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並行計算，有望在解決計算複雜問題過程中提供指數級加速，具有重大戰略意義和科學價值，是未來實現計算能力跨越式發展的重要方向之一，全球主要國家持續深化佈局相關技術研發、應用探索和產業生態培育，國際競爭日益激烈。當前，量子計算處於技術攻關和應用探索的關鍵階段。超導、離子阱、中性原子、光量子、矽半導體等技術路線科研探索和原型機工程研發不斷取得進展，金融、化工、生物、交通、人工智能等行業領域應用探索持續深化，量子 - 經典融合計算成為業界關注焦點，基準測評研究穩步推進，科技巨頭和初創企業發展保持活躍，國內外積極推動產業聯盟建設，業界依託量子計算雲平台、公共基礎設施等平台措施進一步加快構建產業生態，生態系統正逐漸壯大。
一、全球持續深化量子計算佈局，正進入快速發展期 （一）量子計算有望帶來顛覆變革，成國際競逐焦點 量子計算是以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現信息處理的一種計算方案，具有經典計算無法比擬的信息表徵能力和超強並行處理能力，為解決特定計算複雜問題提供指數級加速。量子計算是 “第二次量子革命” 的重要標誌，可以帶動計算能力實現跨越式發展，有望顛覆和重塑傳統技術體系對於信息處理和問題解決的模式，為經濟社會發展帶來前所未有的機遇。量子計算已成為全球主要國家之間開展綜合國力競爭，維護國家技術主權的關注焦點之一。近幾年全球主要科技國家在量子計算領域的規劃佈局持續加強，已有 30 余個國家開展了以量子計算為重點的量子信息領域規劃佈局。
美國是全球最早開展量子計算研究的國家之一，注重依托政府指導推進量子計算發展，國家戰略部署圍繞頂層設計、組織機制、專項計劃、生態建設等多個維度展開。2023 年 12 月，美國國家科學技術委員會發布《NQI 2024 年年報》，報告表明美國在量子信息領域實際投資較 NQI 法案原計劃五年投資 12.75 億美元超出兩倍有余，2019-2023 年累計投資 39.39 億美元，2024 年預計投資 9.68 億美元，其中量子計算投資占比最高，五年共計投資約 14 億美元。歐洲國家自上世紀九十年代開始關注並持續支持量子計算發展。近年來，歐洲國家佈局並出台了一系列量子信息相關戰略和專項計劃，目標是在全球量子科技競爭中贏得主動。2024 年，歐盟發布新版量子旗艦計劃《戰略研究和產業議程》，在量子計算等四大領域分別提出短期（2027 年）和中期（2030 年）發展目標及建議，通過開展基礎科研、促進產業化以及加強基礎設施建設等方式，使歐洲在量子技術、產業生態和關鍵使能因素等方面實現領先。我國高度重視以量子計算為代表的量子信息領域發展，通過組建國家實驗室和實施重大科技專項等措施推動形成全面科研佈局。2024 年《政府工作報告》中提到在積極培育新興產業和未來產業領域，制定未來產業發展規劃，開辟量子技術、生命科學等新賽道，創建一批未來產業先導區。
- 3。近年來我國已有二十余個省市在地方 “十四五” 科技與信息技術產業發展規劃中，針對量子計算基礎科研、應用探索和產業培育等方面提出規劃部署，採取措施主要聚焦在量子計算技術研發、應用探索和產業培育等方向。此外，英國、日本、加拿大、印度、澳大利亞、丹麥、韓國、愛爾蘭、新加坡等國也高度重視量子計算發展，相繼發布了量子信息發展戰略，圍繞頂層規劃、專項計劃、組織機制、前沿研究、應用探索、產業培育和人才培養等領域，打造量子計算競爭能力。（二）技術創新持續活躍，漸成為前沿科學研究熱點 量子計算技術創新持續活躍，正逐漸成為前沿科技領域的研究熱點，近年全球量子計算科研論文發表數量和專利數量如圖 1 所示。
全球量子計算論文發表量在約 10 年時間中增長了 4 倍左右，這種增速一定程度上反應了量子計算科研活躍度不斷提高。從發文趨勢上看，2013 年到 2017 年的論文年增長量相對較小，平均每年的增長量約為 70 篇。然而，從 2017 年開始，增長速度明顯加快，尤其是從 2019 年到 2021 年，每年的增長量超過了 300 篇。根據過去的增長趨勢，預計未來幾年全球量子計算論文量仍將繼續增長，相關研究不斷增加。
2013 年至 2023 年期間，全球量子計算發明專利申請量共計 15437 件，全球授權總量 5417 件。從申請趨勢看，2013 年起進入快速發展階段，年度申請量呈現快速增長趨勢，到 2021 年達到峰值 2866 件，2022 年申請量略微下降，2023 年度申請量受公開延遲的影響有所下降，預計仍然保持上升趨勢。從授權趨勢看，2013 年起呈現穩步增長狀態，2023 年達到峰值 1384 件，2024 年度授權量受統計時間影響有所下降，全年授權量預計仍然保持上升趨勢。
量子計算論文數量前十位國家的統計情況如圖 2 所示，可反映各國量子計算科研產出和影響力。從發文量看，美國和中國占據前兩位，分別為 5430 篇和 4813 篇，遙遙領先於其他國家，這反映了兩國在量子計算科研方面的活躍度和領先地位。德國、英國和日本緊隨其後，發文量分別為 1955 篇、1441 篇和 1421 篇，也顯示出了強勁的研究活躍度。根據篇均被引頻次（即平均每篇的被引頻次）分布情況，澳大利亞以篇均被引 41 次居於首位，表明其相關研究有較高的認可度和影響力。美國和加拿大的篇均被引頻次均為 38 次，德國和英國同樣展現了較高的影響力。雖然中國在論文數量上僅次於美國，但篇均被引頻次相對較低，僅為 19 次，這表明我國高水平論文數量有待提升。
量子計算包括不同技術路線，超導量子計算、離子阱量子計算、中性原子量子計算、光量子計算、矽半導體量子計算等五個主流技術方向的科研論文數量統計如圖 3 所示，可反映量子計算不同細分領域的受關注程度。可以看出，五條技術路線均受到廣泛關注，發文量均呈現上升態勢。其中，超導量子計算和中性原子量子計算的論文發表量增長尤為突出。
量子計算專利申請的主要來源國家情況如圖 4 所示，可反映主要國家 / 地區量子計算技術產出與貢獻。量子計算專利的主要來源國家為中國和美國，分別占比 39% 和 28%，此外，日本、歐洲、韓國等國家 / 地區也有約 5%、3%、2% 占比的專利申請量。這反映了上述國家 / 地區在量子計算領域具有較高的技術創新能力和活躍程度，其中中國和美國的技術產出量和貢獻度最為突出。
二、量子計算技術研究有序推進，依舊面臨多重挑戰
（一）多技術路線競相爭鳴，短期難以形成方案聚焦 量子計算目前呈現多種硬件技術路線並行發展的態勢。目前不同技術路線可以歸納為兩類，一類是以超導路線、矽半導體路線為代表的人造粒子路線，另一類是以離子阱路線、中性原子路線、光量子路線為代表的天然粒子路線。前者在擴展性等方面占據優勢，但在邏輯門保真度、量子比特控制等指標提升方面對加工工藝條件的依賴性較高。後者具有比特全同性和高邏輯門精度等優勢，但實現更大規模的系統將會面臨困難。近年來，多條技術路線量子比特規模、質量、退相干時間等關鍵指標持續優化，技術水平穩步提升，依舊保持多元化和競爭性的發展格局，路線收斂呈現出較大不確定性，短期內難以形成方案聚焦。
超導技術路線基於超導約瑟夫森結構造二能級系統，具有擴展性好、易操控和集成電路工藝兼容等優勢，是關注度最高、發展較為迅速的技術路線之一。近年來，超導量子計算原型機研製不斷取得新成果，2023 年年底，IBM 推出 1121 量子比特超導量子處理器 Condor 以及 133 量子比特超導量子處理器 Heron。2024 年，中科院研發 504 比特超導量子計算芯片 “驍鴻”。北京量子院聯合團隊實現五塊百比特規模量子芯片和經典計算資源融合，總量子比特數達 5907。本源量子上線 72 位超導量子比特芯片 “悟空芯”。基於超導路線的科研成果層出不窮，深圳量子院聯合團隊基於分佈式超導量子處理器，驗證了使用分佈式量子處理器模擬拓撲相位的可行性。Terra Quantum 宣布基於扭曲銅酸鹽范德華異質結構實現 Flowermon 型超導量子比特。清華大學聯合團隊在超導量子處理器上模擬斐波那契任意子編織，實驗結果所得的斐波那契任意子量子維度十分接近理論的黃金分割率 1.618。總體而言，超導量子計算路線在比特規模、質量等技術指標突破較為迅猛，仍然是最受矚目的量子計算技術路線之一。 離子阱技術路線以囚禁在射頻電場中離子的超精細或塞曼能級作為量子比特載體，通過激光或微波進行相干操控，離子阱量子比特的全連接性使其在操控精度、相干時間等方面具有優勢。近年來囚禁離子數量、邏輯門操控保真度等關鍵指標持續提升，工程技術研究不斷深入。2023 年底，清華大學聯合團隊利用離子阱系統展示了多種量子誤差緩解技術對複雜量子線路進行誤差消除的能力。2024 年，Quantinuum 離子阱原型機 Model H1 中單 / 雙量子比特邏輯門保真度分別達到 99.9979% 和 99.914%，量子體積達到 104857613，並推出了 56 位量子比特離子阱原型機 Model H2-1，單 / 雙量子比特邏輯門保真度分別達到 99.997% 和 99.87%。清華大學實現 512 離子二維陣列的穩定囚禁冷卻以及 300 離子量子比特的量子模擬計算。Oxford Ionics 將離子阱技術與矽芯片技術相結合，推出具有更優擴展性和更低噪聲特性的新品電子量子比特控制技術。離子阱量子計算路線面臨量子比特大規模擴展、高集成度測控以及模塊化互聯等瓶頸挑戰，未來在路線競爭中能否脫穎而出仍待進一步追蹤。 中性原子技術路線使用光鎮或光晶格進行原子的囚禁，激光激發原子里德堡態進行邏輯門操作或量子模擬演化，在相干時間、操控精度以及可擴展性方面占據一定優勢。近年來在比特規模擴展和基於中性原子路線的科研成果頗多。2024 年，德國達姆施塔特工業大學發布 1305 個單原子量子比特陣列操控實驗成果。Infleqtion 發布原子量子計算路線圖，計劃 2024 年推出 1600 個量子比特原型機。英國國家量子計算中心與美國 QuEra、Infleqtion 等公司簽訂商業合同，部署中性原子量子計算原型機並建設測試平台。Pasqal 宣布在 2080 個陷阱位中成功捕獲約 1110 個原子。近期中性原子路線研究與實驗等方面表現頗為亮眼，未來有望在量子模擬應用等方面產生突破，在多技術路線競爭中迅速崛起。 光量子技術路線利用光子的多個自由度進行編碼。
圖 10 量子計算主要硬件技術路線關鍵指標對比概況
總的來說，多條硬件路線的技術突破難度和發展應用前景存在差異，各有優劣勢，目前仍處於並行發展階段，何種體系最優尚無明確結論。當前量子計算原型機的性能水平距離實現大規模可容錯通用量子計算依舊存在較大差距，技術攻關的核心要素是高精度擴展量子計算原型機比特規模，這意味著量子比特的設計、製造和調控等方面均面臨巨大挑戰，未來仍需學術界和工程界協同努力攻關。
（二）量子糾錯研究不斷深入，實用化差距依舊明顯
量子糾錯用於保護量子比特免受噪聲等干擾，是使量子計算機能夠真正發揮其巨大潛力的重要環節之一。
量子糾錯方案的基本思路是使用冗餘的量子比特來檢測和糾正量子比特中的錯誤，從而恢復出原始的量子態。這些冗餘的量子比特也即量子糾錯碼，其作用在於即使在環境噪聲和干擾很強的情況下，仍能夠保證量子計算的正確性。 相較於經典糾錯碼，量子糾錯碼的構建更為複雜，這是由量子系統本身特性導致的，例如量子態的不可克隆性會限制非正交未知量子態的精確複製，因此量子糾錯碼無法利用簡單的複製操作來增加冗餘。自從量子糾錯概念被提出，目前已出現了多種採用不同原理實現的量子糾錯編碼方案，其中表面碼作為一種二能級編碼方式，具有擴展性好、僅需近鄰物理比特相互作用、容錯閾值高以及多路線適用等優點，因此受到業界廣泛關注。 隨著量子計算硬件水平的不斷提升，量子糾錯研究具備了更好的物理基礎，研究持續深入並取得諸多新進展。
2024 年，Alice&Bob 公司聯合團隊提出基於玻色子貓態量子比特和量子低密度奇偶校驗碼的糾錯編碼方案，基於 1500 個物理量子比特編碼實現 100 個高可靠性的邏輯量子比特（錯誤率 < 10−8）。清華大學聯合團隊提出基於玻色編碼的糾錯方案，並將其應用到多個邏輯量子比特從而實現糾纏保護，使糾纏邏輯量子比特的相干時間提高了 45%，並首次在實驗上利用邏輯量子比特證明貝爾不等式。IBM 提出基於量子低密度奇偶校驗碼的糾錯方案，方案實現了 0.7% 誤差閾值，當假設物理錯誤率為 0.1% 時，使用 288 個物理量子比特可保護 12 個邏輯量子比特。Quantinuum 聯合團隊利用 30 個物理量子比特構建 4 個邏輯量子比特，邏輯量子比特糾纏時的錯誤率降至 10−5，相較於糾纏物理量子比特 8 × 10−3 的錯誤率降低了近 800 倍。 隨著近年來量子計算硬件性能和糾錯相關控制技術的迅速發展，量子糾錯科研與實驗驗證持續深入並取得較多進展，但當前邏輯量子比特的最低錯誤率距離量子計算實用化要求依舊存在很大差距，未來需要在以下多個方面開展攻關：研究基於高維度量子資源帶來的冗餘實現量子糾錯，探索分佈式量子糾錯架構，實現從原理上免疫特定噪聲的量子系統操控，搭建切合實用化需求的量子糾錯方案評價體系，探究容錯量子邏輯門的相關操作等等。綜上所述，實用化量子糾錯已經成為業界的重點研究和攻關方向之一，基於量子糾錯構建邏輯量子比特將是下一個重要里程碑，為實現這一目標，未來仍需開展持續研究攻關。 （三）量子計算軟件
持續多元發展，成熟度有待提升 量子計算軟件為開發者提供使用量子計算硬件和運行量子算法的必要工具，正處於快速發展階段。量子計算軟件作為一種結構化的工具集合，需依據量子計算原理進行開發設計，為不同技術路線提供應用開發能力、編譯能力、硬件測控能力和 EDA 設計開發能力等，業界在多個方向展開佈局，體系架構已逐漸形成，如圖 11 所示。
其中應用軟件匹配不同行業訴求並進行需求映射，編譯軟件是實現軟件開發功能的基礎，測控軟件為量子計算機正常高效運行提供支撐保障，EDA 軟件則是提升量子計算硬件研發與製造工程化水平的關鍵，不同量子計算軟件的功能各具特色，在用戶使用過程中各司其職。
應用軟件提供創建和操作量子程序的工具集，包括算法庫、開發組件和調試優化工具等，支持開發者設計和實現各類複雜的量子程序並獲得執行結果。
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2024 年，Quantinuum 發布量子自然語言處理軟件 “lambeq” 0.4.0 版本，改進可用性的同時提升字符串圖處理速度。HQS 向萊布尼茨超級計算中心交付量子模擬仿真軟件 “HQS Noise App”，可用於模擬運行量子力學系統。微軟 Azure Quantum Elements 軟件推出生成化學和密度泛函理論加速兩項新功能，助力用戶開展化學和材料科學研究。未來應用開發軟件需要擴展應用場景研究，豐富計算問題類型，提升算法運行效率，提高跨硬件後端的支撐能力。 編譯軟件規範量子編程邊界並實現量子程序的正確編譯和執行，同時提供成套的語法規則用以協調和約束編譯操作。
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2023 年底，英偉達發布量子電路模擬軟件 cuQuantum 23.10 版本，更新 API 功能並提供英偉達 Grace Hopper 系統的支持。2024 年，IBM 推出更新版 Qiskit 軟件，提升了量子硬件電路優化速度和存儲資源占用量等性能。Intel 發布量子軟件開發工具包 1.1 版本。Quantum Circuits 推出集成式量子軟件用於在算法運行中實時管理量子比特錯誤檢測。編譯軟件未來需要在持續更新迭代的基礎上，提升軟硬件協同編譯能力，完善調度、優化和調試等核心功能。 測控軟件主要用於量子計算硬件的控制、處理和運算，支持測量結果反饋以及芯片校準等功能。
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2024 年，是德科技將 Q-CTRL 的 Boulder Opal 硬件優化和自動化功能集成到其量子控制系統中，以提供更優的量子處理器表徵和優化功能。QuantrolOx 發布量子比特自動化控制軟件平台 Quantum Edge，支持量子芯片監控、工作流程自動化和數據可視化。
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測控軟件面臨的挑戰主要體現在量子糾錯支持能力、物理比特和邏輯比特映射能力、自動化和流程化等方面。 EDA 軟件可提供量子計算芯片的芯片設計、優化佈局、仿真驗證、製造測試等功能。
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2024 年，是德科技推出面向超導量子處理器設計的 EDA 仿真工具 QuantumPro，可實現電路原理圖設計、佈局構建、電磁分析、非線性電路仿真和量子參數提取等功能。
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EDA 軟件未來需要在功能完整性、仿真效率與準確性、優化效果等方面持續完善，從而實現提升量子芯片設計效率和質量的目標。 由於當前量子計算機硬件技術路線尚未最終確定、通用體系架構並未完全統一等原因，目前量子計算軟件處於開發設計與生態構建的初期階段，呈現多元化和差異化的發展態勢，不同類型軟件功能各異，但在技術成熟度、穩定性和用戶體驗等方面均遠不及經典軟件完善。隨著硬件能力的提升和算法的改進，未來量子計算軟件需在量子編程語言、算法庫、量子中間表示、硬件接口和優化等關鍵環節持續推進，為後續實現更高效可靠的量子計算應用奠定基礎。
（四）支撐保障
系統愈加重要，指標亟待進一步提高 量子態信息易受到複雜環境噪聲干擾和量子系統內部非理想特性等因素的影響而被破壞，因此量子計算機的運行需要極其苛刻的環境支撐系統，以及高精度的測控系統進行環境保障和測控支持。量子計算支撐保障系統是技術研究和樣機工程研發的重要組成部分和核心控制要素，主要包括環境設備、測控系統、關鍵設備組件等部分，不同部分面臨瓶頸挑戰存在差異。 環境設備是保障量子計算機穩定運行的必要支撐部分和基礎設施，主要包括超大功率稀釋制冷機、GM 脈管制冷機、超高真空腔及泵組等。
2024 年，Bluefors 推出超緊湊版 LD 稀釋制冷系統。近年來我國在稀釋制冷機等設備方面也取得頗多成果，國盾量子 ezQfridge 稀釋制冷機完成交付測試，本源量子推出自研的本源 SL1000 稀釋制冷機。運行不同技術路線的量子計算機所需的環境設備有所區別，未來仍需在技術水平、核心指標、設備工程化、小型化、集成化等方面突破技術瓶頸，以支持量子計算機比特數量的大規模擴展。 精確的量子控制技術和高效的讀出技術，對於實現可靠的單量
三、量子計算應用探索持續發力，實用落地有待突破
（一）多領域應用探索並進，實用落地仍需加速突破 目前量子計算處於從前沿研究向應用落地突破的關鍵階段，廣泛而活躍的多方應用探索是推動量子計算技術走向應用的關鍵。業界正在積極尋找匹配行業需求的特定應用場景，目標是在未來為不同行業應用領域提供服務。典型應用領域包括金融、化工、生物、交通、人工智能等。
如圖 12 所示，根據麥肯錫 2024 年發布的《量子技術監測》研究報告，量子計算預計在未來五到十年將加速發展，到 2035 年市場規模估值可能達到萬億美元級別。
金融領域存在大量量子計算潛在應用場景，包括金融風險管理、投資組合分析、模擬量化交易、金融市場預測等。2023 年底，Multiverse Computing 和穆迪公司合聯合推出 QFStudio 平台，為金融域應用探索提供量子計算解決方案。2024 年，芝加哥量子交易所發布報告認為量子計算在金融領域有望實現縮短獲取最優解時間、提升預測準確性等諸多作用。花旗銀行與 Classiq 共同基於 Amazon Braket 平台研究用於投資組合優化的量子解決方案，基於預期回報和風險水平構建了性能更優的投資組合。 化工領域量子計算應用可用於模擬化學分子結構、化學反應等，並以此為基礎更高效、更低耗能地設計化學品。2024 年，英國石油公司和 ORCA 使用混合量子 - 經典機器學習方法建模以產生分子構象，探索量子計算提升化學領域機器學習算法性能的潛力。微軟與美國能源部太平洋西北國家實驗室合作利用量子計算將新型電池材料篩選到少數幾種，實驗表表明篩選時間可大幅減少。魁北克水電公司利用量子計算探索解決複雜能源問題的方案，用於預測能源需求並設計和運營可持續性的能源系統。 生物領域量子計算應用主要聚焦於早期疾病診斷、藥物研發與篩選、藥物測試、基因組數據研究、蛋白質結構預測等場景。
2024 年，勃林格殷格翰量子實驗室發表論文探討量子計算機在藥物發現領域的應用現狀，認為量子計算未來有望在藥物設計領域產生實用化應用。IBM 和克利夫蘭診所合作利用量子 - 經典混合方法預測蛋白質結構並有效提升了預測精度。Novonesis 和 Kvantify 合作使用混合量子 - 經典計算方法演示碳酸酐酶的酶促反應計算，有望助力生物過程研究以及工業二氧化碳捕獲。 交通領域量子計算應用可用於交通流量優化算法與實時預測、路徑即時動態規劃等場景。
2024 年，IonQ 與德國基礎科學研究中心將量子計算應用於航班登機口優化，在縮短旅客轉機時間、飛機停靠時間的同時，提高了登機口服務效率。Pasqal 和泰雷茲公司基於中性原子量子處理器，展示了量子計算在解決衛星規劃問題中的潛力。新加坡量子技術中心使用 8 個和 13 個量子比特解決 128 路和 3964 路的車輛路徑問題，提高解決組合優化問題的的效率。（二）量子計算雲平台提供者漸多，功能普遍待強化
現階段，量子計算機具有軟硬件使用門檻高、硬件環境要求嚴苛以及運維成本高昂等特點，這使得企業和個人用戶難以在本地進行部署。以此為背景，量子計算雲平台應運而生，融合了量子計算與經典雲服務，通過網絡為用戶提供量子計算機的遠程訪問功能。量子計算雲平台憑藉其靈活的服務模式、便利的接入方式以及豐富的應用場景，正逐漸成為量子計算重要發展方向之一，未來有望成為提供量子計算服務的主要應用形式。全球已湧現出數十個量子計算雲平台，典型雲平台如圖 13 所示，發展呈現蓬勃態勢。
當前量子計算雲平台所能提供的量子計算處理器，已有超導、離子阱、中性原子、光量子、矽半導體等技術路線。量子計算雲平台後端硬件的接入模式主要可分為三類。第一類是自研設備接入模式，雲平台提供者具備量子計算硬件自主研發能力，在雲平台上提供自研的量子計算機或基於經典算力的量子模擬器，代表性企業或機構包括 IBM、IonQ、Xanadu、Rigetti、本源量子、國盾量子、北京量子院等。第二類是雲服務接入模式，雲平台提供者憑藉其雲服務能力，在雲平台上接入其他供應商的軟硬件，代表性企業或機構包括微軟、亞馬遜、Strangeworks、弧光量子、中國移動、中國電信等。第三類是融合型接入模式，是上述兩類接入模式的綜合，即在接入自研硬件的同時也支持調用其他供應商硬件資源，以 IBM 量子計算雲平台為例，該平台可接入自研量子處理器以及 Rigetti、Xanadu、AQT、IonQ 等供應商的硬件資源。 國際方面，IBM、谷歌、微軟等科技巨頭以及 IonQ、Xanadu、Rigetti 等初創企業紛紛佈局量子計算雲平台，通過提供量子計算處理器、模擬器以及開發工具等服務，吸引了大量開發者、研究者和企業用戶。
2023 年年底，IBM 將 Q-CTRL 公司的錯誤抑制技術軟件 Q-CTRL Embedded 集成至其雲平台上，測試表明錯誤抑制後可運行的量子算法複雜性增加了 10 倍、成功率提高了 1000 倍左右。IonQ 在 Amazon Braket 平台上提供 Forte 量子計算機。亞馬遜在 Amazon Braket 雲平台推出 “Braket Direct” 計劃，用戶可在設定時間段內保留特定量子處理器的算力且不需要排隊等待。2024 年，AQT 與德國電信合作為用戶提供其量子計算機的雲端訪問能力。 國內方面，本源量子、國盾量子、弧光量子等量子計算企業以及中國移動、中國電信等運營商也相繼推出量子計算雲平台，這不僅表明量子計算企業對於雲平台發展十分重視，也反映出電信運營商認可量子計算在提升網絡性能、加強安全通信等方面的潛在價值，致力於共同推動量子計算應用和產業化進程。
2023 年底，中國移動雲能力中心和玻色量子共同推出 “五岳量子計算雲平台 —— 恒山光量子算力平台”。中國移動 “五岳” 量子計算雲平台佈局多制式量子算力並網、多模式量子算法程序設計和多元化量子場景算法等技術方向，旨在拓展量子計算應用邊界。2024 年，北京量子院聯合中國科學院物理研究所、清華大學發布 Quafu 量子雲算力集群，該平台提供五塊百比特規模的量子芯片資源，並融合了經典算力資源。中國科學院量子信息與量子科技創新研究院研發並交付 504 比特量子計算芯片 “驍鴻”，後續計劃通過中電信量子集團 “天衍” 量子計算雲平台等平台向全球開放。啟科量子上線量子 - 經典混合算力雲平台 “<Qu|Cloud>”，提供 20 比特離子阱量子計算處理器和基於 CPU/GPU 的量子計算模擬器接入，支持多種編程模式和算法庫。 總的來說，國內量子計算雲平台在雲平台功能、應用探索、商業模式、用戶影響力等方面與國際先進水平相比仍有較大差距，未來仍需進一步提升。 量子計算雲平台已成為用戶訪問量子計算資源、開展實驗驗證和應用探索的重要助力工具之一。隨著量子計算技術的不斷進步和雲平台功能的日益成熟，未來量子計算雲平台將呈現出三方面發展趨勢： 一是服務模式的創新與拓展，從當前的基礎設施服務向更加豐富的平台服務和應用服務演進； 二是跨平台跨行業的深度融合與協作，推動多領域量子計算應用與落地； 三是智能化、自動化的運營管理與安全防護體系構建，提升用戶體驗和數據安全水平。 量子計算雲平台的發展需要業界在多個方向聯合推動。首先，持續加大研發投入，提升量子計算技術的成熟度和穩定性，從而支撐量子計算雲平台的長期穩定運行；其次，加強數據安全與隱私保護機制的建設，確保用戶數據的安全可控；最後，推動標準化與互操作性的發展，降低不同平台之間交互使用的門檻，促進量子計算的普及與應用。 （三）基準測評研究正在穩步推進，成果與挑戰並現 隨著量子計算原型機的研製和應用探索的開展，基準測評開始逐步受到重視，如何準確高效地評估量子計算系統的性能，已成為業界關注的焦點，為用戶分析量子計算技術產業發展水平提供重要參考。量子計算基準測評是表徵硬件性能指標和評價系統能力的關鍵技術，不僅助力推進量子計算底層硬件開發和應用落地，更是連接理論研究與實際應用的關鍵橋梁。 量子計算基準測評發展十分迅速，業界相繼提出了一系列測評基準方法。這些基準方法通常包含多種具有特定功能的任務，例如量子門操作的保真度測試、量子比特的相干時間評估以及量子算法執行效率等等，旨在為不同的量子計算系統提供相對公平的對比手段，有助於研發人員更全面地了解系統的性能。 量子計算基準測評體系框架如圖 14 所示，可分為量子比特級、量子電路級、系統級、算法級和應用級等層次，各層次的測評基準呈現出不同特點與側重點。底層基準，例如量子比特級和量子電路級，與硬件的關聯度較高，能夠充分體現各種技術路線之間的差異性。底層的參數指標相對更為分散且具體，便於熟悉技術細節的研發人員精確地發現問題並提出解決方案。隨著層級的上升，例如系
近年來，業界積極開展量子計算基準測評研究，致力於以更加客觀的方法對量子計算系統的綜合性能進行評估。2023 年底，IBM 提出了每層門誤差（EPLG），可以更準確地評估串擾，也可用於估計錯誤緩解所需的電路數量，同時更新了每秒電路層操作數（CLOPSh）的定義，以便更真實地反映硬件性能。EPLG、CLOPSh 以及 IBM 最早提出的量子體積（QV）三個指標，可以從規模、質量和速度三個維度較為全面地評價量子計算系統的性能。2024 年，QED-C 更新了面向應用（App-Oriented）的測評基準套件，擴展了面向 HHL、VQE、量子機器學習等算法的測評基準，並引入計算結果質量（如最終基態能量、分類準確率等）和計算成本等參數進行量子計算性能評估。美國 DARPA 啟動新量子基準測試計劃（QBI），主要針對量子計算算法和應用進行基準測試，並評估構建工業級量子計算機的可行性。 隨著量子計算技術的不斷發展，各類測試基準研究顯得尤為重要。然而量子計算基準測評研究也面臨著一系列挑戰，例如基準的客觀性和公正性等備受業界關注。2024 年，Quantinuum 在其報告中指出，#AQ 基準在某些情況下可能導致對量子計算機性能的高估，這種高估主要源於錯誤緩解技術和電路編譯策略的應用，上述技術在特定使用場景中能夠提升效率和準確性，但可能誤導整體性能的評估。因此，在評估和比較不同量子計算機的性能時，研究人員必須考慮到這些因素，以確保測評結果的客觀性和公正性。 量子計算基準測評研究在評估發展現狀、推動行業發展、連接理論與實踐應用等方面均發揮著至關重要的作用。現階段國內外針對量子計算基準測評的研究不斷深入，取得成果的同時也面對諸多挑戰。未來業界需要持續完善評估體系，更新評價方案，建立評估標準，從而更精確、全面地展現量子計算機的實際性能，推動行業不斷進步。 （四）量子 - 經典融合成焦點，技術體系架構至關重要 量子計算技術產業目前正處於蓬勃發展的階段，然而當前量子計算機的操作和維護仍面臨巨大挑戰，未來大規模商用必須跨越從理論優勢證明到實現應用價值的鴻溝。業界逐漸意識到，單純的量子計算或經典計算均難以滿足所有計算需求，因此需將兩者進行有機融合，以形成更為強大的計算能力。在此背景下，量子 - 經典融合計算將量子計算和經典計算相結合，充分利用二者的優勢共同解決複雜問題。 量子 - 經典融合計算作為一種新型的計算模式，具有兩大基本特徵：混合和協同。混合是指在一個系統中同時包含量子計算和經典計算，形成具有異構算力的混合計算。量子計算機可以分為通用門型量子計算機和專用量子計算機。通用門型量子計算機目前存在超導、離子阱、中性原子、光量子、矽半導體等多種技術路線，不同路線在技術原理、性能指標、成熟度等方面存在較大差異。專用量子計算機主要包括量子退火機和相干伊辛機。經典處理器主要包括中央處理器（CPU）和圖像處理器（GPU）。異構算力融合既包含通用門型量子計算機與專用量子計算機之間的混合，也包含多種量子計算架構與各類經典計算架構的混合。協同是指量子計算機負責處理量子信息，例如量子態製備和測量，而經典計算機則負責處理經典信息，例如邏輯運算、浮點運算、算法分析和優化等。通過設計算法和接口，可使量子計算部分與經典計算部分相互協作，共同完成計算任務。量子計算機適合解決數據的並行運算、矩陣運算、線性代數等問題，而經典計算擅長進行邏輯運算、浮點運算等操作，且具有相對完善的編程開發工具、操作系統和算法庫。量子 - 經典融合計算的核心思想是利用量子計算的優勢加速求解特定問題，同時借助經典計算的穩定性和易用性確保計算的準確性和可靠性。
初步提出量子 - 經典融合計算技術體系架構，如圖 15 所示，可劃分為應用層、開發工具層、算法層、編程框架層、任務調度層、資源管理層、物理資源層等七個層級。應用層包含了量子 - 經典融合計算的典型應用領域，包括量化金融、能源材料、生物醫藥、交通物流和信息通信等，該層主要通過封裝好的軟件、函數，或自定義開發的形式向行業用戶提供計算服務。開發工具層為量子經典融合算法提供開發和調試的工具，包括 Jupyter Notebook、WebIDE 等。算法層為應用層提供典型的量子 - 經典融合算法，代表性算法包括變分量子本徵求解器（VQE）、量子近似優化算法（QAOA）、量子機器學習（QML）和量子神經網絡（QNN）等。編程框架層為算法開發提供基本的編程語言和編譯工具，為底層硬件和上層應用軟件提供互聯接口，同時完成量子和經典計算任務的拆解和互操作，最終將高級程序設計語言轉化為硬件指令集，傳遞至底層硬件。任務調度層對拆解後的量子任務和經典任務進行調度，並實現各種量子和經典異構算力之間的協同，目前主要有兩種任務調度方式，分別是異構並行調度和遠程並行調度，前者實現量子 - 經典系統間的低時延通信，後者實現方式相對容易。資源管理層實現各類物理機、虛擬機、Docker 容器以及拓撲的註冊、監控、調度等功能。物理資源層是最底層，分為經典資源和量子資源，經典資源包含各類經典算力、存力、運力基礎設施，量子資源包含各種技術路線的通用門型量子計算機、專用量子計算機以及量子線路模擬器。 隨著技術的不斷突破，科技企業逐漸認識到量子 - 經典融合計算的重要性，競相佈局相關研究。國際方面，英偉達發布 GPU 加速的量子計算系統 NVIDIA DGX Quantum，該系統基於 NVIDIA Grace Hopper 架構超級芯片和開源量子 - 經典融合編程模型 CUDA Quantum，使得 GPU 和 QPU 間的通信時延降低至亞微秒級。微軟提出批量量子計算、交互式量子計算、集成量子計算和分佈式量子計算四種量子 - 經典融合模式，逐步從遠程並行調度過渡到異構並行模式。亞馬遜推出 Braket Hybrid Jobs 工具，實現量子 - 經典融合算法的完全托管編排，將經典計算資源和量子處理器的訪問權限相結合，同時支持量子電路的參數化編譯，可優化基於循環迭代的量子 - 經典融合算法的執行流程。 IBM 在路線圖中指出預計在 2025 年演示以量子計算中心的超級計算，將量子處理器、經典處理器、量子通信網絡和經典網絡等基礎設施進行融合。
國內方面，中微達信推出適用於經典計算機、多路量子測控的融合計算測控單元，基於 PCIe 接口實現量子 - 經典測控指令之間毫秒級的調用延遲。本源量子發布量雲融合方案架構，量子計算機通過公網與經典超算計算機遠程互聯，通過在量子司南操作系統與超算管理調度模塊之間運行量子 - 經典交互協議進行協同計算。中電信量子 “天衍” 量子計算雲平台提供批量和交互式兩種量子 - 經典融合模式，從而實現遠程並行調度。 未來隨著量子計算技術的持續突破和經典計算機性能的日益提升，量子 - 經典融合計算已成為推動計算產業向前發展的重要趨勢之一，二者形成互補優勢，是推動技術發展的關鍵。總體而言，量子 - 經典融合領域將要進一步深入探索應用場景，同時不斷健全完善調度機制，分步驟地逐漸建立起產業生態。硬件製造商需要研製高性能、高穩定性的量子 - 經典融合計算系統，為整個生態提供強大的計算基礎；軟件開發者則需針對融合計算的特點和需求，開發高效、易用的編程工具和軟件平台，降低開發難度，提高開發效率；應用服務提供者將利用量子 - 經典融合計算的優勢，為各行各業提供定制化的解決方案，推動產業的數字化轉型和升級。
四、量子計算產業培育多方並舉，生態系統逐步興起
（一）產業生態初步形成，關鍵環節發展仍有待推進 隨著量子計算原型機研製、軟件研發、應用探索和雲平台建設的發展，上中下游企業不斷湧現，為量子計算技術產業發展注入充沛動力。量子計算產業生態培育穩步開展，如圖 16 所示，各環節參與者逐漸增多，整體仍處於起步階段，關鍵環節發展仍有待推進。
產業生態上游包括環境支撐系統、測控系統以及核心設備組件等，具體涉及稀釋制冷機、真空系統、低溫組件、光學器件等眾多方面，是整個量子計算產業生態的基礎底座。由於量子計算技術複雜性、多路線並行推進和發展趨勢存在不確定性等原因，目前產業生態上游呈現分散化和多樣化的特點，一方面分散化導致供應商集中開展技術攻關的難度提升，但另一方面多樣化則可能有助於減少單一供應商可能造成的供應壟斷等風險。國內外對比來看，歐美國家處於量子計算產業生態上游的企業數量更多且發展水平更高，在產品研製、技術創新以及市場需求等方面積累了較為優越的條件和資源。我國上游企業近幾年發展迅速，相繼推出各類自研產品，但在部分關鍵設備組件的性能指標、製造成本和市場認可度等方面仍有較大提升空間，未來仍需通過自主研發進一步提高產品技術水平。 產業生態中游企業包括量子計算原型機製造商和軟件供應商，是量子計算產業生態的核心環節，同時也是企業數量較為集中的部分。原型機方面，全球從事量子計算機原型機研製的企業中，專注於超導路線的企業數量最多，超過總量的三分之一，其次是離子阱、中性原子、光量子和矽半導體等技術路線。軟件方面，眾多企業致力於打造各自的量子計算軟件，同時構建開源軟件社區，為量子計算技術發展和應用探索提供推動力。國內外對比來看，大部分國家並行佈局多種技術路線，歐美企業在數量、原型機研製能力、軟件研發、開源社區建設等方面占據一定優勢。我國在幾條主流技術路線均有佈局，近年也出現一批量子計算軟件企業，但總體而言在企業投入力度、輸出成果、創新能力等方面與歐美相比仍存在差距。 產業生態下游企業包括量子計算雲平台供應商和行業應用企業，是最接近用戶的環節，在產業生態中扮演著至關重要的角色。雲平台方面，依託互聯網為各類用戶提供雲端接入，共享量子計算資源，促進量子計算產業提前佈局與生態良性培養。行業應用方面，金融、化工、醫藥、交通等行業用戶關注量子計算應用潛力，開放應用場景並開展應用探索，致力於尋找針對行業特定難題的解決方案。國內外對比來看，IBM、亞馬遜、微軟等國外科技巨頭的量子計算雲平台在資源共享性、硬件多樣性、應用案例豐富性、服務模式商用化等方面走在全球前列。量子計算企業與不同領域行業企業積極合作，聯合探索量子計算在重點行業領域的應用。我國量子計算雲平台供應商在平台間協同合作、後端硬件水平、商業模式探索等方面仍有待提升。我國傳統行業企業在量子計算方面的投入力度、關注程度以及與量子計算企業之間的合作機制等方面仍有待進一步加強和完善，未來需要前瞻開展應用探索，提升應用協同創新能力。 以量子計算為代表的量子信息技術已成為未來產業佈局的重要關注點之一。產業基礎能力支撐未來產業的佈局和發展，不同國家產業基礎能力的對比分析能夠為評價該國在量子計算技術產業領域的綜合實力和國際競爭力提供視角和工具。本報告基於科研基礎、政府支持、商業活動、技術成果等維度構建量子計算產業基礎能力分析方法，鑒於美、中、英三個國家在技術。
量子計算：算力產業的顛覆式創新，未來科技的鋒利之矛。量子計算機的量子比特利用量子疊加態原理實現處理信息量的指數級增長，以 Shor 算法為例，可以在 20 萬個錯誤率在 0.1% 的量子物理比特上在 8 個小時內破解 2048 位的 RSA 密碼，而用經典計算機則需要幾百年的時間進行破解。從產業鏈來看，量子計算芯片、稀釋制冷機和室溫測控系統成為量子計算機主要組成部分。根據 ICV 的報告，2023 年全球量子計算產業規模達到 47 億美元，2023 至 2028 年的年平均增長率（CAGR）達到 44.8%，有望實現高速增長。建議關注：量子計算整體解決方案提供商【國盾量子】、量子測控系統提供商【普源精電】等。
量子通信：量子技術實現密鑰分發，信息安全的堅固之盾。基於傳統 RSA 算法的密鑰分發和數字簽名技術，在量子計算時代存在較大的安全風險。量子保密通信將經典密鑰轉換成量子形態的密鑰，利用量子不可複製、糾纏等物理特性，實現密鑰分發過程的絕對安全。從產業鏈來看，量子密鑰分發設備（QKD）成為行業的核心設備，上游包括芯片 + 光源 + 單光子探測器 + 量子隨機數發生器，下游主要在政府、金融、电力等關基行業率先落地。從建設進度來看，中國已經形成骨幹網 - 城域網 - 空天一體的三步走發展戰略，當前已經建成長度超過 1 萬公里的廣域量子保密通信一期骨幹網，未來城域網和空天一體網絡建設有望加速。建議關注：QKD 設備商【國盾量子】、系統集成商【神州信息】等。
抗量子密碼：密碼原理的底層創新，應對量子攻擊的新型方案。抗量子密碼（PQC）是能夠抵抗量子計算對現有密碼算法攻擊的新一代密碼算法。
從產業進展來看，美國 NIST 將於今年夏季發布第一版的抗量子密碼算法標準，從而開啟美國抗量子密碼遷移的路線圖，預計美國對於軟件 / 固件簽名和傳統網絡設備的遷移將在 2030 年前完成。建議關注：密碼廠商【吉大正元、信安世紀、格爾軟件、三未信安】等。
1.1. 技術：兩次量子革命帶來顛覆式技術創新 第一次量子革命（20 世紀 80 年代至 90 年代末期）：量子力學推動推動超導、晶體管、激光、核磁共振等技術誕生。上世紀 80 年來以來，物理學理論探索從經典物理學的連續性觀念轉向量子力學的離散型觀念，普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的量子軌道等量子理論誕生並得到應用，推動超導、晶體管、激光、核磁共振等技術的誕生與應用，標誌著量子理論的正確性得到驗證，量子技術在信息科學實際應用中的巨大潛力逐漸顯現，利用量子力學原理進行信息處理的可能性得到探索，為第二次量子革命奠定堅實理論與實驗基礎。 具體而言，第一次量子革命可分為三個階段。
1）理論基礎奠定期（1900-1980）：物理學家開始探索微觀物理學現象。1900 年，普朗克提出量子假說，標誌著量子理論的誕生。隨後，愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子模型進一步鞏固了量子理論。1926 年，薛定諤和海森堡分別提出波動力學和矩陣力學，為量子力學奠定堅實基礎。在此時期，量子理論成功解釋了諸多實驗現象，並在固體物理學、原子物理學和分子物理學等領域取得重大進展。在應用方面，超導、晶體管、激光、核磁共振等技術不斷誕生並得到應用。1911 年，荷蘭物理學家海克・卡馬林・奧克斯發現超導現象；1947 年，貝爾實驗室的肖克利和巴丁發明第一個晶體管；1953 年，曼徹斯特大學開發世界第一台晶體管計算機；1960 年，西蒙斯和漢斯創造世界第一個激光；1961 年，德州儀器公司生產了第一個商業化集成電路。
2）崭露头角期（1981-1993）：在量子理論的指導下，量子科技開始在世紀應用中崭露頭角。 1981 年，費曼提出量子計算的概念，並探討了量子計算機的潛力；1982 年，量子糾纏的實驗驗證成功，為量子信息科學的發展奠定基礎；1991 年，量子密鑰分發概念被提出，為量子通信的安全傳輸提供理論基礎。這一時期，量子科技的理論研究和實驗驗證為後續的技術發展和應用奠定基礎。
3）持續發展期（1994-1999）：量子科技產業持續發展。1994 年，Peter Shor 提出 Shor 算法，展示了量子計算機在破解加密方面的巨大潛力；同年，Lov Grover 提出量子搜索算法，設計用於無序列表搜索目標性，利用量子並行性和干涉效應加速搜索過程。1996 年，DiVincenzo 提出量子計算機準則，用於評估和設計量子計算機，有助於確定量子系統是否適用於構建量子計算機，包括可擴展量子比特、可控可讀量子比特、長時間相干性、通用量子門集、可靠量子讀寫操作。1998 年，Bernhard Omer 提出量子計算機編程語言，製造為量子計算機提供統一編程框架，結合傳統編程概念和量子計算的疊加和糾纏特性。
量子科技產業整體發展歷程梳理#
第二次量子革命（