赛迪译丛2026保持量子优势美国在量子网络领域的战略重点报告

【译者按】今年5月，新美国安全中心首次发布《保持量子优技博弈前沿赛道，中美两国技术发展路线差异明显，行业对两析两代量子网络应用潜力，明确优先布局数开展广域网络试验等核心判断，并提出构建统一评估件供应链、推进后量子密码盟友协同等政策建议。赛迪智量子网络是在不同节点之间传输量子态的技术。规模化落地后，它可以互连量子处理器、提升量子传感器精度、提供防窃听通信。当前整体处于早期阶段：第一代产品实现商业化但性能短板突出，高级应用仍停留在原型验证。厘清不同技术的成熟度与战略价值，对维护国家技术优势意义重大。本报告评估量子网络对国家安全、经济的影响，对比中美战略布局与技术进展，围绕安全通信、分布式量子计算、分布式量子传感三大场景开展分析，提出政策建议。报告明确：量子网络不是单一技术集合，不同应用的价值、周期、基础设施需求差异显著,需要分类、有针对性的政策。(一)主要发现各硬件路线的量子企业普遍认为，模块化量子互连把多台量子处理器集成为更强系统，是实现算力扩容的核心路径，是释放量子计算经济与国家安全价值的关键。其余多数应用价值尚不明确，仅适合小众场景。在本地设施内完成量子算力扩容效率更高。传感器量子纠缠组网投入巨大；新一代QKD对比经典方案，成本约束使其只能用于少数特殊场景，不能作为完备网络安全方案。远距离场景对量子中继、高精度授时同步、光纤/天基基础设施要求远高于数据美国及多国网络安全机构确认：QKD存在硬件安全漏洞、传输距离受限、基建成本高、缺少身份认证等短板；后量子密码才是抵御量子破译攻击的首要方案。即便大力发展QKD的中国，2025年也启动本国后量子密码标准编制，权威机构认可后量子密码可覆盖绝大多数安全场景。没有国家把QKD作为安全通信首选或者唯一方案。中国建成覆盖80余座城市、超1万千米QKD光纤网络，搭配卫星演示系统，积累基建与工程经验。但面向分布式计算、传感的量子网络2.0,对硬件、同步性能提出更高标准，现有QKD基础设施无法直接复用。—4—优先布局下一代高价值量子网络，没有过度押注第一代QKD。但(二)主要建议1、建立量子网络标准定义、性能基准、应用评估体系，客观衡量技术进展与短板，减少联邦资助项目重复建设。2、将数据中心内部可扩展量子计算的量子互连作为最高优先级，扩大DARPA异构量子架构项目规模，国家实验室、NSF、NIST协同攻关量子接口、量子存储器、单光子源与探测器等核心组件。3、合理布局远距离量子网络研发，维护测试平台体系，获取纠缠分发、组件集成的实证数据，避免对短期无法落地的应用过4、保障光子集成电路、高精度授时、超低损耗光纤等关键使能技术供应链安全，防范跨领域系统性风险。5、加速国内后量子密码迁移，强化盟友协同，规避多国标准不统一带来的互操作风险。二、引言量子技术是中美竞争关键领域，量子计算机有望重塑药物、材料、密码分析，量子传感器已经进入早期军事应用。美国科研—量子网络分为两代：量子网络1.0:以量子密钥分发QKD为代表，已经商用，但性能受限；量子网络2.0:以量子纠缠作为共享资源分发，支撑分布式计算、传感、增强安全通信，需要重大技术突破，实用价值尚未完全验证。中美选择不同路径：中国大规模部署QKD,同时布局纠缠分发；美国降低QKD优先级，重点研究量子网络2.0,但联邦投入低于量子计算、量子传感。美国政策制定者需判断：克制策略是要把握量子网络战略价值，需厘清两大区别：量子网络与经典网络、量子网络1.0与2.0。这直接决定应用能力、基建要求与技术成熟度，是研发投入优先级判定的关键。经典网络传输二进制比特，信息可复制、放大、转发，长距离传输无原理性衰减。量子网络分发量子态与量子纠缠；量子比特极易受测量干扰甚至损坏，虽带来独有安全能力，但建设运行难度显著更高。量子网络1.0以量子密钥分发为代表，实现两点间直连量子通信，通过量子信号扰动检测窃听，协商生成加密密钥，已商业量子网络2.0核心是分发共享纠缠资源，设备可按需调用，实现经典通信做不到的协同量子运算，摆脱对硬件安全的高度依赖。可互连量子芯片推进容错量子计算，也可组网量子传感器获得更高测量精度，服务导航与科研；不过该技术条件要求极高，距离大规模实用尚远。量子网络核心概念量子比特、叠加态与测量：量子信息基础单元，可处于0/1叠加态；测量会扰动量子态，常编码在光子中传输。会瞬间确定另一个状态；纠缠是网络共享物理资源，不等同通信信道。纠缠分发(亦称纠缠交换):相邻节点建立短纠缠链路，中间节点做联合测量，把纠缠传递到远端，是量子中继的核心量子中继器：协议体系，依靠纠缠源、量子存储器、单光子探测器、高精度同步，克服光纤损耗，实现远距离纠缠分发，尚无成熟工程实现。量子网络2.0以节点间分发纠缠构建共享资源，支撑远距离设备的联合计算、协同测量与安全通信。网络节点涵盖量子计算景(图1左侧)。而地理分布式量子计算借助远距离光纤或卫星随距离叠加严重信号损耗，依赖尚未验证的量子中继器架构(图1右侧)。多台量子计算机通过量子纠缠实现相互联网，进行跨设施联合计算。各个量子计算芯片或处理器通过纠缠相互联网，在数据中心内开展联合计算，形成更强大的量子计算机。—量子网络与互联网类比的局限性经典互联网复制、广播信息，用户越多价值越高；量子信息不能复制广播，纠缠属于一次性消耗的物理资源，必须配合本地量子操作+经典通信才能发挥作用。量子网络需要专用硬件、严苛运行环境，很难发展为全球开放通用网络。中短期价值集中在限定场景：数据中心处理器互连、特定区域高精度传感等。报告不使用“量子互联网”表述，将其视为一套关键使能技术集四、量子网络应用：前景、局限与现状不同量子网络应用，价值定位、技术成熟度差距悬殊，直接决定资源投入方向。报告重点分析量子密钥分发、分布式量子计算、分布式量子传感三大方向，研判潜力、固有短板与发展现状。整体形成一条核心判断：后量子密码是化解量子计算机破译风险的主要手段；量子密钥分发只能作为补充，无法实现替代；设备无关量子密钥分发更大的价值，在于牵引第二代量子网络底层技(一)量子密钥分发量子通信依托量子物理效应实现信息传输，安全性建立在物—理规律之上，而非数学计算难度。随着业界意识到强大量子计算机可以破解现有公钥密码体系，量子通信研究得到进一步推动。公钥密码依靠经典计算机难以求解的数学难题，而量子计算机可以实现高效破解。应对该风险，美国将后量子密码研发部署列为优先事项。后量子密码属于经典密码新标准，依托现有网络基础设施部署，算法同时抵御经典、量子计算攻击。归属于量子网络1.0。收发双方通过光纤直连链路传输量子态，一旦窃听发生，信号错误率上升，双方就可以提炼安全共享密钥即便拥有理论安全优势，量子密钥分发现实短板十分突出。美国国家安全局多次发布文件表明，不建议将量子密钥分发作为国家安全系统主流安全方案，英国、澳大利亚、德国等多个盟国也给出相似结论。第一，不属于完备网络安全解决方案。仅负责生成加密密钥，身份认证、终端防护、抵御应用层攻击仍然依赖经典系统。第二，传输距离与规模化拓展存在瓶颈。光纤中量子信号快速衰减，依靠可信中继延长距离，又会重新引入传统安全漏洞。第三，硬件实现层面存在安全缺陷。已经出现多起侧信道攻击案例，攻击者利用探测器、光子发射硬件缺陷窃取密钥，打破第五，需要独立建设专用基础设施，对比软件形态的后量子密码，建设运维成本更高。美国国家标准与技术研究院历时八年，在2024年正式落地首批后量子密码标准。密码迁移工作预计耗时数年，投入成本高昂。美国及其盟友提出时间要求，高价值系统力争2030年前完成迁移，绝大多数系统在2035年前完成改造。市场逐步调整定位，不再将量子密钥分发视作后量子密码替代品，而是高价值链路的补充防护层。但需要注意，量子密钥分发身份认证环节依旧依托经典加密技术，如果经典密码被攻破，量子密钥分发的防护能力同样会失效。即便量子密钥分发不适合直接做加密方案，开展相关研发也可以积累硬件、运维经验，为下一代量子网络打基础。新一代量子密钥分发协议尝试降低对可信硬件的依赖。测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)把量子信号发送至中心中继完成联合测量，中继无法获取密钥，规避探测器相关攻击。设备无关量子密钥分发(DI-QKD)安全性完全依托量子纠缠统计关联，几乎不需要信任硬件内部运行状态。2026年2月，中国科学技术大学团队完成100千米光纤条件下设备无关量子密钥分发实验演示，但密钥生成速率距离工程应用仍有巨大差距。即便技术取得突破，新型协议依旧无法解决身份认证、基建成本等固有短板。但设备无关量子密钥分发需要高质量纠缠分发、量子存储器、纠缠交换，这些正是量子网络2.0的核心底层技术，相关实验成果是衡量纠缠技术水平的重要标杆。(二)分布式量子计算单台量子处理器受错误率、制造工艺、控制复杂度约束，存在物理与工程上限。分布式量子计算借助量子纠缠，把多台中小型量子处理器组网协同运行，搭建算力更强的系统，原理类似经典超算多芯片集群。分为数据中心级模块化量子计算、地理分布式量子计算两个层级，二者战略价值、技术成熟度差异巨大。在单座数据中心内部，依靠量子互连硬件，将多台量子计算模块互连，形成一套逻辑统一的整机，是现阶段量子网络价值最高的应用。容错运行条件下，系统每秒需要生成数万至数百万条纠缠连接，纠缠保真度需要达到98%-99%,同时配套高速经典控制系统完成授时、错误管理。不同硬件技术路线面对的技术瓶颈—12—离子阱平台光互连实验进展较快，已经实现97%保真度跨处理器运算，头部企业计划2028年落地模块互连；主要痛点是纠缠生成成功率低，光损耗显著,可见光向通信波段转换带来额外损耗。中性原子单处理器可以集成大量量子比特，但是光子提取难度大，跨处理器网络化计算还处在早期原型阶段。超导系统能够在同一低温制冷机内实现多芯片互连，但长距离跨制冷机运行，需要攻克微波-光量子换能难题，该技术至今没有成熟解决方案。光子量子计算天然适配光信号传输，最大阻碍来自光子丢失，光子损耗会直接破坏量子计算过程，对单光子源、探测器、光交换器件性能提出严苛要求。跨不同硬件模态互连，可以融合不同技术路线优势，例如结合超导快速门操作与原子系统长相干时间，但硬件接口、任务编译调度难度极大。美国国防高级研究计划局异构量子架构(HARQ)项目正对该方向开展技术攻关。地理分布式量子计算，依靠远距离光纤或者卫星链路，跨城市连接异地量子处理器。该模式并不是算力扩容的最优方案，长距离传输光子损耗呈指数级增加，必须依赖还没有完成工程验证它的可用场景较为狭窄，典型应用为盲量子计算，用户可以在远端量子计算机执行任务，同时保护自身数据不被设备运营方获取；也可以实现不同机构稀缺量子算力的联合调度。美国已经建设十余个远距离量子网络试验平台，但量子中继整套架构尚未(三)分布式量子传感广泛应用导航、授时、地球物理勘探。评估分布式量子传感，需要区分经典组网与量子纠缠组网两种模式。量子传感器经典组网已经实现大规模实用，GPS全球导航卫星系统就是典型代表。系统内部原子钟依托经典网络完成时钟信号同步、数据融合，为海量军民业务提供底层支撑，全程不需要量子纠缠参与。纠缠式分布式量子传感，依靠纠缠链接各个传感器，理论上可以压低量子本征噪声，进一步提升测量精度。代表性应用包括纠缠增强时钟同步、光波段甚长基线干涉测量振动、大气扰动、温度变化等环境噪声才是测量精度的主要制约因素，量子纠缠无法消除环境噪声带来的干扰。搭建纠缠传感网络，需要实现极高标准授时同步、稳定光子链路，整体建设成本高昂。与之对比，升级单台量子传感器、增加传感器布设数量、迭代经典时间传递协议，已经可以实现飞秒当然，授时、传感精度小幅提升依旧可以带来可观军事、科学收益，分布式量子传感值得持续开展定向实验研究，应当先验证纠缠带来的实际性能增益，再扩大资源投入。量子传感器与量子计算机的互连量子网络领域有一项尚未发展成熟但可能会产生重大影响的应用，即把量子传感器直接与量子计算机相连，测量得到的原始量子信息不转换为经典数据，直接送入量子计算系统，能够极大提升微弱信号提取能力，在信号情报、材料表征领域潜力巨大。但是不同硬件模态接口适配难度高，需要硬件联合设计，可以纳入异构量子架构项目进行拓展研究。量子网络2.0各类高价值应用，对高速、高保真纠缠分发存在强依赖。第一代量子密钥分发和第二代量子网络硬件重叠度有限，存量QKD光纤、终端设备，不能直接支撑纠缠分发任务。信号损耗、噪声会沿着整条链路累积，传输距离越远，问题越突出。整套系统，量子硬件层与经典基础设施层同等重要，任意组件短板都会限制系统整体性能。(一)量子层核心技术一是量子信号生成与提取。量子处理器内部量子比特发射光子，依靠光子接口提升光子捕获耦合效率；部分系统使用独立纠但伴随信号损耗；超导比特微波信号向光波段转换，属于尚未突破的重大工程难题。三是纠缠建立。依靠单光子探测器判断纠缠链路是否建立成四是量子存储器。能够临时保存量子态，实现建链步骤异步执行，是远距离量子中继的核心器件；核心评价指标包含存储时长、读取效率、保真度。(二)经典基础设施与控制层第一，传输基础设施。短距离数据中心场景，光纤损耗属于次要矛盾；城域及更远场景，光纤衰减上升为首要约束，普通商用光纤不完全适配量子信号。自由空间、卫星链路可以作为备选方案，但受气象、视距条件约束。第二，授时与同步。大量量子协议需要皮秒、亚皮秒级时间对齐，现有商用设备很难满足高阶应用需求。第三，管控与纠错。实时控制系统调度纠缠生成、路由、错—16—误处理；异构多模态硬件组网，会进一步放大软件控制难度。(三)全局性技术难点损耗噪声累积效应：量子密钥分发可以容忍光子丢失，只会降低密钥生成速率；纠缠类应用对链路保真度要求严苛，少量损耗就会破坏纠缠资源，造成任务失效。授时同步压力：跨节点协同量子操作，对光子到达时间窗口误差容忍度极低，远距离组网进一步放大同步压力。系统集成难题：分立元器件实验室性能指标达标，不代表可以集成为稳定运行的整机。完整量子中继系统至今没有完成全链路工程演示验证。六、中美产业生态对比评估中美两国量子网络发展路线差异显著,中国优先落地第一代量子密钥分发大规模基础设施，同步布局下一代技术科研攻关；美国不推动大规模QKD建设，研发重心放在量子网络2.0,但联邦资金投入规模不及量子计算、量子传感赛道。(一)中国划重点推进城域、城际量子通信建设；十五五规划提出构建天地一体化量子通信网络。完成京沪干线建设，建成覆盖80余座城市，总里程超1万千米的量子密钥分发光纤网络。墨子号、济南一号卫星完成星-地量子密钥分发试验，还规划后续发射高轨、低同时行业出现重要转向信号，2025年中国信息通信研究院发布报告，客观指出量子密钥分发商业化落地难题，明确后量子密码可以覆盖绝大多数安全业务场景，中国同步启动后量子密码国家标准编制；提出要发展面向量子计算、量子传感的新一代量子信息网络，预示未来资源会逐步向量子网络2.0倾斜。中国企业集中在量子密钥分发硬件制造与网络运营，科大国盾量子是核心供应商，问天量子、循态量子等企业也布局相关业务，部分企业兼顾量子计算硬件研发。现阶段中国企业暂未实现量子存储器、纠缠中继等第二代量子网络硬件商业化落地。科研端实力雄厚，合肥国家实验室、中国科学技术大学、清华大学、北京大学等机构，在纠缠源、量子存储器、量子互连、异构硬件接口持续产出高水平实验室原型成果，未来具备产业化转化潜力。整体来看，中国拥有全球规模最大的第一代量子网络现实部署，但是下一代量子网络仍停留在实验室阶段；存量光纤、卫星地面站可以作为未来新技术落地载体，原有QKD终端设备—18—美国采取审慎克制的发展思路，没有大规模建设量子密钥分发基础设施，资源向纠缠分发为核心的量子网络2.0倾斜。2018年《国家量子倡议法案》颁布之后五年，联邦层面量子网络总投入超过5亿美元，低于量子传感12亿美元、量子计算13.6亿美元。美国顶层战略文件明确，纠缠分发价值巨大，但底层技术缺口众多，需要先明确高价值应用场景，攻关核心器件，建设适度规模试验平台，避免过早投入巨额资金。美国境内运行约20个量子网络试验平台，由高校、国家实验室、国防部、NASA多方联合建设，典型代表为华盛顿大都会量子网络，打通六大联邦科研站点(见图2)。重点项目包括DARPA异构量子架构项目，国家科学基金会、能源部资助的异构网络与各类试验床。NASA完成空间站在轨纠缠光子生成实验；波音计划2026年开展卫星纠缠交换在轨验证。政策咨询机构多次呼吁，试验平台应当设置清晰可衡量的技术指标，减少项目重复建设；远距离试验平台，要等核心组件成熟之后，再扩大资助力度。格伦伯尼格伦伯尼亚历山德里亚图2:华盛顿大都会量子网络试验平台：连接联邦六大站点，用于下一代美国形成初创企业叠加国防主承包商的格局，研发重心偏向—20—件。RTXBBN、莱多斯、波音等国防承包商，参与量子-经典混合网络、天基量子载荷研发。大量创业企业脱胎高校、国家实验室，同时获取联邦科研合同与社会资本支持。美国具备科研与产业双重优势，但需要配套政策释放投资价值。从全球竞争视角分析，量子密钥分发除通信安全作用之外，还承担人才培养、工程经验积累、国际技术声望等附加价值，但是不能混淆第一代、第二代量子网络能力边界。全球主要国家均同步推进后量子密码标准建设，没有国家将量子密钥分发作为安全通信主方案。中国科研机构在第二代量子网络原型成果进步迅速，但实验室原型距离工程化部署还有明显鸿沟。表1:总部位于美国、从事量子网络和使能技术开发的企业年子、转换至通信波段并路由进入光网络；量子存储器模块(低温制冷；基于流片兼容硅光子平台年加利福尼正在开发的产品或原型样机圣莫尼卡将光子转换至通信波段并复用到光网络；通用量软件编译器，用于多台组网处理器之间拆分、调度计算任务。(通过收购)年州，学院公园(总国多处分支机构IonQ收购多家从事量子网络与使能技术的企业：Lightsynq(位于马萨诸塞州波士顿):量子存储器(低温制冷；流片兼容硅光子基底上的金刚石薄膜硅-空位色心),可临时存储光子，提升分布式量子计算的纠缠生成速率。Qubitekk(位于加利福尼亚州维斯塔):远距离量子通信系统*:纠缠光子对源(通信波段和近红外波段)、单光子探测器、量子开关、自动偏振补偿器、授时电子器件及软件。VectorAtomic(位于加利福尼亚州普莱森顿):光钟*和授时同步硬件*。Skyloom(位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德):卫星链路光通信终端*。年马萨诸塞州，剑桥采用微反射镜的量子接口，提升从量子处理器提取纠缠光的收集效率，提高分布式量子计算的纠缠生成速率。年科罗拉多博尔德面向分布式光子量子计算与远距离通信的按需单光子源、纠缠光子对源(片上光学腔内部半导体量子点)。面向分布式超导量子计算的光-微波换能器(基于同类量子点平台，增加配套元器件)。年布鲁克林机架式模块化远距离量子通信系统：*概率型纠缠光子对源、自动偏振补偿器、稳频激光器、量子存储器模块(热铷蒸气)、监测验证模块；第三年科罗拉多州，路易斯维尔年年年年年年处于研发阶段。七、主要建议结合上述分析，美国应当发挥现有优势，补齐短板，精准分(一)制定量子网络应用的标准定义、性能基准与评估体系量子网络各类应用场景差异巨大，当前缺少统一术语定义与量化性能指标，难以完成跨项目、跨国技术水平对比，不利于联邦经费科学分配。建议由美国国家标准与技术研究院、国防高级研究计划局牵头，联合能源部、国家科学基金会、NASA,协同量子经济发展联盟、国家量子倡议咨询委员会共同推进相关工作。统一关键术语、应用分类；制定分场景可落地量化性能基准；完成量子方案与传统替代方案的性能、成本综合评估。评估范围覆盖量子密钥分发、数据中心及地理分布式量子计算、分布式传感，费拨付的重要依据，减少重复建设。(二)加快向可扩展量子计算的量子互连技术发展模块化量子互连，是实现容错大规模量子计算的必经路径。建议扩大DARPA异构量子架构项目预算与实施规模，把量子传感器-量子计算机互连纳入项目研究范畴，挖掘国防情报领域潜在颠覆性价值。推动国家实验室、国家科学基金会、国家标准与技术研究院开展配套项目，集中力量攻关量子接口、量子频率换能器、量子存储器、单光子探测器、光子集成芯片。该方向技术成果可以外溢赋能远距离量子网络，但广域组网还需要攻克量子中(三)为地理分布式量子组网配置均衡合理的研发布局不能完全放弃该赛道，拒绝超前大规模投资，坚持实证驱动决策。统筹国内现有试验平台资源，化解重复建设问题，聚焦差异化技术难题；把量子传感器-量子计算机互连等高国家安全收益方向纳入试验研究。试验平台重点产出真实光纤环境纠缠分发性能、量子中继可行技术路线、量子方案对比经典方案的实测数据。试验结果反馈至评估基准体系，作为后续是否扩大投资的判断依据。(四)保障具备量子网络溢出效应的使能技术供应链与基础设施安全光子集成电路、单光子源与探测器、高精度授时同步设备、超低损耗光纤、天基光通信终端、特种薄膜与半导体材料，不仅支撑量子网络发展，同时服务通信、国防、航天多个关键领域。部分核心材料、制造环节对外依赖风险突出。商务部依托国家标准与技术研究院，联合国防部、国家科学基金会，针对供应链短板开展专项研发，推动薄膜铌酸锂、II-V族半导体外延、特种超导材料、空芯光纤等技术本土能力建设。项目立项阶段统筹多行业需求，对冲量子网络应用落地不及预期带来的投资风险。(五)加快国内后量子密码迁移进程，并与盟友开展协作美国国家标准与技术研究院已经发布后量子密码标准，国内整体迁移预计数十亿美元投入，计划2035年前完成改造。需要持续发布行业落地指南，设置阶段性里程碑，推动政府部门、关键基础设施、私营产业完成系统升级。将后量子密码协同列为多边量子技术外交重要议题，推动盟国优先采用NIST后量子密码标准，防范多国自研差异