2024-2025量子计算发展前景研究报告.pptx

2024-2025 量 子 计算 作 为 量子信 息 技术 产 业的 核 心环节，是 催 生新质 生产 力的重 要 战 略方 向。量子具 有反 直 觉的叠 加和 纠 缠 等特 性，在 制 备成 量子比特 后，能 够 大 量存储 信 息并 支 持量子 计算机 进 行 高 速 的 并 行化 计 算。量 子计 算 在 部 分 问 题 中 表现 出“量 子 霸权”，解决 问题的速度 远超经典计算，是催生 新质 生产 力 的重要 战 略方 向。当 下 量 子 计 算 的 硬 件 技 术 路 径 尚 未 收 敛，超导、离 子阱、光量 子 等 方 式 各 有 优 缺 点，但 距 实 现 大 规 模可容 错 通 用 量 子 计 算都还有较 大 差 距。未来 随 量子计 算机 的 技术逐 渐成 熟 和成本大幅 降 低，产业应用 将全 面 加速。预计产 业2034-2040年能够研制 出可 纠 错通 用 量子 计 算机，并 在2040 年之后 进 入全面容错 量 子计 算（FTQC）时代，各领域 有 望 实 现 大规模计 算力 突破。量 子产业 与 传 统 科 学 领 域 广 泛 交 叉，产业 链 规 模 持 续 扩 张。量 子 产业 赛 道规模 在2035 年 有望 达 到八 千 亿美 元，产 业链 玩家规模 逐渐扩 张，玩家持 续 增 多。从下 游 应用 看，量 子计算 与 金 融、医药、化学、人工 智 能、密 码 学 等多领 域 均可 交叉应用。产 业 链中 海 外可 关注 依 托自身 传 统云 计 算业务，与产 业 公 司 或科 研机构 联 合推 出 量子 计 算 服 务的 云 厂商；国内可关注在量 子设 备 制 造 及 抗 量 子密码 开 发 和 安 全应 用领域的 产 业玩家。投 资 建议：建 议关注 国 盾量 子、三 未 信 安、信 安世 纪、神 州信 息等；风 险 提示：技 术 落 地 不 及 预 期、市场 不 及 预 期、竞 争加剧、政 策风险、报 告信息更 新 不及时等。核心观 点 及 投 资 建议 3 1 量 子 信息 技 术 是构建 新 质生 产 力推 动 高质量 发 展 的 重要方 向。全 球主要国 家 在 此领 域基本 都 进行了 战 略 布局。我国在“十四五”规 划 中就 提 出“瞄准人工智能、量子 信 息、集 成 电 路、生 命 健康、脑科 学、生物 育 种、空天 科技、深地深 海 等前 沿领域等 前沿 领 域，实施一 批具有 前 瞻性、战略 性的 国 家重大 科 技项 目”，其 中就 将 量 子 信 息 列 为 与人 工智 能、集 成电路 等同 等 重要 的 技术。2024 政 府工作报告 也 提 出，“积极 培 育新 兴 产 业 和未 来 产 业，制 定 未来 产 业 发 展 规划，开 辟 量 子 技 术 新 赛 道”。图表：部分主要国家量子信息战略规划及投资概 况（2019-2023 年10 月）1.1.1 量子信息技术催 生 新 质 生 产 力，各 国 纷 纷 进 行 战 略 布局 2022 2023/7 7.4 2019 5 3.3 5 5.3 2020 19.6 2021 5 21.7 1.85 4 1.53/2.7 NQS 10 31.8 6.4 5 1 2035 17.9 2030 7.2 量 子 信息 领 域 主要包 括 量子 计 算、量 子 通信 和 量 子 测量 三 个主 要领域，其 中量 子 计 算 是最 先 可能 突 破的 赛 道。量子计 算 是一 种新型计 算模 式，具 有量子 优 越性，目标 是 实现 通用 可 编程的 量 子计 算 机，目 前正 处 于 技 术 验 证 和 应用 探索阶 段；量 子通信利 用量 子 态传 递信息，涉及 量 子密 码 调制、远 程 传态和 密 集编 码 等技 术，典型 应 用 包 括量 子密钥 分发和 隐 形传态，可 量 子计 算 融 合 形成 量 子 通信 网 络。量子测 量 利用 磁、光 与 原子 的 相互 作用进行超高 精 度和 高 灵敏 度 测 量，突破 经 典测 量 极限。实现 量 子 测 量 的量 子传感 器应 用 场 景广 泛，但 商 业化和 产 业 化仍 处 初 级阶 段。图表：量子 信 息三 大 领域 概况 1.1.2 量子信息技术包 含 计 算、通信 和测量三大领域 0 1 D-Wave QT 量 子（quantum）是参 与 基本相 互 作 用的任 何物 理 实体（物 理 性质）的 最 小量。即 一 个物 理 量如 果 存在 最 小的 不 可分 割的基 本 单位，则这个 物理 量 是量 子化的，并把 最 小单 位 称为 量子。量子一词来 自拉 丁 语quantus，意 为“有 多少”，代 表“相 当数量 的 某物 质”。它 最早 是 由德 国 物理 学 家M 普朗克在 1900年提出的，他假设 黑体辐 射中的辐射 能 量是不 连续 的，只 能 取能量 基本单 位的 整数倍，以此解 释了 黑 体辐 射 的实 验现象。随后 的 研究 表明，不 但 能 量 表 现 出 这种 不连续 的分离 化 性 质，其他 物 理量 诸 如角 动 量、自 旋、电 荷等 也都表 现出这 种 不连续的量 子 化现象。随后量 子 力 学这 门研究 物质世 界 微 观 粒子运 动 规律的 物理学 理论诞 生 了。图表：量 子力学 诞 生的 经 典实验 1.2.1 量子：物理量最 小 单 位 的 概称 图表：量 子比特 示意 图表：经典比 特（BIT）与 量子比 特（QUBIT）的 对比 量 子计算的 单 位 是 量子 比 特（QUBIT，又称量 子 位），是 一 种 能 表 现 出 量 子 效 应 的 物理实 体。与 经 典计 算机使 用 的比 特只会表现 出0 或1 的 状态 不 同，由 于量 子 的叠 加 特性，量子比特可以 同时 存 在于 多 种状态。对 于使用 二 进 制 的 量 子 比 特 而 言，就 是 可 以 同 时 处 于“0”和“1”两 个 状 态 的 叠 加 态。这种 独 特的特性使 量 子计 算机 能够 并 行 处理 和 存储大 量数据，且 拥有 极 快 的运 算 速度。1.2.2 量子比特：具有量 子 特 性，量 子 计 算 机 中 的 最 小 信 息单位 叠 加态，或 称 叠 加 状态（superposition state），是 指一个 量 子 系统 的 几 个 量子 态 归 一 化线性 组合 后 得到 的 状 态。以 箭头在布洛 赫球 上 的指 向 来示意 量子 比 特的 状 态，则 箭头指 向正上 方（相 当于地 球的北 极）时 状态 为0，指 向 正下方（相 当于地 球的 南 极）时 状态为1，指 向 球面 上 其他 点时状态 为0 和1 的 叠加 态。经 典比特只 能 表 示0 和1 这 两种状态 中的任意一 种，而 由 于 量 子 的 叠 加 特 性，每个 量 子 比 特 理 论 上 可 同 时 存 储0 或1 这两 种 状态，这使得 量 子 比 特 拥 有 比 比 特 更 大 的 信 息 存 储 能 力。如2 的8 次方等于256，故 具 有8 比 特 的二 进 制计 算机能 表 示 0 到255之 间的 任 一个 数 字，但 具有8 量子比 特的量 子 计算 机 可同 时 表 示0 到255 之 间的每 个 数字。图表：量 子比特 叠 加态示意 1.3.1 量子叠加态：量 子 可 同 时 处 于 多 种 状 态，能 够 大 量 存储 信息 0 1 量子 力 学 中，当 几个 基 础粒子 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 子纠 缠（quantum entanglement）。当 两 个 量 子 比 特 纠 缠 时，一 个 量 子 比 特 的 状 态 会 立 即 影 响 另 一 个 量 子 比 特 的 状 态，无 论 它 们 之 间 的 距离有多 远（这也 被 爱 因斯 坦 称 为“幽 灵 般的 超 距作 用”）。这种特 性是 构 建量 子计算系统 和进 行 量 子 通信 的关键。图表：量 子纠缠 规 则示意 1.3.2 量子纠缠态：纠 缠 的 量 子 的 状 态 具 有 整 体 性，可 远 距离 下 相 互 影响 1.3.3 测量量子：读取量 子 比 特 信 息 的 方式 量 子系统经 过 测 量 后会 产 生坍 缩（Collapse）。微 观 粒子具 有波 粒 二象 性，其 空 间分布 和动 量 都是以 一定 概 率存在 的（此时 表 现出 波动性，状态 具 有不 确定性）。当我 们用 物 理方 式对 其 进行测 量 时，粒 子会 随 机选 择 一 个 单 一 结 果 表现 出来（即表现 出 粒子性 的确 定 状 态）。量 子比特一 经 测 量，就 会 发生 坍 缩，并通 过概率 来 决定 到底 是 处于 状态0 还 是状 态1。随 后 我们 就 可 以 从量子 比特中 读 取 非0 即1 的 经典比特 信 息。量 子 比特 的 状态 此 时也 会变为与 测量 结 果对 应 的状态0 或状 态1。图表：测 量时量 子 比 特 的 状态才 会 确定 图表：量 子计算 的 机制 量 子 性非 常 脆 弱，以 至 于量 子 计算 机 很 难在 其 遭 到 破坏之 前（在 相干 时 间 内）完 成 大 规模 计算。因 此需 要 将 量子 纠 错（Quantum Error Correction，QEC）用于量 子计算，以 防 止 量 子 信 息 因 退 相 干 和 其 他 量 子 噪 声 而 产 生 错 误。量子纠 错技术 旨 在使量 子信 息 保持 完整，帮助延 长 量子 比 特的寿命。当 量 子 比 特 出 现 错误时，纠 错 技术 可 以 检 测错 误 并 纠正 它们，使 得量子 比特 的 状态能 够 得 到恢 复 并保持 在 正确 状 态。图表：Google 团队的表面码 量子纠错示意 1.3.4 量子纠错：现阶段 实 现 容 错 量 子 计 算 的 必 要 步骤 Google 图表：量 子计算 的 基本过程 量 子 计算 的 基 本过程 包 含量 子 态制 备、量子态 调 控、量 子 态测 量三个 基 本 步 骤。量 子态制 备 是对输 入 的 经典比 特 和辅 助比特 通 过相 位编码或 振幅 编 码等 量子态编码，获 得量 子 态初 态。量子态调控 就是 通 过酉 变 换（Unitary transformation）将量子 态 初态演 化到目 标态。这一过 程可以由一系 列量 子 门组合 成的 量 子 线路 来 表征。量子态 测 量就 是选择一 组测 量 基对 目标态进行观 测，读 取 计算 结 果。为了保 证 计算 正 确的 概 率，需 要 设 计 量 子 算 法，借助 量 子 干涉 特 性最大 化目标 态 概 率。1.3.5 量子计算的基本 过 程：制 备、调控与测量 量 子 计算 在 部 分问题 上 的速 度 上远 超 经典计 算，这 种现 象 被称 为“量 子 霸 权”或“量 子优越 性”。当下普 遍 认为 量子计算 与经 典 计算 在本质上存在 差 异，量子计 算 能 够 在 速 度 上远超 经 典计 算。此 外，量 子 计 算 还 能向 下兼容 经 典计 算，能 够 实现 经 典计 算范围内的所 有 计算。1.4.1 量子计算具有“量子霸权”与“量 子 优 越 性”，有望突破当下计算的 极限 图表：量 子计 算 机 带 来 计 算量 突破 图表：量 子霸权 对 于 经典 计 算 机面临 的 多项 式 时间 内 无法求 解 的 问 题（即指数 时间复杂度 的问 题），量子 计 算机 可 能带 来 突 破。如组 合优化 问 题、通 过分解 质因 数 破 解 密码、量 子化 学 计算、机器学习 和 复杂物 理 现象 的 模拟等问题。BQP（Bounded-error Quantum Polynomial time）指量 子 计算机 能在 多 项式时间内 解 决的 问 题。BQP 类问 题 可能 超 出 NP 类 问题的 范 围 之外，这意味着在 特 定问题上量 子 计算机可能 超 越传 统计算 机 验证 问题答 案 的速度。图表：量子计算机能够解 决的问 题可能 扩展至NP 之外 图表：不 同复杂 度 的问 题 示意 1.4.3 量子计算机：向 通 用 量 子 计 算 机 方 向 发 展，非通用量子 计算 机 只能 执 行部 分 量子 计 算，NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈杂中 型 量子）量子 计 算机 就属于 此 类。这 类量子计算 机 目 前 正处于 研 发阶 段，尚 不 具备 容错 能 力（或 容 错能 力 较弱）。通用量 子 计算 机可以执 行任 意 的量 子计算，即能 够 操作 通 用量 子计 算 机需要 操 纵上 千 万的 量子比 特，同 时 也 要 具 备纠 错能 力。国 际主 流 观点 认 为要 实现通 用量子 计算机，至少 还 需 要5 年到10 年 乃 至更 长时间。量子退 火 计算 机等非经 典计 算 机旨 在使用 量子性 进 行计 算，但 尚 未 展 现出量 子 优越 性。图表：量 子计算 机 的类型 图表：量 子计算 机 比 特 数 研发进 度 预测 图表：量 子计算 生 命周 期 发展 自2019 年 量 子 优越 性 首 次 实现开 始，量子 计 算技 术 迅速进 入NISQ 时 代，并 向拓展专 用 量子计算 机 的方向发 展。未来随量子 计算 机 的技 术 逐渐成 熟和 成 本大 幅 降低，产业 应 用将全面加速。预 计 到2034-2040年能 够 研制 出 可纠 错通 用量子计算 机，并 在2040 年 之 后进入 全面 容 错量 子 计算（FTQC）时代。1.4.4 量子计算产业：尚处早期NISQ 时 代，等待技术突 破和大规模应用落地-2019 NISQ 2020-2027 2028-2033 2034-2040 FTQC 2040-硬 件、软 件、算 法是量 子计算 技术 体 系 的三大 支 柱，云 平 台是 集成三 者 面 向用 户 提 供 服务 的应用 与 产业 生 态 汇聚 点，这 些 都 建 立 在 量 子 调 控、量 子 纠 错 等 技 术 基 础 上。从硬件 看，主 要分为逻 辑门 量 子 计 算机、专 用量 子 计算 机 和基 于 经 典 计 算 的 模 拟器 三 种；从 软件 看，主 要 可 以 分 为应 用开发软件、计 算 编译 软 件、测控系统 软件 和 芯片EDA 软 件 等；从 算法看，主 要 有量子 模拟、组合 优 化等。图表：量 子计算 技 术体 系 框架 1.5.1 量子计算技术体 系 框 架：软硬 件+算法 支 撑 技 术 体 系，云 平 台 整 合 生态 1.5.2 硬件路线：两类路 线 并 行 发 展，量 子 比 特 数 与 量 子 体积 持 续 提升 目前 量 子 计 算 的 硬 件 处 于 两 类 技 术路线并 行 发 展 阶 段。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。量子 电 路 具有 三种常 见的 度量：电路大小、电 路深 度和 量 子比 特数。其中，电 路 大 小 对 应“量 子 电 路 中 量 子门 的个 数”，电路 深 度 对 应“执 行 量子 电 路 的 并 行 运行 时 间”，量 子 比 特 数 对 应“量 子电路 的 空 间 成 本”。这 三 者 一 般 不 能 同时 达 到 最 优，尤其 是深 度（时 间）和比 特 数（空 间）之 间往往 是 此 消 彼 长 的。当 下 多 条 技术 路线仍 未 收 敛，也未 有 公 认 的 换 算标 准。近 年 来量子 计算 主 要 技 术 路 线 竞 争 激 烈，量 子 比 特 数（光 子/原 子 数）和 量 子 体 积 指 标 均 持 续 提 升。图表：量 子计算 发 展阶 段 及其硬 件 趋势 图（单位：量子比特 数量）图表：量 子计算 比 特数 和 量子体 积 指标发 展态势 超 导 路 线 基于超 导约瑟 夫森结 形 成 扩 展 二 能 级系 统，在 比 特数量、操 控精度 和 相干 时 间等关 键指 标 提 升 迅速且 发 展较为 均衡，有 望率 先 获得巨 大突 破；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。光 量 子路 线 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；硅半导 体 路线 通常利用 硅同 位 素量 子点结 构中的 电 子自 旋 构造 量子 比 特，优 点 是制 造 和测控与集 成 电 路 工 艺技 术兼容；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。但 无 论是 哪 种 技术路 线，量 子 计算 硬 件性能 水 平 距 实现 大 规模 可容错 通 用 量子 计 算 还 有很 大差距。图表：量 子计算 主 要 硬 件 技术路 线 及其特 征 1.5.2 硬件技术路线：优势方向不同，距 大 规 模 应 用 仍 有 距离 2 176.Rigetti 84 Ankaa-1 41 37 HYQ-Intel 12 A37 Tunnel Falls Quantinuum H2 32 H1-1 524288 255 1.2GHz 100 Atom computing 1180 图表：“九章三 号”实验 装置示意 中 科院潘建 伟 院 士 等组 成 的研 究 团队成 功 构 建 了255 个 光子 的 量子计算 原 型机“九 章 三号”，再 度 刷 新 了 光 量 子信息 的 技 术水平和 量 子 计 算 优 越 性 的世界 纪 录。科 研 人员 设计了 时 空解复 用的 光 子 探测 新 方法，构建 了 高 保 真 度的 准光子 数可分辨 探测 器，提 升了光 子 操 纵 水 平和 量子计 算 复杂 度。“九 章 三 号”处 理高 斯 玻色 取 样 的 速度 比 上 一代“九章 二 号”提 升 一 百万倍。“九 章三号”在百 万 分 之 一秒时 间 内所 处理的最高 复杂 度 的样 本，需 要 当前 最 强的超级计算 机“前 沿”（Frontier）花 费超过 二百亿 年的时 间。这一成 果进一 步巩 固 了 我国 在 光量子 计算领 域 的 国际 领 先 地位。1.5.2 光量子前沿：我 国“九章三号”原 型 机 再 度 刷 新 量 子计算 优 越 性 世 界 纪录 图表：光 量子计 算 的国 际 竞争态势 量子 计 算 软件 需 要满足 量子计 算 的 底层 理 论 与算 法 逻辑，提供面 向 不同技 术 路 线和 硬件方 案 的量子 指 令 集，编译功能 与中间表 示，并 提供 基于开 源 的 编 程语言 框 架，特 异性 与 专业性 较 强，目前 处 于设 计 开发与生态 构 建 的 早 期阶 段。业界在量子 计算 编 译软 件、应 用 开发 软 件、测 控软件、EDA 软件 等 多 层次 开 展布 局，未 来 需要 在量子 电 路编 译 优化、模块化程序 研究 和 量子-经 典 混合 算 法协同 等方 面 进一 步探索 和 提升。图表：量 子计算 软 件体 系 架构 1.5.3 软件层：当下仍 处 设 计 开 发 与 生 态 构 建 的 早 期 阶段 国 内外众多 研 究 机 构和 企 业发 布 了不 同 类 型 的量子 计 算 云平 台，发 展迭代 迅 速。如Pasqal 推出50中 性 原子 量 子计算平 台 Quantum Discovery，协助用户 探索中 性原子 量子计 算应 用；日 本量子计 算联 合 研究 小 组启动51基于 64 位超导量子 计算机云平 台服 务；北京 量子院53夸父量 子计 算 云平台上线了 具有 136、18 和 10 位量子 比 特的三 个超 导 量子 芯片；中科大54上线 176 比特“祖 冲之号”量 子 计算 云平台；中国移 动、中 国电 科 等联合 发 布 55“五 岳”量 子 计算 云 平台；本 源量子等多 家单 位56共同 推 出量 超 融合计算平 台 等。图表：国 内外代 表 性量 子 计算云 平 台发展 概况 1.5.4 云平台：云计算 厂 商 纷 纷 参 与，发 展 迭 代 迅速 1.5.4 云平台架构：结 合 量 子 计 算 与 经 典 云 服 务，多种 服务模式并存 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。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；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。图表：量 子计算 云 平台 功 能架构图 图表：量 子计算 云 平 台 服 务模式 2 量子 计 算 产业链 上游主 要包含 环 境 支撑 系 统、测 控 系统、各类关 键 设备组 件 以 及元 器件等，是研制 量 子 计算 原 型 机的 必要保障；中 游 主要 涉及量 子 计 算 原 型机 和软件，其中 原 型机 是 产 业 生态 的 核 心部 分；产 业生态 下 游 主 要 涵盖 量子计 算云平台以及 行 业应 用，仍 处 在 早 期 发展 阶 段。图表：量 子计算 产 业 链 与 代表性 企 业 2.1 产业链：上下 游 逐 渐 形 成 规 模，原型机是核心环节 2023 年 全 球 量 子产 业 规 模 达 到47 亿 美 元，预 计2023 至2028 年 市 场 规模的 年 平 均增 长 率（CAGR）将达 到44.8%。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。在2028 年至2035 年，市场规模将继 续迅 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，量 子计算 会 在此进入全 面 成熟和商业 化 的关键阶段。图表：全 球量子 计 算产业规 模（单 位：十亿美 元）2.2 市场规模：产 业 规 模 将 超 万 亿，预计市场规模CAGR 将达约45%图表：量 子计算 与 传统 科 学交叉 图表：量 子计算 应 用场 景 分析 量 子 计算 的 行 业应用 合 作部 分 涵盖 了 多个合 作 领 域，如 金 融、能 源与 材 料、生 命 科 学、先 进工业、电信 传 媒、出 行 运 输 和物流等，产 业 规 模 估 值 达 到 千 亿 美 元 级 别。应用 落 地的 方 式多 数 为深 耕行业 的 大型 企 业/行 业巨头 与 量子 计 算软硬 件公司展 开合作。2.3 下游应用：涉 及 广 泛 应 用 领 域，市场空间广阔+3-5 5-10 10+3940 7000+100 200+100 300+1230 3240+740 1830+290 630+300 700+100 200+100 200+100 100 200 200+500 1000 图表：量 子计算 对 金融 领 域的影响 提 升 金融 智 能 水 平：量 子 计算能 够 在智 能 风 控、智 能营 销、智 能 信 贷和智 能 监 管等 方面提 供 充分的 计 算 能力 来 充 分挖 掘数据。随着 数据量 的 增长，量 子 计算的算力优 势 将更 加 明显。提 高 金 融 服 务 速 度：量 子计算拥有 并行化特 点，将 显著 提 升金 融 服 务 的 智 能 化 响应 速 度，这 对于 金 融 业 务 如 反 欺 诈、反洗 钱、授信 审 批和 支 付清算 等 至 关重 要，因为 这 些业 务 对时间 的 敏感度 很 高。节 约 能 耗 和 空 间：量 子计 算 能够 有 效解决 经 典计 算 在处 理 金融大 数 据 时 的 能 耗问题，并且 减少了 提 升 算 力 所需 的大规 模硬 件 设 备需 求，从 而 降低了 硬 件 购置 和 维 护成 本。2.3.1 量子计算+金融：提 供 充 足 并 行 化 算 力，解 决 金 融 领 域 传 统 计 算 难题 5 5 5 NISQ 100()2000-5000 5 50 400 700 量 子 计算 可 以 为药物 研 发过 程 提供 加 速。药物工业 生产 的 化合 物 是 经 过长 期 的发现 和 提炼 过 程的 成 果，其中 对 药 物代谢 动 力学特 性 预测 和计算化 合物 与 靶标 的结合强度或 亲 和力 的 计算 需 要 大 量计算 量 和极 高 的精 确 度。量子化 学 在药 物设计中 的局 限 性主 要来自两个方 面：一 是 缺乏 准 确 性（对于 一 些复 杂 系统 描述困 难），二是生 物分子 集 合 的DFT 计算 所 需 的 巨大 计 算成本。量 子 计算机 有望加 速与 已 知量子 算法（例如 量 子相 位 估计，QPE）相关 的 系统 的 电子结 构计算。只要 计 算成 本低于 实 验 成 本，更 精确的 计 算可 以 通过 用 计 算 机计 算 取 代许多 劳动 密集型实 验，从 而为 制药工业 带 来重 大 价 值。图表：使用量子算法计算CYP450 酶轨道 2.3.2 量子计算+制药：可 提 供 药 物 研 发 加 速 计 算，尚 处 应 用 早 期 量 子 计算 可 能 威胁信 息 安全 领 域现 有 的加密 算 法 安 全。当 前主流 的 非对称 加 密 算法 的安全 性 主要 依 赖 于 所选 择 的 数学 难题难以破 解。如RSA 加密算 法基于 大数质 因子分 解难题，其破解难度随 着密 钥 长 度n 的增加呈指 数 级增 加。1994 年 提出 的Shor 算法将这一 破解 时 间复 杂 度降 低 为 O(poly(n)，从而对传统 非对 称 加密 算 法构成 潜在 威 胁。图表：RSA 加密与解密过程示意 2.3.3 量子计算+安全：量 子 计 算 可 能 破 解RSA加密算法 3+IBM是量子计算 处 理器 制 造领 域 的领 先 者。2023 年12 月4 日，IBM 发布了133个量 子 比特 的 量子处 理 器IBM Quantum Heron，可 提供迄今 为 止IBM 最高的 性能指标和最 低的 错 误率；IBM 还发布了 包 含1121 个 量子比特 的Condor超导 量 子处 理器。其 超 越1000 个 量 子比特 的规模为提高 量子 计 算机 的 容错能力提供 了可 能 性。2023 年，IBM更新 了 量 子 开发 路 线图，提出到2033 年，以 量子为 中心 的 超级 计 算机 将 包 括1000个逻 辑 量 子比 特，全面 释放量 子 计算 的能量。图表：IBM Development&Innovation Roadmap 3.1 IBM：量子计算处理 器 制 造 领 先 者，发 布Heron 和Condor 量 子 处 理器 Qiskit 是一个开 源 的 软件 开 发工 具 包（SDK），能够用 于 模拟 量 子计 算 电路、脉冲 和 算法。它提供 了创 建 和操 作 量子 程序的工 具，并 允许 在IBM Quantum Platform 的原型量子设 备上 或 在本 地 计算 机 上的 模 拟器 上 运行 这 些程序 Qiskit遵循通用 量子计 算的 电 路模 型，并 可 以用于 任何 遵循此模 型的 量 子硬 件（目 前支持超 导量 子 比特 和 离子 阱）。图表：Qiskit 支持的 软件包 3.1 IBM：推出开源编程 框 架Qiskit，支持量子计算模拟 Amazon Braket 是 完 全托 管 式的量 子 计 算服 务，能 够 提供 构 建、测试 和 运 行 量子 算 法所 需的资 源。Amazon Braket 同 时 为 AWS 客 户提供来自多 个 量子硬件供 应 商 的 量 子 计 算技术，包 括超导、俘 获 离子、中 性 原子和 光 子量子 计 算 机。这 些 硬件供应商 包 括IonQ、Oxford Quantum Circuits（OQC）、QuEra 和Rigetti 等。根 据 门型量 子 计算模式，用户 可 以从 Oxford Quantum Circuits 和 Rigetti 访问超导 量 子 处理 器，并 从IonQ 访问俘 获 离子技 术。用户 并使用 QuEra 的最新中性 原 子处理 器研 究 优化 问 题。图表：Amazon Braket 工作原理 3.2 AWS：Braket 托管式量子计算服务，与多家 硬 件 供 应 商 合作 3.3 Google：构 建Cirq等 开 源 框 架 工 具，支 持 量 子 云 服务 Google推出了Cirq 的 开源 框 架，专 门 用于 在开发 量 子 计算机 上 运 行 的量子 算 法。Cirq 是一 个Python 库，用 于 编写、操作和优 化 量子 电 路，随 后可 在 量子 计算机 和量子 模 拟器 上 运行 它 们。Cirq能够 支 持 模 拟 嘈杂 中 型量 子 计算 机，其提 供的硬 件 细节 能够得到 更好 的 运算 结果。Cirq可以连接 到 各种 量 子云 服 务。在每个云 服务 背 后，量子算法 在量 子 处理 器 或模 拟 器上运 行。Cirq 与许多可 以 本 地 或分布 式 方式 运行的量 子电 路 模拟 器兼容。图表：Cirq 生 态架构 示意 图表：Google 量子云计算工 作流 NVIDIA Quantum 是 全面的量子 计 算解决 方 案，用 户能够 基 于平台 开 发、集 成 和 利用量 子和经 典 计算及 AI。NVIDIA Quantum 旨 在提供量 子 模拟（Quantum Simulation）、量 子 加速超级计算（Quantum-Accelerated Supercomputing）和 量子 AI 三类服 务。量子模拟用 于开 发 和模 拟 未来的 量子 处 理器（QPU），量 子 加速 计 算 为CPU、GPU 与QPU 的协 同 工 作和混 合加 速 提供 集成；量子人 工 智能旨在建 造 量 子 集成计 算 机和 超 级计 算 机，以 便 量 子 计 算 机受益 于 加速 计 算和 人 工 智 能。图表：NVIDIA 量子计算服务架构 3.4 NVIDIA：提供量子模拟、量子加速计 算 和 量 子AI服务 图表：NVIDIA CUDA-Q 架构 图表：NVIDIA CUDA-Q 加速 NVIDIA 推出的CUDA-Q 是 首个用于混合 量 子 经 典 计 算 机的开源平 台，可在 一 个 系 统 中 集 成 和 编 程 QPU、量 子仿真、GPU 和 CPU。与其它量 子框架 相比，NVIDIA CUDA-Q 可以 显 著 加速 量 子算 法。量 子算法的 速度 可 以 比CPU 快多达 2500 倍，通 过 使用多 个 GPU 来扩展 量 子比 特 的数 量。3.4 NVIDIA：开 源CUDA-Q平台，混合计算加速量子算法 Intel 通 过使用 极 紫 外(EUV)光刻技术在 300 毫米硅晶 圆 上 大规 模 生产 量 子比 特，最 终能够 单 个晶圆 上 安 装 10,000 个 小型量 子 点阵列，并 发 布了迄 今 为止最先进的硅自 旋量 子 比特 芯 片 为Tunnel Falls。Tunnel Falls属于 硅自旋量 子位芯片，专为 使 用CMOS 晶体管技术 进 行大 规 模制 造 而设 计，整 个 晶圆 片 的良 率 和电 压均匀性 为95%，代 表了Intel 在 创 建可 制 造且 运 行 可靠 的 量子芯 片方面 取 得 的重 大 进 展。在生态建设 上，英 特尔 还 与马 里 兰大 学 物理 科 学实 验 室(Laboratory for Physical Sciences，LPS)、帕 克学 院 量子位 合 作实 验 室(LQC)以及国家 级 量子 信 息科 学(QIS)研究 中 心 合作，以推 进 量子计算研 究。图表：Tunnel Falls 芯片 3.5 Intel：推 出Tunnel Falls芯片，构建全栈 商用量子 计算系统 图表：Intel SDK 架构 图表：Intel 的全栈 量子计 算布局 Intel针对 量 子 计算 进 行了 全 栈开发 套 件Intel Quantum SDK 的布局。用户 可 根 据其 系统内 存 的大 小 模 拟 不同数 量的量 子 位。Intel 量 子模拟 器 是一 种 状态 矢 量模 拟，用 户 能够在后端 实 施量 子 算法 或 混合 量子经 典 算法。模拟 器 最多 支持模 拟32 个量 子比特，大 约需 要135GB 内存。3.5 Intel：推出全 栈SDK开发套 件，集成模拟、控 制 和 应用 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。2024 年4 月，中 国 首颗超500比特 超 导量 子 计算芯片正 式 发布。量子 创 新院定制研 发 的504 比特量子计算芯 片“骁 鸿”向国 盾 量 子进行 了一批 交付，用 于 验证 国 盾 量子自 主研 制 的千比 特 测控系 统。在量 子比特 的 寿命、门 保 真度、门 深度、读取保真 度 等关 键 指标方 面，有 望达 到IBM等国际主 流量子 计 算云平 台的 芯片性能 水平，可以 充 分满足千比 特 测控系 统 验证 的 需 求。图表：国 盾量子 量 子产品线 3.6 国盾量子：提 供 量 子 计 算、量子 通信硬件产品及服务 三 未 信安 深 耕 密码行 业，主 要 产品 线 是密码 芯 片、密码 板 卡、密 码整 机 和 密码 系 统。公司 推 出了国 内 首 款安 全 三 级密 码板卡和首 款安 全 三级 密 码整 机，公 司 的密 码 机通 过 了FIPS 140-2 Level 3（美 国联邦信 息处 理 标 准3 级）认 证。公司 五次获 得国家 密 码科 技进步 奖，公 司 是 全 国