一、第二次量子革命：新核心竞争力

二十世纪，信息科学与量子力学是人类历史上最重要的两大文明进展。信息科学的革命性发展对人类处理信息、传递信息的方式产生了根本性的变革。而量子力学则颠覆性地改变了人类对物质世界的理解和认识。理解并利用光与物质的量子特性，成了第一次量子革命的核心推动力，并直接导致了激光、晶体管的发明。从激光到核磁共振，从晶体管到当今强大的智能手机、互联网，这些跨时代的发明奠定了当代信息科学技术的基础，也深刻地改变了世界的面貌，更推动了人类的科技文明达到了前所未有的历史高度。

从二十世纪八十年代开始，人们已慢慢发展起来对单个原子、单个电子、单个光子进行精确控制与检测的技术。2012年，美国和法国的物理学家因为在单原子的量子调控方面做出的突出贡献获得了诺贝尔物理奖，标志着量子调控的重大意义得到了广泛的认可。对单个原子、单个电子、单个光子进行量子调控与检测的能力，成为掀起第二次量子革命的新核心竞争力！第二次量子革命对人类科学技术及生产力的推动将是史无前例的，远超数字计算机对算盘的变革。伴随第二次量子革命而诞生的颠覆性技术产业化已经呼之欲出，世界各国政府、高科技公司纷纷投入到第二次量子革命的大浪潮中。第二次量子革命也为我国提供了建设科技强国、经济强国的宝贵历史机遇！

量子信息科学技术，本质上是通过对单个原子、单个电子、单个光子的独特量子属性进行调控与检测，从而来实现远超当前技术水平的获取信息、处理信息、传输信息的能力！这些独特的量子属性主要包括量子叠加性、量子纠缠等，对量子叠加性、量子纠缠的调控与检测是量子信息科学技术之所以能产生未来颠覆性技术的核心要素！

量子叠加性：在日常生活中，任何物体在任何一个时刻，都是处在确定的位置，具有确定的物理属性。但是，电子却可能同时处在不同的位置，光子也可能同时沿着两条路径传播，这些似乎与常识相悖的行为正是微观粒子的量子叠加性的体现。

量子纠缠：量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，因为量子纠缠现象的存在，“天南地北”的不同粒子之间，也可能存在奇妙的量子关联：当对其中一个粒子做测量，另外一个粒子似乎“知道”测量动作的发生与结果。

二、量子信息科学技术之核心应用

量子信息科学技术将引起人类获取信息、处理信息、传输信息方式与能力的革命性变革，对应于以下三大核心应用领域：

量子精密测量—获取信息

量子计算与量子模拟—处理信息

量子通信—传输信息

（一）量子精密测量

根据目前世界范围内的研发水平以及广泛的潜在应用，预计以量子时钟、量子成像、量子传感为代表的新一代量子精密测量设备将在3—10年之内全面产业化，全球市场将远超100亿美元。

1.量子时钟：全球定位系统（GPS）和全球卫星导航系统（GNSS）在导航、金融交易、电力网络中的作用众所周知。时间测量与同步是GPS和GNSS系统的核心要件。利用原子或者束缚离子来测量时间的量子时钟，可以将时间的测量精度提升到前所未有的新高度。下一代网络、5G、智慧电网、物联网、网络金融的迅速发展，为高精度的原子钟提供了广阔的应用前景。此外，原子钟在深海石油探测、雷达系统等方面也有重要的应用前景。

2.量子成像：基于量子力学原理的量子成像技术，通过测量单个光子的到达时间、量子属性，有效的抑制噪声，提升成像的质量，突破现有成像的极限，看到现有的成像技术无法探测到的图像。量子成像技术最大的应用市场是医疗成像。单光子量子成像技术，可以实现低成本、有效的直接3D成像，可以绕过障碍物识别物体，可以在低可见度条件下，实现高清晰、高分辨率的成像。到2020年，全球成像市场规模预计超过500亿美元，量子成像技术的产业化将对全球成像市场进行根本性的重塑。

3.量子传感：量子传感能以更高的灵敏度、准确度，更快的速度来测量加速度、重力、转动、时间、压强、温度、电场、磁场等。量子传感技术在很多领域有着重要的应用，例如在对地下结构的检测（地下管道、排水管道）、环境监测（地下含水层及沉陷的监测），矿藏储存的探测、自然灾害预警、地下爆炸的监控（国防战略需求）；在医疗健康方面，基于量子传感的精准诊断技术将为阿尔茨海默病、癌症等重要疾病的早期检测提供低成本、无副作用的新技术。

（二）量子计算与量子模拟

量子计算提供的完全超越现有超级计算机的算力，代表了国家战略核心竞争力。量子计算机短期内不会取代现有的计算机，通用的量子计算机的实现将需要10—20年的时间。然而，即使只能解决或者分析某些特定问题的专用量子计算设备，也将足以在5—10年内对信息科学技术产业产生革命性的影响。同时，由于量子计算研发的战略意义和无可取代性，围绕实现量子计算的硬件、软件研发将迅速产生可观的产业化效益！

新的应用是快速破译现有密码体系，对现有的以数学为基础的密钥体系（RSA 体系）形成整体颠覆。量子计算可以对海量数据进行实时分析处理，有效解决高性能、大数据计算问题，为金融、人工智能、气象预报、石油勘探、药物设计、新材料研发、人类基因分析等所需的大规模计算难题提供解决方案；量子模拟也在揭示高温超导、量子霍尔效应、宇宙学等复杂物理机制方面有着重要作用，为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。经过数十年的研究，量子计算已经不再是遥不可及的梦想！预计5—10 年内人们将研制出具有超过 100 个物理量子比特的专用型量子计算机。

（三）量子通信

目前使用最广泛的公钥密码体制是RSA 体制，其安全性是基于“大数因子分解”的计算复杂性。在未来随着量子计算的发展，RSA公钥密码体制在量子计算机的超快计算能力下不堪一击。量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是迄今为止唯一被严格数学证明的绝对安全，其核心技术是通过量子密钥分发，实现相距遥远的通信双方共享绝对安全的量子密钥。量子通信技术相比传统通信技术在安全方面有着压倒性优势，第三方无法监听、探测而不被发现。

量子通信涉及量子保密通信、量子隐形传态、量子密集编码、保密量子云计算等多个领域，其中量子保密通信处于实用化和产业化高速推进的阶段。瑞士、美国、法国、澳大利亚等国的公司的量子密码相关产品已上市出售。国内量子保密通信也开始进入大规模建设与实用阶段，众多公司争相介入。量子通信的产业化对新经济的推动力将快速呈现。量子通信在政府服务领域、金融领域、商业领域、国防军事将得到广泛的应用，国内量子通信市场规模预计在100—1000亿。

三、量子信息科学技术之国际竞争态势

近年来，量子信息科学技术的产、学、研受到各国政府、研究机构、高科技公司、投资机构的极大重视，并获得了大量的资金支持。根据麦肯锡（McKinsey）咨询公司的研究，2015年全球约有7000人正在进行量子信息科学技术研究，总预算约为15亿美元。量子信息科学技术的产业化将进一步推动这些数字的增加。量子信息科学技术的发展已经处在从实验室到产业化、商业化过渡的关键历史时期。世界上发达国家政府、投资机构不断的加大资源投入力度，支持越来越雄心勃勃的量子信息科学技术研发。美国发起“国家量子计划”（每年资助2亿美元），将量子传感、量子计算、量子通信列为三大战略支持领域。欧盟发布“量子宣言”启动“量子技术旗舰计划”（资助10亿欧元），制定量子通信、量子传感、量子计算与量子模拟的短中长期发展规划。英国启动了一项价值2.7亿英镑（3.37亿美元）的“国家量子技术计划”，制定十年规划目标，力争逐步实现量子系统组件、量子时钟、量子成像、量子传感、量子通信、量子计算等一批量子信息科学技术的产业化、商业化应用。量子信息科学技术既是国防战略的需求，对国民经济特别是高附加值产业的发展也具有重大意义。世界上各大高科技公司，包括Google、IBM、微软、腾讯、阿里巴巴、华为等，纷纷加入到量子信息科学技术产业化的竞争浪潮。

四、量子信息科学技术之中国战略实力

我国在量子信息领域的研究起步较早，经过二十余年的发展，已经具备强劲的国际竞争力：在量子传感与量子精密测量方面，尤其是在量子时钟、量子成像、量子传感方面取得了一系列突破性进展，接近国际领先水平；在量子计算与量子模拟方面，紧跟国际前沿，目前在实现量子计算的主流体系和架构方面，都有明确布局；在量子通信方面，特别是在实用化的量子密钥分配方面，处于国际领跑地位。

国家对量子信息科学技术的发展高度重视，将其视为国家战略优先发展的领域、产业。科技部“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金重点项目、中科院知识创新工程重大项目以及“十二五”专项规划、科技部国家重点研发计划对量子信息科学技术持续高强度支持。

国家开始成立量子信息国家实验室，一期计划总投资约70亿元，预计将在2020年筹建完成，整合国内相关领域的研究力量，突破量子信息科学技术的核心关键技术。各地政府也在量子信息科学技术领域积极布局。2017年北京市政府和中国科学院、军事科学院、北京大学、清华大学、北京航空航天大学联合成立北京量子信息科学研究院；深圳市南方科技大学成立量子科学与工程研究所；2018年，中科院成立精密测量科学与技术创新研究院，并与鄂州市共建量子工业技术研究院。安徽、浙江、山东、江苏也相继成立了量子信息科学技术研究院或者创新中心。

国内的高科技公司阿里巴巴与中科院合作，成立中国科学院——阿里巴巴量子计算实验室；腾讯、华为也相继成立量子实验室。企业的加入与投资，将进一步加速量子信息科学技术产业化的进程。

五、武汉市量子信息科学技术产业发展建议

量子信息科学技术，毫无疑问是未来数十年将为世界带来深刻变革性技术与产业升级的战略领域。量子信息科学技术的产业化，已经迈入了加速发展的阶段。在这场第二次量子革命的竞争角逐中落伍，有可能意味着在未来很长一段时间内核心竞争力的缺失。从全国范围内来看，安徽省、广东省、北京市、山东省、江苏省在量子信息科学技术的产业化方面布局稍微领先。在量子信息科学技术的产业化方面， 2017年武汉市量子保密通信城域网项目一期建设完毕，标志着武汉市正式进入量子通信时代。

武汉的高等院校与研究所已经储备了大量量子信息科学技术领域的高水平人才，这是武汉发力推进量子信息科学技术产业化的核心优势！中国科学院武汉物理与数学研究所在原子钟、离子阱、核磁共振等方面具备了强大的研究实力，研发的星载铷原子钟助力我国卫星导航系统领先国际。中国船舶重工集团公司旗下717所的量子导航技术处于国内领先水平。华中科技大学的引力中心、精密重力测量大科学工程在原子干涉仪、原子钟、重力测量、惯性导航方面具备国际一流的研究实力和平台，其研制的加速度计搭载天舟一号成功进行在轨试验。华中科技大学在量子精密测量方面积极布局，筹建量子光科学中心，汇聚了一批优秀的年轻人才，建设若干个相关实验室，包括量子纳米光子学实验室、量子传感与量子精密测量国际联合实验室。

然而，武汉市在量子信息科学技术产业化方面存在两大不足。首先，武汉市在量子信息科学技术领域的核心竞争力略显薄弱，特色不够鲜明。其次，武汉市积极介入量子信息科学技术产业化的公司尚显不足，且基本上都集中于量子通信业务。武汉市拥有丰富的科教资源、具备很强的研发实力，如积极部署，奋力打造迎接第二次量子革命的核心竞争力，在量子信息科学技术的产业化方面将大有可为。为此，提出武汉市抢占量子信息科学技术产业化制高点的建议如下：

（一）培育核心竞争力与产业化并举

量子信息科学技术产业是长期的、战略性工程，政府要在推进产业化与培育核心竞争力两方面同时下功夫，制定长远规划，“苦练内功”。要加强在量子信息科学技术重点领域、特色方向的科研布局，对有望突破的关键技术重点配置资源，争取抢占量子信息科学技术的新制高点。

（二）联合产业资本、投资机构成立“量子技术投资机构”

量子信息科学技术的产业化虽然已经进入了加速发展的阶段，但其投入周期相对较长，风险相对较高。目前，武汉的相关公司主要是引进产业化比较成熟的量子保密通信技术；但是在打造本土量子科技核心技术并将其产业化方面，呈现出资本驱动力不足的现象。建议政府联合产业资本、投资机构成立“量子技术投资机构”，充分发挥政府在增强武汉市量子信息科学技术核心竞争力方面的引领作用，带动产业资本、投资机构与科研机构的协同创新、研发；借助产业资本的市场敏感度与应用驱动力，加速推动武汉市量子信息科学技术的产业化。

（三）成立“量子技术高新产业园”

目前，一大批量子信息科学技术，特别是武汉市科研院校正在研发的关键技术，正处于从实验室跨向产业化的关键阶段。建议政府敢于创新，率先成立“量子技术高新产业园”，孵化量子信息科学技术的产业化应用，吸引掌握核心关键技术的国内外优秀人才、年轻人才，为高层次人才在量子信息科学技术方面的创业提供全方位的支持。

（四）重视量子信息科学技术相关产业的发展

量子信息科学技术的产业化，将推动相关配套产业的发展，包括激光、光纤、微波、纳米材料、微纳精密加工等。武汉市应积极借量子信息科学技术的东风，继续做大做强相关产业。

第二次量子革命已经到来，量子信息科学技术的产业化浪潮正席卷全球，如何在这一历史浪潮中占据先机，对国家、地方政府是重要挑战。武汉市要把准量子信息科学技术颠覆性变革的脉搏，实事求是、敢为人先、善用科研之力、善借资本之风，必将在量子信息科学技术的产业化浪潮中占据一席之地、树起一面旗帜！

建议人： 

华中科技大学物理学院量子传感与量子精密测量国际联合实验室

教授   蔡建明