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

量子力学加速行业进步节奏。 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的技术。量子信息中三个概念： 1）量子比特，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。2）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。3）量子纠缠,两个量子比特构成一个量子纠缠态。 多领域拓展量子信息潜在应用场景。 量子信息主要分为三个领域:1)量子通信：量子通信可以通过借助量子技术，完成经典通信无法完成的任务。2)量子计算：量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。3)量子测算：量子测算是量子信息和精密测量的交叉学科. 量子计算技术多种硬件技术路线并行发展，亮点成果频出。 量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要分为两大类：一是以超导和硅半导体等为代表的人造粒子路线，二是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。各种主要技术路线均有研究成果不断涌现，呈现开放竞争态势，尚无某种技术路线体现出明显综合优势。 量子计算产业链上下游已成型，未来拓展空间广阔。 量子计算产业生态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。产业生态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。产业生态下游涵盖量子计算云平台以及行业应用，处在早期发展阶段。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探索国内外广泛开展，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。 市场空间广阔，行业有望迎来快速增长期。 IDC预计，全球在量子计算技术（包括硬件、软件和即服务解决方案）支出预计将从2022年的11亿美元增长到2027年的76亿美元，五年复合年增长率（2022–2027年）为48.1%。当前的量子计算技术还未达到商业成熟。 未来量子计算在解决市场中复杂问题和其他棘手问题的能力往往需要大量高质量的量子比特，这些量子比特可以在保持高保真度的同时进行扩展。 政策支持频出，相关技术已有储备。 地方政策措施主要聚焦科研、硬件和应用三大领域，政策频出支持行业快速发展。截止2021年5月，中国量子计算/量子通信已申请公开专利912件/1069件，量子通信专利数多于美国。国产量子计算机代表九章三号、祖冲之二号、本源悟空诞生，有望为应用端提供算力基础。 投资建议：建议关注量子信息行业技术、应用发展。 建议关注量子信息行业技术、应用发展。量子信息进入高速发展前期，计算能力优于传统计算模式，可以赋能化学、金融、人工智能、交运航空、气象等，成长空间广阔。量子信息技术对于算力提升，多行业赋能的优越性已得到验证。我们认为由于行业处于初期，技术升级及产业应用仍需时间突破，未来随着技术与产业结合的创新逐步展现，量子信息技术有望带动产业链及赋能行业业绩改善。建议关注神州信息、光迅科技。 风险提示：量子信息技术发展不及预期；商业化进程不及预期风险；行业竞争加剧风险。 1.量子信息技术持续发展，行业前景广阔 1.1量子力学加速行业进步节奏 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。20世纪80年代，科学家首次将量子力学应用于信息科学领域，从而诞生了量子信息。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。 量子信息中，包含量子比特、量子叠加、量子纠缠三个基础概念： 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。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”。 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。 图表1：量子信息中的基础概念 1.2量子信息技术细分领域 量子信息主要分为三个领域：量子通信，量子计算，量子测量 量子通信：量子通信是量子信息学的重要技术领域。量子通信可以通过借助量子技术，完成经典通信无法完成的任务。量子通信是目前量子信息领域中最先实现应用化的领域。目前量子通信有两个主要的研究方向：一是量子密钥分发；二是量子隐形传态。 量子计算：量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算是量子信息研究的重中之重，其最终目标是实现可实用化的量子计算机。 量子测算：量子测算是量子信息和精密测量的交叉学科，通过利用量子系统本身的精密性和敏感性，采用量子通信和量子计算中操控超冷原子和单光子等技术，为人类提供更准确的时间、空间、频率等基准、更准确的常数、更准确的外界环境参数、以及更准确的导航定位等。 图表2：量子信息三大领域原理特性、发展线状及应用场景 1.3量子理论发展阶段 量子力学理论起源至完善阶段（1900-1930s）、1900年普朗克提出了辐射量子假说，掀开了量子理论发展的序幕。在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并称为现代物理学的两大支柱理论。规范理论快速发展阶段（1930s-1970s）、作为基本粒子物理学的语言-量子电动力学结合了量子论和相对论并由此得到了长足的发展。量子信息学理论与应用实践加速发展阶段（1970s至今）、从1970年量子比特首次被提出，量子信息学先后实现了量子电路、量子隐形传输、量子拓扑序、量子因数分解、量子纠错、量子卫星、量子通信网络的实践和应用。 图表3：量子理论发展阶段 2.技术已有储备，政策支持产业快速发展 2.1量子专利与论文发布对比，中国在量子通信领域体现优势 美国在量子信息领域专利研发起步较早，整体专利数量呈现量子计算>量子测算>量子通信的现状。截至2021年5月，美国量子计算/量子通信/量子测量已申请公开专利2029件/471件/595件。中国量子信息领域专利研发始于20世纪90年代末期，并在21世纪10年代迎来高速增长期，截止2021年5月，中国量子计算/量子通信已申请公开专利912件/1069件。从申请人看，排在前三位的为科大国盾量子技术股份有限公司、中国电子科技集团公司电子科学研究院与北京邮电大学。 图表4：美国在量子信息主要领域专利申请情况 图表5：中国在量子信息主要领域专利申请情况 2000-2020年，中国在量子通信领域共计发表论文4585篇，论文发表总数位居全球首位，其次为美国（1566篇）。量子计算领域，美国科研机构及大学的论文发表数量在过去20年均稳居全球第一，共计发表8545篇，中国近20年科研论文发表数量近3431篇，仅为美国的40.18%。量子测量领域，论文发表量位居全球前五位的国家分别位美国（672篇）、德国（245篇）、英国（227篇）、意大利（225篇）、中国（159篇）。量子测量领域论文数量相对较少，中国量子通信领域优势较为明显，量子计算领域起步较晚，与美国相比仍有较大追赶空间。 图表6：世界主要国家量子信息领域论文发表情况 图表7：世界主要国家量子计算领域论文发表情况 图表8：世界主要国家量子测量领域论文发表情况 2.2政策频出支持产业发展 截至2023年12月，已有30个国家和地区相继制定了量子信息领域的战略规划或法案，总计投资额已超过280亿美元，全球量子信息领域战略规划和投资情况如下图所示。2023年，共有7个国家相继发布量子信息领域国家层面的战略规划，计划投资总额达到67亿美元。 图表9：全球量子信息领域战略规划和投资情况 我国地方政策措施主要聚焦科研、硬件和应用三大领域。一是开展科学研究，建设一流研发平台、开源平台和标准化公共服务平台；二是开展硬件研发，攻关量子信息领域核心器件、系统、材料的发展；三是推动场景应用，推动量子信息技术在金融、大数据计算、生物医药、资源环境等重要领域的应用。 图表10：中国量子信息政策 3.量子信息技术发展与应用持续突破 3.1量子通信与测量发展空间广阔 量子通信主要分量子隐形传态（Quantum Teleportation，简称QT）和量子密钥分发（Quantum KeyDistribution，简称QKD）两类。QT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。QKD通过对单光子或光场正则分量的量子态制备、传输和测量，首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享，再与传统加密技术相结合完成经典信息加密和安全传输，基于QKD的保密通信称为量子保密通信。 目前，QT研究仍主要局限在各种平台和环境条件下的实验探索，包括高品质纠缠制备、量子态存储中继和高效率量子态检测等关键技术瓶颈尚未突破，距离实用化仍有较大距离。QKD的实验研究不断突破传输距离和密钥成码率的记录。东芝欧研所报道基于T12改进型QKD协议和LDPC纠错编码的QKD系统实验，在10公里光纤信道连续运行4天，平均密钥成码率达到13.72Mbps。 量子测量：利用量子相干、量子纠缠、量子统计等特性可以突破经典力学框架下的测量极限，从而实现更高精度的测量。基于微观粒子系统和量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子测算。目前，利用当前成熟的量子态操控技术，可以进一步提高测量的灵敏度。 3.2量子计算技术多种路线齐头并进 量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要分为两大类：一是以超导和硅半导体等为代表的人造粒子路线，二是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。各种主要技术路线均有研究成果不断涌现，呈现开放竞争态势，尚无某种技术路线体现出明显综合优势。 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。中科大扩展超导量子处理器“祖冲之二号”可操纵量子比特至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：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Model H2 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：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