16比特費米子量子模特卡羅模擬。歐洲學(xué)

者發(fā)表展望48，綜述量子模擬實驗進(jìn)展，分析模擬型、容錯數(shù)字型和

混合型量子模擬性能差異，指出NISQ平臺已具備實現(xiàn)超越經(jīng)典計算

的模擬潛力。美國計算機協(xié)會技術(shù)簡報49指出量子模擬器開發(fā)與應(yīng)用

將遠(yuǎn)早于通用量子計算機，并將在科學(xué)、工業(yè)和國防等領(lǐng)域產(chǎn)生重大

影響。在涉及復(fù)雜多變量組合優(yōu)化的量化金融、交通規(guī)劃、氣象預(yù)測

47/10.1038/s41586-021-04351-z

48/10.1038/s41586-022-04940-6

49/doi/pdf/10.1145/3551664

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等領(lǐng)域，量子計算應(yīng)用探索也在廣泛開展。MultiverseComputing公

司推出奇點投資組合混合求解器用于量化投資優(yōu)化分析50。本源發(fā)布

量子金融定價庫，可用于分析期權(quán)等金融衍生品定價51。量子機器學(xué)

習(xí)通過構(gòu)建新型數(shù)據(jù)處理模型，有望提升目前機器學(xué)習(xí)算法處理大數(shù)

據(jù)的計算效率。谷歌報道52使用40位超導(dǎo)量子處理器，驗證量子主成

分分析過程中的原理性優(yōu)勢。哈佛大學(xué)報道53利用里德堡原子陣列構(gòu)

建量子遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知任務(wù)學(xué)習(xí)實驗。

量子計算領(lǐng)域各類應(yīng)用場景探索，要實現(xiàn)真正“殺手級”應(yīng)用，

需要同時滿足三項要求，如圖14所示。一是可證明超越經(jīng)典計算的

量子優(yōu)越性；二是具備實用性，即實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)價值；三是能在現(xiàn)有

NISQ處理器上運行。具備優(yōu)越性理論證明和實際應(yīng)用價值的Shor和

Grover算法，硬件需求當(dāng)前難以滿足；已在NISQ系統(tǒng)實驗驗證量子

優(yōu)越性的隨機線路采樣和高斯玻色采樣問題，需要進(jìn)一步探索與實用

化問題的結(jié)合；而近期在算法研究領(lǐng)域關(guān)注的VQE和QAOA等算

法，需要找到能展現(xiàn)量子優(yōu)越性的明確案例場景。

50/article/technology-f376884377d7a6794c69316bc8c33e1d

51/application/finance

52/doi/10.1126/science.abn7293

53/abs/2111.10956

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來源：中國信息通信研究院

圖14量子計算“殺手級”應(yīng)用需突破“不可能三角”

量子計算應(yīng)用需要直面與經(jīng)典計算的算力競爭，只有明確展示量

子優(yōu)越性，量子計算應(yīng)用案例的價值才能夠覆蓋其研制、開發(fā)和應(yīng)用

的高額成本。換言之，量子計算應(yīng)用關(guān)注的不止是能用在哪里，而更

是能在哪里明確體現(xiàn)出指數(shù)級（至少是多項式級）計算加速優(yōu)勢。而

這一關(guān)鍵問題目前在眾多所謂量子計算應(yīng)用的宣傳報道中，往往語焉

不詳。根據(jù)現(xiàn)有公開信息可以審慎地認(rèn)為，量子計算應(yīng)用仍處于原理

性與可行性驗證的探索階段，尚無實質(zhì)性突破和里程碑式進(jìn)展。

近年來量子計算技術(shù)成為國家機構(gòu)、科技巨頭和資本市場等各方

在前沿科技領(lǐng)域的關(guān)注焦點之一，公共研究資金、私營部門股權(quán)投資

和資本市場融資不斷涌入，既為量子計算樣機硬件研發(fā)、軟件平臺開

發(fā)、應(yīng)用場景探索等方向提供創(chuàng)新支持和資源保障，也引發(fā)了技術(shù)炒

作、夸大宣傳和行業(yè)泡沫等不同觀點和爭議。2022年5月，美國

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

ScorpionCapital發(fā)布對量子計算上市公司IonQ的做空報告54，指出

其量子計算產(chǎn)品與應(yīng)用局限（該報告的技術(shù)專業(yè)性似乎有限），以及

管理運行方面問題，質(zhì)疑其交付能力與商業(yè)模式。8月，牛津大學(xué)學(xué)

者在金融時報刊文55，直指資金涌入導(dǎo)致量子計算技術(shù)成就和前景夸

大宣傳，量子計算公司尚未提供真正產(chǎn)品和實現(xiàn)業(yè)務(wù)收入，行業(yè)泡沫

不容忽視。上述觀點也引發(fā)業(yè)界回應(yīng)56，從技術(shù)發(fā)展成就、科技巨頭

投入和應(yīng)用探索前景等方面進(jìn)行熱烈討論。

量子計算是未來科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的重要變量，已成為全球各

國學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和利益攸關(guān)方的普遍共識。但也要指出，量子計算

軟硬件技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)未成熟，應(yīng)用探索與產(chǎn)業(yè)培育處于起步階段，和任

何新興技術(shù)一樣，需要依靠研發(fā)攻關(guān)突破來跨越缺乏落地應(yīng)用和商業(yè)

交付的“死亡之谷”。在政策與資金不斷涌入時，對量子計算領(lǐng)域的

“捧殺”，例如毫無根據(jù)的樂觀預(yù)期或?qū)诔晒目浯笮麄鳎枰?/p>

保持清醒和警惕。在“無人區(qū)”探索和技術(shù)應(yīng)用成果的短期交付不達(dá)

預(yù)期時，也要保持戰(zhàn)略定力與發(fā)展信心，避免矯枉過正的“棒殺”，對

構(gòu)建未來技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭力帶來不利影響。

三、量子通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

(一)量子密鑰分發(fā)科研活躍，實驗系統(tǒng)性能獲提升

量子密鑰分發(fā)（QKD）作為量子通信領(lǐng)域進(jìn)入實用化階段的技術(shù)

54/reports/IONQ.pdf

55/content/6d2e34ab-f9fd-4041-8a96-91802bab7765

56/weathering-the-first-quantum-short

/news/oxford-scientist-says-greedy-physicists-overhyped-quantum-computing

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

方向，在新型協(xié)議研究、安全性證明、系統(tǒng)實驗探索和現(xiàn)網(wǎng)試驗驗證

等方面的科研不斷深入并取得諸多重要成果。傳統(tǒng)點到點“制備-測

量”式QKD系統(tǒng)，由于光纖鏈路傳輸?shù)墓逃袚p耗限制，密鑰成碼率

與傳輸效率線性相關(guān)，單跨段無中繼光纖傳輸極限距離難突破500公

里。此外，QKD系統(tǒng)接收端探測器的不理想特性存在側(cè)信道安全漏

洞，可能成為系統(tǒng)現(xiàn)實安全性的風(fēng)險點。近年來，以雙場（TF）為代

表的測量設(shè)備無關(guān)類新型QKD協(xié)議，因“雙端制備-中心測量”架構(gòu)

可消除探測器端所有側(cè)信道安全漏洞，同時將理論成碼率提升至與傳

輸效率平方根相關(guān)，從而突破量子信道密鑰容量的PLOB界，成為業(yè)

界廣泛認(rèn)可的下一代遠(yuǎn)距離、高安全性QKD技術(shù)方案。

2022年1月，中科大報道57基于改進(jìn)型四相位調(diào)制TF-QKD協(xié)

議，結(jié)合獨立光源鎖相、信道相位補償、高信噪比單光子探測甄別等

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，如圖15（a）所示，實現(xiàn)830公里（0.014bit/s成碼率）

光纖無中繼傳輸?shù)男率澜缂o(jì)錄。5月中科大報道58基于SNS-TF-QKD

協(xié)議，利用時頻傳輸頻率控制、參考光相位波動檢測和高計數(shù)率低噪

聲單光子探測等技術(shù)，如圖15（b）所示，實現(xiàn)658公里（0.092bit/s

成碼率）光纖無中繼傳輸，同時具備超百公里距離光纖振動傳感檢測

定位能力，定位精度可達(dá)1公里。需要指出，TF-QKD系統(tǒng)需要遠(yuǎn)距

離獨立激光器之間實現(xiàn)單光子級的干涉控制，對于光源鎖頻和線路波

動補償?shù)确矫嫣岢隹量桃螅到y(tǒng)工程化和實用化前景仍不明確。

57/10.1038/s41566-021-00928-2

58/10.1103/PhysRevLett.128.180502

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量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2022年）

來源：（a）NaturePhotonics16,154–161（b）Phys.Rev.Lett.128,180502

圖15TF-QKD系統(tǒng)實驗（a）830公里（b）658公里

區(qū)別于采用單光子偏振/相位調(diào)制，編碼二進(jìn)制隨機信息的離散

變量（DV）QKD協(xié)議，連續(xù)變量（CV）QKD協(xié)議通常采用相干態(tài)

光場正則分量調(diào)制，