2024年全球量子产业发展现状及展望报告.pdf

2024/08量子信息年度系列报告2024全球量子产业发展现状及展望在2023年里，我们见证了全球量子领域取得的多方面的进展和突破，这些成就正在引领人类进入一个前所未有的量子时代。在量子计算方面，中美仍为全球第一梯队，占据了全球过半的产业份额。同时，欧洲与亚太地区（除中国）正不断加大对量子计算的投入、制定相关政策，以缩小与中美之间的差距。另一方面，多元发展成为产业竞争的关键动力，尤其是中性原子量子计算的迅猛发展令其成为通用量子计算机的强有力候选者。量子云平台的日益成熟，逐步降低量子计算的使用门槛和成本，令更多行业能够充分利用量子计算的能力，推动其应用范围和影响力的不断扩大。在量子通信与安全方面，中国与欧美分别引领量子密钥分发与后量子加密。随着两者以及量子随机数生成器的发展，通信制造业与电信运营商、银行、券商等领域将纷纷入局，通信与安全行业势必迎来翻天覆地的变化。在量子精密测量方面，中国仍与欧美存在一定差距，但部分指标已达到国际一流水准。预计未来十年，中国部分种类的量子传感器将赶超欧美，获得更大的产业份额。瑞士、德国等欧洲国家在量子精密测量领域与美国同处第一梯队，未来也仍将保持这一优势。然而，我们也不得不面对2023年量子行业融资活动相对降温的现实。宏观经济情况不佳，融资交易减少，国际竞争在量子领域日趋激烈，等等。但好在寒冬已过，2024年上半年的表现令人欣慰。这份报告主要从国家和地区的视角出发，重点关注2023年各国家地区在投融资、政策、进展的表现，并对各国家的量子产业规模及其在全球中的占比进行预测，方便读者更加直观地看出各国家地区发展近况及趋势。最后，站在这个充满挑战和机遇的时刻，我们对2024年量子产业发展充满信心和期待。让我们携手共进，共同见证量子产业的蓬勃发展。光子盒研究院 院长 序言引领量子时代，共铸产业未来1声明01本报告体现的内容和阐明的观点力求独立、客观，本报告中的信息或所表述的观点均不构成投资建议，请谨慎参考。02本报告旨在梳理和呈现2023年度内全球范围内量子细分技术和产业领域发生的重要事件，涉及数据及信息以公开资料为主，以及对公开数据的整理。并且，结合发布之时的全球经济发展状态，对短期未来可能产生的影响进行预判描述。03本报告重点关注2023年1月1日至2023年12月31日间量子细分行业发生的相关内容，以当地时间报道为准，以事件初次发布之时为准。对同一内容或高度相似内容的再次报道，若跨年度，不视为2023年发生的重要事件。04本报告版权归光子盒所有，其他任何形式的使用或传播，包括但不限于刊物、网站、公众号或个人使用本报告内容的，须注明来源（2024全球量子产业发展展望 R.光子盒.2024.08）。本报告最终解释权归光子盒所有。05任何个人和机构，使用本报告内容时，不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删减和篡改。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表、印刷等。如征得同意进行引用、转载、刊发的，需在允许范围内。违规使用本报告者，承担相应的法律责任。06本报告引用数据、事件及观点的目的在于收集和归纳信息，并不代表赞同其全部观点，不对其真实性负责。07本报告涉及动态数据，呈现截至统计之时的情况，不代表未来情况，不够成投资建议，请谨慎参考。2引言声明第一章 2023量子产业发展概览一、量子计算发展情况综述01 量子计算芯片与软件算法蓬勃发展02 高性能计算与量子计算的融合已成为现实03 各大电信运营商竞相布局量子计算04 研究活跃科研成果频出05 硬件发展路线图不断更新06 产业链相关企业逐年增多07 生态建设日趋完善08 产业发展即将进入快速成长周期二、量子通信发展情况综述01 量子通信与安全生态蓬勃发展02 产业链相对成熟03 量子通信与安全产业链上游04 量子通信与安全产业链中游05 量子通信与安全产业链下游06 网络建设（陆地部分）：QKD网络建设07 网络建设（太空部分）：卫星通信建设三、量子精密测量发展情况综述01 产业已进入多元化发展周期02 产业链相关企业逐年增多03 产品丰富且市场初具规模04 下游应用市场前景广阔目录3第二章 各地区政策及进展一、美国二、中国三、欧洲四、英国五、德国六、法国七、加拿大八、澳大利亚九、日本十、韩国第三章 投融资一、融资金额大幅下降二、融资主体地理分布分散三、融资轮次普遍较少第四章 量子产业规模一、总体产业规模二、各领域产业规模01 全球量子计算产业规模02 全球量子通信产业规模03 全球量子精密测量产业规模三、各地区产业规模01 各地区量子计算产业规模02 各地区量子通信产业规模03 各地区量子精密测量产业规模目录4第五章 产业展望一、量子生态位日趋明确01 中美各有所长稳坐量子第一梯队02 欧洲寻求量子产业链上游自主可控03 亚太多国积极融入欧美量子生态圈二、量子技术不断突破01 机群技术与云平台联手推动量子计算02 PQC与QKD的未来发展呈现并驾齐驱之势03 量子精密测量六大方向各有明确突破目标目录52023量子产业发展概览第一章第一章2023量子产业发展概览第一章2023量子产业发展情况综述目录7一、量子计算发展情况综述一、量子计算发展情况综述01 量子计算芯片与软件算法蓬勃发展02 高性能计算与量子计算的融合已成为现实03 各大电信运营商竞相布局量子计算04 研究活跃科研成果频出05 硬件发展路线图不断更新06 产业链相关企业逐年增多07 生态建设日趋完善08 产业发展即将进入快速成长周期二、量子通信与安全发展情况综述二、量子通信与安全发展情况综述01 量子通信与安全生态蓬勃发展02 产业链相对成熟03 量子通信与安全产业链上游04 量子通信与安全产业链中游05 量子通信与安全产业链下游06 网络建设（陆地部分）：QKD网络建设07 网络建设（太空部分）：卫星通信建设三、量子精密测量发展情况综述三、量子精密测量发展情况综述01 产业已进入多元化发展周期02 产业链相关企业逐年增多03 产品丰富且市场初具规模04 下游应用市场前景广阔本部分根据技术创新、实际效益以及科研引领等评价标准，选取了2023年量子计算领域的十项最重要进展，包括首次成功应用、有效实验验证、新颖架构设计、参数最值、实际效用提升、采用方案者数量及影响力，以及是否有重大科研突破和广泛报道。总体进展按照量子计算芯片以及软件算法云平台两个大方向展示。第一章2023量子产业发展概览量子计算芯片与软件算法蓬勃发展01图表 2023年全球量子计算十项重要进展 量子云平台 混合计算与大模型 容错算法英伟达发布了DGX Quantum系统，结合了CUDA Quantum和H100 NVL等技术，为GPT等生成式AI大模型提供了量子经典混合计算的加速平台。Quantinuum使用逻辑量子比特在其H1量子计算机上实现了容错算法，通过“随机量子相位估计”计算了氢分子的基态能量。Q-CTRL的错误抑制技术（名为Q-CTRL Embedded）已被集成到IBM云量子服务中，现在用户只需轻按开关，就能降低错误率。量子纠错 传输与存储 量子芯片架构 量子比特数量与量子体积 相干时间Quantinuum的H-Series量子计算机连续创下了三个量子体积（QV）的新纪录：217、218和219，为目前报道最高的量子体积记录。IBM发布了首款超过1000量子比特的量子计算处理器Condor，其拥有1，121量子比特，基于其上一代旗舰产品Eagle芯片架构。马里兰大学在蓝宝石芯片上成功创建了磁通量量子比特，其相干时间为1.48毫秒，是目前最高纪录，并且保真度达到了99.991%。IBM推出模块化量子计算机，结合可扩展低温基础设施和经典服务器，实现了计算的超级计算架构。基于此架构，IBM发布了133量子比特可扩展芯片Heron。苏萨塞克斯大学与Universal Quantum合作，实现了微芯片模块之间的快速和可靠的传输，成功率高达99.999993%，连接速度为每秒2424次，是目前最高纪录。深圳量子研究院、清华大学、福州大学以及南方科技大学4家研究团队利用具有定制频率梳的脉冲来操控辅助量子比特，提高了量子纠错的效率，超过了纠错盈亏平衡点约16%。QuEra实现了48个逻辑量子比特，能够检测和纠正纠缠逻辑门操作过程中出现的任意错误。软件、算法、云平台量子计算芯片8一、量子计算发展情况综述|2024年2月版第一章2023量子产业发展概览高性能计算与量子计算的融合已成为现实022023年，全球发生了诸多量子计算与超算融合的事件，量超融合已经从理论转向初步实践，还呈现出深化发展之势。量超融合主要依托云平台向外提供算力，成为超算中心的一种新型计算形式的补充，提供多样、灵活、高效的计算资源，为不同行业领域提供更强大的算力，可供更广泛地探索量子计算的潜在价值。目前量子计算与超算融合仍然面临着硬件稳定性和算法优化等挑战，量超融合的实现，接下来需要在多个维度进行尝试与探索，包括兼容性与集成（接口设计、系统集成）、软件与算法（量子编程语言与工具、算法适配与优化）、资源管理与调度等。随着技术演进和国际合作的深化，量子计算融入超算体系将是必然的一步。图表 2023量超融合进展事件本源量子与上海超级计算中心合作成立长三角量超协同创新中心；9月，发布“量超融合”平台实现了经典与量子任务统一调度和经典+量子算法的混合编程，并对公众开放理化学研究所计划在 2025 年左右通过与富岳超级计算机的集成欧盟高性能计算联合计划(EuroHPC JU)下的高性能计算和量子模拟(HPCQS)项目，其用户已经能够通过各成员国的节点，验证他们的HPC-QC融合应用德国启动Euro-Q-Exa量子计算机招标，系统该系统将由莱布尼茨超级计算中心(LRZ)托管和运营，并 集 成 到 超 级 计 算 机SuperMUC-NG中在法国混合量子计划（HQI）在，法国国家大型计算中心（GENCI）购入Pasqal的100比特量子计算机英伟达与德国于利希超算中心(JSC)、ParTec建立实验室开发经典-量子混合超级计算机澳大利亚Pawsey超级计算研究中心与加拿大Xanadu公司签署谅解备忘录，将为研究人员提供最先进的混合计算中国电信发布“天衍”量子计算云平台，基于超量混合云架构，实现了“天翼云”超算能力和176量子比特超导量子计算能力的融合魁北克数字和量子创新平台PINQ落成IBM Q System One，在舍布鲁克设立的高性能计算中心将使PINQ能够提供混合计算方法9|2024年2月版全球超算中心与量子计算机的融合正在加速推进。各种类型和规模的超算中心，无论是大型的国家级研究机构还是小型的企业级实验室，都在积极探索与量子计算机的集成。这种集成不仅提升了计算能力和效率，还拓宽了应用领域。例如，生物信息学、物理模拟、金融工程等领域的复杂问题，通过超算和量子计算的结合，可以得到更精确、更高效的解决方案。此外，这种融合还推动了新的算法和应用的发展，如量子机器学习、量子优化等，显示出超算和量子计算相结合的巨大潜力。HPC+QC线下机群模式是未来高性能计算的重要发展方向。这种模式通过整合传统超级计算机和量子计算资源，使得高性能计算更加灵活、高效。在这种模式下，可以实现更复杂、高精度的运算和模拟，从而推动科学研究、工程技术和产业创新的发展。这种模式的优势在于，它可以充分利用传统超级计算机在处理经典问题上的强大能力，同时利用量子计算机在处理量子问题上的独特优势。未来，超级计算机和量子计算机能够无缝集成，实现互补优势，为解决复杂问题提供强大的计算支持。随着技术的进步和应用的拓展，我们可以预见，HPC+QC线下机群模式将在未来的计算领域发挥越来越重要的作用。第一章2023量子产业发展概览图表 全球现有量子计算机与经典计算机相融合的计算中心及相关实验室中国安徽省量子计算工程研究中心将计算任务在量子计算机和超级计算机之间进行分解、调度和分配中国国家超级计算郑州中心与中国上海超级计算中心和本源量子以及中移（苏州）软件共同打造量超融合先进计算平台，提供量超云融合服务法国原子能委员会与国家超大型计算中心应用Atos量子学习机（QLM）将量子计算能力整合到超级计算机Joliot Curie当中德国于利希超级计算中心基于模块化超级计算架构概念的最紧密集成德国莱布尼茨超级计算中心与Atos和HQS合作研究HPC与QC之间的整合芬兰IT科学中心VTT的5量子比特超导量子计算机HELMI（“Pearl”）与欧洲超级计算机LUMI（“Snow”）连接；使用了英伟达CUDA Quantum平台西班牙加利西亚超级计算中心在“PRIMEHPC FX700”超级计算机上构建基于富士通34量子比特量子计算模拟器的集群系统美国国家超级计算应用中心集成英伟达CUDA Quantum美国橡树岭国家实验室应用Atos量子学习机（QLM）；参与CUDA Quantum测试计划美国阿贡国家实验室 应用Atos量子学习机（QLM）巴西SENAI-CIMATEC应用Atos量子学习机（QLM）将量子计算能力整合到超级计算机当中印度高级计算发展中心与Atos达成合作协议，共享量子学习机（QLM）成果澳大利亚帕西超级计算中心将量子加速器与HPE Cray Ex超级计算机Setonix配对，展示和测试量子和经典计算的混合模型日本国家高级产业科学技术研究院英伟达的合作伙伴，将CUDA Quantum集成到其超算平台日本理化学研究所富士通公司的量子计算机与“富岳”超级计算机集成10|2024年2月版2023年，全球主要电信运营商积极加大对量子计算领域的投资和研究力度。它们在超导、离子阱等多种量子计算机类型上进行了深入研究，反映出电信运营商对于量子技术在提升网络性能、加强安全通信等方面的潜在价值的认可。此外，这些电信运营商在量子计算领域的布局不仅仅停留在研究层面，更在积极寻求技术合作和商业合作。例如，与IBM、IonQ等企业和科研机构建立战略合作伙伴关系，共同推动量子计算技术在实际应用中的验证和商业化进程。全球电信运营商在量子计算领域的布局表现出一种跨界合作、开放共享的趋势，力图在未来科技竞争中保持领先地位。目前，全球电信运营商正在构建量子计算生态系统，通过开放云平台、吸引爱好者参与等方式，推动量子领域从业人员和爱好者的积极参与。这种开放性和生态系统建设有助于推动整个量子计算领域的进一步发展，同时也预示着量子计算技术有望在电信领域发挥越来越重要的角色，为网络性能、通信安全等方面带来全新的突破。注：*表示2023年的进展第一章2023量子产业发展概览各大电信运营商竞相布局量子计算领域03图表 全球主要电信运营商在量子计算机领域的布局国家公司基本情况中国发布具备“量子优越性”能力的超量融合量子计算云平台“天衍”*携手中国电科发布目前中国最大规模的量子计算云平台。发布“五岳”量子计算云平台*日本联合日本理化学研究所、富士通等研究合作伙伴，成功开发出日本第一台超导量子计算机*加入由东京大学运营的量子创新倡议联盟，并使用IBM 量子计算机验证电信用例*韩国与与韩国科学技术院（KAIST）和 Qunova 计算公司合作，使用D-Wave量子计算机优化6G低轨卫星网络*澳大利亚目前已对量子计算领域进行投资（SQC），但未独立开展研究*德国DT全资子公司推出其量子即服务产品，提供量子计算专业知识和对IBM量子计算资源的访问*英国探索量子计算机如何为电路交换、数据包路由、信号处理和天线波束控制等应用带来好处*与IBM联手探索量子计算技术和量子安全密码学，帮助验证和推进电信领域潜在的量子用例意大利利用量子计算来优化无线电单元的规划，在D-Wave量子计算机上执行二次无约束二进制优化算法11|2024年2月版49.7%North America25.0%Europe21.7%Asia Pacific 3.7%Others注：图中所引量子计算领域发文数据来自Nature、Science、Physical Review Letter等顶级期刊，详见附件注：此处仅呈现发文数量前十的期刊情况，详见附件第一章2023量子产业发展概览研究活跃科研成果频出04图表 2023年量子计算相关顶级期刊发文情况图表 2023年量子计算相关顶级期刊发文的通讯作者所在国家China8.3%Japan5.0%Australia2.3%France0.7%Russia1.0%UK5.7%Canada1.0%Germany5.3%Switzerland3.7%Netherlands3.3%Korea2.3%Singapore1.0%Austria1.7%Denmark1.0%Spain1.3%Israel0.3%Finland0.3%USA48.0%128.6 42.8 15.4 20.0 41.8 2.7 3.1 14.9 37.6 051015202530354045Physical Review LettersNatureNature CommunicationsNature PhysicsScienceOptics&PhotonicsQuantum PhysicsScience AdvancesNature Photonics量子计算相关文章发布数量影响因子|2024年2月版|2024年2月版图表展示了2023年上半年主要期刊上与量子计算相关的文章发布数量和其对应的影响因子（数据来自2023年最新的SCI影响因子）。通过分析比对这些数据，可以对这些期刊在量子计算领域的学术贡献和影响力进行评估，为科研人员选择适合发表研究成果的期刊提供参考。量子计算领域的文章发布数量和影响因子之间存在一定的关系，但并非绝对。有些期刊发布数量较多，同时影响因子也较高，这表明该期刊在该领域具有较高的学术贡献和广泛的影响力。例如，Nature和Science这类综合性期刊发布数量和影响因子都较高，这主要归因于它们的学术声誉、严格的同行评审流程以及跨学科的研究覆盖范围。有些期刊发布数量较少，但影响因子仍然较高。例如，PRX Quantum是一个专注于量子物理学的高质量期刊，其发布数量虽然较少，但其影响因子仍然相对较高。另一方面，有些期刊发布数量较多，但影响因子相对较低。这可能是因为该期刊的研究领域较为特定，受众群体较小，或者在同行评审和学术质量方面存在一定的问题。2023年在顶级期刊上发布的量子计算相关文章的通讯作者所在地区数据则提供了关于不同国家和地区在量子计算研究中的参与度和影响力的重要线索。从通讯作者所在发文机构所属国家来看，美国以144篇的总数遥遥领先，约占总发文数量的48%。这反映了美国在量子计算技术的绝大多数方面处于国际领导地位，其长期积累的科研实力和政府对量子计算技术的重视，造就了美国在量子计算领域的国际地位。中国以25篇的发文总数位列第二，约占8%，显示了中国在基础科学研究和前沿技术领域奋起直追，至今已取得了多项量子计算技术的重要成果，中国科研机构在国际期刊中的发文数量的增长，展现出中国在国际舞台的影响力逐渐增强。其他国家如日本、德国、英国等也有较多论文发布，表明它们在全球量子计算研究较为活跃，在某些专一领域有较高的国际影响力。从通讯作者所在机构的地理位置来看，美州地区位居第一，占据约1/2的比例，反映了美国在该地区的领导地位以及加拿大在量子计算领域的贡献。欧洲紧随其后在该领域的科研活动占据了25%。这显示了欧洲在量子计算研究中的重要地位和活跃度。亚太地区占据了21.7%，显示了该地区在量子计算研究中的快速发展和重要性。而其他地区的贡献相对较少。全球范围内的国际合作对于推动量子计算的研究和应用至关重要。通过合作共享资源和知识，各国和地区可以加快技术进步和应用创新。因此，加强国际间的合作交流将是未来量子计算发展的重要趋势。第一章2023量子产业发展概览13量子电路具有三种常见的度量：电路大小、电路深度和量子比特数。其中，电路大小对应“量子电路中量子门的个数”，电路深度对应“执行量子电路的并行运行时间”，量子比特数对应“量子电路的空间成本”。这三者一般不能同时达到最优，尤其是深度（时间）和比特数（空间）之间往往是此消彼长的。目前，多条技术路线仍未收敛，也未有公认的换算标准。光子盒以时间、核心指标（量子门数量、量子体积、量子比特数量）、组织三大维度，呈现量子计算技术发展趋势图。硬件发展路线图不断更新05第一章2023量子产业发展概览14IBM20332019IBM102103104106Quantinnum RigettiIonQ华翊量子中科大九章XanaduPasqalInfleqtionQuEraIntelSQC103104105109PsiQuantum202720252029Google2024超导离子阱光量子中性原子半导体2023量子门数量量子体积量子比特数量211220225230图表 量子计算发展阶段及其硬件趋势图（单位：量子比特数量）例如，从量子门数量的维度上来看，IBM在2024年在从内向外的第二个扇形区域内，也就是104，预计为5000门，预计2033年将达到最大扇形区域，即10亿量子门；从量子比特数量上来看，IBM落在从内向外的第三个扇形区域，预计有2000量子比特。从量子体积上的维度上来看，Quantinnum在2023年为219，位于从内向外的第二个扇形区域内，而到了2029年，其量子体积将有望达到225。|2024年2月版较此前发布的量子计算产业生态图谱，本次新增若干企业logo，在分类与结构方面做出调整。第一章2023量子产业发展概览产业链相关企业逐年增多06注：部分整机企业为全栈量子计算机企业，其标识不出现在软件算法相关部分。研究所和大学不在企业生态考虑范围之内。15图表 量子计算产业生态图谱量子云平台行业应用国防军工医药汽车金融化学材料整机量子编程软件量子主机软件其它药物探索金融服务化学化工赋能技术探测器激光器线缆测控系统整机低温微波器件真空系统稀释制冷机GM/脉冲管制冷机加工制造材料量子比特测控系统量子比特环境其他芯片量子计算硬件整机超导离子阱光量子半导体中性原子其它系统软件量子应用软件量子计算云平台应用合作设备|2024年2月版美国在量子计算产业链上具有明显优势，政府对量子计算的高度重视和大力支持推动了企业数量的增长，其中涵盖了各类型的企业，包括IBM、谷歌、微软、亚马逊等代表性企业。美国在超导、离子阱、光量子等多个领域都保持领先地位，其科研创新和合作活跃，技术水平和引领能力处于全球前列。中国在量子计算领域崛起迅猛，政府对该领域的高度支持和资金投入推动了企业数量的增加，其中包括腾讯、华为等具有代表性的大型互联网企业。近些年，中国在光量子计算机等方面取得了显著优势，技术水平和挑战能力迅速提升，然而在中美竞争日益加剧的背景下，尤其是在量子芯片和超低温设备等方面，中国与美国相比仍存在较大差距。德国、法国等欧洲国家在量子计算生态建设上表现出积极态势。德国政府通过量子技术行动计划，旨在成为全球量子技术领导者，投入资金并制定战略框架。德国量子计算企业数量在全球中位于前列，技术水平较高，特别在离子阱、中性原子等方向领先。但相对于美国，技术上还存在差距，与欧盟协调整合问题亦需解决。法国通过量子技术国家战略等文件大力支持量子计算。然而，相较美中，投入和产出仍有差距，与德国相比在硬件和软件能力上稍显不足。英国、日本、加拿大等国也在量子计算领域有所建设。英国政府发布科学和技术框架及国家量子战略，致力于巩固科技超级大国地位，但在与美中的竞争中，量子计算机规模和类型方面仍有不足。日本通过量子未来产业创新战略，强调实用化与产业化，在量子软件和服务方面仍有一定劣势。加拿大也启动了国家量子战略，政府支持力度大，尤其是光量子技术路线全球领先，但与美国相比，其在硬件和软件方面稍显不足。Government SupportNumber of EnterprisesIndustrial Chain IntegrityScientific ResearchInternational CooperationUSAChinaGermanyFrance UKJapanCanada生态建设日趋完善07第一章2023量子产业发展概览图表 2023全球主要科技国量子计算生态建设情况16|2024年2月版16目前，量子计算正处于迅速发展的阶段。虽然当前仍然存在一些挑战，如测控系统优化、量子比特数量与质量、量子比特间的相互干扰等，但在各自得技术路线上，已经有了不少可观的突破，为产业的进一步发展奠定了基础。例如，IBM推出得可扩展Quantum System 2架构以及对应的Heron芯片，使得超导技术路线继续领跑全球；“九章三号”的成功构建则标志着量子比特的稳定性和纠缠性质的控制已经取得了显著的进展，使得量子计算机在解决某些特定问题上表现出色等。量子计算产业将进入快速成长周期。即随着量子计算机硬件的不断升级和算法的不断优化，更多的软硬件企业将投身于量子计算领域，并推动量子计算在不同行业的广泛应用。量子计算将在金融、医疗、材料科学等领域最先发挥作用，为下游行业带来颠覆性的创新。与此同时，产业链上的合作与竞争也将更加激烈，投资和创新以及庞大的市场需求将成为推动产业前进的关键驱动力。政府和企业也将共同合作，加大研发投入，以争取在全球量子计算领域的竞争优势。第一章2023量子产业发展概览产业发展即将进入快速成长周期08图表 量子计算发展生命周期示意图17产业规模时间-20192020-20272028-20332034-20402040-量子优越性展示进入NISQ 时代专用量子计算机实现多种核心应用示范研制出可纠错的通用量子计算机进入全面容错量子计算（FTQC）时代 由计算领域成熟企业引导，完成初步的概念验证 IBM早在1990年代就建立了专门的量子计算研究团队；Google团队首次证明了量子优越性等 代表企业：IBM、Google、Intel、Microsoft等 初创企业以及大部分科研机构开始加入硬件研发以及纠错的行列，全面推进各个技术路线发展 代表企业：Rigetti、IonQ、Quantinnum、Xannadu、QuEra、本源量子、国盾量子等 各技术路线的专用量子计算机不断涌现，并且中下游的量子软件企业，将在这一阶段迅速增长 将优先在金融、医药、化工、汽车、机器学习等领域替代经典计算机，产生多种核心应用范例 各技术路线间的优劣势开始逐渐被放大，或将收敛到单一或几条特定路线，纠错成本大幅降低 由下游新应用场景的需求驱动产业链进一步细化，产业链上游话语权增加，产线扩张直至供需平衡 运算错误率接近或小于经典计算机，量子比特数量将达百万量级 但即使计算机产业进入全面容错的量子计算时代，量子计算机和经典计算机依旧将并存，各自发挥优势，二者并非完全替代关系衰退期变革期起步期成长期成熟期|2024年2月版目前，云平台的主力用户是大学、科研院所、企业里的软件算法开发与验证人员，同行云平台的开发者，以及在校学生和想要从事相关领域的受训者；潜在用户是量子计算所赋能行业的研发机构。对于大部分使用者来说，付费使用量子云平台比采购和搭建量子计算机更为经济、方便、易实施。量子计算云平台的竞争优势包括平台的先进的硬件接入、长期使用稳定、软件工具丰富、混合计算能力、用户操作友好、强生态支撑、用户隐私安全和细分行业应用解决方案等方面。此外，量子计算云平台的后端还连接量子计算模拟器，它是通过经典计算机编程模拟量子特性，依靠模拟的“量子”进行相应计算。由于运算必然会占用一定的存储和算力资源，因此，大多数公司提供的免费量子计算云平台是量子模拟器。物理形态的硬件算力支持则更多情况下需要付费，因为支撑云平台持续运营需要大量资金投入。全球量子计算云平台的竞争格局呈现出激烈的多元化特征。欧美如IBM、Google、Microsoft、Amazon、AQT等公司涵盖了多种量子计算技术路线，包括超导、离子阱、中性原子、光子。中国如华为、本源量子、国盾量子、中电信量子集团等公司也崭露头角，主要采用超导技术路线。发展趋势上，未来全球量子计算云平台将朝着技术融合、计算效率提高、深度融合其他领域以及标准化规范化等方向发展。多技术路线的融合和互操作将为用户提供更多选择和灵活性，实现量子计算与经典计算的无缝集成将提高计算效率和降低成本，与人工智能、大数据、云计算等领域深度融合将拓展应用场景，标准化规范化将提高整体安全性和可靠性。这一竞争格局和发展趋势表明，全球量子计算云平台正处于一个快速演进的阶段，各方将致力于不断创新和提升综合实力，以争夺全球领导地位。第一章量子计算云平台竞争格局图表 全球量子计算云平台地理分布情况182023量子产业发展概览|2024年2月版19量子安全需求推动了QRNG技术在多个领域的应用，特别是在提升汽车、移动设备和物联网的安全性能方面。同时，QKD技术在金融、政务和国防等行业的应用正不断拓展，显示出量子通信基础设施的广泛潜力。此外，通信领域的企业正在开发利用PQC技术的加密解决方案，全球范围内的政府和军事机构也越来越重视与私营部门的合作，以加速获取先进的量子安全技术，从而确保通信和数据传输的安全。第一章2023量子产业发展概览二、量子通信与安全发展情况综述PQC与QKD的发展呈现并驾齐驱之势产业生态建设不断完善下游应用场景逐渐增多量子通信与安全领域的两大关键技术量子密钥分发（QKD）和后量子密码学（PQC）正展现出协同发展的态势。近年来，尽管QKD起初获得更多关注，但PQC的关注度在2022和2023年迅速增长，使得两者在投融资、政策支持、研究热度和商业潜力等方面呈现出并驾齐驱的发展趋势。QKD技术的全球布局正在扩大，超过30个国家正在建设相关基础设施。同时，QKD等技术的基础研究继续是未来发展的重点，以提高系统安全与效率，并解决实际应用中的挑战，如光子损耗和噪声干扰。PQC技术正迈向成长期，受益于标准化和政策支持，其商业化和应用探索在即。PQC技术正在迭代升级，以满足不同应用场景的需求。同时，PQC商业化和迁移计划正在启动，企业和组织正积极探索将现有加密算法迁移至PQC体系，以评估其商业潜力和成本效益。政府机构的参与和NIST的标准化文件为PQC的迁移提供了指导，推动了相关解决方案的发展，以增强通信和数据安全，防范算法破解风险。全球量子政策的支持推动着量子通信与安全领域将持续向好发展。在国家政策层面，2023年见证了多个国家首次或更新发布国家量子战略，为量子通信的长期发展注入动力。此外，多国政府在科研层面提供资金支持。尽管存在一定的阻碍，但量子通信与安全领域的跨国合作在增加。多国签署在量子科学与技术方面的合作备忘录以及一些国家合作以加强在PQC迁移方面的突破。量子通信领域的公司与量子计算、量子精密测量领域的公司常常相互合作，发现新机遇。2023年，这种跨领域合作趋势愈发明显，表现为量子计算与量子通信的紧密结合。预计未来跨学科合作将更加普遍，推动量子生态系统的完善，增强量子通信的安全性。量子通信与安全生态蓬勃发展01量子通信与安全产业链发展至今，已相对成熟，产业链分工更为细分。随着产业链结构进一步明晰，本次对产业链结构进行了调整，试图呈现出当前产业生态现状。产业链上游的核心器件与材料划分为芯片、光源、单光子探测器、量子随机数发生器以及其他。产业链中游划分为设备层、网络建设层和运营层。此外，这一版还将PQC纳入产业生态图谱。产业链下游仍以主要应用行业进行划分。注：部分公司的LOGO出现多次，旨在显示该公司在不同的版块均有业务涉及。图表 量子通信与安全产业链上游中游下游 其他量子随机数发生器单光子探测器芯片光源1313、2424、3838所所量子密钥分发设备组网设备和网络管理软件平台4444所所核心器件与材料核心设备网络建设集成保密网络运营PQC国防电网应用合作金融通信终端第一章2023量子产业发展概览20产业链相对成熟02|2024年2月版技术基本情况部分公司芯片数据处理芯片为FPGA（现场可编程门阵列）芯片通过编程，可以成为实现任意功能的器件。电子学芯片在量子通信中也有所使用，包括模拟信号处理芯片、数模/模数转换芯片（DAC/ADC）、射频芯片、存储芯片等。光学芯片通常指集成了光学功能的芯片，如光波导、光学传感器等。光源光源是产生光子的器件或设备，是实现基于量子物理的安全通信的基本元素。不同技术路线下对光源可能有不同的需求，激光器是一种常见的光源的设备。单光子探测器单光子探测器可以检测单个光子的信号强度，并将光信号转换放大为电信号。在量子通信中，主要探测可见光到近红外光波长范围的光信号，探测范围一般在400纳米到1310纳米之间。半导体探测器和超导探测器是两种常见的单光子探测器类型。量子随机数发生器量子随机数发生器（QRNG）已成为商业产品，是QKD设备中的核心部件。产品成熟度不断提升，从成本角度来看，已可具备了替代经典随机数产品的能力。其他晶体：主要用于生成和调制用于传输量子信息的光子。光纤光缆：光纤光缆是量子通信中所使用的一种传输介质，低损耗光纤可有效提升量子通信的通信距离和通信速率。在量子通信与安全产业链上游，核心器件与材料的涵盖囊括了关键的技术组成部分。首要的是先进的量子芯片技术，作为整个产业链的基础，包括数据处理类芯片、电学芯片和光学芯片。光源则成为量子通信不可或缺的关键组件，作为载体，经过对其量子状态的调制操作后，可携带量子信息在不同通信节点间中进行信息传输和共享。在通信接收端，单光子探测器发挥着至关重要的作用，确保对量子信息的精准检测。量子随机数发生器是保障通信不可预测性的关键工具。此外，其他核心器件如PPLN（周期极化铌酸锂）晶体、PPLN（周期极化铌酸锂）波导、光纤光缆等元件同样在上游产业链中发挥着关键作用。这些核心器件和材料为量子通信与安全产业链的上游提供了创新动力，为实现更安全、更高效的量子通信系统奠定了坚实基础。图表 量子通信与安全上游注：本图表中行业参与者仅展示部分，更多行业参与者请参考量子通信与安全产业链以及实际情况。量子通信与安全产业链上游0321第一章2023量子产业发展概览|2024年2月版在量子通信与安全产业链中游，划分为核心设备、网络建设集成、保密网络运营以及PQC。核心设备涉及到关键的量子通信设备，如QKD设备、组网设备和网络管理软件平台，这些设备确保信息的安全传输。网络建设集成用于构建高效、安全的量子通信网络，例如中国的国家骨干网、省骨干网以及城域网。保密网络运营则包括各运营商参与其中，推动量子通信技术的日常运行与维护。同时，产业链中游还加入了PQC领域，包括新一代的加密算法、安全协议、芯片等。这部分的发展使得产业链更为全面，更加关注未来密码学的演进。整个中游通过设备、网络建设和运营的协同作用，为量子通信与安全的发展提供支撑，为实现更安全、高效的通信提供了关键保障。量子通信与安全产业链中游04技术基本情况部分公司核心设备主要包括量子密钥分发（QKD）设备、组网设备和网络管理软件平台。QKD设备的商业化产品当前主要为DV-QKD（离散变量量子密钥分发）和CV-QKD（连续变量量子密钥分发）两大类。组网设备和网络管理软件平台包括信道交换类、数据处理类及网络管理软件平台。网络建设集成全球大部分QKD网络建设依托现有光纤通信网络，通过选择一些合适的点位，在机房中布设QKD发送端和接收端设备。保密网络运营运营层主要负责管理和协调整个量子网络的运作。这包括监控网络状态、调度量子信号的传输、维护网络安全性和稳定性。在运营层，重要的工作还包括处理密钥管理和分发、优化网络资源分配以及故障检测和响应。PQC一切可以抵抗量子计算攻击的新算法均可成为PQC，作为一种基于数学算法，通过芯片和配套软件系统实现的方案，在成本上和使用铺盖效率上较QKD有优势。图表 量子通信与安全中游注：本图表中行业参与者仅展示部分，更多行业参与者请参考量子通信与安全产业链以及实际情况。22第一章2023量子产业发展概览|2024年2月版从PQC公司总部地理分布来看，美国、欧盟、中国的公司分布较为密集。此外，加拿大、英国、日本、韩国、印度等国家也有公司参与PQC研究，并提供PQC产品或服务。从企业业务来看，美国IBM、Microsoft、Googl