构筑我国量子科技产业发展新优势
—— 中美量子科技产业发展的比较分析
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战略新兴产业是未来主导经济增长、打造国家核心竞争力的关键,也是中美科技竞争的主要领域。其中,以量子计算、量子通信和量子传感测量为主要内容的量子科技因巨大的应用潜力和经济价值被中美两国提升到了国家战略层面。我们对兰德公司近期发布的《中美量子科技产业评估报告》《量子科技的商业与军事应用及发展时间线》进行了深入分析,同时研究了英国、欧盟、日本等经济体的量子科技发展战略报告,形成了对全球量子科技产业发展前景和中美竞争态势的综合研判,由此提出了推进我国量子科技产业发展的政策建议。

一、量子科技正处于从实验室研发到生产实践的关键期,5年内将有一批量子科技产品实现商业和军事应用

量子科技的理论基础经历百余年发展已经成熟完善,利用量子物理特性突破电子计算机和电子传感器的物理极限,大幅提升人类获取、传输、处理信息的能力在理论上完全可行。自20世纪80年代提出量子计算机的理论模型之后,量子科技的应用研究取得了重大进展,演化出了量子计算、量子通信和量子传感测量3个主要应用领域,其中小部分成果已经足够成熟,开始迈向商业化和产业化阶段。

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量子传感测量是应用场景最丰富也是最接近商业化和产业化的领域,预计5年内可实现商业和军事应用。量子传感测量利用量子物理特性实现对时间、加速度、电磁场、重力场的超高精度测量,在民用和军事领域均有广泛和清晰的应用前景。民用方面,量子传感器可以大幅提升资源勘探、地震预测、核磁共振成像(MRI)、正电子放射断层造影(PET)等的精度和效率。此外,量子时钟可提供高频金融交易、电子支付、5G通信、智能电网的动态控制等应用所必需的精确计时。军事方面,量子传感器可以测量电子传感器无法精确探测的电磁场和重力场变化,从而实现在水下、建筑物内等无外部信号环境中的精确定位和导航。英国国防实验室研究表明,基于量子技术的导航系统可以将潜艇的定位精度提升1000倍。美国陆军实验室提出“鬼成像”(Ghost Imaging)技术,可以实现复杂战场情况下的远距离高清成像。美国国防部、英国国家量子科技项目、欧洲量子旗舰项目等机构一致认为,量子传感测量将在未来5年内实现商业和军事应用。

量子计算是最具颠覆潜力同时也是难度最大的应用领域。通用量子计算以量子比特代替电子比特进行计算,根据物理机制可以分为超导量子、光量子、离子阱、量子点和拓扑量子等5类。由于量子态的特性,构建量子计算机具有极高的技术难度,尚无法确定哪类技术会成为最终解决方案。目前超导量子和光量子是最为成熟的技术路径,已经开发出可以快速解决特定数学问题的原型机,实现了远超传统电子计算的“量子霸权”,但这一超越仅限于非常特殊的个别数学问题 。通用量子计算的简化版本“量子退火”和“量子模拟”具备清晰的应用场景,特别是前者可求解函数组合优化问题,已于2011年实现首次商业应用。普遍认为,5年内,有实际应用价值的量子计算将首先在生物化学和材料科学领域实现,并随着量子计算软硬件的继续成熟在10至20年内全面应用于人工智能、自动驾驶、保密通信等众多领域。

量子通信的第一代应用“量子密钥分配”(QKD)已经完成小规模部署,第二代应用“量子传态”仍处于技术研发阶段。2007年前后,中国和欧洲分别实现了第一代量子通信应用QKD的短距离数据传输试运行。2017年,瑞士构建了连接电信数据中心、银行和政府的光纤QKD数据传输线路。同年,中国建立了全球第一条长距离量子保密通信干线“京沪干线”,并通过卫星QKD首次实现了跨洲视频通信。2020年,日本东芝成功使用光纤QKD传送了数百GB的基因组数据,首次实现QKD的大数据传输。虽然第一代量子通信技术已有小规模商用案例,但其安全性、可靠性和效率仍无法满足大多数商业和军事用途。因此,第二代量子通信应用“量子传态”被寄予厚望。目前该技术还处于实验室研发阶段,预计10年左右可以进入商业化阶段,最终目标是建立由量子通信网络将各种终端设备连接在一起的“量子互联网”(Quantum Internet)。

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二、中美在量子科技产业的竞争态势

中美两国在量子科技产业的3大领域都处于全球领先地位。研究成果方面,通过对全球权威的自然科学数据库Web of Science中超过2.1万种期刊的9000万篇发表文章中搜集到2010至2020年发表的46016篇量子科技相关文章。结果显示,中国(15029篇)和美国(11073篇)是研究成果最多的两个国家,占全球研究成果总量的56%以上,多于其他所有国家的总和(详见附表1)。研究力量方面,中美也是实力最强的国家,发表1篇以上研究成果的机构数量分别达到2205家和1521家。发展速度方面,中美两国都处于高速增长期,2011至2020年在量子科技3大领域研究成果的年增长率均接近甚至超过10%。

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美国在量子计算和量子传感测量领域领跑全球,量子通信的优先级相对较低 。美国量子科技发展重点集中在量子计算和量子传感测量两个领域,尤其是前者,研究成果的数量和质量均为全球第一。数量方面,2010至2020年,美国共发表量子计算研究成果7319篇,占同期全球研究成果的26%;发表量子传感测量研究成果1240篇,占同期全球研究成果的24%。质量方面,美国在量子计算领域共发表高质量研究成果 1381篇,占全球总量的45%,是第二名中国(630篇)的两倍以上;发表量子传感测量领域高质量研究成果235篇,占全球总量的41%,远超中国的148篇。从取得高质量研究成果的机构数量上看,美国(361家)也略优于中国(325家)。

中国在量子通信领域处于绝对领先地位,并在量子计算和量子传感测量领域快速追赶,其中超导量子计算和光量子计算已与美国接近。2010至2020年,我国发表量子通信研究成果6440篇,占同期全球总量的38%,是美国(2524篇)的两倍以上。其中,高质量研究成果577篇,占全球总量的31%,是美国(433篇)的1.3倍。目前中国拥有全球唯一的长距离量子保密通信主干线,也是唯一实现卫星QKD通信的国家。在第二代量子通信技术研发中,我国也处于全球领先地位,率先实现了“量子传态”的卫星试验。在量子计算和量子传感测量领域,2010―2020年我国研究成果的年均增速已达14.1%和23.8%,大大高于美国的10.8%和8.2%。

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中美两国量子产业专利申请数快速增长,都已进入技术S形曲线的中期,距离全面产业化预计还需约10年。IFI CLAIMS Direct Platform全球专利数据库的数据显示,2000至2019年,美国在量子计算、量子通信、量子传感测量三大领域的申请专利数分别为4845、1385、787件,年均增速分别达到17%、12%、14%。同期中国在量子科技产业3大领域的专利申请数为3133、3133、1121件,年均增速更是高达40%、38%、29%(详见附表2)。从专利申请数量这一关键指标衡量,中美量子科技产业的发展都已经进入技术S形曲线的中期。从历史数据看,这意味着10年左右将进入全面产业化阶段 。尽管中国进入S形曲线的时间比美国晚5年,但是更高的增长速度意味着中国正在快速追赶。

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美国公共财政对量子科技产业的投资大、增速高,特别是在2018年颁布《国家量子计划法案》之后。主要是联邦政府的三大支柱:一是民事机构。主要包括国家自然科学基金(NSF)、能源部(DoE)、国家标准与技术研究所(NIST)和国家航空航天局(NASA)。二是军事机构。主要包括国防部高级研究计划局(DARPA)等国防部长办公室(OSD)下属的各机构。三是情报机构。主要包括国家安全局(NSA)和情报高级研究计划局(IARPA)等。2021财年联邦政府对量子科技的研发投入预算为7.1亿美元,增幅达29%,2022财年预计增幅也在22%左右。

美国量子科技产业的重心正在由大学、国家实验室向企业转移,企业数量、融资规模和技术覆盖面均高于我国。截至2020年末,美国已有182家企业进入量子科技产业,涵盖了量子科技三大应用领域的几乎全部细分应用领域和技术路径。公共投资之外,非盈利基金会和风投基金(VC)也对量子科技产业加大投入。对美国量子科技研究投资最大的20家机构中,11家是联邦政府机构,8家是非盈利基金会。Crunchbase数据显示,截至2021年6月,共有20家美国企业获得了风投基金共12.8亿美元的投资,其中3/4以上投入了量子计算领域,显示出市场非常看好该领域商业化前景。相比之下,我国量子科技企业开展相关业务的仅有13家 (详见附表3),主要集中在量子通信领域。

三、对我国启示及政策建议

对比分析中美量子科技产业的各自特点和竞争态势,我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力,并形成了自身优势,但仍存在不少短板、面临多重挑战。借鉴美西方推进量子科技产业发展的举措,我们提出以下政策建议。

制定明确的国家发展战略,坚持对量子科技产业的重点支持。由于量子科技对未来政治和军事格局可能带来的重大影响,各经济体相继推出量子科技国家战略,特别是美国2018年出台的《国家量子计划法案》、欧盟2016年启动的“量子旗舰计划”、英国2013年开始实施的国家量子技术计划(NQTP)、日本2020年发布的《量子技术创新战略》等。借鉴国外的有益做法,制定公布并动态更新国家量子科技发展战略和路线图,设立类似美国国家量子计划和英国量子科技战略咨询委员会的国家级跨部门协调机制是我国在国家战略层面的可行举措。

在国家投资策略上,加强对同一应用领域多个技术路径的组合投资。目前,除少数应用领域外,量子科技的成熟度仍不能确定哪一种具体技术路径会最终成功实现商业化。为避免投资集中度过高导致的失败风险,应增加对同一应用领域内多种不同技术路径投资的分散度。例如在量子计算领域,目前尚无法确定5类物理实现方法,或者其他新方法中哪些会成功实现商业化。因此,美国在这5条技术路径上均大力投入,每条路径都有至少一家重点企业进行研发,而我国则集中在比较成熟的超导量子和光量子路径,对其他技术路径投入相对较少。

在量子科技应用领域方面,加强对量子传感测量的支持力度。量子传感探测是量子科技应用场景最广泛、最清晰,技术挑战也是相对较小的领域,量子重力仪和量子磁力仪等设备已处于实验室研发的末期。美国国防部、英国国防部等军事部门都将基于量子传感器的制导等装备视为可在较短时间内(5年内)实现的应用,大幅提升潜艇、车辆、人员等在没有卫星信号的区域的导航精度,具有很高的研发优先级。美国在量子传感测量领域长期处于领先地位,我国在该领域的进展也非常迅速,且已在固态金刚石氮空位高精度磁力仪技术上取得全球领先的成果。为跟上美西方在该领域的推进速度,应当提升量子传感测量的优先级,加强对量子重力仪等重要军民两用产品的研发投入。

在产学研一体化方面,构建量子科技产业联盟,将科研院所、政府机构和企业紧密联系在一起形成产业化合力。由于量子科技产业的高科技属性和巨大科研投入,单纯依靠科研院所、政府机构或企业无法实现从知识到产品的转化,需要构建合适的机制将3者有机结合起来。以美国为例,绝大多数量子科技初创企业由科研院所的研究人员创立,量子科技企业与科研院所的紧密合作,共同发表研究成果的现象非常普遍,而且几乎所有的量子科技企业都至少加入了一个由科研院所、政府机构和企业共同组建的量子科技产业联盟,如美国国家标准与技术研究所建立的量子经济发展联盟(Quantum Economic Development Consortium)、美国航空航天局和Google共同建立的量子人工智能实验室(QuantumAILab)、加州电气和美国电报电话公司共同设立的量子科技联盟(Alliance for Quantum Technology)等。这些产业联盟对推进美国量子科技产业发展起到了关键作用。

在产业链方面,坚持以我为主加强关键材料、零部件、器材设备的生产能力建设,努力嵌入全球产业链的高端。量子科技产业的发展需要大量特殊材料和器材设备,例如实现超导所需环境的低温设备、单光子探测器、激光二极管等。兰德公司对美国量子科技企业高管访谈和数据分析后发现,目前我国产品在量子科技产业链中的位置较低,基本集中在模数转化器、数模转换器、非线性晶体材料等低附加值商用现货(COTS)品类,可替代性非常强。大多数美国量子科技企业选择中国产品是基于价格成本考量,对我国依存度较低。因此,需要加强我国在量子科技产业所需的关键材料、零部件、器材设备的生产能力,减少对战略竞争对手的依赖,提高美西方对我国产品的依存度,保护我国产业链安全。

国务院发展研究中心:徐东良  贾卢魁  朱贤强  奚剑明  杨彩霞

附表

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如需获得全文,请致电:010-65232727,或 E-mail:drcreport@vip.sina.com 。
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