编者按：未来产业作为前瞻性新兴产业，具备成长为先导性产业或支柱性产业的发展潜力，是把握未来经济社会发展主动权的重要战略支撑。第一财经持续关注未来产业，通过一线走访和案头研究相结合的方式，将陆续推出《未来产业系列白皮书》。量子科技为系列白皮书首期关注议题。
目录
一、量子的定义及特性
1.1 量子叠加
1.2 量子纠缠
1.3 量子去相干
二、量子霸权时代来临
2.1 第二次量子科技革命
2.2 全球量子科技竞赛
三、量子计算
3.1 量子计算的定义及优势
3.2 量子计算主要技术路径
3.3 量子计算机的发展现状及技术难点
3.4 量子计算机的应用
四、量子通信与安全
4.1 量子保密通信的必要性
4.2 量子保密通信主要技术的发展现状及难点
4.3 量子通信网络和量子互联网
4.4 量子通信的应用
五、量子精密测量
5.1 量子精密测量的定义
5.2 量子精密测量技术的发展现状和难点
量子精密测量的应用
六、量子科技投资全景图
6.1 量子计算、量子通信、量子测量公司图谱
6.2 中国主要量子科技公司评价
一、量子的定义及特性
量子是物理学上描述微观世界中微粒的基本单位，它是能量和动量的离散单位。量子并不是一个像电子一样的“子”，经典世界中各种物理现象是连续变化的，例如温度，而在微观世界中，能量的状态是不连续的，是由一块块能量共同组成，能量、动量等物理量无限分割至无穷小，有一个最小基本单位，就是量子。在微观世界里的这种不可无限分割性，就称为量子化。
量子具备量子叠加、量子纠缠、量子测量等特性，这些特性不仅在物理学中具有重要意义，而且在新兴的量子技术领域，如量子计算、量子通信和量子测量中扮演着关键角色。量子力学的这些奇特特性为我们提供了全新的视角来理解和利用自然界的基本规律。
1.1 量子叠加
量子叠加是量子力学中的一个重要概念，指的是一个量子系统可以同时处于多个可能的状态之间的叠加态。在经典物理中，物体只能处于一个确定的状态，而在量子力学中，量子系统可以处于多个可能的状态的线性组合。这意味着在某些情况下，一个量子系统可以同时处于多个状态，直到被测量时才会坍缩到其中一个确定的状态。
量子叠加是量子计算和量子信息领域的基础，通过利用量子叠加可以实现量子并行计算和提高计算效率。
1.2 量子纠缠
量子纠缠是量子力学中一种特殊的相互关联现象，指的是当两个或多个量子系统之间发生相互作用后，它们的状态会变得紧密关联，无论它们之间有多远的距离，一个系统的状态会立即影响另一个系统的状态。这种关联称为纠缠。
处于纠缠态的两个粒子，在被测量之前，彼此相关状态是无法确立的，但无论两者相距多远，只要纠缠态不破坏，一旦对其中的一个粒子进行测量，另外的一个粒子的状态也会因此确定下来。量子纠缠不仅为量子运算提供最有效的并行处理方法，而且也是实现量子通信所必备的工具。由于对环境变化非常敏感，量子纠缠也可以用来制造非常精确且灵敏的量子传感器。
1.3 量子去相干
量子去相干是指在量子系统中，原本具有相干性（即量子态的干涉和叠加性质）的态经过某种过程或相互作用后，丧失了这种相干性质。量子去相干通常会导致量子态变得更加经典化，即更接近于经典物理中的状态。
量子去相干可以发生在不同的情况下，比如量子测量、量子退相干、环境干扰等。其中，环境干扰是最常见的导致量子去相干的原因，当量子系统与其周围环境发生相互作用时，环境的不确定性和噪声会导致量子态的干涉效应逐渐消失，系统逐渐失去相干性。
量子去相干是影响量子计算和量子信息处理的一个重要问题，因为相干性是量子计算中的关键资源。因此，研究如何延长量子态的相干时间，减少量子去相干的影响，是当前量子信息领域的研究重点之一。
二、量子霸权时代来临
2.1第二次量子科技革命
量子概念的首次提出可以追溯到1900年，由德国物理学家马克斯·普朗克提出。普朗克提出了能量量子化的概念，这是量子理论的基础，由此拉开20世纪初量子物理学革命的帷幕。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦进一步发展了量子概念，提出了光量子（光子）的概念，解释了光电效应。
“第一次量子科技革命”始于20世纪初，以马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔和保罗·狄拉克等人为代表的物理学家，建立了量子力学的理论框架，描述了量子力学的基本特征，实现了量子力学与数学、化学、生物学的结合，催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、计算机等。
2014年，世界顶尖科学杂志《自然》（Nature）提出，“第二次量子科技革命”已经拉开序幕。
“第一次量子科技革命”将人类从工业时代带入信息时代，而正在发生的“第二次量子科技革命”意味着人类将突破经典技术的物理极限进入量子时代，标志着人类对量子世界的探索从单纯的“探测时代”走向了主动的“调控时代”，预示着量子计算、量子通信、量子精密测量等领域的重大突破。
“第二次量子科技革命”利用量子纠缠、量子叠加、量子测量等进行创新应用，预计将在多个领域引发变革：
量子计算：量子计算机的发展将经历从专用量子计算机到通用量子计算机的转变，最终实现可编程的通用量子计算机，解决经典计算机无法处理的特定难题。
量子通信：具有防窃听的通信方式，以量子不可克隆等特性建立安全的通信网络。主要技术包括量子密钥分配（QKD）、量子隐形传态（QT）等，量子通信技术的发展也将进一步推动量子互联网的构建。
量子精密测量：量子精密测量技术为科研和工业带来更高精度的测量工具，由于量子态对外界环境变化及其敏感，量子精密测量的灵敏度及分辨率将大幅突破经典极限，推动相关领域的技术进步。
“第二次量子科技革命”正在改变我们对量子世界的理解，并推动量子技术在多个领域的应用。随着技术的不断进步，量子科技有望在未来几十年内彻底改变我们的生活和工作方式。
2.2 全球量子科技竞赛
“量子技术革命给予中国一次‘换道超车’的机遇。”台湾大学原代理校长、中原大学讲座教授、富士康量子研究所顾问张庆瑞在其《量子大趋势》一书中表示。
在信息科技时代，经典计算机的计算能力提升遵循摩尔定律。摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番，纳米制程的精准控制成为信息科技时代的关键技术，但随着晶体管尺寸接近原子尺度，继续缩小晶体管的物理尺寸变得越来越困难。
在“第二次量子科技革命”中，是利用量子叠加、量子纠缠与量子测量等特性来创造全新的量子组件，并不单纯依赖摩尔定律的微缩技术，只要能够掌握物体特性，甚至亚微米技术都可以做出具备量子纠缠特性的量子组件，而具备纠缠特性的量子组件性能远由于经典电子元器件，“第二次量子科技革命”将带来更具颠覆性的创新产业。
被誉为中国“量子之父”的中国科学技术大学潘建伟教授曾表示，在现代信息科学方面，中国一直扮演学习者和追随者的角色，如今到量子科技时代，如果我们尽力而为，就可以成为其中的主力。
目前我国在量子通信领域的成就已经在全球领先：2016年成功发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”；2017年的2000千米长距离京沪量子通信线路；2018年，“墨子号”分别与中国兴隆、奥地利格拉茨地面站进行了超过7600千米的星地量子密钥分配；2022年，清华大学教授龙桂鲁团队设计了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，实现了100千米量子直接通信，打破了“量子直接通信”的世界记录。
在量子计算领域，2020年12月，中国科学技术大学宣布成功构建76个光子的原型机“九章”，成为第二个实现量子优越性（Quantum Supremacy）（注）的国家；2021年6月，中国科学技术大学发布“祖冲之号”可编程的56个量子比特的超导计算机，将超级计算机需要8年完成的任务缩短成1.2个小时，中国是唯一在超导和光量子两条技术路径上都实现量子优越性的国家。
根据前瞻产业研究院数据，从投资总额来看，2023年全球量子信息投资规模达到386亿美元，其中中国投资总额达150亿美元，位居全球第一。
目前中国和美国在量子科技竞争中居于领先地位，欧洲及其他传统科技强国也在积极追赶，目前量子科技虽有领先者，但所有参与者都离起跑线不远，因此“换道超车”远比在其他科技领域有更多的机会。
2021年，我国“十四五”规划纲要提出，要加快布局量子计算、量子通信等先进技术，目标是到2030年完成国家量子通信基础设施建设，开发通用量子计算机。
（注：量子优越性（Quantum Supremacy），也称为量子霸权，是指量子计算机在执行特定任务时，能够超越最强大的传统计算机的能力。这个概念是由物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）在2012年提出的，用以描述量子计算机在解决某些问题上相对于经典计算机的显著优势。）
三、量子计算
量子计算作为一门前沿科技，近年来吸引了全球科研人员和资本的极大关注。它利用量子力学原理，突破传统计算机基于二进制的计算方式，展现出在某些特定问题上远超经典计算机的潜力。随着量子物理理论的不断深入和量子技术的日益成熟，量子计算逐渐从理论走向实用化，被认为是未来计算技术的重要发展方向。
3.1 量子计算的定义及优势
量子计算是基于量子力学原理，使用量子比特作为信息的基本单元进行计算的一种技术。量子计算机的超并行性来自于量子比特的叠加状态，多个量子比特与同样数目的经典比特比较，计算能力差别是指数级的。
传统计算机使用的是二进制位（bit），每个比特位要么是0要么是1，而量子计算机的量子比特（qubit）可以同时处于0和1的叠加态。随着量子比特数的增加，N个量子比特就可以同时有个值，这就相当于在同一个时刻，可以进行个运算。
量子计算机通过量子算法操纵这些叠加态以及量子比特之间的相互作用，能够同时处理大量可能的计算路径，使得量子计算机在解决某些特定类型的问题时，如整数分解、搜索算法等，比传统计算机快得多。
3.2 量子计算主要技术路径
我国高度重视量子科学的研究，相继出台了多项政策和规划，支持量子技术的研究与应用。在量子计算领域，中国科研机构和企业在超导量子计算、光量子计算等关键技术路线上已取得了一系列具有国际影响力的成果，在全球量子计算竞争中居于较领先地位。
当前量子计算处在的早期探索阶段，量子比特的发展方向非常多元，主流方案包含超导、离子阱、光量子、超冷原子、硅基量子点和拓扑量子等，基本都沿着量子计算优越性——专用量子计算——通用量子计算的路线图发展。
根据前沿科技咨询机构ICV发布的《2024全球量子计算产业发展展望》报告，从全球主要量子计算整机企业分布看，中美两国占据主导地位，美国20家、中国18家，分别占28%、25%。从技术路线分布看，超导、离子阱、光量子路径最受关注。2023年全球71家主要量子计算整机企业中，19家为超导量子计算路径，占比27%，其中美国8家，中国5家；其次为光量子计算路径，共计13家，占比为18%，其中中国企业最多，达到4家；10家为离子阱量子计算路径，占比为14%，中国企业占据4家。
（1）超导量子计算路径
超导量子计算是目前最为成熟的量子计算技术之一。它基于超导量子电路，通过对超导量子比特进行操控来进行信息的处理。超导量子电路在设计、制备和测量等方面与现有的集成电路系统兼容性较高，并且可以使用传统电子元器件作为控制系统。IBM、英特尔、谷歌、本源量子、国盾量子等在超导量子计算路径上进行研发。
超导量子比特的优势在于其较高的连续性和可扩展性，以及相对较低的失真率。该技术路线已经实现了多量子比特之间的纠缠和量子门操作，为构建实用的量子计算机奠定了基础。然而，超导量子比特对环境的温度和电磁干扰非常敏感，因此需要在极低温和屏蔽良好的环境中进行实验。
美国量子计算产业链布局完善，IBM、谷歌、微软等头部科技企业入局，尤其在超导量子计算路径上有显著优势。在超导量子芯片领域，2023年12月，IBM发布了全球首款超过1000量子比特的量子计算处理器芯片Condor，其拥有1121量子比特。
2024年4月，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院发布了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，刷新国内超导量子比特数量的纪录。
中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授、中电信量子集团及国盾量子（688027.SH）首席科学家彭承志表示，超导量子计算芯片可以复用较成熟的半导体芯片加工技术，在比特数量扩展上特别有优势，因此研发“不算难”，“最困难的是如何让量子比特的质量和数量同步提升，从而真正提升芯片的性能，更精密地调控大规模量子比特，这是国际主流科研团队都在攻坚的。”
量子计算机所能实现的计算能力取决于多个因素，以超导量子计算机为例，包括比特数、保真度、相干时间、门操作速度、连通性等。其中，比特数是一项关键指标。但是需要特别注意的是，单谈比特数是没有意义的，更重要的是在大规模量子比特下，门保真度（特别是双比特门保真度）、相干时间以及比特的连通性等。
此外，超导材料的特性在于当温度降至某一临界温度以下时，电阻为零，电流可以无损耗地流动。为实现量子比特的高效操作和稳定存储，量子芯片需要在-273.12℃或更低的极低温环境中运行，所以稀释制冷机是超导量子计算的关键设备之一。
目前我国国产稀释制冷机取得重大突破，实际运行指标达同类产品国际主流水平。由国盾量子推出的可商用可量产的国产稀释制冷机ez-Q Fridge为量子芯片提供低至10mK级别的极低温低噪声环境，制冷功率达到450uW@100mK（450uW@100mK代表稀释制冷机在100 mK温度时的制冷功率能达到450uW，制冷功率越大，就可以支撑更高比特数的量子计算），并服务于“祖冲之二号”实现量子计算优越性实验；由本源量子自主研发的本源SL1000稀释制冷机可提供10mK以下的极低温环境及不低于1000μW @100mK的制冷量，满足超导量子计算、凝聚态物理、材料科学、深空探测等前沿技术领域的极低温环境需求。
实现“量子优越性”是衡量量子计算机性能的关键，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机。目前全世界只有两台超导量子计算机实现：美国“悬铃木”、中国“祖冲之二号”。
“祖冲之二号”由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作研发的66量子比特可编程超导量子计算原型机。2023年5月，该团队在原“祖冲之二号”66量子比特的芯片基础上做出提升，新增了110个耦合比特的控制接口，使得用户可操纵的量子比特数达到176比特。
国盾量子作为唯一参与“祖冲之号”研发的企业单位，通过超导量子计算原型机的供应链管理和整合能力（包括室温操控系统、低温信号传输系统、芯片封装系统、操控软件系统等），目前已成功对外销售4台量子计算机整机。
此外，由本源量子研发的第三代自主超导量子计算机“本源悟空”于2024年1月上线运行，“本源悟空”搭载的是72位超导量子芯片“悟空芯”，共有198个量子比特，其中包含72个工作量子比特和126个耦合量子比特。
（注：量子比特（qubit）是量子计算的基本单元，它是量子信息的载体，类似于经典计算中的比特。量子比特可以处于叠加态，即同时处于多种状态的叠加，这使得量子计算机可以在同一时间处理多个计算任务。耦合量子比特（cQubit）是一种特殊的量子比特，它们之间存在相互作用或耦合。耦合量子比特通常用于实现量子门操作，允许不同量子比特之间进行信息交换和相互影响。总的来说，量子比特是量子计算的基本单元，而耦合量子比特是用于实现量子门操作和量子计算的一种特殊形式的量子比特。
（2）光量子计算路径
光量子计算路径利用光子作为信息的载体，通过量子光学元件实现量子计算过程。光量子计算的关键优势在于光子本身与环境交互作用非常微弱，可以维持长时间稳定的量子态，保真度高。此外，光量子计算在室温下即可进行，不像超导量子计算需要极低温环境。其技术挑战在于光子的生成、操作和检测等方面，需要高精度的操控技术和设备。目前使用光子作为量子计算机路径的公司有PsiQuantum、Xanadu、图灵量子和玻色量子。
中国是唯一在超导和光量子两条技术路径上都实现量子优越性的国家，除了超导量子计算路径的“祖冲之号”，我国实现“量子优越性”的量子计算机还有一台——由中科大潘建伟团队研制的“九章”系列，“九章”系列采用光量子计算路径。
在特定功能量子计算机方面，中国在光量子计算路径上取得了较大突破和进展。2023年10月，中科大团队成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”。该原型机由255个光子构成，在解决高斯玻色取样数学问题方面比全球最快的超级计算机快一亿亿倍，再度刷新了光量子信息技术的世界纪录。此外，玻色量子于2024年4月发布的新一代550计算量子比特的相干光量子计算机——“天工量子大脑550W”，通过与以“开物SDK”为代表的开发套件及与多行业生态伙伴共研的“量子算法”相结合，实现了实用化量子计算的突破。
与通用型量子计算机可以随意变更执行计算程序不同，特定功能量子计算机只能执行特定的量子算法，如果要处理原设计功能之外的计算就必须更改硬件或设备。
在可编程通用型光量子计算机领域，图灵量子推出了国内首个光量子计算编程框架DeepQuantum。利用DeepQuantum中的QubitCircuit，开发者能够轻松构建和模拟量子线路，快速设计和优化量子神经网络。此外，通过DeepQuantum的QumodeCircuit，用户可以深入研究光量子线路，并开发基于高斯玻色采样等算法的实际应用。DeepQuantum不仅包括自动微分功能，还内置了多种非梯度优化器，帮助用户高效实现和探索变分量子算法。同时，图灵量子将在量擎云平台上部署光量子计算硬件，用户将可以通过DeepQuantum体验真实的量子计算。
（3）离子阱量子计算路径
离子阱量子计算路径是一种利用离子（通常是带电原子或分子）作为量子比特来执行量子信息处理的技术。利用外在电磁场将离子“囚禁”在一定范围内，借助电荷与电磁场间的交互作用力控制离子的运动。离子阱量子计算的优势在于稳定纠缠态时间长，逻辑门保真度高，但技术难点在于同时实现大量离子的稳定“囚禁”和准确操控，同时需要激光冷却技术和超高真空环境，与集成电路的兼容性待开发，导致扩展性受到限制。目前深耕离子阱量子计算技术的公司主要有Quantinuum、IonQ、启科量子、华翊量子、国仪量子等。
华翊量子于2023年发布规模达37量子比特的第一代离子阱量子计算机商业化原型机HYQ-A37，它的量子比特相干时间、保真度等相关性能指标均达国际一流水平。目前用户可通过预约的方式使用可视化工具或代码编辑器快速进行量子电路的设计，并通过远程访问HYQ-A37执行计算任务与获得实时的图形化计算结果反馈。华翊量子预计将于2024年推出110比特的低温离子阱量子计算机。
3.3 量子计算机的发展历程及技术难点
从上世纪八十年代开始，量子计算经过了基本物理思想和初级原理的验证，现在量子计算机已经到达NISQ（含噪声中等规模量子计算机）阶段。
拥有50至100量子比特的高保真量子门的计算机被称为NISQ计算机，“含噪声”指的是量子比特之间存在一定程度的噪声和误差，容错性较低，还无法实现精确的量子计算。容错通用型量子计算机是长期发展目标，还需要一段时间才能实现，而含噪声中等规模量子计算机的计算能力已经远超超级计算机，可以执行一些特定的量子算法和任务，在一些应用领域已经展现出量子优势。
现阶段量子计算机发展的主要制约因素有：
（1）极端低温要求：为了维持量子比特的量子态稳定性，量子计算机需要在近似绝对零度的超低温环境中操作。这种条件下，量子比特才能有效地展现出量子纠缠和量子叠加的特性。制冷系统的维护和运行成本高昂，并且随着量子比特数量的增加，相应的制冷要求也会上升，有效且便宜的低温技术有待改进。
（2）量子位的稳定性问题：量子位（或量子比特）是量子计算机的基本信息单位，但它们非常脆弱，容易受到噪声和外部干扰的影响，导致量子退相干。退相干会破坏量子信息，使得计算结果不可靠。增加量子位的相干时间是目前的研究热点。
（3）量子误差校正：量子计算过程中不可避免地会产生错误，而且由于量子位的特殊性质，这些错误不同于传统计算机中的错误。开发有效的量子误差校正技术对于实现可靠的量子计算至关重要，但目前的量子误差校正算法仍然复杂且难以扩展。
（4）可扩展性：现有量子计算机的量子位数量相对较少，而实现对复杂问题的计算则要求有成百上千乃至更多的量子位。如何在不降低单个量子位质量的前提下，实现量子计算机的规模扩展，是一个技术上的巨大挑战。
（5）材料和技术限制：制造高质量量子位需要先进的材料和精密的制造工艺。例如，超导量子位需要高纯度的超导材料，而离子阱技术则需要高精度激光和真空系统。这些技术的发展和成熟度直接影响量子计算机的性能和可行性。
（6）算法和软件发展不足：尽管已知某些量子算法在理论上能够提供超越经典计算的性能，但量子计算机的算法库和软件工具仍然有限，缺乏广泛适用的量子软件平台和编程框架。
（7）理论和实验之间的差距：量子计算在理论上的进展很快，但在实际实验中实现这些理论的步伐相对慢。许多理论尚未在实验中得到验证，因此必须在实验技术和设计上进行大量的创新和优化。
（8）人才和知识的短缺：量子计算是一个交叉学科领域，涉及物理学、计算机科学、工程学和数学等多个学科。当前，具备跨学科知识和技能的研究人员和工程师相对稀缺，这限制了量子计算领域的发展速度。
（8）应用场景的局限性：目前量子计算机在某些特定问题上显示出潜力，如化学模拟、密码破解和复杂优化问题。然而，在许多通用计算任务上，量子计算机的优势尚不明显，且需要进一步探索其在商业和工业应用中的实际价值。
如上，尽管量子计算商业化仍面临诸多挑战，但量子科技已经从理论研究阶段进入工程阶段，未来容错通用量子计算机的出现将颠覆几乎所有行业，现有科技产业在“第二次量子科技革命”后将出现巨大变化，必须提前准备好进入一个崭新的量子时代。
3.4 量子计算机的应用
（1）量子计算云平台
实现“量子优越性”是量子计算商业化、普及化的必要前提，量子计算云平台则是量子计算实际应用发展的关键。
目前量子计算机的硬件成本极高，特别是对于高保真度和大规模量子比特的系统，同时量子计算机的运行和维护需要专业的技术和环境。量子计算云平台为大学、科研院所、企业等提供了低成本触达量子计算系统的方式。
一方面，云平台可以快速更新和部署最新的量子计算技术和算法，用户可以即时体验到技术进步带来的优势；另外一方面，用户在试用云平台进行应用开发和测试时，可以向平台提供商反馈问题和需求，促进技术的迭代和优化。量子计算云平台作为连接不同量子计算企业、科研机构和企业用户的桥梁，促进量子计算与各行各业之间的合作，共同推动量子计算技术的发展和应用。
2023年5月，国盾量子发布新一代量子计算云平台，接入了自研的“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机，不仅刷新了国内云平台的超导量子计算机比特数记录，也成为国际上首个在超导量子路线上具有实现量子优越性潜力、对外开放的量子计算云平台。国盾量子表示，未来还计划接入多台高性能量子计算机，互相灾备并迭代更新，使得云平台硬件保持国际先进水平。
2023年11月，国盾量子协助中电信量子集团“天衍”量子计算云平台和中国电信“天翼云”超算平台进行对接，构建“超算-量子计算”混合计算架构体系。
（2）量子计算主要应用场景
根据ICV数据，2023年全球量子产业规模达到47亿美元，2023至2028年的年平均增长率（CAGR）预计将达到44.8%，受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，到2035年量子计算产业总市场规模有望达到8117亿美元。
作为一种新兴的计算技术，量子计算在金融、医药、化工等多个领域都显示出了突破性的应用潜力。其中，金融行业是量子计算潜在的重要应用领域，根据ICV预测，全球量子计算下游应用占比中，2035年金融领域的市场份额最高，将达到51.9%，较2030年的15.8%实现显著提升。其次为医药和化工领域，分别为20.5%、14.2%。
量子计算在金融领域的应用非常广泛，旨在降低成本并减少处理时间，目前主要包括：风险管控、衍生性商品定价、投资组合优化、套利交易及信用评分等。
国内外的主流金融公司，如摩根大通（J.P Morgan）、高盛集团均成立了量子部门来研发量子金融应用；本源量子与中国经济信息社新华财经联合发布“量子金融应用”，该应用在新华财经App上线，提供了量子计算在投资组合优化、衍生品定价以及风险分析等方面的应用；建设银行在量子信息技术应用方面进行了积极的探索和实践，成立了量子金融应用实验室，与国内外量子安全、量子计算团队合作，开展了一系列前瞻性研究和创新性探索。建设银行推出了“量子贝叶斯网络算法”和“量子投资组合优化算法”等量子金融应用算法，这些算法在风险分析和投资组合优化方面展现出了量子计算的潜力。
在医药研发和化学材料科学方面，量子计算机能够模拟复杂的化学反应和材料特性，这对于发现新药物、新材料以及优化化学反应过程具有重要意义。
新材料和新药物具备庞大的经济价值，尤其是在医药领域，如果量子计算能够通过计算分析取代传统实验试错的方式，不仅大幅减少新药开发的时间，更可以节约庞大的医药开发成本。推动量子计算在医药研发和材料科学方面的应用，但仍需要配合特定的量子算法。
2022年7月，华大生命科学研究院与量旋科技合作，探索量子计算在生命科学领域的应用。他们利用量子算法实现基因组组装，解决了基因组组装的问题，并使用更少的量子资源模拟更大的量子系统，为在NISQ时代模拟大规模系统提供了可能性。
2022年3月，图灵量子借助张量网络技术，通过张量的缩并，实现38倍提速量子AI药物设计，并推出一系列量子AI应用模块，其中 QuOmics（基因组学）、QuChem（药物分子结构设计）、QuDocking（药物虚拟筛选）、QuSynthesis（化学分子逆合成）等四大模块，已实现不同程度的量子算法增强。
2021年4月，本源量子发布本源量子化学应用系统ChemiQ 2.0，为量子计算在化学领域的应用提供基础，赋能量子计算在新医药、新材料、新能源等领域的创新应用。
在人工智能领域，由于量子比特可以处于多个状态，因此可以使用量子神经网络来处理大规模数据集和复杂模型。这将有助于提高人工智能系统的性能，并推动人工智能技术向前发展。
量子计算与机器学习的结合，利用量子计算机善于处理大量数据的优势，帮助机器学习突破参数过多的瓶颈，是最近重要的研究方向。IBM在Qiskit架构下，加入机器学习模块，结合量子计算以及机器学习优点，利用量子计算机处理大数据的优势，建立量子机器学习模型的未来优势。
四、量子通信与安全
量子通信作为量子科技的重要分支，是对信息传输技术的重大突破，也是最先进入实用化阶段、发展最为成熟的量子科技技术。量子通信让通讯更安全，量子通信尤其是量子保密通信已基本实现实用化。基于量子密钥分发技术，量子保密通信在中国已经有许多工程应用，下游是信息安全行业，产业成熟度高。
在国家政策的支持下，我国量子通信行业近年迅猛发展，已处于世界领先水平。随着众多优秀企业和科研院校的不断加入，量子通信行业也成为一、二级市场关注的焦点。
4.1 量子保密通信的必要性
量子技术被认为是科技领域的下一个里程碑。量子计算带来计算能力的飞跃，使得处理复杂问题如同小儿科，无论是药物设计、气候模拟，还是优化大型系统，量子计算都有望大显身手。但这把双刃剑也将带来巨大威胁——它能在瞬息之间破解现今大多数加密技术。
传统的公钥密码体系，如RSA、ECC（椭圆曲线密码学）等，依赖于整数因式分解和离散对数问题的计算难度，破解所需的时间极其漫长，在现有技术条件下十分安全。
然而，随着量子计算机的发展，Shor算法等量子算法被发现能够快速破解这些问题。以目前最流行和广泛使用的加密算法——RSA算法为例，现在最常见的是2048位加密（密钥长度越长破解时间越久），而Shor算法理论上能够在短短8小时内破解长达2048位的RSA加密，从而威胁传统公钥密码体系的安全性。
关于量子计算机对传统密码学的威胁和担忧已经存在一段时间，但目前尚未变为现实。量子计算机的算力取决于能够处理的量子比特数，目前的量子计算机只有数百到一千个噪声量子比特，用于创建少量稳定和纠错的量子比特。而要威胁到传统加密技术，需要数千个稳定的量子比特，这可能需要数百万个噪声量子比特。因此，虽然量子计算机的能力正在迅速发展，但还没有达到威胁经典加密的水平，但有业内专家表示，可能在未来5-10年内或更短的时间内达到这一水平。
尽管量子计算对传统密码学的威胁目前仍停留在理论阶段，但目前一个最大的问题在于敏感信息的前向安全问题，虽然现在量子计算技术还未实现真正突破，但很多加密敏感信息在网上流转，这意味着不法分子可以现在窃取加密数据并将其存储起来，等量子计算技术成熟后再来解密。
应对这个问题，目前主要采取量子密钥分发（QKD，Quantum Key Distribution）、后量子密码（PQC，Post-Quantum Cryptography）、量子随机数发生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）、量子隐形传态（QT，Quantum Teleportation）等量子通信保密技术，其中QKD被认为是理论上唯一无条件安全的通信方式，因为QKD密钥安全性是基于量子物理定律，而不是基于数学问题的计算复杂性。我国在基于QKD技术的量子保密通信组网建设上已初具规模，商业化应用正在持续推进，而PQC算法目前正在进行标准化论证。
4.2 量子保密通信的主要技术
量子计算是“矛”，量子保密通信是“盾”。在“第二次量子科技革命”正式来临之前，量子保密通信技术的发展为信息安全提供了新的解决方案，特别是在高安全需求的领域，如政府通信、金融交易和国防安全等。随着技术的不断成熟和应用的推广，量子保密通信有望在未来构建更加安全和可靠的通信网络。
（1）量子随机数发生器（QRNG）
随机数发生器是一种能够产生随机数序列的设备或算法，随机数发生器在密码学中非常重要，用于生成加密密钥、初始化向量（IV）和其他需要保密的参数。它们确保了加密过程的安全性和不可预测性。
随机数发生器分为真随机数发生器（TRNG，True Random Number Generator）和伪随机数发生器（PRNG，Pseudo-Random Number Generator），TRNG一般指基于物理过程或自然现象产生随机性，例如电子设备的热噪声、放射性衰变、光子到达时间等。由于它们依赖于不可预测的物理过程，因此被认为是“真”随机的。而PRNG使用确定性的算法，从一个初始状态（种子）出发，按照算法规则生成随机的数列。
由于TRNG每秒产生随机数的数量有限，通常TRNG会作为PRNG的“种子”，产生真实且无法重复的随机数序列，尽管PRNG也被称为随机数生成器，但实际上是高度可预测的，只要知道了算法和种子状态，所以寻找完美的TRNG一直是重要研究方向。
量子随机数发生器（QRNG）就是完美的TRNG，QRNG借用量子力学的量子随机叠加性，利用量子世界概率特性，制作出真正的随机密钥。由于QRNG的量子机制已被充分掌握与理解，因此产生随机数的量子组建已经被使用在信息加密上。QRNG目前主要研发方向在制作出更经济、更快速和更微型的量子随机芯片上。
（2）量子密钥分发（QKD）
量子密钥分发（QKD）利用量子态携载信息，通过特定协议在通信双方之间共享密钥，该技术应用了量子力学的基本特性，确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，从而实现迄今为止理论上唯一无条件安全的通信方式。
量子密钥分发（QKD）的关键是用具有量子态的物质作为密码，而量子态具有以下两个关键特性，从而保证了信息的安全传输：
第一，量子态的测量会改变其状态：根据量子力学的不确定性原理，对量子态进行测量会引起其状态的改变。如果有人试图窃取传输中的信息，必须对量子态进行测量，这样就会对量子系统造成影响，被合法用户所察觉到。
第二，量子态的不可克隆性：根据量子力学的原理，不可能对未知的量子态进行完美的复制。这意味着无法在传输过程中窃取量子态的完整信息，保证了信息的安全性。
现阶段，量子保密通信技术主要是利用QKD网络实现密钥的安全分发，再与对称密码技术相结合，进而保证信息的安全传输。简单而言，就是在单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接受设备，实现基于物理加密的保密通信。
QKD技术是实现量子通信的关键技术，但有了各种安全的QKD协议之后，速度快和传输距离远的量子网也是实现量子通信不可或缺的一部分。尽管量子通信技术在QKD等方案的推动下已初步走向实用化，但传输距离和成本仍是制约整个行业的应用与产业发展的因素。商业化、基于光纤的点对点QKD在传输距离上受到限制，而卫星对地QKD远距离传输又需要例如卫星等昂贵组件。量子通信的未来发展目标是建立一个覆盖全球的广域量子通信网络体系，相关技术仍需要进一步突破。
（3）量子隐形传态（QT）
量子隐形传态（QT）是一种基于量子力学原理的信息传输方式。它允许在没有物理传输介质的情况下，将一个量子系统的状态（比如一个量子比特）精确地从一个地点（通常称为“发送端”）传输到另一个地点（通常称为“接收端”）。量子隐形传态并不涉及物质本身的瞬间移动，而是量子信息的瞬间转移。
量子隐形传态的实现基于以下量子力学原理：
量子纠缠（Quantum Entanglement）：两个或多个量子粒子之间存在一种特殊的关联，即使它们相距遥远，一个粒子的状态改变会立即影响到与之纠缠的其他粒子的状态。
量子态的不可克隆定理（No-Cloning Theorem）：不可能制作一个未知量子态的完美副本。
量子测量（Quantum Measurement）：对量子系统的测量会导态的坍缩，测量结果通常是随机的。
量子隐形传态的基本步骤包括：
a. 准备一对纠缠粒子，并将其中一个发送给接收端，另一个留在发送端。
b. 在发送端将待传输的量子比特与发送端的纠缠粒子进行特定的联合测量。这个测量会导致量子比特的信息转移到接收端的纠缠粒子上，但这个过程是随机的，并且会破坏原始的量子比特状态。
c. 将联合测量的结果（经典信息）通过普通的通信渠道（比如电话或者互联网）发送到接收端。
d. 根据接收到的经典信息，接收端对其拥有的纠缠粒子进行一系列的量子操作，以此来重构原始的量子比特状态。
通过这个过程，发送端的量子信息被“隐形传输”到了接收端。重要的是要注意，量子隐形传态并不允许超光速通信，因为重构原始状态需要依赖于经典通信渠道传输的信息，而这个传输速率受限于光速。
量子隐形传态目前主要在实验室环境中进行研究，量子隐形传态是实现远距离量子通信和量子网络的关键技术，有望在未来的量子互联网中发挥重要作用。
（4）后量子密码（PQC）
PQC技术是指研发设计能够抵抗量子计算机攻击的加密算法。目前，PQC以及量子密码学领域已经开发出多种密码学技术和算法用于对抗量子计算的威胁，其重点就是避免使用整数因式分解和离散对数问题来加密数据。具体方法包括基于格的密码学、基于哈希的密码学、基于代码的密码学和基于多变量的密码学。
其中，基于格的加密技术被认为是目前最为突出和可靠的。在由美国国家标准与技术研究所（NIST）主导的全球影响力最大的PQC标准化工作中，其2023年选定的四种标准化算法，有三种都是基于格的加密技术。
新的后量子密码虽然能抵抗Shor量子算法的破译，但也并非万无一失。一方面，尽管这些后量子密码学问题目前看来难以攻破，但未来可能发现新的解决这些问题的方法；另一方面，后量子密码算法的实际实现也可能存在缺陷，或者在参数选择上出现失误，这些都可能成为潜在的安全漏洞。
据悉，目前对PQC算法的安全性已经从理论层面的数学漏洞拓展到实际应用层面，被NIST提名的标准化算法之一的Kyber密钥封装机制（KEM），在2023年接连爆出在应对侧信道攻击上的安全漏洞。
实际攻击的出现强调了在部署PQC算法时，及时检查并修复潜在漏洞的重要性，促使PQC算法的不断改进和演进，以提高真实应用场景中的安全性。
密码技术对于国家安全而言，处于一个非常重要的地位。为了保持数字世界的安全，PQC技术需要不断发展和更新，以随时适应新的威胁。
4.3 量子通信网络和量子互联网
（1）我国量子通信保密网络建设情况
量子保密通信网络核心设备包括QKD产品、信道与密钥组网交换产品等。目前能够实现的量子保密通信网络，包括局域网、城域网和骨干网。
局域网实现一个单位或一处地点内多个终端的接入，对距离要求不高；城域网负责城市范围内不同区域的连接，上联骨干网，下联局域网；而骨干网实现跨省、跨城的连接（包括地面光纤和卫星-地面站两种实现方式），现阶段以地面光纤为主，对距离要求高。
2016年8月，我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星——墨子号，成为世界上首个实现卫星和地面之间量子通信的国家，并充分验证了利用卫星平台实现全球化量子通信的可行性。
2018年经国家发改委批复，中国科学院旗下的国科量子通信网络有限公司承担了建设国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程的任务，2022年全线贯通并通过验收。国家量子骨干网覆盖京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈等国家重要战略区域，地面干线总里程超10000公里，是全球首个、也是目前唯一的大规模广域量子网络。
2023年6月，在第五届长三角一体化发展高层论坛上，由国科量子建设和运营的长三角区域量子保密通信骨干网建设成果发布。长三角区域量子保密通信骨干网络线路总里程约2860公里，形成了以合肥、上海为核心节点，链接南京、杭州、无锡、金华、芜湖等城市的环网。
城域网方面，2022年8月，安徽合肥开通了当时全国最大、覆盖最广、应用最多的量子城域网——合肥量子城域网，包含8个核心网站点和159个接入网站点，光纤全长1147公里。
目前二三十个城市都有自己的量子城域网，量子骨干网干线建设也有望加速带动相应配套城市的城域网建设。以上海为例，在2024年3月22日举行的上海市产业技术创新大会上，上海电信表示规划在上海区域内建设量子保密通信城域网，有望在2024年完成一期建设，从而成为全国首个实用化量子通信网络的标杆范例。
量子骨干网络建设投资与整个项目的体量相当大，而目前量子网络应用与客户群体相对传统项目较少。因此，后续量子应用部分仍需要各行业共同努力推广，以加速整个量子网络建设。
按照“四新”（新赛道、新技术、新平台、新机制）标准，国务院国资委近期遴选确定了首批启航企业，加快新领域新赛道布局、培育发展新质生产力，重点布局人工智能、量子信息、生物医药等新兴领域。
此前在2024年1月，工业和信息化部、科学技术部和国务院国资委等七部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》提出，前瞻部署新赛道，推动下一代移动通信、卫星互联网、量子信息等技术产业化应用。
相关政策的密集出，体现了我国对量子通信技术重要性的认识，为行业发展提供了强有力的政策支持，有望推动中国量子通信行业在未来达到新的高度。
（2）量子互联网
量子互联网（Quantum Internet）是一个基于量子信息技术的全新的通信网络概念，它利用量子力学的原理来实现数据的生成、存储、传输和处理。与传统的基于经典物理原理的互联网不同，量子互联网的核心在于利用量子比特和量子纠缠特性来提供更为安全和高效的通信能力。
量子互联网除了可以绝对安全地传送量子信息，还可以使用量子传感器与量子计算机来从事量子精密测量、量子数字签证、分布式量子计算等。
量子互联网具备三大要点：一是网络连接的设备是量子设备；二是网络传输的是量子信息；三是该网络传输的方式基于量子力学。
尽管已有一些量子通信卫星和地面基站建成，并成功实现了跨地区的量子密钥分发，但构建一个全球性的量子互联网还面临着巨大的技术和工程挑战，需要解决现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。
目前点对点利用光纤的QKD的使用安全距离达到百千米上下，在现有技术下，通过可信中继器可以有效加长量子通信的距离。
2017年，我国量子保密通信干线“京沪干线”，通过32个中继节点，贯通全场约2000千米的城际光纤量子网并顺利与量子卫星“墨子号”成功对接，构建成世界上第一个星地量子互联网。
2018年1月，中国和奥地利之间首次实现了距离达7600千米的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信，标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。
互联网的发明将人类带入信息时代，量子互联网则将提供一个改变世界的机会，全球主要国家都在积极布局。2020年8月，美国能源部发布《建立全国量子网引领通信新时代》的报告，提出10年内建成全国性量子互联网的战略蓝图。
总体而言目前商用量子计算机还未实现大规模应用，连接量子计算机的量子互联网仍是未来概念，目前各国推动的QKD量子保密通信网络是量子互联网的雏形，量子互联网的最终目标是将量子计算、量子测量等功能融合。
4.4量子通信的应用
根据ICV预测，2021年，全球量子通信市场规模约为23亿美元，预计到2025年，增长到153亿美元，到2030年，增长到421亿美元，2021-2030年CAGR约为34%。
量子通信产业链主要分为上游元器件及核心设备，中游网络传输线路及系统平台以及下游安全应用市场。目前，量子通信市场仍处于通信网络基础设施建设阶段，核心设备以及解决方案仍是产业链关键。根据ICV数据，上中游的核心设备及解决方案2025年市场规模预计占比达到80%，约122.4亿美元。
从目前我国量子通信基础设施建设情况看，12000多公里的量子骨干网络建设已经完成。按照总体规划，后续可能还有将近2万公里的骨干网络建设，涉及到北京到兰州、张家口、西安等地。
随着我国量子通信网络基础设施进一步完善，下游商业化应用也值得期待。ICV咨询数据显示，2021年量子通信下游应用市场规模约为2.3亿美元，2025年量子通信下游应用市场规模预计为30.6亿美元，2030年将达到117.88亿美元，2021-2030年CAGR约为54.87%。
目前量子保密通信仍局限于国防、金融、政务等领域，未来量子通信产业将赋能更多下游场景，相关企业正在积极探索更多商业化应用领域。
其中，国盾量子联合合作伙伴，将量子安全技术与大数据、云计算、物联网、人工智能等融合，共同推动“量子+”产业生态。国盾量子与中国电信共同推出了“量子安全OTN专线”“量子加密对讲”等产品和业务，量子密话业务的用户数目前已达到百万级以上；国盾量子及参股企业浙江国盾电力开展电力领域“量子+5G”应用示范，浙江省首座“量子+变电站”已在绍兴投入运营；与钉钉（中国）等企业合作，共同研发“量子安全应用门户”等系列安全办公产品。
随着量子密钥分发（QKD）组网技术成熟，终端设备趋于移动化、小型化，量子保密通信应用将扩展到电信网、企业网、个人家庭网等领域。
五、量子精密测量
量子精密测量技术是以量子力学为基础理论的，采用粒子能级跃迁、量子纠缠、量子相干等技术原理，对微观粒子如原子、光子等量子态制备、测量和读取，实现对物理参数如磁场、频率、电场、时间、长度等物理参数的高准确度精密测量。
5.1 量子精密测量的定义
量子精密测量的重要技术手段包括：基于微观粒子能级测量、量子相干叠加测量和量子纠缠测量，也是量子力学的基本属性。
（1）基于微观粒子能级测量
根据玻尔的原子理论，原子从一个高的“能量态”跃迁至低的“能量态”时便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的。当待测物理量与量子体系相互作用时，量子体系发生如能级跃迁、能级劈裂或简并等变化，此时量子体系就会辐射或吸收光谱，辐射或吸收光谱的能量大小与被测量的物理量相关。基于微观粒子能级测量的技术对外界环境（如温度、磁场等）要求较高，依赖于对量子态的操控技术。如1967年将铯原子中电子能级跃迁周期的9192631770倍定义为1s就是应用了微观粒子能级的技术原理。
（2）基于量子相干性测量
基于量子相干性测量技术主要利用量子体系的波动特性，待测物理量对两束原子束产生不同的影响，当两束原子发生干涉时，待测物理量就反应在原子束的相位差。原子陀螺仪、重力梯度仪等就是运用基于量子相干的技术原理。基于量子相干的技术手段已经应用在重力探测、惯性导航等领域。下一步的发展趋势是朝着小型化、芯片化发展，增强系统实用性。
（3）基于量子纠缠测量
基于量子纠缠的测量技术是让n个量子处于一种纠缠态上，外界环境对这n个量子的作用将相干叠加，使得最终的测量精度达到单个量子的1/n。该精度突破了经典力学的散粒噪声极限，是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。目前，基于量子纠缠的测量技术的应用领域包括量子通信、量子卫星导航、量子雷达等。
简单来说，量子精密测量就是利用量子叠加、量子纠缠特性，从基本原理方面突破了传统测量技术的经典极限，将环境中的各种变化，如温度、磁场、压力、时间、长度、重量等各种基本物理量和导出量，都提升到量子极限。
5.2 量子精密测量技术的发展现状和难点
在量子信息三大领域中，量子测量具有技术方向多元、应用场景丰富、产业化前景明确的特点。量子测量各技术方向的发展成熟度有较大差异，既有原子钟、原子重力仪等已成熟商用产品，也有量子磁力计、光量子雷达和量子陀螺仪等处于工程化研发和应用探索阶段的样机产品，还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于系统技术攻关的原型机。
量子精密测量技术的进步需要在量子物理、材料科学、光学、电子学等多个领域的交叉融合和创新，面临着诸多技术难点，主要包括：
（1）量子纠缠的生成和维持：量子纠缠是量子精密测量中的关键资源，但是在实验中生成高质量的纠缠态并不容易，且纠缠态很容易因为外界环境的干扰而解缠（即退相干）。
（2）退相干和噪声控制：量子系统非常脆弱，容易受到外部环境的影响，导致量子态的退相干。同时，各种噪声源，如热噪声、电磁噪声等，也会干扰测量结果。因此，要实现高精度测量，就需要极好地控制噪声和退相干。
（3）探测器的效率与分辨率：量子精密测量常常需要高效率和高分辨率的探测器来检测量子态。目前的探测器仍有提升空间，特别是在探测效率和时间分辨率方面。
（4）系统标定和误差分析：为了确保测量的准确性，需要对量子测量系统进行精确的标定。此外，测量结果的误差分析也非常复杂，需要考虑系统误差、统计误差等多种因素。
（5）量子态的操控：量子精密测量往往需要对量子态进行精细的操控，包括制备特定的量子态、实现精确的量子态转换等。这些操作对实验技术要求极高。
（6）材料和器件的开发：制作用于量子精密测量的材料和器件，如量子点、超导量子干涉器等，既要满足量子测量的需求，又要具备稳定性和可重复性，这在材料科学和器件工程上都是挑战。
（7）大规模量子系统的可扩展性：虽然对于小规模量子系统，我们已经能够实现较为精确的控制，但是如何将这些技术扩展到大规模系统，以便获得更高精度的测量结果，依然是一个巨大的挑战。
随着量子技术的不断发展，这些难点将逐步被克服，从而推动量子精密测量向实际应用领域的扩展。国际计量体系正处在由基于经典物理的实物标准向“量子标准”发展变革的时期。
2021年国务院印发的《计量发展规划(2021-2035年)》以及2022年国务院印发的《十四五”市场监管现代化规划》中，都明确提到要建立以量子计量为核心的国家现代先进测量体系，要研建量子计量基准，研究基于量子效应和物理常数的量子计量技术，推进计量标准的升级换代。
5.3 量子精密测量的应用
根据ICV数据，全球量子精测量密市场规模预计将从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%。其中，量子时钟、量子重力仪&梯度仪、量子磁力计三大细分领域市场规模较大，合计约占量子精密测量市场的85%。
（1）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。目前光学原子钟技术正迅速拓展其应用领域，涵盖了铁路移动通信、数据中心、国防和科学测量等多个行业。这一趋势表明光学原子钟不仅在科学实验室中有着卓越表现，还逐渐走向实际应用，为不同行业提供精准的时间测量和同步服务。
量子时钟凭借其极高的稳定性和精度，可以在多个领域中发挥重要作用。以下是一些主要的应用场景：
全球定位系统（GPS）和卫星导航：量子时钟可用于提高GPS和其他卫星导航系统的精确度。由于这些系统依赖于精确的时间测量来计算位置信息，因此量子时钟可以极大地提高它们的性能和可靠性。
科学研究：物理学实验，尤其是那些涉及到测量极其细微时间差异的实验，可以从量子时钟的高精度和稳定性中获益。这包括基础物理常数的测量、精密量子实验、天体物理学观测和探索宇宙的基本定律。
通信网络：量子时钟可以提高网络同步的精度，这对于维护高速数据传输和通信系统的可靠性至关重要。随着数据中心和网络基础设施的不断扩展，对时间同步的需求也在不断增长。
金融交易：在金融行业中，交易需要精确的时间戳记。量子时钟的精确度可以用于提高交易系统的透明度和公正性，尤其是在高频交易中。
军事和国防：精确的时间测量对于现代军事通信、导航、情报收集和武器系统至关重要。量子时钟可以提高这些系统的性能和准确性。
量子计算和量子信息：量子时钟还可以在量子计算机和量子通信领域发挥重要作用，这些领域依赖于精确控制和测量量子比特（qubits）的状态。
地球物理学和气候监测：量子时钟有望用于更精确地监测地球的自转、地壳运动和海平面变化，这些数据对于了解和预测气候变化和自然灾害至关重要。
深空探测：在深空任务中，量子时钟可以提供更精确的导航和控制，帮助航天器进行长距离的宇宙旅行。
根据ICV数据，2023-2035年，量子时钟市场呈现出稳步增长趋势，市场规模从2023年的5.8亿美元增长到12.1亿 美元，年复合增长率(CAGR)达到5.77%。
（2）量子重力仪
量子重力仪是一种高精度的仪器，它利用量子力学的原理来测量地球的重力场。这些设备通常使用超冷的原子云，通过对原子的自由落体运动进行精确测量，来探测重力场的微小变化。量子重力仪的工作原理基于量子干涉，这是一种量子物理现象，其中原子的波函数（或状态）被分割、转移和再组合，以产生可测量的干涉图案。
随着科学研究和工程应用对重力场和重力梯度的精确测量需求不断提高，量子重力仪和量子重力梯度仪凭借其高动态场景可靠性、无漂移等优势在领域得到广泛应用：
地球物理学研究：探测地壳运动、地震监测、火山活动研究、地下水位测量等。
矿产和石油勘探：确定地下岩石密度分布，帮助发现矿产资源和油田。
工程与建筑：在建筑工程中，监测重力变化以评估地基的稳定性。
国防和国家安全：量子重力仪的高精度测量能力在国防领域有潜在应用，例如用于水下导航和地下结构探测。
导航系统：为潜艇或其他需要精确地面参照数据的车辆提供精确的惯性导航信息。
目前，量子重力仪与梯度仪主要被用于军事领域。根据ICV数据，2023年军事国防占据了44%的市场份额，其次是研究领域，占据了33%的份额，而与油气勘探相关的民用市场则占据了23%的份额。
随着技术的不断成熟以及下游应用市场的不断拓展，产品的价格和性能将发挥关键作用，民用市场将带来量子重力仪和量子重力梯度仪市场呈现强劲的增长态势。市场规模从2023年的1.7亿美元迅速增长至2035年的10.7亿美元，年复合增长率达15.21%，彰显了该领域的巨大潜力。
（3）量子磁力计
量子磁力计是一种利用量子效应来测量磁场强度的仪器。它们通常比传统磁力计更敏感，能够检测极其微弱的磁场。量子磁力计工作的基本原理是，当某些物质（通常是原子或电子）的量子态受到外部磁场的影响时，它们的能级会发生变化。通过精确测量这些能级变化，可以推算出磁场的强度。
在当前量子磁力计市场中，技术多样性是显著的特点。各种技术，包括质子磁力计、SQUID磁力计、 OPM磁力计、SERF磁力计、NV色心磁力计等，都在不同的应用场景中发挥独特优势。这使得市场在技术上呈现出多元化和广泛的选择。
量子磁力计具有高灵敏度和精确度，在多个领域有着广泛的应用场景，以下是一些主要的应用场景：
地球物理勘探：量子磁力计可以用于探测地下的磁性矿物，如铁矿石，从而帮助地质学家识别矿产资源。此外，它们还可以用于监测地磁场变化，以预测地震和其他地质事件。
医疗成像：在磁共振成像（MRI）中，量子磁力计可以帮助提高成像的分辨率和质量。此外，它们还可以用于磁粒子成像（MPI）技术，这是一种新兴的成像技术，有望在未来成为一种无辐射的医学成像方法。
生物学研究：量子磁力计可以用于测量生物体内的微弱磁场，例如，监测心脏的磁场变化以研究心脏疾病，或者跟踪神经系统中的信号传导。
军事和安全：在军事领域，量子磁力计可以用于探测潜艇、地雷或其他隐藏的金属物体。此外，它们还可以用于防止间谍设备的侦听和监视。
空间和天文物理学：量子磁力计能够探测太空中的微弱磁场，从而帮助研究太阳风、行星磁场和星际磁场等现象。
基础物理研究：在实验物理学中，量子磁力计可以用于探测极其微弱的磁场，这对于粒子物理、量子物理和凝聚态物理等领域的研究至关重要。
工业应用：量子磁力计可以用于无损检测，例如检测管道、飞机和桥梁中的微小裂纹和腐蚀，以确保这些结构的安全性。
量子磁力计在科学研究中的应用日益广泛，尤其在物理学、地球科学和生物医学领域。同时，在工业领域，量子磁力计广泛应用于磁性材料测试、电子制造等。这些应用的拓展进一步推动了市场规模的增长。
根据ICV数据，量子磁力计市场在2023-2035年中，呈现出稳步增长态势，从2023年的4.8亿美元增长至2035年的10.0亿美元，这一增长趋势主要受到科学研究、工业领域和其他领域对高精度磁力测量的不断需求推动。
六、量子科技投资全景图
6.1 量子科技公司图谱
（1）量子计算领域主要公司
（2）量子通信领域主要公司
（3）量子测量领域主要公司
6.2 国内主要量子科技公司评价
本报告参考文献
[1]张庆瑞,《量子大趋势》
[2]iCV&光子盒,《2024 全球量子计算产业发展展望》
[3]iCV&光子盒,《2024 全球量子通信与安全产业发展展望》
[4]iCV&光子盒,《2024 全球量子精密测量产业发展展望》
[5]东吴证券,《量子信息：下一场信息革命》
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出品：第一财经丨第一财经投研中心
主编：钱焜
