近年來，中國在量子信息領域迎來了各項成果的爆發，例如發射世界首顆量子通信衛星“墨子號”、研製世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機、實現海森堡極限精度的一般信道參數測量等。
這些世界領先的成果經由各種主流媒體、自媒體不斷報道，持續刺激著大眾的神經，激發起無盡的自豪感與榮譽感。
但科學技術與產業發展的現實可能並不是媒體報道與大眾臆想的那麼簡單。
什麼是量子信息技術
量子信息技術是基於量子力學與信息科學技術交叉形成的前沿技術。
20世紀初建立的量子力學是人類歷史上最重大的科學革命之一，不僅是現代物理學的基石，還催生了半導體、激光、核能、超導、核磁共振和全球衛星定位系統等重大技術的發明，推動人類在信息、能源、材料和生命等科學領域獲得了空前的發展，已經從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌，促進了物質文明的巨大進步。
20世紀九十年代以來，量子調控技術的巨大進步使得人類可以對微觀粒子的量子狀態進行主動的精確操縱，從而誕生了以量子信息技術為代表的新興的領域。
這也被稱為 “第二次量子革命”。
所以，真正的量子技術是對於微觀量子態進行的主動精確的操控。
目前，量子信息技術包括量子計算、量子通信、量子精密測量等，可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典技術的瓶頸。
量子競爭關乎未來
以量子計算、量子通信、量子精密測量為代表的量子信息技術已成為未來國家科技發展的重要領域，世界各科技強國都對其高度重視。
世界重要國家紛紛開展了國家級量子科技戰略佈局，在進行頂層規劃、研究應用佈局的同時大幅增加投入。
英國於2015年正式啟動“國家量子技術計劃”，目前已累計投資超過5億英鎊建立量子技術研發中心；
德國在2018年提出“量子技術——基礎到市場”框架計劃，擬投入6.5億歐元促進量子技術發展與應用；
歐盟2016年發佈投資總額超過10億歐元的“量子宣言”旗艦計劃，並於2018年10月啟動首批19個科研類項目。
歐盟“量子宣言”旗艦計劃首批科研項目
美國在2018年通過《國家量子行動計劃(NQI)》法案，計劃在四年內增加量子信息科學領域12.75億美元投資，同時發佈《量子信息科學國家戰略概述》，以確保美國在量子技術時代保持領先。
日本、韓國、澳大利亞、以色列、印度等國也分別對本國的量子技術研究進行了大規模投資。
我國對量子信息技術發展與應用更是高度重視。
在政策層面，國家通過五年規劃的方式指導量子信息技術研究應用，並通過相關科研基金予以支持。
我國在量子信息領域究竟什麼水平？
說了這麼多其他國家的政策與計劃，那我國在量子信息領域究竟是什麼水平呢？真的領先世界嗎？
先說結論：我國量子信息技術整體水平處於世界
第一梯隊，與最發達的美國、歐盟、日本相差不大。具體領域上，我國在量子通信上處於國際一流水平，在量子計算與量子精密測量上相對落後。
所以，我國並非在整個量子信息領域領先世界。
那在具體領域，我國領先多少？又落後在哪呢？
量子計算：追趕
量子計算：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，通過量子態的受控演化實現數據的存儲計算，具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強並行處理能力，可以在特定問題上相對於經典計算提供指數級加速，為若干大規模計算難題提供瞭解決方案。
量子計算機架構
量子計算技術所帶來的算力飛躍，有可能成為未來科技加速演進的催化劑，一旦取得突破，將在基礎科研、新型材料與醫藥研發、信息安全與人工智能等經濟社會的諸多領域產生顛覆性影響，其發展與應用對國家科技發展和產業轉型升級具有重要促進作用。
由於量子計算在整個量子信息科學領域中屬於最具挑戰性的工作，在數十年前，實用化道路也不明朗，我國對量子計算方面的研究與佈局相對落後。
但近年來，隨著全球量子計算不斷突破技術瓶頸，我國對量子計算的研究也在不斷加碼，奮力追趕歐美先進國家。
科研上相差不大
隨著量子計算從理論走向實現，全球論文發表量持續增長。
從全球主要發文機構來看，中國佔據三席，分別是中科院、清華大學、中國科學技術大學，高校和科研院所是中國量子計算的核心研發力量。
量子計算領域論文發表趨勢及主要發表機構
但對比歐美國家，他們的研發主體不僅有高校院所，還有IBM、Google、微軟等科技巨頭。
專利上，2012年之前，全球量子計算領域專利數量增長較為平穩，專利申請主要來自美國和日本。
2012年開始，隨著全球量子計算競爭加劇，各大科技巨頭、科研機構紛紛加大投入與研發力度，專利申請數量明顯增長。
美國由於前期佈局與申請時間長，在專利數量與增長勢頭上佔據優勢，但我國今年來的增長勢頭更為強勁。
綜合論文與專利數量上看，我國量子計算在科研上與歐美國家還是有著3-5年的差距，但正在不斷追趕。
產業化發展差距在拉大
量子計算的研製屬於巨型系統工程，涉及眾多產業基礎和工程實現環節，我國在高品質材料、工藝結構、製冷設備和測控系統等領域仍落後於領先國家，在關鍵環節甚至面臨著受制於人，被卡脖子的風險。
自中美貿易戰爆發以來，美國不斷限制對中國的高技術產品出口。
2019年12月，美國商務部的一份內部文件提出，未來將限制向中國等美國在量子計算上的競爭對手出口稀釋製冷機。稀釋製冷機是基於超導、自旋和拓撲量子比特技術的量子計算機的主要組成部分。
一旦被限，中國的量子計算研究將面臨重大挑戰。
2019年12月，本源量子與中船鵬力宣佈合作研製用於量子計算機的超低溫製冷設備，填補國內該領域的空白。
我國量子計算的研發主體主要是高校和科研院所，產業化與市場化佈局明顯落後於領先國家。
這使我國的量子計算發展仍以做科研、發論文為導向。而歐美先進國家產學研用一體的研發模式，使得他們能調動各方資源，充分競爭，實現量子計算的快速發展。
2019年1月，IBM宣佈推出全球首臺脫離實驗室環境的量子計算機IBM Q System One；2019年10月，谷歌就宣佈使用Sycamore量子芯片實現“量子霸權”；2020年3月，霍尼韋爾稱將在3個月內推出量子體積達到64的量子計算機。
量子計算領域科技公司和初創企業分佈
目前，我國參與量子計算研發的商業公司明顯少於歐美，在硬件領域更是僅有本源量子等少數企業涉足。
而在軟件領域，雖然我國BATH等科技大廠都在參與開發，但除了QPanda等少數具有完全自主知識產權，多數國產量子軟件幾乎就是照搬了國外的開源軟件。
2017年10月，國內本源量子、清華大學、阿里巴巴都發布了量子計算雲平臺，供用戶體驗量子編程。
但目前，僅有本源量子云平臺能夠提供正常服務。
國內量子計算機遇與挑戰並存
從全球範圍來看，量子計算目前仍處於發展初期，雖然我國在產業化上相對落後，但與歐美國家並沒有明顯代差。
雖然國外在量子計算機研製的部分指標如量子比特數目上領先國內，但仍無一種技術路線能夠完全滿足量子計算實用化的迪文森佐標準，即（1）可編程的量子比特；（2）量子比特有足夠的相干時間；（3）量子比特可以初始化；（4）可實現通用的量子邏輯門集合；（5）量子比特可被測量讀出。
同時，真正能夠發揮量子計算處理能力的“殺手級應用”還未出現。
這些挑戰是全世界科學家面對的問題，但也為我國量子計算的發展提供了機遇。
隨著我國對量子計算的頂層規劃逐步完善，通過政策引導社會資本參與量子計算研發，各方投入不斷加碼，上下游產業鏈正在逐步形成。
用我國著名量子信息學家郭光燦院士的話來說“只有實現通用量子計算機，才是真正的領先。”
量子通信：一流水準
2016年8月，中國發射了墨子號量子科學實驗衛星，並在後期的實驗中實現了洲際量子保密通信
量子通信是利用量子比特作為信息載體來進行信息交互的通信技術。
量子通信有兩種最典型的應用方式：量子密鑰分發和量子隱形傳態。
量子密鑰分發可以提供原理上無條件安全的通信手段，是首個從實驗室走向實際應用的量子信息技術。量子隱形傳態可以用來傳輸任意未知的量子態，同時也是是遠距離量子密鑰分發所需的量子中繼的重要環節。
由於我國面臨複雜的信息安全形勢，在軍事、政務、金融和關鍵基礎設施等領域，對提高信息安全保障能力的需求較為迫切。國家對於量子保密通信的佈局與研究起步較早，投入也較大。
我國的量子保密通信試點應用呈現出明顯的需求牽引、政策驅動、快速發展等特點。
國內外都在不斷突進量子通信的實用化研究。
2018年，歐盟量子旗艦計劃成立量子互聯網聯盟(QIA)，由代爾夫特理工大學牽頭，採用囚禁離子和光子波長轉換技術探索實現量子隱形傳態和量子存儲中繼，計劃在荷蘭四個城市間建立全球首個光纖量子隱形傳態實驗網絡。
而中科大潘建偉院士團隊已經開展了“京滬幹線”和國家光宇量子保密通信骨幹網絡建設；中科大郭光燦院士團隊聯合相關企業建設了從合肥到蕪湖的“合巢蕪城際量子密碼通信網絡”等。
而在量子密鑰分發(QDK)技術上，國內外團隊也在不斷刷新傳輸距離和密鑰成碼記錄。
2018年，東芝歐研所實現了550公里低損耗光纖傳輸。
而到了2020年3月，中科大潘建偉院士團隊突破遠距離獨立激光相位干涉技術，分別實現了500公里量級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）和相位匹配量子密鑰分發（PM-QKD）。
加州理工學院主導的inqnet量子技術聯盟
據有限的公開資料報道，美國加州理工學院與JPL實驗室（噴氣推進實驗室）也在開發星地之間的高速混合量子通信系統。
目前，我國量子保密通信試點應用項目數量和網絡建設規模已處於世界領先水平，並且已經得到了初步的產業化發展，形成了一批以國盾量子、問天量子為代表的商業公司。
同時，量子通信也面臨著量子存儲和量子中繼技術尚不成熟、商用量子密鑰分發系統傳輸能力和安全成碼率有限、產業化動力不足等問題。
量子精密測量：跟隨
量子精密測量是用量子化方法提高七個基本物理量（長度、質量、時間、電流、溫度、物質的量和發光強度）的測量精度。
得益於量子效應，量子精密測量能在諸如時間、重力、磁場、成像、遙感等領域，提供比現有技術更高的測量靈敏度、精度和速度。
量子精密測量技術將在下一代時間基準、精確導航、基本物理常數測量、粒子探測、核磁共振成像、遠程目標識別、全球地形測繪、引力波或暗物質的感應探測等廣泛領域發揮重要作用。
量子測量主要應用領域和技術體系
目前量子精密測量領域的世界紀錄大多由歐美國家保持。從論文和專利數量看，美國領先，中國第二，日、韓、英、德等國跟隨。
從研究成果上來看，在量子慣性導航領域，核磁共振陀螺和SERF陀螺實用化程度最高，美國在小型化和工程化方面處於領先地位。我國中科大、北航、33所等研究機構部分成果能夠達到國際先進水平，但在小型化與工程化上仍有差距。
在量子磁場測量上，美國保持著磁場檢測精度世界紀錄(0.16fT/Hz^1/2),
我國北航、中科大、浙大處於世界先進水平。在量子重力測量上，美國保持重力探測靈敏度世界紀錄(3e-11g/HZ^1/2),我國距世界先進水平還有一定差距。
在量子目標識別領域，美國起步較早，2012年已有樣機實驗，我國差距較大。而在量子時間基準領域，我國與先進水平差距正在縮小。
我國量子精密測量在系統工程化和實用化仍有待探索，科研成果轉化應用機制不成熟，產業合作和推動力量有限。
量子精密測量有巨大的發展潛力和廣闊的市場前景，我國在該領域某些關鍵技術上仍處於跟隨階段，與世界先進水平的指標參數仍有數量級的差距。
結語
我國在量子信息技術領域的研究和應用起步稍晚，但與國際先進水平沒有明顯代差，在量子計算、量子通信和量子精密測量三大技術領域均有相關研究團隊和商業公司參與。
但我們需要看到與國外先進水平的客觀差距，不能因為某一領域的暫時領先而忽視整個量子信息領域的競爭。
本文部分內容、圖片來源：中國信息通信研究院
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