精准激光在下游量子科技领域应用情况
思瀚产业研究院 频准激光    2025-12-09

量子科技是指利用量子态的叠加性、纠缠性、不可克隆性等量子力学特性，进行信息处理的技术。

量子科技主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大应用领域，量子计算可为人工智能、密码破译、材料设计、基因分析等所需的大规模计算难题提供解决方案。量子通信有望解决金融、政务、商业等领域的信息传输安全问题。量子精密测量可大幅提升资源勘探、医学检测等的准确性和精度。

（1）量子科技成为全球科技竞争的焦点

量子信息科技属于战略性、基础性的前沿科技创新领域，可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈，事关全球科技革命和产业变革的走向，是国际竞争的焦点。

①各国高度关注，确立国家战略

当前，量子科技已经上升为国家间科技竞争的战略高地。全球主要发达国家和地区相继部署了国家层面的量子信息战略与规划，投入大量财政资金与人力资源，以加快该领域的技术攻关与产业化进程。

美国通过立法引领和系统化的政策设计，全面推进量子技术主导权建设。其战略布局聚焦三个核心方向：明确国家战略优先地位、建立跨部门协作体系以及保障关键供应链安全。2018 年 12 月，美国通过《国家量子计划法案》，以加速量子研究和开发，保障美国的经济和国家安全；

2024 年 11 月，通过的《国家量子倡议重授权法案》明确将量子技术领导地位与国家安全直接挂钩；2025 年 6 月发布的《网络安全行政令》修订版中，白宫首次将“保持量子技术领导地位”列为“国家安全紧迫任务”；2025 年 9 月，美国和英国签署《科技繁荣协议》，重点聚焦人工智能、量子科技和民用核能三大前沿技术领域合作。2025 年 9 月，白宫发布《2027 财年政府研发预算优先事项及跨领域行动》备忘录，将人工智能与量子信息科学与技术置于 2027 年研发预算优先级首位。

欧盟的量子战略以跨国协同与产业生态整合为核心，2018 年启动“量子旗舰计划”，旨在打造一个泛欧范围内的量子技术共同体；2025 年 7 月，欧盟委员会正式推出《量子战略》，旨在 2030 年前使欧洲成为全球量子技术领导者。预计到 2040 年，该领域将在欧盟创造数千个高技能岗位，全球市场规模突破 1,550亿欧元。2023 年 4 月，德国通过“量子技术行动计划”提出打造全球量子科技领军者的目标，配套以大规模资金支持和战略部署。2021 年 1 月，法国发布《量子技术国家战略》等政策积极推进量子计算发展。

2020 年 10 月，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。学习时强调，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。

量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。我们必须坚定不移走自主创新道路，突破关键核心技术，努力在关键领域实现自主可控，保障产业链供应链安全，增强我国科技应对国际风险挑战的能力。

近年来，中国量子政策布局从早期的基础研究支持逐步转向产业化应用推动。2021 年以来，量子相关政策密集出台，重点围绕基础设施建设、技术创新、产业应用及量子信息标准等领域，强力推动量子科技产业化进程。

2023 年起，量子技术连续三年被写入国务院《政府工作报告》，2025 年的《政府工作报告》将“量子科技”直接定义为需要培育的“未来产业”。《2025 年上海市政府工作报告》提出增强科技创新能力，围绕细胞基因治疗、脑机接口、6G、量子计算、聚变能源等战略前沿领域，强化前瞻性、战略性、系统性、带动性研究布局。合肥市出台《量子信息产业发展规划（2020—2030 年）》，提出全力打造量子科技、量子产业双“高地”。

“十四五”规划将量子信息技术列为重点方向，指导量子计算、通讯、测量等领域的研究与应用。《“十五五”规划建议》明确提出前瞻布局未来产业，推动量子科技、生物制造、氢能和核聚变能、脑机接口、具身智能、第六代移动通信等成为新的经济增长点，这些产业蓄势发力，未来 10 年将再造一个中国高技术产业。《“十五五”规划建议》明确提出“推动量子科技成为新的经济增长点”，意味着政策重心正从“科研突破”向“产业化应用”和“经济赋能”转变。这一战略部署标志着量子科技已从国家战略高度正式纳入国家经济发展主航道，预示着中国将在新一轮全球科技革命和产业变革中加速布局。

②公共投入增长，经费持续井喷

近年来，各国针对量子信息技术广泛地制定战略规划和政策措施，旨在确立量子技术的长期发展方向和目标，并提供必要的资源和经费支持。

2019 财年以来，美国在量子信息领域的研发预算翻倍，自 2022 财年开始每年一直保持在 10 亿美元规模；2018 年，欧盟启动预算 10 亿欧元的量子技术旗舰计划；2021 年 1 月，法国发布《量子技术国家战略》计划 5 年内在量子技术领域投入 18.15 亿欧元；

2023 年 3 月，英国发布《国家量子战略》，将在 2024-2030 年间提供 25 亿英镑的政府投资，并吸引至少 10 亿英镑的额外私人投资；2024 年 11 月，日本政府宣布将追加 1.05 万亿日元预算，用于重点支持下一代芯片和量子计算机等前沿技术研发；

2024 年 12 月，美国参议院提出《国家量子倡议重新授权案》，该立法将为量子研发提供 27 亿美元的联邦资金，以促进联邦科学机构和政府资助的研究中心在未来五年内的发展；2025 年 8 月，日本经济产业省确定了投入约 500 亿日元，支持富士通和 KDDI 等 10 多家日本企业开发量子计算机的方针。

欧盟通过量子技术旗舰计划、地平线欧洲和数字欧洲计划等渠道投入近 20 亿欧元，成员国也提供了超过 90 亿欧元的配套资金。欧洲量子产业联盟还呼吁欧盟设立 20 亿欧元的量子主权成长基金，以支持初创企业、成长型企业及知识产权保护。

2025 年 3 月，美国发布《2025 年度全球量子产业现状》报告指出，全球量子相关累计公共投入达到 445 亿美元。2025 年 6 月，麦肯锡发布《量子技术监测报告》指出，全球公共和私营部门量子技术投资显著增加，截至 2025 年 4 月，公共部门投资已达 540 亿美元。

③技术持续突破，科技巨头押注

从上世纪的理论建设到 2010 年后量子计算机逐步成形发布，再到近年在量子比特和量子纠错的快速发展，量子技术商业化应用已经初具规模。全球量子计算领域主要参与者正在达到突破性的里程碑，朝着可扩展的逻辑量子比特发展。

在超导电路方面，谷歌公司发布 Willow 量子芯片，利用 105 个物理量子比特构成 1 个逻辑量子比特，在表面码码距为 7 时实现了 99.86%的保真度；亚马逊云科技（AWS）发布 Ocelot 处理器，利用 5 个“猫量子比特”和 4 个辅助量子比特在表面码码距为 5 时实现了 98.35%的保真度；IBM 公司在 27 量子比特芯片 Falcon 上制备出 4 个逻辑“魔法态”（非 Clifford 资源状态），保真度高于单个物理量子比特的保真度。

在中性原子量子比特方面，QuEra 公司通过使用 280 个物理量子比特的可重构中性原子阵列制备出 2 个高保真度逻辑量子比特；Pasqal 公司开发出量子经典混合算法，可监测分子两个势能面交叉的临界点；加州理工学院实现了 6,100 个高相干原子量子比特的稳定阵列，哈佛大学让 3,000 个量子比特连续运行超 2 小时。

在离子阱方面，Quantinuum 公司使用 Steane 码（一种量子纠错码）对 1 个逻辑量子比特进行容错传送，传输过程中在四个点上进行纠错，实现了 97.5%的逻辑过程保真度。

在拓扑量子比特方面，微软公司制备出全球首个采用新型拓扑核心架构的量子芯片 Majorana 1。2025 年 9 月，《Nature》连续刊登 5 篇关于量子计算的重磅研究，系统攻克了量子计算规模化、容错性、工程化三大核心瓶颈。这些成果共同揭示了一个明确信号：量子计算正在从小规模物理实验逐步迈向系统工程化阶段。2025 年 9月，白宫发布《2027 财年政府研发预算优先事项及跨领域行动》备忘录指出，量子科技正处于从实验室走向产业化应用的关键拐点。

据中国信通院统计，截至 2024 年年末，全球量子信息领域相关企业数量已超过 600 家，2014-2024 年间融资总额超百亿美元。麦肯锡发布的《量子技术监测报告》指出，2024 年，量子技术初创企业获得的总投资比 2023 年增长约 50%，达到 20 亿美元。

2025 年 10 月，摩根大通宣布启动一项总额 1.5 万亿美元的 10 年安全和弹性倡议，旨在通过投资与融资强化美国的经济安全与产业韧性，倡议将重点支持国防航空、前沿科技等四大核心领域，包含量子计算等 27 个子领域。

美国 IBM、谷歌、Intel、微软、亚马逊等大型科技企业积极布局量子计算，Quantinuum、Rigetti、IonQ、Infleqtion、PsiQuantum、QuantumComputingInc 等初创企业已初具规模，推出各具特色的产品，并积极探索公司产品可能的应用方向，行业影响力日渐增强。根据公开披露信息，2025 年 9 月，科技巨头英伟达通过旗下风险投资部门 NVentures 完成对三家量子计算企业投资，分别为离子阱技术路线的 Quantinuum、光量子技术路线的 PsiQuantum，以及中性原子技术路线的 QuEra。

（2）量子计算

①量子计算的基本概念及主要技术路线

量子计算是一种遵循量子力学规律，以量子比特为基本单元，利用量子叠加、干涉、纠缠等原理实现并行计算的新型计算模式，能在某些计算复杂困难问题上实现指数级加速，具备超越经典计算机运算能力的潜力，是未来计算能力跨越式发展的重要方向，是量子信息最热的研究内容，也是量子信息中最有标志性的颠覆性技术。

量子计算正从“物理验证”阶段切换到“工程落地”阶段。9 月，《Nature》连续刊登 5 篇关于量子计算的重磅研究，系统攻克了量子计算规模化、容错性、工程化三大核心瓶颈。这些成果并非孤立的技术突破，而是共同揭示了一个明确信号，那就是量子计算正在从小规模物理实验逐步迈向系统工程化阶段。

当前，量子计算正处于技术攻坚和应用探索的关键时期，量子计算技术路线主要聚焦于如何利用量子比特的特性进行信息处理并实现技术方案的实用化，行业技术迭代迅速，多条技术路线并行发展，技术路线未收敛。

超导、光量子、离子阱、中性原子等主要技术路线均已实现量子物理比特及逻辑比特，正在向实现更多可纠错的量子逻辑比特迈进。在此之中，离子阱、中性原子技术需要使用激光器冷却或产生光镊/光晶格来捕获并囚禁原子或离子从而获取量子比特。一般来说，光镊功率越高，可操控的原子数量越多，量子比特数量就越多；光镊强度噪声越低，原子的寿命越长，量子比特稳定性越高，原子数量和原子寿命是量子计算的核心性能指标。

②激光是量子计算的关键核心工具和部件

中性原子体系因优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，成为极具潜力的量子计算和量子模拟平台。以目前非常具有前景的中性原子量子计算为例，中性原子量子计算研究的核心是量子比特的制备、调控和读取，其中激光系统是实现量子比特操作和量子逻辑门操作的关键。激光系统产生的相干光源与原子相互作用，可对目标量子吸收体进行冷却、探测等一系列精确的量子态操作，也可顺利读取所需量子比特的态信息。

万比特中性原子量子计算对激光的需求可总结为：超宽波段、超大功率、超低噪声、高频率稳定性。

此外，一套中性原子量子计算系统造价数千万，激光器系统占成本比重超40%，是中性原子量子计算系统最核心的工具和部件。

③量子计算市场的发展和规模

随着量子计算机硬件的不断升级和算法的不断优化，以及全球超算中心与量子计算机的加速融合，量子计算行业计算能力和效率将进一步提升，并且有望在不同行业实现广泛应用。例如，当前金融行业在积极探索量子计算在密码学和投资组合优化中的应用；在医药、化工等领域，量子计算在复杂分子模拟和新药研发中展现出了广阔的应用前景。随着量子计算应用的不断拓展，量子计算行业将面临更大的市场需求和更多的市场机会。英国国家量子计算中心预计，2027 年

全球量子计算的市场影响规模最高有望达到 350 亿英镑；据 ICV TA&K 测算，2023 年全球量子计算产业规模已达到 47 亿美元，在 2028 年至 2035 年，受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，产业规模将继续迅速扩大，标志着量子计算进入全面成熟和商业化的关键阶段，预计到2035 年全球量子计算产业规模将达到 8,117 亿美元。中国 2024 年量子计算市场规模约 12.7 亿美元，占全球比重 25.30%，预计 2035 年将达到 2,382.1 亿美元，占全球比重 29.35%。

根据《上海量子科技产业发展白皮书》预测，未来量子计算行业将不再单纯追求物理比特数量规模的扩展，而是将在逻辑门保真度、相干时间等可信度和准确性方面同步提升，同时量子计算机的高成本以及苛刻的运行环境等难题尚未解决，量子计算领域激光器的性能参数需求将在可见的时间内持续提升，带来可观的存量替换和增量市场。

（3）量子精密测量

①量子精密测量的基本概念及分类

量子精密测量是利用量子力学特性（如原子能级、基本粒子的自旋等）进行物理量探测和感知的技术，主要通过测量微观粒子在待测物理量作用下的状态变化来实现对物理量的测量，并且依赖于对微观粒子状态的精确操控和读取。量子精密测量在许多特性方面比传统测量技术有数量级提升，如灵敏度、特异性、统计或系统不确定性、可追溯性、校准间隔、寿命、功耗和安全性等，这一颠覆性技术的关键是实现原子精细能级跃迁和量子态探测的窄线宽激光器。

根据实现方式不同，量子精密测量主要分为囚禁原子/离子、固态自旋、超导以及其他传感技术；根据测量的物理量不同，其主要分为磁场、电场、时频、位移/相位、旋转、压力、温度、重力等量子传感器。

②激光是量子精密测量的关键核心工具和部件

在量子精密测量方面，激光的主要应用包括：（1）提供高相干性光源：在干涉仪中，激光作为光源，可以产生稳定的干涉条纹，用于测量微小位移、加速度等物理量；（2）实现量子态的操控：激光可以用于制备和操控量子态，例如制备压缩态、纠缠态等。在原子干涉仪中，激光用于冷却和捕获原子，并通过拉曼跃迁或布拉格衍射实现原子的分束和反射；（3）量子噪声的抑制：通过激光技术可以生成压缩态光，降低光的量子噪声（如振幅噪声或相位噪声），从而提高测量精度；（4）高精度频率标准：激光可以用于实现光学原子钟，其精度比传统的微波原子钟高出几个数量级。通过激光冷却和捕获原子或离子，可以实现极窄的原子跃迁线宽，从而提供超高精度的频率参考。

一套实验室级光学原子钟系统造价约 500-2,000 万元，可搬运工程化级的系统花费数千万，激光器系统占成本 30%-50%，是光学原子钟系统最核心的工具和部件。

③量子精密测量市场的发展和规模

随着量子信息技术的不断发展以及对微观粒子系统认识和测控能力不断提升，大量新型量子精密测量技术和产品不断涌现，量子精密测量已成为量子信息领域技术方向多元、应用场景丰富和产业化发展迅速的代表。例如：量子时钟作为精密测量产业最成熟的产品，其稳定性和准确性使其能够为通信、导航等领域的数据传输和网络同步提供关键支持；

量子重力仪凭借高灵敏度、稳定性、小型化潜力和抗干扰能力，在复杂地质环境中具备独特优势；量子磁力计则在诸如生物磁（心磁图、脑磁图、细胞科学研究等）、地磁（地球物理研究、空间勘探等）、工业检测（无损探伤、材料检测等）等重要领域发挥重要价值；量子电场强计、量子加速计等产品目前已进入实验室样机演示阶段，技术正逐步走向成熟。

未来，随着技术的不断成熟，量子精密测量将逐步实现对传统测量设备的补强和替代，并在如航空交通管制雷达、卫星导航、智能驾驶、电池改良等领域有望实现大规模商业化，量子精密测量市场规模有望持续攀升。

根据 ICVTA&K 的数据，2023-2035年全球量子精密测量产业呈现出稳步增长趋势，产业规模从2023年的 14.70 亿美元增长到 2035 年的 39.00 亿美元，CAGR 约为 8.47%。2023 年细分领域中，量子时钟是量子精密测量最主要的市场，约为 5.80 亿美元；其次为量子磁力计，市场规模约 4.80 亿美元；再次为量子重力仪，市场规模约 1.70 亿美元。

量子精密测量领域中，如原子钟等已在实验室和商业应用中积累了丰富的使用场景的技术，其发展趋势主要为进一步提高其频率稳定性和延长保持时间，以满足不同领域对更高精度和更长时间同步的需求，因此将对激光器的精度、长期稳定性和可靠性提出更高的要求；而如重力仪、磁力仪等产品正处于小型化、价格降低的阶段，未来有望在更广泛的场景得到使用，并对激光器产品的集成化、模块化提出了更高的要求。

（4）量子科技领域对精准激光的极高要求

量子科技领域激光器主要指面向量子科技领域的科学研究以及产业化应用所使用的激光器，激光器和系统是作为量子技术的重要上游零部件，其线宽、功率、噪声特性及稳定性直接决定了量子计算和量子精密测量的操作保真度和扩展性。在量子科技领域，激光器主要用于精确地捕获、操纵和读取量子的量子态。量子科技领域对精准激光器的性能提出了极其严苛的要求：

①波长精确性

激光的波长必须精确匹配量子比特的能级跃迁波长，如操纵铷原子（Rb）时，要用 780nm（D2 线）和 420nm（用于里德堡激发）；操纵钡离子（Ba⁺）时，需要 493nm、650nm 等特定波长；操纵镱离子（Yb⁺）时，需要 369nm 等紫外波长；光镊捕获中性原子时，常用 1064nm 等近红外激光。任何频率的微小偏差或者抖动都有可能导致原子退相和退相干，破坏量子比特生命周期的各个过程。

②极窄的线宽

线宽是衡量激光单色性好坏、频率稳定度的关键指标。如果激光线宽太宽，就会覆盖量子比特能级附近的频率，导致操作不精确，引入错误。量子计算通常要求激光器线宽远小于量子比特的自然线宽（通常为 kHz 甚至 Hz 量级）。离子阱量子计算通常要求激光线宽低于 50kHz，甚至需要达到亚赫兹（<1Hz）级别。

③极低的强度噪声和相位噪声

强度噪声（RIN）和相位噪声会直接引入量子比特的退相干，缩短其相干时间。光镊激光的高强度噪声会引起原子与光镊共振降低束缚寿命。里德堡激光的高强度噪声会引起原子进行拉比作用时的拉比频率的抖动，进而导致量子态之间跃迁的相位误差，影响量子逻辑门保真度。

高相位噪声会让里德堡原子耦合至其它更高能级态中，进而降低原子相干时间，影响量子逻辑门保真度。高性能量子计算要求激光器的相对强度噪声（RIN）极低，相位噪声也需尽可能低。通常相对强度噪声<-140dBc/Hz。在量子精密测量等应用领域，由于其精密性，微小的扰动都会对结果造成影响，所以对于激光器的噪声指标有严格的要求。

④高功率

量子计算中量子比特的提升主要来源于可操控原子数目的提升，随着可操控原子数的提升，在保证系统噪声的情况下对单频激光的功率提出越来越高的需求。如光偶极阱和光镊等则可能需要上百瓦的波长稳定、低强度噪声的激光。

⑤优异的光束质量

激光束应具有完美的高斯分布（TEM00模）和高指向稳定性，以确保能精确聚焦并作用于微小的量子比特上（通常是单个原子或离子）。通常要求 M²<1.1。

⑥超宽波段的覆盖

量子计算中操控的原子类型主要有铷、锶、铯、镱等原子，每种原子的操控均需要 5-6 种对准原子特定跃迁谱线的激光波长，其波长覆盖了 250-4000nm 超宽的波段范围，对单频激光的波段拓展产生了极大的挑战。

（5）量子科技领域的激光器市场规模

根据 QY Research 的研究报告，2024 年全球科研激光器市场规模约为 21.47亿美元，预计 2030 年全球科研激光器市场规模将达到 33.31 亿美元。中国市场方面，2024 年科研激光器规模为 4.82 亿美元，约占全球的 22.5%，预计 2030 年市场规模将达到 8.10 亿美元。

科研激光器中，量子信息用激光器 2024 年全球占比约为 14.1%，即规模为3.03 亿美元，预计 2030 年量子信息领域激光器规模将达到 7.49 亿美元，2024 年中国量子信息领域激光器规模为 1.01 亿美元，预计 2030 年量子信息领域激光器规模将达到 3 亿美元。2024 年，频准激光量子信息用激光器在全球和国内市场的占比分别为 9.21%、16.85%。

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