2025年世界量子科技年：美中量子竞赛态势与未来国际影响力格局解析

随着世界进入2025年，也进入了联合国大会去年6月宣布的“世界量子科学技术年”。自从124年前马克斯·普朗克提出“量子”概念以来，量子技术一度只是科幻小说中的一个很酷的概念。然而，到了2024年，量子技术的实际应用却取得了一系列非凡的成就。预期发展。量子技术被中国领导人称为“颠覆性技术创新”，不仅关系到全球经济、技术和安全格局，更是决定未来国际影响力格局的重要因素。美国和中国在这一领域的竞争尤为激烈，有观察家称之为新冷战时代的“量子竞赛”。本文简要介绍了什么是量子技术，并梳理了中美“量子竞赛”的情况。

中美两国高度重视量子技术

2025年1月2日，美国财政部关于量子技术的新规定将生效，禁止美国个人和公司在中国投资开发包括量子技术在内的一系列先进技术。这是财政部于2024年10月28日最终确定的。美国于2018年通过了《国家量子倡议法案》，加速美国量子技术的发展。 2024年12月，美国参议院修改颁布《国家量子计划再授权法案》，加大对美国量子技术发展的支持。 2023年5月，美国拜登政府发布《重要和新兴技术国家标准化战略》，将量子技术定位为战略领域。

12月9日，谷歌宣布其名为Willow的量子芯片在不到5分钟的时间内完成了计算。这个计算的疯狂之处在于，目前世界上最先进的超级计算机需要10,000,000,000,000,000,000,000,000年（10的25次方）才能完成这个计算。量子技术也受到了中国政府的关注。通过“十四五”等政策文件，中国政府将量子技术列为国家优先发展领域之一，并注入远超欧美国家的政府财政支持。早在2020年10月，政府就召开了主题为“量子技术研究与应用前景”的集体学习会。主持会议的中国领导人强调，“我们要充分认识推动量子技术发展的重要性和紧迫性，加强量子技术发展的战略规划和系统布局，把握大势，先下手为强。” 2021年，中国政府将量子技术纳入“十四五”规划中的七大“技术前沿领域”。根据麦肯锡公司2022年的报告，中国在量子技术的公共投资方面领先世界，达到了2021年的70%。 153亿美元——是美国政府投资（19亿美元）的八倍，是欧盟成员国总投资（72亿美元）的两倍。

10月11日，香港《南华早报》报道称，中国科研团队利用加拿大D-Wave公司研发的量子计算机，成功破解了目前商业领域广泛使用的RSA加密算法，甚至可以破解“军用级”加密算法。 AES加密（“高级加密标准”）引起了国际量子界的广泛关注和争议。 12月7日，中国电信量子集团发布超导量子计算机“天眼504”，搭载中国科大国盾量子生产的504个量子比特的“虹鸿”芯片，成为我国单台量子计算机数量最多的计算机。位。电脑。新华社报道称，它将接入“天眼”量子计算云平台并对外提供服务，“将实现算力规模和算力类型的双重升级”。德国智库墨卡托中国研究中心在一份报告中写道：“美国和中国都已将量子技术提升到全球技术竞争的舞台，类似于冷战时期的核能力竞争。” “虽然最终产品不会是炸弹而是计算机，但首先开发量子计算技术的一方将在密码学、通信和信息处理等军事领域拥有显着优势。”

什么是量子技术？

量子技术基于量子力学的三个核心原理 -

量子叠加：传统计算机的比特只能表示0或1的状态，而量子比特（qubit）可以是“0”和“1”的叠加状态，允许其以两种以上的状态存在。这使得计算能力呈指数级增长。

量子纠缠：两个或多个粒子可以通过“纠缠”相互关联，这样一个粒子的变化可以瞬间影响另一个粒子，无论它们相距多远。这一性质为量子通信提供了理论基础。

量子隧道效应：允许粒子穿过经典物理学中无法克服的势垒，这种现象被用于量子传感器中以实现极高精度的测量。

量子技术主要集中在三大领域：

量子计算：利用量子位来执行复杂的计算，例如模拟分子行为以加速新药的开发以及解决人工智能中的复杂问题。

量子通信：通过量子密钥分发（QKD）实现高度安全的通信，无需担心窃听威胁。

量子传感：应用于地震监测、医学成像、军事侦察等领域的超高精度测量技术。

为什么量子技术很重要？

量子技术被视为未来科技竞争的核心。实现“量子霸权”的国家将在计算能力、信息安全和军事优势方面获得压倒性优势。

国家安全需求：量子通信的非窃听特性为政府、军事和金融机构提供了前所未有的通信保障。与此同时，量子计算机未来或许能够打破现有的加密算法，迫使世界开发抗量子加密技术，以应对可能出现的“Q-Day”——量子计算打破传统加密的时刻。

军事领域颠覆性影响：量子雷达可探测隐形战机等目标；量子导航可以在没有卫星的情况下提供精确定位，增强导航系统的可靠性，这在潜艇、水下无人机等复杂环境中尤为关键。

巨大的经济潜力：量子技术有望解决许多目前无法解决的复杂问题，例如优化物流网络、加速药物研发、改善金融风险管理等。麦肯锡预测，到2035年，量子技术在医学、金融、化学等领域的市场价值将超过7000亿美元，其中金融和医药行业收益最为显着。

中美量子技术竞争现状

包括华盛顿智库信息技术与创新基金会（ITIF）在内的众多西方智库一致表示——

在量子通信领域，中国领先世界；

中国在量子计算方面落后于美国；

在量子传感方面，美国和中国势均力敌；

在市场化量子技术方面，中国表现良好；但在高影响力的量子技术方面，美国仍然占据主导地位。 ITIF报道援引专家的话说，美国和中国在量子技术领域各自优势的差异，反映出两国应对量子技术领域挑战的完全不同的国家战略。美国专注于量子计算的长期潜力。这类技术虽然还不成熟，但应用前景广阔，可以覆盖多个行业。而中国则侧重于量子通信的即时性和安全性应用，技术较为成熟，但市场范围较小。 《南华早报》2017年报道称，中国已在中国科学技术大学所在地安徽省省会合肥开始建设“世界上最大的量子实验室”。当时有西方媒体将其比作制造出世界上第一颗原子弹和氢弹的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室。安徽省于2017年启动第一期规模100亿元的量子科学发展基金。2017年7月11日，中国量子创新研究院在这里正式揭牌，被誉为中国“量子之父”的潘建伟、作为其主席。牵头研制“墨子号”量子科学实验卫星和量子保密通信“京沪干线”。被誉为中国首家量子计算独角兽公司的本源量子也在这里。 2024年1月，该公司研制的中国第三代自主超导量子计算机“原悟空”上线。该机搭载的“悟空核心”共有198个量子比特。 “打造中国自己的量子计算机”，《人民日报》海外版对此进行了大量报道。本源量子联合创始人、首席科学家郭国平对本报表示：“我们在关键核心技术领域不能受制于人，必须拥有中国自主可控的量子计算机。”

英国《经济学人》杂志12月31日发表题为《中国在量子技术领域逐渐追赶美国》的文章，以本源量子及其“本源悟空”量子计算机的特写开始。 “目前尚不清楚陈列室里的展品是否是出售的，但这些设备显然不是给外国人看的。记者走访期间（事先征得同意），该公司在看到外国人后显得极其惊慌，采访安排是突然取消并通知警方，《经济学人》报道称，“除了武器制造业，很少有行业像量子技术一样敏感。而世界各地的军方也对量子技术表现出了浓厚的兴趣。”这也是中国严格监管的原因之一保护其量子产业。” 《经济学人》写道，对其零部件供应链的运作方式知之甚少，中国政府也对一些相关技术的出口实施了限制，美国今年10月也对其量子技术采取了保护措施。美国财政部对美国对中国量子产业的投资实施严格限制。

量子通信：中国领先世界

量子卫星：2016年，我国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，成功实现了从卫星到地面站的高速量子密钥分发。 2022年，中国发射了第二颗量子卫星“济南一号”，性能显着提升。第三颗量子卫星计划于2026年发射。 京沪干线：2017年，中国建成量子保密通信“京沪干线”，全长超过2000公里。中国官方媒体称：“这是目前世界上距离最长的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线。”

国际合作：中国和俄罗斯将于2023年测试量子卫星连接，并有可能扩展到其他金砖国家。

专利优势：据日经中文网统计，截至2024年8月，中国在量子加密通信领域公开专利数量为5544件，远超美国的806件。 “由于公开专利也会导致技术公开，因此欧美国家也存在刻意不申请专利的趋势，”日经中文网指出。

量子计算：美国优势显着

在量子计算方面，美国无论是硬件研发还是算法复杂度都明显领先于中国。美国公司（例如谷歌、IBM和IonQ）开发的量子计算机的量子比特数量明显高于中国开发的量子计算机。量子比特的数量是衡量量子计算机性能的重要标准。与中国目前504个量子位的记录相比，美国公司研发的量子计算机拥有数千个量子位。谷歌2024年12月推出的“Willow”量子芯片实现了纠错功能，堪称量子计算走向实际应用的重要一步。美国在纠错算法、量子门设计、超导量子计算等方面表现出色。美国IBM于2022年开发出433量子比特的量子计算芯片“Osprey”，并计划在2025年推出超过4000量子比特的量子计算机。

美国公司拥有更先进的硬件设计能力，例如基于超导材料和离子陷阱的技术，在量子比特稳定性和降低错误率方面优于中国。两种最著名的量子算法——用于分解大数的肖尔算法和用于更快破解加密消息的格罗弗算法——都是由美国研究人员开发的。美国公司和盟国公司在量子算法的实际应用中处于领先地位。

《经济学人》文章指出，中国可能正在缩小这一差距。

2024年12月17日，中国科学技术大学潘建伟团队研制的105量子比特“祖冲3号”量子计算机上线。中国官方表示，“祖冲三号”超越了谷歌2024年10月在《自然》杂志上发表的72位“平台树”处理器六个数量级。 “这是目前超导量子计算最强的优势。”虽然。中国仍然依赖西方供应商提供运行量子计算机所需的许多关键部件，例如专用激光器，但其依赖性正在下降。波士顿咨询集团表示，“随着中国企业不断提高制造这些必要设备的能力，预计西方供应商将逐渐减少在中国的销售。”中国自主研发的稀释制冷机就是一个例子。该设备用于产生运行量子计算机所需的超低温。 2024年，多家中国企业和实验室宣布在该领域取得突破。 2024年6月，中国官方媒体报道称，本源量子研发的本源SL1000稀释冰箱“赶上了国际稀释制冷第一梯队，实现了从跟随到并列的跨越”。同年9月，合肥智冷深冷科技有限公司研发的400系列稀释制冷机“在实验室实际使用中实现了最低温度7.45mK连续运行100天以上，创下国内纪录”气温最低、运行时间最长”，中国官方媒体称。 《经济学人》指出，由于中国量子产业的高度保密性，外界很难验证国产稀释冰箱的实际性能以及是否真的足以支持量子计算机的运行。该杂志表示：“但如果这些说法属实，它们将标志着一个重要的里程碑。”稀释冰箱是量子供应链中的核心设备。多年来，芬兰公司 BlueFors 和英国牛津仪器公司一直是全球量子计算机所用冰箱的主要供应商。美国于2024年9月对中国量子计算领域实施出口管制，包括高性能冷却系统以及量子计算机所需的其他设备、部件、材料和软件，并呼吁盟友跟进。

量子传感：势均力敌

量子传感侧重于精确检测微弱信号，例如磁场和重力的​​变化。该领域的潜在应用非常广泛，包括医学成像、地质勘探、军事雷达和军事导航。不少西方智库得出的结论是，美国和中国在量子传感方面的技术实力接近，竞争处于胶着状态。 “该领域的领导地位对于短期应用至关重要。” ITIF 指出。其中一些量子传感技术已经达到高度成熟，并逐渐进入各种工业应用，提供传统传感器无法比拟的更高灵敏度和新功能。在医疗保健领域，这些技术正在实现更精确的心脏监测和先进的脑机接口。来自麻省理工学院 (MIT) 和哈佛大学的一个研究小组利用量子传感技术提高了早期癌症检测的 MRI 成像精度。

在军事应用方面，中国军事研究院声称已开发出可以探测潜艇和海底其他隐藏威胁的量子传感器。中国官员还表示，其量子雷达技术显着提高了探测隐形飞机的能力。美国军方还在开发高精度量子重力传感器，用于探测核潜艇和隧道等地下结构。美国海军研究实验室正在探索量子罗盘技术，以在没有 GPS 信号的情况下提供高精度的导航能力。中国的北斗导航系统也在利用量子传感技术来提高定位和导航精度。此外，中国地震局已开始试验基于量子传感的地震监测设备。美国正在开发用于石油和天然气勘探的量子传感器，以更有效地检测地下资源、降低开采成本等。

创新模式比较

在发展量子技术方面，中国的国家主导模式与美国的市场驱动模式完全不同。美国由大型科技公司、风险投资、初创企业和大学研究推动，私营企业主导研发，政府支持相对有限。美国量子科技初创公司获得的私募股权资金总额是中国的10倍以上。这种模式鼓励竞争、多元化发展，但也存在资金分散、协调不够的问题。

中国更多地依赖国家领导。大多数研究是由国有大学和国家实验室进行的，行业和政策制定者之间有着密切的联系。国家自然科学基金委员会资助了量子领域近一半的论文，本源量子等量子初创公司也得到了政府直接或间接的支持。这种自上而下的模式在资源整合和供应链建设方面具有优势，但也可能因缺乏竞争而限制创新。