量子信息技术行业专题报告：量子信息技术进入加速期.pdf

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2019 年 4 月 24 日 计算机行业 量子 信息技术进入加速期 量子 信息 技术行业专题报告 行业动态 第二次 量子科技革命爆发在即 ： 量子科学是 20 世纪最为重要的科学发现之一 ，自 问世以来先后孕育出 原子弹 、激光 、核磁共振 等新技术。 进入 21 世纪之后， 人类对微观粒子系统的观测和调控 技术 不断突破和提升 ，使得从量子观察到量子调控成为可能，这为即将爆发的第二次量子科技革命 提供了很好的基础，而这次第二次量子科技革命的主角就是以量子计算和量子通信为主的量子信息技术。为了抢占量子科技的国际话语权，各国竞相出台相关政策和提供资金支持量子信息发展，行业在政策和资金的推动下有望实现快速发展。 量子信息技术优势明显，我国在量子通信领域布局领先 ： 量子信息凭借其高并行速度和绝对安全性，被赋予了引领人类第四次科技革命的可能性。各国为了抢占量子科技领域未来的国际话语权，纷纷出台相关政策和提供资金来大力推进量子信息技术的发展。产业资本也纷纷加快在量子信息领域的布局，预计行业将进入一个从 0 到 1 的 快速发展时期。 我国在量子计算领域目前还是以研究为主，产业应用 刚刚起步。 但是我国量子通信研究和技术应用方面全球领先，而且各地方量子通信网络建设和各行业量子通信试点应用正在加速推进。 量子信息技术的发展进入加速期。 投资建议 ： 随着量子观测和量子调控技术的不断突破和提升，以量子调控为主的第二次量子科技革命具备良好的基础；与此同时，随着政策支持和产业资本的不断涌入，量子通信网络建设 开始 提速；而且受益于量子通信设备成本正在快速降低， 量子通信产业化进程开始加速，应用领域正逐步从政府向商用扩展，行业应用的拐点正在临近 。 在该领域布局领先的且具备技术和产品优势有望优先受益行业发展，重点推荐量子通信保密干线京沪干线主建设方、具备丰富量子通信网络建设经验并开始发展量子通信应用领域的 神州信息 。建议关注 国盾 量子 （ 科创 板受理） 、 浙江东方 和 银轮 股份 。 风险分析： 量子技术发展不及预期 ， 政策落地不及预期 、 量子通信应用开展不及预期、 市场系统性风险 。 证券 代码 公司 名称 股价 （元） EPS（元） PE（ X） 投资 评级 18A 19E 20E 18A 19E 20E 000555 神州信息 12.99 0.04 0.37 0.45 297 35 29 增持 资料来源： Wind，光大证券研究所预测，股价时间为 2019 年 04 月 23 日 买入（维持） 分析师 姜国平 (执业证书编号： S0930514080007) 021-52523857 jianggpebscn 卫书根 (执业证书编号： S0930517090002) 021-52523858 weishugenebscn 联系人 万义麟 021-52523859 wanyilinebscn 行业与上证指数对比图 - 4 0 %- 2 5 %- 1 0 %5%20%03-1805-1807-1808-1810-1811-1801-1902-19计算机行业 沪深 300 资料来源： Wind 相关研报 聚焦金融科技，收入稳健增长 神州信息（ 000555.SZ） 2018 年中报点评 2018-08-31 新战略快速推进，业绩略超预期 2018-03-29 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 目 录 1、 第二次量子技术革命爆发在即 . 3 1.1、 量子信息科学概述 . 3 1.2、 各国政策支持助推量子信息科学快速发展 . 3 1.3、 量子信息底层基于量子特性 . 6 2、 量子计算机将重构未来计算 . 6 2.1、 量子计算机与传统计算机的区别 . 7 2.2、 国内外资金加速涌入量子计算机领域 . 8 2.3、 重构世界：量子计算机的未来 . 10 2.4、 量子计 算市场潜力巨大 . 10 3、 中国量子通信产业化进程世界领先 . 11 3.1、 量子通信安全性好于传统通信 . 11 3.2、 全球量子通信产业化提速，中国产业化进程领先 . 13 3.3、 市场规模巨大，产业链基本形成 . 15 4、 投资建议 . 16 4.1、 神州信息：京沪干线的主建设方，发力量子通信应用领域 . 18 5、 风险分析 . 19 国投瑞银2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 1、 第二次量子技术革命爆发在即 量子科学是 20 世纪最为重要的科学发现之一 ，自 问世以来先后孕育出原子弹 、激光 、核磁共振 等新技术。 进入 21 世纪之后， 人类对微观粒子系统的观测和调控 技术 不断突破和提升 ，使得从量子观察到量子调控成为可能，这为即将爆发的第二 次量子科技革命提供了很好的基础，而这次第二次量子科技革命的主角就是以量子计算和量子通信为主的量子信息技术。为了抢占量子科技的国际话语权，各国竞相出台相关政策和提供资金支持量子信息发展，行业在政策和资金的推动下有望实现快速发展。 1.1、 量子信息科学概述 量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科，其物理基础是量子力学。基于量子特性，量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息安全性、信息容量、信息检测精度等方面将会发挥极大的作用。量子信息技术主要的应用领域包括量子计算、量子通信和量子测量等。 量子科学是 20 世纪最为重要的科学发现之一 ，自 问世以来先后孕育出原子弹 、激光 、核磁共振 等新技术。 进入 21 世纪之后， 人类对微观粒子系统的观测和调控 技术 不断突破和提升 （如激光原子冷却、单光子探测和单量子系统操控等技术） ，利用量子力学中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、处理和传输已经成为可能，量子科技革命的第二次浪潮即将来临 。人类对量子世界的探索已从单纯的“探测时代”走向主动“调控时代”，第二次量子科技革命将催生量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术，量子科技的革命性发展，将极大的改变和提升人类获 取、传输和处理信息的方式和能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。 图 1： 第二次量子革命 的主要突破领域 资料来源：走进新量子革命，陆朝阳 1.2、 各国政策支持助推量子信息科学快速发展 量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点。国际社会纷纷加大研发力度和投入，力争抢占技术制高点。 2013 年，日本成立量子信息和通2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来 10 年投入 400 亿日元在量子信息技术的研发。 2014 年，英国设立“国家量子技术计划 ”，每年投资 2.7 亿英镑用于建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心，在大学和企业之间形成紧密的合作关系。 2016 年，欧盟宣布了 10 亿欧元的“量子技术旗舰计划”（为期 10 年），重点在通信、计算、传感和模拟 4个量子技术领域加大投入 。 作为全球量子技术最领先的美国，近十年来也一直持续加大在量子技术的研发投入力度，已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目，每年投入月 2 亿美金在量子信息各领域的研究； 2018 年 6月推出国家量子行动计划（ NQI）法案， 计划在 10 年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学 基金 12.75 亿美元，全力推动量子科学发展。 为抢占第二次量子技术革命的制高点，我国近年来对量子信息技术的重视和支持力度也逐渐加大，先后推出“自然科学基金”、“ 863”计划和重大专项等来支持量子信息的研究和应用。 2018 年 5 月的两院院士大会上，习总书记强调“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”，量子信息的战略地位得到进一步肯定。 表 1： 各国量子技术政策汇总 时间 国家 政策文件 主要内容 2015.12 中 国 习近平对中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议做出说明 在航空发动机、 量子通信 、智能制造等领域再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目。 2016.03 国务院中国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要 加强前瞻布局，着力构建 量子通信 和泛在安全物联网，打造未来发展新优势。 2016.05 中共中央、国务院印发国家创新驱动发展战略纲要 在 量子通信 、信息网络等领域，充分论证，把准方向，明确重点，再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目和工程。 2016.07 国务院关于 印发“十三五”国家科技创新规划的通知 力争在量子通信与量子计算等重点方向率先突破。 2016.08 中国科学院“十三五”发展规划纲要 加强核心器件的自主研发，加强与经典网络的融合（如云加密等），推动标准制定，开展城域量子通信、城际量子通信、卫星量子通信关键技术研发，初步形成构建空地一体广域量子通信网络体系的能力，并在全天时卫星量子通信技术上取得突破。 2016.11 国务院关于印发“十三五”国家战略性 新兴产业发展规划的通知 加强关键技术和产品研发，持续推动 量子密钥技术应用。 2017.05 科技部联合四部委印发关于印发“十三五”国家基础研究专项规划的通知 面向多用户联网的量子通信关键技术和成套设备，率先突破量子 保密通信技术，建设超远距离光纤量子通信网，开展星地量子通信系统研究，构建完整的空地一体广域量子通信网络体系，与经典通信网络实现无缝链接。 2017.11 发改委关于组织实施 2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知 提出国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程 。 2018.03 政府工作报告肯定量子通信发展成果 将量子通信与载人航天、深海探测、大飞机并列为重大创新成果， 认可量子通信行业地位和发展成果。 2018.06 美国 国家量子行动计划（ NQI） 计划在 10 年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金 12.75 亿美元，全力推动量子科学发展。 2018.09 量子信息科学国家战略概述 系统性地总结了量子信息科学带来的挑战、机遇，以及为维持和扩大美国在 QIS 领域的领导地位应做出的努力。 2010 欧盟 量子信息处理和通信 ： 欧洲研究现状 、 愿景与目标战略报告 提出了欧洲未来 5 年和 10 年量子信息的发展目标 ，将重点发展量子中继和卫星量子通信 ， 实现 10002019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 公里量级的量子密钥分配 。 2016.03 “量子宣言”旗舰计划 未来 10 年投资 10 亿欧元，成员国追加配套。并于2018 年 10 月底启动约 2 亿欧元和 20 个研究项目。 2014 英国 设立“国家量子技术计划” 投资 2.7 亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算极大研发中心，开展学术与应用研究。 2015 量子技术国家战略、 英国量子技术路线图 将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。“路线图”给出量子计算机、量子传感器和量子通信在内的每项量子技术可能的商业化时间和发展路线 图。 2018.09 与新加坡 合作开展“量子空间技术开发计划” 此项计划价值 1000 万英镑，将建立和发射卫星量子密钥分配（ QKD）试验台，新加坡和英国将开发基于立方星标准的“ QKD 立方星”，该卫星将使用先进的 QKD 技术测试加密密钥在全球范围内的安全分布。 2013 日本 文部科学省成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构 计划未来十年内投资 400 亿日元（约 24 亿人民币），支持量子通信和量子信息领域发展。 资料来源： 国务院、发改委等政府网站 ，光大证券研究所 图 2： 世界主要国家支持量子技术发展 资料来源：国盾量子招股说明书 图 3：我国从国家战略、技术引领、工程建设等多角度支持量子技术产业化发展 资料来源：国盾量子招股说明书 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告 1.3、 量子信息底层基于量子特性 量子信息的基本原理：量子比特、量子叠加和量子纠缠 量子比特：比特是经典计算机信息的基本单元，要么 0，要么 1。量子比特是量子计算机的最小储存信息单位，一个量子比特可以表示 0 也可以表示 1，更可以表示 0 和 1 的叠加，即可 处在 0 和 1 两种状态按照任意比例的叠加（但是在运行过后才能中要保护好量子的叠加性和相干性），因此量子比特包含的信息量远超过只能表示 0 和 1 的经典比特。 图 4：量子比特包含的信息量远高于传统比特 资料来源： Visure Science1 量子叠加：就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。 量子纠缠：这是指两个量子纠缠在一起时，其中一个会影响另一个，并且这种与距离等没有 关系。操控一个量子的时候，另外一个量子也会受到相应的影响。简而言之，两个量子无论离得多远，都能产生一种关联性的互动。比如两个人脑建立纠缠关系，一个人想家的时候。另一个人立刻就能感应到想家，这种纠缠的速度，已经超越了光速。 2、 量子计算机将重构未来计算 量子计算机相比传统计算机在并行计算和量子模拟上具备天然优势，未来将逐步应用于需要进行大数据分析和质因数分析的领域 ，如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。 目前量子计算的研究和应用还是以美国主导为主，我国还停留在研究阶段。但由于高端计算 方面具备天然优势，整体市场潜力巨大。 1 mp.weixin.qq/s/TZnjFvJPELxRVksDFASSUQ 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告 2.1、 量子计算机与传统计算机的区别 量子计算机（ quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。 量子计算机的一般工作原理分为数据输入、制备初态、幺正操作、量子测算、输出结果等几个步骤，其中幺正操作需要使用量子算法进行量子编程，具体工作流程如下图。 图 5： 量子计算机工作原理流程图 资料 来源：量子信息技术发展概况，郭光灿 量子计算机并不是传统计算机的加强版，他们使用的是不同的技术原理，主要区别有以下几方面： 1、最大的不同点是运算方式不同，传统计算机的运算单位是比特，即我们常说的二进制中的 0 和 1。而量子计算机的运算单位是量子比特，是叠加状态，可能是 0，可能是 1。 2、基于量子纠缠的原理，量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算，这意味着它可以同时分析所有可能性，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。如同在一堆名片里面寻找出某个名字，传统计算机是通过一张张分析的方式，而量子计算机（ 有一种 Grove 算法）是同时进行扫描多张名片，给出每张名片为“正确”的概率。迭代几次之后，目标名片的累计概率会比别的名片都高。即使运行多次，这种算法也比经典搜索快很多。数据库越大，其优势越大。 3、量子计算可以通过幺正变换实现可逆计算。 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告 图 6：量子计算的逻辑门路 图 7：量子计算可以实现并行计算 资料来源： Visure Science 资料来源： Visure Science 2.2、 国内 外资金加速涌入量子计算机领域 1920 年，爱因斯坦等人首次创立量子力学。 1981 年，诺贝尔物理学家费曼首次提出量子计算机的概念，指出通过应用量子力学效应，能大幅提高计算机的运算速度，经典计算机需要几十亿年才能破译的密码，量子计算机在 20分钟内即可破译，从首次提出到现在量子计算理论已经发展了 30多年。1994 年，贝尔实验室证明了量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜于传统计算机，这也是量子计算理论提出后第一次成功实验。 自此，各界发现量子计算机的可行性，往后的十几年，大量资本开始进入量子计算研究领域，量子计算 机逐步由“实验室阶段”向“工程应用阶段”迈进。 2007 年，初创公司加拿大 D-WAVE 系统公司宣布研制成功 16 位量子比特的超导量子计算机；之后，微软、谷歌、 IBM、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。 而在各个国家中，美国在量子计算的综合实力全球领跑，目前已形成了政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面。其他国家基本上以紧密跟随为主。 表 2：国外量子计算机发展历程 阶段 时间 事件 理论和实验室探究阶段 1920 年 爱因斯坦等人创立量 子力学。 1981 年 费曼提出量子计算机的技术概念。 1994 年 贝尔实验室的专家彼得秀尔证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜于传统计算机。 1999 年 MIT、 IBM 和 stanford 武汉物理教学所、清华大学等研究组实现了 7 个量子比特的量子算法演示。 商业投入和工程应用阶段 2007 年 加拿大 D-wave 系统公司宣布研制成功 16 位量子比特的超导量子计算机。 2009 年 世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。 2012 年 微软研究院成立量子体系结构与计算机研究组。 2013 年 谷歌与 NASA 联合成立量子人工智能实验室，加拿大 D-wave 系统公司宣称 NASA 和 Google共同预定了一台采用 512 位量子为的 D-Wave Two 量子计算机。 2015 年 英特尔与代尔夫特理工大学研发基于硅量子点的量子计算机。 2016 年 D-wave 为谷歌提供了一台 9 量子比特的量子计算机，售价为 1500 万美元。 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告 2017 年 IBM 宣布，今年将推出全球第一个商业化量子计算云服务 IBM Q。这是全球第一个收费的量子计算云服务系统。 2018 年 谷歌公布 72 比特的量子芯片 Bristlecone，并表示已经开始了 72 位量子计算机的测试。 2019 年 IBM 发布全球首台专为科学和商业用途设计的独立量子计算机 Q System One，该计算机的计算能力 20 量子比特（即一步可运算 2 的 20 次方）。 2019 年 D-WAVE 公司推出其 5000 量子比特计算机的发展蓝图，预计 2020 年进入市场。 资料来源： 新京报、中国科技报 等 2， 光大证券研究所 图 8： IBM Q System One 图 9： D-wave 2000Q 资料来源： IBM Q 官网 资料来源： D-wave 官网 图 10：历年各国 量子计算技术专利申请情况 图 11：各公司在量子计算的专利申请情况 资料来源：中国信息通信研究院 资料来源：中国信息通信研究院 我国量子计算目前还是以理论研究为主，参与者主要是以科研 机构、高校为主，但是近年来我国量子计算的研究发展迅速，我国在高水平 SCI 论文数量总量上已经仅次于美国。我国 量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和2 sohu/a/138541172_479846 2019-04-24 计算机行业 敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告 集中攻关的阶段 ，在产品工程化及应用推动方面与美国科技巨头存在明显的差距，国内仅一家初创企业，但是这两年阿里巴巴、百度和华为等科技巨头先后关注和加大量子计算领域的投入。 表 3：我国量子计算领域的发展历程 时间 事件 2013 年 中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方 程组的实验。 2015 年 由中科院牵头，联合中科大、科大国盾、中国铁路网络有限公司、中兴通讯等，成立了“中国量子通信产业联盟”。 2017 年 中科大、中国科学院 -阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机（ 5 量子比特）。 2017 年 4 月 中国科学院院长白春礼院士透露，中科院正在研制中国首台量子计算机，预计在最近几年内有望研制成功。 2018 年 3 月 百度宣布成立量子计算研究所，计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所，逐步将量子计算融 入到业务中。 2018 年 10 月 阿里巴巴达摩院在云栖大会宣布着手超导量子芯片和量子计算系统的研发。华为在全联接大会期间正式发布量子计算模拟器 HiQ 云服务平台。 2018 年 12 月 中国科学技术大学郭光灿院士团队宣布，成功研制出一套精简、高效的量子计算机控制系统 。 资料来源： 中国信通研究院， 光大证券研究所 2.3、 重构世界：量子计算机的未来 量子计算机不会取代经典计算机，但将会在执行对现有计算机来说太过复杂的任务方面表现出众，特别是那些需要在大数据里面展开搜索和对大数进行质因数分解的任务。这是因为基于量子叠加 和量子纠缠的内在特性，量子计算机可以实现快速的并行计算和量子行为模拟，从而重新定义程序和算法，这就使得它能够在一些特定的应用场景有很好的优势，如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。 具体而言，在加密通信领域，一切现有的密码学全都要被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码。如经典的 RSA 算法，若用 400 位数的整数来做一个 RSA 密钥，依托现有的经典计算机需要 60 万年才能完成破译，但是对于量子计算机只要 3 个小时就能够破译。 在药物设计领域，开发一种新药需要开展无数不同分子组合方 式的试验，从而能够找到有效治愈某种疾病的药物特性。这个过程需要持续数年。量子计算机能在短期内绘制数以万计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，加大的节省药物的研发成本和周期。 在交通治理方面，量子计算机能迅速对复杂的交通状况进行研判，调度综合交通系统，最大限度避免道路拥堵。 2.4、 量子计算市场潜力巨大 根据波士顿咨询的预测，保守看来，到 2035 年，量子计算市场将达到20 亿美金体量。随着采纳率的提高，到 2050 年，市场规模将飙升至 2600亿美元。 若当前桎梏量子计算发展的主要因素 物理量子位的错误率 能够显著降低，那么到 2035 年，量子计算市场规模将达到 600 亿美元，并在