2024年9月9日，美国信息技术与创新基金会（ITIF）发布《中国的量子科技创新水平如何？》 报告 。报告认为：中国在量子通信领域的领先地位毋庸置疑，但其整体量子技术实力有限；如果没有计算方面的突破，美国仍将占据上风。
量子信息科学（QIS）利用量子力学原理以全新的方式处理和传输信息，而中国正在积极开拓此领域，其所取得的一些成就在规模和范围上都超过了美国，使得美国在量子领域的领导地位岌岌可危。量子技术不仅对国家安全十分重要，还有可能对经济和社会产生变革性影响。在这一技术前沿保持领先地位对美国的经济和社会福祉都至关重要。
总体而言，中国在量子通信领域占据上风，但在量子计算领域落后于美国，而在量子传感领域则与美国旗鼓相当。中国国家资助的实验室、中国科学技术大学等精英大学以及一批私营企业正在推进与国家优先事项密切相关的技术。在量子通信领域，中国已稳居全球领先地位，特别是通过开发世界上最长的量子密钥分发网络——2000余公里的北京—上海主干网。这一网络与将量子通信延伸到更远距离的开创性卫星“墨子号”相结合，使中国在安全的长距离量子通信方面处于前沿地位。然而，在量子计算方面，中国却明显落后，尤其是在硬件和量子系统的实际应用方面。中国在更适合市场的量子传感领域处于领先地位，但在不太成熟的量子计算领域却处于下风，这种对比体现了中国在迅速完善和应用现有研究方面的优势，但也暴露出其在基础创新方面的局限性。
中国充分认识并发挥着自己的优势。量子创新战略的核心是坚持不懈地将前沿研究转化为实际商业应用。政府建立了专门的中心，如合肥的量子大道，将学术研究无缝转化为市场适用的技术。但中国在研究出版物方面的国际合作有限。虽然这一战略快速取得了成果，尤其是在量子通信领域，但也带来了长期风险。因为量子技术开发非常复杂，而且成本巨大，供应链遍布全球，这些问题都需要国际合作来解决，但中国的内向型方法可能难以做到。
美国应当机立断采取行动，确保其在量子技术领域的领先地位。比如：大幅增加研发资金，特别是重新授权国家量子计划（NQI）；国会应支持由行业主导的创新，以应对公共部门的关键挑战，加速量子技术的商业化；美国应避免过早实施严格的量子标准，允许行业自然创新和发展；为了保持进步以及对进步至关重要的思想和人才流动，美国有必要实施谨慎、有针对性的出口管制。通过平衡战略投资、创新和安全，美国可以确保自己始终处于全球量子技术的前沿。
本报告涵盖的量子技术包括：量子通信，指制定安全通信协议，利用量子力学原理以确保传输信息的机密性和完整性；量子计算，指研发使用量子力学进行计算的计算机，其计算速度远远高于传统计算机；量子传感，指利用量子力学增强传感器和测量科学。
中国量子产业概况
尽管有大量关于中国量子公司的报道，但只有约14家私营企业可被认定为对量子技术作出了重大贡献，其中包括9家初创企业和5家大型科技公司，本源量子和国盾量子等知名初创企业以及阿里巴巴、百度和腾讯等巨头在中国处于领先地位。这五家公司占据了中国大部分量子市场。
中国私营企业对量子技术的投资与美国相比相形见绌。中国初创企业的资金严重短缺，兰德公司2022年的报告指出，中国初创企业的资金只有4400万美元，这与美国的12.8亿美元形成鲜明对比。麦肯锡2023年的一份报告也揭露了类似的私营投资差距，指出美国私营的量子初创企业的投资总额大约是中国的10倍。美国的私营企业投资金额不仅超过了中国，还是欧盟的5倍多，可以说美国在量子技术投资方面领跑全球。这种主导地位不仅源于可用资金的规模，还源于美国的投资者文化，他们愿意承担自己深思熟虑过的风险，来推动创新向前发展。中国严重的资金缺口使其初创企业难以投入巨资开展实质性研究，这与资金雄厚的美国形成了鲜明对比，但中国正在将这一弱点转化为优势，将其初创企业的重点放在现有量子技术的商业化上，并弥补公共资金的缺口。
近期，中国许多大型科技公司退出量子研究领域，阿里巴巴和百度都已关闭了相关量子研究部门，并将资产转移至与国家有关的机构。例如，百度将其量子研究设施移交给了北京量子信息科学研究院，而阿里巴巴将其量子实验室转交给了浙江大学。一些分析家将此归因于经济压力，如量子研究的高成本和成果的不确定性，同时也确保量子研发更好地与国家战略目标齐头并进。
中国在哪些量子技术领域有创新？
中国在量子通信领域遥遥领先，而美国则在量子计算领域拥有显著的领先优势。这种差异凸显了两国在量子技术领域采取的不同国家战略：美国投资于量子计算的长期潜力——这是一项不太成熟但极具前景的技术，可广泛应用于多个行业；而中国则专注于量子通信的即时和安全应用——这是一套更成熟的技术，但是市场范围较窄。
中国在“十三五”规划中将量子通信与安全列为优先事项。自那时起，中国迅速采取行动，在全球安全通信竞赛中巩固了其领先地位，特别是在量子密钥分发领域。量子密钥分发可能是安全通信最尖端的子领域，它利用量子力学原理创建了一种几乎无法破解的数据加密方法。有一些地面系统利用光缆在城市间或邻近地区间安全传输数据，还有一些卫星系统可以在更远的距离甚至全球范围内连接安全通信。为了进一步扩展安全通信，中国已将卫星链路整合到这一网络中。这些卫星链路可在光纤无法直接连接的遥远地点（如不同大陆之间）之间安全传输数据，从而保证量子通信的安全性，这远远超出仅靠地面系统所能实现的范围。
随着2016年“墨子号”卫星的发射，中国的量子密钥分发雄心在京沪主干网的成就上又向前迈进了一大步。“墨子号”卫星由中国科学技术大学潘建伟及其团队领导，并与中国科学院合作研发，是世界上第一颗量子科学卫星。它可实现数千英里安全量子通信，开创了此领域的先河，成功地在亚洲和欧洲之间传输量子密钥，这一壮举是与奥地利研究团队合作完成的。通过实现跨大洲的量子密钥交换，“墨子号”卫星体现出了建立全球量子互联网的潜力——一个利用量子技术传输信息的网络，其安全性远远超过当今的互联网，它可保护数据不被拦截或篡改。“墨子号”卫星的成就远远超过京沪主干网，它证明了量子通信可以跨越全球，超越本地网络，创造一个安全、互联的世界，这标志着中国在全球安全通信未来的领导地位。
其他国家也认识到在量子密钥分发领域保持竞争力的重要性，并为保持领先地位进行了投资，但美国在这方面却落后于别国。欧盟启动了量子通信基础设施（EQCI）计划，这是一项旨在研发全欧洲安全量子通信网络的重大举措，韩国也在开发自己的全国量子密钥分发主干网，但美国却没有此类投资项目。美国量子经济发展联盟在2024年的一份报告中写道：“目前，美国政府没有投资于此类试验平台或试点领域，这导致美国在该领域的技术发展中将成为追随者而非领导者。”
然而，中国的落后之处在于量子计算，其在硬件开发和算法先进性等多个领域也都处于落后位置。首先，在硬件开发方面，美国已遥遥领先于中国。要开发一台功能强大的量子计算机，必须创建一个物理系统，对量子比特进行编码，然后控制和操纵量子比特进行计算。目前有两种领先的技术可以做到这一点，而美国公司在这两种技术的开发上都处于领先地位。第一种方法是使用铍离子等被困在真空中的原子离子来表示量子比特。制造量子计算机的第二种方法（也是最主要的方法）是利用超导材料的独特性能。其次，在算法开发或在量子计算机基础上运行的构件方面，美国同样领先于中国。两个最著名的量子算法，即用于求大数因式分解的肖尔算法和用于更快破译加密信息的格罗弗算法，都是由美国研究人员开发的。美国公司和盟国公司，如英国的Quantinuum公司和澳大利亚的Q-CTRL公司，正在引领将量子算法应用于现实世界的潮流。
各国对量子传感领域领先地位的争夺十分激烈。一些被大量引用的研究表明，中国的领先优势微乎其微，而最近的其他研究则表明，美国的领先优势远超中国。本报告中有关研究成果的创新指标显示，中美两国对该技术的研究水平几乎不相上下。各国在这一领域领导地位至关重要，因为量子传感技术是最先进的技术之一，且有几项技术已经达到了高度成熟的水平。这些技术已经开始应用于各种工业领域，提供了传统传感器无法比拟的灵敏度和新功能。在医疗保健领域，这些技术能更精确地监测心脏，在脑机接口方面也更先进。而在材料科学领域，这项技术能以前所未有的精细程度改进缺陷探测。
总体而言，中国的战略重点放在了短期内更接近市场成熟的量子技术上，并在这些技术上领先。但一些专家指出，中国优先考虑这些眼前利益，可能会忽视量子计算的未来潜力——尽管量子计算技术目前还面临发展挑战，但它有望在从制药到金融等各个领域引发革命性变革。事实上，全球量子技术生态系统已在三个领域的市场规模上显示出明显的层级结构。据麦肯锡估计，到2040年，量子计算将占据整个量子技术市场约87%的份额，而量子通信和量子传感分别约占7%和6%。
尽管如此，今天的小赌怡情可能比明天的豪赌更有价值，因为量子通信的优势显而易见，而量子计算的规模和回报仍不确定。
中国如何进行量子技术创新？
为什么尽管中国的量子产业规模较小，但其量子生态系统却始终处于领先地位？
首先，中国在量子领域优先考虑将创新转化为有形产品。他们注意到，与通常注重知识创造的美国不同，中国确保创新能够从实验室无缝过渡到市场。合肥国家高新技术产业开发区是学术研究与商业应用之间的桥梁。在合肥国家高新技术产业开发区内，政府将科学突破与产业需求相结合，促进大学、研究实验室和私营企业之间的合作。事实证明，这种方法在量子技术领域尤为有效，合肥已成为量子企业的核心枢纽。合肥国家高新技术产业开发区内的量子大道就是一个范例，它已成为中国量子技术产业的灯塔。这个位于云飞路的特区据说聚集了约20家量子技术公司，该区域也因此成为量子企业的重要孵化器。这些公司位置的集中加快了量子研究从理论到应用的过渡。这条街道的突破性创新包括超导量子计算原型机、毫米波芯片和著名的“墨子号”卫星。中国在合肥成功发展工业量子生态系统的关键在于其与中国科学技术大学这所实力雄厚的科研机构的联系，中国科学技术大学是中国量子领域最强的大学之一，被视为中心锚点。据报道，被称为中国“量子之父”、国盾量子联合创始人潘建伟曾说：“在龙头企业的积极参与和政府的引导下，一个涵盖设备、网络、安全和标准的量子通信产业链在中国基本形成。”
其次，中国在量子技术方面发展快速。美国目前将量子创新作为“范内瓦 · 布什科学项目”，而不是作为国家安全或竞争力优先事项。这指的是线性创新模式，通常归功于美国科学政策制定的关键人物范内瓦 · 布什（Vannevar Bush）。在这种模式中，基础研究推动应用研究，应用研究促进开发，最终形成商业产品。这是一个循序渐进的过程，可能既缓慢又脱节，因为每个阶段往往由不同的实体负责。相比之下，中国的方法旨在提高速度和效率。中国的战略是集中力量，并简化从研究到应用的流程。中国科学技术大学是中国量子研究中心和信息中心。在郭光灿的领导下，中国科学技术大学成功争取到了享有盛誉的政府实验室（中国科学院量子信息重点实验室）落地，将国家研究重点与学校的学科优势紧密结合在一起。自2017年以来，中国越来越多地将量子研究工作集中在中国科学技术大学，特别是高影响力领域。这种集中化巩固了中国科学技术大学作为中国量子信息科学领域领导者的地位。
第三，中国对量子研究采用集中资助方式。事实上，中国的量子资助体系非常集中，主要依靠国家自然科学基金委员会。该组织负责资助中国约50%的量子出版物，涉及量子计算、量子传感和量子通信等领域。而美国的资助系统和资助机制各自为政。此外，美国的资金来源明显更加杂乱，甚至政府资金来源也来自各个联邦部门。这导致了效率低下和缺乏战略协调问题，最终会拖慢进展，使美国更难与中国更加统一的方法相抗衡。中国大胆投资于雄心勃勃的项目，如量子通信网络原型机，旨在实现技术领先。这种承担风险的意愿使中国能够实现重大突破，并有可能主导量子科学，而美国则采取了更为保守的方法，专注于理论性更强的项目。
第四，在量子计算、通信和传感领域，美国近一半的研究论文都是与国际合作伙伴共同完成的，而中国此类论文的数量却远远落后，在这三个领域分别只有29%、19%和23%。中国这种模式揭示了其更广泛的战略：将研究重点放在国内，严重依赖国内合作，尤其是大学之间的合作，而美国则利用大学、研究机构和私营企业的优势，建立了一个更加全球一体化和开放的研究生态系统。就像半导体的研究一样，创新量子技术所需的巨大成本以及其复杂性和规模，是任何一个国家或企业都无法单独应对的。有限的国际合作可能会成为中国在此领域取得长足进步的绊脚石，因为在这个领域，全球合作不仅有益于己，而且必不可少。
最后，美国学术研究系统缺乏集中指导，这与中国高度协调、由政府指导的量子研究方式形成鲜明对比。在中国，关键的研究计划，如量子信息科学国家实验室和中国科学院量子信息重点实验室（均位于合肥），是由政府实验室指导的。这些实验室与北京量子信息科学研究院和上海微系统与信息技术研究所一起，在统一的国家战略下运作，确保研究工作与国家目标紧密结合。此外，中国科学技术大学、清华大学和北京邮电大学等一流大学也为这一中央框架作了贡献，直接响应政府设定的优先事项和目标。
中国量子行业创新投入分析
科学出版物 在量子通信领域，中国的研究数量和质量都遥遥领先，大大超过了美国。在量子计算领域，中国的研究成果更多，但在研究质量方面，美国则远远超过中国。在量子传感领域，中国的研究成果更多，但两国的研究质量并驾齐驱。
专利 中国在国内量子通信专利方面遥遥领先，在量子传感专利方面也有相当大的领先优势，而美国在量子计算专利方面领先。在欧洲，没有明显的重点，并且在所有三种技术上都有平衡的产品组合（而在其他地区，量子传感往往落后）。
在中国，量子通信和量子传感专利的主要受让人是公共机构和初创企业，而非大型企业。例如，国盾量子和鲁班量子等初创企业在量子通信专利方面处于领先地位，而中国科学院工程研究所则在量子传感方面处于领先地位。相比之下，美国在量子计算专利方面的领导地位主要是由大型企业推动的，包括国际商业机器公司（IBM）、微软、谷歌和英特尔等。
在中国，量子技术被视为国防和基础设施的关键。中国优先考虑国内专利，确保这些技术在中国境内，不受外部影响。
然而，要充分了解量子创新的全球意义，就必须跳出国内专利的范畴。因为真正影响全球市场和推动国际竞争的是那些延伸到国外的专利。国际专利族以更广泛的视角揭示了一种不同的动态：虽然中国对国内的关注度很高，但与其他国家相比，其全球足迹并不明显。中国只有华为和阿里巴巴两家公司进入了量子通信领域的前十名，而在量子计算和传感领域的前几名中则没有中国公司的身影。这种反差凸显了中国对国内创新的重视，但量子领域的全球影响力仍然集中在那些优先考虑扩大国际专利覆盖面的外国公司。
中国政府支持量子行业的政策
中国决心到2035年在量子技术领域取得领先地位。量子科学因有望给计算、密码学和传感等领域带来革命性的变化而被视为对中国提升全球竞争力这一目标的关键考验。
中国通过“十三五”和“十四五”规划，将量子技术纳入国家战略，将量子通信定位为实现长期目标的关键。一项在“十三五”规划中启动的大工程旨在确保到2030年中国在量子通信和计算领域取得突破，包括扩大国家量子基础设施、开发量子计算原型机和建设量子模拟器。中国政府为建立量子信息科学国家实验室投资了超10亿美元，同时还为“墨子号”卫星和京沪主干网等关键项目单独投资了100亿美元，这凸显了中国主宰量子技术的雄心。这些努力显然已经取得了成效，因为中国已经在量子通信领域处于领先地位。
中国对量子技术的雄心得到了大量公共资金的支持，但具体数字仍不明确。据估计，中国的投资超过了150亿美元，远远超过了美国约38亿美元的拨款。
中国在“十三五”规划势头的基础上，“十四五”规划加强了对量子技术的关注，制定了更加具体的宏伟目标。该计划要求建立专门研究量子信息的国家实验室，以巩固中国在这一关键领域的领导地位。该计划优先发展城内、城际和自由空间环境下的先进量子通信技术，同时创建通用量子计算原型机和实用量子模拟器。此外，该计划还强调了量子精密测量技术的突破以及量子在关键数字领域的创新应用。“十四五”规划还强调了通过量子发展提升国防和经济实力的双重目标，确保国家不仅在技术上领先，还能获得更广泛的战略利益。此外，中国工业和信息化部在2024年发布的文件中将量子计算确定为其更广泛产业政策中的“未来产业”，重点发展容错量子计算技术，并加强量子软件和云平台。
2024年中国工业和信息化部在文件中还将加强标准领导力作为量子领域的一个目标，几年来中国也一直深耕于此。2021年10月，中国发布了指导方针，思考如何布局以巩固其作为包括量子技术领域在内的国际技术标准制定领导者的地位。2022年，《国家标准化发展纲要》启动，通过分析全球和国内的标准格局，制定了具体步骤以增强中国的标准制定流程。此外，中国正致力于将标准制定直接纳入量子研发项目。国家科技发展计划要求科研人员将标准工作作为项目的核心组成部分，确保标准与技术发展同时、同步。这种方法旨在实现创新与标准化之间的无缝链接，以便更有效地推动量子技术的商业化。通过将标准纳入量子计划，中国旨在加强其国内产业，以便在全球范围内更具竞争力。中国的战略还包括提高其在国际标准化组织（IOS）及国际电工委员会（IEC）等国际标准机构中的影响力，中国代表在这些机构中发挥了领导作用。通过这些协调努力，中国正在全球舞台上掣画量子技术的未来，并确保其标准和技术成为全球基准。
美国下一步的可能动向
ITIF建议，美国政府应立即采取积极措施以保持领导地位。
首先，美国有必要增加资金投入。事实上，由学术界、工业界和政府专家组成的联邦机构——国家量子倡议咨询委员会（NQIAC）——就国会应如何为下一轮国家量子计划提供资金提出的核心建议之一就是，持续增加资金“将是我们国家赢得实现量子信息服务效益的竞赛的必要条件”。问题是，多少资金才足以加速美国的量子信息服务创新并保持国家竞争力？这个问题很难回答，部分原因是，虽然美国政府通过《国家量子倡议法案》（NQIA）增加质量创新研发资金的努力一观即明，但这些努力所带来的好处却很难量化，因为很少有一致、全面的措施来衡量此项研究随着时间的推移发生了多大变化。能源科学联盟（ESC）在2023年3月向NQIAC提交的书面意见中建议“从2024财年到2028财年这五年内，每年至少拨款6.75亿美元”。
为了更好地与中国的量子研发规模相匹配，美国应该与盟国协调资金投入，通过与优势互补的国家建立深厚的伙伴关系来打造制胜战略。如有针对性地开展联合研发活动，最大限度地发挥每个国家的优势，从而形成一个强大的集团，更有效地推动创新。这种合作方式不仅能增强美国的能力，还能提高盟国研究工作的全球影响力，确保量子技术取得平衡的战略性进步。例如，德国在量子传感领域表现出色，拥有慕尼黑量子谷（MQV）等先进的研究中心和强大的产学研一体化体制。通过利用这些盟国的优势，美国及其合作伙伴可以汇集资源和专业知识，确保在全球量子领域的领导地位，并将来自中国的竞争压力转化为盟国主导地位的机遇。这些盟国还提供了多样化的生态系统结构，这可以进一步加强美国的量子战略。在澳大利亚和英国，量子产业的发展由初创企业推动，而德国和日本的量子行业则由与政府研发关系密切的大型老牌企业领导。通过将初创企业的创新性与大型企业的稳定性相结合，美国及其盟国可以建立一个强大、灵活的量子生态系统。此外，建立一个安全、灵活的量子供应链也至关重要。美国可以通过与盟国密切合作，确定并保护关键的零部件和材料供应商，并抵御潜在的干扰。这一合作战略可以利用盟国的专业知识和资源优势，确保美国及其合作伙伴保持稳定、可靠的重要量子技术投入。
美国还应更迅速地推动量子产业。这一行动并非只有中国在进行。例如，英国设立了一个“量子技术商业化”挑战项目，由政府提供约1.74亿英镑的资金，辅以来自产业界的3.9亿英镑资金，用于由产业界主导的项目，这些项目涉及政府产业战略的四个主题：清洁、老龄化社会、未来移动性和人工智能。截至2022年秋季，该挑战已为139个由在英注册的企业主导的项目提供了资金。美国国会应提供2亿美元的资金来设立一个项目，以鼓励企业和开发商为公共卫生、移动性和能源领域的挑战提供量子解决方案。通过激励各行业从需求侧为公共部门开发创新解决方案，政府将美国城市作为第一批受益客户，从而增加市场对新生的近期量子计算的需求，并使企业能够在市场中创造竞争优势。
美国应将量子技术作为国家安全和经济发展的当务之急，而不仅仅是一种科学追求。中国和美国的不同战略可能使美国成为全球量子研究中心，而中国则主导量子商业化。为解决这一问题，ITIF在题为“美国为何需要支持近期量子计算应用”的报告中提出了几项战略建议，以弥补量子技术前沿研究与市场就绪应用之间的关键差距，比如：美国国会应建立国家量子研究云；科技政策办公室应推出联邦量子挑战以鼓励各机构探索量子计算应用；国会应制定一项计划，鼓励企业为公共部门面临的问题开发创新量子解决方案。
虽然中国在制定量子技术国际标准方面雄心勃勃，但美国应避免反应过激而仓促行事，过早地强推自己的标准。量子技术仍处于早期发展阶段，过早推行标准可能会阻碍创新，不利于技术发展成熟。美国应将重点放在行业驱动的标准制定上，这些标准会随着技术的进步而自然发展。如果美国政府在标准制定方面过度介入，可能导致不必要的冲突，进而阻碍量子技术在全球的发展。相反，美国应支持以灵活、协作的方式制定标准，鼓励创新，并在出现技术突破时加以调整。
最后，虽然出口管制对于保护量子技术不被滥用至关重要，但决策者应谨慎应用，以避免阻碍创新和国际合作。量子研发是一项全球性工作，其发展足迹和供应链遍布多个国家。实施广泛的单边出口管制可能不仅无益自身，还会使美国孤立于重要的全球伙伴关系之外，并扼杀对进步至关重要的人才和思想的流动。相反，美国应把重点放在有针对性的管制上，在不广泛限制知识交流和零部件流通的情况下，具体问题具体分析。美国还应与盟国密切协调，以确保制定的措施切实可行又适用于市场。通过平衡安全与合作，美国可以在保护自身利益的同时继续引领量子创新。
资料来源 ITIF