《瞰势》⑥ | 成都科创投集团年度研报:量子科技——重构算力、通信与感知的底层法则

量子科技以量子力学为底层基础，通过操控光子、原子等微观粒子的量子态突破经典信息技术的物理极限，核心能力源自四大量子特性：量子叠加使粒子可同时处于多物理状态，赋予量子比特并行信息承载能力；量子纠缠让相互作用的粒子形成整体关联态，状态变化可超距同步；量子不可克隆定理决定未知量子态无法无损复制，任何窃听都会扰动量子态并可被检测；海森堡不确定性原理划定了共轭物理量的精度下限，既是经典测量的理论边界，也为量子精密测量提供了突破路径。

图1 量子比特与经典比特对比示意图

图2 量子比特的物理基础示意图

基于上述原理，量子科技衍生出三大主流应用赛道：量子计算依托叠加与纠缠特性，通过量子门电路操控量子态演化，在组合优化、分子模拟等特定问题上实现指数级算力提升，当前处于含噪声中等规模量子发展阶段；量子通信以不可克隆定理为安全根基，通过量子密钥分发实现无条件安全的密钥协商，是目前唯一可从物理层面杜绝窃听的加密技术，进阶方向为量子隐形传态；量子精密测量利用粒子能级、物质波干涉等特性，结合纠缠态、压缩态技术突破经典测量精度上限，衍生出原子钟、量子重力仪等高精度设备，测量精度较传统设备高出数个数量级。

量子计算实用化需满足可扩展性、状态初始化、长相干时间、通用逻辑门、精准测量五大物理标准，当前多技术路线并行竞争：

以超导约瑟夫森结电路为载体，工艺兼容半导体制造，门操作速度快（纳秒级）、扩展性强，可集成千级比特，是当前最主流路线；需极低温（10-20mK）运行，瓶颈为相干时间短、对环境噪声敏感、比特仅支持近邻耦合，双比特门保真度约99.6%。

图3 超导量子比特的基本原理

以电场囚禁离子的能级为载体，通过激光操控，是当前保真度最高的路线，双比特门保真度达99.99%，相干时间接近秒级且比特全连通；瓶颈为门操作速度慢（微秒级）、大规模阵列扩展工程难度大，当前为百级比特规模。

图4 离子阱激光寻址光路示意图

以光子的偏振/路径编码量子态，无需低温真空，相干性强、并行度高；瓶颈为光子间相互作用弱，通用双比特纠缠门实现难度大，光子损耗高，当前仅适用于玻色采样等特定任务，通用计算架构尚未成熟。

图5 中科院“九章四号”光量子计算原型机示意图

以光镊阵列囚禁冷原子能级为载体，构型灵活、扩展性好，支持远程全连通操控；瓶颈为双比特门保真度约99.5%，当前为三百比特级规模，是近年增速最快的路线之一。

图6 中性原子量子计算机的原理图

金刚石NV色心（可室温运行）、自旋波、拓扑量子计算（理论抗噪性极强）均处于实验室研发阶段，尚未实现实用化。

当前形成四大技术路径，成熟度差异显著：

基于量子不可克隆定理生成无条件安全的共享密钥，搭配经典信道完成信息加密传输，是唯一进入产业化应用阶段的路线；核心瓶颈为设备及运维成本高、上游核心器件良率偏低。

图7 量子密钥分发BB84协议示意图

依托量子纠缠与经典信道，远距离传输未知量子态（不传输粒子本身）；核心卡点为高保真纠缠制备难、量子中继技术不成熟，目前仅实现实验室短距离验证。高维量子（High dimensional）则不局限光子2维偏振比特，用轨道角动量/时间/路径构造d维量子态，单光子承载更多信息、抗窃听更强。

图8 高维贝尔态测量（HDBSM）实现高维量子隐形传态原理图

无需预共享密钥，直接通过量子态编码传输信息，传输中可实时检测窃听；瓶颈为传输损耗大、高速调制效率低、设备标准化滞后，距实用化仍有距离。

图9 量子直接通信原理示意图

基于格、编码等经典数学难题构建抗量子攻击的密码体系，无需量子硬件，在经典环境中运行；核心卡点为算法性能开销大、现有通信生态适配难度高，处于标准落地初期。

依托微观粒子量子态演化实现超越经典极限的高精度传感，按物理实现分为五大技术路线，对应不同应用场景：

利用极低温原子的物质波干涉效应，可测量重力、惯性、时频，精度达厘米级，多用于地质勘探、高端惯导；需低温真空环境，系统体积大、成本高。

通过精准控制离子阵列测量电场、磁场、惯性参数，精度极高，用于军工级惯导与科研场景；系统复杂度高、规模化难度大。

以室温下的电子自旋为传感单元，可测量磁、温、应力等多物理量，空间分辨率高，适合工业精密检测、生物医疗；灵敏度弱于超导方案。

基于约瑟夫森效应探测极弱磁场，灵敏度为各类方案最高；需极低温运行，多用于军工、科研与医疗成像。

基于室温原子气室实现磁场、旋转、时频测量，部署便捷、成本低，适合民用工业与消费级场景。终端产品主要包括原子钟、量子磁力仪、量子陀螺仪、量子重力仪等。

量子科技三大赛道整体处于产业化加速期，在政策扶持、技术迭代与行业刚需共同驱动下，量子测量、量子通信率先实现商业化落地，量子计算长期增长空间广阔，各赛道均保持高速扩容态势。

当前大规模无人装备战场指挥、人工智能大模型、具身智能机器人服务、前沿科研计算、国家实时能源调度系统等领域对算力需求巨大。但是由于晶体管接近物理极限、存储墙限制、能耗散热管理等问题导致现有芯片架构无法有效满足上述场景对算力的需求。量子计算由于其高效的并行计算能力，可以指数级提升算力密度从而颠覆现有的计算架构。美国目前在算力领域处于垄断领先地位，并对国内实施了技术封锁，包括GPU芯片、CPU芯片、半导体关键设备等领域。但量子计算方面中美起步相同，目前各技术路径发展齐头并进，有望打破美国在算力领域一家独大的格局。

行业仍处多技术路线并行阶段，竞争焦点已从单点技术比拼转向全产业链生态话语权，覆盖硬件量产、软件平台、标准制定的生态闭环是企业核心护城河。全球产业形成中美两大独立体系：美国依托半导体产业链与科技巨头，在超导等路线积淀深厚；中国以产学研协同模式，在量子通信、光量子等赛道确立领先优势。上游核心器件是产业链价值高地，曾是产业发展瓶颈，当前国产化加速推进，未来器件量产降本将重塑产业链利润格局，成为确定性最高的价值锚点之一。

量子计算多元技术路线并存发展，超导、光子、离子阱、中性原子体系构成四大主流研发方向，自旋波、拓扑量子比特、金刚石氮空位（NV）色心等体系为重要补充。各技术路线在逻辑比特规模、系统可扩展能力、量子相干寿命、量子门运算时长、量子门保真度等核心性能维度具备差异化优势。量子通信技术谱系依据传输特性划分应用场景包括量子密钥分发（QKD）、量子隐形传态（QT）、量子直接通信（QDC）在最大传输距离、信道损耗、硬件部署需求与综合成本层面存在显著区别，分别适配广域骨干量子保密网络、长距离量子态中继传输、短距离轻量化明文加密场景；后量子密码（PQC）作为经典密码体系的补强方案，可有效抵御量子计算机的破译攻击。量子精密测量领域基于冷原子、金刚石 NV 色心、超导量子干涉仪（SQUID）等多条实现路径，已在时间基准、磁场测量、重力探测、惯性传感、目标识别五大领域完成产业化落地。

量子与多领域深度融合催生多元新业态：“量子+AI”双向赋能，既优化量子硬件研发流程，又反向加速AI大模型训练；“量子+卫星”突破光纤距离限制，构建全球空天地一体化保密通信网络；“量子+军工”重塑装备导航、探测的精度与抗干扰能力；“量子+能源”提升电网同步、油气勘探与系统安全水平。1-3年量子纠错算法持续升级，关注量超融合计算、量子神经网络（QNN）加速人工智能模型迭代；量子密钥分发技术降本增效，关注卫星通信量子加密，军工量子保密通信；量子测控精度提升，关注星载量子原子钟、量子反隐雷达，油气浅层勘探。3-10年含噪声量子通用计算技术突破，重点关注全域仿真电子对抗、军事实时指挥系统、新型材料研发科学计算；量子通信和量子测量领域重点关注天地组网成型、深空资源勘探等；10年以上重点关注通用量子计算机实现商业化。