湖南省量子科技发展现状及对策建议_严安平.pdf

科技中国 2023年1月 第1期73湖南省量子科技发展现状及对策建议文/严安平 李贵龙 李维思 周海球 姚婷 石海林（湖南省科学技术信息研究所）当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量，而量子科技正成为对传统产业技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术。习近平总书记在中央政治局第二十四次集体学习时提出“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。”对湖南省而言，量子科技与应用产业虽有基础但不强，亟须政府引导和培育，开展基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子材料与器件战略性新兴产业，抢占量子科技竞争制高点，构筑发展新优势。一、量子科技正成为强国竞争的战略制高点量子科技是基于量子力学基础理论，催生出量子通信、量子计算、量子测量、量子材料等新兴技术的前沿科技，它将极大地改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力，在电子通信、人工智能、网络安全、金融服务、生物医药、导航定位、精密测量等领域有着广泛的应用前景。从全球范围看，量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点，国际社会纷纷加大研发力度和投入，力争抢占技术制高点。2013年日本就计划未来10年投入400亿日元研发量子信息技术；2015年英国正式启动“国家量子技术计划”，投资2.7亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心；2016年欧盟推出为期十年、总投资额超过10亿欧元的“量子宣言”旗舰计划，并于2018年10月启动首批19个科研类项目。2018年美国通过国家量子行动计划，计划在未来几年增加量子信息科学领域投资12.75亿美元；2018年德国提出“量子技术从基础到市场”框架计划，拟于2022年前投资6.5亿欧元促进量子技术发展与应用。2020年美国能源部发布国家量子互联网战略蓝图，确定了建设第一个全国性量子互联网的潜在路线图。从全国范围看，量子科技已然成为国家重大科技发展战略。早在2016年，科技部发布的“科技创新2030重大项目”中已设立了“量子通信与量子计算机”重大科技项目，重点围绕城域、城际、自由空间量子通信技术、通用量子计算原型机、实用化量子模拟机开展布局；同年启动“量子调控与量子信息”重点研发计划。此外安徽省政府依托中国科技大学、中国科学院已建立科技中国 2023年1月 第1期74量子信息与量子科技创新研究院，旨在为组建量子信息科学国家实验室奠定基础；山东济南发布济南市人民政府关于加快建设量子信息大科学中心的若干政策措施，成立济南量子技术研究院，将量子科技发展列入“济南市十大千亿产业振兴计划”，启动了“济南量子谷”规划建设。另外，我国已形成了包括国盾量子、国仪量子（合肥）、曙光信息、长城科技、亚光科技、国迅量子芯等一批以量子科技为特色的高科技企业。其中，国盾量子是世界首条远距离量子保密通信干线“京沪干线”等项目的量子设备提供商，参与“墨子号”量子卫星保密通信地面站的建设；国仪量子以量子精密测量为核心，提供以增强型量子传感器为代表的核心关键器件、用于分析测试的科学仪器装备等。我国在量子科技领域已经具备很强的理论和实验技术储备，取得了一批重要突破和有重大国际影响的研究成果，已崛起为国际量子科研版图上的重要力量。二、湖南省量子科技产业创新基础优势近年来，国防科技大学、湖南师范大学、湖南大学等高校在量子科技领域已经开展基础研究，并在量子光学、量子材料及器件、量子计算、量子化学等领域具备一定基础。基于CNKI数据库，本文对湖南省20002020年间国家自然科学基金项目、重点研发计划项目、湖南省自然科学基金支持的科研项目产生的核心期刊论文进行科技数据挖掘。结果表明，20002020年间国家科技计划、湖南省自然科学基金支持的湖南省量子科研项目形成核心论文成果共计308篇，其中量子化学领域占比25%，量子光学领域占比17%，量子计算领域占比11%，量子通信与信息安全领域占比6%。（一）量子光学、微纳材料等领域基础研究能力较强湖南师范大学省级“量子效应及其应用协同创新中心”与中国科学院理论物理研究所展开合作，重点研究量子材料与器件，其物理与电子科学学院积极开展量子干涉、量子纠缠、光子传输等前沿科学研究。湖南大学在低维半导体及生物纳米材料方面研究颇有建树，其成果“低维半导体材料的能带结构与光子特性调控”2019年获得国家自然科学二等奖，“纳米尺度体系量子输运机理与量子器件计算设计”2016年获得省自然科学奖二等奖。湘潭大学成立了湖南先进传感与信息技术创新研究院，开展了电磁感应、半导体量子点、热辐射场等前沿科学研究，其下属微纳器件加工实验室处于国内领先水平。衡阳师范学院物理与电子信息科学系在省自然科学基金支持下开展了热辐射场、量子相干性等前沿科学研究，科研实力不俗。（二）新型算法、微处理器等量子计算研究具备一定基础湖南省量子计算研究主要集中在新型算法、微处理器、量子计算机、配电网重构等技术领域。现建有量子信息学科交叉中心，具备较高水平的量子器件、量子计算研制平台和研发团队，近年来，中心开展了蚁群算法、搜索算法、微处理器、量子计算机等技术研究，取得了一系列原创性成果，其中“量子非局域性理论及应用基础研究”“基于量子测量的量子控制基础理论及其应用研究”分别获得省自然科学奖一、二等奖。系列研究成果可以广泛应用于人工智能、量子计算机、量子存储器、量子处理器、智慧能源管理等领域。（三）量子材料、量子器件等研究平台发展方兴未艾在国家级层面：湖南省形成了以并行与分布式国家重点实验室为主的量子计算研究平台；以化学生物传感与计量学国家重点实验室、理论化学与分子模拟教育部重点实验室为主的量子材料研究平台；低维量子结构与调控教育部重点实验室形成了量子相干性及其调控、一维量子结构制备自组装与量子输运、表面界面与光电转换材料、微纳系统的结构探测与成像四个特色研究方向。在省级层面则形成了以中南大学、湖南大学、湘潭大学、湖南科技大学为依托，围绕量子材科技中国 2023年1月 第1期75料、量子器件、量子计算展开研究的省级实验室集群。（四）半导体、计算机等下游应用场景较为广阔量子科技关联的细分产业主要有半导体材料、计算机、集成电路、卫星通信等，湖南省在上述多个产业具有良好的基础且特色鲜明。在自主可控计算机及信息安全产业，形成了集计算机核心部件、整机系统、系统软件与中间件、应用软件等于一体的全产业链，拥有长城科技、长城银河、麒麟信息、中车时代通信等一批骨干企业；在半导体与集成电路产业，拥有全国唯一的IGBT产业基地，培育了中车时代电气、国科微电子、景嘉微电子等一批骨干企业。量子科技在湖南省量子计算、量子材料、量子器件产业化应用方面有着广阔的应用场景和产学研合作基础。三、湖南省量子科技发展面临的问题近年来，湖南省在量子科技领域集聚了一定的创新资源与成果，但与北京、安徽、浙江、山东等产业发达地区还存在不小差距。（一）原始创新水平有待提升湖南省在量子计算、量子材料方面的研究有一定基础，但在量子通信、量子测量等方面的研究暂无明显竞争优势。从全球范围来看，湖南省在该领域的技术创新性及前沿科技成果尚未达到领跑或并跑水平，国际研究影响力与合作辐射能力较弱，需要在国际前沿、共性关键技术和核心设备等方面发力，不断提升原始创新能力水平。（二）专业化研发机构尚需补强目前，湖南量子科技研究成果产出主要集中于国防科技大学、湖南师范大学等高校团队，暂无专业的新型研发机构。对比其他省份，如北京已设立量子信息科学研究院，安徽拥有中国科学院量子信息与量子科技创新研究院，云南建有云南量子产业技术研究院等专业化研发机构。湖南需设立专业化研发机构，在顶尖量子科技研究团队及国际一流量子技术研发平台的引进与培育方面加快步伐。（三）应用示范还需进一步拓展量子科技研究成果转化的速度正在加快，部分省份在量子科技领域围绕创新链布局产业链取得亮眼成绩。安徽集聚了全国1/3的量子科技企业，初步形成了从基础研究、应用技术研究到关键核心技术集成，再到工程化、产业化的相对完整的链条。而湖南以量子技术研发和应用为核心的领军骨干型企业和创新型中小企业较少，需要在薄弱环节实现突破，保障未来在量子产业领域的技术基础和合作优势。四、湖南省量子科技产业技术创新方向布局建议重点围绕湖南省具有优势的量子材料、量子计算、量子器件等方向凝练重大科技攻关项目。量子材料重点布局低维半导体材料、超导材料、微纳材料、磁性材料等方向；量子计算重点布局量子比特、新型算法等方向；量子器件重点布局量子存储器、量子阱激光器、量子干涉元件传感器、量子计算机等方向。凝练重大科技需求，采用“招贤揭榜”科技中国 2023年1月 第1期76等方式，开展基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子材料与器件战略性新兴产业，抢占量子科技竞争制高点，构筑发展新优势。（一）汇聚优势创新资源重点打造国家级量子材料与量子器件研发平台我国多个省市成立了量子科技相关的研究院或中心，但特别关注核心器件的研发平台较少，湖南省可以借此形成自己的特色。整合省内重点高校研究力量，实行产学研合作和军民融合，成立一批省级量子重点实验室，对接合肥量子国家实验室（筹建）。重点围绕高性能量子器件的研制与应用建设若干个子平台。依托低维量子结构与调控教育部重点实验室，争创国家重点实验室。聚焦不同尺度物质科学中新颖的量子结构与量子效应，发展新的量子调控科学及其在物理学、信息学、化学、材料科学、生物医学等领域的应用。（二）培育引进一批量子科技高层次人才与科技型企业对接国家级人才计划、湖南省“三尖”人才计划，围绕湖南省具有学科优势的高校院所培育一批科技创新团队、高层次人才、青年人才等。积极对接清华大学、中国科技大学、中国科学院等具有基础研究优势的高校院所，引进一批院士、高层次人才等，夯实湖南省研究队伍与研究实力。积极对接安徽、山东、浙江、江苏等地区，考虑引进国盾量子、国仪量子、曙光信息、国迅量子芯、神州信息、九州量子等一批国内相关企业，打造专业孵化器及新兴未来产业集聚区。（三）围绕新材料、自主可控计算机与信息安全产业打造应用场景，推动产学研合作一是围绕微纳材料、超导材料、光电材料、磁性材料、半导体材料凝练布局产学研合作项目，推动新型材料技术在光电器件、生物医药、国防军事等领域的应用；二是围绕量子雷达、量子传感器、量子芯片、量子存储器、量子处理器、量子计算机凝练布局研发项目，设计应用场景推动新型器件在计算机整机、通信、装备制造等领域的应用示范。本文通讯作者：李贵龙