解读新质生产力：量子计算：打破传统范式，通用计算应用可期

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 解读新质生产力 量子计算：打破传统范式，通用计算应用可期 2024.4.28 分析师：闻学臣 执业证书编号：S0740519090007Email：wenxc@zts.com.cn 联系人：王雪晴 Email：wangxq03@zts.com.cn 分析师：苏仪 执业证书编号：S0740520060001Email：suyi@zts.com.cn 联系人：刘一哲 Email：liuyz03@zts.com.cn 分析师：何柄谕 执业证书编号：S0740519090003Email：heby@zts.com.cn 1 核心观点及投资建议 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。 目录 CONTENTSONTE 中泰所 ｜领先｜深度 1 量子计算：打破传统范式，量子优越性有望带来计算突破 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 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”。 时间战略规划/法案 国家/地区 投资规模（美元） 量子技术发展国家计划 荷兰 7年投资约7.4亿 2019国家量子技术计划 以色列 5年投资约3.3亿 国家量子行动计划 俄罗斯 5年投资约5.3亿 2020国家量子技术投资计划 法国 投资约19.6亿 2021量子系统研究计划 德国 5年投资约21.7亿 国家量子计算平台 法国 投资约1.85亿 芯片与科学法案 美国 4个量子项目1.53亿/年 国家量子战略 加拿大 投资约2.7亿 国家量子战略（NQS） 英国 10年投资31.8亿 国家量子战略 澳大利亚 投资约6.4亿 国家量子技术战略 丹麦 5年投资约1亿 量子科技发展战略 韩国 2035年前投资17.9亿 国家量子任务 印度 2030年前投资7.2一年 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） 2022 2023 资料来源：信通院，中泰证券研究所4 1.1.2量子信息技术包含计算、通信和测量三大领域 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。 概念释义功能特点应用场景典型研发产品 图表：量子信息三大领域概况 量子计算 量子通信 遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新型计算模式 利用量子力学原理，通过移动量子态来实现信号、信息和量子态的转移和传输 能够实现0和1同时存在的计算状态叠加，具有远超传统计算的强大并行计算和模拟能力 利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息的编码或密钥的安全传输 在生物制药、材料研发、分子化学、资源勘探等领域，通过量子处理器来模拟量子系统运行状态；在人工智能、量化金融、密码解析、交通优化等大规模计算领域，加速机器学习和大数据处理能力等 主要是量子密钥分发和量子隐形传态技术的应用，提供军事国防、国家政务、金融交易，互联网云服务，电力系统等领域的信息安全保障服务 D-Wave量子退火机、“悬铃木”量子计算机、光量子计算原型机“九章”与“九章二号”、超导量子计算原型机“祖冲之”与“祖冲之二号” 美国量子通信网络、欧盟光纤QT实验网络、东京高速量子通信网络、中国科学实验卫星“墨子号”、微纳量子卫星“济南一号”、保密通信骨干线路“京沪干线” 量子测量 基于量子体系纠缠、压缩、高阶关联等特性，实现对量子态的操控和测量 量子测量的精度更高、探测距离更远、测量设备体积更小、测量手段和维度更丰富 集中于量子时频同步、量子重力测量、量子磁场测量、量子定位导航、量子目标识别等五大领域，覆盖军事国防、航空航天、生物医疗、能源勘探、交通运输、灾害预警等行业 时钟源、原子干涉磁力仪、量子干涉器件磁力计原子干涉加速度计、原子干涉陀螺仪、原子干涉重力仪、原子干涉重力梯度仪、量子雷达 资料来源：量子信息领域的国家战略布局与研发态势分析，中泰证券研究所 1.2.1量子：物理量最小单位的概称 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 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 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 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。 图表：经典比特（BIT）与量子比特（QUBIT）的对比 资料来源：TomorrowDiscoveries，量子计算金融应用白皮书，中泰证券研究所 图表：量子比特示意 资料来源：NVIDIA，中泰证券研究所 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 叠加态，或称叠加状态（superpositionstate），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 量子比特的叠加态可以用以0和1为两 极的球体表面某一点的箭头来表示 量子比特的叠加态可以用振幅和相位表示 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 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 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（quantumentanglement）。 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 资料来源：TheQuantumAtlas，中泰证券研究所 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 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 图表：量子计算的机制 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 1.3.4量子纠错：现阶段实现容错量子计算的必要步骤 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 （QuantumErrorCorrection，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 Google使用表面码进行相位翻转和比特翻转错误校正的原理 资料来源：Google，PhysicsWorld，中泰证券研究所 1.3.5量子计算的基本过程：制备、调控与测量 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（Unitarytransformation）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。 图表：量子计算的基本过程 资料来源：通信网络中量子计算应用研究报告（2023），中泰证券研究所 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 量子计算在部分问题上