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1、 1/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 行业研究报告 慧博智能投研 量子信息技术量子信息技术行业行业深度:深度:政策驱动政策驱动、产业方产业方向向、产业链产业链及相关公司深度梳理及相关公司深度梳理 量子信息技术作为量子力学与信息科学交叉融合的产物,展现出在运算处理、信息安全和传感测量等方面超越传统信息技术的巨大潜力。目前量子信息已成为全球科技竞争的焦点,尤其是中美两国在量子信息科学的关键技术上展开激烈角逐,预示着量子信息将成为未来科技竞争的新高地。当前,量子信息技术的产业链正在逐步形成,并逐渐迈向广泛应用。基于其理论上的显著优势,我们有理由相信,
2、随着量子信息技术实用化的不断深入,它将开启计算和通信的新时代,实现信息技术的质的飞跃。本篇文章我们将详细介绍量子信息技术行业。首先通过行业概述,讲解量子信息技术的概念、细分领域等基本内容,梳理国家对于此行业的鼓励政策。接下来,我们将对量子信息技术的三大细分领域展开详细分析,讲解各领域的概念、发展现状、产业链及市场空间等内容,展望未来发展趋势。最后,我们将列举国内相关公司。希望通过这些内容能够启发大家对量子信息技术行业的了解。目录目录 一、行业概述.1 二、政策驱动.3 三、量子计算.5 四、量子通信.18 五、量子测量.23 六、国内相关公司.27 七、参考研报.30 一、一、行业行业概述概述
3、 1、量子力学量子力学+信息科学信息科学=量子信息技术量子信息技术 在微观领域,任何无法进一步分解的实体都可被称作量子,如电子、光子等。在微观领域,任何无法进一步分解的实体都可被称作量子,如电子、光子等。1900 年马克思 普兰克首次提出“量子”概念,宣告了“量子”时代的诞生。20 世纪 20 年代,马克思 普兰克等多位科学家建立了支配微观粒子运动规律的理论-量子力学。量子信息可以被定义为量子力学与信息科学的交叉学科,是基于量子力学原理,通过对光子、电子等微观粒子系统及其量子态进行人工观测和调控,借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象,以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息的一门技术。量子
4、信息中,包含量子比特、量子叠加、量子纠缠三个基础概念:2/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 一是量子比特。一是量子比特。正如比特是通信和计算的最小单元,量子比特则是量子计算中的最小信息单位。相比比特,一个量子比特可能的基本状态是|0态和|1态,因此包含的信息量大幅增加,从而在面对计算量指数级增长的问题时,量子比特可以发挥出潜在优势。二是量子叠加。二是量子叠加。指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。在量子系统中,量子态是指微观粒子所处的一系列不连续的恒稳运动状态。在无外界观测干扰时,量子系统可处于一系列量子态叠加态上,即著名的“薛定谔的猫”。
5、三是量子纠缠。三是量子纠缠。在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠。即如果两个量子比特构成一个量子纠缠态,那么无论携带这两个量子比特的粒子相距多远,只要其中一个量子比特的测量状态发生改变,那么另一个的状态马上发生改变。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。在量子信息学中,量子纠缠处于十分重要的位置,无论是量子通信中的量子隐形传态还是量子计算中的逻辑门操作,都离不开量子纠缠。2、量子信息技术细分领域量子信息技术细分领域 量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三
6、个技术分支。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三个技术分支。自 20 世纪 80 年代起,量子力学与信息科学领域的融合催生了一门新兴学科量子信息学。该学科主要涵盖三个核心领域:量子计算、量子通信和量子测量,它们在增强对复杂问题的处理能力、提升信息安全性以及改善传感测量的精确度方面,展现出超越传统信息技术的巨大潜力。这三个领域的结合,预示着信息科学的一场革命,将极大地推动科学研究和技术创新的发展。eZ8XeUbZ8XeZcWeU6McM8OpNnNpNsOkPpPnQfQqRmQ8OoPnNMYqQyQvPsPzR 3/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度
7、|研究报告研究报告 1)量子计算:量子计算:以量子比特为基本单元,利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算,能在某些复杂问题上提供计算能力的指数级加速,是未来计算能力跨越式发展的重要方向。量子计算技术所带来的算力突破,有望在生物制药、材料研发、分子化学、人工智能、量化金融等领域释放应用潜力。2)量子通信:)量子通信:利用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息编码或密钥传输,基于量子力学原理保证信息或密钥传输的安全性,主要分量子隐形传态和量子密钥分发等。量子通信和量子信息网络的研究和发展,主要应用在军事国防、国家政务、金融交易等领域。3)量子测量:)量子测量:通过对外界物理量变化导致的微观粒子
8、系统量子态变化进行调控和观测,实现精密传感测量,在精度、灵敏度和稳定性等方面相较传统技术带来数量级提升。量子测量应用主要集中于量子时频同步、量子重力测量、量子磁场测量和量子目标识别等领域,覆盖军事国防、航空航天、生物医疗、能源勘探、交通运输、灾害预警等行业。二、二、政策驱动政策驱动 量子信息技术作为未来产业的重要组成部分,得到国家的高度重视和前瞻布局。量子信息技术作为未来产业的重要组成部分,得到国家的高度重视和前瞻布局。“十四五”期间,我国瞄准量子信息领域实施了一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目,包括“量子信息等重大创新领域组建一批国家实验室”“加强原创性引领性科技攻关”等。2023 年
9、 12 月,中央经济工作会议提出“开辟量子、生命科学等未来产业新赛道”。2024 年 1 月,工信部、科技部、国务院国资委、中国科学院等七部 4/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 门发布了关于推动未来产业创新发展的实施意见,其中多处提出发展量子信息技术。2024 年 3 月,国务院政府工作报告两度提到量子技术,强调过去一年量子技术等前沿领域创新成果不断涌现,并再次强调未来将开辟量子技术、生命科学等新赛道。相比“十四五”规划期间,量子计算的重要性得到了进一步的提升,从基础理论研究到更强调产业化和应用落地。我国在量子信息技术领域具备研究基础。我国在量
10、子信息技术领域具备研究基础。从专利数量来看,我国量子通信和量子测量方面位居世界第一,量子计算领域位居世界第二。截至 2022 年 9 月,全球各国量子信息领域的专利申请占比情况如下图所示:其中,量子计算领域中国专利申请数量占比达到 26%,位居第二;在量子通信和量子测量领域,中国专利申请数量均处于全球领先,占比分别为 54%和 49%。从专利申请数量角度看,中国在量子信息技术领域的创新能力较强。5/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 三三、量子计算量子计算 1、量子计算量子计算定义及意义定义及意义 量子计算是量子信息技术的核心。量子计算是量子信息技
11、术的核心。没有量子计算,量子技术其他领域的发展,不足以动摇现有信息技术没有量子计算,量子技术其他领域的发展,不足以动摇现有信息技术的根基。的根基。量子计算本质原理:量子计算机实现并行计算指数级加速,形成量子优越性。量子计算本质原理:量子计算机实现并行计算指数级加速,形成量子优越性。量子计算是遵循量子力学规律进行信息处理的新型计算范式,以量子比特为基本单元,利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算,能在某些计算困难问题上提供指数级加速,是未来算力跨越式发展的重要方向之一。量子计算机相比于经典计算机在算力增长上具有显著的“量子优越性”,具体而言,基于量子力学的叠加原理,一个量子比特可以同时处于 0 和
12、 1 两种状态的相干叠加,使得 QPU 可以同时实现对 2个叠加的数进行并行运算,而 CPU 和 GPU 仅能分别实现对 n 和 n2的数进行计算。例如,用每秒运算万亿次的经典计算机分解一个 300 位的大数,需要 10 万年以上;而利用同样运算速率、执行 Shor 算法(快速质因数分解量子算法)的量子计算机,则只需要 1 秒。以 2023 年 10 月构建的光量子计算机(255 个光子)“九章三号”为例,其在求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。QPU 的性能通常用所包含的量子比特表示,目前企业和学术界正在使用各种技术制造 QPU 内的量子比特。量子计算有望成为后摩尔
13、时代计算能力跨越式发展的重要方案。量子计算有望成为后摩尔时代计算能力跨越式发展的重要方案。能够认为量子计算发展的必要性主要考虑满足算力持续提升的需求。以机器学习、深度学习、大数据等为代表的新兴技术的快速崛起,对低功耗、小尺寸、异质整合及超高运算速度的芯片架构技术提出了更高的要求,在摩尔定律的前提下,以硅基为基础的集成电路技术演进已接近物理极限,量子计算有望成为后摩尔时代计算能力跨越式发展的重要方案之一。目前国际学术界普遍认为未来 5-10 年有望陆续实现量子计算的商用落地。6/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 2、量子计算的发展现状与瓶颈量子计算
14、的发展现状与瓶颈 量子计算行业的发展可以划分为多个阶段,目前行业处于量子计算行业的发展可以划分为多个阶段,目前行业处于 NISQ 阶段。阶段。自从 2019 年量子优越性展示之后,行业目前已经进入 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)阶段,即噪声中等规模量子阶段,此时的量子计算机虽然规模有限,但已经能够执行一些超越经典计算机的特定任务,如量子模拟和某些优化问题。预计 2028-2033 年,多种技术路径的专用量子计算机将会不断涌现,在特定领域应用实现突破。2034-2040 年,随着技术路径收敛,这一阶段将研制出可纠错的通用量子计算机,具备更强大的计算能
15、力,能够执行复杂的量子算法。预计到 2040 年以后,量子计算将进入 Fault-Tolerant Quantum Computing(FTQC)阶段,即全面容错量子计算时代,实现通用运算错误率接近或小于经典计算机。量子计算量子计算发展的发展的具备哪些限制及挑战具备哪些限制及挑战:7/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 温度温度:全球各地的量子计算机都只能在约 0.1 开尔文(-273.05)的极寒温度下工作,然而实现这种低温又是超导量子的特性,不在低温下就发挥不出来,而达到这样的温度需要数百万美元的制冷。随着量子计算机的运算能力越强,需要的制冷设
16、备就越多,要求也就越高。技术:技术:量子计算机对硬件技术的依赖度极高,主要是实现不了编码逻辑比特,其次还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面,其次,除了要有基础的硬件,对比经典计算机,量子计算也需要有软件、算法以及云平台等技术的支持。要实现其量子纠缠等技术特性,需要一系列高端材料和设备的支持。其中,超导电子学和纳米加工技术是量子计算机实现所必须的,其发展趋势与成熟程度都会对其应用产生严重影响。资金与需求资金与需求:目前,漫长的技术突破等待期与稀缺的付费用户将构成对量子计算行业持续的挑战,如何将先进技术转化为有效需求,并且获得持续耐心的资金,是接下来量子计算行业所需关注的首要问题。3、量子计
17、算产业链量子计算产业链 量子计算产业生态上中下游各环节已初具雏形,欧美量子计算企业活跃。量子计算产业生态上中下游各环节已初具雏形,欧美量子计算企业活跃。近年来全球主要国家量子计算企业数量和投融资经历了一轮爆发式增长,科技巨头和初创企业成为促进量子计算产业化发展的重要推动力量,欧美成为量子计算企业聚集度和活跃度最高地区。目前行业处于早期探索阶段,核心参与者不多,产业链上下游较为清晰,量子计算的主要参与者可分为四大类:第一类是国际科技巨头,例如 IBM、谷歌、霍尼韦尔、本源量子等;第二类是量子计算初创公司,例如 Rigetti、IONQ 等;第三类是国家科研院所,例如美国费米国家实验室(Fermi
18、lab)、美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、中科院量子信息与量子科技创新研究院;第四类是高水平研究型大学,例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。我国华为、百度、腾讯等企业近年来相继成立量子实验室,在软硬件研发、算法研究、应用探索、量子计算云平台等方面积极布局。产业生态各环节的用参户与者逐步增多,产业培育正在稳步推进。8/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 产业上游是量子计算产业发展的基础,主要包括产业上游是量子计算产业发展的基础,主要包括稀释制冷剂、测控系统、低温组件、真空系统、激光器、稀释制冷剂、
19、测控系统、低温组件、真空系统、激光器、光学探测器等硬件以及软件开发工具包光学探测器等硬件以及软件开发工具包等。等。这些元素是研制量子计算原型机的必要保障,为量子计算提供硬件和技术支持。然而,由于技术路线尚未统一,以及硬件研制的个性化需求多样,上游供应链呈现出一定程度的碎片化,攻关难度较大,这在一定程度上限制了上游企业的发展。在国际对比中,欧美企业在上游领域占据较大市场份额,而中国在一些关键设备和元器件上自主替代发展空间较大,尤其是在量子芯片和超低温设备等方面,需要进一步加强创新和突破。产业中游涉及量子计算原型机和软件的研发与生产,是整个产业生态的核心。产业中游涉及量子计算原型机和软件的研发与生
20、产,是整个产业生态的核心。目前,超导、离子阱、光量子、硅半导体和中性原子等硬件技术路线在全球范围内都有所发展,尤其是超导技术路线受到了广泛尤其是超导技术路线受到了广泛关注。关注。美国在原型机研制和软件研发方面具有一定的优势,中国的量子计算硬件发展主要集中在超导和中国的量子计算硬件发展主要集中在超导和光量子技术上。光量子技术上。此外,中国的量子计算软件企业数量规模成长空间广阔,产业发展政策不断完善,创新成果孵化有利条件增多。受限于量子计算硬件技术的复杂性,产业下游以云平台的商业模式为主。受限于量子计算硬件技术的复杂性,产业下游以云平台的商业模式为主。由于量子计算机硬件的高度技术专业性和复杂性,难
21、以普及成为个人计算机,所以产业下游主要以量子计算云平台的商业模式为主。所以产业下游主要以量子计算云平台的商业模式为主。全球范围内,已有多家公司和研究机构推出了各类型的量子计算云平台,积极争夺市场份额。量子计算的应用探索在金融、化工、人工智能、医药、汽车和能源等多个领域展开。国外在量子计算云平台的后端硬件性能、软硬件协同程度和商业服务模式方面具有优势。相比之下,中国下游行业应用探索的深度有望进一步提升,以实现量子计算在各行各业的广泛应用和价值释放。量子计算应用探索成业界热点,行业领域趋向多元化。量子计算应用探索成业界热点,行业领域趋向多元化。近年,基于 NISQ 和专用量子计算机的应用案例探索在
22、国内外广泛开展,代表性应用领域和典型场景涵盖了化学、金融、人工智能、交运航空、气象等众多行业领域,产业规模估值达到千亿美元级别。量子计算公司普遍期待未来数年,在 NISQ 系统中完成具有社会经济价值的计算问题加速求解,实现应用端突破。(1)量子硬件技术路径量子硬件技术路径 量子计算机需要专门设计的物理结构来实现量子计算。量子计算机需要专门设计的物理结构来实现量子计算。量子计算通过量子叠加存储要运算的信息,然后通过量子干涉将正确的答案放大,错误的答案干涉相消。而量子计算机要做的就是设计出这些物理结构,实现量子计算。目前量子计算机的硬件结构可划分为四个层次。目前量子计算机的硬件结构可划分为四个层次
23、。1)“量子数据层”用于储存和处理量子信息,量子比特就位于这里;2)“控制和测量层”根据需要对量子比特进行操作和测量;3)“控制处理器层”确定操作和算法序列,相当于指挥中心,策划和调度操作顺序;4)“主处理器层”用于处理网络访问、大存储阵列和用户界面,它通过高速宽带与控制处理器连接。另外,某些量子计算原型机由于需要在特定低温环境下运行,硬件结构中还包括了低温组件系统。9/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子比特数量上人造粒子占优,质量上天然粒子占优。量子计算机在硬件上通过不同的技术路线对量子量子比特数量上人造粒子占优,质量上天然粒子占优。量子计
24、算机在硬件上通过不同的技术路线对量子比特进行存储与操控。主要可分为两大类:比特进行存储与操控。主要可分为两大类:一是基于微观结构形成分立能级系统的“人造粒子”路线,如超导和硅半导体;二是直接操控微观粒子的天然粒子路线,如离子阱、光量子和中性原子。超导技术路线:超导技术路线:基于超导约瑟夫森结构造扩展二能级系统,具有可扩展、易操控和集成电路工艺兼容等优势,科研进展成果丰富。2023 年,QuantWare 推出 64 位超导量子比特处理器 Tenor。2023 年 12 月IBM 发布 Condor(神鹰)处理器,拥有 1121 个超导量子位。中科大扩展超导量子处理器“祖冲之二号”可操纵量子比特
25、至 176 位。超导量子计算处理器比特规模和保真度等指标逐年稳步提升,在纠缠态制备、拓扑物态模拟等科研实验方面取得诸多进展,是量子计算领域业界关注度最高的发展方向。离子阱路线:离子阱路线:利用电荷与磁场间所产生的交互作用力约束带电离子,通过激光或微波进行相干操控,具有比特天然全同、操控精度高和相干时间长等优点。2023 年,Quantinuum 的全连接量子比特离子阱原型机 ModelH2 的单比特和双比特量子逻辑门保真度达到 99.997%和 99.8%,量子体积指标达到524288,成为业界新纪录。离子阱路线未来发展需要突破比特规模扩展、高集成度测控和模块化互联等技术瓶颈,未来能否在量子计
26、算技术路线竞争中占据优势仍有待进一步观察。光量子路线:光量子路线:利用可利用光子的偏振、相位等自由度进行量子比特编码,具有相干时间长、室温运行和测控相对简单等优点,可分为逻辑门型光量子计算和专用光量子计算两类,以玻色采样和相干伊辛等为代表的专用光量子计算近年来的研发成果较多。2023 年,中科大联合团队发布 255 光子的“九章三号”光量子计算原型机,进一步提升了高斯玻色采样速度和量子优越性。硅半导体路线:硅半导体路线:利用量子点中囚禁单电子或空穴构造量子比特,通过电脉冲实现对量子比特的驱动和耦合,具有制造和测控与集成电路工艺兼容等优势。2023 年,新南威尔士大学实现新型触发器(flip-f
27、lop)硅量子比特,Intel 发布 12 位硅基自旋量子芯片 Tunnel Falls。硅半导体路线得到英特尔等传统半导体制造商支持,由于同位素材料加工和介电层噪声影响等瓶颈限制,比特数量和操控精度等指标提升缓慢。10/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 中性原子路线:中性原子路线:利用光镊或光晶格囚禁原子,激光激发原子里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化,相干时间和操控精度等特性与离子阱路线相似,在规模化扩展方面更具优势,未来有望在量子模拟等方面率先突破应用。Atom Computing 于 2023 年 10 月在其量子计算平台中创建了一个
28、1225 个站点的原子阵列(目前填充了 1180 个量子比特)。中性原子路线近年来在比特数目扩展和量子纠错等方面进展迅速,有望成为技术路线竞争中的后起之秀。不同量子计算路径成果对比,当前量子计算各技术路线的性能指标发展水平参差不齐,但距离实现大规不同量子计算路径成果对比,当前量子计算各技术路线的性能指标发展水平参差不齐,但距离实现大规模可容错通用量子计算的目标都还有很大差距。模可容错通用量子计算的目标都还有很大差距。超导路线在量子比特数量、逻辑门保真度等指标方面表现较为均衡;离子阱路线在逻辑门保真度和相干时间方面优势明显,但比特数量和门操作速度方面瓶颈也同样突出;光量子和硅半导体路线目前在比特
29、数量、逻辑门保真度和相干时间等指标方面均未展现出明显优势;中性原子近年来在比特数量规模、门保真度和相干时间等指标方面提升迅速。11/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告(2)量子软件量子软件 量子计算软件是连接用户与硬件的关键纽带。量子计算软件是连接用户与硬件的关键纽带。量子计算机在编译运行和应用开发等方面需要根据量子计算原理特性设计全新的软件系统,提供面向不同技术路线的底层编译工具,具备逻辑抽象工程的量子中间表示和指令集,以及支撑不同计算问题的应用软件。目前量子计算软件处于开放研发和生态建设早期阶段,业界在量子计算应用开发软件、编译软件、EDA 软
30、件等方向开展布局。量子计算软件目前处于开放式探索阶段,与经典软件成熟度相距甚远。量子计算软件目前处于开放式探索阶段,与经典软件成熟度相距甚远。现在的量子计算软件,不同软件功能各有侧重,但由于硬件技术路线未收敛、应用探索尚未落地使用等原因,软件技术水平基本处于研究工具级,与经典软件成熟度相距尚远。量子编程语言和框架、量子编译器和优化器、量子误差校正模块等关键功能特性仍需要持续研发,构建完善的软硬件技术栈和应用生态还有待业界进一步协同推动。12/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子计算基础软件开发或将主要由硬件公司主导,量子计算基础软件开发或将主要
31、由硬件公司主导,Wintel 模式难以再现。模式难以再现。英伟达通过 CUDA Quantum 展示了硬件公司在量子计算软件领域的深度参与,软件与硬件的紧密结合为量子计算性能优化和技术创新提供了独特优势。量子计算的复杂性和专业性也导致广泛的软件工具和服务开发受限,独立软件公司难以与具备硬件优势的量子计算机公司竞争。因此,未来量子计算领域不太可能出现类似Wintel 的软件-硬件联盟模式,而是由硬件制造商引领软件开发,以实现技术优势和市场控制。(3)量子算法量子算法 量子算法可加速某些计算问题的解决,并降低基础设施的成本。量子算法可加速某些计算问题的解决,并降低基础设施的成本。量子算法是运行在量
32、子计算现实模型上的一套逻辑程序。量子算法设计的核心在于利用干涉现象,通过线性酉算子操控量子态演化,使目标态概率最大。根据量子算法运行的物理环境,量子算法可以分类为以下 3 类:1)纯量子算法:)纯量子算法:运行在量子计算机或其模拟环境中的算法;2)量子)量子-经典混合算法:经典混合算法:核心部分由量子计算机计算,其他部分由经典计算机运行的算法,又称变分量子算法;3)量子衍生算法:)量子衍生算法:一种借用量子力学思想来增强的经典算法,无需在量子计算机上运行。Shor 算法、算法、Grover 算法和算法和 HHL 算法不断加速解决计算问题,未来或有望进一步助力机器学习、人算法不断加速解决计算问题
33、,未来或有望进一步助力机器学习、人工智能等技术突破。工智能等技术突破。在量子算法研究上,Shor 算法(质因数分解算法)、Grove 算法和 HHL 算法为三大里程碑式算法。1)1992 年提出的 Deutsch-Jozsa 量子算法是量子并行计算理论的基石,其演示了量子计算的优越性,Shor 算法即是以此为基础。2)1994 年贝尔实验室的 Shor 提出利用量子计算机自身的并行运算能力,在可企及的时间内将一个大的整数分解为若干质数乘积,用以破解 RSA 加密。3)1996 年贝尔实验室的 Grover 提出量子搜索算法,用以从大量未分类的个体中,快速寻找出某特定个体;例如,对于 100 万
34、条的路线搜索,量子计算机仅需 1000 次即可完成。4)2008 年,麻省理工学院的三位学者联合开发了一种求解线性系统的量子算法,例如在一个 N N 的矩阵中,若采用高斯消元法可在O(N3)时间内求解,HHL 算法则可以在 O(log2N)时间内求解,从而达到加速的目的。由于线性系统是很多科学家和工程领域的核心,因此,HHL 算法或将是未来能够在机器学习、人工智能科技得以突破的关键性技术。(4)量子云平台量子云平台 量子计算云平台量子计算云平台将量子计算机硬件、模拟器、软件编译和开发工具,与经典云计算软硬件和通信网络设备相结合,提供了方便使用的量子计算资源,使得用户可在其上运行量子算法和量子模
35、拟,有助于深入探究量子现象与性质,更高效地开展量子计算实验,探索量子计算的应用和潜力,为未来更广泛地应用量子计算奠定基础。13/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子计算云平台的功能架构可划分为基础设施层、平台层、服务层和配套的运维管理与安全服务功能等量子计算云平台的功能架构可划分为基础设施层、平台层、服务层和配套的运维管理与安全服务功能等主要组成部分。主要组成部分。基础设施层中的外围设施层为量子计算硬件提供环境保障;物理资源层主要包括量子计算机、量子模拟器和经典云计算资源;虚拟资源层则主要由量子计算虚拟机、云计算虚拟机、虚拟网络等功能模块组成;
36、资源管理层负责物理机、虚拟机、存储和网络等资源管理和任务调度。平台层主要完成程序开发和编译功能。服务层提供用户和开发者的访问接口,并提供对服务目录和实例的管理功能,应用开发层主要通过应用开发软件提供量子计算应用服务。运营管理主要实现用户服务和运行维护两个层面的管理功能。安全服务主要实现接入安全、软件安全、虚拟化安全、硬件安全和数据安全等功能。目前全球约有 20 多家量子计算云平台的提供商。现阶段量子计算云平台供应商主要分为两类服务模式,一是含硬件云平台模式,在云平台后端接入自研的量子计算机或模拟器,例如 IBM、Google、Rigetti、本源等;二是纯软件云平台,联合其他供应商提供量子计算
37、软硬件系统服务,例如 Amazon 等。(5)量子计算应用量子计算应用 基于中等规模含噪量子处理器(NISQ)和专用量子计算机的应用案例探索在国内外广泛开展,涵盖了化学、金融、人工智能、交运航空、气象等众多行业领域,产业规模估值达到千亿美元级别。目前应用探索主要集中在量子模拟、量子组合优化和量子线性代数三大方向。量子模拟量子模拟可以在原子尺度模拟微观 14/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 系统相互作用,应用集中在物理模型、生物制药、材料研究等领域,发展趋势从提供物理现象的定性演示向为应用问题提供解决方案演进;量子组合量子组合优化是使用量子算法来
38、解决组合优化问题,这类问题通常是 NP 难问题,在经典计算中难以获得全局性最优解。量子组合优化量子组合优化可以提升优化方案的效率和准确性,应用于涉及复杂多变量组合优化的量化金融、交通规划、气象预测等领域;量子线性代数量子线性代数基于量子计算机解决涉及矩阵和向量的线性代数问题,量子机器学习、密码破译等领域是主要应用方向。4、量子计算量子计算机机成本分析成本分析 量子计算机成本涵盖研发、硬件、软件和算法开发、维护和运营等成本。量子计算机成本涵盖研发、硬件、软件和算法开发、维护和运营等成本。1)R&D:研发阶段涉及硬件、软件、量子算法等开发;此外,由于需要专门的设备和设施,例如超导量子比特的超低温实
39、验室,研发成本可能迅速上升。根据Journal of Quantum Information Science2019 年发布的研究报告Quantum Computing:A Financial Overview,小型量子计算机的平均研发成本可达 1,000-1,500 万美元。2)硬件(量子芯片):量子比特(芯片)可以由超导电路或离子阱等相关技术材料制成,根据Journal of Quantum Computing的报告The Cost of Quantum Computing Hardware,单个超导量子比特的成本为 1,000-2,000 美元;3)其他硬件组件:量子门、制冷系统和纠错模
40、块等其他硬件组件将增加成本,例如超导量子技术所需的稀释制冷机的成本或高达 50 万美元。4)软件和算法开发:目前开发量子算法的平均成本为 20-50 万美元。5)维护和运营:量子计算机的维护和运营成本包括冷却系统的电力成本、定期硬件升级和软件更新等;目前,小型量子计算机的年度运营成本约为 100-200万美元。在其他硬件组件中,稀释制冷剂和微波控制电路系统是超导或硅量子比特技术计算机的核心设备。在其他硬件组件中,稀释制冷剂和微波控制电路系统是超导或硅量子比特技术计算机的核心设备。在硬件系统中,除量子芯片外,mK 级稀释制冷机(包括 GM 脉管预制冷设备)和微波控制电路系统(包括一体化量子计算测
41、控系统、射频微波线缆、低温电子器件、射频微波仪器等)是超导或半导体量子(硅量子比特)计算机的核心设备。射频微波线缆(如同轴电缆、柔性电缆)用于连接处于低温的量子芯片和处于室温的测控系统;而低温电子器件则包括低温耦合器、低温低通滤波器、低温隔离器、红外滤波器和低温放大器等细分组件。其中,关于量子比特的控制和测量,根据技术路线的不同,量子计算测控系统主要分为两种类型:1)光学系统(包含光子源、单光子探测器、激光机等):主要用于光量子、15/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 离子阱以及中性原子等路线量子计算的测控;2)微波控制电路系统(主要包含任意波形
42、发生器、锁相放大器等):主要用于超导以及半导体量子(硅量子)计算的测控(也可用于如离子阱、中性原子、金刚石 NV 色心等路线的控制)。预计一台预计一台 400 超导量子比特计算机成本约超导量子比特计算机成本约 1545 万美元,销售单价约万美元,销售单价约 5150 万美元。万美元。商业量子计算机可供希望投资量子计算的企业使用,但价格目前昂贵。根据 QuantumZeigeist2023 年 8 月报告Quantum Computers Available Right Now from Affordable to Expensive,单台商用量子计算机的成本从 1,000-5,000 万美元不
43、等,具体取决于其功能和规模。通过对 400 超导量子比特计算机成本测算,量子计算机整机成本约 1545 万美元。结合 IONQ、Rigetti、D-wave3 家量子上市公司 2022 年毛利率估算,400 超导量子比特计算机单价约 5,150 万美元。5、量子计算市场空间量子计算市场空间 2035 年总市场规模有望达到年总市场规模有望达到 8117 亿美元。亿美元。2023 年,全球量子产业规模达到 47 亿美元,2023 至2028 年的年平均增长率(CAGR)达到 44.8%,基本符合行业发展规律。2027 年,专用量子计算机预计将实现性能突破,带动整体市场规模达到 105.4 亿美元。
44、在 2028 年至 2035 年,市场规模将继续迅 16/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 速扩大,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,到 2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。这一接近万亿级别的市场规模标志着量子计算会在此进入全面成熟和商业化的关键阶段,预示着未来量子计算将在各个领域带来深远而持久的影响。上游市场在量子计算领域的发展至关重要,上游市场在量子计算领域的发展至关重要,主要分为量子比特环境、量子比特测量与控制系统、量子芯片以及其他。技术进步、应用领域的扩大、政策支持、投资增加以及商业化的挑战
45、和机遇等因素,共同推动了量子计算市场的快速发展。从 2023 年到 2035 年,上游市场规模呈现出显著的增长趋势,市场总规模由 2023 年不到 20 亿美元增长到 2035 年千亿美元。量子比特测量与控制系统市场规模增长最为迅猛,量子比特测量与控制系统市场规模增长最为迅猛,从 2023 年的几亿美元到 2030 年的 316 亿美元,最后增长到 2035 年的 1444 亿美元。测量和控制系统对于保持量子比特的相干性和实现量子计算任务至关重要,而技术的发展推动了对更为精密、高效的测量和控制系统的持续需求增加。量子芯片市场规模到量子芯片市场规模到 2030 年以及年以及 2035 年均年均有
46、指数级别的增长。有指数级别的增长。量子芯片作为量子计算的核心组件,对实现量子计算任务具有至关重要的作用。随着对量子计算性能要求的提高,对更先进、可扩展的量子芯片的需求持续上升。17/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 6、量子计算未来发展趋势量子计算未来发展趋势(1)量子计算朝着规模化、容错化、集成化发展量子计算朝着规模化、容错化、集成化发展 一是规模化,当前量子计算能比较可靠操控的量子比特数大约在百个量子比特左右,今后将逐渐达到几千、几万、几十万、几百万甚至更高的水平。二是容错化,量子计算需要很多量子比特,但更需要制备出相干时间可以任意长、错误率
47、小于纠错阈值的所谓容错的逻辑量子比特。三是集成化,目的是实现对大量量子比特及其测控系统集成和小型化,是降低量子计算机的研发成本、实现量子计算机广泛应用的前提。乐观地估计,十到二十年之后,高质量制备和操控的量子比特数将达到上万个,在这个基础上,通过对大量量子比特的不断纠错,有望制备出一个能容错的逻辑量子比特;再过十到二十年,有希望实现对多个逻辑量子比特和普适逻辑门的相干操控,并且在这样的基础上,制造出普适的量子计算机。到那时,量子信息技术及应用将进入全面高速发展阶段。(2)从技术架构上看,混合量子计算或量超融合或成为未来新趋势从技术架构上看,混合量子计算或量超融合或成为未来新趋势 随着量子计算机
48、在未来几年的成熟,其计算能力将不断提高,可应用于更多场合,并在特定的实际领域提供帮助。但量子计算机在未来可预期的 3-5 年或存在局限性,例如:QPU 组织和访问内存方面不如CPU,在渲染复杂图形方面不如 GPU。因此,经典系统处理数据准备、可视化和纠错等任务,而量子系统处理复杂的计算,这样混合量子计算架构或成未来新趋势。目前在业界中,IBM 认为,计算的未来是以量子为中心的超级计算机,其中 QPU、CPU 和 GPU 都在一起工作以加速计算;AWS 于 2021 年宣布推出亚马逊 Braket 混合作业功能,旨在帮助用户设置、监控和高效运行混合量子-经典算法;NVIDIA 18/30 202
49、4 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 于 2022 年推出了混合量子系统编程的开放平台 QODA;美国微软公司 Azure Quantum 量子云服务于2023 年 3 月推出了一项新功能,首次将量子计算和经典计算在云中无缝集成,并允许开发者将经典代码和量子代码混合使用,甚至使用经典代码控制量子计算机。(3)行业尚处于早期,量子计算公司及科研院在积极探索自身商业模式行业尚处于早期,量子计算公司及科研院在积极探索自身商业模式 当前全球范围内的量子计算整机仍然以原型机为主,仍处于 NISQ 时代的早期阶段,可验证到的应用基本都是在量子计算模拟器上进行的。尽管如此,全
50、球领先的量子计算机公司及科研院所仍在积极探索自身盈利模式,目前包括以下几种方式:1)提供量子计算芯片/整机:目前购买芯片/整机的主要是军方和国家科研单位,例如量子计算上市公司 IONQ 曾在业绩报中披露,与美国空军研究实验室达成 2550万美元的量子协议,主要用于量子网络研究和应用开发部署两个钡量子系统。2)提供行业的量子解决方案:量子计算公司与行业客户共同开展课题研究,帮助下游垂直行业客户提供整套解决方案,包括量子算法、模型优化等。IONQ 就与 UMD 国家量子实验室签订合同为其提供量子计算服务和设备接入,三年内支付 1400 万美元款项。3)大部分具备量子计算硬件的公司均开发了云平台,通
51、过云计算的方式为潜在客户提供算力,IONQ 部分收入就来自 QCaaS 服务,为用户提供量子系统的方案及维护支持。四、四、量子通信量子通信 1、量子通信定义与量子通信定义与目标目标 量子通信量子通信利用量子叠加态及纠缠效应,在经典通信辅助下,进行量子态信息传输或密钥分发,具有无法被窃听的信息安全性保证。量子通信的主要应用包括量子密钥分发、量子隐形传态、抗量子密码、量子安全直接通信、量子秘密共享和量子密集编码等方向。目标方面,目标方面,量子通信的未来发展目标是建立一个覆盖全球的广域量子通信网络体系。具体的发展路线包括:利用光纤构建城域量子通信网络、通过中继器链接邻近两个城市的城域网络、以及利用卫
52、星平台中转,链接遥远区域之间的量子通信网络。19/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 2、量子通信重点量子通信重点发展发展方向方向及现状及现状 量子通信产业发展的重点方向主要包括:量子密钥分发、抗量子密码、量子隐形传态。量子通信产业发展的重点方向主要包括:量子密钥分发、抗量子密码、量子隐形传态。基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信是目前已经初步实用化的应用方向,应用和产业探索正逐步展开;抗量子密码(PQC)产业化正在加速;量子隐形传态(QT)研究局限在各种平台和环境条件下的实验探索,距离实用化仍有距离。(1)量子密钥分发(量子密钥分发(QKD)
53、量子密钥分发(QKD)应用了量子力学的基本特性,通过特定协议在通信双方之间共享密钥,确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现。窃听者如果要窃听量子密码,必须进行相应的测量,而根据不确定性原理和量子不可克隆性,一旦测量必定会对量子系统造成影响,从而改变量子系统的状态。量子通信领域的量子密钥分发技术初步实用化,量子通信领域的量子密钥分发技术初步实用化,多种协议类型的量子密钥分发系统在国内外已经实现商用,但商用量子密钥分发系统的性能仍有明显瓶颈,例如,单跨段现网光纤传输距离通常在数十 km 范围,密钥成码率通常为数 kbps 至数十 kbps 量级。进一步提升量子密钥分发系统的传输距离和密钥
54、成码率,对于远距离传输、组网和高带宽加密业务应用等具有重要意义,也是提升量子密钥分发技术实用化水平,破解应用推广与产业发展困境的必由之路。量子信息网络目前主要处于基础研究与实验探索阶段,关键技术与使能组件仍有技术瓶颈尚未突破,实量子信息网络目前主要处于基础研究与实验探索阶段,关键技术与使能组件仍有技术瓶颈尚未突破,实用化前景尚不明确,用化前景尚不明确,但其实现量子计算机互联组网,指数级提升量子信息处理能力的应用潜力较大。已成为欧美国家布局的重点发展方向之一。近年来,欧美研究机构和行业组织等,通过合作项目、组网实验和平台建设等多种方式,加快推动技术试验与测试验证。1)陆地部分:陆地部分:QKD基
55、础设施网络建设基础设施网络建设 美国:美国:纽约大学量子信息物理学中心(CQIP)和量子安全网络技术公司 Qunnect 合作,使用 Qunnect的量子安全网络技术,通过纽约市的标准电信光纤发送量子信息,成功测试了布鲁克林海军造船厂和纽约大学曼哈顿校区之间 10 英里(16 公里)量子网络链路。在 10 英里的光纤中,Qunnect 和 CQIP 实现了以每秒 15000 对的速度传输高度纠缠的量子比特通过光缆,测试过程中链路正常运行时间达到 99%。此次实验打开了纽约都市区的金融服务、关键基础设施和电信公司试点量子网络技术的大门。20/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|
56、深度深度|研究报告研究报告 中国:中国:由国科量子建设和运营的长三角区域量子保密通信骨干网建设成果于 2023 年 6 月在第五届长三角一体化发展高层论坛上正式发布。长三角量子网络线路总里程约 2860 公里,形成了以合肥、上海为核心节点,链接南京、杭州、无锡、金华、芜湖等城市的环网,通过量子业务运营支撑系统及量子卫星调度系统,为星地一体量子保密通信网络提供全方位保障。2)太空部分:卫星通信建设太空部分:卫星通信建设 美国:美国:QuSecure 推出首个具有量子弹性的实时端到端卫星加密通信链路,这一里程碑标志着美国卫星数据传输首次采用 PQC 来抵御经典和量子解密攻击,以保护卫星数据通信的安
57、全性。QuSecure 的量子弹性加密通信链路可以使任何联邦政府和商业组织都能够通过太空进行实时、安全、经典和量子安全的通信和数据传输。在星链网络上的安全卫星通信测试中,QuSecure 成功地将量子弹性数据从 Quark 服务器通过科罗拉多州 Rearden Logic 的实验室发送到星链终端。然后通过上行链路将信号发送到Starlink 卫星,再通过下行链路传回地球。所有这些通信均受到 QuSecure 的量子安全层(Quantum Secure Layer,QSL)的保护,通过 PQC 网络安全保护传输中的所有数据。美国纳米卫星服务提供商 Sky and Space(SAS)宣布与 Cy
58、berProtonics 建立合作伙伴关系。CyberProtonics 将为 SAS 公司的纳米卫星和地面终端机群嵌入 PQC 技术,为 2024 年初的发射做准备。这一合作将确保卫星通信的安全性,为未来的卫星网络提供了更强的数据保护。中国:中国:中国科学院科学家、第十四届全国政协委员潘建伟在接受媒体采访时表示:“我们正在与国家航天科学中心合作研制一颗中高地球轨道卫星。未来,高轨卫星与近地轨道卫星相结合,将构建广域量子通信网络。将有 3-5 颗专注于 QKD 的小卫星,产生纠缠粒子用作量子密钥,且质量在 100 公斤以下。低地球轨道卫星将提供城市之间的联系,而更高轨道的卫星将允许创建一个全球
59、性、全天的量子通信网络。该网络将使用量子力学的元素来加密和安全传输信息。中国还一直在为该网络建设地面站,目前,已经实现了“墨子号”卫星与北京、济南、威海、丽江和漠河等城市之间的量子通信演示。(2)抗量子密码(抗量子密码(PQC)抗量子密码(Post Quantum Cryptography,简称 PQC),也称后量子密码,是能够抵抗量子计算对公钥密码算法攻击的新一代密码算法,旨在研究密码算法在量子环境下的安全性,并设计在经典和量子环境下均具有安全性的密码系统。PQC 技术以数学方法为基础,涉及多种密码学原理和数学结构,包括基于格的密码学、多项式环的问题、哈希函数的设计等。通过这些数学方法,PQ
60、C 技术可以实现安全的加密和签名操作,从而保护敏感信息免受“先存储,后解密”的威胁。欧美在欧美在 PQC 产业化方面加快推进。产业化方面加快推进。2022 年 5 月,拜登政府发布行政令 116,提出在 2035 年前,由国家安全局(NSA)和 NIST 负责及时完成美国国家信息系统的 PQC 升级迁移。2023 年 7 月,美国电信公司沃达丰与 Sandbox AQ 合作,为智能手机测试基于量子安全的虚拟私人网络(VPN)。2023 年 11月,LTIMindtree 公司在伦敦启动了量子安全虚拟专用网(VPN)链接。该量子安全 VPN 由LTIMindtree、Quantum Xchang
61、e、Fortinet 合作实现,使用基于量子的密钥生成和带外密钥传输,并由 PQC 算法提供安全保护,以增强加密数据的安全性和完整性。我国在我国在 PQC 应用方面取得突破。应用方面取得突破。根据人民日报报道,2024 年 4 月,我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”成功装备国内首个 PQC“抗量子攻击护盾”PQC 混合加密方法。这将使“本源悟空”更好抵御其他量子计算机的攻击,确保运行数据安全。(3)量子隐形传态(量子隐形传态(QT)21/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子隐形传态(Quantum Teleportation,简称 QT)
62、基于通信双方的光子纠缠对分发(信道建立)、贝尔态测量(信息调制)和幺正变换(信息解调)实现量子态信息直接传输,其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成。量子隐形传态的原理:量子隐形传态方式的载体是单个粒子,如单个光子或单个电子,利用其内在的微观的行为特征,如粒子的自施方向,利用量子纠缠效应让量子通信传输的不再是传统信息,而是量子态携带的量子信息。举例来说,两个处于纠缠态的粒子 A 和 B,无论相隔多远,只要把其中一个粒子(A)和携带想要传输的量子比特的粒子(C)一起测量,C 的量子比特马上消失,但是相隔遥远的粒子(B)却立刻携带上了 C 之前携带的量子比特。这就是在量子纠缠的帮助下,待传
63、输的量子态不需要任何载体的携带,在一个地方神秘地消失,又在另一个地方神秘地出现。QT 研究在空、天、地等平台积极开展实验探索。研究在空、天、地等平台积极开展实验探索。2017 年,中科大基于“墨子号”量子科学实验卫星,实现星地之间 QT 传输,低轨卫星与地面站采用上行链路实现量子态信息传输,最远传输距离达到 1400公里,成为目前 QT 自由空间传输距离的最远记录。结合结合 QT 等技术的量子信息网络(等技术的量子信息网络(QIN)是未来融合发展演进的方向。)是未来融合发展演进的方向。QIN 已成为量子通信领域科研竞争的主赛道,欧美在量子通信领域重点布局推动 QIN 技术研究、原型验证和组网试
64、验等工作,近年来取得多项重要进展。3、量子通信产业链量子通信产业链 中国量子通信产业链上游为元器件及核心设备,中国量子通信产业链上游为元器件及核心设备,包括信号处理芯片、光纤光缆、雪崩二极管、射频器件、量子密钥分发器、量子路由器、量子交换机、量子随机发生器等。22/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 中游为网络传输线路及系统平台,中游为网络传输线路及系统平台,包括光纤骨干网、卫星中继、经典网络管理子系统、备份与容灾子系统、综台网络监控子系统、星子密钥分发子系统、量子网络管理子系统等。下游消费市场,下游消费市场,应用于军事国防、电子政务、电子商务、能
65、源电力、电子医疗、电信运营等领域。23/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 4、量子通信产业市场空间量子通信产业市场空间 量子通信的应用市场可分为政府国防领域,以及民用端量子通信与安全领域。政府国防领域量子通信商业模式:政府国防领域量子通信商业模式:主要集中于国防建设、基础设施网络建设等。在国防领域,量子通信技术应用于高度机密的军事通信,确保敏感信息的安全传输,有效防范窃听和网络攻击。政府端基础设施网络建设主要包括国家量子骨干网、城域量子通信网络、城际量子通信网络建设等。民用领域量子通信商业模式:民用领域量子通信商业模式:主要是面向对信息安全要求较
66、高的大客户,比如银行、电网、电信运营商等。金融行业通过量子通信技术实现更安全可靠的数据传输,提高对金融交易和客户信息的保护水平。在电网领域,量子通信可应用于保障电力系统中实时数据的安全传输,预防网络攻击和数据篡改,确保电网运行的稳定性。通信运营商正在积极探索量子通信与安全技术的商业化途径,包括开发基于量子通信技术的加密通话产品、集成量子随机数发生器到云服务,以及开发量子安全通信解决方案。近年来,我国量子通信市场稳定增长。据中商产业研究院,我国量子通信市场规模由 2019 年的 425 亿元增至 2022 年的 709 亿元,年均复合增长率为 17.3%,2023 年约为 805 亿元。2024
67、 年我国量子通信市场规模有望增至 892 亿元。五、五、量子测量量子测量 1、量子测量定义与分类量子测量定义与分类 量子精密测量旨在利用量子资源和效应,实现超越经典方法的测量精度,是原子物理、物理量子精密测量旨在利用量子资源和效应,实现超越经典方法的测量精度,是原子物理、物理光学、电子光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。基本原理:外界的电磁场、温度、压力等物理量因素会改变电子、光子、声子等微观粒子的量子态,对这些变化后的量子态进行测量,从而实现对外界物理量的测量。量子测量通过对原子、离子和光子等微观粒子体系及其中量子态的制备、调控和观测
68、,实现对外界物理量变化更加准确、精细和可靠的测量与探测。量子测量典型技术方案包括冷原子干涉、核磁/顺磁共振、金刚石色心、无自旋交换弛豫原子自旋(SERF)、量子纠缠或压缩增强探测等;被测物理量包括频率、时被测物理量包括频率、时 24/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 间、重力场、加速度、角速度、磁场、间、重力场、加速度、角速度、磁场、电场、温度、物质痕量等;电场、温度、物质痕量等;应用场景涉及基础科研、国防军工、航空航天、定位导航、环境监测、生物医疗、资源勘测等众多行业领域。量子测量不仅可以带来测量精度、灵敏度等关键指标的数量级提升,还可以基于微
69、观粒子系统的独特优势,在测量可靠性和空间分辨率等方面提供全新测量传感方案和应用。量子计算机和量子通信被广泛认为是最有前途的量子应用,但技术研发进展较慢,其中主要原因之一是源自量子系统的弱点它们对外部干扰的强烈敏感性。量子精密测量便是利用这核心弱点,量子精密测量便是利用这核心弱点,实现对外部某些物理量的测量,也是近年来量子信息技术的新兴应用定义。2、量子精密测量主要技术方向量子精密测量主要技术方向 量子测量领域研究与应用目前主要集中于惯性导航、磁场测量、重力测量、目标识别和时间基准等五大方向。各技术方向的发展成熟度有较大差异,既有原子钟、原子重力仪等已成熟商用产品,也有量子磁力计、光量子雷达和量
70、子陀螺等处于工程化研发和应用探索阶段的样机产品,还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于系统技术攻关的原型机。量子惯性导航。量子惯性导航。角速度传感器(简称陀螺)是决定惯性导航系统性能的核心器件,广泛应用于飞行器和舰船制导以及自动驾驶等领域。量子陀螺较传统机电式陀螺和光电式陀螺而言,在测量精度和小型化集成前景等方面都具有较大的优势。量子磁场测量。量子磁场测量。微弱磁场测量作为研究物质特性、探测未知世界的有效手段,在医学、地球物理、工业检测等都有着广泛的应用。量子磁力仪最高磁场测量灵敏度可达 fT 量级(10-15 特斯拉)。高灵敏度量子磁力仪主要有光泵磁力仪和原子 SERF 磁力仪、相干布居囚
71、禁(CPT)磁力计等。量子重力测量。量子重力测量。地球重力场反映物质分布及其随时间和空间的变化。高精度重力加速度测量可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域。量子目标识别。量子目标识别。量子雷达将传统雷达与量子技术相结合,利用电磁波的波粒二象性,通过对电磁场的微观量子态操控实现目标检测和成像,具有提高灵敏度,突破分辨率极限,增强抗干扰能力等优势。25/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子时间基准。量子时间基准。量子时间基准利用原子能级跃迁谱线的稳定频率作为参考,通过频率综合和反馈电路来锁定晶体振荡器的频率,从而得到准
72、确而稳定的频率输出。3、量子测量产业链量子测量产业链 26/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 量子测量产业链上游主要是系统研发所需的基础材料、元器件和支撑系统提供商。量子测量产业链上游主要是系统研发所需的基础材料、元器件和支撑系统提供商。基础材料包括高纯度同位素材料、金刚石、性气体等;元器件主要包括激光器、原子气室、光学系统元器件、电子元器件、线缆等;支撑系统主要包括磁屏蔽、真空、低温、隔振等环境保障;量子测量上游厂商在欧美集中度较高。目前量子测量技术路线多元,所需上游材料、器件差异性大,给上游整合和优化带来挑战。量子测量产业链中游包含各种技术方
73、向的系统设备提供商。量子测量产业链中游包含各种技术方向的系统设备提供商。目前可以商用的量子测量设备产品包括量子时钟、量子重力仪、量子磁力计及其衍生产品、光量子雷达等。冷原子钟冷原子钟多用于计量、授时、基础科研等场景,同时其设备结构复杂、体积庞大,产业化程度较低。热原子钟已经广泛应用于通信、电力、卫星导航等领域,成熟度和商业化成熟度最高。分子钟分子钟是近年来提出的一种新型量子时钟,利用惰性气体的振动谱特性,有望实现千秒稳 10-110-13量级,纯电学元件驱动,无需光学器件和恒温加热系统,对磁场不敏感,易实现芯片化,未来应用前景广阔。量子重力仪量子重力仪目前已实现集成化、可移动、自动化控制,未来
74、还需要实现小型化和降低成本。量子磁力计量子磁力计近年来发展迅速,也随之衍生出一系列新型测量传感设备,如脑磁图仪、心磁图仪、量子扫描显微镜、量子电流互感器等,商业化成熟度方面正在快速提升。量子雷达量子雷达主要分为两种,一种是基于单光子探测的光量子雷达,另一种是基于量子纠缠、压缩等原理的量子干涉雷达、量子照明雷达和量子增强雷达。前者已经实现商用,后者仍处于原理验证阶段。光量子雷达光量子雷达在环境监测、道路交通、气象测绘等诸多领域具有广阔的应用前景,市场驱动力较大。其他量子测量产品如量子惯性导航系统和原子天线等,在国防军工等领域有重要战略价值,但是产品成熟度还有待提升。量子测量产业下游涉及基础科研、
75、国防军工、生物医疗、能源开发、工业制造量子测量产业下游涉及基础科研、国防军工、生物医疗、能源开发、工业制造、资源勘探、环境监测等、资源勘探、环境监测等诸多领域。诸多领域。当前量子测量技术产品已经成为传统传感测量领域的有效补充和增强技术方案,未来随着样机产品性能指标、工程化水平和体积成本的进一步优化,有望成为超越现有传感测量手段的下一代技术方案演进方向。4、量子测量发展瓶颈量子测量发展瓶颈 大多数量子测量技术仍主要处于实验室研发和原型机攻关阶段,大多数量子测量技术仍主要处于实验室研发和原型机攻关阶段,如何走出实验室,在工程化应用场景中实现落地样机整体能力指标如何满足实际场景中全方位应用需求,仍是
76、需要产业界和学术界开展协同推动并突破的科技成果转化瓶颈。5、量子测量市场规模量子测量市场规模 全球量子精密市场规模预计从 2019 年的 11.2 亿美元增长到 2030 年的 25.27 亿美元,市场规模呈现不断上升趋势,年复合增长率为 7.97%。27/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 六、六、国内国内相关公司相关公司 1、国盾量子国盾量子 国盾量子成立于 2009 年,公司以量子通信、量子计算、量子精密测量产品的研发、生产和销售为核心业务,同时提供相关技术服务,是国家专精特新“小巨人”企业。2023 年公司量子计算业务量子计算业务收入为 4
77、478.25 万元,收入占比 28.69%。公司募投项目“量子计算原型机及云平台研发”顺利结项,超导量子计算机整机集成和云服务等技术能力得到进一步提升。公司在导入前沿成果基础上研制的超导量子计算机核心组件稀释制冷机的运行指标已达到国际同类产品先进水平,室温操控系统已可操控千比特以上大规模量子芯片。2023 年,公司完成了 1 套 24 比特超导量子计算机整机和 2 台稀释制冷机的交付;面向社会开放了量子计算云平台,接入自研的“祖冲之二号”同等规模 176比特量子计算机,支持用户远程进行量子计算实验和开发;协助中电信量子集团“天衍”量子计算云平台和中国电信“天翼云”超算平台进行对接,构建“超算-
78、量子计算”混合计算架构体系。2023 年公司量子通信业量子通信业务务收入 5374.81 万元,营收占比 34.49%。公司量子通信核心组网产品量子密钥分发(QKD)设备进一步朝着高速率、远距离、小型化的方向发展,小型化时间相位 QKD 样机正在进行产品级测试验证;公司研制的新一代量子卫星地面站产品成功与“济南一号”微纳量子卫星对接,并完成了 3 例交付;公司持续完善“量子安全服务平台”产品,并自主研发了“国盾密邮”、“国盾密语耳机”等创新应用产品。公司新一代密钥系统交换密码机、偏振编码 QKD2 款核心产品通过了商密认证/检测,密钥系统交换密码机、密钥分发网络管理系统、物理噪声源芯片 3 款
79、产品通过了认证后的监督审查。合肥量子城域网(一期)完成了项目验收和两网融合改造,处于稳定运行状态,为合肥市统一政务信息处理平台、大数据平台等持续提供量子密钥保护,已成为城市级量子通信基础设施标杆项目;公司及参股企业浙江国盾电力进一步开展电力领域“量子+5G”应用示范,浙江省首座“量子+变电站”已在绍兴投入运营。2、神州信息神州信息 28/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 公司拥有全面的金融科技产品和解决方案谱系,形成包括核心应用、云计算、数据智能、智能银行、开放金融、移动互联、信贷、风险管理在内的八大产品族以及从咨询、实施到运维的全面服务,为银行
80、客户的金融科技需求提供全面支撑。相关产品连续多年在 IDC、赛迪研究院等专业第三方市场统计中排名第一。作为全球量子通信关键参与者之一,公司是较早参与我国量子通信技术验证和应用推广的企业。作为全球量子通信关键参与者之一,公司是较早参与我国量子通信技术验证和应用推广的企业。早期参与了我国在全球领先构建的“星地一体化”量子通信广域网络建设,随后陆续承建了“京沪干线”“武合干线”“沪合干线”“汉广干线”“粤港澳湾区”等多条国家骨干网,贵州省网和北、上、广、深等十余城域网,助力完善量子应用相关配套设施。同时携手国盾量子等成立子公司“神州国信”,探索产品研发及行业应用,自主研发数据加密传输、终端安全接入、
81、安全即时通信、保密视频会议、安全数据加密等典型解决方案,推出了“量子增强安全服务平台”“量子 VPN 身份认证平台”等多款产品,助推量子保密通信与传统安全类设备或用户业务应用的结合,解决金融、政务、互联网等国家关键领域的信息传输安全问题。在金融行业,服务了银监会、光大银行、民生银行、上海银行、上海农商行等金融机构 20 多家,人民银行“人民币跨境收付信息管理系统(简称 RCPMIS)的量子应用示范项目”为金融广泛应用提供示范。2019 年市场先行推出的量子加密即时通讯工具“量信通”,助力 C 端人群使用量子通信。3、亨通光电亨通光电 公司专注于在通信和能源两大领域为客户创造价值,拥有从新一代绿
82、色光棒-光纤-光缆-光网络-数据中心全价值光通信产业链,及光纤传感、5G 等新一代网络关键技术,跻身全球光纤通信行业前 3 强。与安徽问天量子共同投资设立亨通问天量子,负责量子保密通信研究与应用,与北京邮电大学联合成立量子光电子学与弥聚子论实验室。在上海 2023MWC 大会上,公司推出“5G+量子”系列创新成果,包括极低时延的加密通道、极低时延的加密通道、“TAN+量量子子”高可靠高安全广域工业互联网解决方案及产品、低空自由空间光通信连接稳定性解决方案。已形成高可靠高安全广域工业互联网解决方案及产品、低空自由空间光通信连接稳定性解决方案。已形成了量子了量子保密通信保密通信 QKD、量子密钥云
83、应用管理平台、加密软硬件终端、量子密钥云应用管理平台、加密软硬件终端的产品体系。量子通信产品矩阵:1)极低时延的加密通道:极低时延的加密通道:基于量子密钥云平台基础上,开发符合商密标准的量子5G 加密终端,成功在 5G 高速网络上建立了极低时延的加密通道。该产品已在北京亦庄的联通车联网示范基地完成行业内首个应用验证,加密时延、加密速率、加密多通道特性等性能指标优异,满足远程驾驶、自动驾驶等多个场景的需求。2)“TAN+量子量子”高可靠高安全广域工业互联网解决方案及产品:高可靠高安全广域工业互联网解决方案及产品:TAN 量子加密交换机,通过内部量子加密模块对 TAN 协议帧进行并行处理,完成微秒
84、级超低时延的端到端加密。“TAN+量子”产品,可为电力、能源、钢铁等对网络时延和安全可靠性要求较高的行业提供领先的一体化解决方案。3)低空自由空间光通信连接稳定性解决方案:低空自由空间光通信连接稳定性解决方案:利用无人机量子纠缠分发系统验证和解决了自由空间光通信的连接稳定性问题。该解决方案已在中国联通研究院和北京联通机动局完成了行业内首个应急领域 5G 移动回传应用验证。该项技术已作为新国际标准成功获批立项。4、光迅科技光迅科技 公司是中国最大光通信器件供货商,是目前中国唯一一家有能力对光电子器件进行系统性、战略性研究开发的高科技企业,是中国光电子器件行业最具影响的实体之一。公司全资控股武汉电
85、信器件有限公司、武汉光迅信息技术有限公司、武汉光迅电子技术有限公司、光迅美国有限公司、光迅欧洲有限责任公司、光迅丹麦有限公司、泛太科技有限公司。公司主营业务为光电子器件、模块和子系统产品的研发、生产 29/30 2024 年年 5 月月 11 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 及销售。产品主要应用于电信光通信网络和数据中心网络,可分为传输类产品、接入类产品和数据中心类产品。2022Q22023Q1 公司在全球光器件行业排名保持第四,公司有多种类型激光器和探测器芯片以及 SiP芯片平台,激光器类有 FP、DFB、EML、VCSEL 芯片,探测器类有 PD 芯片、APD 芯片,公司的光芯
86、片产品可以为直接调制和相干调制方案提供支持。当前公司的量子芯片研发成功,已收到多家客户订单,预计随着 400G 骨干网的建设,以及量子通信普及度的逐步提升,公司作为行业领先企业,有望在 AI+量子时代实现营收及利润双增。5、本源量子本源量子 国内量子计算龙头企业,布局兼具超导量子与硅量子技术。国内量子计算龙头企业,布局兼具超导量子与硅量子技术。本源量子 2017 年成立于合肥市高新区,团队技术起源于中科院量子信息重点实验室,创始人为中国科学院院士郭光灿和中国科学技术大学教授郭国平;2021 年 9 月发布未来五年量子计算技术规划路线图,规划至 2025 年将实现 1024 量子比特;2022
87、年 1 月宣布自主建设的两大实验室正式启用,并将覆盖从量子芯片到量子计算整机软硬件的全栈式开发。本源量子是中国首家可交付量子计算机工程机的公司,是国内目前唯一同时开展超导量子计算与硅基半导体量子计算工程化的团队,本源量子已先后推出了 6 比特超导量子芯片夸父 KF C6-100、24比特超导量子芯片夸父 KF C24-100、64 比特超导量子芯片 KF C64-200、72 比特超导量子芯片 KF C72-300,以及第二代硅基自旋二比特量子芯片玄微 XW S2-200,其中第三代自主超导量子芯片“悟空芯”(夸父 KF C72-300)于 24 年 1 月 6 日上线,是目前中国最先进的可编
88、程、可交付超导量子计算机。到 4 月 8 日,“本源悟空”先后被 117 个国家(地区)用户访问超 534 万次,并成功完成 16.8 万个全球量子计算任务。6、中电信量子集团中电信量子集团 中电信量子集团于 2023 年 5 月在安徽合肥成立,注册资本 30 亿元,是中国电信股份有限公司全资设立的子公司。在量子关键技术攻关方面,中国电信主导编写了 5 项量子通信行业标准,具备量子密钥和国密算法的量子加密核心能力。在量子科技成果转化方面,建成国内规模最大、用户最多、应用最全的合肥量子保密通信城域网;推出量子密话密信产品,在网用户突破百万;研制的量子加密对讲已在杭州30/30 2024 年年 5
89、 月月 11 日日行业行业|深度深度|研究报告研究报告 第 19 届亚运会中使用;发布“DICT+量子”全场景能力体系以及通话+量子、网+量子、云+量子、平台+量子等一系列应用产品。在推动量子信息产业创新发展方面,与合肥市政府于 2021 年、2022 年、2023 年联合举办量子产业大会,已成为行业标志性、专业性的年度盛会;中电信量子集团作为中国电信的主要载体,联合行业头部企业,成立“量子信息应用合作生态联盟”;以“量子科技点量未来”为主题,开展 2023 量子科技中国行,在上海、江苏、浙江等地成功举办 12 站,通过多种形式展示量子科技产品,协同量子行业顶尖专家教授开展量子科普知识讲座,线
90、下参会人员累计达 3 万余人,线上覆盖超 30 万人。7、华翊量子、华翊量子2022 年成立,公司研发的离子阱量子计算系统,为用户提供了多种国际领先的离子阱架构。2023 年,公司完成了数亿元的战略轮融资;发布了规模达 37 量子比特的第一代离子阱量子计算机商业化原型机HYQ-A37,其相关性能指标达到了国际一流水平。此外,公司的 HYQ-A37 于 5 月完成了迭代,维持包含 92 个镱-171 离子的一维离子晶体长达数小时不发生雾化,为之后大规模离子阱量子计算奠定了坚实的基础。8、量旋科技、量旋科技2018 年成立,已完成集成超导量子芯片、射频测控系统、稀释制冷机、量子云平台、量子操作系统
91、及应用软件在内的产业级超导量子计算机。2023 年,量旋科技的国际市场版图扩展到全球 30 多个国家和地区;公司的教育级核磁量子计算机产品交付至印尼万隆理工学院、墨西哥国立自治大学,进入了东南亚和拉丁美洲市场;向中东科研机构交付超导量子计算芯片。七、参考研报七、参考研报 1.国联证券-计算机行业专题研究:量子计算持续发展,应用场景落地可期2.国泰君安-计算机行业深度研究:抢先布局量子信息技术革命3.兴业证券-计算机行业量子科技:三大产业方向的价值与落地4.华泰证券-电子行业专题研究:量子计算,开启后摩尔时代的计算新纪元5.东吴证券-计算机行业深度报告:量子信息,下一场信息革命6.东方证券-计算机行业周报:量子技术开辟新赛道7.中航证券-信息技术行业量子科技专题系列一:逐梦量子,星辰大海8.华鑫证券-量子信息技术行业专题报告:优化运算法则,重塑安全格局9.中泰证券-计算机行业解读新质生产力:量子计算,打破传统范式,通用计算应用可期免责声明:以上内容仅供学习交流,不构成投资建议。