量子信息技术行业专题报告：优化运算法则，重塑安全格局

投资评级：（）报告日期：推荐维持2024年04月18日 ◼分析师：毛正◼SAC编号：S1050521120001◼联系人：张璐◼SAC编号：S1050123120019 投 资 要 点 量子计算多条技术路线并行，有望突破“杀手级”应用 量子计算领域当前存在多条技术路线并行发展，仍然处于中等规模含噪声量子处理器阶段，超越经典计算的优越性、具备社会经济价值的实用性以及能在现有NISQ处理器上运行的三大应用要求尚无实质性突破，尚未实现“杀手级”应用。其中超导技术被认为有望率先突破应用的“种子选手”之一，中性原子路线也异军突起。随着未来国家级量子计算云平台和产业生态的加速培育，量子处理器的硬件性能的进一步提升，量子计算有望在实用化问题中展现出有现实意义的计算优越性。 量子通信完成安全性的理论验证，量子保密通信初步实用化 量子通信的应用主要体现在量子密钥分发（QKD）和量子隐形传态（QT）：量子密钥分发是迄今为止理论上唯一无条件安全的通信方式，已经实现了初步的实用化和产业化；量子隐形传态有望链接量子信息处理单元，构建量子网络，并作为实现远距离量子密钥分发所需的量子中继的关键技术。随着量子通信初步走向实用化，新型协议和实验系统的研究活跃，样机产品研制和示范应用也在逐步展开，未来有望构建覆盖全球的广域量子通信网络体系，实现广泛应用化，有望实现全球范围内的安全信息传输。 具有超越传统信息技术的优越性，给予量子信息技术行业投资评级：推荐 量子信息技术产业链初具雏形，正在走向广泛应用化，鉴于量子计算和量子通信的理论优越性，我们认为随着实用化的不断推进，量子信息技术有望引领新的计算、通信时代，带来信息技术质的飞跃，给予量子信息技术行业“推荐”投资评级。建议关注量子信息技术产业链相关标的：上游端的华工科技、光迅科技（环境与测控）、复旦微电（信号芯片）、亨通光电（光纤/光缆）;中游端的神州信息（建设运维）；下游端的国盾量子（云平台）。 重 点 关 注 公 司 及 盈 利 预 测 风 险 提 示 技术落地不及预期的风险；软硬件标准不确定性的风险；商业化推进不及预期的风险；地缘政治摩擦的风险；推荐公司业绩不及预期的风险。 1.量子信息技术具备超越经典信息技术的潜力 2.量子计算：五大技术路线并行发展，优化运算法则 目录 3.量子通信：完成理论验证初步实用化，重塑安全格局 CONTENTS 4.量子信息技术产业链已初具雏形 5.相关标的 0 1量子信息技术具备超越经 典 信 息 技 术 的 潜 力 1.1量子信息技术产业介绍 量子信息技术以量子力学原理为基础通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和测量，实现信息感知计算和传输。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力。 ➢量子计算硬件技术路线中，超导路线专利数量占比超过50%，光量子和中性原子路线技术创新热度高于离子阱和硅半导体； 量子计算领域欧美聚集度最高，全球占比超过60%，反映出美国和欧洲是量子计算产业生态的活跃地区，中国量子计算领域相关企业共有35家，不及美国一半； ➢量子通信领域中量子密钥分发技术专利占比超过70%，器件、设备等系统研发类专利数量众多，量子信息网络技术成熟度不足，相关专利尚未大量涌现。 量子通信领域中国相关企业数量最多，共有42家，美国仅有13家，欧洲有27家。这反映出不同国家和地区在量子通信领域主要是进入初步实用化阶段的投资和推动力度差异。 资料来源：中国信通院《量子信息技术发展与应用研究报告(2023年)》，华鑫证券研究 02量子计算：五大技术路线并行发展，优化运算法则 2.1量子计算步入技术应用跃升期 理论概念构想期 研究开发活跃期 技术应用跃升期 •2007年，D-wave Systems实现了历史上第一台商用量子计算机。宣布研制成功16量子比特的量子计算机——“猎户座”（Orion）； •2009年，Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。该算法在特定条件下实现了相较于经典算法的指数加速效果，将在机器学习、数值计算等场景有优势体现。 •1982年，Richard Feynman提出利用量子体系实现通用计算的想法，即量子计算的早期概念构想；•1985年，David Deutsch提出了量子图灵机模型，使得通用量子计算机的构建更加清晰；•1992年，Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法，这是量子并行计算理论的基石。 •未来，随着量子物理比特数量和质量的提升，预计到2030年，基于百位量级量子物理比特，在含有噪声，即未实现量子纠错的条件下，探索开发相关应用和解决特定计算困难问题。到2050年，有望实现通用量子计算机，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.999%），并进一步面向更广泛的应用场景。 实践成果初探期 商业价值孵化期 •1994年，Peter Shor提出Shor算法,对RSA等在内的加密算法和系统造成了威胁，成为量子计算的核心突破；•1995年，Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息学上的概念，并创造了“量子比特”（qubit）的说法；•1996年，Lov Grover提出了Grove量子搜索算法，该算法被公认为继shor算法后的第二大算法；•1998年，Bernhard Omer提出量子计算编程语言，拉开了量子计算机可编程的序章。 •2014年，Google建设“Google量子人工智能实验室”，自此专营量子计算的创业公司开始出现；•2016年8月16号，墨子号量子科学实验卫星成功发射升空；•2019年1月，IBM公司发布世界上首个商用集成量子计算系统：IBMQSystem One，这一新系统对于在实验室外扩展量子计算至关重要；•2019年，谷歌发布论文称已经利用一台53量子比特的量子计算机，证实了量子计算机性能超越经典计算机，成为量子计算领域发展的标志性事件，刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争。 诚信、专业、稳健、高效 2.2量子计算优于经典计算 由于量子具备不可克隆性、相干性、叠加态、纠缠态等使得量子计算在解决许多问题上优于经典计算。 2.3五大技术路线并行发展 量子硬件是量子计算的第一步，即准备量子态时用到的。量子硬件通常用于生成和控制量子比特，以及实现量子门操作。量子计算硬件技术处于多条路线并行发展，主要可分为以下两大路线，但目前尚未有某条技术路线呈现明显的综合优势。其中，超导量子计算机是目前最为成熟的量子硬件之一。 人造粒子 天然粒子 离子阱 超导 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。 基于超导电路的量子比特，利用约瑟夫森结实现量子比特之间的相互作用，具有可扩展、易操控和集成电路工艺兼容等优势。 光量子 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。 图表：“庄子”芯片41超导量子比特模拟侯世达蝴蝶拓扑物态 硅半导体 中性原子 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，具有操控精度高和相干时间长等优点，在规模化扩展方面更具优势。 利用量子点中囚禁单电子或空穴构造量子比特，并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。 诚信、专业、稳健、高效 2.3五大技术路线并行发展 超导 并联电路，磁通ɸ穿过由两个电感形成的环路 超导技术路线主要瓶颈在于极低温制冷环境带来的工程挑战，需要新颖和高度集成化的测控系统支持大规模量子比特操控，以及结合材料科学等提高相干寿命和保真度等。 硅基量子点技术路线主要瓶颈挑战在于噪声影响明显，保真度较低，需要提纯材料以延长相干寿命，量子位间存在干扰与串扰等。 资料来源：《Silicon Quantum Electronics》，《Superconducting Circuits for Quantum Information: An Outlook》，华鑫证券研究 诚信、专业、稳健、高效 2.3五大技术路线并行发展 离子阱 图表：当两个光子处于a模式和b模式，并且它们的偏振方向垂直时，它们的双光子态会获得一个相对相位，这就产生了一个纠缠门。这个纠缠门可以与单光子旋转操作一起使用，从而实现通用量子计算 图表：由一个通信量子位(c)、一个存储量子位(s)和三个辅助量子位a1, a2, a3组成的五量子位寄存器进行量子通信 离子阱技术路线主要瓶颈挑战在于离子囚禁时间有限，捕获离子的状态制备时间和量子门操作时间较长，单比特多路激光读写需求和线性阱尺度规模制约比特数扩展等。 光量子技术路线主要瓶颈挑战在于不同光子态之间构建双量子比特门和实现逻辑操作，以及高品质光源与光子探测性能待提升等。 超冷原子技术路线主要挑战是需要克服激光控制系统复杂性影响，进一步提升逻辑门操控能力和保真度等。 资料来源：《Quantum Computations with Cold Trapped Ions》，《Linear Optical Quantum Computingwith Photonic Qubits》，《Quantum Information with Rydberg Atoms》，华鑫证券研究 诚信、专业、稳健、高效 2.3五大技术路线并行发展 5大路线发展 主要7大指标对比 指标解释 超导 •QuantWare:推出64位超导量子比特处理器Tenor•中科大:“祖冲之二号”可操纵量子比特至176位•Rigetti:推出84位超导量子处理器Ankaa-1•中科院: 41位超导量子芯片“庄子”模拟“侯世达蝴蝶”拓扑物态 ❖量子比特数通常用来衡量量子计算机的规模和计算能力;❖门速度通常用来衡量量子计算机的运行效率和速度;❖T1/T2时 间通 常 用来衡量量子比特的稳定性和可靠性;❖单/双 比 特 门 保 真度通常用来衡量量子计算机的精度和准确性;❖SPAM读取保真度是衡量量子计算机测量结果的准确性和可靠性的重要参数之一。 硅半导体 •美国休斯研究中心:提出硅编码自旋量子比特的通用控制方案•中科大:实现硅基锗量子点超快调控，自旋翻转速率超过1.2 GHz•Intel:发布12位硅基自旋量子芯片Tunnel Falls•浙江大学:在半导体纳米结构中创造了一种新型量子比特 光量子 •中国科大:发布255光子的量子计算原型机“九章三号”•玻色量子:发布100比特相干光量子伊辛极“天工量子大脑” 离子阱 •华翊量子: 37位离子阱量子计算原型机HYQ-A37•Quantinuum:发布ModelH2,该系统实现32位全连接量子比特,单比特和双比特量子逻辑门保真度达到99以上，量子体积达到524288 •超导路线: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:逻辑门保真度、相干时间方面优势明显•光量子和硅半导体路线:比特数量、逻辑门保真度和相干时间等指标均未展现出明显优势•中性原子路线：量子比特数量规模、逻辑门保真度和相干时间等指标方面提升迅速 中性原子 •微尺度国家研究中心:实现光晶格中基于自旋交换的量子纠缠•Atom computing:1125量子比特的中性原子量子计算原型机 资料来源：中国信通院《量子计算发展态势研究报告（2023年）》，华鑫证券研究 诚信、专业、稳健、高效 2.4量子计算机运行步骤 以目前主流超导技术路线为例推演量子计算机的运行步骤： 将两个量子比特纠缠在一起，使它们的行为相关联，一个量子比特的变化会直接影响另一个量子比特 在叠加状态下，量子比特的概率波相互干涉，可能相互增强或相互抵消，形成干扰 通过准备量