湖南省量子科技發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議

■文/嚴安平 李貴龍 李維思 周海球 姚婷 石海林（湖南省科學技術(shù)信息研究所）

當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個關(guān)鍵變量，而量子科技正成為對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)。習近平總書記在中央政治局第二十四次集體學習時提出“要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋?！睂鲜《?，量子科技與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)雖有基礎(chǔ)但不強，亟須政府引導和培育，開展基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子材料與器件戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技競爭制高點，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢。

一、量子科技正成為強國競爭的戰(zhàn)略制高點

量子科技是基于量子力學基礎(chǔ)理論，催生出量子通信、量子計算、量子測量、量子材料等新興技術(shù)的前沿科技，它將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力，在電子通信、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、金融服務(wù)、生物醫(yī)藥、導航定位、精密測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

從全球范圍看，量子技術(shù)研究已成為當前世界科技研究的一大熱點，國際社會紛紛加大研發(fā)力度和投入，力爭搶占技術(shù)制高點。2013年日本就計劃未來10年投入400億日元研發(fā)量子信息技術(shù)；2015年英國正式啟動“國家量子技術(shù)計劃”，投資2.7億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心；2016年歐盟推出為期十年、總投資額超過10億歐元的“量子宣言”旗艦計劃，并于2018年10月啟動首批19個科研類項目。2018年美國通過《國家量子行動計劃》，計劃在未來幾年增加量子信息科學領(lǐng)域投資12.75億美元；2018年德國提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”框架計劃，擬于2022年前投資6.5億歐元促進量子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。2020年美國能源部發(fā)布《國家量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略藍圖》，確定了建設(shè)第一個全國性量子互聯(lián)網(wǎng)的潛在路線圖。

從全國范圍看，量子科技已然成為國家重大科技發(fā)展戰(zhàn)略。早在2016年，科技部發(fā)布的“科技創(chuàng)新2030—重大項目”中已設(shè)立了“量子通信與量子計算機”重大科技項目，重點圍繞城域、城際、自由空間量子通信技術(shù)、通用量子計算原型機、實用化量子模擬機開展布局；同年啟動“量子調(diào)控與量子信息”重點研發(fā)計劃。此外安徽省政府依托中國科技大學、中國科學院已建立量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，旨在為組建量子信息科學國家實驗室奠定基礎(chǔ)；山東濟南發(fā)布《濟南市人民政府關(guān)于加快建設(shè)量子信息大科學中心的若干政策措施》，成立濟南量子技術(shù)研究院，將量子科技發(fā)展列入“濟南市十大千億產(chǎn)業(yè)振興計劃”，啟動了“濟南·量子谷”規(guī)劃建設(shè)。另外，我國已形成了包括國盾量子、國儀量子（合肥）、曙光信息、長城科技、亞光科技、國迅量子芯等一批以量子科技為特色的高科技企業(yè)。其中，國盾量子是世界首條遠距離量子保密通信干線“京滬干線”等項目的量子設(shè)備提供商，參與“墨子號”量子衛(wèi)星保密通信地面站的建設(shè)；國儀量子以量子精密測量為核心，提供以增強型量子傳感器為代表的核心關(guān)鍵器件、用于分析測試的科學儀器裝備等。我國在量子科技領(lǐng)域已經(jīng)具備很強的理論和實驗技術(shù)儲備，取得了一批重要突破和有重大國際影響的研究成果，已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量。

二、湖南省量子科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)優(yōu)勢

近年來，國防科技大學、湖南師范大學、湖南大學等高校在量子科技領(lǐng)域已經(jīng)開展基礎(chǔ)研究，并在量子光學、量子材料及器件、量子計算、量子化學等領(lǐng)域具備一定基礎(chǔ)?；贑NKI數(shù)據(jù)庫，本文對湖南省2000—2020年間國家自然科學基金項目、重點研發(fā)計劃項目、湖南省自然科學基金支持的科研項目產(chǎn)生的核心期刊論文進行科技數(shù)據(jù)挖掘。結(jié)果表明，2000—2020年間國家科技計劃、湖南省自然科學基金支持的湖南省量子科研項目形成核心論文成果共計308篇，其中量子化學領(lǐng)域占比25%，量子光學領(lǐng)域占比17%，量子計算領(lǐng)域占比11%，量子通信與信息安全領(lǐng)域占比6%。

（一）量子光學、微納材料等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究能力較強

湖南師范大學省級“量子效應(yīng)及其應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心”與中國科學院理論物理研究所展開合作，重點研究量子材料與器件，其物理與電子科學學院積極開展量子干涉、量子糾纏、光子傳輸?shù)惹把乜茖W研究。湖南大學在低維半導體及生物納米材料方面研究頗有建樹，其成果“低維半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)與光子特性調(diào)控”2019年獲得國家自然科學二等獎，“納米尺度體系量子輸運機理與量子器件計算設(shè)計”2016年獲得省自然科學獎二等獎。湘潭大學成立了湖南先進傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院，開展了電磁感應(yīng)、半導體量子點、熱輻射場等前沿科學研究，其下屬微納器件加工實驗室處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。衡陽師范學院物理與電子信息科學系在省自然科學基金支持下開展了熱輻射場、量子相干性等前沿科學研究，科研實力不俗。

（二）新型算法、微處理器等量子計算研究具備一定基礎(chǔ)

湖南省量子計算研究主要集中在新型算法、微處理器、量子計算機、配電網(wǎng)重構(gòu)等技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)建有量子信息學科交叉中心，具備較高水平的量子器件、量子計算研制平臺和研發(fā)團隊，近年來，中心開展了蟻群算法、搜索算法、微處理器、量子計算機等技術(shù)研究，取得了一系列原創(chuàng)性成果，其中“量子非局域性理論及應(yīng)用基礎(chǔ)研究”“基于量子測量的量子控制基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究”分別獲得省自然科學獎一、二等獎。系列研究成果可以廣泛應(yīng)用于人工智能、量子計算機、量子存儲器、量子處理器、智慧能源管理等領(lǐng)域。

（三）量子材料、量子器件等研究平臺發(fā)展方興未艾

在國家級層面：湖南省形成了以并行與分布式國家重點實驗室為主的量子計算研究平臺；以化學生物傳感與計量學國家重點實驗室、理論化學與分子模擬教育部重點實驗室為主的量子材料研究平臺；低維量子結(jié)構(gòu)與調(diào)控教育部重點實驗室形成了量子相干性及其調(diào)控、一維量子結(jié)構(gòu)制備自組裝與量子輸運、表面界面與光電轉(zhuǎn)換材料、微納系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)探測與成像四個特色研究方向。在省級層面則形成了以中南大學、湖南大學、湘潭大學、湖南科技大學為依托，圍繞量子材料、量子器件、量子計算展開研究的省級實驗室集群。

（四）半導體、計算機等下游應(yīng)用場景較為廣闊

量子科技關(guān)聯(lián)的細分產(chǎn)業(yè)主要有半導體材料、計算機、集成電路、衛(wèi)星通信等，湖南省在上述多個產(chǎn)業(yè)具有良好的基礎(chǔ)且特色鮮明。在自主可控計算機及信息安全產(chǎn)業(yè)，形成了集計算機核心部件、整機系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件與中間件、應(yīng)用軟件等于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈，擁有長城科技、長城銀河、麒麟信息、中車時代通信等一批骨干企業(yè)；在半導體與集成電路產(chǎn)業(yè)，擁有全國唯一的IGBT產(chǎn)業(yè)基地，培育了中車時代電氣、國科微電子、景嘉微電子等一批骨干企業(yè)。量子科技在湖南省量子計算、量子材料、量子器件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面有著廣闊的應(yīng)用場景和產(chǎn)學研合作基礎(chǔ)。

三、湖南省量子科技發(fā)展面臨的問題

近年來，湖南省在量子科技領(lǐng)域集聚了一定的創(chuàng)新資源與成果，但與北京、安徽、浙江、山東等產(chǎn)業(yè)發(fā)達地區(qū)還存在不小差距。

（一）原始創(chuàng)新水平有待提升

湖南省在量子計算、量子材料方面的研究有一定基礎(chǔ)，但在量子通信、量子測量等方面的研究暫無明顯競爭優(yōu)勢。從全球范圍來看，湖南省在該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新性及前沿科技成果尚未達到領(lǐng)跑或并跑水平，國際研究影響力與合作輻射能力較弱，需要在國際前沿、共性關(guān)鍵技術(shù)和核心設(shè)備等方面發(fā)力，不斷提升原始創(chuàng)新能力水平。

（二）專業(yè)化研發(fā)機構(gòu)尚需補強

目前，湖南量子科技研究成果產(chǎn)出主要集中于國防科技大學、湖南師范大學等高校團隊，暫無專業(yè)的新型研發(fā)機構(gòu)。對比其他省份，如北京已設(shè)立量子信息科學研究院，安徽擁有中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，云南建有云南量子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院等專業(yè)化研發(fā)機構(gòu)。湖南需設(shè)立專業(yè)化研發(fā)機構(gòu)，在頂尖量子科技研究團隊及國際一流量子技術(shù)研發(fā)平臺的引進與培育方面加快步伐。

（三）應(yīng)用示范還需進一步拓展

量子科技研究成果轉(zhuǎn)化的速度正在加快，部分省份在量子科技領(lǐng)域圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈取得亮眼成績。安徽集聚了全國1/3的量子科技企業(yè)，初步形成了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)研究到關(guān)鍵核心技術(shù)集成，再到工程化、產(chǎn)業(yè)化的相對完整的鏈條。而湖南以量子技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用為核心的領(lǐng)軍骨干型企業(yè)和創(chuàng)新型中小企業(yè)較少，需要在薄弱環(huán)節(jié)實現(xiàn)突破，保障未來在量子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)和合作優(yōu)勢。

四、湖南省量子科技產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新方向布局建議

重點圍繞湖南省具有優(yōu)勢的量子材料、量子計算、量子器件等方向凝練重大科技攻關(guān)項目。量子材料重點布局低維半導體材料、超導材料、微納材料、磁性材料等方向；量子計算重點布局量子比特、新型算法等方向；量子器件重點布局量子存儲器、量子阱激光器、量子干涉元件傳感器、量子計算機等方向。凝練重大科技需求，采用“招賢揭榜”等方式，開展基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子材料與器件戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技競爭制高點，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢。

（一）匯聚優(yōu)勢創(chuàng)新資源重點打造國家級量子材料與量子器件研發(fā)平臺

我國多個省市成立了量子科技相關(guān)的研究院或中心，但特別關(guān)注核心器件的研發(fā)平臺較少，湖南省可以借此形成自己的特色。整合省內(nèi)重點高校研究力量，實行產(chǎn)學研合作和軍民融合，成立一批省級量子重點實驗室，對接合肥量子國家實驗室（籌建）。重點圍繞高性能量子器件的研制與應(yīng)用建設(shè)若干個子平臺。依托低維量子結(jié)構(gòu)與調(diào)控教育部重點實驗室，爭創(chuàng)國家重點實驗室。聚焦不同尺度物質(zhì)科學中新穎的量子結(jié)構(gòu)與量子效應(yīng)，發(fā)展新的量子調(diào)控科學及其在物理學、信息學、化學、材料科學、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用。

（二）培育引進一批量子科技高層次人才與科技型企業(yè)

對接國家級人才計劃、湖南省“三尖”人才計劃，圍繞湖南省具有學科優(yōu)勢的高校院所培育一批科技創(chuàng)新團隊、高層次人才、青年人才等。積極對接清華大學、中國科技大學、中國科學院等具有基礎(chǔ)研究優(yōu)勢的高校院所，引進一批院士、高層次人才等，夯實湖南省研究隊伍與研究實力。積極對接安徽、山東、浙江、江蘇等地區(qū)，考慮引進國盾量子、國儀量子、曙光信息、國迅量子芯、神州信息、九州量子等一批國內(nèi)相關(guān)企業(yè)，打造專業(yè)孵化器及新興未來產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

（三）圍繞新材料、自主可控計算機與信息安全產(chǎn)業(yè)打造應(yīng)用場景，推動產(chǎn)學研合作

一是圍繞微納材料、超導材料、光電材料、磁性材料、半導體材料凝練布局產(chǎn)學研合作項目，推動新型材料技術(shù)在光電器件、生物醫(yī)藥、國防軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用；二是圍繞量子雷達、量子傳感器、量子芯片、量子存儲器、量子處理器、量子計算機凝練布局研發(fā)項目，設(shè)計應(yīng)用場景推動新型器件在計算機整機、通信、裝備制造等領(lǐng)域的應(yīng)用示范。