2024年1月，欧洲首屈一指的量子产业协会欧洲量子产业联盟（QuIC）推出其最新版本的战略产业路线图（SIR）。
该文件包含QuIC成员在四个主要不同的量子垂直领域（计算和模拟、通信、传感和计量以及使能技术）以及几个跨领域主题的集体观点。
从量子计算的硬件和软件发展到量子通信的安全应用，报告提供了一个全面的技术展望和详细的市场分析。
量子技术代表了一个有前途和快速增长的领域，具有发展和塑造新的全球产业价值链的潜力。在世界各地，越来越多的公司正在开发利用量子力学基本特性的解决方案。
可以预见，量子技术将重塑信息的处理和交流方式，甚至改变我们与地球和外太空环境的互动方式，从而产生广泛的社会影响。该行业的增长受到政府和投资者的共同推动，资金和投资达到数百亿欧元。
随着这场革命获得牵引力，相关的量子竞赛也在进行。根据麦肯锡（McKinsey）在2024年发布的报告，北美市场在量子技术领域领先，拥有近40%的参与者和超过60%的启动资金。12家最大的硬件厂商中有10家位于北美，而中国拥有最广泛的量子通信商业实施。麦肯锡的分析显示，大部分投资仍集中在美国公司，私人、公共投资者均在推动。
在公共资金方面，中国以超150亿美元的公共资金领先，其次是欧洲大陆（欧盟及其成员国、英国、瑞士和以色列），总计约130亿美元。
这些数字让我们大致了解了全球量子竞赛的现状。鉴于量子科技的战略意义，果断行动至关重要。
量子技术可以分为五大支柱：质量控制、量子模拟、量子通信、量子传感和计量以及使能技术。每个支柱都有其特定的挑战、技术需求和开发路线图。
全球各国已将量子技术视为本国未来的战略资源。这一结论导致了地缘政治竞争，使中国、美国、整个欧洲和许多其他地区相互竞争。
获得和补贴使用试验线路和测试设施对于加速发展领先的优质技术至关重要。目前欧洲还没有一些对制造量子点至关重要的技术，欧洲供应的缺失造成了依赖的风险。
技术就绪水平
此外，欧洲各国政府必须成为量子科技的早期采用者。必须实施量子产品和服务的收购计划，以解决社会和商业挑战，以刺激需求。
另一个相关的话题是知识产权。设计良好的知识产权和许可管理流程至关重要，并将为所有行业参与者带来巨大的商业利益。欧洲各国政府应该为知识产权的产生制定激励措施，并促进初创企业与大型老牌企业之间的合作。同样重要的是，在过去最佳实践的基础上，建立一个来自大学的全欧洲范围的技术转让过程。
很明显，量子力学有巨大的潜力来改变我们的世界。它们将影响许多领域，如医药和药物发现、通信和隐私、能源和环境、农业、金融和国家安全。因此，政策制定者和决策者必须密切关注本报告中包含的建议，并扩大对量子科技商业化的支持范围。
计算技术构成了当今现代社会的基石：所有类型的产品都是用计算机程序设计和制造的，服务是由计算机优化和驱动的。智能手机、笔记本电脑、台式电脑和许多高性能计算机中的经典处理单元都源于20世纪70年代微处理器的曙光。
几十年来，这些技术的发展呈指数级增长，正如摩尔定律所描述的那样：处理能力大约每两年翻一番。近年来，将多个通用处理器与专用设备聚集在一起，以高速处理数据和执行复杂计算的能力得到了迅速发展。
这种HPC平台构成了百亿亿次计算的基础，然而，所有这些处理器都依赖于“经典”的信息处理，由此产生的耗电平台现在消耗了总能源产量的1.5%到3%。
相比之下，通过利用量子物理的特性，量子计算代表了HPC方法的基本范式转变。原则上，处理以量子比特编码的数据的量子计算机能够比当今最强大的超级计算机快许多个数量级地执行特定任务，解决使用经典计算架构无法解决的问题。然而，实现这种性能需要克服几个工程挑战，例如退相干。
量子计算机还可以作为加速器与经典计算机结合使用，运行量子/经典混合算法，其中计算的特定部分在量子计算机上运行，其他部分在经典计算机上运行。这种方法结合了经典计算机和量子计算机的优点。它还降低了对量子硬件的技术要求，从而可以更早地获得QC的好处。然而，在经典计算机和量子计算机之间开发合适的集成仍然处于起步阶段。
部分硬件开发商的量子比特数量，量子计算机量子比特的质量对可扩展性起着决定性作用
量子计算领域的进步是惊人的，这一快速进展导致了最近量子优势的展示。当可编程量子设备能够比已知最快的经典计算机解决方案更快地解决问题时，量子优势就实现了。
2023年6月，IBM在其127量子比特的Eagle处理器上解决了一个在物理和工程领域应用的Ising问题，声称“量子实用性”。在这种情况下，相对于传统系统的优势在于内存需求。虽然IBM的说法一直存在争议，并且已经发现了使用张量网络的高效量子启发经典解决方案，但对于量子计算解决实际问题的能力而言，这仍然是向前迈出的重要一步。
2023年12月4日，IBM发布了基于现有技术的1121量子比特处理器（秃鹰）和代号为苍鹭（Heron）的更高质量量子比特处理器（具有133个量子比特）。
当下，在实际应用中展示量子优势仍然是全球QC项目的主要目标。
量子计算的行业需求
量子计算是一个已经进行了一些标准化工作的领域，但在未来几年内应该会有许多新的标准化项目。下面列出的标准化活动可以支持通往2035道路上的各种量子计算技术。
1）超导量子比特：
- 使用3D架构提高量子比特的质量（保真度）和规模（数量）；
- 开发更高效的低温装置；
- 发展工业规模的制造设施；
- 研究材料、制造技术和加工方法。
2）自旋量子比特：
- 发展更高质量的单量子比特和多量子比特；
- 采用改良的半导体材料；
- 改善现有半导体代工厂的生产工艺；
- 较小尺寸光刻节点；
- 开发3D包装以减少对交换序列的需求；
- 提高单量子比特和多量子比特读出保真度；
- 开发适应该体系结构的软件编译器。
3）捕获离子
- 将单个QPU的量子比特数增加到1000个量子比特以上；
- 降低初始化、读出和操作的错误率；
-陷阱附近的光学元件和电子元件的集成（超高真空环境）；
-改进栅极速度、连接性和处理器架构；
-将工作温度从室温降低到4K，提高栅极质量；
-量子处理器之间的互连，例如，通过离子传输或光子耦合，构建分布式量子计算机；
-开发全天候运行的综合自动化。
4）中性原子
- 数字QPU；
- 高水平的门并行化；
- 探索容错架构；
- 开发QRAM设计。
5）光子
- 高效光源（单光子和纠缠光子）和探测器；
- 增加单光子纯度（难以区分）；
- 提高簇态的保真度；
- 提高光子路由器的交换速度和输出数量；
- IC和源之间波长的兼容性（电信C波段和935 nm）；
- 减少光子损失；
- 为平台开发编译器、汇编器和库；
- 提高单光子半导体发射器的可重复性和规模化生产；
- 集成源，电路和探测器片上；
- 拥有多个相同的单光子发射器和路由器，可在IC中分发多达1000个单光子，每个模式数百个；
- 通过光链路和纠缠分布互连多个光QPU；
-探测器和集成电路的前馈控制。
6）NV金刚石
- 将物理量子比特的数量增加到几千到一百万个；
- 将逻辑量子比特增加到几百个；
- 将该技术与CMOS控制集成；
- 提高读出效率和栅极保真度；
- 减少整个系统的大小；
- 制定和标准化量子计算规范。
人类正在创造更多的数据和更有价值的数字数据，触及政府、工业和社会的各个方面。这导致对恶意活动的兴趣增加。各种研究表明，目前全球网络安全市场规模约为1500亿欧元。
在几年内，网络犯罪分子可能会使用强大的量子计算机来攻击基于DLOG和整数分解难题的当代密码学的非对称部分，这些问题用于分发私钥和认证通信伙伴。这将动摇我们现代数据传输网络的基础。
尽管目前很难估计具有足够容错量子比特的量子计算机到来的时间尺度，以打破当前的密码学（2030年被认为是这一事件的可能发生时间），但安全通信的潜在风险已经很明显。
因此，为了确保长期安全，现在就必须采取行动。
采用和部署新的安全范例通常需要很长一段时间。此外，现在已经可以存储加密数据，以便在以后有足够强大的量子计算机可用时进行解密。对称密码学也容易受到量子攻击，如Grover搜索或量子代数攻击，从而降低其安全级别（安全级别减半）。
然而，官方估计表明，像AES-256或otp这样的对称算法将比依赖DLOG和整数分解的密码系统有效更长时间。
今天，我们已经有了基于PQC和量子通信这类对抗量子计算机威胁的高度复杂的概念。这对应于两个具有不同功能的安全构建块，它们有望共同为量子安全世界做出贡献。这些技术不是竞争而是互补的。
这两个构建块中的第一个涉及用新的“量子安全”算法取代传统的加密算法。
这类PQC密码系统依赖于计算复杂性（对于现有和已知算法）来保证安全性，因此可以抵御已知的经典和量子计算机攻击。PQC目前正在进行密集的标准化工作；在NIST的标准化过程中，大多数最终候选PQC算法都是由欧洲研究机构和公司的密码学家提出的。在2022年期间，NIST完成了构成PQC NIST标准的算法的选择过程。2022年，NIST完成了构成PQC NIST标准的算法的选择过程；在2023年期间，这些被纳入草案，目前正在进行反馈过程，并将在随后的几年中用于各种安全应用程序。
第二个构建块策略基于量子通信，它指的是在量子状态下使用光子传输和分发信息的领域。量子通信利用了量子物理学，特别是不可克隆定理，该定理被用来发送以单光子（或几个光子）编码的信息，这样任何复制信息的尝试都是可检测的。通信各方可以使用QKD服务安全地交换密钥。接收到的密钥可用于执行不同的加密功能，并通过经典信道传输结果。
PQC和QKD这两种方法具有不同的功能。可以预见，量子安全世界将建立在分层安全方法之上，结合来自经典、PQC和QKD领域的不同构建块。
基于量子科技的另一个网络安全应用是QRNG，它利用量子物理来开发TRNG。QRNG可以完全建模，因此可以最大限度地控制，但仍然会产生一个“惊喜”，然后处理它来生成私钥和密钥。
在量子密钥分发技术日趋成熟和应用的同时，下一代量子网络技术——量子互联网的研究也在不断推进。目标是提供能够连接量子计算机、量子处理器和量子传感器的完全纠缠量子网络。核心功能是端到端的纠缠分布，这通常是通过量子中继器和量子存储器来实现的，以延长距离。预计该技术将在未来几年内增加其TRL，因为测试平台将启动，以开发和工业化各种产品和用例。
商业级QKD和QRNG的出现，以及近年来早期采用者对它们的采用，导致了对量子科技标准和认证框架的兴趣增加。此外，需要新的标准来将量子 集成到网络中并促进其商业化。第一波标准化量子产品涉及量子密码学、通信安全过程和QKD安全认证。
在这一领域，通往2035的路线包括：
1）近期（至2025年）
- QKD产品正在工业化，每年允许数十到数百个制造的QKD链接；
- 将建立具有数十个QKD链接的QKD网络。其中一些将继续在测试模式下运行，而少数将用于生产；
- QKD网络架构正在进行演示，并将准备好在政府用例中进行验证；
- 产品将以通用产品认证（欧盟指令等）进入市场；
- QKD安全认证正在筹备中：背景文件、评估方法；
- 在OSI 1到4层开始使用量子密钥和PQC；
- CV和EB QKD产品将达到TRL 9。
2）近期（2025-2029）
- MDI和TF QKD产品将达到TRL 9；
- QKD网络将达到数百个节点的规模。试验台将被生产网络所取代；
- QKD产品将从通用设备发展到专用产品，从用于接入网或本地专用网的低成本和低性能设备到远程、高密钥速率设备；
- 光学和电子元件的集成将变得足够先进，可以进行中等规模的批量生产，每个批量每年生产数千对；
- 首批QKD产品将获得认证；
- 量子密钥和PQC将被在OSI各层运行的设备采用和/或集成；
- 量子互联网将从连接位于同一大都市地区的两台量子计算机开始——与独立产品的计算能力相比，好处将是有限的。
3）长期（2030-2035）
- QKD和PQC的广泛部署；
- 将位于同一区域的量子计算机连接到网络中是可能的，其综合计算能力大大大于单个设备的总和；
- 在小众应用（高成本和有限的密钥速率可以接受）中采用基于纠缠的通信，以及量子互联网等新的量子通信服务。
量子传感和量子计量的基础是利用自然界的量子特性、量子现象、量子态、它们的普适性和内在可重复性、相关物理量的量子化，或它们对环境变化的高灵敏度。
在大多数情况下，量子传感器利用简单量子系统的干涉特性。
用作传感器的各种量子系统通常分为两大类：气体和固态。它们都有特定的性质，对不同的物理量很敏感，这使它们适合于特定的应用（例如，用于重力学的冷原子；用于高分辨率磁强计的金刚石或碳化硅缺陷）。此外，各种平台和应用程序具有非常不同的trl：一些产品已经商业化，而其他平台仍处于早期开发阶段
与传统传感器相比，量子传感器有几个优势：它们具有更高的灵敏度，因为它们利用了物质固有的量子特性，以一种对要测量的目标环境特征极其敏感的方式进行调整。
然而，为了利用这种增强的灵敏度，量子传感器需要屏蔽潜在的噪声，这些噪声会破坏它们的性能——特别是由于测量退相干；这限制了两种状态之间的振荡次数，从而限制了与测量量的相互作用时间。在这方面已经取得了一些优秀的成果。
预计第一批需要标准化的量子产品是精密计时工具，以进一步提高通信的安全性。对传感、成像和测量的标准也有明确的需求。因此，国家计量机构有必要参与国家计量组织的活动。基于单光子源、SPD和量子传感器的进展，我们可以根据它们现有的TRL和未来十年的预期发展将这些技术分类如下：
量子传感器在仪器仪表、生物学、射频检测、处理、检测和遥测应用、时间/频率测量和导航、重力测量和计量学等领域有许多应用。量子传感器主要有三大类，分别基于固态物理、原子气体和光的量子态。
在固态领域，大多数基于钻石NV色心的平台达到TRL 3, sqif达到TRL 5, SHB技术达到TRL 5。在原子气体类别中，蒸汽电池传感器的TRL为3，芯片上的冷原子的TRL为4，冷原子钟的TRL为4-5。光的量子态主要用于大型仪器，如引力波探测器。
当下，只有少数产品已经进入市场，如地面量子重力仪（基于冷原子）和纳米分辨率显微镜（基于NV金刚石扫描尖端）。随着技术的进步，更广泛的量子传感器有望在未来几年内进入市场。
1）短期（2025-2027）
- 实现高TRL原子蒸汽电池的一些应用，如磁心动图；
- 实现基于金刚石/SiC、SHB、SQIF或其他技术的NV色心的固态传感器的中等TRL，以检测磁场、射频场等。目标应用领域为医疗行业、仪器仪表、生物、射频检测等；
- 实现基于冷原子或原子蒸气电池的原子钟（包括高稳定性微波钟和光钟）的中等TRL；
- 实现用于定位传感器的中等TRL，例如基于金刚石中的冷原子或NV色心；
- 实现中等TRL的QHE和约瑟夫森结标准的计量相结合；
- 利用量子测量和/或纠缠瞄准一个中等TRL，以提高雷达的信噪比；
- 靶介质TRL为rf感应里德堡原子。
2）中期（2028-2029）
- 为大多数基于金刚石/碳化硅和原子蒸汽电池缺陷的量子传感器实现高TRL和商业化，用于半导体工业、生物学、医疗诊断等领域；
- 实现基于金刚石、SHB或SQIF的NV色心的射频传感器和频谱分析仪的高TRL；
- 实现光学原子钟的高TRL；
- 实现高TRL的QHE和约瑟夫森结标准的计量相结合；
- 实现rf传感里德堡原子的中等TRL；
- 实现可移动光学原子钟的中等TRL；
- 实现基于冷原子系统的惯性测量单元和用于多种部署模式（例如，陆地/海上/空中）的量子惯性导航系统的中等TRL；
- 实现空间重力探路者的中等TRL；
- 利用量子测量和/或纠缠实现提高雷达信噪比的中等TRL；
- 一般来说，达到商业化的量子传感器用于仪器仪表。
3）长期（2030-2035）
- 实现基于固态物理和原子气体的所有量子传感器的大市场吸收。应用包括仪器仪表、生物学、射频传感和处理、雷达应用、时间/频率测量和导航、重力测量、计量等，其中QT可以添加新的功能，并提供比经典传感器更高的灵敏度；
- 将量子传感器集成到更大的系统中，作为整体系统性能的关键要素，利用这些量子传感器的附加价值；
- 在太空等恶劣环境中使用量子传感器；
- 量子传感器在消费者应用中的应用。
与量子科技有关的资源精选
总之，紧急而果断的行动可以扭转这一趋势，并使公司在全球量子商业化竞赛中保持领先地位。
现在是一个关键时刻，将量子技术列为未来战略的关键技术。它还必须注意到其初创企业和规模扩大企业所经历的不稳定的财务状况，并迅速采取措施，使其量子明星保持全球领先地位。如果不能在当前时刻采取果断行动，欧洲可能会失去未来的量子冠军，并随之失去其在该行业的地位。
随着我们进入一个新的量子时代，了解这些前沿技术的最新发展将为业界专家和决策者提供决策支持，共同推动全球科技的持续进步。
https://www.euroquic.org/quic-unveils-its-strategic-industry-roadmap-sir-2024/