中美量子技术产业基础评估

原文信息

【标题】An Assessment of the U.S. and Chinese Industrial Bases in Quantum Technology

【作者】Edward Parker, Daniel Gonzales, Ajay K. Kochhar, Sydney Litterer, Kathryn O'Connor, Jon Schmid, Keller Scholl, Richard Silberglitt, Joan Chang, Christopher A. Eusebi, Scott W. Harold

【日期】January 2, 2022

【机构】RAND Corporation

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编译信息

【译者】舒梦（上海外国语大学中东研究所）

【期数】第171期

【日期】2022年4月21日

尽管目前量子技术的发展仍处在实用性有限且稳定性不足的阶段，但其前景大有可为。因此，仍需要对量子技术相关技术公司和机构进行持续关注，以确保这些技术安全地留在美国。目前美国的量子技术处于世界领先地位，但这种领先是暂时而非永久的。对于未来量子产业可能出现的种种变化，美国需要做好应对的准备。

一、量子技术的发展背景

1. 量子产业的相关参与方

一个成熟的行业，其产业基础主要由私营公司构成，与学术实验室和非营利性研发机构也会有一定的相互联系。然而对于量子技术这种仍处于早期发展阶段的技术来说，其产业基础构成来源的范围更加广泛，与早期科研和技术研发的联系更加紧密。目前，量子产业的参与方主要包括以下三方面：

1.1 学术界（包括国家实验室）

学术界对于量子技术发展的主要贡献在于其早期基础性研究，研究目标主要在文献期刊中发表。量子技术研究是一个非常活跃的科研领域，在推动技术发展方面，学术界起到了非常重要的作用。

1.2 政府

政府在资助科学研究，推动新兴产业发展方面起到了重要作用。美国大部分关于量子技术的科学研究由政府资助，其国家研发资金主要来自于三方面：

²  民用技术相关部门：主要是美国国家科学基金会和美国能源部，也包括美国国家标准与技术研究院和美国国家航空航天局。

²  国防机构：如美国国防部高级研究计划局和国防部长办公室下辖的其他组织。

²  情报界（由美国国家安全局和美国情报高级研究计划局提供公开资金）。

通过资助科研活动，政府得以推进科学创新和学术研究的融合，以保障其战略部署。

1.3 相关产业

对量子技术发展最具推动作用的产业就是量子技术的商业化。一旦某项技术发展成熟，其商业市场化也随之出现，后期的研发、规模化和商业化过程便从学术机构转至私营机构。到技术发展后期，这些技术就会变为商业机密并取得专利保护。在过去的几年中，很多初创企业和老牌公司都已开始涉足量子技术研究，并申请相关专利。不过这些技术的最终应用仍然高度不确定，几乎没有哪家公司宣布即将销售与量子技术相关的最终产品。

在美国，量子技术的这三个参与方是紧密联系的。大多数处于量子技术前沿的大公司的首席技术官都曾担任过大学教授，且一些私营企业和大学实验室在学术期刊上的合作程度非常高。大部分公司都从属于同时涉及到学术、政府和产业的跨行业联盟，如量子经济发展联盟（美国国家标准与技术研究院创立）、量子人工智能实验室（谷歌与美国国家航空航天局共同创立）、量子科技联盟（加州理工学院和加州AT&T创新中心共同创立）等。过去的发展经验表明，这种跨行业的合作对创新产业的健康发展是至关重要的。

2. 量子科技发展概览

量子科学属于物理学范围，主要研究在小于或大致等于单个原子大小的情况下，微观粒子的物理行为。当处于这种微小的尺度时，粒子的表现状况与我们的日常所见截然不同。自20世纪80年代中期，理查德·费曼（Richard Feynman）提出量子计算后，科学界逐渐意识到，如对这种复杂的现象加以利用，或许能大幅度推进人类的现有技术。在本报告中，作者用了两个术语来解释量子物理的应用。一是量子信息科学，它是指对运用量子物理收集、处理、存储、通信或保护信息的方式进行的一般性研究。二是量子技术，它是指量子物理在实用设备或算法中的实际应用。政府决策者们的兴趣主要集中在这两个概念的交叉点上。量子信息科学和量子技术的交叉点主要应用于三个领域（有所重叠）：量子计算、量子通信与量子传感。

2.1 量子计算

量子计算机是一种利用量子物理独特特性的物理计算机。现有计算机的最小单位是位，在物理设备上表现为逻辑上的0和1，而量子计算机的基本单位是量子位。量子位是一种物理量子系统，它可以表示逻辑0或1两种状态中的任何一种，也可以处于逻辑0和逻辑1状态的叠加状态。简单的说，这意味着每个量子位都可以同时存在于逻辑0和1的状态中。当许多量子位组合在一起时，量子物理特性的效用就随之显现。如果排列得当，多个量子位的集合可以被联合放置并集体叠加。例如，如果用三个量子位来代表一个三字位的逻辑串，那么这三个量子位可以同时代表八个字位串000、001、010、011、100、101、110和111。

现有计算机一次只能处理一个字位串，而量子计算机可以同时处理数个。因此，量子计算机可以进行大规模的并行运算。此外，多个量子位叠加时，其同时存在的状态数量与量子位的数量成指数关系。每增加一个量子位，量子计算机的内存就会增加一倍，而经典计算机的内存却只会增加一个固定值。

对于某些应用程序来说，有了这种并行性计算，量子计算机能够比任何现有计算机都运行得更快。然而由于量子计算机的运行逻辑原理与普通计算机截然不同，必须针对不同的应用开发全新的量子算法。目前已开发出来的量子算法主要分为四类：

Ø   应用于生物化学和材料科学的建模和模拟的量子算法，它们或许可应用在药物开发、农业和新型先进材料设计等领域。专家们认为，这是最有可能率先实现的一种量子应用方式。

Ø   一种名为格罗弗算法的量子算法，它可以加速计算那些具有挑战性的搜索和优化问题。运输物流、天气建模以及流体科学模拟等都可能会应用到这种算法。然而尽管格罗弗算法的适用性非常广泛，但它的加速效果一般。

Ø   最著名的量子算法秀尔算法，它可以让量子计算机快速分解巨大数字。目前使用的几乎所有公钥加密的基础都在于假设了我们不能很有效率的分解一个已知的整数，因此运行秀尔算法的大型量子计算机可以轻松解密通过互联网传输的大部分信息。这对美国的国家安全和经济安全都构成了重大威胁。

Ø   人工智能机器学习的量子算法，如HHL算法。这个领域的研究非常活跃，但其最终应用依然不确定，因此前景并不明朗。

量子计算机或许还有很多更为强大的算法尚待发掘。因为在没有硬件的情况下，纯粹在理论层面上去研究量子计算机是很困难的。很多人坚定地认为量子计算机只会在数学问题方面带来巨大改进，其他方面则优势有限。

构建一台量子计算机在技术上很具挑战性，因为量子位是极不稳定的，即便是微小的干扰也可能让量子位脱离叠加状态，而叠加状态恰恰是其运行的关键。因此，量子位需要保持在极强的真空中或冷却到绝对零度以上的温度中，才能避免外在环境的干扰。目前开发的量子位有几种不同的架构，分别是超导传输量子位、离子阱量子位、光子量子位、量子点量子位和拓扑量子位。目前尚不确定哪一类架构更适用于量子计算机。

2019年，谷歌打造了一台有53个量子位的量子计算机，其计算运行连目前世界上最快的超级计算机也拍马莫及，被外界称为量子霸权。然而这台计算机在解决特定数学问题方面并没有什么实际应用，它仅仅证明了量子计算机在某些领域可以远超传统计算机。截至2021年7月，学术界普通认为谷歌的这台计算机是世界上唯一实现了量子霸权的量子计算机。

目前面世的所有的量子计算机都只有64个或者更少的量子位，不足以进行有效的计算。且量子位高度不稳定，可能会出现量子退相干的情况，随时终止运算。这些不稳定的计算机被称为“嘈杂的中等量子计算机”，还没有发现有某种有效算法可以在这种计算机上运行。

对于量子退相干的问题，目前已经有了量子纠错的解决方案，通过对量子进行联网纠错，提前检测并纠正可能出现的环境干扰。但是这种技术仍处于早期研发阶段，其能力仅仅在少量量子位上得到了有限的证明。量子纠错对于量子计算机的发展来说至关重要。然而，量子纠错需要大量的量子位。因此，在数千个量子位成功连结之前，量子纠错的功能无法完全实现。

由此可见，量子计算机何时可以有效应用，仍然是非常不确定的。美国国家科学院的一个专家小组在2019年提出，要发展能够威胁到加密钥的量子计算机，至少还需要十年的时间。前文所讨论的通用量子计算机，都是理论上拥有强大功能的量子计算机。除此之外，也有其他的量子计算形式，比如量子退火、玻色采样、量子模拟等。

2.2 量子通信

量子通信是指在长距离内物理传输量子状态（编码有用信息）的技术，其传播媒介主要是光粒子。原则上，这些信号可以通过传统电磁信号的所有通道传输，包括光缆、露天环境、卫星和水下环境等。在实践中，光粒子需要极弱且方向性极强的信号，这使得传输在技术上具有一定的挑战性。

目前的量子通信技术主要有两代不同的应用。第一代的量子通信技术主要是量子密钥分派的传输技术，它属于量子密码学，可以提高传输的安全性。但是这种技术并没有直接降低传输的风险，仅仅是降低了信息传输被拦截的风险。量子密钥分派技术的更大意义在于，它对解决量子技术给传统计算机带来的威胁提供了一种解决方案。因为量子密钥分派技术不容易受到秀尔算法或其它量子攻击的影响。只是这种技术造价昂贵，且运行问题可能会导致安全漏洞的出现。目前这种技术已进入欧洲市场，其在欧洲、中国、韩国和日本的运用也逐渐增多，但在美国还并不常用。

第二代量子通信技术还处于起步阶段，它主要是在量子纠缠的情况下，保持两个量子位的物理距离，这需要复杂的量子处理技术。目前普遍认为，这种基于量子纠缠的通信技术将主要应用于量子网络的构建之中，即将计算机或传感器等量子设备连接在一起，使它们能够并行地处理信息。美国国防部已将分布式量子计算、量子传感器阵列和量子时钟同步确定为重点领域。

2.3 量子传感与定时

量子传感是指运用量子物理技术来提高各种传感器的性能。量子传感技术的运用非常多样化。与经典传感器相比，量子传感器拥有更高的灵敏度，更小的尺寸、重量、功率，并只会消耗更少的成本。

在量子传感方面，美国国防部将改进惯性制导的量子加速度计和陀螺仪、用于重力辅助导航和地下隧道探测的重力仪以及微型天线定为重点领域。一些机构还宣布正在进行关于量子磁场的研究，以补充GPS的导航作用。量子传感技术还可以应用于情报、监听和侦察等方面。

综合而言，各类量子技术的军事潜能及其影响如图1所示：

美国的量子产业基地

二、美国量子技术产业评估

1. 美国的量子科学研究评估

1.1 美国量子研究活动概览

在2011年至2020年的这十年间，报告分三个领域统计了美国在量子技术方面的科研成果。在量子计算领域，美国处于国际领先地位。在此期间，在全球范围内总计发表了28,388篇与量子计算相关的文章，其中来自美国相关机构和组织的作者共计发表7319篇，这表明在所有量子计算文章中，大约有26%的文章与美国相关。在量子通信领域，全球共计发表了16912篇文章，其中2,524篇来自美国，而6440篇来自于中国，在量子通信领域，中国处于领先地位。在量子传感领域，全球5,130篇文章中的1240篇（24%）来自于美国。表一体现了2011年至020年期间在各个领域出版排名前十的国家：

表1：2011-2020年间量子技术领域出版物数量排名

1.2 美国量子研究活动的发展

美国在量子技术三个领域的应用年增长率如表2所示、其年度出版物数量的变化与图2所示。在三个领域中，美国量子出版物数量呈增长趋势。2019年，三个领域的总体出版数量是2011年总数的两倍多。

表2 美国量子技术应用复合年增长率

图2 美国量子技术出版物年度变化

1.3 美国量子技术相关机构的研究能力

在2011年至2020年之间，美国在量子技术方面发表成果的研究机构共计1521家，其中在量子计算、量子通信和量子传感方面分别为1236、581和376家。发表量前20家机构如表3所示：

表3：美国量子技术成果量前20家机构

在这20家研究机构中，16家为研究型大学的主校区，两家是以国防为研究重点的国家研究机构。此外，美国国家标准与技术研究院的两个院区在量子技术成果刊发方面的作用也不容小觑。

不同类型的美国量子技术研究机构数量如表4所示，其中不同应用领域的研究成果占比如表5所示。

表4：不同类型的美国量子技术研究机构

表5：研究成果在不同类型的美国量子技术研究机构中所占比例

整体而言，美国在量子技术领域的研究产出集中度（赫芬达尔—赫希曼指数）并不高，如表6所示。其中，麻省理工学院是产出份额最高的研究单位。

表6：2011-2020年量子技术研究机构的赫芬达尔—赫希曼指数

1.4 全球范围内的学科影响力

量子计算方面，在2011-2020年间，美国发表了1381篇引用率较高的研究成果，是中国（630篇）的两倍多。在此期间，全球共计发表了3043篇高频引用的量子计算研究成果，美国占45%，而21%的份额与中国相关。在量子通信方面，在全球发表的1879篇高频引用的量子通信研究成果中，433篇（约23%）有至少一位美国作者，而577篇（31%）有至少一位中国作者。在量子传感方面，在全球发表的570篇高频引用的量子通信研究成果中，235篇（41%）有至少一位美国作者，占全球首位。而中国作者的相关成果只有148篇，占总数的26%。表7体现了在量子技术领域，引用率较高的成果数量及其来源单位的数量。

表7：美国量子技术成果刊发的数量及来源

1.5与政府重要关切的结合程度

根据国防部的公开报告和白皮书所示，量子密钥派发、量子密码学和量子雷达及其相关的量子照明技术均属于国防部量子技术发展中优先次序较低的领域。在2011年-2020年间，有27.6%的美国量子通信领域的研究成果侧重于量子密钥派发和量子密码学。同一时期，有16.1%的量子传感领域研究成果是关于量子成像的。整体国防部量子技术发展中优先次序较低的领域的研究成果总量如图3所示。

图3：美国国防部量子技术优先次序较低的领域的研究成果总量 

表8体现了美国量子技术成果的国际合作度。美国在量子计算方面的合作比中国相关机构更多，但在量子通信和量子传感方面的合作较少。在所有量子技术领域的国际合作中，中国都是美国最大的合作机构和作者来源国。在量子计算领域，德国和加拿大位列第二与第三位；在量子通信领域，加拿大和英国位列第二与第三位；在量子传感领域，德国和英国位列第二与第三位。

表8：美国量子技术成果的国际合作度

1.6 技术泄露的风险

由于2018年的美国国防战略将与中国和俄罗斯的长期战略竞争列为美国国防部的主要优先事项，该报告主要将中国和俄罗斯作为战略竞争对象进行评估。其中，美国与中国的合作较多，清华大学是量子技术应用三个领域中最主要的中国合作方。如表9所示，美国与中国军事背景的大学也有合作。

表9：美国与战略竞争对象的国际合作

2. 对美国政府量子技术支持力度的评估

2.1 美国政府对量子产业研发的整体投资

由于美国政府对量子技术研发的投资分布在不同的部门之中，所以很难进行整体统计。美国国家量子倡议法案出台后，国家科学技术委员会量子信息科学小组委员会成立，对量子技术产业的相关投资也较原本基线增加了一倍左右。图4、图5列出了2019-2021年美国政府对量子技术研发的投资变化及国家量子倡议法案出台后，投资总额相较于基线的增加额及其领域分布。

图4：2019-2021财年美国政府对量子技术研发的投资总量

图5：2019-2021财年美国政府量子技术研发投资的领域分布

2.2 美国政府对量子产业投资的增加

在2021财年，美国政府对量子产业的投资较前一年增长了29%，且2022财年的预计年增长率为22%。尽管研发投入的基线也在不断增长，但大部分投资额的攀升来源于国家量子倡议的支持。

2.3 政府对量子产业投资的稳定性

在国家量子倡议法案中，政府授权了多项持续多年的量子科学发展计划，且美国国家科学基金会将斥资7500万美元成立三个由不同大学引领的量子跃迁研究机构，美国能源部也已授权在五年内投资 6.25亿美元建立五个由不同的国家实验室领导的量子技术研究机构。还有一些其他的机构也支持着一部分较小但持续多年的独立研究计划。

2.4 量子产业投资的来源的广度

表10描述了50余篇来源于美国机构的量子科学研究成果的主要资助来源情况。

表10：2011-2020年美国量子科学研究成果的资助来源

从赫芬达尔—赫希曼指数来看，美国对量子科学发展的投资并不如中国那么集中，其资金来源较为多样化。在美国排名前20的量子科学发展资助方中，有11家都是政府机构，其中资助金额最高的是美国国家科学基金会。在这11家政府机构之中，六家机构都是以情报和国防为工作重点的，如表11所示。此外，基金会对美国量子信息方面的成果资助也非常重要。

表11：2011-2020年美国资助量子科学出版物数量排名前20名的机构

3. 美国量子产业中的私营企业

3.1 量子产业相关企业数量及分布

由于没有完整的名单及相关标准，很难统计美国有多少家与量子产业有关的企业。报告基于一些数据进行了粗略的统计，列出了182家量子产业的相关企业。自2020年起，量子技术的商业领域发展迅速，这些企业的数量也在随之变更。至2020年9月，在美国的国家量子计划建立的量子经济发展联盟中，共有139家企业。其中在量子技术应用的每个领域内，涉及到的美国企业数量如图6所示。

图6：量子经济发展联盟中的企业领域分布

在量子经济发展联盟中，约一半的企业关注于量子计算，还有很多企业做硬件、组件等方面的跨领域产品及服务工作。尽管美国的科研成果刊发主要围绕于量子通信领域，但专注于该领域的企业数量并不多。

量子经济发展联盟中的企业规模都不大，只有五家公司的规模在50人以上，如图7所示。

图7：量子经济发展联盟中的企业规模分布

量子经济发展联盟中的公司大多比较年轻，多在2017年后成立。很多初创企业的商业模式、产品线及收入流尚不稳定，容易受到行业大环境的影响。图8统计了在联盟中的32家专注于量子技术的公司的创始年份。

图8：量子经济发展联盟中的相关企业创始年份分布

量子经济发展联盟中的20家企业公开了其共计12.8亿美元的风险投资总额，如图9所示。图10表明，在所有技术类初创企业之中，量子类初创企业获取了更多的高额风投。在12.8亿美元中，四分之三的资金流入了其中的三家企业，这表明风投市场对这几家主要的量子企业的前景持积极态度。但一旦这几家企业失败，私人投资就可能会撤出量子技术领域。

图9：量子经济发展联盟中部分企业公开的风投资金

图10：量子初创企业与所有技术类初创企业所获风投分布的比较

图11体现了量子经济发展联盟中企业的领域分布。这些企业的主营领域分布较为均匀，大部分企业都生产硬件，其中生产基本组件和集成系统的企业大致相当。

图11：量子经济发展联盟中企业的领域分布

3.2 量子技术企业的专业化程度

图12体现了量子经济发展联盟中企业的三类专业化程度。第一类企业是专门致力于量子技术的初创企业。第二类企业并非专门从事量子技术，但它们生产与量子技术相关的产品或有与量子技术相关的研发计划。第三类企业目前没有在积极推进的量子领域的项目，但这些企业可能在密切观察量子产业的发展并正在资助没有公开宣布的内部研究。目前，完全和部分专注于量子项目的企业分布比较均衡。

图12：量子经济发展联盟中企业的专业化程度

3.3 对国外供应链的依赖性

报告分析了从事量子技术的几家企业，发现这些企业采购的组件主要来自于德国、芬兰、英国、荷兰、瑞典、法国、意大利、俄罗斯、加拿大、中国大陆地区、日本、澳大利亚、菲律宾、中国台湾地区和马来西亚等国家和地区。其中，主要来自于欧洲供应商的量子技术组件如表12所示。

表12：来自于欧洲供应商的量子技术组件

亚洲地区也是美国量子产业主要的供应商地区，尤其是中国和日本。由于价格实惠，美国企业更倾向于从中国购买零部件。来自亚洲地区的量子技术组件主要如表13所示。

表13：来自于亚洲供应商的量子技术组件

有时，美国的量子技术企业从经销商手中购买组件，但经销商并不会告知企业组件的来源国。如表12、13所示。美国企业采购的大部分量子技术组件来源于美国的盟友。但在商用成本和原材料领域，中国供应商的地位具有明显的价格优势。

3.4 对有限供应商的依赖

量子技术组件供应商的高集中度给美国量子产业供应链带来了风险。在激光器、光学设备、热蒸汽电池、蓝宝石晶圆、低噪音放大器、部分电缆、双角蒸发器和各种原子同位素等组件方面，都存在供应商集中度高的问题。一旦供应商更改现有的产品目录，可能会导致某种组件的供应链完全切断。且当供应商有限时，该组件的生产环节设定成熟后，其技术更新也变得更加困难。

3.5 依赖国外供应链和有限供应商的原因

组件的相对成本、质量差异、国内替代品的缺乏，以及外国公司收购国内供应商等因素都是造成美国量子技术企业存在外国依赖的原因。美国在特定的领域缺乏供应商，也是其中的原因之一。即便美国的量子技术企业从美国经销商手中购买组件，这些组件也可能并非美国本土生产的，而是来源于国外的。此外，在一些级别更低的供应商之中，还可能存在一些难以统计的对外依赖。

质量和数量都是造成量子技术企业供应商有限的原因之一。在质量方面，由于有些版本的组件无法满足量子技术企业的要求规范，企业就只能在有限的范围内作出选择。在数量方面，由于量子企业所需的组件数量相对较少，且需求并不稳定，因此寻找多个供应商会提高成本。此外，有的组件只能由少数几家机构和组织制造出来，且不容易作为商业产品出售。

3.6 其他发现

当量子技术开发的规模较小时，购买组件的过程会更加艰辛。利润率低的大企业不愿为数十个组件而改变自己的生产流程。因此，量子技术企业更多与规模较小的组件生产企业合作，这使得供应链变得更加脆弱，这也是量子产业的特性决定的。例如对于量子计算企业来说，他们想要开发的是高性能的量子计算机，而非面对普罗大众的市场型产品，这就给他们的采购带来了困难。

此外，技术变革的不确定性也给供应链的稳定性带来挑战。量子技术仍处于不断发展的状态之中，无论是量子技术企业或是供应商，都无法预估哪种组件在未来将被大量需要，因此也无法大量储存。

4. 对美国量子技术指标的评估

4.1 创新潜力

报告评估了美国在量子计算、量子通信和量子传感三个方面美国的专利申请数量。表14总结了2019年全年美国的量子技术专利指标。在上述三个领域，美国的创新潜力都是巨大的。

表14：2019年美国的量子技术专利指标

图13显示了2000年到2020年间每年每个申请领域提交的美国专利的累计数量。

图13：2000-2019年美国量子技术专利申请的累计计数

4.1.1 量子计算领域

在2000-2010年间，量子计算的专利数量每年约增长100件，呈线性增长。随后，专利的申请数量开始呈现S曲线的指数型增长。由于S曲线一般在18-20年才会达到饱和，因此报告预估现有的4845件专利数量大概位于S曲线全线的中间区域。与其他国家的量子计算技术专利申请相比，美国专利的出现时间较早，申请数量更多，这都表明了美国在这一领域的领先地位。中国是目前与美国最为接近的竞争对手。中国的起步较低，但中国相关专利申请的S曲线攀升更为迅速，中国在量子计算方面也取得了重大进展。此外，超导量子计算领域的专利数量上升的更快，约占美国量子计算专利申请总量的三分之一，如图14所示。

图14：2000-2018年美国超导量子计算领域的专利数量累计计数

2000-2019年美国申请的量子计算技术专利来源于1296家机构和企业，其中排名前10名的机构如表15所示。中国的华为与阿里巴巴位列其中。

表15：美国量子计算专利申请数量最多的专利受让人

4.1.2量子通信领域

由图13可以看出，美国量子通信的S曲线在2000年就开始出现，在2019年由最初的10件增加到了1300件。但中国的量子通信专利数量是美国的近三倍。中国高速攀升的S曲线与美国几乎同时出现，中国最近在“墨子”号卫星长距离发送量子加密信息方面也取得了成功。

2000-2019年美国申请的量子通信技术专利来源于755家机构和企业，其中排名前10名的机构如表16所示。

表16：美国量子通信专利申请数量最多的专利受让人

4.1.3量子传感领域

由图13中可以看出，美国量子传感的S曲线大约在2005年出现，在2019年由最初的100件增加到了800件。与其他国家的量子传感技术专利申请相比，美国专利的出现时间较早，申请数量更多。但由于量子传感器具有多样性，需要对特定传感器及其应用进行技术分析才能了解国家在该领域的地位是否领先。美国在这方面的专利来自于610个机构和组织，专利受让人非常多元化，包括企业、大学和政府实验室。其中排名前十位的机构和组织如表17所示。

表17：美国量子通传感专利申请数量最多的专利受让人

4.2技术成就

4.2.1量子计算领域

由于量子计算机的运行方式与现有数字计算机存在根本性区别，因此中央处理器中的晶体管数量或微处理器速度等传统的技术性能指标对评价量子计算机并无意义，需要使用特定于量子计算的技术指标来进行评估。表18体现了来自于美国学术机构与企业的领先的量子计算成就。

表18：美国学术机构与企业领先的量子计算计算成就

在量子计算方面，目前两个比较领先的大企业分别是谷歌和IBM，它们开发了具有 53-65 个量子位的系统，并发表了分析和基准测试结果的论文。可用于计算的量子位越多，量子计算系统的潜在能力就越大。哈佛大学、麻省理工学院的研究人员和初创公司ColdQuanta 在开发基于中性冷原子量子位的量子计算机方面也取得了进展。由于其量子位相干时间长，这类系统有可能执行长而复杂的计算，然而其量子电路操作尚未在冷原子系统中公开展示过。初创公司PsiQuantum正尝试开发一种又可容错又可扩展的光子量子位计算机，该计算机能够使用商业上相对成熟的半导体制造设备来进行量子纠错。但截至目前，他们几乎没有发布有关其进展的公开信息。微软多年来也一直在研究拓扑量子位范式的问题，但也没有公开展示任何进展。因此，这些企业的技术进展并未在表18中体现。

2021年6月之前，美国是唯一公开有量子计算机雏形的国家。随后，中国也发布了三种不同类型的量子计算机。

4.2.2量子通信领域

量子通信技术尚未成熟，但从其现有应用来看，量子纠缠技术是发展量子通信技术的关键。基于量子纠缠的三种应用方向主要是：高效生成高质量纠缠光子对、基于长距离纠缠的量子密钥分发和用于量子状态共享和传输的量子设备的远程组网。纠缠光子的技术现状主要如表19所示。目前产生纠缠光子主要有自发参量下转换和砷化镓量子点两种方式。后一种技术方式看似充满前景，但其技术尚未实现扩展性。由表19可以看出，在纠缠光子领域，目前没有哪个国家处于明确的领先地位，只有德国在纠缠源方面处于世界前沿。

表19：纠缠光子的技术现状

在长距离量子网络的技术现状方面，主要如表20所示。目前所有的量子网络雏形都通过光纤电缆来传输量子位。

表20：长距离量子网络的技术现状

4.2.3量子传感领域

对传感器的评估通常以其灵敏度、带宽和动态范围等指标为导向。目前有大量传感器处于开发状态，其中重力仪和磁力仪两种传感器能够充分体现量子传感技术的快速发展。美国正着力推进几种重力仪的先进技术并优先考虑这类传感器的可部署性。此外，包括美国和中国在内的许多国家正在开发如氮空位中心的新型高灵敏度的磁力计。表20和表21总结了这两种传感器的一些技术指标。

表20：重力仪的技术现状

表21：磁力仪的技术现状

4.3 处于开发中的技术方法的广度

在量子计算领域，美国公司已经展示了两种能够进行通用量子计算的量子位技术的完全集成原型，二者分别是超导跨量子位（谷歌、IBM和Rigetti）和俘获离子量子位（IonQ和霍尼韦尔）。其他企业研究的其他量子位技术尚未展示出明确的集成原型。在这一领域，现状如下：

²  中国已发布（尚未经过同行评审的）预印本，声称在超导量子比特方面取得了令人瞩目的成就。如属实，那么美国和中国在SCT技术方面处于大致同等的水平。

²  在离子阱计算机方面，美国无疑处于领导地位。

²  中国已经有最先进的光子量子技术性能，但全球尚无真正能够进行普遍计算的光子量子位系统。

²  美国公司在基于中性原子和量子点量子位计算机方面似乎有突破的可能，但该领域尚无完全集成的雏形出现。

²  美国公司在拓扑量子位方面进行的投资最多，但还没有任何国家展示过这种类型的任何量子位。

在量子通信领域，有几家已经获取了风投的企业试图将量子密钥派发技术商业化，但目前无法确定它们是否已制造相关设备，也没有证据证明美国在推进量子密钥派发技术。在这一领域，美国并没有在哪个子领域处于明显的领先地位。美国、中国和德国在实验室中展示的量子纠缠的生成大致相当，美国也没有在量子密钥派发方面取得新进展。中国似乎是唯一有远距离量子纠缠储存器的国家。

在量子传感领域，目前已经确定有11家公司分别将量子技术应用在PNT重力测量、射频传感、磁力计、陀螺仪、红外传感和原子钟这六种集成硬件系统中，其实际的商用产品尚无法验证。由于量子传感的应用多样化，其性能很难在国家间进行比较。基于对重力仪和磁力仪的评估，美国在这一领域处于领先地位。

4.4 主要发现

美国在量子技术研究方面的学术基础非常广泛，过去的时间中1500多家机构发布了一万多篇论文。在量子计算、量子通信和量子传感这三个领域的发表成果都呈稳步增长态势，在量子计算和量子通信方面的高频被引论文较多。美国的量子技术研究高度国际化，约近半的出版物是国际合作产生的，少数美国研究人员还与隶属于战略竞争对手的有军事背景的大学研究者有合作关系。

美国政府是迄今为止最大的研究资助方，有望在2021财年从多个机构投入 7.1亿美元用于量子技术研发。近年来，美国政府的相关支出以每年逾20%的速度稳定增长，这主要由美国的国家量子计划推动而成的。

在量子技术领域，美国的私营企业参与广泛而多样化。风投资金是这些企业最主要的资金来源。目前风投资金主要关注于量子计算领域。

三、中国的量子技术产业评估

中国在量子技术产业基础方面仅次于美国。在评估多个地区的指标之中，中国和美国一直占据着前两位。报告将一部分评估美国的指标也用于评估中国的量子技术产业，以进行对比研究。

1.  中国的量子技术研究评估

1.1 研究活动概览

在量子计算、量子通信和量子传感这三个领域中，来自中国机构的出版物数量和增长率如表22所示。

表22：中国的量子技术出版物数量及增长率

中国量子技术领域出版物数量的年度增长如图15所示。在2011年至2019年之间，中国量子技术领域出版物数量翻了一番。

图15：中国量子技术领域出版物数量的年度增长

1.2 机构研究能力

在2011年至2020年之间，中国在量子技术方面发表成果的研究机构共计2205家，在量子计算、量子通信和量子传感方面分别为1592、1288和535家。其中发表量的前20家机构如表23所示。这20家机构之中，有16家都是大学。

表23：中国量子技术成果量排名前20的机构

中国在量子技术领域的研究产出集中度（赫芬达尔—赫希曼指数）如表24所示。与美国的情况相似，中国在量子技术领域研究的产出集中度也不高。不像美国的麻省理工学院在三个领域均处于第一名的位置，量子计算领域产出集中度最高的是中国科学院，量子通信领域最高的是北京邮电大学，量子传感领域最高的是中科大。但这两年中国的研究产出集中度不断升高，中国将大部分的量子技术研究都交给位于安徽合肥的中科大实验室来进行。

表24：2011-2020年中国量子技术研究机构的赫芬达尔—赫希曼指数

1.3全球范围内的学科影响力

表24体现了在量子技术领域，引用率较高的中国成果数量及其来源单位的数量。

表24：中国高频被引量子技术成果刊发的数量及来源

1.4与政府重要关切的结合程度

在2010-2020年期间，34.9%的量子通信技术出版成果关注于量子密钥分派和量子密码学，41.4%的量子传感出版成果关注于量子成像技术。整体国防部量子技术发展中优先次序较低的领域的研究成果总量如图16所示。

 图16：中国国防部量子技术优先次序较低领域的研究成果总量

1.5国内外合作程度

表25体现了中国量子技术成果的国际合作度。在三个量子应用领域中，中国研究机构的国际合作率均低于美国，美国是中国最大的合作国家。

表25：中国量子技术成果的国际合作度

1.  对中国政府对量子技术发展支持力度的评估

2.1 对中国政府量子产业研发整体投资的评估

整体而言，由于中国对量子技术的研发支出各方报道差异较大，难以获取具体数据。

2.2 中国政府对量子产业投资的增加

从表26中可以看出，中国对量子技术的研发投资在2006年-2010年期间大幅度增长。到2015年，这种增长已经趋于平缓。中科大合肥实验室在量子技术方面成果卓然。从中科大合肥实验室所公开的资金数据来看，中国政府对这一领域的投资依然在快速增长。

表26：中国政府对量子技术研发的总支出

2.3 政府对量子产业投资的稳定性

中国在过去的两次五年计划中都提到了量子技术。在“十三五”计划中，中国政府提到了量子通信，在“十四五计划”中，七次提到了量子技术，并把量子技术的重要性与人工智能和先进半导体制造等其他战略重点相提并论。这表明，量子技术一直是中国的战略重点，其重要性还在不断提升。在2020年10月，中国国家主席习近平还主持了一次关于量子科学和技术的小组学习会议。

2.4 量子产业投资来源的广度

表27描述了50余篇来源于中国机构的量子科学研究成果的主要资助来源情况。

表27：2011-2020年中国量子科学研究成果的资助来源

中国在量子技术方面获取的投资比美国更为集中，但资助体系严重依赖中国自然科学基金委员会，目前50%的量子计算出版成果、50%的量子通信出版成果、49%的量子传感出版成果都受到了自然基金委的资助。表28列明了对中国量子科学研究成果进行资助的最主要的20家机构。从中可以看出，中国的省市级资助的重要性也很明显，而在美国，州政府和地方政府很少对科学研究进行资助。

表28：2011-2020年中国资助量子科学出版物数量排名前20名的机构

2.  中国量子产业中的私营企业

3.1 量子产业相关企业数量及分布

由于没有完整的名单及相关标准，很难统计中国有多少家与量子产业有关的企业。在2020年，一份商业报道称中国有4200多家从事量子技术相关产业的公司，其中87%在过去的五年中成立。但这其中有部分公司只是在名义上与量子技术相关，实质上并没有多少量子相关技术。通过搜索博士论文，可以发现在量子技术方面毕业的博士总数只有大约1700名，因此从事相关产业的公司应该不会有那么多。结合专利搜索、行业出版物和媒体报道，在量子技术研发方面的主要机构如表29所示。

表29：中国主要从事量子技术研发的公司

专注于量子的初创企业

国仪量子

昆峰量子

本源量子

安徽问天量子科技

科大国盾量子技术股份有限公司 (国盾量子)

国开启科量子技术 (北京）有限公司（启科量子）

浙江神州量子通信技术有限公司

深圳量旋科技有限公司 (量旋科技)

拥有量子研究小组的大型科技公司

中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室

百度量子计算研究院

量子计算软件云平台 (华为云)

腾讯量子实验室

中兴通信

其中在量子技术应用的每个领域内，涉及到的中国初创企业数量如图17所示。

图17：量子应用领域中国量子初创企业的领域分布

与美国的初创企业一样，中国的初创企业往往规模较小且较为年轻。其主要规模分布、创始年份分布和资金分布如下图所示。

图18：中国量子初创企业规模分布

图19：中国量子技术企业的创始年份分布

图20：中国量子技术公司的资本资金分布

  中国的量子技术出版成果基本都来自于学术实验室而非私营企业，量子技术研发基本也主要由政府控制。目前的八家初创企业中有三家总部位于合肥，还有一家企业位于安徽省的另一个城市。这些初创企业可能都隶属于合肥微尺度物理科学国家实验室，这进一步表明该实验室在中国量子科技中的重要地位。

3.2 量子技术企业的专业化程度

在报告统计的13家企业之中，八家是专门的初创企业，另外五家是大型的多样化企业。

1.  对中国技术指标的评估

4.1 创新潜力

由表30可以看出2019年中国的量子技术专利指标情况。

表30：2019年中国的量子技术专利指标

图21显示了2000年到2020年间每年每个申请领域提交的中国专利的累计数量。

图21：2000-2019年中国量子技术专利申请的累计计数

中国的量子计算和量子通信专利的趋势非常相似。在一段线性增长之后，在2009年左右开始呈指数增长，也就是S曲线的开始。尽管中国的量子计算专利的申请数量少于美国，但中国S曲线的陡势上升表明中国这方面的专利总数可能很快就会等于或超过美国。中国的量子通信专利的申请量几乎是美国的三倍。尽管在这一方面，中国的S曲线比美国出现的晚五年左右，但它的上升势头非常明显。在量子传感方面，中国在2009年出现了S曲线，应用的数量从2009年的40余个上升至2019年的650多个。

4.2 技术成就

4.2.1量子计算

报告认为，中国的大部分量子计算研究是在合肥微尺度物理科学国家实验室完成的。该实验室的研究人员正在寻求至少三种不同的量子计算技术方法，分别是由直接结合低温控制微芯片的 SCT 驱动的量子处理器（表31中第一项）、3D线连接的导管与单独的低温逻辑芯片钻孔且由SCT提供驱动的量子处理器（表31中第二项）和具有某些可编程特性的能够进行玻色子采样的光子量子计算机（表31中第三项）。其数据主要如表31所示。这三项量子计算的技术成就均在2021年公开。

表31：中国量子计算的科技表现

4.2.2量子通信

如前文所述，基于量子纠缠的三种应用方向主要是：高效生成高质量纠缠光子对、基于长距离纠缠的量子密钥分发和用于量子状态共享和传输的量子设备的远程组网。

在纠缠光子对方面，中国已经展现出与德国质量相当的砷化镓量子点纠缠源。在长距离量子网络的技术现状方面，主要如表32所示。

表32：基于远程纠缠的量子密钥派发技术现状

在长距离量子网络方面，中国是唯一展示了两个量子储存器长距离纠缠的国家，这是迈向量子网络的重要一步。

4.2.3量子传感

报告认为，中国没有推进重力测量技术的发展，对磁力测量的研究也集中在显微镜（如用于生物医学成像）而非导航或长距离传感。

4.3 处于开发中的技术方法的广度

在量子计算方面，中国展示了一个使用通用量子位的超导传输量子位。它还展示了一个使用光子作为玻色子进行玻色子采样计算的集成雏形，但这种架构不具备通用量子计算能力，也没有使用真正的量子位。

在量子通信方面，中国已经有了许多关键技术的雏形，包括高质量纠缠光子对的生成、光缆量子密钥派发、卫星量子传送以及两个远距离量子存储器的纠缠。

在量子传感方面，目前并没有发现中国拥有量子传感器雏形。中国大多数的量子传感研究似乎还停留在实验室阶段。

报告认为，在量子通信领域，中国在高质量纠缠生成方面与美国、欧洲（尤其是德国）大致相当。中国在大规模部署量子密钥派发方面世界领先，也是唯一一个通过卫星展示量子通信的国家。在量子通信中最有价值的量子设备网络方面，中国也是世界领先的。在量子传感方面，尚未发现中国有世界领先的技术。

4.4 主要发现

中国在量子技术成果出版方面非常活跃，在过去的十年之中，2000多个研究单位共发表了14000多篇出版物，研究步伐稳步加快。在量子计算和量子传感方面，中国的高频引用出版成果的数量少于美国，但在量子通信领域，中国的出版成果更多。与美国相比，中国的大部分研究都集中在国防优先等级较低的方向。中国的国际合作水平很高，但仍低于美国。

政府对量子技术研发支持的公开报告并不清晰，研发投资每年从8400万美元到30亿美元不等。政府投资集中于少数机构。中国领导人明确将量子技术发展视为战略重点。

中国的量子技术研发主要由政府资助的实验室主导，尤其是合肥微尺度物质科学国家研究中心，该实验室的几项研究成果都处于国内量子技术的最新发展水平。而私营部门在尖端量子技术的研发中起到的作用有限。源于私营企业的资金仅占美国该领域风投资金的3%。中国的私营企业比美国私营企业更关注于量子通信领域。

从目前展示的技术成就来看，中国在SCT量子位方面的水平与美国大致相当。在被玻色子采样的有限量子计算形式方面较为领先，在其他方面相对落后。中国在量子通信方面处于世界领先地位，但在量子传感领域落后于美国。

因此，报告认为：

1. 美国的量子科研走在国际前沿，科研产出相对稳定。大多数量子技术仍处于早期阶段，预计在未来几年内，这些技术的实际应用依然存在不确定性。此外，中国在量子通信技术方面的领先和在量子计算领域的进展值得关注。

2. 在量子技术应用的科研方面，美国与中国都是全球领先的。美国更擅长于量子计算和传感领域，而中国在量子通信的领域更加突出，且中国正在扩大其量子通信领域的科学出版影响力。从二者的出版物和专利数量、私营企业数量、风投水平、技术能力及相关国家领导人的声明都可以看出两国在研发重点方面的差异。

3. 美国政府每年投资 7.1 亿美元用于量子技术研发（2021财年）。近年来，这项投资的增长迅速（每年增幅约20%），这主要归功于美国的国家量子计划。但该计划授权至2023年，未来拨款难以预测。而中国用于量子技术投资的金额并没有统一的公开数据，难以比较。

4. 美国量子技术的发展主要由私营企业推动，缺乏明确的技术领导方。多家量子技术企业的研发方向各不相同。私人融资的主要来源有二，一是大企业的研发支出，这方面并不公开。二是初创企业的风险投资，其中逾12.8 亿美元流向了至少20家不同的公司。

5. 中国的量子技术研发主要集中在政府资助的实验室中。其中大部分技术都在中科大的合肥实验室中，该实验室近日宣布其量子计算能力或已超过美国达到最先进水平。中国私营企业宣布的量子技术突破很少。

6. 一些美国量子技术公司对高质量组件有一定的依赖性，尤其是激光器和光学原件。但目前尚未发现相关企业对战略竞争对手国家有严重依赖。只有大型高质量蓝宝石晶片可能是量子技术的关键材料，而俄罗斯是世界上为数不多的此类晶片来源地之一。量子技术没有单一的供应链，不同技术方法需要完全不同的组件，多个供应链几乎没有重叠和依赖关系。

7. 现阶段对量子计算和量子通信技术实施出口管制可能反而会阻碍科学的进步。目前这两项技术的研究水平依然不高，且很多掌握领先技术的研究人员并不在美国。开放的科学研究仍然是量子技术进步的主要驱动力。况且到现在为止，还没有某种量子技术已被证明可以用于直接的国防应用。

8. 量子技术变化快、不确定性强。以下几方面可能出现变数：

其一，在近期到中期的未来，技术领先国家可能会出现变化，甚至可能不在美国和中国之间。

其二，最优技术方面的变化可能会影响量子技术行业内的国家排名。

其三，短期内大部分量子技术都没有进入应用领域，因此其商业需求有限。但一旦出现新应用，商业需求就会推动研发工作。

其四，一些美国公司正致力于开发如拓扑或纠错量子位等技术来提高硬件能力。一旦出现突破，也会大幅度加速量子技术的研发。

因此，报告对美国决策者的主要建议如下：

建议美国加强推动量子技术的发展：对活跃的量子技术私人投资领域加大政府支持力度。鉴于量子技术的发展仍存在不确定性，政府的投资方向应当多元化。为了量子产业更加健康，在短期和中期来看，公共投资和私人投资都很重要。

监控美国主要量子技术公司的相关项目并进行技术保护。许多量子技术的突破都是由私营企业推动的，政府应当随时关注这些企业取得的突破性进展或遇到的困境。此外，政府还应该警惕这些企业将信息泄露给美国的战略竞争对手。

监控量子初创企业的财务及公司所有权变更情况。由于量子技术还没有成熟的商业应用，风投可能会非常谨慎。且目前大部分的风投只流向了少数几家企业。在可能的情况下，政府应监控这些企业的财务风险。

密切关注关键组件和材料、熟练工人和最终量子技术产品等产业基础关键要素的国际流动。很多高质量的量子组件都来自于美国之外。虽然目前的量子产业供应链并不存在对外依赖，但未来也可能面临此类风险。因此，政府应当对不同的供应链加以关注。

由于目前没有证明量子技术可以用于国防领域，所以在现阶段避免对量子计算机和量子通信系统实施出口管制以免延误技术发展。过早的出口管制会限制科学的交流，减缓技术进步，并威胁到小型初创企业的财务健康。

定期评估量子产业基础的发展状况。量子技术还处于发展期，并未达到成熟阶段。因此政府需要定期评估该产业，针对产业阶段性的积极或消极的发展态势进行政策调整。

（本简报仅提供参考译文，以作交流之用，文中陈述和观点不代表编译者和编译机构的立场。如需引用，请注明原文出处。）