量子信息行业报告：量子计算、量子通信、量子测量

计算机行业深度报告 证券研究报告·行业深度报告·计算机 量子信息：下一场信息革命2024年04月04日 增持（维持） 投资要点 量子信息是量子力学与信息技术的交叉，主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。 量子计算：量子计算是量子信息颠覆传统信息技术最核心的领域。利用量子的叠加和相干性，量子计算可以实现相比于传统计算机指数级别倍数的计算能力。但现在量子计算技术尚未成熟，超导、离子阱等各种技术路线尚未收敛。当前量子计算机主要应用一些特定领域，乐观地估计， 证券分析师�紫敬 执业证书：S0600521080005 021-60199781 wangzj@dwzq.com.cn 证券分析师�世杰 执业证书：S0600523080004 wangshijie@dwzq.com.cn 2023 行业走势 十到二十年之后，可以制造出普适的“通用量子计算机”。年全球 计算机沪深300 量子计算市场规模约为47亿美元，2035年有望达到8117亿美元。产 业链包括上游的环境支撑系统、测控系统、各类关键设备组件以及元器 件等，是研制量子计算原型机的必要保障。产业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。产业生态下游主要涵盖量子计算云平台以及行业应用。 量子通信：量子通信利用量子的纠缠性、不可复制性等特性实现加密信息传输。量子通信主要包括量子密钥分发、量子隐形传态和量子保密通信网络三种技术。量子密钥分发（QKD）确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，是商业化进程较快的细分方向。量子隐形传态和量子保密通信网络仍处于技术研发早期。量子通信方面，中国已经 建设了局域网、城域网、广域网和量子通信卫星等工程。量子通信产业链上游为元器件及核心设备；中游为网络传输线路及系统平台；下游消费市场，应用于军事国防、电子政务、电子商务、能源电力、电子医疗、电信运营等领域。2030年全球量子通信市场规模为196.8亿美元。 量子测量：量子测量利用量子系统对外部干扰的强烈敏感性来对物理量进行精密测量。量子测量各技术方向的发展成熟度有较大差异，既有原子钟、原子重力仪等已成熟商用产品，也有量子磁力计和量子陀螺等处 于早期的样机产品，还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于系统技术攻关的原型机。量子测量产业链上游主要是系统研发所需的基础材料、元器件和支撑系统提供。中游包含各种技术方向的系统设备提供商。下游涉及基础科研、国防军工等诸多领域。全球量子精密市场规模预计从2019年的11.2亿美元增长到2030年的25.27亿美元，市场规模呈现不断上升趋势，年复合增长率为7.97%。 投资建议：量子信息产业是大国博弈的重要领域，中美两国是该领域的头部玩家，后续量子信息会成为科技角逐的高地。量子信息领域技术更迭不断，量子纠错等关键技术被逐个攻破，我们预计量子信息产业商业化曙光在前。3月29日，国务院提出重点布局量子信息等新兴领域，我 们预计后续会有更多支持政策落地。建议关注量子信息产业链投资机会。相关标的：量子计算：国盾量子、普源精电、科华数据等。量子通信：国芯科技、神州信息、吉大正元、迪普科技、浙江东方、格尔软件、光迅科技、电科网安、亨通光电、亚光科技、金卡智能、中国长城等。量子测量：科大国创等。 风险提示：技术发展不及预期；政策支持不及预期。 -3% -8% -13% -18% -23% -28% -33% -38% -43% -48% 2023/4/42023/8/32023/12/22024/4/1 相关研究 《国产AI算力行业报告：浪潮汹涌，势不可挡》 2024-03-26 《AI算力不断迭代，液冷大势所趋》 2024-03-11 1/27 东吴证券研究所 内容目录 1.量子信息：量子力学与信息技术的交叉4 2.量子计算5 2.1.量子计算的定义与优势5 2.2.量子计算的发展现状与瓶颈6 2.3.量子计算的主要应用场景8 2.4.量子计算主要技术路线9 2.5.量子计算市场空间10 2.6.量子计算产业链12 2.7.量子计算全球进展13 3.量子通信16 3.1.量子通信的定义与分类16 3.2.量子通信的发展现状18 3.3.量子通信产业链19 3.4.量子通信市场规模20 4.量子测量21 4.1.量子测量定义与分类21 4.2.量子测量发展现状与瓶颈22 4.3.量子测量产业链22 4.4.量子测量市场规模24 5.量子计算产业链标的24 6.政策推动26 7.投资建议26 8.风险提示26 2/27 东吴证券研究所 图表目录 图1：量子信息三大领域4 图2：量子比特对比传统比特6 图3：量子计算发展生命周期示意图7 图4：量子计算硬件主要技术路线10 图5：全球量子计算产业规模（2021~2035）（单位：十亿美元）11 图6：全球量子计算上游产业规模（2023-2035）（单位：十亿美元）12 图7：量子计算产业生态13 图8：70量子比特的Sycamore实现了量子优势14 图9：量子超级计算机的测量14 图10：IBM将量子开发路线图延长至2033年15 图11：“祖冲之二号”量子处理器图16 图12：量子隐形传态原理17 图13：量子通信产业链20 图14：2023-2030年全球量子通信市场规模21 图15：量子精密测量与经典测量对比22 图16：当前量子精密测量主要技术路径进展22 图17：量子测量产业链23 图18：2019-2030年全球量子精密测量市场规模24 图19：量子计算产业链标的梳理（单位：亿元）25 表1：量子信息领域概况4 表2：量子计算应用场景分析（2035年）9 3/27 东吴证券研究所 1.量子信息：量子力学与信息技术的交叉 量子的特性，带来信息科学变革的可能。量子代表的是一种不可再分的基本单位。在微观世界，只要是不可再细分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的基本粒子，所以光子也叫光量子。量子信息的两个重要特性，是得以改变信息科学的重要依据。一是量子的“叠加态”；二是量子“纠缠”。叠加态是指量子位（qubit）可以同时处于0和1的状态。这种能同时表示两种或多种状态的特性称为量子叠加。量子纠缠是指当两个或多个量子位纠缠在一起时，无论它们之间的距离有多远，一个量子位的状态改变会即刻影响到另一个。 量子信息包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。20世纪80年代以来，量 子力学与信息科学交叉，产生了一门新的学科——量子信息（quantuminformation）。量子信息主要包括量子计算、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。 图1：量子信息三大领域 数据来源：中科院物理所，东吴证券研究所 表1：量子信息领域概况 领域概念释义应用场景典型研发产品 量子计算 遵循量子力学规律在生物制药、材料研发、分子化学、资源D-Wave-量子退火机、"悬铃木"量 来调控量子信息单勘探等领域，通过量子处理器来模拟量子计算机、光量子计算原型机“九元进行计算的新型子系统运行状态:在人工智能、量化金章”与“九章二号”、超导量子计计算模式融、密码解析、交通优化等大规模计算领算原型机“祖冲之"与“祖冲之二 4/27 域，加速机器学习和大数据处理能力等号” 量子通信 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 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 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"、保密通信骨干线路“京沪干线" 东吴证券研究所 量子测量 集中于量子时频同步、量子重力测量、量时钟源、原子干涉磁力仪、量子干 基于量子体系纠 子磁场测量、量子定位导航、量子目标识涉器件磁力计、原子干涉加速度 缠、压缩、高阶关联 别等�大领域，覆盖军事国防、航空航计、原子干涉陀螺仪、原子干涉重 等特性，实现对量 天、生物医疗、能源勘探、交通运输、灾力仪、原子干涉重力梯度仪、量子 子态的操控和测量 害预警等行业雷达 数据来源：世界科技研究与发展前瞻产业研究院，东吴证券研究所 2.量子计算 2.1.量子计算的定义与优势 量子计算按照既定的算法和程序，对量子态进行操控和测量的过程。量子态的演化过程，对应的就是一个量子计算过程。量子计算是量子信息技术的核心。没有量子计算，量子技术其他领域的发展，不足以动摇现有信息技术的根基。 量子计算利用的是量子叠加的特性。多个量子比特与同样数目的经典比特比较，差 别是指数级的。N个经典比特一次表示的数字只有1个，N个量子比特一次能表示的数字数目为2的N次方。当N=250时，可以表示的数字数目比宇宙中所有原子的数目还要多。 量子计算以量子比特为基本单元，对传统计算机来说，两个比特能表示四个数，也就是00、01、10、11，但某个具体的时刻只能有一个值。但对于两个量子比特，这四个值可以同时存在。随着量子比特数的增加，能同时表示的数也会指数级的增加，N个量子比特就可以同时有2的N次方个值，这就相当于在同一个时刻，可以进行2的N次方个运算。 5/27 东吴证券研究所 图2：量子比特对比传统比特 数据来源：中科院物理所，东吴证券研究所 与经典计算机不同，量子计算机的算力随量子比特的数目不是线性增加，而是指数增加的。 2.2.量子计算的发展现状与瓶颈 在目前阶段，实验室能够制备的量子比特的退相干时间不够长，操控的精度也有限，还远未达到要实现量子计算指数加速的要求。 量子计算在理论和实验层面都经历了多个发展历程，主要有以下几个阶段。 初步概念阶段（1980-1994）：1980年代初期，PaulBenioff提出将量子力学原理用于模拟图灵机的想法，成为量子计算理论研究的起点。理查德·费曼（RichardFeynman）和大卫·多伊奇（DavidDeutsch）分别于1982年和1985年提出了量子系统和量子图灵机的概念。 算法和理论发展阶段（1994-2000）：1994年，彼得·秀尔（PeterShor）发明了Shor算法，证明了量子计算机在解决特定问题上超越经典计算机的潜力。1996年鲁弗（LovGrover）发明了Grover算法，可以在无序数据库中以平方根的时间复杂度查找特定元素。 实验验证和技术进步阶段（2001-2010）：研究小组开始使用不同的物理系统（如离 子陷阱、超导电路、光子等）实现量子比特和量子逻辑门，证实了量子计算的实际可行性。 商业化和标准化阶段（2011-现在）：2011年以后，随着技术的成熟和投资的增加，多家公司（例如Google、IBM、Intel、RigettiComputing等）开始研发量子计算机，并通过云服务形式提供用户远程访问量子计算资源。 6/27 东吴证券研究所 图3：量子计算发展生命周期示意图 数据来源：ICVTA&K，东吴证券研究所 从上世纪八十年代开始，量子计算经过了基本物理思想和初级原理的验证，现在进入了所谓的“中等规模带噪声的量子计算时代”。“中等规模”是指现在能比较可靠操控的量子比特数大约在几十到几千的水平；“带噪声”指的是对量子比特的门操作有一定 的误差，量子态的读取也存在一定错误，还无法实现精确的量子计算。这是量子计算技术发展必然要经过的一个阶段，也是量子计算各种路线探索和人才积累的关键阶段。 近年来量子计算应用探索广泛开展，但目前尚未在实用化问题中展现出有现实意义的量子计算优越性，仍处于原理性与可行性验证的探索阶段。 量子处理器硬件性能水平距离实现大规模可容错通用量子计算还有很大差距。中国信通院技术与标准研究所所长张海懿表示，当前，在量子计算领域，超导、离子阱、光 7/27 东吴证券研究所 量子、中性原子、硅半导体、金刚石色心和