新质生产力系列报告：量子信息技术乘风起，加速产业链发展变革

证券研究报告 量子信息技术乘风起，加速产业链发展变革 ——新质生产力系列报告 强于大市（维持） 长城证券产业金融研究院分析师侯宾 执业证书编号：S1070522080001 分析师姚久花 执业证书编号：S1070523100001 时间：2024年5月29日 核心观点 量子通信、量子计算和量子测量是量子信息的三大主要应用方向。当前各国也在加快在量子信息技术产业的 布局，在政府主导下，中国量子信息技术的基础科学和系统研发力量正快速成长，并成为与美欧并驾齐驱的竞争者。 量子通信产业处在量子通信保密第一阶段，中国量子通信基础设施处于领先水平：量子通信主要包括：量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态、量子数字签名等多种通信技术。目前量子密钥分发有较多的 应用案例、量子安全直接通信零星实践、量子隐形传态传输未知量子态，近期取得学术的研究突破，量子数字签名目前处于学术研究验证阶段。我国目前已经建成基于光纤的量子骨干网和城域网，并发射量子通信卫星，初步形成天地一体的广域网量子密钥分发网络。根据CoherentMarketInsights数据，2030年全球量子通信产业规模预计达到78.5亿美元。 量子计算硬件多技术路线并行发展：量子计算主要分类两大类：以超导和硅半导为代表的人造粒子路线，第 二是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。人造粒子路线可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面有一定的优势，但是在提升逻辑门精度等指标方面受到基础材料和加工工艺等限制。天 然粒子具有长相干时间和高逻辑门精度等优势。IDC预测，2022年量子计算的销售额将达到11亿美元，并 将以48.1%的复合年增长率增长，到2027年达到76亿美元。 投资建议：网络运营/平台：中国移动、中国联通、中国电信；软件平台：神州信息；量子计算/通信：国盾量子；量子芯片：国芯科技；光纤光缆：亨通光电；元器件：腾景科技、光迅科技 风险提示：技术研发不及预期风险；监管政策不确定性风险；供应链不稳定风险；宏观经济环境波动风险。 www.cgws.com2 第一章：什么是量子信息技术？ www.cgws.com 量子：量子（Quantum）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”。量子是构成物质的最基本的单元，也是能量和动量等物理量的最小单位，比如光量子、电量子。 波粒二象性：基本粒子，包括原子和分子在内的任何量子都既有粒子的性质又有波的性质。是微观粒子的基本属性之一。 量子信息定义：量子力学和信息学科的交叉学科，是基于量子力学原理对光子、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。 不可克隆性 01 未知量子态不可以 非局限性 02 两个相互纠缠的微 量子态的叠加 03 微观粒子的各种观 图表：波粒二象性照片图表：量子信息的物理基础和基础 被精确复制，是的每个复制比特与初始量子比特相同， 这个是量子密码安 全性的基础，也是信息提取不可逾越的障碍 www.cgws.com 观粒子存在非局域关联，对其中之一施加作用，另一粒子瞬间感应到这种影响，并发生相应的状态变化。 测量（位置、动量、能量等）一般不具有确定值，量子世界的粒子状态必须满足态的叠加原理。 从根本性上赋予量 子计算“并行计算” 的能力。 数据来源：光子盒，《2021年全球量子信息发展报告》，《量子力学的真相》，中国电信博物馆，中科院物理所，长城证券产业金融研究院 4 1.1量子：最小不可分割的基本单位 量子比特：1992年被发明使用，经典计算机的基本运算单位是比特（Bit），计算机的基本单元是量子比特（Qubit），也叫作量子位或者量子元。 量子比特是0和1的叠加态：比特只有两个可能的状态，即0和1。而量子比特是一种叠加态，它有两个本征态，即|0>和 |1>，它们形式地对应于经典的0和1。但是，一个量子寄存器在任何时刻的状态|y>，不是“之一”，而是两种本征态 的叠加。 布洛赫球面：量子比特可能的状态有无穷多，因为布洛赫球面上有无穷多个点，每个点都是一个叠加态。但比特和量子比特也有相同之处：任何时刻所处的状态只是一个。 图表：比特和量子比特 5 1.2.1量子信息中基础概念一：量子比特 数据来源：墨子沙龙，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com 1.2.2量子信息中基础概念二：量子叠加 量子叠加：一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上，在量子系统重，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。 薛定谔作为经典物理学派的代表，将量子物理学派信封的微观世界的“概率性”，关联放大到宏观世界中，来违反人们生活中的常识，但是薛定谔的猫的试验还是存在一定的漏洞： 1、微观世界的概率性特性，不应该对应着宏观世界的具体事物，存在失效的边界。 2、实验中的“毒气释放装置”需要探测到放射性物质发生衰变，才能够出发并导致猫的死亡，只有大量放射性物质衰变的时候，才能够超过探测器阈值，而大量衰变事件仍属于一个宏观事件。 3、探测器来探测放射性物质是否发升衰变本身就是一种观察方式，无论是否打开盒子。 图表：薛定谔的猫 薛定谔的猫的试验 在薛定谔的思想实验中，一个封闭的盒子内装有一只猫，一瓶毒药和一个在实验过程中有50%的机会衰变的放射性原子。 有50%的几率放射性原子不会衰变， 猫会活下来。根据量子理论，猫在同一时间既是活的又是死的——只有当我们打开盒子查看时，它才真正成为其中的一个状态 数据来源：墨子沙龙，众诚智库，科学大院，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com6 1.2.3量子信息中基础概念三：量子纠缠 量子纠缠：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以综合成为整体特性，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。如果两个量子比特构成一个量子纠缠态，无论携带两个量子比特的粒子相距多远，只要一个量子比特的测量状态发生改变，另一个状态也马上发生改变。 图表：量子信息的三个重要方向 量子通信 量子计算 量子传感与测量 技术原理 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 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 基于量子体系纠缠、压缩、高阶关联登特向实现对量子态的操控和测量 应用场景 量子密钥分发量子隐形传态技术 量子处理器 量子时频同步、量子重力测试、量子磁场测量、量子定位导航、量子目标识别等。 具体行业 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 生物制药、材料研发、分子化学、资源勘测等；在AI、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 军事国防、航空航天、生物医学、能源勘测、交通运输、灾害预警等。 数据来源：前瞻产业研究院，《2021年全球量子信息发展报告》，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com7 1.3产业联盟兴起，各国加快产业布局 全球多国相继成立量子信息领域产业联盟，成员涵盖量子企业、研究机构以及行业用户，持续推动产学研多方合作。 从专利地域分布来看，量子计算、量子通信和量子测量技术专利前三技术来源地均为中国、美国、日本，说明三个国家在量子信息领域技术创新活跃。在政府主导下，中国量子信息技术的基础科学和系统研发力量正快速成长，并成为与美欧并驾齐驱的竞争者。 图表：全球代表性量子信息产业联盟概况 图表：2023年全球量子信息技术专利地区和申请人分布 www.cgws.com8 数据来源：《量子计算发展态势研究报告（2023年）》，前瞻产业研究院，长城证券产业金融研究院 第二章：量子通信 www.cgws.com 2.1量子通信产业正处于第一阶段 量子通信的发展阶段主要分为量子保密通信网络、量子安全互联网、量子互联网三个阶段，目前产业正处于第一阶段。 目前量子通信主要包括：量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态、量子数字签名等多种通信技术。目前量子密钥分发有较多的应用案例、量子安全直接通信零星实践、量子隐形传态传输未知量子态，近期取得学术的研究突破，量子数字签名目前处于学术研究验证阶段。 图表：量子通信的发展阶段 图表：量子通信的主要技术及应用场景 当前阶段 我国实现全球首个天地一体广域量子保密通信网络，并且在政务、国防等领域开展应用，全球领先。 预估2030年前后 量子通信将广泛用于保护ICT产业的安全。 基于量子中继和卫星建立覆盖全面的量子通信网络，保障信通信安全的同时，实现量子态的高效传输，但是并不会取代现有的经典互联网。 密钥分发 隐形传态 量子安全直接通信 只能传递随机数作为密钥使用。不受量子通信密钥协商速率的影响。 实现线路中继和超远距离量子通信，但是不能超越光速。 直接在量子信道上传输数据，速率受信道限制，目前10kbps，主要是用于低带宽、高安全场景。 数据来源：《量子通信金融应用产业报告》，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com10 2.2.1密钥分发实现量子信息加密 量子密钥分发（QKD），将随机数编码到量子态，并通过量子态的传输以及经典通信的辅助，在收发双方之间实现随机数的安全协商，基于部分随机数生成密钥。 窃听者如果要窃听量子密码，必须进行相应的测量，因此可以通过检测传输信息的误码率来判断是否存在窃听，而根据不确定性原理和量子不可克隆性，一旦测量必定会对量子系统造成影响，从而改变量子系统的状态。 对于传统的加密通信，如果用无线电传输，无线电是开放的，对方很容易截获，有线介质，通讯路程很长，很难保证全程安全，以光纤传输为例，通过弯曲光纤，外泄部分光信号，进行窃听。 图表：传统的加密通信示意图 1.OKD发射机制备单光子并将光子偏振方向随机调制为0°、45°、90°、 图表：光纤弯曲窃听示意图 135°四种偏振态中的一种(可设定0°、45偏振方向表示发送二进制随机数0，而90°、135°偏振表示发送随机数1)，并记录调制结果； 2.OKD发射机通过量子信道将编码后的光量子比特序列发送给OKD接收机； 3.对于每个光子，OKD接收机从垂直正交基(+)、斜对角基(x)中随机选择一个基矢，对接收到的光子进行测量，并记录使用的基矢及测量结果 4.通过经典信道的协商，双方得到相同的随机数并生成密钥。 图表：BB84协议工作过程 数据来源：《量子通信金融应用研究报告》，科信量子，鲜枣课堂，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com11 2.2.2密钥分发及调制模式 按照分发模式分类：制备测量模式技术最为成熟且已实用，其他两种模式还处在研究验证阶段，其中纠缠测量方式对设备的要求最低，技术难度最高。 按照量子态载体及调制方式：离散变量量子密钥分发（DV-QKD）和连续变量量子密钥分发（CV-QKD）。DV-QKD指发送端编码时，对单光子或者弱光脉冲的偏振、时间、相位等进行离散调制，接收端使用单光子探测器进行探测。CV-QKD指发送端编码时对弱光脉冲的两个正交分量进行连续调制，接收端用平衡探测器进行测量。 目前的量子保密通信主要基于制备-测量的离散变量量子密钥分发协议来实现，连续变量量子密钥分发目前也在 迅速发展，未来有望在量子城域网等传输距离比较短、密钥速率要求较高的场景应用。 图表：QKD分发模式图表：QKD调制模式 www.cgws.com12 数据来源：《量子通信金融应用研究报告》，长城证券产业金融研究院 2.3量子互联网：量子隐形传态+量子计算机终端 量子隐形传态：需要借助经典通信才能实现，因此限制了量子隐形传态不能超越光速，在传输的过程中，带传输的粒子始终留在原地，被传送的仅仅是量子态。 量子计算需要