哈佛报告：中国可能在量子信息科学等6个领域超过美国

光子盒研究院出品

12月7日，哈佛大学贝尔福科学与国际事务研究中心发布了一份名为《伟大的科技竞争：中国vs美国》的报告，强调了过去20年中国在多个前沿技术领域取得的巨大进步。

报告封面

报告开篇提到，美国《时代》杂志在2000年断言：“中国在21世纪不可能发展成为一个工业巨人。它的人口太多，GDP太少。由于人均收入与圭亚那和菲律宾大致相当，大多数中国人没有足够的钱购买先进技术产品，更不用说发明这些产品的资源了。”

到2010年，这种情况开始发生变化。中国已经成长为跨国公司的低成本制造基地，并正在成为世界大众市场商品的制造工程。但当时美国占主导地位的思想流派认为，“中国在很大程度上是一个受规则约束的死记硬背的国家”，只能模仿，不能创新。

今天，中国迅速崛起，挑战美国在技术制高点的主导地位，引起了美国的注意。科技竞争是美国中央情报局局长Bill Burns强调的“与中国竞争和对抗的主要舞台”。报告强调，中国已经取代美国成为世界顶级高科技制造商，2020年生产了2.5亿台电脑、2500万辆汽车和15亿部智能手机。

除了成为制造业强国，中国已经成为21世纪基础技术领域的一个重要竞争对手：人工智能(AI)、5G、量子信息科学(QIS)、半导体、生物技术和绿色能源。在一些竞争中，中国已经成为第一名。在其他竞争中，按照目前的轨迹，中国将在未来十年内超过美国。

谷歌前首席执行官Eric Schmidt表示：“许多美国人对中国的看法仍然过时。除非这些趋势被扭转，否则在21世纪30年代，我们将与一个经济规模更大、研发投资更多、研究水平更高、新技术部署更广泛、计算基础设施更强大的国家竞争。”

中美研发投入对比

为了评估两国科技竞争的现状，报告考察了美国和中国在过去20年中在每项关键技术方面取得的进展。总结如下：

● 在未来十年可能对经济和安全产生最大影响的先进技术——人工智能，用Schmidt的话说，中国现在是“全方位的竞争对手”。

● 在5G领域，根据五角大楼国防创新委员会的说法，中国有望在5G领域重复美国在4G领域发生的事情。尽管美国在5G标准和芯片设计方面具有优势，但它的5G基础设施推广落后于中国多年，这使中国在开发5G时代的平台方面具有先发优势。

● 在量子信息科学领域，美国一直被视为领导者，但中国的国家推动带来了明显的挑战。中国在量子通信方面已经超过了美国，并迅速缩小了美国在量子计算方面的领先优势。

● 美国在半导体行业中的主导地位已经保持了近半个世纪。但中国数十年来努力成为半导体强国，使其成为一个强劲的竞争对手，可能很快就会在两个关键领域迎头赶上：半导体制造和芯片设计。

● 美国拥有十大最有价值的生命科学公司中的七家，但中国在整个生物技术研发领域竞争激烈。中国研究人员缩小了美国在CRISPR基因编辑技术方面的领先优势，并在CAR-T细胞治疗方面超越了美国。

● 尽管美国在过去二十年中一直是绿色能源新技术的主要发明者，但今天中国是这些技术的世界领先制造商、用户和出口商，巩固了它对未来绿色能源供应链的垄断地位。因此美国的绿色行动可能会加深对中国的依赖。

● 中国的“集中力量办大事”方法正在挑战美国在技术竞争宏观驱动因素方面的传统优势，包括其技术人才渠道、研发生态系统和国家政策。正如美国国家安全委员会技术和国家安全事务高级主任Tarun Chhabra所承认的那样，“美国不再是全球科技(S&T)霸主。”

然后，报告全面总结了中国在以上6个领域取得的巨大进步。

报告提到了人工智能的关键领域，在语音技术方面，中国公司在包括英语在内的所有语言上都击败了美国公司。中国的世界顶级语音识别公司科大讯飞拥有7亿用户，几乎是与苹果Siri通话的人数的两倍。在金融技术领域，微信支付的9亿中国用户数量远远超过苹果支付在美国的4400万。三分之二的美国人仍然依赖信用卡，但90%的中国城市居民主要使用移动支付，美国人每消费1美元，中国人就要在移动平台上支出150美元，2020年总计42万亿美元。哈佛报告解释了这些数字的重要性。报告指出，这些支出“产生了一个关于个人消费者行为的细粒度数据宝库，可用于开发其他金融技术应用，如人工智能驱动的个人信用评估。”

在人脸识别方面，该报告称，因为担心个人隐私，美国基本上已经在这场竞争中失利。

在提到人工智能的新领域时，该报告将深度学习描述为最热门的子领域。报告指出，“中国(在深度学习方面)的专利申请数量是美国的六倍。而且根据艾伦人工智能研究所的权威评估，到2025年，美国将在最常被引用的AI论文前1%中排名第二。”

报告指出，中国的优势在于其14亿人口，拥有无与伦比的人才和数据储备、世界上最大的国内市场，大学毕业的计算机科学家数量是美国同行的数倍。中国拥有STEM学士学位的学生数量是美国的四倍，STEM博士学位有望在2025年两倍于美国。相比之下，美国国内出生的AI博士数量自1990年以来没有增加过。

不过美国在人力资本方面享有中国无法复制的两大优势。首先，世界上一半的人工智能顶尖人才为美国公司工作。第二，美国可以从全世界79亿人口中招募人才。

全球人工智能顶尖人才流向

报告承认，中国是全球最大的单一5G市场，2020年底占全球5G连接数的87%。

报告指出，“几乎所有关键指标都支持中国将主导5G未来的预测。截至2020年底，中国有1.5亿5G用户，美国有600万；中国有70万个5G基站，美国有5万个；中国的许可中频频谱460 MHz，美国70 MHz；中国平均5G速度300 Mbps，美国60 Mbps。五大5G设备提供商中，中国有两家，美国没有。”

中美5G领域的对比

中国认识到美国在5G、标准和应用的研究和封装方面的竞争优势。报告称，“认识到5G标准的价值，在高额研发预算的推动下，中国公司正在积极扩大其在标准机构的影响力，并削弱美国的影响力。华为在美国和欧洲专利局授予的5G专利份额以及对3GPP标准的5G技术贡献方面处于领先地位。中国已经将目光投向了下一代移动通信，并持有35%的6G专利，相比之下美国为18%。”

中国已经在开拓前沿5G应用，包括智能工厂系统、面向工业应用的数字化双胞胎，以及全球首个支持5G的远程手术。

该报告称，鉴于美国缺乏强大的国家基础设施，未来的5G应用将处于不利地位。

哈佛报告认为，从某种程度上来说，中国在量子信息科学(QIS)的某些领域超过了美国。QIS包括量子计算、量子通信和量子传感。中国目前在QIS上的支出是美国的四倍。

报告指出，“中国也展示了将研发迅速转变为实际优势的能力。2020年12月，在谷歌53量子比特“悬铃木”超导量子计算机实现“量子计算优越性”仅一年后，中国也达到了同样的里程碑。仅仅6个月后，祖冲之号在超导体系实现了对谷歌的超越。”

在谈到量子通信时，该报告称，斯诺登在2013年的泄密暴露了美国在中国的秘密信息收集，刺激中国加快量子通信的发展——量子通信是安全的“黄金标准”。2018年，中国在量子通信和密码领域的专利注册数量是美国的四倍多(517比117)。

报告称，“一位专家预计，中国政府和军方的通信将在两到三年内中断，这意味着美国将不再能够监听。”

历年各国量子技术专利数量

与量子计算和通信相比，量子传感是一个相对成熟的领域，这项技术在现实世界的能力已经初露端倪。

量子传感利用量子力学以前所未有的精度和灵敏度测量时间、重力和电磁场等属性。这对于军事能力尤其重要，量子传感有最直接的应用，包括消除隐身技术和雷达干扰的能力。

根据美国国防分析研究所2019年的一份报告，在所有关于量子传感的论文中，中国在每篇论文的平均引用次数上排名第三(美国排名第一，欧洲第二)。但在过去五年的论文中，中国在量子传感的每篇论文引用次数和出版物总数方面排名第一。

历年各国量子技术论文数量

尽管美国在芯片设计和半导体制造投入方面仍然领先，但其在半导体制造行业中的份额已经从1990年的37%下降到今天的12%，同期中国从不足1%上升到15%，已经超过美国。

美国半导体协会预测，未来十年，中国将开发全球40%的新产能，成为全球最大的半导体制造商，拥有24%的市场份额。在半导体制造和芯片设计领域，中芯国际和华为已经异军突起。

半导体制造行业份额预测

报告指出，“美国是半导体领域无可争议的全球领导者。然而，其在设计和制造领域的地位显著削弱。”尽管美国以前在芯片制造方面处于领先地位，但如今只有44%的美国设计的芯片是在国内制造的。英特尔和GlobalFoundries在下一代芯片竞争中都远远落后，90%的先进制造技术掌握在台积电手中。

综上所述，这些趋势表明，虽然美国在短期内不会失去其行业领导者的地位，但中国在三个关键领域中的两个领域取得了强劲进展，如果继续保持下去，中国的半导体行业可能在未来十年内快速增长。尽管美国最近对华为的制裁和中芯国际被列入实体名单等行动减缓了中国的发展，但完全切断中国对先进半导体的购买将是一种自我破坏政策，因为中国市场占美国芯片销售额的36%。

美国仍然是生物技术领域无可争议的领导者，在创新方面遥遥领先，在十大最有价值的生命科学公司中有七家。但是自从中国在“中国制造2025”中将生物技术列为国家发展的关键领域之一以来，中国在基础和高端研究、制药和治疗方面取得了重大进展。

报告指出，中国研究人员缩小了美国在CRISPR基因编辑技术方面的领先优势，并在CAR-T细胞治疗方面超越了美国。

CRISPR相关论文数量

该报告指出，尽管美国一直是许多绿色技术的主要发明者，但中国“在制造和部署这些技术方面处于领先地位，使其能够主导绿色能源供应链的多个环节”。报告称，“中国在主导绿色技术供应链的关键环节已经领先美国和其他国家，包括设备制造、原材料和能源储存方面。”

利用其世界工厂的地位，中国现在是可再生能源发电设备的主要制造商。中国太阳能电池板的市场份额从2000年的不足1%到现在的70%。相比之下，美国的份额从2000年的30%下降到今天的不到1%。世界十大风力涡轮机生产商中有四家是中国的，控制着全球40%的市场，而美国仅占12%。该报告预测，到2028年，美国每生产一辆电动汽车，中国就将生产六辆。

完整报告：

https://www.belfercenter.org/sites/default/files/GreatTechRivalry_ChinavsUS_211207.pdf

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