企业竞争图谱：2024年量子计算 头豹词条报告系列

Leadleo.com 企业竞争图谱：2024年量子计算头豹词条报告系列 马天奇·头豹分析师 2024-06-21未经平台授权，禁止转载 版权有问题？点此投诉 制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业 工业制品/工业制造 行业： 行业定义 背景：当科学家和工程师遇到复杂问题时，通常使用… AI访谈 行业分类 根据量子计算分类法（包括基本特征、算法特征、时… AI访谈 行业特征 量子计算行业特征包括;1.行业进入NISQ时代，多技术… AI访谈 发展历程 量子计算行业 目前已达到3个阶段 AI访谈 产业链分析 上游分析中游分析下游分析 AI访谈 行业规模 量子计算行业规模暂无评级报告 AI访谈SIZE数据 政策梳理 量子计算行业相关政策5篇 AI访谈 竞争格局 AI访谈数据图表 摘要根据量子计算分类法（包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征）以及技术应用，量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。量子计算行业产业链上游为环境与测控部分，主要包括量子比特测控系统（测控系统整机、低温微波器件、线缆、激光器和探测器）、量子比特环境（GM/脉冲管制冷机、稀释制冷机、真空系统）、芯片（设备与加工制造）、其它（材料）；产业链中游为硬件整机制造与软件，主要包含整机制造（超导、离子阱、光量子、中性原子、半导体和其它）和系统与应用软件开发；产业链下游为运营和应用环节，主要包含云平台以及行业应用。2019年—2023年，量子计算行业市场规模由0.24人民币元增长至50.21人民币元，期间年复合增长率281.79%。预计2024年—2028年，量子计算行业市场规模由69.58人民币元增长至256.46人民币元，期间年复合增长率38.56%。 量子计算行业定义[1] 背景：当科学家和工程师遇到复杂问题时，通常使用超级计算机（拥有数千个传统的CPU和GPU内核）。但超级计算机基于二进制代码和晶体管技术，面对复杂度高的问题仍会遇到困难（例如模拟分子行为或识别金融欺诈）。由于现实世界运行在量子物理基础上，量子计算机利用量子比特进行计算，更适合解决这些复杂问题。 定义：量子计算是一种基于量子力学原理调控量子比特进行计算的新型计算模式。与传统计算机相比，量子计算机具有指数级的计算能力优势，对广泛使用的公钥算法构成重大威胁。 优势：传统非量子保密通信技术常用的公钥密码系统（基于因子分解和离散对数问题）容易被量子计算的Shor算法破解。而量子保密通信技术基于物理机制，具有无条件安全性，能够抵抗任何计算破解，产品已达到实用水平。 [1]1：https://www.ibm.c… 2：IBM、国盾量子 量子计算行业分类[2] 根据量子计算分类法（包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征）以及技术应用，量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。 量子计算行业基于技术的分类 量子比特 量子比特是量子计算的基本计算单元，与传统计算机的比特不同，量子比特可以处于0和1的叠加态中。这种特性使得量子比特可以同时处理多个任务，从而实现更高效的计算。目前，超导量子比特、离子阱量子比特和光学量子比特等不同的实现方式正在被研究和发展。 量子门 量子门是量子计算的基本操作，类似于经典计算机中的逻辑门。通过组合不同的量子门，可以实现复杂的量子算法和量子纠错。目前，已有多种不同类型的量子门被提出，如CNOT门、Toffoli门和Hadamard门等。 量子算法 量子算法是一种在量子计算机上运行的算法，它可以更快地解决某些特定的问题，比如质因数分解和搜索问题。目前，已有多种经典的算法被改进为量子算法，如Grover搜索算法和Shor质因数分解算法等。 量子计算分类 量子纠错 量子通信 由于量子比特极度脆弱，容易受到环境中的噪声和干扰，因此量子纠错是量子计算中重要的一环。目前，已有多种不同的量子纠错方案被提出，如表面码和Reed- Muller码等。 量子通信是利用量子力学原理进行通信的一种方式，可以实现绝对安全的通信。目前，基于纠缠的量子通信已经得到了广泛应用，如量子密钥分发和量子隐形传态等。 量子仿真 量子仿真利用量子计算机模拟量子系统的行为，可以用于物理、化学等领域的研究。通过模拟复杂的量子系统，可以更好地理解其性质和行为，从而为实际应用提供更准确的预测和指导。 量子编码 量子编码是利用量子比特的叠加态和纠缠态来实现信息的编码和传输。通过利用量子比特的特性，可以实现更安全和更可靠的信息传输和存储。目前，基于纠缠的量子编码方案已经得到了广泛应用。 量子硬件 随着量子计算技术的发展，相应的硬件也在不断发展。目前，主要的硬件实现方式包括超导、离子阱、光子和冷原子等。这些硬件实现方式各有优缺点，需要根据具体的应用场景来选择合适的硬件平台。 量子计算技术分类法 基本特征 （BasicCharacteristics） 量子比特实现（QubitImplementation）：指量子比特的具体实现方式，如超导量子比特、离子阱量子比特、光学量子比特等。 基于量子计算技术的分类（Classificationbasedonquantumcomputingtechnology）：集合计算和单例计算是另一种基于量子计算技术选择的分类。集合计算系统是一组规格相同、执行相同功能集的量子计算机。相比之下，单例计算系统由执行指定操作的单个量子计算机组成。 性能指标（PerformanceMetrics）：衡量量子计算机性能的指标，该技术具有机械振动、荧光和并发性等属性。 量子计算分类 算法特征 （AlgorithmicCharacteristics） 量子比特操作（Qubitoperations）：涉及如何操作和控制量子比特。 并行性（Parallelism）：需要并行实现量子门来防止或最小化量子比特退相干。 量子比特总数（Aggregatecountofqubitsavailable）：有助于实现量子计算机可靠性和可扩展性的特征。 拓扑结构（Topologies）：量子计算机架构中不同物理设备的各种可能排列称为其拓扑。 定位量子比特的技术（TechniquesforLocatingqubits）：可以更具体地探索量子比特状态。 时间和门特征 （TimeandGate Characteristics） 退相干时间（Decoherencetime）：量子比特能够保持在特定状态的时间。是当今量子计算领域的研究课题。 测量时间（Measurementtime）：精确测量量子比特状态所需的时间。 其他特征 （OtherCharacteristics） 门级量子比特的时间和控制（TimingandcontrolofGatelevelqubits）：如何精确控制和同步量子比特的门操作。 可扩展性（Scalability）：量子计算系统扩展到更大规模的能力，涉及量子比特数量的增加和系统架构的扩展。 [2]1：https://developer.… 2：《QuantumComputin… 量子计算行业特征[3] 量子计算行业特征包括;1.行业进入NISQ时代，多技术路线并行发展；2.以量子比特作为基本单元进行计算；3.硬件+软件+算法为核心，云平台构成生态。 1量子计算进入NISQ时代，多技术路线并行发展 量子计算发展的生命周期可分为：1.量子优越性展示（-2019）：计算领域的成熟企业引领量子计算初步阶段的探索与验证。主要企业有IBM、Google、Intel、Microsoft等。该阶段实现了量子优越性的展示。2.NISQ时代（2020-2027）：初创企业及大企业量子计算部门开始从硬件研发向应用研发拓展。全面推进量子技术基础设施。代表企业有Rigetti、IonQ、Quantinuum、Xanadu、QuEra等。行业进入NISQ（噪声中等规模量子计算）时代。3.专用量子计算机实现多种核心应用示范（2028-2033）：各技术路线的专用量子计算机不断涌现，并且开始商业化应用示范。产业链逐渐完善，各行业逐步形成量子计算技术的应用示范。实现多种核心应用示范。4.研制出可纠错的通用量子计算机（2034-2040）：各技术路线间的优劣势已被充分验证，部分技术路线成为主流。代表企业进一步巩固市场地位，部分企业可能因技术路线选择失误而退出。研制出可制备的通用量子计算机。5.进入全面容错量子计算（FTQC）时代（2040-）：逐渐进入全面容错量子计算（FTQC）时代。运营性能接近或小于经典数值模拟，量子计算应用广泛成熟，成为行业标准。市场进入成熟期，进一步整合和优化。目前量子计算进入NISQ时代，多技术共同发展，随着时间推移产业规模上升、量子计算成本逐步下降。 2以量子比特作为基本单元进行计算 量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，其基本单元是量子比特。量子比特具有量子叠加和量子纠缠等特性，在非结构化搜索、组合优化、大数分解和矩阵计算等任务上相较于经典计算具有多项式级或指数级的加速优势。量子计算的基本过程包括量子态制备、量子态调控和量子态测量三个步骤：1.量子态制备：将输入的经典比特和辅助比特通过相位编码或振幅编码等方法转换为量子态初态。2.量子态调控：通过酉变换将量子态初态演化为目标态，这一过程可由一系列量子门组合成的量子线路来实现。3.量子态测量：通过选择一组测量基对目标态进行观测，从而读取计算结果。为了确保计算结果的正确性，需要设计巧妙的量子算法，利用量子干涉特性最大化目标态的概率。 3硬件+软件+算法为核心，云平台构成生态 量子计算技术体系中，硬件、软件和算法是三大支柱，云平台集成三者并提供服务。主要包含1.量子计算云平台：基础设施层（Q-IaaS），包括量子计算硬件、基础设施等。平台层（Q-PaaS），中间件、平台服务等。服务层（Q-SaaS），测试系统软件、芯片EDA软件等。安全服务：保障量子计算平台的安全；2.量 子计算软件：应用开发软件，包括量子模拟应用、组合优化应用、量子AI应用等。计算编译软件，包括量子编译器、中间件等；3.量子计算硬件：逻辑门型量子计算机，包括量子门、处理器、控制系统、mK低温系统、环境控制系统等。专用量子计算机，包括玻色采样、相干耦合、量子退火等。量子经典计算的跨学科研究，包括量子传感、量子测量、张量网络模拟等。 [3]1：ICVTA&K、光子盒、中… 量子计算发展历程[4] 量子计算发展历程可分为：1.理论研究阶段（1905年-2011年）。早期基础：爱因斯坦光电效应 （1905），德布罗意物质波（1924），海森堡和薛定谔量子力学（1925-1927）。关键概念：费曼提出量子计算（1950s），EPR悖论（1935），Shor算法（1994），Grover搜索算法（1996）；2.商用化开展阶段 （2011年-2019年）。初步应用：D-Wave推出首台商用量子计算机（2011），IBM云量子计算平台 （2016），谷歌Bristlecone量子处理器（2017）。国际进展：中国发射“墨子号”量子卫星（2017），IBM推出商用量子计算系统（2019）。3.技术应用阶段（2019年至今）。技术突破：中国实现76个光子的量子计算优越性（2020），“九章二号”光量子计算机（2021），清华大学实现模块化量子网络（2022）。行业特点：量子计算商业化加速，各国加大投入推动技术进步。量子计算从理论到实践，历经百年，逐步实现商业化和技术应 用。 理论研究阶段1905~2011 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦解释了光电效应，并提出光本身是由单个量子粒子或光子组成。 1924年，量子力学一词首次出现在论文中。 1925年，维尔纳·海森堡、马克斯·玻恩和帕斯夸尔·约尔旦提出了矩阵力学，量子力学中第一个在概念上自治、逻辑上一致的表述。 1925