2023全球量子计算产业发展展望

乘风破浪 2023全球量子计算产业发展展望 2023年2月 量子计算机是一种新型的、正在研发中的下一代计算机，量子计算因其强大的并行计算能力，将极有可能推动新一轮的信息科技革命。 目前全球主要科技国均已开展相关技术研发，积极布局和发展量子计算产业。一旦实现大规模量子计算，将对目前的加密体系降维打击，因此对于国家信息安全具有重要战略意义。此外，其下游广泛的应用前景未来很可能会改变银行业、药物研发、物流等行业的规则。 2022年，量子计算的各技术路线未收敛的特点愈发明显，各个路线均有不同程度上的突破，全球量子计算的先驱者们伴随着量子纠错的主趋势，正快速穿越NISQ时代，其中超导量子比特数量有望在新的一年里进入千位量子比特时代。 2022年是“中性原子元年”，无论是在技术还是商业成熟度上，中性原子技术路线都呈现出跨越式的发展。我们很惊讶地发现，过去三年，每年我们都有一个主题，如2019年是“超导元年”，2020年是“离子阱元年”，2021年是“光量子元年”。我们也可以憧憬一下，2023年会是“半导体元年”吗？ 然而，技术的快速发展并没有带来企业估值和融资的好消息，2022年全球整体融资增速出现了自2018年以来的首次放缓，市场机构的投资热情和投资信心似乎出现了短暂的休整，这或许不是坏事，因为部分企业包括媒体在这几年所吹起来的泡沫正好需要挤挤。 2022年，各主要科技国不断加强政策支持，加快布局量子计算已经成为过去一年全球前沿科技发展的主旋律，其中以美国和中国两强最为突出，他们之间的竞争与对抗也愈发积累。 尽管我们不能准确预测量子计算在未来某年将会达到多高的量子比特数目、多低的计算误差率以及会有哪些完全颠覆现有认知的应用，但从经典计算机的发展历史中，我们可以清楚地认识到，人类对于算力的需求是永无止境的。因此，我们对全球量子计算机产业的未来仍然抱有极大的信心和热情，量子计算机也必定会将人类的新征程推向星辰大海！ ICV前沿科技咨询总监、高级副总裁：JudeGreen 本报告阐明的观点力求独立、客观，不构成任何广告。本报告数据以公开信息为主，以及对公开数据的整理。 本报告版权归ICVTAnK和光子盒所有，其他任何形式的使用或传播，包括但不限于刊物、网站、公众号或个人使用本报告内容的，需要注明来源（2023全球量子计算产业发展展望.ICVTAnK&光子盒2023.02）。 使用本报告内容时，不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删减和篡改。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制或发表。如征得同意进行引用、转载、刊发的，需在允许范围内。违规使用本报告者，承担相应的法律责任。 本报告引用数据、事件及观点的目的在于收集和归纳信息，并不代表赞同其全部观点，不对其真实性负责。 本报告涉及动态数据，表达截至发稿时的情况，不代表未来情况。本报告中的信息或所表述的观点均不构成投资建议，请谨慎参考。 如有其它问题，请联系infer@icvtank.com，zhangxinyu@quantumchina.com。 本篇报告由全球前沿科技咨询机构ICV邀请中国量子科技平台公司光子盒联合研究和发布。 感谢包括但不限于以下公司给予技术和素材的支持： 量子计算编写组 2023年2月 目录 2022产业发展透视05 量子计算机硬件10 核心设备与器件21 软件、算法、云平台29 国家政策53 投融资 58 供应商评价 63 产业分析与预测70 产业展望 76 附件87 01 2022产业发展透视 仍在早期快速发展阶段 回顾2022年，无论是各硬件技术路线还是软件开发与平台的扩充，总体上量子计算行业仍处在早期快速发展的阶段。 超导 离子阱 光量子 中性原子 其它 •目前通用超导量子计算机的研制正处于跨越NISQ时代重要阶段，主要围绕提高广度和深度两个方面开展工作。广度是量子比特数目，目前以IBM宣布的433量子比特Osprey为最高；深度是指可以连续进行的高保真度多量子比特逻辑操作次数。 •离子阱系统则是美国政府资助最多的两个量子计算研究方向之一。除通用量子计算机以外，离子阱还被广泛应用于量子化学、相对论量子力学、量子热力学等领域的量子模拟研究。 •光量子计算的Xanadu在2022年成功展示了量子计算优越性。 •2022年的最大惊喜来自中性原子量子计算机。3月由美国芝加哥大学创造，在实验室环境下，中性原子实现了512个量子比特。此外，8月由日本国立自然科学研究员实现6.5纳秒超快双量子比特门，打破了世界纪录。 •半导体、金刚石NV色心、核磁共振以及拓扑路线在2022年也均有不同程度上的技术进展。 与硬件各路线百花齐放所不同的是，量子软件开源成为当前产业发展的主要特征之一。 加拿大中国 美国 Agnostiq发布了专门为量子计算和HPC技术设计的开源工作流编排平台Covalent。 1月 5月 7月 腾讯量子实验室发布的一款量子计算领域的开源软件产品TensorCircuit，它是面向有噪声中等规模量子计算（NISQ）的下一代量子计算软件。 QuEraComputing发布了公开测试版的Broqade程序，它是一个开源的Julia语言包，用于基于中性原子架构的量子计算和量子动力学，允许用户在模拟模式下模拟量子处理器。 目前由于开源软件的开放性和基于社区的共享性使得源码中经常包含很多漏洞，导致缺陷处理的成本大幅增加，阻碍了开源软件的应用推广。因此，当前研究的热点之一是如何有效、准确地发现软件缺陷，并快速修复软件缺陷。 产业链逐渐清晰与完善 随着量子计算机各个路线研发工作的逐步推进，整机所需的上游硬件设备与器件选型逐渐清晰，同时，量子计算机的软件系统也在不断跟进，整个产业链上下游各环节的构成逐渐清晰与完善，各环节的参与者也在逐渐增多。 图表1-1量子计算产业链图谱 注：产业生态图内的公司LOGO除Google和Microsoft在整机和量子云平台以不同形式LOGO出现，其余公司LOGO仅出现一次。部分整机公司为全栈量子计算机公司，业务包括软件算法开发。 |VersionFeb2023 上游中游下游 主要是硬件和软件开发工具包，目前上游的硬件设备与器件是最大构成部分，主要原因是目前全球各个公司和团队都将研发整机原型机作为最主要的目标在努力推进，物理层研发突破是当前最重要的工作任务。 主要是整机与操作系统软件，以及算法和应用软件。其中整机部分目前以超导、离子阱、光量子和中性原子等几个技术路线最为突出，如IBM在2022年完成了 既定路线图目标，实现了433个量子比 特芯片的制备，这是目前所有路线中最高量子比特数，离子阱也依旧保持着最高的双比特门保真度，而2022年的最大惊喜来自中性原子量子计算机，其路线代表ColdQuanta以及Pasqal等公司在2022年均有着跨越式的发展。 主要指量子计算主要的应用领域，当前已有多个细分行业领域的代表性企业与量子计算公司展开合作，共同探索应用开发，随着量子计算机技术的逐步完备，特别是专用量子计算机的问世，将有望在5年内，实现实际的下游应用。 积极探索下游应用 量子计算基于量子力学的全新计算模式，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。这是量子计算机为我们展现的强大力量，目前受限于真实量子计算机的研发进度，尚无法提供量子计算机的强大算力来实现完整的量子应用，但目前完全可以开发各类垂直行业应用的量子算法，利用数字计算机的算力来验证，从而为未来的实际应用做好积累和铺垫。 化学化工领域 •本源量子和复旦大学利用量子叠加态的并行计算能力设计出了一种新的分子晶体结构预测算法 •萨里大学使用量子计算发现了二维材料的新阶段，帮助格拉茨理工大学研究了作为二维材料极有前途的六方氮化硼（h-BN）。这些研究证明 量子计算对于预测分子结构、开发下一代材料和电池等方面的巨大潜力。 金融领域 •CaixaBank和D-WaveSystems合作开发了量子混合应用程序，据称显著减少了解决复杂金融问题的时间，改进了投资组合优化，提高了债券组合的内部收益率 •本源量子开发了量子mRMR算法，加速识别金融风控领域的债务违约。 •IBM将量子计算引入法国金融业，国民互助信贷银行与IBM合作培训团队并探索量子在金融服务的用例和概念验证，计划扩展法国的量子生态系 航空航天领域 •IonQ宣布与空中客车公司合作，探索量子计算在航空航天服务和乘客体验方面的潜在应用和优势。双方共同启动了为期12个月的量子飞机装载优化和量子机器学习项目，并将最终呈现出一个飞机装载优化的原型 （应用程序），为空客的开发人员和工程师提供指导。 商业拓展初步探索 2022年，全球范围内的量子计算整机仍然以原型机为主，我们仍处于NISQ时代的早期阶段，量子计算机在实际应用和解决实际问题方面仍然没有太多进展。虽然一项新技术的出现势必引来资本和社会的追捧，泡沫的产生存在一定的合理性，但ICV还是要明确地告诉各方，量子计算机的研发仍处于早期阶段，离实用化还很远，全球范围内可以验证的应用几乎都是在量子计算模拟器上进行的。 ICV预计在2030年之前，人类最有可能实现专用量子计算机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。 目前全球量子计算机公司包括科研院所在积极探索自己的盈利模式，主要如下： 提供量子计算云服务 由于量子计算机建造成本高、维护费用高、占地面积大、运行环境苛刻，对于大多量子计算的潜在用户来说，使用云计算的方式 提供量子计算整机 目前购买量子计算机整机的行为几乎为各个国家主导，有能力购买单位主要是各国军方与国家级科研机构。量子计算机 提供行业的量子方案 量子计算机未来强大的能力也吸引着下游行业客户在当前开始参与进来，比如金融客户就非常有迫切需求为未来技术提 接入量子计算机更为经济和方便。目前距离实用化还需要时间等前布局，目前部分量子计算机 目前大部分具有量子计算硬件的公司都开发了云平台，IBM是第一个开发量子计算云平台且当前 待，市场上出现的购买整机行为，一方面为量子计算机公司提供收入、给予支持，另一方 公司可以为这类行业客户提供适合的服务方案，如量子算法、模型优化、蒙特卡洛模拟等。 运营较为成功的案例，除此之外，面也是国防军事部门的积极介绝大部分量子云平台访问量堪忧。入，以期加速推进实用化进程。 目前此类合作多为战略性合作，量子计算机公司与行业客户共同开展某个课题的研究，这对未来的具体的行业开展有着很好的前期积淀作用。 02 量子计算机 2022年，量子计算的发展成果呈现多元化特征，量子比特数量、门保真度、量子体积、相干时间等关键指标均突破原有记录，纠错、控制等方面也取得较大进展；ICV对超导、离子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓扑等主要六种技术路线的发展态势进行总结和分析。 •超导量子计算路线：在过去的一年里仍然是最为瞩目的路线，技术突破也最为迅猛，在所有路线中位于榜首。IBM如期发布433量子比特的Osprey处理器，严格按照技术路线图推进，预计2023年将达到1000量子比特。 •离子阱量子计算路线：在量子比特的质量方面取得进展，量子体积屡创新高，SPAM保真度世界第一，更是创造了保真度高于物理量子比特的逻辑量子比特。 •光量子计算路线：代表企业Xanadu，通过使用最新的可编程光量子计算机Borealis完成高斯玻色采样实验，展示了量子计算优越性。 •中性原子量子计算路线：主要公司均已突破100量子比特，ColdQuanta、Pasqal等获得巨额融资，商业化进程加快，在量子模拟中体现出的优势也愈发明显。 •半导体量子计算路线：Intel所研发的半导体量子比特芯片良率达到95%，同时