引言

量子材料和量子器件（QMDs）領(lǐng)域正進(jìn)入一個決定性階段，可擴(kuò)展性、穩(wěn)健性以及與現(xiàn)有技術(shù)的無縫集成已成為核心目標(biāo)。受量子信息科學(xué)快速進(jìn)步推動——包括通信、計算、計量和傳感——量子力學(xué)正從概念驗證實(shí)驗發(fā)展為具有變革潛力的實(shí)用平臺。這一轉(zhuǎn)變得益于兩個關(guān)鍵領(lǐng)域的進(jìn)步：新型量子光源和探測器的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子態(tài)生成與測量;以及集成量子電路和先進(jìn)材料的工程化，這些材料提供了前所未有的量子態(tài)控制，尤其是在光-物質(zhì)相互作用中。這些突破共同奠定了可擴(kuò)展量子架構(gòu)的基礎(chǔ)，有望徹底革新安全通信、信息處理和精密測量。
本文轉(zhuǎn)載自《IEEE 量子電子學(xué)精選專題期刊》，第 31 卷第 5 期，2025 年 9-10 月《社論訪談：連接學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界，推動量子器件實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用價值》，通過中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星研究員與科大國盾量子唐世彪副總裁的深度訪談，看他們?nèi)绾尾鸾饬孔蛹夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心密碼，如何讓學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)攜手，讓量子力量真正服務(wù)于現(xiàn)實(shí)世界。

1、2025年的特點(diǎn)是對量子技術(shù)的投資和媒體關(guān)注度激增——這個里程碑對量子科技領(lǐng)域意味著什么?您認(rèn)為這是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)嗎?

回應(yīng)（尤）:

2025年被聯(lián)合國定為“國際量子科學(xué)與技術(shù)年”。事實(shí)上，十多年來，量子技術(shù)一直是科技領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注對象。一方面，量子信息技術(shù)發(fā)展迅速；另一方面，它持續(xù)吸引著大量投資和媒體關(guān)注。因此，無論是在投資還是媒體報道方面，量子技術(shù)始終保持著較高的關(guān)注度。所以，2025年并非特例。

2、您如何看待歐洲、亞洲和美國在量子通信和量子計算的戰(zhàn)略投資方面存在的異同?

回應(yīng)（唐）：

總體而言，歐洲、亞洲和美國均制定了國家級戰(zhàn)略規(guī)劃。例如，美國于 2018 年通過《國家量子計劃法案》，歐盟則在 2017 年啟動 “量子旗艦計劃”。在戰(zhàn)略投資重點(diǎn)上，歐洲與亞洲思路相近，均同等重視量子通信和量子計算；而美國更側(cè)重量子計算。這一點(diǎn)體現(xiàn)在，歐洲和亞洲發(fā)表了更多量子通信相關(guān)學(xué)術(shù)論文，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相關(guān)報道也更為豐富；相比之下，美國在量子計算領(lǐng)域的研究論文更多，量子計算機(jī)相關(guān)成果報道也更突出。更多詳細(xì)信息可參見蘭德公司 2022 年發(fā)布的報告《量子技術(shù)領(lǐng)域美國與中國產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)評估》。

此外，美國近期已加大對量子通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注，但可能會采用量子密鑰分發(fā)（QKD）之外的技術(shù)路徑。更多相關(guān)見解可參考美國國防高級研究計劃局（DARPA）2023 年推出的 “量子增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)” 項目。

最后，這種戰(zhàn)略投資差異可能受各地區(qū)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)影響。例如，美國在后量子密碼學(xué)（PQC）領(lǐng)域已處于領(lǐng)先地位，對量子密鑰分發(fā)（QKD）的迫切需求相對較低，因此可能更重視量子計算在密碼破解、人工智能增強(qiáng)等領(lǐng)域的作用。

3、與谷歌、IBM、微軟等全球科技巨頭相比，您認(rèn)為初創(chuàng)企業(yè)和私人資本在構(gòu)建量子生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)發(fā)揮怎樣的作用？

回應(yīng)（尤）:

量子信息技術(shù)的發(fā)展最終將形成多領(lǐng)域技術(shù)融合的綜合生態(tài)系統(tǒng)。一方面，需要谷歌、IBM、微軟等大企業(yè)在系統(tǒng)層面提供全面推動與支持；另一方面，需要大量創(chuàng)新型小微企業(yè)和私人資本在不同單一技術(shù)及關(guān)鍵儀器領(lǐng)域開展研發(fā)與投資。硬件方面包括量子源、量子探測器、制冷設(shè)備、線纜、控制儀器等；軟件方面包括工藝技術(shù)、設(shè)計工具、算法、操作系統(tǒng)、通用及專用應(yīng)用程序等。這些研發(fā)與投資也將為量子生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展起到?jīng)Q定性支撐作用。

回應(yīng)（唐）：

初創(chuàng)企業(yè)、私人資本與大型科技企業(yè)應(yīng)保持互補(bǔ)共生關(guān)系。前者在發(fā)掘新技術(shù)、新應(yīng)用、新市場方面靈活性更強(qiáng)；后者則專注力和組織能力更突出，尤其擅長突破需要大量投入的技術(shù)路徑和基礎(chǔ)平臺研發(fā)。此外，前者能更高效地發(fā)揮篩選機(jī)制作用，助力識別并推廣最具潛力的技術(shù)方向。

4、迄今為止，是否出現(xiàn)了您認(rèn)為能推動量子器件從實(shí)驗室走向?qū)嶋H部署的里程碑式技術(shù)突破？

回應(yīng)（尤）:

量子器件可在眾多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，但市場規(guī)模與成熟度仍需一定培育期，目前整體市場規(guī)模尚小。一方面，量子技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景推動了眾多關(guān)鍵量子組件的小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。已走出實(shí)驗室的量子器件，如窄線寬脈沖激光器、單光子探測器、低噪聲放大器等，正持續(xù)支撐量子技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另一方面，部分量子器件在量子技術(shù)之外的特定領(lǐng)域已發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。以我熟悉的超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）為例：美國國家航空航天局（NASA）分別于 2013 年和 2023 年兩次將超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）應(yīng)用于深空通信項目，包括月球激光通信演示（LLCD）項目和深空光通信（DSOC）項目。這些項目通過在地面接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中采用高速超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）陣列，使通信距離和下行數(shù)據(jù)接收速率實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級提升，成為深空探測領(lǐng)域的里程碑事件。這也印證了光子通信將成為未來深空通信的主流技術(shù)（Proc of SPIE, 2015, 9492: 949208;

https://www.nasa.gov/mission/deep-space-optical-communications-dsoc/）。

回應(yīng)（唐）：

所謂 “能推動量子器件從實(shí)驗室走向?qū)嶋H部署的里程碑式技術(shù)突破”，必須滿足兩個條件：一是實(shí)際應(yīng)用中不可或缺，二是技術(shù)實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。我認(rèn)為量子通信已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，該領(lǐng)域確實(shí)存在此類突破——尤其是中國取得的多項成果。相比之下，量子計算尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，盡管已取得量子優(yōu)越性、糾錯等重要技術(shù)突破，但仍未達(dá)到里程碑式突破的標(biāo)準(zhǔn)。以下是推動量子通信實(shí)際應(yīng)用的里程碑式技術(shù)突破：

適配各類實(shí)際光纖部署場景的長距離量子密鑰分發(fā)（QKD）器件工程化。典型案例是中國 2017 年建成的 “京滬干線” 量子保密通信骨干網(wǎng)，其量子密鑰分發(fā)（QKD）設(shè)備體積緊湊、性能穩(wěn)定，在標(biāo)準(zhǔn)通信光纖上實(shí)現(xiàn)了超 120 公里的實(shí)用化工作距離。

具備實(shí)用性能的星載量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)，例如中國 2017 年成功測試的 “墨子號” 量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星，以及近期發(fā)射的 “濟(jì)南一號” 微納衛(wèi)星。后者進(jìn)一步提升了密鑰生成速率和實(shí)時通信能力，同時降低了部署成本。

基于集成光子量子芯片的量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)，該技術(shù)顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和性價比。歐洲、美國和中國均在該方向推進(jìn)，并取得了階段性成果。

5、在當(dāng)今技術(shù)格局下，推進(jìn)量子材料與器件研發(fā)的根本意義是什么？您預(yù)計這些進(jìn)展將如何重塑產(chǎn)業(yè)實(shí)踐與社會結(jié)構(gòu)？

回應(yīng)（尤）:

量子態(tài)的產(chǎn)生、操控與探測是量子信息處理的核心技術(shù)，而所有這些基礎(chǔ)量子能力都依賴于量子材料與器件。例如，沒有超導(dǎo)薄膜，就無法實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）或超導(dǎo)量子比特；沒有超導(dǎo)單光子探測器（SSPD），就無法實(shí)現(xiàn)千公里級光纖量子通信（Physical Review Letters 130(21):210801. (2023)）和光量子計算原型機(jī) “九章”（Science 370(6523): 1460–1463. (2020)）。同時，這也為人類重新認(rèn)識和改造世界提供了另一種途徑。傳統(tǒng)材料與器件的功能實(shí)現(xiàn)，大多通過宏觀尺度的自上而下加工和宏觀物理態(tài)的操控完成。量子材料與器件為我們提供了量子尺度下自下而上的生長加工方式，以及對新型量子態(tài)的操控手段。這不僅滿足了量子材料與器件的發(fā)展需求，還有望提升傳統(tǒng)材料與器件的性能、降低功耗，并可能催生出一些顛覆性的新型材料與器件技術(shù)。

6、您是否觀察到量子技術(shù)與其他前沿領(lǐng)域（如人工智能、材料科學(xué)或生物技術(shù)）的有意義融合？

回應(yīng)（唐）:

目前尚未出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性融合，但已呈現(xiàn)一些新興趨勢。例如，已有研究論文和報道涉及量子計算用于分子模擬、人工智能優(yōu)化量子密鑰分發(fā)（QKD）參數(shù)配置、人工智能微調(diào)量子計算控制參數(shù)等主題。

7、您認(rèn)為下一波量子技術(shù)創(chuàng)新的最關(guān)鍵因素是什么？這些未來突破可能會如何改變學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)投資的方向？

回應(yīng)（唐）:

創(chuàng)新的關(guān)鍵因素與技術(shù)發(fā)展階段密切相關(guān)。在基礎(chǔ)研究階段——技術(shù)路徑、時間線和成果均存在較大不確定性，最關(guān)鍵的因素是良好的學(xué)術(shù)環(huán)境。這種環(huán)境應(yīng)給予研究者充分自由，對研究方向限制少，并鼓勵跨學(xué)科交流。

在工程或應(yīng)用技術(shù)階段——目標(biāo)和路徑相對明確，關(guān)鍵因素則變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)引導(dǎo)，包括大規(guī)模項目投入和專業(yè)人才集聚。

當(dāng)前，量子計算仍主要處于基礎(chǔ)研究階段，尤其是在算法、技術(shù)路線和架構(gòu)等領(lǐng)域。相比之下，量子通信已更明顯地進(jìn)入工程化和應(yīng)用研究階段。

我認(rèn)為量子芯片是最關(guān)鍵的突破方向——它不僅能極大加速產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，還能為科學(xué)創(chuàng)新提供重要支撐和方向指引。

8、隨著大型科技企業(yè)持續(xù)加大對量子計算的投資，您如何看待學(xué)術(shù)界在量子技術(shù)發(fā)展中的作用？您是否擔(dān)心產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的項目會擠壓基礎(chǔ)研究空間？

回應(yīng)（尤）:

量子計算距離成熟仍有較大差距，仍存在大量科學(xué)和工程問題亟待解決。量子領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師均嚴(yán)重短缺。學(xué)術(shù)界需要在新型量子原理、新型材料、新型器件以及人才培養(yǎng)方面發(fā)揮不可或缺的作用。產(chǎn)業(yè)界主導(dǎo)的研發(fā)工作將推動量子技術(shù)發(fā)展和量子工程技術(shù)進(jìn)步，同時也會提出更多量子技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性科學(xué)問題——即 “真正的” 問題。產(chǎn)業(yè)界提出問題，學(xué)術(shù)界研究者提供答案。通過做好分工協(xié)作，這實(shí)際上是最理想、最高效、最科學(xué)的發(fā)展模式。

回應(yīng)（唐）:

我不擔(dān)心大型科技企業(yè)會擠壓學(xué)術(shù)界的基礎(chǔ)研究空間。相反，我認(rèn)為學(xué)術(shù)界的作用將變得更獨(dú)特、更不可或缺。這是因為學(xué)術(shù)界在前沿探索、理論研究和人才培養(yǎng)等方面發(fā)揮著不可替代的核心作用——這些對于科技企業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。雖然當(dāng)技術(shù)達(dá)到高度成熟階段時，可能會出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)、學(xué)術(shù)界相對退居次要地位的情況，但目前我們顯然尚未進(jìn)入該階段。

9、在您看來，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界應(yīng)如何更有效地合作，以加速量子技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程？是否有值得借鑒的成功合作模式？

回應(yīng)（尤）:

我將通過超導(dǎo)單光子探測器的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化案例來回答這個問題。2017 年，我和團(tuán)隊創(chuàng)辦了賦同量子科技，推進(jìn)超導(dǎo)單光子探測器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。過去幾年間，我們已向國內(nèi)外用戶提供了 200 余套超導(dǎo)單光子探測器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)銷售收入2億元人民幣。我認(rèn)為這是量子器件技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的成功案例，對此我深感自豪。

高性能超導(dǎo)單光子探測器產(chǎn)品不僅包括高性能超導(dǎo)單光子探測器芯片，還涵蓋成熟的低溫制冷系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)。高性能超導(dǎo)單光子探測器芯片依賴先進(jìn)的超導(dǎo)制備工藝平臺，這類平臺主要由高校和科研院所運(yùn)營，目前尚無商業(yè)化工藝平臺可用。作為初創(chuàng)小企業(yè)，自建生產(chǎn)線既不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)。因此，賦同量子科技與中科院上海微系統(tǒng)所開展了緊密合作：賦同量子科技聚焦超導(dǎo)單光子探測器系統(tǒng)的外圍技術(shù)研發(fā)、工程化、商業(yè)推廣及服務(wù)；中科院上海微系統(tǒng)所主要開展器件技術(shù)研究，提供各類性能的超導(dǎo)單光子探測器器件；同時，雙方合作探索超導(dǎo)單光子探測器的應(yīng)用場景。商業(yè)收入不僅支撐了公司的發(fā)展運(yùn)營，還部分反哺超導(dǎo)單光子探測器芯片的研發(fā)和團(tuán)隊的可持續(xù)發(fā)展。

圖 ：產(chǎn)學(xué)研合作模式

回應(yīng)（唐）:

有效合作的關(guān)鍵條件，一是確立共同目標(biāo)，二是開展互動式技術(shù)研發(fā)。要實(shí)現(xiàn)這些條件，我認(rèn)為最有效的方式是聯(lián)合搭建研究平臺與設(shè)施。例如，產(chǎn)業(yè)界可在高校內(nèi)投資建立聯(lián)合實(shí)驗室或研究中心；或由政府牽頭組建研究中心，引導(dǎo)學(xué)術(shù)研究者參與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，同時鼓勵人才雙向交流。典型案例是美國的半導(dǎo)體制造技術(shù)聯(lián)盟（SEMATECH），該聯(lián)盟由美國政府發(fā)起，多家競爭企業(yè)（如 IBM、英特爾、德州儀器等）聯(lián)合出資，聯(lián)合高校和國家實(shí)驗室開展先進(jìn)制造工藝的聯(lián)合研究。