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（来源：未来智库）

（报告出品方/作者：国泰海通证券，杨林、杨蒙、魏宗）

1. 前言

2024 年 9 月，世界经济论坛发布研究报告，即《量子技术与社会：实 现可持续发展目标的雄心》。文中提到，在 2030 年可持续发展目标议程远 未完成的情况下，量子技术可能是在 2030 年最后期限前的剩余六年里取得 重大进展所需的突破性创新。 世界经济论坛发布研究报告认为，量子技术可以归纳为量子计算、量子 通信和量子传感这三个方面。量子计算具备巨大的计算能力，为解决当今计 算机和可预见的未来无法解决或需要太长时间才能解决的问题提供了巨大 的潜力。但在量子计算的巨大潜能的同时，其对网络安全也构成了重大威胁， 而新兴的量子安全技术，包括后量子密码学(PQC)和量子密钥分发(QKD)等 技术，则能够降低安全风险，使人们专注于量子可以带来的众多好处。同时， 虽然量子计算目前还处于早期阶段，但量子传感领域正在以更快的速度发 展。 本报告将分别从量子计算、量子安全（量子通信）和量子传感这三个方 面进行阐述。

2. 量子计算

1970 年，Charlie Bennett 首次提出 “量子信息理论”。20 世纪 80 年代早期，Paul Benioff、Richard Feynman、Yuri Manin 等量子计算先驱利 用数学和理论量子力学进行论证。他们提出计算机是一个物理系统，如果 想要高效地计算 “不可计算” 的问题，就需要重新思考计算方式。量子 力学提供了一个丰富的计算模型，因此需要建造量子计算机。 量子比特的出现。1998 年第一台双量子比特量子计算机建成，理论 开始变为现实。量子比特是量子计算机的基本构建块，由微小的超导电路 制成，其表现类似于原子。量子比特可以处于多种状态的线性组合，可以 相互干涉和纠缠，即当一个量子比特改变状态时，与之纠缠的量子比特也 会改变状态。 目前，量子计算机与经典计算机结合使用在有意义的任务中很快将超 过仅使用经典计算机的性能。IBM 预计在最近十年内就能看到这一成就。 经典计算机的比特只能将信息存储为 0 或 1，物理世界保持固定结构， 这与经典力学相符。但随着科学家能够对亚原子物质进行探索，开始发现 更多的概率状态：即物质在不同条件下呈现出许多可能的特性。于是，量 子物理学领域应运而生，旨在探索并理解这些现象。 量子计算的强大力量建立在量子力学的两大基石之上：干涉和纠缠。 干涉原理使量子计算机能够消除不需要的解，并增强正确的解。纠缠意味 着量子比特的组合状态所包含的信息比量子比特各自独立时包含的信息更 多。总体而言，这两个原理在经典理论中没有类似情况，要在经典计算机 上对它们进行建模需要耗费指数级的资源。IBM 对这一特征举了一个例 子，要表示一台 100 个量子比特的量子计算机的复杂程度，所需要的经 典比特数量比地球上的原子数量还要多。（以上为根据 IBM 的 The Quantum Decade 报告总结）

2.1. 量子计算的原理

量子计算利用了量子力学的一个基本原理 —— 处于确定状态的物理 系统仍然可以随机表现。该系统处于叠加态，也就是两种或多种状态的线性 组合。量子力学的独特之处在于，在某些情况下，当测量一个量子叠加态时， 即便系统的状态是确定的，也会得到随机的结果。经典计算中的比特是 0 或 1，但在量子计算中，量子比特（qubit）可以同时处于无数种状态，也就是 0 和 1 的叠加态。例如一枚硬币，如果抛一枚硬币，它要么正面朝上，要 么反面朝上。但如果旋转一枚硬币，它的维度可能性会呈指数级增加。 纠缠是量子系统的一种特性，在这种特性下，相距甚远的两个量子比特 各自的表现是随机的，但却存在着令人费解的关联性。对两个处于纠缠态的 量子比特分别进行测量，会得到随机的结果。但当从整体上审视这个系统时，其中一个量子比特的状态取决于另一个。组合而成的系统所包含的信息 比各个单独部分包含的信息更多。爱因斯坦将其称为 “幽灵般的超距作 用”。 另外，噪声会导致量子比特失去其量子力学特性，因此它们必须与任何 噪声源隔离开来。构建量子比特有不同的方法，其中一种主要的方法是利用 超导性来制造具有可随意控制的量子力学特性的器件。但为了让量子比特 正常工作，它们必须被保存在温度为 10 到 20 毫开尔文的 温度环境中。 （以上为根据 IBM 的 The Quantum Decade 报告总结）

2.2. 量子纠错

根据 IBM 的“The Quantum Decade”报告，量子比特（qubit）会受到 硬件限制所导致的误差以及周围环境 “噪声” 的影响。如果超导量子比特 （其所处温度接近绝对零度）没有免受噪声干扰，那么撞击该设备的振动或 杂散光子就可能破坏计算。热量和环境影响也会产生同样的问题。量子计算 是建立在量子力学物理原理之上的，而量子力学是原子、电子和光子层面相 互作用的模型。与环境的耦合可能会干扰我们在系统中正在进行的操作。 更准确地说，量子硬件中的量子比特被称为物理量子比特。虽然利用物理 量子比特有可能实现最早的量子优势案例，但要实现量子计算的全部价值， 需要转向逻辑量子比特。逻辑量子比特是通过将软件与数百个物理量子比 特相结合来实现纠错而创建的。有了这种类型的量子比特，源于影响底层硬 件的噪声所产生的误差就能够被检测出来并得到纠正，即“量子纠错”，实 现量子纠错是这十年的一个关键目标。下图为 IBM 关于量子运行时间随量 子电路复杂程度变化的过程，涉及经典计算机、具备纠错功能的量子计算机 以及具备误差缓解功能的量子计算机。

根据中国信通院的“2024 量子计算发展态势研究报告”，量子纠错用于 保护量子比特免受噪声等干扰，是使量子计算机能够真正发挥其巨大潜力 的重要环节之一。量子纠错方案的基本思路是使用冗余的量子比特来检测 和纠正量子比特中的错误，从而恢复出原始的量子态。这些冗余的量子比特 也即量子纠错码，其作用在于即使在环境噪声和干扰很强的情况下，仍能够 保证量子计算的正确性。 相较于经典纠错码，量子纠错码的构建更为复杂，这是由量子系统本身 特性导致的，例如量子态的不可克隆性会限制非正交未知量子态的精确复制，因此量子纠错码无法利用简单的复制操作来增加冗余。自从量子纠错概 念被提出，目前已出现了多种采用不同原理实现的量子纠错编码方案，其中 表面码作为一种二能级编码方式，具有扩展性好、仅需近邻物理比特相互作 用、容错阈值高以及多路线适用等优点，因此受到业界广泛关注。 随着量子计算硬件水平的不断提升，量子纠错研究具备了更好的物理 基础，研究持续深入并取得诸多新进展。2024 年，Alice&Bob 公司联合团 队提出基于玻色子猫态量子比特和量子低密度奇偶校验码的纠错编码方 案，基于 1500 个物理量子比特编码实现 100 个高可靠性的逻辑量子比特 （错误率 < 10⁻8）。清华大学联合团队提出基于玻色编码的纠错方案，并将 其应用到多个逻辑量子比特从而实现纠缠保护，使纠缠逻辑量子比特的相 干时间提高了 45%，并首次在实验上利用逻辑量子比特证明贝尔不等式。 IBM 提出基于量子低密度奇偶校验码的纠错方案，方案实现了 0.7% 误差 阈值，当假设物理错误率为 0.1% 时，使用 288 个物理量子比特可保护 12 个逻辑量子比特。Quantinuum 团队利用 30 个物理量子比特构建 4 个逻 辑量子比特，逻辑量子比特纠缠时的错误率降至 10⁻⁻，相较于纠缠物理量 子比特 8×10⁻³ 的错误率降低了近 800 倍。（以上为根据中国信通院报告 总结）

进入 2024 年末和 2025 年初，海内外在量子纠错上相继发布了重磅消 息。首先是谷歌发布了 willow 量子芯片，其拥有 105 个量子比特，在算法 基准测试中达到了同类最佳的性能表现，并且 Willow 能够在使用更多量子 比特进行扩展时指数级地减少错误。谷歌宣称攻克了量子纠错领域近 30 年来一直追求的关键难题。紧接着是中国科技大学团队发布了祖冲之三号 超导量子计算机，量子比特数同样为 105 个，并计划在数月内实现码距为 7 的表面码逻辑比特（谷歌了 willow 实现的码距为 3、5 和 7 的表面码逻辑比 特），并进一步将码距扩展到 9 和 11，为实现大规模量子比特的集成和操纵 铺平道路。进入到 2025 年，微软宣布研发出名为 Majorana 1 的量子芯片， 是全球首款采用新型拓扑核心架构的量子芯片，Majorana 1 利用了世界上首 个拓扑导体（topoconductor），一种突破性的材料，能够观测和控制 Majorana 粒子，从而产生更可靠、更可扩展的量子比特。微软表示，用于开发 Majorana 1 处理器的新架构为在单个芯片上集成百万量子比特提供了一条清晰的路 径。随后，亚马逊也发布了一款名为 Ocelot 的新型量子计算芯片，与当前 方法相比，它可以将实施量子纠错的成本降低高达 90%。亚马逊为 Ocelot 的架构采用了新颖的设计，从一开始就将纠错功能融入其中，并使用了“猫 量子比特”。“猫量子比特”以著名的薛定谔猫思想实验命名——能够天然抑 制某些类型的错误，从而减少了量子纠错所需的资源。亚马逊宣称：根据 Ocelot 架构制造的量子芯片的成本可能仅为当前方法的五分之一，并相信 这将使实现实用量子计算机的时间表提前最多五年。亚马逊认为，要制造实 用的量子计算机，量子纠错必须放在首位。

2.3. 量子计算的发展简史

20 世纪 80 年代初，保罗・贝尼奥夫（Paul Benioff）、理查德・费曼 （Richard Feynman）等人首次提出量子计算的设想。20 世纪 90 年代，初 步的数学和算法工作开始展开；21 世纪头十年着重于从物理层面呈现量子 比特；2010 年以后，多量子比特系统被证明是可行的，并且可以通过云端 进行访问。2019 年，谷歌公司成功研制出量子计算原型机“悬铃木””，包 含 53 个量子比特；2020 年，IBM 推出了具有 65 个量子比特数的量子计算 机系统。同年 12 月，中国科学技术大学团队构建的光量子计算原型机“九 章”，通过高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）实验展示了量子计算优 势，成功实现了最多 76 个光子的输出。2024 年 12 月，谷歌发布最新的 willow 量子芯片，具备 105 个量子比特；同月中，中国科学技术大学潘建 伟院士团队发布了祖冲之 3 号超导量子计算机，同样实现了 105 个量子比 特。

2.4. 量子计算的不同技术路线

量子计算包括不同的技术路线，包括超导量子计算、离子阱量子计算、 中性原子量子计算、光量子计算、硅半导体量子计算等五个主流技术方向。 根据科研论文数量的统计，能反映量子计算不同细分领域的受关注程度。可 以看出，五条技术路线均受到广泛关注，发文量均呈现上升态势。其中，超 导量子计算和中性原子量子计算的论文发表量增长尤为突出。 论文数量上，超导量子计算路线专利的全球申请量为 9380 件，全球授 权量为 3976 件。从专利申请总量和授权总量两方面均可看出，超导路线在 五条技术路线中表现最为突出，这表明到目前为止，超导量子计算路线长期 被业界寄予厚望。

量子计算目前呈现多种硬件技术路线并行发展的态势，中国信通院将 其归纳为两大类，一类是以超导、硅半导体路线为代表的人造粒子路线，另 一类是以离子阱、中性原子、光量子路线为代表的天然粒子路线。前者在扩 展性等方面占据优势，但在逻辑门保真度、量子比特控制等指标提升方面对 加工工艺条件的依赖性较高。后者具有比特全同性和高逻辑门精度等优势， 但实现更大规模的系统会面临困难。近年来，多条技术路线量子比特规模、 质量、退相干时间等关键指标持续优化，技术水平稳步提升，依旧保持多元 化和竞争性的发展格局，路线收敛呈现出较大不确定性，短期内还难以形成 方案聚焦。 超导技术路线基于超导约瑟夫森结构造二能级系统，具有扩展性好、易 操控和集成电路工艺兼容等优势，是关注度最高、发展较为迅速的技术路线 之一。 离子阱技术路线以囚禁在射频电场中离子的超精细或塞曼能级作为量 子比特载体，通过激光或微波进行相干操控，离子阱量子比特的全连接性使 其在操控精度、相干时间等方面具有优势。 中性原子技术路线使用光镊或光晶格进行原子的囚禁，激光激发原子 里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化，在相干时间、操控精度以及可扩 展性方面占据一定优势。

光量子技术路线利用光子的多个自由度进行编码，优点在于相干时间 长、室温运行以及测控相对简单，可分为逻辑门型光量子计算和专用光量子 计算两类。逻辑门型光量子计算样机研发需要在加强光子间相互作用、构建 双比特逻辑门以及大规模集成光子技术等方面集中攻关，专用光量子计算 则有望在求解组合优化等专用实用化问题中展示优势。 硅半导体技术路线使用量子点中囚禁的单电子或空穴作为量子比特， 通过电脉冲实现量子比特操控和耦合，优势体现在与成熟 CMOS 工艺技术 兼容等方面。硅半导体路线受限于同位素材料加工以及栅极间串扰等因素 影响，规模扩展性和操控精度等指标的突破仍面临诸多挑战，在多元路线竞 争中优势尚不明确。 由于量子计算目前处于早期发展阶段，各技术路线的关键指标发展水 平呈现参差不齐的状态。超导路线的比特数量、逻辑门保真度等指标提升迅 速，其他指标发展也保持相对平衡；离子阱路线在逻辑门保真度和相干时间 指标上表现突出，但比特数量扩展等方面依旧面临瓶颈挑战；中性原子路线 在比特数量、门保真度和相干时间等指标上持续取得进展；光量子路线完成 量子优越性验证，但与硅半导体路线类似，目前在比特数量、逻辑门保真度 和相干时间等指标方面尚未显露明显优势。（以上为根据中国信通院报告总 结） 我们认为，目前量子计算的各技术路线都在以各自优势来演进，但哪 一个技术路线能够真正实现商业应用落地，目前还为时尚早。

2.5. 量子计算软件

量子计算软件为开发者提供使用量子计算硬件和运行量子算法的必要 工具，正处于快速发展阶段。量子计算软件作为一种结构化的工具集合，需 依据量子计算原理进行开发设计，为不同技术路线提供应用开发能力、编译 能力、硬件测控能力和 EDA 设计开发能力等，业界在多个方向展开布局， 体系架构已逐渐形成。其中应用软件匹配不同行业诉求并进行需求映射，编 译软件是实现软件开发功能的基础，测控软件为量子计算机正常高效运行 提供支撑保障，EDA 软件则是提升量子计算硬件研发与制造工程化水平的 关键。 由于当前量子计算机硬件技术路线尚未最终确定、通用体系架构并未完全统一等原因，量子计算软件还处于开发设计与生态构建的初期阶段，呈 现多元化和差异化的发展态势，不同类型软件功能各异，但在技术成熟度、 稳定性和用户体验等方面均远不及经典软件完善。随着硬件能力的提升和 算法的改进，未来量子计算软件需在量子编程语言、算法库、量子中间表示、 硬件接口和优化等关键环节持续推进，为后续实现更高效可靠的量子计算 应用奠定基础。

2.6. 量子计算支撑保障系统

量子态信息易受到复杂环境噪声干扰和量子系统内部非理想特性等因 素的影响而被破坏，因此量子计算机的运行需要极其苛刻的环境支撑系统， 以及高精度的测控系统进行环境保障和测控支持。该系统主要包括环境设 备、测控系统、关键设备组件等部分，不同部分面临瓶颈挑战存在差异。 环境设备是保障量子计算机稳定运行的必要支撑部分和基础设施，主 要包括超大功率稀释制冷机、GM 脉管制冷机、超高真空腔及泵组等。2024 年，Bluefors 推出超紧凑版 LD 稀释制冷系统。近年来我国在稀释制冷机 等设备方面也取得突出成果，国盾量子 ezQfridge 稀释制冷机完成交付测 试，本源量子推出自研的本源 SL1000 稀释制冷机。 精确的量子控制技术和高效的读取技术，对于实现可靠的单量子比特 操作、多量子比特逻辑门操作、量子态高保真度读取等量子操作至关重要。 量子计算测控系统大致可分为低温电子学测控系统和光学测控系统两类， 前者通过低温微波技术对超导、硅半导体等路线的量子比特进行操控，后者 则利用光学信号囚禁或激发天然粒子来实现离子阱、中性原子、光量子等路 线的量子比特操控。 量子计算机的研发离不开与之相关的关键设备组件。按照设备组件的 应用领域大致可以分为两类，特性化设备组件和量子计算与光电子、半导体 等领域通用型设备组件。特性化设备组件主要包括高性能示波器、低温电子 学器件、多通道声光调制器和特种线缆等，通用型设备组件主要包括分子束 外延设备、电子束曝光设备、高品质光学镜片、CMOS/CCD 相机等。 目前，由于量子计算处于发展早期阶段、技术路线尚未收敛等原因，导致支撑保障系统呈现分散化、碎片化的发展特点，未来对于支撑保障系统的 性能指标会有更苛刻的要求，需持续推动核心系统、设备、组件的关键性能 指标的提升。（以上为根据中国信通院报告总结）

2.7. 量子计算云平台

现阶段，量子计算机具有软硬件使用门槛高、硬件环境要求严苛以及运 维成本高昂等特点，这使得企业和个人用户难以在本地进行部署。以此为背 景，量子计算云平台应运而生，融合了量子计算与经典云服务，通过网络为 用户提供量子计算机的远程访问功能。根据中国信通院“2024 量子计算发 展态势研究报告”的统计，目前，全球已涌现出数十个量子计算云平台。

当前量子计算云平台所能提供的量子计算处理器，已有超导、离子阱、 中性原子、光量子、硅半导体等技术路线。中国信通院以后端硬件的接入模 式将量子计算云平台分为三类。 第一类是自研设备接入模式，云平台提供者具备量子计算硬件自主研 发能力，在云平台上提供自研的量子计算机或基于经典算力的量子模拟器， 代表性企业或机构包括 IBM、IonQ、Xanadu、Rigetti、国盾量子、本源量 子、北京量子院等。第二类是云服务接入模式，云平台提供者凭借其云服务 能力，在云平台上接入其他供应商的软硬件，代表性企业或机构包括微软、 亚马逊、Strangeworks、弧光量子、中国移动、中国电信等。第三类是融合 型接入模式，是上述两类接入模式的综合，即在接入自研硬件的同时也支持 调用其他供应商硬件资源，以 IBM 量子计算云平台为例，该平台可接入自 研量子处理器以及 Rigetti、Xanadu、AQT、IonQ 等供应商的硬件资源。 国际方面，IBM、谷歌、微软等科技巨头以及 IonQ、Xanadu、Rigetti 等初创企业都有布局量子计算云平台，通过提供量子计算处理器、模拟器以 及开发工具等服务，吸引了大量开发者、研究者和企业用户。2023 年年底， IBM 将 Q - CTRL 公司的错误抑制技术软件 Q - CTRL Embedded 集成至 其云平台上，测试表明错误抑制后可运行的量子算法复杂性增加了 10 倍、 成功率提高了 1000 倍左右。IonQ 在 Amazon Braket 平台上提供 Forte 量子计算机。亚马逊在 Amazon Braket 云平台推出 “Braket Direct” 计划， 用户可在设定时间段内保留特定量子处理器的算力且不需要排队等待。 2024 年，AQT 与德国电信合作为用户提供其量子计算机的云端访问能力。 国内方面，国盾量子、本源量子、弧光量子等量子计算企业以及中国移 动、中国电信等运营商也相继推出量子计算云平台。2023 年底，中国移动 云能力中心和玻色量子共同推出 “五岳量子计算云平台—恒山光量子算力 平台”。中国移动 “五岳” 量子计算云平台布局多制式量子算力并网、多 模式量子算法程序设计和多元化量子场景算法等技术方向，旨在拓展量子 计算应用边界。2024 年，北京量子院联合中国科学院物理研究所、清华大学发布 Quafu 量子云算力集群，该平台提供五块百比特规模的量子芯片资 源，并融合了经典算力资源。中国科学院量子信息与量子科技创新研究院研 发并交付 504 比特量子计算芯片 “骁鸿”，后续计划通过中电信量子集团 “天衍” 量子计算云平台等平台向全球开放。启科量子上线量子—经典混 合算力云平台 “Qu|Cloud”，提供 20 比特离子阱量子计算处理器和基于 CPU/GPU 的量子计算模拟器接入，支持多种编程模式和算法库。（以上为 根据中国信通院报告内容）

2.8. 量子计算的应用探索

目前量子计算处于从前沿研究向应用落地突破的关键阶段，业界正在 积极寻找匹配行业需求的特定应用场景，在中国信通院的报告中列举了典 型的应用领域，包括金融、化工、生物、交通、人工智能等。 金融领域存在大量量子计算潜在应用场景，包括金融风险管理、投资组 合分析、模拟量化交易、金融市场预测等。2023 年底，Multiverse Computing 和穆迪公司联合推出 QFStudio 平台，为金融领域应用探索提供量子计算解 决方案。2024 年，芝加哥量子交易所发布报告认为量子计算在金融领域有 望实现缩短获取最优解时间、提升预测准确性等诸多作用。花旗银行与 Classiq 共同基于 Amazon Braket 平台研究用于投资组合优化的量子解决 方案，基于预期回报和风险水平构建了性能更优的投资组合。 化工领域量子计算应用可用于模拟化学分子结构、化学反应等，并以此 为基础更高效、更低耗能地设计化学品。2024 年，英国石油公司和 ORCA 使用混合量子 - 经典机器学习方法建模以产生分子构象，探索量子计算提 升化学领域机器学习算法性能的潜力。微软与美国能源部太平洋西北国家 实验室合作利用量子计算将新型电池材料筛选到少数几种，实验表明筛选 时间可大幅减少。魁北克水电公司利用量子计算探索解决复杂能源问题的 方案，用于预测能源需求并设计和运营可持续性的能源系统。

生物领域量子计算应用主要聚焦于早期疾病诊断、药物研发与筛选、药 物测试、基因组数据研究、蛋白质结构预测等场景。2024 年，勃林格殷格 翰量子实验室发表论文探讨量子计算机在药物发现领域的应用现状，认为 量子计算未来有望在药物设计领域产生实用化应用。IBM 和克利夫兰诊所 合作利用量子 - 经典混合方法预测蛋白质结构并有效提升了预测精度。 Novonesis 和 Kvantify 合作使用混合量子 - 经典计算方法演示碳酸酐酶 的酶促反应计算，有望助力生物过程研究以及工业二氧化碳捕获。 交通领域量子计算应用可用于交通流量优化算法与实时预测、路径即 时动态规划等场景。2024 年，IonQ 与德国基础科学研究中心将量子计算应 用于航班登机口优化，在缩短旅客转机时间、飞机停靠时间的同时，提高了 登机口服务效率。Pasqal 和泰雷兹公司基于中性原子量子处理器，展示了 量子计算在解决卫星规划问题中的潜力。新加坡量子技术中心使用 8 个和 13 个量子比特解决 128 路和 3964 路的车辆路径问题，提高解决组合优 化问题的效率。 人工智能领域与量子计算结合成为的量子人工智能技术，有望作为共 性技术为金融、生物、交通、气象等众多行业领域提供服务。2024 年，Zapata 和 Insilico Medicine 等合作利用量子人工智能开发新型 KRAS 抑制剂分 子，该分子比经典模型生成的分子具有更高的结合亲和力。Terra Quantum 和韩国浦项集团探索量子人工智能在钢铁生产效率方面潜力，目标是优化 还原剂用量并降低排放和成本。Deloitte 启动年度量子气候挑战赛，主题为 应用量子机器学习研究预测河流洪水灾害的新方法。Rigetti 和穆迪公司等 利用量子机器学习提出解决经济衰退预测问题的方案。 中国信通院援引麦肯锡的报告，预计在未来十年间，量子计算将在多个 应用场景加速发展。

2.9. 全球量子计算实力比较 

2.9.1. 全球量子计算论文和专利情况

根据中国信通院对全球前十位国家论文情况的统计，美国和中国占据 前两位，分别为 5430 篇和 4813 篇，遥遥领先于其他国家，这反映了两国 在量子计算科研方面的活跃度和领先地位。德国、英国和日本紧随其后，发 文量分别为 1955 篇、1441 篇和 1421 篇，也显示出了强劲的研究活跃度。 根据篇均被引频次（即平均每篇的被引频次）分布情况，澳大利亚以篇均被 引 41 次居于首位，表明其相关研究有较高的认可度和影响力。美国和加拿 大的篇均被引频次均为 38 次，德国和英国同样展现了较高的影响力。虽然 中国在论文数量上仅次于美国，但篇均被引频次相对较低，仅为 19 次，这 表明我国高水平论文数量有待提升。 另外，量子计算专利的主要来源国家依然为中国和美国，分别占比 39% 和 28%，此外，日本、欧洲、韩国等国家 / 地区也有约 5%、3%、2% 占 比的专利申请量。这反映了中国和美国的技术产出量和贡献度最为突出。

2.9.2. 各国量子计算技术公司

现阶段欧美是量子计算企业聚集度和活跃度较高的地区。美国 IBM、 谷歌、Intel、微软、亚马逊等大型科技企业凭借其公司体量庞大、技术先进、 经验丰富、商业能力强等优势，在量子计算行业的第一梯队中，Quantinuum、 Rigetti、IonQ、Infleqtion、PsiQuantum、Quantum Computing Inc 等初创企业 在各自技术路线上稳步发展，经过数年运营已初具规模，并积极探索公司产 品可能的应用方向。整体来看，上市公司普遍实现营业收入持续增长但均仍 处于亏损状态，这是由行业发展存在技术风险、市场认可度有待提升以及企 业营业成本增加等原因共同造成的。

欧洲量子计算企业以初创企业为主，代表性企业包括 Pasqal、IQM、 OQC、AQT、Oxford Ionics、ORCA Computing、Quandela、Alice & Bob 等， 上述企业从事超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等多条技术路线 的硬件研制、软件开发、云平台建设和应用探索。此外，澳大利亚的 SQC、 Quantum Brilliance，加拿大的 Xanadu、D - wave 等公司也在各自技术路线 上积极推进技术研究和产品研制。总体来说，欧美企业发展势头迅猛且合作 紧密，在技术攻关、应用探索和产业推进等方面取得了诸多进展。 我国量子计算企业持续在样机研制、软件算法和应用推动等方面积极 布局，推出诸多成果。腾讯、华为、中国电科等科技企业均布局量子计算方 向，旨在开展技术研究，研发软硬件产品，并探索量子计算在重点行业领域 中的应用。阿里和百度相继裁撤量子计算实验室也一度成为业界热点事件。 中国移动、中国电信等电信运营商在近两年也积极加大量子计算领域投资 和研究力度，相继推出各自的量子计算云平台，致力于联合量子计算企业共 同加速推进技术产业发展。国盾量子、本源量子、华翊量子、启科量子、玻 色量子、图灵量子、量旋科技、弧光量子、中科酷源、幺正量子等初创企业 积极推进技术研究与应用探索，纷纷推出软硬件产品和云平台，发展进程持 续加快。 从科研成果上看，论文数量方面，根据澳大利亚智库 ASPI 数据显示， 在量子计算领域，全球前 10% 高被引论文中，美国企业发表的论文共占 33.9% 排名第一，中国企业发表的论文共占 15%。专利数量方面，根据智 慧芽全球专利数据库统计，截至 2023 年年底，全球量子计算发明专利前十 的企业中，美国企业占六家，IBM 的专利数排名第一，而中国企业仅占一 家。这一定程度上表明我国量子计算企业在高水平科研成果产出方面有待 进一步提升。（以上为根据中国信通院报告总结）

2.10. 总结

量子计算已成为当今世界最具颠覆性的前沿技术之一，已逐渐形成集 基础科研、工程研发、应用探索和产业培育为一体的发展格局。当前，量子 计算优越性验证已完成，超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等多 种技术路线呈现多元化开放性的发展态势，这种发展态势短期内将持续存 在，基础研究与工程研发不断突破，应用场景探索在多行业领域持续推进， 产业生态正逐步构建。量子计算整体发展势头良好，潜力巨大，未来发展前 景可期。 根据 IBM 和中国信通院报告总结来看，量子计算目前还处于早期技术 攻关阶段，预计未来 5 到 10 年有可能出现实质性进展。根据以上内容，我 们认为，美国和中国在量子计算领域处于全球领先地位，各技术路线在量子 纠错方面的重大突破将直接影响量子计算的进程。

3. 量子安全

根据 QIC（量子科技产学研创新联盟）的报告，量子计算研究的加速 进展令现有密码体系面临的量子计算威胁与日俱增。能抵御量子计算威胁 的量子安全技术逐渐成为信息安全发展的重要趋势之一。特别是敏感数据 面临现在被截获和存储等待将来被破译的安全风险，使得当下实践量子安 全已具现实意义，并成为各国科技和产业竞争的热点领域。 基于新型数学难题的抗量子计算密码算法和物理的量子密码（包括量 子密分发等）是实现量子安全的主要技术手段。近年来，量子密钥分发等 相关量子密码的国际、国内标准陆续发布，国家商用密码检测中心也对国 内市场上主流量子密钥产品开展了检验检测，美国牵头的抗量子计算密码 筛选和制标工作已完成首批三个算法标准的发布。

3.1. 量子安全定义 

根据 QIC 报告，量子安全是指面对量子计算的挑战也能得到保障的信 息安全。2015 年，针对来自量子计算机对密码系统可能的攻击，量子安全 （Quantum Safe）的概念被提出。量子计算机的最新进展已表明量子计算的确比经典计算具有优势，虽然这并不直接意味着现有的密码技术都能够被 量子计算破解，但由于 RSA、ECC 等不具有量子安全特性的密码算法当前 被广泛应用，这已经形成了潜在巨大的信息安全风险。 密码作为信息安全保障的基础，其重要程度不言而喻。信息安全保障的 关键要素包括可用性、机密性、完整性、可认证性和不可否认性。而密码提 供的主要安全服务功能包括：机密性、完整性、真实性和不可否认性。密码 系统通常是作为信息系统的子系统应用密码技术为信息系统提供安全服 务。

3.2. 密码技术体制及用途

根据 QIC 报告的总结，目前，主要的密码技术包括：对称密码，非对 称密码和杂凑密码。对称密码指加密密钥和解密密钥相同的密码体制。 对称密码的代表性算法包括：AES、IDEA、SM4、ZUIC 等，对称密码 具备加密安全等级高，加解密效率高等特点，主要用于数据加密和认证。 非对称密码是指加密密钥和解密密钥不同且成对使用，一个为加密密 钥（公开的，称公钥），一个为解密密钥（秘密的，称私钥），且在有限的计 算资源和计算时间内基于公钥推算出私钥是不可行的，其安全性取决于公 钥算法所依赖的数学困难问题的计算复杂性。最具代表性的公钥密码设计 的数学困难问题包括：质因数分解、离散对数、椭圆曲线等。代表性公钥密 码算法包括：RSA、EIGamal、ECC 等。公钥密码主要用于加解密、签名/认 证等。 杂凑密码又被称摘要算法（或 hash 函数、哈希函数等），它用于提供完 整性安全服务。通常被使用的是不带密钥输入的杂凑函数（输出为短的固定 长度的摘要值）。设计良好的杂凑函数是定义域到值域上的压缩单向抗碰撞 映射，不同的输入会散列成相同输出的概率要尽可能小。 另外，密钥管理是密码系统的必备基础功能，它对密码系统起到支撑作 用，与密码应用同等重要。密钥管理是关键环节也容易成为薄弱环节和敌手 攻击的切入点，密码的安全性首先取决手密钥的安全性，密码是信息安全的 基础底线，而密钥管理是密码安全的基础底线，密码安全必须关注密钥管理 的安全。密钥管理服务的主要特点，一是其服务对象是密码系统内部各组 件，而不是面向信息系统所有组件：二是由执行密钥管理服务的功能决定， 它往往需要更加严格的安全保护，如较强的独立性要求。对密管理子系统， 要求其相对具有独立性，也就是具有较高的隔离性，主要是指密钥管理应尽 可能使用与数据保护不同的安全机制，保证密码应用系统如果被攻击不会 连带攻击影响到密钥管理系统。

3.3. 量子计算的攻击威胁

量子计算会直接带来计算力的飞跃，被证明能指数级加速某些有重要 应用价值的计算问题求解，并可以突破传统摩尔定律，随着量子比特位数 的不断提升，形成新的“量子摩尔定律”。

3.3.1. 量子攻击的原理 

根据 QIC 的报告，目前主要有两种量子攻击算法，Shor 算法和 Grover 算法。

Shor 算法基于量子傅里叶变换，比经典算法能更快速的进行质因数分 解。量子傅里叶变换（QuantumFourierTransform，QFT）是在量子计算机上 实现傅里叶变换的算法。量子计算的模式适合于执行傅里叶变换：第一，基 于量子相干性，QFT 通过构造合适的量子线路，对时域上有限长序列通过 量子线路输入端形成的量子态进行测量，就可以高概率测出频域上体现的 特征规律。第二，基于量子叠加性，QFT 算法处理单个数据流的速度虽然 与经典 FFT 相同，但由于量子计算允许一组量子比特同时对多种信息状态 进行编码，可以一次将所有输入计算完成。由于量子傅里叶变换形成的加速 效果，Shor 量子算法比经典算法有指数级的加速效果。因此可以对广泛使 用的 RSA、ECC、DSA、E1Gama1 等公钥密码算法进行快速破解。例如： 分解一个 400 位的大整数，经典计算机约需要 5×10 的 22 次方的操作，而 量子计算机约需要 6×10 的 7 次方操作，量子计算机所需操作数仅为经典 计算机的 80 万亿分之一。近期诺多研究成果表明，破解主流的 2048 位 RSA 加密，在可预见的未来就可能实现。2019 年谷歌公司研究者发文认为量子 计算机可在 8 小时内破解 2048 位 RSA 加密，但需要 2000 万个量子比特。 2021 年法国研究者发布的研究成果表明，通过将量子存储器集成到量子计 算机中（提出了设计方案但目前技术上还无法实现），13436 个量子比特耗 费 177 天就能破解 RSA-2048，比此前所需的量子比特数减少了 3 个数量级。

Grover 算法是在 1997 年，由 Lov Grover 发明的，也被称为量子快速搜 索算法。它能从大量未分类的无序个体中快速寻找出某个特定的个体。 Grover 算法先控制量子线路重复进行某些操作来改变待输出的量，使它刚 好等于目标的概率增加到接近 1，再测量获得输出态。Grover 量子算法能够 将非结构化数据或无序数据库的搜索时间降为经典算法的平方根时间。例 如，当需要从 N 个未分类的客体中搜索出某个特定客体时，经典计算机需 要一个个查询，直到找到所要的客体，平均要查 N（N+1）/2 次，而采用 Grovor 算法的量子计算机采用并行处理只需 N 的二分一次方次。因此， Grovcr 算法可以有效地攻破 DES 或轻量级算法等密钥长度较短的对称密码。 对于 DES 破译而言，其本质就是从 2 的 56 次方个可能的密钥中寻找正确 密钥。若以每秒 10 的 6 次方的运算速率，经典计算机要花 1000 年，而采 用 Grover 算法的量子计算机所需时间低于 4 分钟。 Grover 量子算法同时适用于对称密码和公钥密码破译，其能力等价于 将等效密钥长度减半。Shor 量子算法对基于大整数分解和离散对数问题的 公钥密码产生了严重威胁，需要考虑采用新的密码算法加以应对。（以上为 根据 QIC 报告内容节选或总结）

3.4. 量子安全的实现路径

量子安全的实现路径一般包括基于数学的传统路径和物理安全路径两 类。

3.4.1. PQC

目前，业界认为，并非所有的经典安全协议和密码算法都容易受到量子 计算的攻击，如果某种算法或协议在经过充分研究后，表明其可以抵御所有 已知的量子算法攻击，同时在没有证据表明其易受量子攻击前，就可以认为 其是量子安全的。基于此理论，产生了抗量子计算密码算法（Quantum Resist Cryptography，QRC）或后量子密码（Post Quantum Cryptography，PQC）。 具有代表性的 PQC 包括：基于哈希的密码、格密码、基于编码理论的密码、 多变量密码、超奇异椭圆曲线密码等。但是，目前被认为是量子安全的算法 在未来不再安全的可能性依然存在：从攻击角度看，对 PQC 的攻击可能来 自新的量子破译算法，也可能来自新的经典密码分析技术：从密码算法自身 构造来看，由于构造密码过程中引入陷门性等原因，PQC 算法的安全性与 其基于的量子困难问题并不一定等价，因而，PQC 的安全性也有待长期检 验。 近几年来已经有多个 PQC 算法被传统方法破解的案例。2022 年 2 月， IBM 的专家发表论文宣称基于多变量密码（MQ）的 Rainbow 签名算法在其 算法参数为安全等级为 1 的情况下，被一台笔记本电脑用 53 小时运行经典 算法成功破解。2022 年 4 月，以色列军方发布了一份技术报告：改进的对 偶格攻击方法，基于经典算法的改进成功地实现了对格密码中 LWE 算法的 攻击。曾经入选 PQC 标准筛选结果中的 3 个算法（Kyber、Saber 和 Dilithium) 会受该攻击方法影响。（以上为根据 QIC 报告内容总结）

3.4.1.1. PQC 抗量子计算密码的产业生态

国际方面，2023 年以来，抗量子计算密码的生态建设、产品发展与商 业化应用发展迅速。2023 年 8 月，美国国家网络安全中心（NCCoE）发布 了一份新的“向抗量子计算密码学迁移》白皮书。该文档简要概述了向抗量 子计算密码学迁移项目的背景、目标、挑战、效益和工作流程，此外还列出 了参与该项目的最新 28 家技术供应商名单。国际上 ICT 行业跨国公司如 IBM、微软、谷歌、亚马逊、思科、华为等都在 PQC 的研究上投入了力量 并形成了相应研究成果。IBM 在该领域研究重点是格密码，微软参与了 FrodoKEM、SIKE、Picnic 等 PQC 项目研究，PQC 库的开发和安全协议集 成也是其重点投入的工作。谷歌公司在对当前抗量子计算密码技术发展进 行调查后，也提出了基于环上带误差学习问题的密钥交换协议，还对运行于 浏览器的 PQC 算法进行了实验。2024 年，苹果公司在其即时通讯应用 iMessagc 中引入了 Kybor 算法用于实现数字签名，以增强其通讯应用安全 性，防止量子攻击威胁。 国内方面，我国密码管理部门早在 2018 年就面向全国开展了抗量子计 算密码算法设计竞赛活动，其中公钥算法部分征集到 38 个算法，并最终评 出 14 个优胜算法， 2019 年经第二轮筛选获得 12 个算法。并已经在积极推 进 PQC 算法的标准化工作，基于 SM3 算法的抗量子公钥密码算法、量子安 全的 ZUC-256 对称密码算法等已经提上标准化日程。华为公司计划尽早为 密码协议引入安全的抗量子算法，以确保其产品的长期安全性，并计划在国内 PQC 标准化工作结束之前将一些候选算法试验性地引入他们的产品中。 2024 年 1 月，中国抗量子密码战略与政策法律工作组成立，将对抗量子密 码技术、产业、业务的现状和相关国内外政策、法律法规进行研究，发表抗 量子密码相关研究成果，推动形成中国抗量子密码共识和行动方案。（以上 为根据 QIC 报告内容节选或总结）

3.4.2. 物理量子安全路径（QKD）

QKD 就是基于物理上可信实体实现量子安全的路径。Quantum Communication）是以量子态为信息载体，通过量子态传送实现量子信息或 经典信息传送的技术，利用量子通信中单量子不可分割、海森堡测不准原 理、未知量子态不可复制、量子纠缠的非定域性等量子力学原理及其一些延 伸技术如量子随机数发生器（QRNG），能够构建量子密码（Quantum Cryptography）用以提供各类安全服务。量子密码具有内禀的量子安全特性 或信息论安全特性，被认为是能够抵抗未来量子计算攻击的一种有效方式。 量子密码中最具代表性和实用性的是量子密钥分发（ Quantum Key Distribution，QkD），QkD 是指通信双方通过传送量子态的方法实现信息论 安全的密钥生成和分发的方法和过程。QKD 具备信息论安全性，这意味着 QKD 即使在攻击者拥有无限强的计算资源下也仍然安全，这其中自然也包 含了面对经典和量子计算的安全性。QKD 的功能是实现对称密钥的协商， 与对称密码算法结合可实现加解密功能。与一次一密（OTP）结合可实现信 息加密的信息论安全性，而结合量子安全的对称密码算法实现的是量子安 全。 目前 QKD 方案根据量子态载体及其调制方式区分的 QKD 方案类型， 主要分为离散变量和连续变量两种。离散变量方案中的诱骗态 BB84 协议是 安全论证成熟、应用最广泛的协议，基于该协议的光纤量子密钥分发设备已 经实现了较大规模的商用。其工作流程包括：发送方制备编码（对离散变量 常用偏振、相位、时间进行编码）单量子态、传输、接收方测量解码，然后 双方通过经典通信进行筛选比对、误码检测和纠错、保密增强。（以上为根 据 QIC 报告内容节选或总结）

单量子制备测量方案利用了单量子不可分割、不可复制、测不准等特 性，使得任何来自于信道的窃听，要么导致量子信号丢失，要么导致量子信 号发生可观测的变化，均可被接收方察觉，从而杜绝了从信道上实施窃听的 可能性。测量设备无关（MDI）协议也属于制备测量方案的一种，是一种基 于纠缠反演思想提出的新方案，在安全性方面不受测量设备物理缺陷的影 响，同时还有助于提高密钥安全分发的总距离，目前光纤量子密钥分发最远 距离的纪录就是由该类协议实现。设备无关协议的安全性不依赖于 QKD 设 备工作状况，而是基于 BeI1 不等式可以证明其安全性。纠缠测量方案实现 量子密钥分发的工作流程包括：在双方分享纠缠对的基础上（纠缠对可以由 第三方提供），双方分别测量解码，然后双方通过经典通信进行纠缠校验、 纠错、保密增强。（以上为根据 QIC 报告内容节选或总结）

纠缠测量方案利用了两体最大纠缠态没有第三方关联、LOCC 操作（局域操 作和经典通信）无法制造远程纠缠的特性，确保了纠缠制备方无法预知协商 双方测量结果，本地测量装置也无法伪造纠缠，实现器件无关安全性。我国 在基于“墨子号”卫星的星地一体的 QKD 网络中，已经实现了基于纠缠测 的量子隐形传态实验验证。

目前，以 QKD 技术为核心的量子密码产品已经初步形成了从终端设 备、网络设备、应用设备到应用软件等的产品体系。QKD 终端用于建立点 对点的量子密钥分发链路，以使用诱骗态 BB84 协议的设备最为成熟。量子 密钥分发网络设备主要用于将点对点的 QKD 链路连接、交换构成网络。应 用方面，最基础的应用是结合 QKD 终端实现的加密通话/视频通话、电报和 传真等设备，也有与特殊业务相结合的应用设备，比如量子安全金融密码 机、量子安全 VPN 设备等。另外，为了将安全性保障拓展到移动应用场景， 也出现了基于密钥存储携带的拓展应用模式和设备，包括便携式密钥存储 器（量子密钥 U 盾/TF 卡/SIM 卡等），量子安全手机，密钥充注设备和后台 密钥安全服务系统等。应用软件方面，则是如针对海量数据存储、云上业务 处理等的安全解决方案和应用软件系统。这些拓展应用已经显著地体现了 QKD 密钥即时生成带来的管理便捷性和安全性。（以上为根据 QIC 报告内 容节选或总结）

3.4.2.1. 量子密码 QKD 产业生态 

国际 QKD 产业发展。QKD 系统硬件设备已相对成熟，国际代表公司 有瑞士 IDQuantique 公司（已被韩国 SkT 收购），德国 InfiniQuant 公司，美 国 MagiQ 公司、Quantumxchangc 公司和 Qubitekk 公司，澳大利亚 QuintcssonccLab 公司等。国际深度参与 QkD 系统和网络建设的电信运营商 包括韩国 SKT、韩国 KT、韩国 LGU+、英国电信、德国电信、西班牙电信 等。欧洲和日、韩等一直重点发展 QKD 技术，并加速相关基础设施建设。 2021 年，欧盟组织 27 国启动建设“欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）”， 将建成全欧范围内含可信节点的光纤量子通信网络计划于 2027 年实现运 行。与此同时，欧盟计划于 2024 年开始发射低轨量子通信卫星，并逐步构 建量子卫星星座。日本以国家情报通信技术研究机构 NicTy 为主力，在高 速 QKD 技术及应用研发方面非常活跃。韩国最大电信运营商 SKT 于 2018 年控股瑞士著名 QKD 企业 1DQ 之后：大力发展量子通信网络技术，开展 量子通信与 5G 核心网络融合试点，开发了量子随机数芯片及量子安全网 关、量子加密手机、量子 VPN 等终端产品，并为水力与核能电力公司、政 府组织等能源，政务、金融等领域用户提供量子安全服务。韩国政府于 2020 年招标建设总长 2000 公里、涵盖全国 48 个政府部门的量子密钥分发网络。

国内 QKD 产业发展。经过多年的技术积累和项目实践，我国已经形成 了以 QKD 技术为核心的较为完整的量子保密通信产业链。自上而下分为基 础器件、核心量子设备研制、量子应用设备研制、集成及应用技术、建设及 运营服务、行业用户六个部分。其中，基础器件包括量子光源、单光子探测 器件、频率转换器件、光学调制器件、电子学调制器件、量子随机数发生器 等关键器件；核心设备包括 QKD 终端、光量子交换机、信道复用设备、量 子密钥管理机、可信中继器、量子中继器等等；量子应用设备包括量子安全 VPN、量子安全路由器、量子安全 OTN、量子安全加密机等：集成及应用 技术包括量子安全传输、量子安全认证、量子安全存储等解决方案：建设及 运营服务包括量子保密通信网络建设、量子保密通信网络管理、量子保密通 信网络运营等方面；行业用户涵盖国防、金融、政务、能源、电网等等。 中国 QKD 系统硬件的代表性企业有科大国盾量子、安徽问天量子、上 海循态量子等。同时，量子保密通信产业链的上下游生态也逐渐健全。上游 关键器件等我国已经基本实现自主可控。例如单光子探测器件的核心近红 外单光子雪崩二极管，由于我国 KD 技术领域的提前布局攻关，如中国电子 科技集团和光讯科技量产的雪崩管，赋同量子生产的超导纳米线单光子探 测器（SNSPD）：性能已能够媲美国外产品；光学调制器件的研发生产、芯 片化集成基本上也处于国际先进水平：还存在一定差距的主要是极高性能 集成电路。中下游领域的发展，如国内电信运营商中国电信、中国联通、中 国移动等深度参与到 QKD 系统和网络建设。平台服务企业、终端服务企业 和行业用户也已经开始应用模式的研究和实践，云和天数据服务、政务信息 保护、金融业务加密、电力安全保障等已经率先试水并推出相关产品，围绕 量子技术的安全产业生态已初露端倪。（以上为根据 QIC 报告内容节选或 总结）

3.4.3. PQC 和 QKD 比较

PQC 基于数学原理，而 QKD 是基于量子物理。PQC 在目前并未从理 论层面上完全解决量子安全威胁，未来投入实用中也会存在物理安全层面 的风险；QKD 虽然解决了量子安全威胁，却也引入了一些新的物理安全层 面的风险。PQC 和 QKD 是目前从技术原理上和实践上都可行且得到广泛 认可的两种量子安全技术途径。数学方法和物理方法从适用场景上有很大 的不同，一般来说，用数学运算为主的方法处理数据由于实现方式成熟，具 有速率高、灵活性强的特点。物理方法处理数据由于环节更复杂（例如需要 进行信息的物理载体变换等原因），具有处理速度受物理规律所限、处理过 程需物理设备参与的特性，同时也具备安全性基础更牢靠、不受数学算法破 解威胁等特点。 因此，融合“量子”与“经典”的量子安全实现理念逐渐受到了越来越 多的认同。对应到抵御量子攻击、实现量子安全目标，数学算法为主的方式 总体上更适合于实现用户侧的、面向应用数据的密码服务。物理方法为主的 方式如 QKD 更适合应用于密钥生成、分发、存储等密切管理环节和子系统。 下图是通过结合数学手段和物理手段实现信息安全的方式示意图（实线代 表主要支持作用，虚线代表辅助支持作用）。（以上为根据 QIC 报告内容节 选或总结）

3.5. 量子安全密钥管理基础设施

量子安全密钥管理基础设施通过量子密钥管理、分发和保护手段，为各 类应用系统提供量子安全的密码服务，由 QKD 网络、量子安全密钥管理系 统、量子安全服务平台等组成。QKD 网络负责广域量子密钥分发，按照分 层分域理念，划分为骨干网、城域网和接入网，实现 QKD 网络深度覆盖： 量子安全密钥管理系统负责实现量子安全密钥端到端配对和调度，对密钥 的生成、注册、认证、注销、分发、安装、存储、归档、撤销、派生以及销 毁的全生命周期进行管理。量子安全服务平台负责提供量子安全密钥应用 接口和身份认证、数字签名、加解密等量子安全密码服务。 在密分发层面，通过 QKD 网络提供广域端到端量子安全密钥充分发挥 量子密钥长效安全性的优势，为密码系统和应用提供量子安全性保障。在 “最后一公里”安全接入方面，通过在遵循量子安全原则要求的基础上，采 用 QKD、预置/人工递送密钥、基于无线信道物理特征的密钥传输、基于 PQC 密钥封装算法等密钥分发技术，根据应用场景和安全级别需要实现量子安 全密钥的端到端服务。

通过部署 QKD 骨干、城域和接入网络，实现量子安全基础设施与固定、 移动通信网络的全覆盖：通过量子安全密钥管理系统，实现端到端的量子安 全密钥分发。通过量子安全服务平台，为云、网、管、端等层面的各类终端、 设备、网络及应用等提供量子安全的密钥分发服务。能应用于通信网络基础 设施的安全，如量子安全的对称加密算法+量子安全密钥保护云计算（数据 中心）的数据传输安全与数据加密算法结合保护数据存储安全；通过融合PQC 算法+量子安全密钥，为物联网、云计算、分布式系统等各类 ICT 系统 安全和应用安全提供量子安全认证服务等。 目前我国已初步建成国际领先的量子安全密钥基础设施的锥形。2022 年我国新一代信息基础设施“国家广域量子保密通信骨干网络”全线贯通并 通过验收，地面干线总里程超过 10000 公里，覆盖京津、长江经济带、粤港 澳等国家重要战略区域，并与“墨子号”，量子微纳卫星互联，具备全球密 钥投送能力。同时，我国在合肥、武汉、上海、北京、南京、成都、重庆等 10 多个城市建成量子城域网络并提供服务。（以上为根据 QIC 报告内容节 选或总结）

3.6. 量子密码技术总体发展趋势

根据英国政府科学办公室发布的《量子时代的机会》报告，量子通信的 应用发展将经历短，中，远期三个阶段。短期是量子保密通信阶段，应用量 子密钥分发技术，为国防、政务、能源等用户提供高安全的数据传输和通信 服务：中期是量子安全互联网阶段，以量子密钥分发技术为基础构建广泛的 密钥管理网络，结合量子安全的密码算法：为金融、医疗、个人消费云数据、 电信服务等提供系统性的量子安全服务：远期是量子信息网络（即量子互联 网）阶段：即随着量子中继、量子计算机、量子传感及测量等技术的成熟， 应用量子隐形传态等量子通信技术手段，依托星地一体的广域量子通信网 络，实现量子安全网络、量子云计算网络、量子传感网络等网络服务。 目前，我国已经进入了应用发展路线的中期阶段，预计再需要 10 年左 右的时间，有望进入远期阶段。（以上为根据 QIC 报告内容节选或总结）

3.7. 中国在 QKD 领域处于技术领先地位

根据 QIC 在 2024 年 8 月 20 日对国际专利数据库的统计，全球量子通 信领域公开的同族专利数量排名前千位的专利申请人中，以科大国盾量子 技术股份有限公司为代表的 9 家中国机构的专利数量约占前 10 位申请人的 专利总量的 93%，说明我国在量子通信领域的创新能力和技术竞争实力很 强。

3.8. QKD 市场规模

根据 IQT 研究公司的报告，其对量子密钥分发（QKD）市场做了市场 预测。量子密钥分发市场规模将从 2024 年的 2.69 亿美元增长至 2029 年 的 23 亿美元，然后到 2033 年将增至 91 亿美元。 IQT 认为，量子密钥分发（QKD）代表着当下极为重要的产品 / 市场 机遇。量子密钥分发与后量子密码学（PQC）相结合，在量子计算机日益能 够破解公钥加密的当下，为网络安全提供了一种双管齐下的应对方法。相对 成熟的量子密钥分发技术为构建未来的量子互联网提供了一条可靠的途 径。

3.9. 总结

我们认为，目前全球范围内，量子安全正通过抗量子计算密码（PQC） 与量子密钥分发（QKD）双轨推进，而 QKD 是主流且更安全。PQC 基于数 学（如格理论、哈希函数）构建算法，NIST 已选定 CRYSTALS-Kyber 等标 准算法，但部分方案仍面临经典算法攻击风险（如 Rainbow 签名被 53 小时 破解）。QKD 依托量子物理特性（如单光子不可分割性）实现物理层面的安 全，理论上不可破解。PQC 和 QKD 两者呈融合趋势：QKD 保障密钥分发 安全，PQC 适配算法升级，形成“物理层+算法层”双重防护。如实际应用 中，金融和电力行业构建 QKD 专网和 PQC 迁移试点。未来量子互联网将 整合星地量子通信（中国“墨子号”卫星）、分布式量子计算，推动安全与 算力协同突破。

4. 量子精密测量

4.1. 量子精密测量概述

根据国盾量子 2023 年报和 2024 年半年报的描述，量子精密测量主要 是利用量子状态对环境的高度敏感，提升对时间、位置、加速度、电磁场等 物理量的测量精度，涉及的方向和领域相对较多，具有应用场景丰富、产业 化前景明确等优势。但由于不同物理量的量子传感器成熟度存在差异，产业 进入多元化发展周期。 从产业链看，量子精密测量上游主要包括低温设备、磁体、光源/激光 器、探测器等系统研发所需的基础材料元器件和支撑系统；中游主要包含各 技术方向的系统产品，如量子时钟、量子重力仪、单光子雷达等；下游主要 为基础科研、生物医疗、环境勘测等领域的行业应用。 2024 年年初，iCV TA&K 和光子盒联合发布了一份关于量子精密测量 产业的报告，介绍了全球量子精密测量产业的发展情况。报告指出，量子精 密测量领域目前呈现出多样性和分散性的特点。各领域发展路线多元，从量 子陀螺仪到量子电场强计、再到量子加速度计，各自处于不同阶段，反映了 科研进展和应用需求的多元化。不同物理量的量子传感器成熟度存在差异， 反映了技术挑战和商业应用的不同情况。

目前，量子陀螺仪处于变革探索期，在实际应用中尚未展现出量子优 势。量子电场强计和量子加速度计处于起步期，量子电场强计的技术已成 熟，但缺乏标准制定；而量子加速度计已有工业样机。量子重力仪/磁力计/ 增强雷达已进入成长期，这些专用量子传感器在某些指标上已比经典传感 器有较大优势，另外，量子时钟已进入成熟期。

4.2. 下游应用市场前景广阔

ICV 预计，从 2023 年到 2035 年，不同领域对于量子精密测量的需求 逐渐增长，呈现出多元化的应用场景。首先，对于一些低市场规模的应用， 如网络时频管理、心理健康治疗等，虽然市场规模相对较小，但量子精密测 量的高精度和灵敏度为这些领域带来了更为精准的数据和解决方案，为技 术的逐步商业化提供了契机。特别是在老年痴呆症治疗、气候变化对抗等领 域，量子精密测量的精确诊断和数据采集能力将成为未来关键技术，推动这 些领域的创新和发展。其次，随着技术的不断成熟，大规模商业化的领域也 将在未来几年逐渐崛起。例如，航空交通管制雷达、无卫星导航、卫星导航 等领域对于高精度测量的需求逐渐增大，量子精密测量技术将在这些领域 发挥更为重要的作用。而在深海探测、电池改良、智能驾驶等领域，量子精 密测量的高灵敏度和高精度将成为技术突破的助推器，为产业的不断升级 提供动力。最后，2023 年至 2030 年之间，量子雷达技术的应用也将逐渐拓展。量子雷达的高分辨率和高灵敏度使其在国防安全、环境/能源监测、航 空交通管理雷达等领域具有独特优势。预计随着技术的进一步发展，量子雷 达将在未来成为下一代雷达技术的重要组成部分。

4.3. 量子精密测量主要产品汇总

量子时钟，原子钟作为一种相对成熟的量子精密测量产品，具有高度准 确和稳定的时间测量能力。 量子磁力计，主要指磁力计的灵敏度和分辨率以满足特定应用需求，如 更精确地探测微弱的磁场信号以及在生理和病理状态下的微弱变化，为科 学研究和医学诊断提供更为准确的工具等。 量子重力仪，可通过冷原子干涉技术，实现高信噪比信号探测，有效解 决梯度信号提取等关键问题，使得静态测量灵敏度接近量子投影噪声极限。 通过量子重力仪可以实现为复杂的地下和看不见的位置创建“地下地图”等 应用。 量子加速度计&陀螺仪，以原子陀螺仪和原子加速度计为代表的量子惯 性传感器可以提供对角速度和加速度更高灵敏度和长期稳定性的绝对测 量。通过替代传统惯性传感器，长时间内可以保证 INS 的定位精度,而无需 频繁进行重新校准。另外，在长距离航行时，还可以利用安装在载体上的高 精度原子重力仪或原子重力梯度仪来实现重力场匹配导航的复合式惯导方 案，限制 INS 误差随时间积累，延长系统的重调周期。 量子雷达，量子雷达根据发射和接收类型的不同可分为三大类，包括干 涉式量子雷达、量子增强雷达以及量子照射雷达。其中量子增强雷达产业化 进程最快，已在军事、环保等领域应用。该路线通过经典信号发射，量子信 号接收，可大幅提高雷达的精度以及灵敏度。依据信号发射类型的不同（激 光或微波），接收端又可细分为单光子探测器与原子天线两大类。 量子电场强计，采用里德堡原子和金刚石 NV 色心等量子系统的测量 技术显示出了优越性。原子体系具有可重复、精确和稳定等优点。气态原子 对施加电场的扰动较小，因此光谱频率的测量可以达到很高精度。在测量超 弱电场方面，比现有的微波传感器有显著的优势。金刚石 NV 色心则可以实 现 10 纳米级电场成像和电荷态的精确调控，同样对微弱电场有高灵敏度。 （以上为根据 CV TA&K 和光子盒联合发布的“2024 全球量子精密测量产 业发展展望”报告而节选或总结）

4.4. 量子精密测量全球市场规模

ICV TA&K 预计全球量子精密市场将从 2023 年的 14.7 亿美元增长到 2035 年的 39.0 亿美元，呈现不断上升趋势，年复合增长率为 7.79%。

4.5. 总结

量子精密测量通过操控量子态对环境的高敏感性，实现时间、磁场、重 力等物理量的超高精度测量，产业链涵盖上游基础元器件（低温设备、激光 器等）、中游系统产品（量子时钟、重力仪、雷达等）及下游多场景应用（科 研、医疗、能源等）。当前技术成熟度分层显著：量子时钟已成熟，量子重 力仪/磁力计/增强雷达步入成长期，量子电场强计技术成熟但缺标准，量子 加速度计具工业样机，量子陀螺仪仍在探索。其应用场景多元，既支撑网络时频管理等小众需求，也在航空雷达、深海探测、智能驾驶等大规模领域推 动技术升级。我们认为，未来，量子精密测量将通过芯片化集成、量子-经 典融合及标准化建设，加速从实验室向产业渗透，成为高精度测量领域的革 命性解决方案。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）