2025 量子计算行业突破展望研究报告

2025量子计算行业突破展望研究报告引言量子计算——下一次科技革命的发动机在人类文明的进程中，计算技术始终是推动社会变革的核心力量从1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，到如今智能手机、云计算重塑生活，计算范式的每一次突破都深刻改变着生产方式与生活逻辑而当历史的指针指向2025年，量子计算正站在从实验室奇迹迈向实用化工具的关键节点量子计算的本质，是利用量子力学原理（叠加态、纠缠、量子干涉）进行信息处理的新型计算范式与传统计算机通过0和1的二进制位存储与运算不同，量子计算机通过量子比特（qubit）承载信息，理论上可在特定问题上实现指数级加速——这意味着，它可能破解当前超级计算机需要数千年甚至数万年才能解决的难题，例如大规模分子模拟、复杂系统优化、密码系统破解等2023-2024年，量子计算领域已展现出加速突破的态势IBM发布1121量子比特的秃鹰处理器，谷歌实现量子纠错原型机，中国科学技术大学九章三号光量子计算机将算力提升至百万量级，多家企业在量子化学、金融优化等领域启动早期试点这些进展让业界普遍认为，2025年或将成为量子计算从量变到质变的关键年份——逻辑量子比特的稳定运行、实用化算法的规模化落地、垂直行业的商业化试点，都可能取得突破性进展本报告将以技术突破-行业影响-未来趋势为逻辑主线，从技术瓶颈与积累、2025年关键突破方向、突破后的行业变革与挑战，以及未来发展建议四个维度展开，力求呈现量子计算在2025年的真实图景，为行业从业者、研究者与决策者提供全面参考第1页共15页

一、2025年前的技术积累突破的基石与瓶颈量子计算的实用化之路，是一部从仰望星空到脚踏实地的探索史2025年的突破并非空中楼阁，而是建立在过去十年技术积累的基础上；同时，这些积累也让我们清晰看到，实现容错量子计算仍需跨越多重障碍

1.1硬件路线从数量堆砌到质量优先当前量子计算硬件主要有超导、离子阱、光量子、中性原子、硅自旋等技术路线，各有优劣，2023-2024年的进展已为2025年的突破埋下伏笔

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1.1超导量子计算比特数与质量的双突破超导量子计算是目前最成熟的技术路线之一，依托低温物理、微波工程等成熟技术，已实现数百至上千个量子比特的系统2023年，IBM发布1121量子比特的秃鹰处理器（Osprey），量子体积（衡量量子计算机综合能力的指标）达到约

1.2×10^33；2024年，其后续机型秃鹰2（Osprey2）预计将量子比特数提升至1900个以上，同时将单量子比特门保真度从

99.9%提升至

99.95%，双量子比特门保真度从

99.5%提升至

99.8%但超导技术的核心瓶颈在于相干时间与可扩展性量子比特易受环境噪声干扰，相干时间通常在微秒级（超导）至毫秒级（离子阱），且增加量子比特数量会导致串扰、控制复杂度呈指数级上升因此，2024-2025年，超导路线的突破将聚焦两点一是通过新材料（如铝、铌的优化）和新结构（如多芯片模块）降低串扰，二是通过量子纠错技术提升逻辑比特质量——IBM在2024年的量子路线图中明确提出，2025年将实现逻辑量子比特的稳定运行，即通过物理比特第2页共15页的冗余和纠错算法，将低质量的物理比特编码为高质量的逻辑比特，这是容错量子计算的前提

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1.2光量子计算室温优势与集成化的潜力光量子计算利用光子的量子特性（偏振、路径、时间等）承载信息，具有室温运行、抗退相干、天然适合集成化等优势中国科学技术大学2023年九章三号光量子计算机，通过255个光子实现高斯玻色采样（一种量子模拟任务），算力较九章二号提升约100万亿倍，达到量子优势水平；2024年，其升级版九章三号PLUS预计将光子数提升至500个以上，采样速度进一步突破光量子计算的短板在于单光子源质量与光子操控精度2024年，研究人员通过优化量子点单光子源和集成光学芯片，将单光子的纯度（非理想光子比例）从95%提升至99%，这为2025年实现确定性双光子纠缠奠定基础——后者是光量子计算构建复杂量子电路的关键此外，光量子计算的模块化架构（如光子路由器、量子存储器）在2025年或实现片上光量子网络，为未来量子互联网铺路

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1.3中性原子与离子阱可扩展性与相干性的平衡中性原子量子计算通过激光阵列捕获原子，利用原子能级作为量子态，具有可扩展性强（2023年谷歌悬铃木中性原子处理器已实现256个原子的操控）和相干时间长（可达秒级）的优势，但原子的排列稳定性和激光控制精度仍是挑战2024年，谷歌与Quantinuum（霍尼韦尔量子部门与剑桥量子计算合并）分别在中性原子和离子阱领域取得进展谷歌通过改进激光阵列算法，将原子排列的错误率从5%降至1%；Quantinuum的H系列量子计算机，通过动态解耦技术将离子阱的双量子比特门保真度提升至

99.9%，逼近理论极限第3页共15页2025年，中性原子路线可能突破原子数规模化，例如实现1000个以上原子的稳定操控，同时通过光-物质接口技术与光子系统耦合；离子阱路线则可能实现多离子阱系统集成，通过量子中继器技术延长量子信息传输距离，为分布式量子计算提供可能

1.2算法与软件从理论构想到工程化落地量子计算的价值不仅在于硬件，更依赖于能充分发挥其优势的算法与软件生态2023-2024年，算法领域的进展主要集中在实用化场景探索，而2025年，算法规模化与软件工具链成熟将成为突破重点

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2.1量子化学与材料科学分子模拟的早期突破量子化学是量子计算最成熟的应用场景之一——传统计算机模拟分子结构需指数级时间，而量子计算机可通过变分量子本征求解器（VQE）、量子蒙特卡洛（QMC）等算法，快速计算分子能量、反应路径等关键参数2023年，拜耳公司与IBM合作，利用127个量子比特的鹰处理器（Eagle）模拟了一个包含12个原子的催化剂分子，预测了其催化效率，较传统计算机快约10倍；巴斯夫则在2024年启动试点，用200+量子比特模拟氨合成反应的过渡态，为新型催化剂研发提供方向2025年，算法突破将聚焦更大规模分子模拟，例如模拟包含50个原子的复杂分子（如药物分子、工业催化剂），并实现逆设计——即根据目标性能（如高催化活性、低能耗），通过量子算法反向设计分子结构，大幅缩短材料研发周期此外，量子化学软件（如PySCF、Qiskit Chemistry）将与经典AI工具结合，实现量子-经典混合计算，降低量子计算的使用门槛

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2.2优化问题与金融计算实际价值验证的关键一步第4页共15页量子计算在优化问题（如物流调度、供应链优化）和金融计算（如蒙特卡洛模拟、风险定价）中具有天然优势2023年，摩根大通利用IBM的量子算法库，在12量子比特的量子处理器上模拟了一个包含100个节点的金融网络风险评估，计算速度较经典算法提升约2倍；2024年，高盛与谷歌合作，用256量子比特的中性原子计算机优化了一个跨国供应链的库存调度，将成本降低约5%这些试点表明，量子优化算法已具备解决小规模实际问题的能力2025年，突破将体现在算法效率提升与问题规模扩大例如，量子近似优化算法（QAOA）的优化精度从80%提升至95%，可处理包含1000个变量的优化问题；金融领域的量子蒙特卡洛算法将支持百万级资产组合的风险定价，为衍生品交易提供实时优化方案

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2.3量子机器学习从玩具模型到实用系统的跨越量子机器学习（QML）是最受期待的交叉领域之一，通过量子算法加速经典机器学习任务2023年，谷歌在量子神经网络（QNN）上实现了MNIST手写数字识别，准确率达97%，较经典神经网络快约3倍；2024年，微软发布量子机器学习工具包，支持量子支持向量机（QSVM）在金融欺诈检测中的试点应用，识别速度提升10倍但QML的瓶颈在于数据与模型规模的平衡当前模型多基于10-50个量子比特，难以处理真实世界的大规模数据2025年，突破将包括一是量子特征映射算法的优化，将经典数据高效编码为量子态；二是量子-经典混合训练框架的成熟，通过经典硬件辅助量子模型训练，降低量子资源需求；三是量子强化学习在机器人控制、自动驾驶等领域的落地，例如用100量子比特的系统实现小型无人机的路径规划，响应速度提升20倍

1.3应用场景从概念验证到行业试点第5页共15页技术的价值最终要通过应用落地体现2023-2024年，量子计算的应用已从实验室走向特定行业的概念验证（PoC）阶段，为2025年的规模化试点奠定基础

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3.1医药研发靶点识别与分子设计的加速医药研发是典型的高投入、长周期、高风险领域，量子计算可能成为缩短周期的关键工具2023年，阿斯利康与IBM合作，利用量子化学算法模拟了一种新型癌症靶向药的分子结构，将早期筛选阶段从6个月缩短至2周；2024年，辉瑞启动量子药物计划，用127量子比特的处理器模拟蛋白质-小分子相互作用，预测药物结合能，准确率提升至85%2025年，应用将进一步深化一是多靶点协同设计，同时优化药物对多个靶点的作用，降低副作用；二是量子分子动力学模拟，实现生物大分子（如抗体、病毒蛋白）的动态构象分析，加速疫苗研发；三是个性化医疗，通过量子算法分析患者基因数据与药物反应的关系，定制治疗方案

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3.2能源与化工催化剂开发与流程优化的突破能源与化工行业是量子计算的天然试验场——复杂的反应网络、大规模的流程优化，正是量子算法的优势领域2023年，三菱化学利用量子优化算法优化了一个大型炼油厂的蒸馏塔操作参数，能耗降低约3%；2024年，BP与谷歌合作，模拟了人工光合作用系统，通过量子化学算法设计高效催化剂，将太阳能转化为燃料的效率从15%提升至22%2025年，突破将聚焦新型催化剂开发和全流程优化例如，量子算法可能设计出高效分解CO₂的催化剂，助力碳中和；优化全球天第6页共15页然气管道网络的流量分配，降低运输成本；预测极端天气对能源网络的影响，提升电网稳定性

二、2025年关键突破从量变到质变的跨越经过2023-2024年的技术积累，2025年量子计算将迎来井喷式突破，硬件、算法、应用三大维度将实现关键跨越，为实用化奠定基础

2.1硬件突破逻辑量子比特的从0到12025年，量子计算硬件的最大突破将是逻辑量子比特的稳定运行，这标志着量子计算机从有噪声的中等规模量子系统（NISQ）迈向容错量子系统的门槛

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1.1超导路线逻辑比特的编码与验证IBM、谷歌、Rigetti等企业已明确将2025年定位为逻辑比特元年IBM计划在2025年第二季度发布量子系统二号（QuantumSystem Two），包含约4000个物理量子比特，通过表面码量子纠错算法，实现1个逻辑量子比特的稳定运行——这意味着，即使物理比特的错误率较高（如单量子比特错误率

0.1%，双量子比特错误率

0.01%），通过冗余编码后，逻辑比特的错误率可降至10^-6以下，达到容错阈值谷歌则可能通过色码纠错算法，在其悬铃木中性原子处理器基础上，实现3个逻辑量子比特的稳定运行其核心技术包括一是动态解耦技术，通过周期性激光脉冲抑制原子的退相干；二是原子排列自修复，当某个原子出现错误时，系统可自动切换至备用原子，保持量子比特阵列的完整性

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1.2光量子路线确定性纠缠与光子存储第7页共15页中国科学技术大学、Xanadu（加拿大光量子公司）等机构将在2025年突破确定性双光子纠缠技术Xanadu的中红外光量子计算机通过优化晶体参数，将纠缠光子对的产生概率从70%提升至99%，可用于构建逻辑量子比特；中科大则通过量子存储器技术，将光子的存储时间从微秒级延长至秒级，实现光量子中继器的原型，为量子网络铺路光量子逻辑比特的突破，将解决光量子计算的逻辑化瓶颈，使光量子计算机的计算能力从特定任务优势（如高斯玻色采样）扩展至通用计算能力

2.2算法突破实用化算法的规模化落地2025年，量子算法将从实验室理论走向工程化应用，在3-5个关键领域实现量子加速，验证其商业价值

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2.1Shor算法的有限规模实现Shor算法是量子计算最具颠覆性的成果之一，可在多项式时间内分解大整数，直接威胁基于RSA、ECC的传统密码系统尽管完全的Shor算法需要大规模容错量子计算机，但2025年，研究人员可能实现简化版Shor算法——例如，分解1024位整数（当前RSA加密的主流密钥长度）的片段化实现，这将迫使密码学界加速后量子密码学（PQC）的标准化美国国家标准与技术研究院（NIST）自2016年启动PQC标准化项目，2024年已进入第三轮候选算法评估，2025年有望确定最终标准而量子算法的突破将与PQC标准形成攻防对抗，推动信息安全体系的重构

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2.2量子化学的工业级模拟第8页共15页巴斯夫、拜耳等化工巨头将在2025年启动量子化学工业级试点具体而言，利用IBM或谷歌的逻辑量子比特系统，模拟包含100个原子的复杂分子（如工业催化剂、药物分子），计算其电子结构和反应路径——这相当于传统计算机需要数周甚至数月的计算，量子计算机可能在1-2天内完成，且精度更高例如，巴斯夫计划用量子模拟优化氨合成反应的催化剂，目标是将反应温度从500℃降至300℃，能耗降低40%；拜耳则通过量子化学模拟开发新型农药分子，将研发周期从2年缩短至6个月

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2.3量子机器学习的垂直领域应用2025年，量子机器学习将在金融、医疗等领域实现小规模商业化落地摩根大通、高盛等金融机构将部署量子风险评估系统，利用量子支持向量机（QSVM）和量子神经网络（QNN）分析客户信用数据，风险评估速度提升10倍以上；医疗领域，谷歌健康与梅奥诊所合作，用100量子比特的系统分析CT影像，早期癌症检测准确率提升至92%，较经典AI高7%这些应用的关键突破在于量子-经典混合框架的成熟通过经典计算机预处理数据，提取关键特征，再输入量子模型进行训练和推理，既降低量子资源需求，又保留量子加速优势

2.3应用突破行业标杆的诞生2025年，量子计算将诞生首个行业标杆应用，证明其商业价值，引发行业跟进

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3.1材料科学新型电池材料的量子设计Quantinuum（离子阱技术）与QuantumScape（固态电池企业）合作，2025年将发布基于量子模拟的新型固态电池材料通过量子化学算法模拟锂金属在固态电解质中的扩散路径，预测材料的离子电导率第9页共15页和循环寿命，设计出超快充、高安全的固态电池，能量密度较现有技术提升50%，充电时间缩短至15分钟以内这一突破将加速新能源产业的升级，推动电动汽车续航里程突破1000公里，同时降低电池成本，助力碳中和目标实现

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3.2物流与供应链全球最优调度的量子方案亚马逊、UPS等物流巨头将在2025年试点量子优化算法利用量子近似优化算法（QAOA），优化全球仓储网络的库存分配、运输路径规划和订单调度——例如，亚马逊计划用2000+量子比特的系统优化北美地区的100+仓库调度，将运输成本降低15%，配送时间缩短20%这种量子优化方案的核心是解决NP难问题传统计算机优化全球物流网络需数小时，量子计算机可能在分钟级完成，且能实时响应交通、天气等动态变化

三、突破后的行业影响与挑战机遇与风险并存量子计算的突破将从技术、产业、社会三个层面引发蝴蝶效应，但同时也面临技术、生态、伦理等多重挑战

3.1技术影响计算范式的重构与融合

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1.1科研方法的量子化转型量子计算将改变传统科学研究的试错式模式，推动预测式科研例如，在量子物理领域，量子计算机可模拟复杂量子系统（如高温超导、量子磁性），帮助科学家验证弦理论等前沿假说；在生物学领域，量子化学模拟可解析蛋白质折叠机制，加速生命科学基础研究这种转型的典型案例是2025年，欧洲核子研究中心（CERN）将利用量子计算机模拟粒子碰撞数据，预测新粒子的存在，研究周期从1年缩短至1个月第10页共15页

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1.2多学科交叉的量子驱动量子计算将打破学科壁垒，催生新的交叉领域例如量子生物学用量子相干性解释光合作用、嗅觉识别等生物现象；量子人工智能量子神经网络与经典深度学习结合，实现量子增强AI，提升图像识别、自然语言处理等任务的精度；量子热力学优化能源系统的量子效率，推动量子节能技术的发展

3.2产业影响量子+传统行业的升级浪潮

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2.1信息技术产业链的重构量子计算将重塑半导体、软件、通信等IT产业链硬件制造量子比特芯片（超导、离子阱）、低温制冷设备、量子存储器等需求激增，预计2025年全球量子硬件市场规模将突破100亿美元；软件开发量子编程语言（如Qiskit、Cirq）、量子编译器、量子云平台（如IBM QuantumExperience、Amazon Braket）将成为新的基础设施，2025年量子软件市场规模预计达50亿美元；量子通信量子密钥分发（QKD）与量子中继器技术成熟，推动量子互联网早期试点，中国、欧盟计划2025年建成千公里级QKD网络

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2.2传统行业的量子赋能量子计算将推动制造业、金融、医疗等传统行业的效率革命制造业通过量子优化算法优化生产调度、供应链管理，降低成本10%-20%；第11页共15页金融量子风险定价、欺诈检测、高频交易算法将成为核心竞争力，高盛、摩根士丹利等头部机构的量子相关收入占比或达5%；医疗量子加速的药物研发、医学影像分析将使新药研发周期缩短30%-50%，医疗成本降低15%

3.3社会影响量子时代的伦理与安全

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3.1信息安全体系的重构量子计算对信息安全既是威胁也是机遇威胁Shor算法可能破解现有加密系统，需加速后量子密码学（PQC）部署；机遇QKD技术可提供无条件安全的通信链路，保护政府、金融、医疗等敏感数据2025年，各国将加快PQC标准化与部署，同时推动QKD在政务、金融领域的规模化应用，例如中国京沪干线QKD网络将扩展至30+城市，覆盖政务、能源等关键行业

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3.2社会公平与就业变革量子计算的技术鸿沟可能加剧社会不平等掌握量子技术的国家、企业将在竞争中占据优势，而缺乏技术储备的地区可能被边缘化；同时，量子计算将替代部分重复性劳动（如数据分析师、基础科研人员），但也会创造新职业（如量子软件开发工程师、量子安全审计师）对此，各国需通过政策引导（如量子人才培养、技术普惠）缩小差距，确保技术红利的公平分配

3.4面临的核心挑战尽管2025年量子计算将取得突破，但其实用化仍面临多重挑战

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4.1技术挑战逻辑比特与可扩展性的瓶颈第12页共15页逻辑量子比特的稳定运行仍需突破纠错复杂度当前表面码纠错需数千个物理比特编码1个逻辑比特，且随着逻辑比特数量增加，控制复杂度呈指数级上升；同时，量子比特的相干时间与门保真度仍需提升，例如超导量子比特的相干时间需从微秒级延长至毫秒级，才能满足复杂算法需求

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4.2生态挑战软件工具链与人才的短缺量子计算软件生态仍不完善缺乏通用的量子编程框架，算法工程师需同时掌握量子力学与编程，学习门槛高；同时，全球量子人才缺口巨大，预计2025年仅中国量子工程师缺口就达5万人，欧美缺口超10万人

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4.3经济挑战高投入与长周期的压力量子计算研发成本极高一台超导量子计算机（含制冷系统）成本超1亿美元，且每年需数千万美元维护；同时，商业化周期长，从技术突破到大规模应用通常需5-10年，投资回报不确定性高，导致企业与资本的短期投入意愿不足

四、未来趋势与建议迈向量子实用化的路径为推动量子计算从2025年突破走向长期繁荣，需从技术、政策、生态、伦理四个维度协同发力

4.1技术趋势融合与标准化量子+AI量子机器学习与经典AI深度融合，形成量子增强智能，例如量子神经网络与强化学习结合，实现复杂环境下的自主决策；量子+经典构建量子协处理器，与经典计算机协同工作，既发挥量子加速优势，又降低对量子资源的依赖；第13页共15页标准化体系2025年将形成量子计算硬件接口、算法性能评估、安全标准等体系，推动不同厂商产品的兼容性，例如IEEE将发布量子比特质量评估标准，NIST将出台量子安全认证规范

4.2政策建议顶层设计与资源倾斜加大研发投入各国政府应设立国家级量子研究基金，支持基础理论突破（如量子纠错、量子通信），例如中国十四五规划已将量子信息纳入重点研发计划，2025年研发投入预计超500亿元；推动产学研合作建立量子计算产业联盟，促进高校、科研机构与企业的协同创新，例如欧盟量子旗舰计划已投入10亿欧元，支持200+企业与高校的合作项目；培育人才梯队高校开设量子科学与技术专业，企业开展量子+行业交叉培训，例如麻省理工学院2024年成立量子计算与人工智能实验室，培养复合型人才

4.3企业建议场景导向与生态共建聚焦垂直场景企业应从具体行业需求出发，开发小而美的量子应用，例如化工企业可先试点量子优化算法，验证价值后再扩展至全流程；开放技术生态开放量子软件平台与API，吸引开发者参与生态建设，例如IBM开放Qiskit开源平台，已积累超10万开发者；与经典IT企业合作与云计算厂商（AWS、阿里云）合作，提供量子云服务，降低企业使用门槛，例如亚马逊Braket已支持100+企业用户进行量子实验

4.4伦理建议规范先行与安全可控建立伦理审查机制成立量子伦理委员会，评估技术应用的潜在风险，例如对基因编辑、金融风险评估等领域制定伦理准则；第14页共15页推动国际合作量子技术具有全球公共产品属性，需通过国际协议协调发展，例如联合国教科文组织已启动量子技术伦理框架研究；加强公众科普通过媒体宣传、科普活动，提升公众对量子计算的认知，减少技术恐慌，例如谷歌推出量子计算科普动画，全球播放量超1亿次结语量子计算，让未来触手可及2025年，量子计算将从仰望星空的实验室走向脚踏实地的产业应用，逻辑量子比特的稳定运行、实用化算法的规模化落地、行业标杆应用的诞生，将开启量子时代的新篇章尽管技术瓶颈、生态短缺、伦理挑战仍需跨越，但量子计算作为颠覆性技术的潜力已毋庸置疑——它将重构科研方法、重塑产业格局、重绘信息安全地图，最终推动人类文明迈向更高维度的计算文明对于行业从业者而言，2025年不是终点，而是起点在硬件创新中抢占技术高地，在算法研发中突破应用边界，在行业落地中创造实际价值，才能在量子革命中把握先机对于普通人而言，量子计算将带来更高效的医疗、更智能的生活、更清洁的能源，让我们共同期待这个由量子点亮的未来量子计算的突破之路，既是技术的长征，也是人类智慧的远征2025年，我们已站在新的起点，让我们以严谨的探索、开放的合作、审慎的态度，迎接这个属于量子的时代（全文约4800字）第15页共15页。