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《计算机行业量子科技：见微知著、革故鼎新-240715（133页）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机行业量子科技：见微知著、革故鼎新-240715（133页）.pdf（133页珍藏版）》请在本站上搜索。 1、 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。1 20242024 年年 0707 月月 1 15 5 日日 计算机计算机 行业深度分析行业深度分析 量子科技：见微知著、革故鼎新量子科技：见微知著、革故鼎新 证券研究报告证券研究报告 投资评级投资评级 领先大市领先大市-A A 维持维持评级评级 首选股票首选股票 目标价（元）目标价（元）评级评级 行业表现行业表现 资料来源：Wind 资讯 升幅升幅%1M1M 3M3M 12M12M 相对收益相对收益 -2.7-11.7-26.5 绝对收益绝对收益 -7.4-15.1-38.1 赵阳赵阳 分析师分析师 SAC 执业证书编号：S142、50522040001 夏瀛韬夏瀛韬 分析师分析师 SAC 执业证书编号：S1450521120006 袁子翔袁子翔 分析师分析师 SAC 执业证书编号：S1450523050001 相关报告相关报告 科技自立自强，聚焦泛信创攻关和前沿领域探索 2024-07-01 华为 HDC 2024 开幕，纯血鸿蒙+盘古大模型联袂亮相 2024-06-23 Copilot PC 和 AI phone 双剑齐发，端侧 AI 渗透率拐点将至 2024-06-17 车路协同迎来密集催化，关注路侧、商用车、自动驾驶三条主线 2024-06-10 AIPC 进展加速，WoA 未来可期 2024-06-03 量子科3、技：未来科技的颠覆式创新，新质生产力的重要方向量子科技：未来科技的颠覆式创新，新质生产力的重要方向 两次量子革命带来颠覆式的科技创新。两次量子革命带来颠覆式的科技创新。第一次量子革命发明与发展了原子能、激光、超导、晶体管、核磁共振成像等基于量子力学效应的信息技术，第二次量子革命基于操控微观粒子的叠加、纠缠等行为，进行信息获取、处理和传输，产生颠覆性的科技创新。当前量子科技产业主要包括量子计算、量子通信、量子测量、抗量子密码四大研究领域。量子科技成为新质生产力重要方向，有望迎来政策支持。量子科技成为新质生产力重要方向，有望迎来政策支持。2024 年两会政府工作报告在“加快发展新质生产力”中，提出4、“制定未来产业发展计划，开辟量子技术、生命科学等新赛道，创建一批未来产业先导区”。3 月 29 日，国务院国资委遴选确定首批新质生产力的启航企业名单，重点布局了人工智能、量子信息和生物医药领域。5 月 10 日，李强总理来到中科院量子信息与科技创新研究院，再次体现政府的重视，量子科技产业有望成为新质生产力重要方向。积极布局量子计算、量子通信、抗量子密码三条投资主线积极布局量子计算、量子通信、抗量子密码三条投资主线 量子计算：算力产业的颠覆式创新，未来科技的锋利之矛量子计算：算力产业的颠覆式创新，未来科技的锋利之矛。量子计算机的量子比特利用量子叠加态原理实现处理信息量的指数级增长，以 Shor 5、算法为例，可以在 20 万个错误率在 0.1%的量子物理比特上在 8 个小时内破解 2048 位的RSA 密码，而用经典计算机则需要几百年的时间进行破解。从产业链来看从产业链来看，量子计算芯片、稀释制冷机和室温测控系统成为量子计算机主要组成部分。根据ICV 的报告，2023 年全球量子计算产业规模达到 47 亿美元，2023 至 2028 年的年平均增长率（CAGR）达到 44.8%，有望实现高速增长。建议关注：建议关注：量子计算整体解决方案提供商【国盾量子】、量子测控系统提供商【普源精电】等。量子通信：量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之盾。量子通信：量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之6、盾。基于传统 RSA 算法的密钥分发和数字签名技术，在量子计算时代存在较大的安全风险。量子保密通信将经典密钥转换成量子形态的密钥，利用量子不可复制、纠缠等物理特性，实现密钥分发过程的绝对安全。从产业链来看从产业链来看，量子密钥分发设备（QKD）成为行业的核心设备，上游包括芯片+光源+单光子探测器+量子随机数发生器，下游主要在政府、金融、电力等关基行业率先落地。从建设进度来看从建设进度来看，中国已经形成骨干网-城域网-空天一体的三步走发展战略，当前已经建成长度超过 1万公里的广域量子保密通信一期骨干网，未来城域网和空天一体网络建设有望加速。建议关注：建议关注：QKD 设备商【国盾量子】、系统集成7、商【神州信息】等。抗量子密码：密码原理的底层创新，应对量子攻击的新型方案。抗量子密码：密码原理的底层创新，应对量子攻击的新型方案。抗量子密码（PQC）是能够抵抗量子计算对现有密码算法攻击的新一代密码算法。从产业进展来看，美国 NIST 将于今年夏季发布第一版的抗量子密码算法标准，从而开启美国抗量子密码迁移的路线图，预计美国对于软件/固件签名和传统网络设备的迁移将在 2030 年前完成。建议关注：建议关注：密码厂商【吉大正元、信安世纪、格尔软件、三未信安】等。风险提示：风险提示：政策推进不及预期；技术突破不及预期；商业化落地不及预期。-44%-34%-24%-14%-4%6%16%26%36%28、023-072023-112024-032024-07计算机计算机沪深沪深300300行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。2 内容目录内容目录 1.两次量子革命引领技术发展，新质生产力带来政策催化.8 1.1.技术：两次量子革命带来颠覆式技术创新.8 1.2.政策：全球积极布局，国内外政策齐发力.11 1.3.产业：四大研究领域共创新需求.26 2.量子计算：算力产业的颠覆式创新，未来科技的锋利之矛.38 2.1.量子计算原理：量子比特实现量子优越性.38 2.2.量子计算机：从 NISQ 向 FTQC 迈进，技术路线较为多元.49、5 2.3.量子计算机结构：量子芯片、稀释制冷机和测控系统是核心.54 2.4.量子计算应用：产业百花齐放，量子云平台构筑量超融合算力网.60 2.5.量子计算展望：科技巨头明确发展路线图.70 3.量子通信：量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之盾.74 3.1.量子通信原理：利用量子技术实现密钥分发.74 3.2.量子通信产业链：QKD 是核心设备，关基行业率先落地.77 3.3.全球量子通信产业：美国和欧盟积极布局.84 3.4.国内量子通信产业：三步走战略实现全覆盖.88 3.5.量子隐形传态：未来量子互联网的核心技术.93 4.抗量子密码：密码原理的底层创新，应对量子攻击的新型方案.10、95 4.1.量子计算对加密构成威胁，抗量子密码应运而生.95 4.2.全球积极布局抗量子密码，标准即将发布.98 4.3.抗量子密码迁移进程逐渐开启，产业蓄势待发.106 5.相关标的梳理.109 5.1.国盾量子.109 5.2.国芯科技.111 5.3.普源精电.112 5.4.科华数据.113 5.5.中国长城.114 5.6.IonQ.115 5.7.Regetti Computing.116 5.8.D-Wave Quantum.117 5.9.神州信息.118 5.10.浙江东方.119 5.11.光迅科技.120 5.12.亨通光电.121 5.13.迪普科技.122 5.1411、.金卡智能.123 5.15.科大讯飞.124 5.16.格尔软件.125 5.17.信安世纪.126 5.18.吉大正元.127 5.19.三未信安.128 5.20.电科网安.129 5.21.浩丰科技.130 5.22.科大国创.131 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。3 图表目录图表目录 图 1.量子科技产业整体发展历程梳理.9 图 2.量子计算机逐渐从理论走向实现.10 图 3.美国量子信息技术实施机构及组织架构.13 图 4.量子科学生态系统三大支柱.14 图 5.三大研发机构资金规划情况.14 图 6.美国 NQ12、I 法案颁布后的 QIS 量子战略总体联邦预算（百万美元）.14 图 7.按项目组成领域划分的美国量子信息科学研发情况.16 图 8.国家自然科学基金委员会对 QIS 研究中心的规模投资.16 图 9.欧盟量子宣言成员国和组织数量分布.18 图 10.量子旗舰计划构建欧洲量子生态.20 图 11.欧洲量子技术部署方向.21 图 12.量子科技产业分类.26 图 13.量子信息四大领域的原理特性，发展定位及应用场景.27 图 14.全球量子计算产业规模（2021-2035）（单位：十亿美元）.28 图 15.全球量子计算上游产业规模（2030&2035）（单位：十亿美元）.28 图 16.全球量13、子计算下游应用占比.29 图 17.全球量子计算下游应用未来价值展望.30 图 18.全球量子通信市场规模预测（2021-2030）.30 图 19.全球量子精密测量市场规模预测（2019-2029E）（单位：百万美元）.31 图 20.全球量子精密测量市场份额预测（按产品技术领域划分）.31 图 21.全球抗量子密码产业规模预测（2023-2030E，单位：十亿美元）.32 图 22.全球量子信息科研论文数量年度变化趋势.32 图 23.全球量子信息专利申请数量年度变化趋势.32 图 24.量子计算领域科研论文数量前十位国家情况.33 图 25.量子通信领域科研论文数量前十位国家情况.33 14、图 26.量子测量领域科研论文数量前十位国家情况.33 图 27.后量子加密领域科研论文数量前十位国家情况.33 图 28.量子信息领域不同技术方向专利数量对比.34 图 29.量子信息三大领域各国专利申请占比情况（截至 2022 年 9 月）.34 图 30.量子信息全球企业.34 图 31.量子信息各领域企业数量.35 图 32.量子信息企业国家分布情况.35 图 33.量子计算领域科技公司和初创企业分布.36 图 34.量子信息领域企业投融资事件数量与金额变化趋势.37 图 35.经典比特和量子比特的区别.38 图 36.用布洛赫球表示的量子比特.39 图 37.几种量子逻辑门的矩阵和布15、洛赫球表示.39 图 38.简单的量子电路实例.40 图 39.Deutsch-Jozsa 算法的量子电路.40 图 40.Shor 算法的量子电路.42 图 41.量子计算机的不同物理实现方案.43 图 42.经典电流示意图和超导电流示意图.43 图 43.振荡电路及能级图.44 图 44.约瑟夫森结示意图与 SEM 扫描图.44 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。4 图 45.电荷、通量、相位三种超导量子比特.44 图 46.Transmon 量子比特及其电路示意图.44 图 47.量子计算发展生命周期图.45 图 48.量16、子计算机主要技术路线和参与公司.47 图 49.超导量子计算机示意图.47 图 50.超导量子计算技术.47 图 51.离子阱芯片.49 图 52.离子阱技术示意图.49 图 53.光量子光学装置.50 图 54.光量子技术.50 图 55.硅半导体技术示意图.51 图 56.中性原子技术原理.51 图 57.影响量子体积的因素.52 图 58.超导量子计算机及核心系统.54 图 59.稀释制冷机原理示意图.54 图 60.2022-2030 年全球稀释制冷机市场规模（10 亿美元）.55 图 61.全球稀释制冷机主要供应商.55 图 62.国产稀释制冷机.55 图 63.2022-2030 17、年全球量子计算上游产业规模（10 亿美元）.56 图 64.一个具有 5 比特的超导量子芯片.56 图 65.空桥结构示意图.56 图 66.IBM 433 量子比特处理器 Ospery.57 图 67.IBM 超导量子计算机技术迭代图.57 图 68.微波信号可以对量子比特进行控制.57 图 69.本源量子 32 位测控一体机.57 图 70.两比特超导量子计算操控系统电路模型简视图.58 图 71.2022-2030 年全球量子计算测控系统市场规模（10 亿美元）.58 图 72.布局测控系统的测量仪器公司.58 图 73.布局测控系统的量子计算机厂商.58 图 74.量子计算测控系统发展18、趋势.59 图 75.量子计算应用各场景评分等级（评分采用 5 分制，1 为最差，5 为最优）.60 图 76.量子计算云平台服务类型.61 图 77.IBM Quantum Composer 操作界面.66 图 78.本源量子云平台提供的量子计算服务算力资源.66 图 79.本源量子悟空超导计算机云平台操作界面 2024.4.66 图 80.云计算架构演进与算力网络.67 图 81.中微达信经典+量子融合计算测控组件.67 图 82.上海计算中心超级计算机“魔盒”和“魔方 III”.69 图 83.“巢湖明月”超级计算机.69 图 84.IBM Roadmap.70 图 85.Google 19、Roadmap.71 图 86.Honeywell Roadmap.72 图 87.Rigetti Roadmap.73 图 88.量子密钥分发设备示意图.74 图 89.量子密钥分发 BB84 协议示意图.75 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。5 图 90.量子通信技术发展历程.76 图 91.量子光源.79 图 92.单光子探测器.79 图 93.QKD 设备.79 图 94.量子安全路由器.80 图 95.量子交换机.80 图 96.量子随机数发生器.80 图 97.量子卫星地面站.81 图 98.移动加密应用产品.8120、 图 99.量子保密通信产业链.82 图 100.量子保密通信下游应用发展展望.82 图 101.量子保密通信行业应用.82 图 102.DARPA 量子通信网络.84 图 103.DAPRA 量子密钥分发网络结构.84 图 104.DAPRA 量子通信网络建成过程.84 图 105.NASA 使用的量子通信设备.85 图 106.Phio 洲际量子通信网络.85 图 107.SECOQC 量子通信实验网络结构示意图.86 图 108.SECOQC 实验网络连接示意图.86 图 109.东芝欧洲公司展出的量子通信设备.86 图 110.欧盟 EuroQCI 项目地面部分潜在选址.87 图 1121、1.量子通信发展三步走战略.88 图 112.中国量子保密通信网络建设进度.89 图 113.基于“墨子号”卫星和“京沪干线”天地一体化组网验证.91 图 114.“低轨微纳卫星+小型化地面站”技术路线.92 图 115.量子隐形传态示意图.93 图 116.“银杏一号”城域量子互联网建设场地鸟瞰图和设计示意图.94 图 117.抗量子密码全球进展.98 图 118.NIST 第五节标准化会议公布的时间轴.102 图 119.抗量子密码迁移整体工作.106 图 120.QKD+PQC 融合组网方式.107 图 121.CNSA2.0 迁移路线图.108 图 122.国盾量子：量子保密通信产品及22、下游应用.109 图 123.国盾量子：量子计算产品矩阵.109 图 124.国盾量子：量子精密测量产品矩阵.110 图 125.硅臻量子随机数发生器芯片.111 图 126.耐数电子 NS-Q100 量子测控系统.112 图 127.玻色量子天宫量子大脑 550W 的特性.113 图 128.中国长城智慧计算与存储业务.114 图 129.IonQ：技术路线图.115 图 130.Regetti：Aspen-M 商用多芯片量子处理器.116 图 131.D-Wave：下一代混合求解器的高水平性能.117 图 132.D-Wave：Advantage 系列退火机开发进度.117 图 133.神23、州信息中标量子保密通信骨干网工程.118 图 134.浙江神州量子通信展台.119 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。6 图 135.光迅科技光通信产品.120 图 136.亨通光电量子通信解决方案.121 图 137.亨通光电量子通信具体产品.121 图 138.迪普科技 DPX8000 系列.122 图 139.迪普科技 DPX8000 系列产品性能.122 图 140.国科量子云网一体量子设施.123 图 141.讯飞量子加密智能办公本.124 图 142.格尔软件全量子一体化网络安全方案.125 图 143.信安世纪密码24、产品概览.126 图 144.吉大正元抗量子信任体系.127 图 145.三未信安参加抗量子密码技术论坛.128 图 146.电科网安参与中国移动举办的量子通信年会.129 图 147.浩丰科技产品概览.130 图 148.国仪量子量子传感系列产品.131 图 149.国仪量子量子计算系列产品.131 表 1：全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况（截至 2023 年 10 月）.11 表 2：美国量子战略和专项计划.12 表 3：NQI 法案拟议资金（2024-2028）.15 表 4：欧盟量子技术的短中长期目标.17 表 5：欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目.19 表 6：量子旗舰25、四大研发领域的未来发展路线.22 表 7：欧洲量子技术关键绩效指标梳理（2030）.23 表 8：国内量子科技产业相关政策梳理.24 表 9：全球量子信息初创企业十大融资事件（金额降序）.37 表 10：DiVincenzo 关于量子计算机五条技术准则的解释.46 表 11：中美超导量子计算机进展.48 表 12：国内外离子阱量子计算机进展.49 表 13：国内外光量子计算机进展.50 表 14：量子计算机性能对比.52 表 15：量子计算机主要参与者.53 表 16：各公司量子计算机与人工智能结合进展.61 表 17：量子云平台的优势及内涵.62 表 18：美国量子计算云平台进展.63 表 26、19：中国量子计算云平台进展.64 表 20：全球量子计算云平台 2023 年进展.65 表 21：IBM 路线图解读.70 表 22：量子保密通信上游产业及主要公司.77 表 23：量子保密通信产业中游及主要公司.78 表 24：量子保密通信下游应用进展.83 表 25：中国量子保密通信网络统计（部分）.90 表 26：量子计算对经典密码体系的影响.95 表 27：抗量子密码算法比较.97 表 28：美国抗量子密码政策.99 表 29：NIST 抗量子密码标准化项目进程.100 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。7 表 30：27、NIST 筛选标准（开发者最低标准建议）.101 表 31：入选 NIST 标准的四种算法及入围第四轮筛选的四种算法.102 表 32：欧盟抗量子密码政策.103 表 33：德国抗量子密码政策.103 表 34：英国、法国、加拿大抗量子密码政策.104 表 35：中国抗量子密码进展.105 表 36：CNSA2.0 迁移时间线解读.108 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。8 1.1.两次量子革命引领技术发展，两次量子革命引领技术发展，新质生产力带来政策催化新质生产力带来政策催化 1.1.1.1.技术：两次量子革命带来颠覆式技术28、创新技术：两次量子革命带来颠覆式技术创新 第一次量子革命（第一次量子革命（2020 世纪世纪 8080 年代至年代至 9090 年代末期）：量子力学推动推动超导、晶体管、激光、年代末期）：量子力学推动推动超导、晶体管、激光、核磁共振等技术诞生。核磁共振等技术诞生。上世纪 80 年来以来，物理学理论探索从经典物理学的连续性观念转向量子力学的离散型观念，普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的量子轨道等量子理论诞生并得到应用，推动超导、晶体管、激光、核磁共振等技术的诞生与应用，标志着量子理论的正确性得到验证，量子技术在信息科学实际应用中的巨大潜力逐渐显现，利用量子力学原理进行信息处理的可能性29、得到探索，为第二次量子革命奠定坚实理论与实验基础。具体而言，第一次量子革命可分为三个阶段。1 1）理论基础奠定期（）理论基础奠定期（19001900-19801980）：物理学家开始探索微观物理学现象。）：物理学家开始探索微观物理学现象。1900 年，普朗克提出量子假说，标志着量子理论的诞生。随后，爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子模型进一步巩固了量子理论。1926 年，薛定谔和海森堡分别提出波动力学和矩阵力学，为量子力学奠定坚实基础。在此时期，量子理论成功解释了诸多实验现象，并在固体物理学、原子物理学和分子物理学等领域取得重大进展。在应用方面，超导、晶体管、激光、核磁共振等技术不断诞生并得到应30、用。1911 年，荷兰物理学家海克卡马林奥克斯发现超导现象；1947 年，贝尔实验室的肖克利和巴丁发明第一个晶体管；1953 年，曼彻斯特大学开发世界第一台晶体管计算机；1960 年，西蒙斯和汉斯创造世界第一个激光；1961 年，德州仪器公司生产了第一个商业化集成电路。2 2）崭露头角期（）崭露头角期（19811981-19931993）：在量子理论的指导下，量子科技开始在世纪应用中崭露头角。）：在量子理论的指导下，量子科技开始在世纪应用中崭露头角。1981 年，费曼提出量子计算的概念，并探讨了量子计算机的潜力；1982 年，量子纠缠的实验验证成功，为量子信息科学的发展奠定基础；1991 年，31、量子密钥分发概念被提出，为量子通信的安全传输提供理论基础。这一时期，量子科技的理论研究和实验验证为后续的技术发展和应用奠定基础。3 3）持续发展期（）持续发展期（19941994-19991999）：量子科技产业持续发展。）：量子科技产业持续发展。1994 年，Peter Shor 提出 Shor 算法，展示了量子计算机在破解加密方面的巨大潜力；同年，Lov Grover 提出量子搜索算法，设计用于无序列表搜索目标性，利用量子并行性和干涉效应加速搜索过程。1996 年，DiVincenzo提出量子计算机准则，用于评估和设计量子计算机，有助于确定量子系统是否适用于构建量子计算机，包括可扩展量子比32、特、可控可读量子比特、长时间相干性、通用量子门集、可靠量子读写操作。1998 年，Bernhard Omer 提出量子计算机编程语言，制造为量子计算机提供统一编程框架，结合传统编程概念和量子计算的叠加和纠缠特性。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。9 图图1.1.量子科技产业整体发展历程梳理量子科技产业整体发展历程梳理 资料来源：物理学报，New Scientist，Quantumpedia，国投证券研究中心 第二次量子革命（第二次量子革命（2121 世纪初至今）：实现单个微观粒子操控，量子信息技术产业持续演进。世纪初至今）：实现33、单个微观粒子操控，量子信息技术产业持续演进。第一次和第二次量子革命的核心区别在于第一次量子革命主要发明与发展原子能、激光、超导、晶体管和半导体器件、集成电路器件、微处理器、核磁共振成像等基于量子力学效应的信息技术，而第二次量子革命基于操控电子、光子等离子体系的微观量子行为发展量子信息技术，利用量子体系的叠加、纠缠等量子力学行为，进行信息获取、处理和传输，对多个领域产生基础共性与颠覆性的重大影响。在这一时期，量子比特概念的提出，量子纠缠的实验在这一时期，量子比特概念的提出，量子纠缠的实验验证、量子计算的原理性验证等，意味着量子层面上操控和利用量子现象成为可能验证、量子计算的原理性验证等，意味着量34、子层面上操控和利用量子现象成为可能，为解决经典计算难以处理的问题、实现信息安全传输、探索量子模拟等提供全新途径，标志着量子标志着量子技术开始从理论探索转向实际应用，一系列突破性技术和商业化产品逐渐涌现技术开始从理论探索转向实际应用，一系列突破性技术和商业化产品逐渐涌现。21 世纪以来，随着科技企业积极布局，量子计算进入了技术验证和原理样机研制的阶段。2000年，DiVincenzo 提出建造量子计算机的判据。此后，加拿大 D-Wave 公司率先推动量子计算机商业化，IBM、谷歌、微软等科技巨头也陆续开始布局量子计算。2018 年，谷歌发布了 72量子位超导量子计算处理器芯片。2019 年，IB35、M 发布最新 IBM Q System One 量子计算机，提出衡量量子计算进展的专用性能指标量子体积，并据此提出了“量子摩尔定律”，即量子计算机的量子体积每年增加一倍。在量子优越性方面，在量子优越性方面，2019 年 10 月，谷歌基于 53 位的Sycamore 量子处理器进行实验，成功证明量子计算机在随机电路采样任务的执行速度远超最快的经典超级计算机，宣布在量子计算领域实现“量子霸权”。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。10“量子霸权”是重要的里程碑，标志着量子计算领域的一个重大转折点“量子霸权”是重要的里程碑，标志着量子36、计算领域的一个重大转折点，即量子计算机首次在特定任务上展现出超越传统超级计算机的能力，证明了量子计算机从原理走向应用的可行性与在并行计算方面的优越性。尽管目前量子计算机的应用还非常有限，但这一突破展示了量子计算技术的巨大潜力，并为未来的发展奠定了基础。量子计算机的进一步发展可能会在材料科学、药物发现、优化问题等领域带来革命性的变化。量子计算机的进一步发展可能会在材料科学、药物发现、优化问题等领域带来革命性的变化。2020 年 12 月 4 日，中国科学技术大学的潘建伟院士团队成功构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”。根据中科大钟瀚森、潘建伟等人发表的在 Science 期刊发表的Qua37、ntum computational advantage using photons 论文，“九章”在处理高斯玻色取样的速度上比当时的超级计算机“富岳”快 100 万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。2021年，在“九章”的基础上，中国科学技术大学团队又构建了“九章二号”和“祖冲之二号”量子计算机。这些机器在处理特定问题上的速度比当时的顶级超级计算机快得多，进一步巩固了中国在量子计算领域的国际领先地位。2023 年，中国科学技术大学团队成功构建了 255个光子的量子计算原型机“九章三号”。根据邓宇皓、潘建伟等人发表的Gaussian Boson Sampling with P38、seudo-Photon-Number Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage论文，“九章三号”在处理高斯玻色取样的速度上比“九章二号”提升了 100 万倍，进一步刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。图图2.2.量子计算机逐渐从理论走向实现量子计算机逐渐从理论走向实现 资料来源：信通院，赛迪智库，Science Physical Review Journals，量子物理与量子信息研究部，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。139、1 1.2.1.2.政策：全球积极布局，国内外政策齐发力政策：全球积极布局，国内外政策齐发力 量子科技的战略重要性日趋显现，多国持续加大量子研发投入。量子科技的战略重要性日趋显现，多国持续加大量子研发投入。鉴于量子信息科技重要的科学意义和巨大的应用价值，欧美发达国家的政府、科研机构和产业资本正在不断完善战略部署，稳步增加研发投入。全球主要国家在量子信息领域的战略规划和投资概况来看，以以 20182018年欧盟“量子旗舰计划”和美国年欧盟“量子旗舰计划”和美国国家量子倡议（国家量子倡议（NQINQI）法案为重要标志法案为重要标志，近五年来各国在量子信息领域的规划布局持续加速。根据信通院的统计报告40、，2023 年 6 个国家相继发布量子信息相关国家战略和投资规划，计划投资总规模达到 67 亿美元。美国方面，美国方面，2018 年 12 月，美国启动了为期 10 年的“国家量子倡议法案（NQI）”，2019-2022 年间计划投资 12.75 亿，实际投资已达 37.38 亿，2023 年的预算请求为 8.44 亿美元，远超 NQI 法案最初计划的 5 年 13亿美元。2022 年 8 月，美国总统拜登签署了2022 年芯片和科学法案，为多个量子信息相关项目拨款近 8 亿美元。欧盟方面，欧盟方面，2018 年 10 月，欧盟正式实施“量子技术旗舰项目”，连同各成员国的配套，总经费超过 4041、 亿欧元；2021 年，欧盟提出天基安全连接计划，计划将卫星星座和欧洲量子通信基础设施集成，以借助量子加密技术为欧洲政府和军事组织提供安全通信，预估经费总额为60 亿欧元；2023 年，德国政府通过“量子技术行动计划”，将在 2023-2026 期间投入约 30 亿欧元。2021 年 1 月，法国启动量子技术国家行动计划，5 年投资 18 亿欧元。2023 年 3 月，英国发布国家量子战略，将在 2024-2034 年间提供 25 亿英镑的政府投资，并吸引至少 10 亿英镑的额外私人投资。表表1 1：全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况（截至全球主要国家量子信息领域战略规划与投资概况（截42、至 20232023 年年 1010 月）月）时间时间 战略规划战略规划/法案法案 国家国家/地区地区 投资规模（美元）投资规模（美元）2014 国家量子技术计划 英国 10 年投资约 12.15 亿 2018 光量子跃迁期间计划 日本 投资约 1.2 亿/年 2018 量子旗舰计划 欧盟 10 年投资约 11 亿 2018 国家量子信息科学战略 国家量子倡议（NQI）法案 美国 计划 5 年投资 12.75 亿，实际投资已达 37.38 亿 2018 量子技术从科研到市场 德国 投资约 7.1 亿 2019 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43、色列 5 年投资约 3.3 亿 2019 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 2022 国家量子计算平台 法国 投资约 1.85 亿 2022 芯片与科学法案 美国 4 个量子项目 1.53 亿/年 2023 国家量子战略 加拿大 投资约 2.7 亿 2023 国家量子战略（NQS）英国 10 年投资 31.8 亿 2023 国家量子战略 澳大利亚 投资约 6.4 亿 2023 国家量子技术战略 丹麦 5 年投资约 1 亿 2023 量子科技发展战略 韩国 44、2035 年前投资 17.9 亿 2023 国家量子任务 印度 2030 年前投资 7.2 亿 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用研究报告 2023，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。12 美国：发布美国：发布国家量子倡议法案（国家量子倡议法案（NQINQI）与专项战略，推动量子科技发展。与专项战略，推动量子科技发展。美国是较早开展量子信息科学研究的国家之一，特别注重通过政府顶层设计推动量子信息科学（QIS）发展，经过多年发展，已形成立法保障、制定专项战略和优先发展相互衔接配套的政策体系，多方位支撑 QIS45、 发展。一是颁布法案，2018 年，美国国家量子倡议法案（NQI）正式生效，该法案既是美国统筹国内力量推进 QIS 发展的法律基础，也是美国谋求 QIS 及其技术应用全球领导地位的战略规划。法案共有五大目标：1）支持 QIS 研发、示范和应用；2）加强联邦政府 QIS 研发的跨部门规划与协调；3）最大限度地发挥联邦政府 QIS 研发和示范项目的效能；4）促进联邦政府、联邦实验室、企业和大学之间的合作；5）促进 QIS 安全国际标准的制定。二是制定 QIS 专项战略。三是近期综合科技战略将 QIS 作为优先发展方向。无论联邦政府层面还是机构层面的科技发展战略，其优先发展事项中不乏 QIS 的身影46、。例如，2020 年10 月美国政府发布的关键与新型技术国家战略将 QIS 列为 20 项关键与新兴技术之一。表表2 2：美国量子战略和专项计划美国量子战略和专项计划 时间时间 机构机构 战略规划名称战略规划名称 内容内容 2020 年 2月 白宫国家量子协调办公室 美国量子网络战略远景 提出美国将开辟量子互联网，确保QIS 惠及大众 2020 年 7月 能源部（Department of Energy，DOE)从远距离纠缠到建设全国范围的量子互联网 规划了美国第一个全国性量子互联网的战略发展蓝图，提出需要重点关注的 QIS 应用领域、优先研究方向，以及量子互联网建设的阶段性目标 2020 年47、10 月 白宫国家量子协调办公室 量子前沿报告 确定八个方向为优先领域，指导后学量子研发投入：1）扩大量子技术造福社会的机会。2）建立 QIS 工程学科。3）QIS 靶向材料科学。4）通过 QIS 仿真探索量子力学。5）利用 QIS 技术进行精确测量。6）为新应用生成的分配量子纠缠。7）表征和缓解量子误差。8）通过 QIS 了解宇宙。2020 年10 月 白宫 关键与新兴技术国家战略 将QIS列为20项关键与新兴技术之一，认为 QIS 对军事、情报和经济等国家安全优势具有至关重要的作用。2021 年 1月 国家科学技术委员会 量子网络研究的协调办法 确定了美国量子网络战略远景中所提出的目标的实48、现途径，确定了联邦机构可以采取的行动，以增进国家的知识基础并准备使用量子网络。资料来源：世界科技研究与发展：量子科技创新战略研究，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。13 美国：美国：NQINQI 计划提供总体框架，加强与协调量子研发活动。计划提供总体框架，加强与协调量子研发活动。在立法方面，迄今为止与量子有关的最重要立法是国家量子倡议法案(NQI)，该法案于 2018 年 12 月签署成为联邦法律，旨在加速和推进美国的量子科学技术。从本质上讲，NQI 为量子研发创建了一个框架，并授权在 2019-2023 年提49、供略高于 12 亿美元的资金，用于各种量子研究和开发项目。这些资金主要分配给历来积极参与量子科学与技术研发的三个机构：美国国家标准与技术研究院(NIST)、美国国家科学基金会(NSF)和美国能源部(DOE)。NQI 法案授权这些机构加强 QIS 计划和研究中心；建立一个新的联邦机构，名为国家量子协调办公室(NQCO)；成立一个新的联邦咨询委员会，名为国家量子计划咨询委员会(NQIAC)，由来自学术界、工业界和政府的专家组成，其任务是为国家量子计划提供独立评估和建议。美国：打造量子生态三大支柱，共筑量子领域领导地位。美国：打造量子生态三大支柱，共筑量子领域领导地位。量子信息科学(QIS)研发资助50、机构可被视为支持量子信息产业生态系统的三大支柱，民用科学机构、国防部科学机构和情报部科学机构共同支持量子信息产业的研发工作。1 1）美国国家标准与技术研究院）美国国家标准与技术研究院(NIST)(NIST)：通过扩展和连接量子系统、提高设备性能和稳定性、丰富人才库、制定技术标准等多种方式，推进测量科学标准，促进美国的创新与工业竞争力；开展在量子传感、计算、网络、风险缓解、基础科学等方面的核心技术项目；建立并支持量子经济发展联盟，致力于通过识别技术、供应链、标准、劳动力和通过合作解决各方面差距的方法，加速美国量子产业增长。2 2）美国国美国国家科学基金会家科学基金会(NSF)(NSF)：资助超过51、 2000 个学术机构的量子科学与工程研究；NQI 法案明确要求NSF 支持量子信息科学研究与教育的多学科中心，协调量子计算核心项目。此外，NSF 在 2024财年预算中向国会阐明两大投资目标：量子计算、量子通信、量子测量、量子网络的先驱发展，提高信息处理、传输与测量效率；开发具有明显量子优势的概念研制设备、工具、系统和应用程序。3 3）美国能源部美国能源部(DOE)(DOE)：通过基础和应用科学研究、新技术的发现和开发、同位素生产等多种方式推进量子技术发展；NQI 法案授权能源部建立 5 个国家量子信息科学研究中心，并在核心项目中继续加强和协调量子研究。多个量子研究活动机构在量子信息科多个量52、子研究活动机构在量子信息科学基础研究、教育、培训和劳动力发展方面的投资相互促进、相辅相成，加快美国在量子信学基础研究、教育、培训和劳动力发展方面的投资相互促进、相辅相成，加快美国在量子信息服务领域的领导地位。息服务领域的领导地位。图图3.3.美国量子信息技术实施机构及组织架构美国量子信息技术实施机构及组织架构 资料来源：ICV，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。14 美国：量子科技研发资金大幅增加，推动量子科技快速发展。美国：量子科技研发资金大幅增加，推动量子科技快速发展。在 NQI 法案的推动下，用于QIS 53、研发的联邦资金大幅增加。从 2019 财年到 2024 财年，联邦资金大约翻了一番。2023 年12 月 1 日，国家量子计划（NQI）总统 2024 财年预算补编发布，这是国家量子计划法案（NQI）要求的第四份 NQI 计划年度报告，2019-2024 财年量子信息科学预算分别为4.49/6.72/8.55/10.31/9.32/9.68 亿美元。此外，分配给分配给 NQINQI 法案授权活动的资金是在基线量子法案授权活动的资金是在基线量子信息服务研发活动预算之外的额外资金。信息服务研发活动预算之外的额外资金。然而，虽然国家质量与创新法案为各联邦机构的质量信息系统研发设定了资助目标和优先事项54、，但并不保证具体的资助金额。总统和国会通过年度财政年度预算确定各联邦机构的非国防量子研发优先事项和资金，国防开支则通过名为国防授权法案的单独法案确定。图图5.5.三大研发机构资金规划情况三大研发机构资金规划情况 图图6.6.美国美国 NQINQI 法案颁布后的法案颁布后的 QISQIS 量子战略总体联邦预算量子战略总体联邦预算（百万美元）（百万美元）资料来源：NQI Annual Report FY2024，国投证券研究中心 资料来源：NQI Annual Report FY2024，国投证券研究中心 NQI 法案修订后增加预算总规模，根据 ICV 计算显示，未来美国量子科技预算总额超过 3655、亿美元，其中 NQI 法案拟议更新的资金规划共 22.33 亿美元，芯片与科学法案授权资金规划共 14.24 亿美元。0100200300400FY2019ActualFY2020ActualFY2021ActualFY2022ActualFY2023EstimatedFY2024ProposedNISTNSFDOE02004006008001,0001,200FY2019ActualFY2020ActualFY2021ActualFY2022ActualFY2023EstimatedFY2024ProposedBaseNQI图图4.4.量子科学生态系统三大支柱量子科学生态系统三大支柱 资料来56、源：NQI Annual Report FY2024，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。15 表表3 3：NQINQI 法案拟议资金（法案拟议资金（20242024-20282028）NQINQI 再授权法案再授权法案 参考章节参考章节 机构机构 年投资金额年投资金额 （百万美元）（百万美元）投资周期投资周期 （年）（年）投资总额投资总额 （百万美元）（百万美元）法案依据法案依据 目的目的 11 NIST（国家标准技术研究院）QED-C（量子经济发展联盟）85 4 340 芯片与科学法案 开展研发和示范项目，促57、进量子应用的发展和标准化；支持量子技术可比性能相关研究；促进量子相关国际事务参与；建立必要的基础设施项目 12 NIST（国家标准技术研究院）54 5 270 NQI再授权法案 NIST 建立新的、目的驱动的量子中心，加速 NIST 研发、部署和标准化活动，并优先考虑量子测量和量子工程 13 NSF（国家科学基金会）141 4 564 芯片与科学法案 量子信息科学研究与教育项目 14 NSF（国家科学基金会）100 5 500 NQI再授权法案 多学科量子研究和教育中心，15 NSF（国家科学基金会）10 5 50 NQI再授权法案 建立量子再培训教育与劳动力协调中心（QREW)15 NSF（58、国家科学基金会）50 5 250 NQI再授权法案 建立新的量子试验台 16 DOE（能源部）130 4 520 芯片与科学法案 能源量子信息科学研究项目，指导制定十年战略计划，指导联邦设计、开发、商业化以量子为中心的高性能计算系统 17 DOE（能源部）25 5 125 NQI再授权法案 建立量子仪器和基础设施计划，以应对量子供应链特有的挑战和需求 18 DOE（能源部）175 5 875 NQI再授权法案 对能源部进行技术修正指导，并确保合作事务包括多样化的可行量子技术 20 DOE（能源部）38 1 38 NQI再授权法案 指导能源部与公共部门、私营部门多方合作开发基于云的量子计算机算法59、和应用，并探索教育与培训计划。21 NASA（国家航空航天局）25 5 125 NQI再授权法案 授权 NASA 开展量子基础与应用研究，建立 NASA 专属量子研究所，专注于量子科技航空航天应用 NQINQI 法案修订后的资金规划法案修订后的资金规划 2,233 2,233 芯片与科学法案授权资金规划芯片与科学法案授权资金规划 1,424 1,424 资金规划总额资金规划总额 3,657 3,657 资料来源：世界科技研究与发展，国投证券研究中心 美国：明确五大资金投入领域，增加资金投入。美国：明确五大资金投入领域，增加资金投入。美国政府在量子信息科学国家战略概述中划分的所有五个计划组成领域60、，即量子传感与计量(QSENS)、量子计算(QCOMP)、量子网络(QNET)、量子发展(QADV)和量子技术(QT)，都增加并保持了资金投入。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。16 图图7.7.按项目组成领域划分的美国量子信息科学研发情况按项目组成领域划分的美国量子信息科学研发情况 资料来源：NQI Annual Report FY2024，国投证券研究中心 美国：促进量子跨学科研究，推进量子科技快速发展。美国：促进量子跨学科研究，推进量子科技快速发展。美国国家科学基金会(NSF)和能源部(DOE)都在通过支持建立跨学科研究中61、心来克服这些机构障碍，采取不同的方法以反映其不同的使命和资助重点。国家科学基金会的重点是促进大学中心和研究所的教师开展跨学科合作，截至截至 20232023 年年 3 3 月，该机构已资助了五个量子飞跃挑战研究所。月，该机构已资助了五个量子飞跃挑战研究所。另一方面，能源部已在自己的国家实验室建立了跨学科量子研究中心。对此，负责国家量子计划评估工作的国家量子信息中心对量子合作的进展进行了评估，发现总体而言各中心之间的合作发展良好。图图8.8.国家自然科学基金委员会对国家自然科学基金委员会对 QISQIS 研究中心的规模投资研究中心的规模投资 资料来源：ICV，国投证券研究中心 05001000162、500FY2019ActualFY2020ActualFY2021ActualFY2022ActualFY2023EstimatedFY2024Proposed量子领域基础科学（QADV）量子计算（QCOMP）量子网络（QNET）量子传感与计量（QSENS）量子科技（QT）行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。17 欧盟：发布量子宣言和量子旗舰计划，多方位发展量子信息技术。欧盟：发布量子宣言和量子旗舰计划，多方位发展量子信息技术。2016 年 3 月，欧盟委员会发布量子宣言（草案），呼吁欧盟成员国及欧盟委员会发起资助额达发起资助额达63、 1010 亿欧元的量亿欧元的量子技术旗舰计划，并实现如下目标：子技术旗舰计划，并实现如下目标：1 1）建立极具竞争性的欧洲量子产业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位；2 2）增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性；3 3）面向量子技术的创新企业和投资，把欧洲打造为一个有活力和吸引力的区域；4 4）充分利用量子技术进展，更好地解决能源、健康、安全和环境等领域的重大挑战。宣言提出，欧洲旗舰计划应集合工程、科学、教育以及创新能力，充分释放量子技术的潜能。通过通信、模拟器、传感器和计算机这四方面的短中长期发展，实现原子量子时钟、量子传感器、城际量子链接、量子模拟器、量子互联网和泛在量子计算64、机等重大应用。表表4 4：欧盟量子技术的短中长期目标欧盟量子技术的短中长期目标 量子技术及量子技术及发展目标发展目标 通信通信 （城际量子连接、（城际量子连接、量子互联网）量子互联网）模拟器模拟器 （量子模拟器）（量子模拟器）传感器传感器 （原子量子时钟、（原子量子时钟、量子传感器）量子传感器）计算机计算机 （量子计算机）（量子计算机）短期（5 年内）量子中继器核心技术；安全的点到点量子链接。材料中电子运动的模拟器；针对量子模拟器和网络的新算法 针对医疗护理、地理调研和安全等新型应用的量子传感器；针对高频金额交易的时戳打造更准确的原子时钟。运行受纠错或拓扑学保护的逻辑量子位；针对量子计算机的新65、算法；能执行技术相关算法的小型量子处理器。中期（5-10年）远距离城市间的量子网络；量子信用卡 设计和开发新型复合材料；有关量子磁性和电流的多样化模拟器。针对汽车建筑等大规模应用的量子传感器；手持量子导航设备。利用专业型量子计算机解决化学和材料科学难题。长期（10 年以上）具有加密和监听检测功能的量子中继器；结合量子与传统通信的泛欧安全互联网。有关量子动力学和化学反应机制的模拟器，用以支持药物设计。基于重力传感器的重力成像设备；将量子传感器集成到消费者应用中（包括移动设备）。结合量子路线和低温传统控制硬件；超越传统计算机能力的通用量子计算机。资料来源：Quantum Manifesto，国投证66、券研究中心 欧盟：组织和成员国双层发力，明确四大领域发展路线。欧盟：组织和成员国双层发力，明确四大领域发展路线。近年来，为在全球量子科技竞争中赢得主动，欧盟和欧洲主要国家积极布局，在组织和成员国两个层面出台了一系列量子科技战略。在组织层面，在组织层面，欧盟牵头制定泛欧洲的量子技术发展战略。2020 年 3 月，量子旗舰战略咨询委员会发布的报告战略研究议程对量子技术旗舰计划进行了细化，提出量子通信、量子计算、量子模拟，以及量子计量和传感等领域的发展路线图。在成员国层面，在成员国层面，法国和德国制定战略谋划未来量子科技发展。量子宣言 得到 3400 多名学术界与工业界人士的支持。行业深度分析行业深67、度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。18 图图9.9.欧盟量子宣言成员国和组织数量分布欧盟量子宣言成员国和组织数量分布 资料来源：Quantum Manifesto国投证券研究中心 欧盟投入规模达欧盟投入规模达 1010 亿欧元，资助四大领域科研项目。亿欧元，资助四大领域科研项目。欧洲量子技术旗舰计划是欧盟未来新兴技术旗舰计划（FET）的重要组成部分，FET 旨在为欧盟革命性、高风险、高回报的技术创新及商业开发提供长期稳定支持，量子技术旗舰计划是 FET 中执行期最长、资助强度最大的计划。量子技术旗舰计于在 2018 年正式启动，项目为期 10 年68、，总研发投入规模达 10 亿欧元。旗舰计划实施分为两个阶段：旗舰计划实施分为两个阶段：1 1）导入期（2018-2021）：由地平线 2020 计划提供支持，投资总额预计为 1.32 亿欧元；2 2）发展期（2021-2027）：由“未来第九研发计划”（FP9）提供支持。第一阶段，计划将资助量子基础科学、量子计算、量子互联网、量子模拟和量子传感领第一阶段，计划将资助量子基础科学、量子计算、量子互联网、量子模拟和量子传感领域的域的 2424 个项目。个项目。欧洲议会、欧洲理事会和欧盟委员会正在磋商，以确保量子研发将在欧盟2021-2028 年的多年度财务框架中得到资助。受资助的项目中，超过三分之69、一为参与者是来自各行各业的工业公司，其中大部分是中小企业。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。19 表表5 5：欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目 量子通信方向量子通信方向 连续变量量子通信 CIVIQ ICFO，西班牙 基于 PIC 的 CV-QKD 系统，面向电信运营商的网络部署和应用验证 量子互联网联盟 QIA Delft，荷兰 基于量子中继器的量子隐形传态网络，连接量子计算平台物理比特 量子随机数生成器 QRANGE Geneva，瑞士 集成化 CMOS 工艺 SPAD，随机数产生速率70、 10Gbps 芯片化 QRNG 实用化量子通信 UNIQORN AIT，奥地利 InP 平台量子片上系统，可用于量子隐形传态、单光子 QKD和压缩态 量子计算量子计算+模拟方向模拟方向 离子阱 量子计算 AQTION Innsbruck，奥地利 可扩展离子阱量子计算物理平台及多激光器操作系统，全自动运行 开放超导量子计算机 OpenSuperQ Saarlanders，德国 开放式超导量子计算机硬件+软件+优化工具，50-100 量子比特 可编程原子大规模量子模拟 PASQuanS Max-Planck，德国 500 位中性原子和离子平台离子模拟器，面向离子退火与优化问题 级联激光器频率梳量71、子模拟 Qombs Consglio，意大利 光学晶格超冷原子离子模拟器，研究载波传输离子动态效应和传感 新一代量子计算应用 NEASQC Leiden，荷兰 研究、开发量子应用，利用 NISQ 含噪声量子系统解决实际问题，如药物发现、二氧化碳捕获、智能能源管理、自然预研处理等，旨在通过提供通用工具集吸引工业用户。硅中的量子大规模集成 QLSI fraunhofer，德国 为量子计算开发一种可拓展的硅量子比特技术 量子测量方向量子测量方向 金刚石色心量子测量 ATERIQS Thales,法国 固态金刚石 NV 色心探针，高动态范围多用途量子传感器 集成化量子钟 IqClock Amerste72、rdam，荷兰 集成化光原子晶格钟，小型化锶原子钟，超辐射原子钟 微型原子气室量子测量 MACQSIMAL CSEM，瑞士 基于 MEMS 原子蒸汽腔的量子陀螺、量子重力仪和气体传感器 金刚石动态量子多维成像 MetanoliQs Fraunbofer，德国 基于金刚石 NV 色心偏振器的超极核磁共振（MRI）医学成像 量子基础科研量子基础科研 二维量子 PIC 材料与器件 2D-SIPC ICFO，西班牙 用于可扩展集成光子电路（PIC）的二维量子材料和器件集成 微波驱动离子阱量子计算 MicroQC TCPA，保加利亚 微波控制微加热技术多比特离子阱逻辑门和量子处理器设计 亚泊松分布光子枪73、 PhoG Andrews，英国 集成化高确定性非传统光源，如亚泊松分布光源和多模纠缠光源 基于光子的量子模拟 PhoQuS Sorbonne，法国 基于多光子量子超流体和量子湍流转台的量子模拟新平台 量子微波计算和传感 QMICS Bayorlsche，德国 微波频段单光子探测，数米距离的量子微波互联分布式量子计算 可扩展二维量子PIC S2QUIP Kungliga，瑞典 小型通用化光源和集成光子电路，为量子通信提供信息载体 可扩展稀土离子量子计算 SQUARE KIT，德国 基于稀土离子材料的离子物理比特高密度集成和光学互联 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券74、股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。20 离子协调、合作与教育离子协调、合作与教育 量子旗舰的协调和支持行动 Qflag 欧盟 核心任务是建立一个学术界与工业界的旗舰社区，以准备和实施欧洲量子技术战略研究议程，将确定用例，分析并提供关键的量子技术基础设施，并动员欧盟成员国将量子技术从实验室推向商业阶段。量子技术国际合作 IncoQFlag 欧盟 旨在确定与美国、加拿大和日本等大量投资量子技术的国家合作的双赢局面 量子技术教育的协调和支持行动 QTEdu 欧盟 协助欧洲量子旗舰计划构建必要的量子学习生态，向社会教育普及量子科技 资料来源：Quantum Manifesto，国投证券研究中心 欧75、盟：大力投入基础设施，推进量子技术发展。欧盟：大力投入基础设施，推进量子技术发展。在量子旗舰计划中，欧盟也通过在量子基础设施等关键领域进行专门的投资，展示量子技术部署，例如，EuroQCI 欧洲量子通信基础设施部署规划和 EuroQCS 欧洲量子计算和模拟基础设施部署规划。量子通信方面，量子通信方面，通过EuroQCI 进行量子通信基础设施建设，联合 27 欧盟成员国和欧洲航天局共同设计、开发和部署最先进的量子通信地面和空天的基础设施。地面部分依赖于光纤通信网络，连接国内外战略站点。同时，空天部分利用卫星形成欧盟新的天基安全通信系统 IRIS。EuroQCI 结合地面和空天能力，旨在建立高度安76、全可靠的量子通信网络，并在安全数据传输和量子密码学等领域取得突破。量子计算方面，量子计算方面，EuroQCS 计划重点推进量子计算和模拟的基础设施，旨在将量子计算机和模拟器集成到欧洲的超级计算基础设施中，促进量子模拟和量子计算在各个领域的突破性研究。量子计算机被集成到选定主机上的现有超级计算机中。目前，欧盟的六个站点已被选中托管和运行首批 EuroHPC 量子计算机，包括捷克、德国、西班牙、法国、意大利和波兰。这些量子计算机将主要供欧洲用户用于研究和开发，惠及科学界、工业界和公共部门。图图10.10.量子旗舰计划构建欧洲量子生态量子旗舰计划构建欧洲量子生态 资料来源：Strategic Res77、earch and Industry Agenda,国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。21 图图11.11.欧洲量子技术部署方向欧洲量子技术部署方向 资料来源：Quantum Flagship 官网,国投证券研究中心 欧盟：布局四大研发方向，规划明确发展路线。欧盟：布局四大研发方向，规划明确发展路线。欧盟量子旗舰计划分别规划了量子通信、量子计算、量子模拟、量子传感与测量四大领域的短期、中期发展路线。短期来看，在量子通短期来看，在量子通信领域，信领域，欧盟注重开发用例和业务模型，开发光纤、自由空间和卫星链路的可信78、节点网络功能和互操作性；开发基于卫星的离子密码术等。在量子计算领域，在量子计算领域，欧盟计划短期实现容错用用量子计算机的实用策略，确定具有优势的算法和用例，启动更深的算法，与芯片和软件提供商联络，实现量子器件物理、量子位和栅极控制，实现与材料科学、理论物理学等领域合作。在量子模拟领域，在量子模拟领域，欧盟计划演示特定任务中的优势，利用量子模拟加快机器学习，提供控制水平和可伸缩性，扩大供应链，加强关键使能技术的开发等。在量子测量领域，在量子测量领域，欧盟计划短期建立可靠、高效的供应链，进行首次标准化，研发光电集成芯片，使用纳米加工等技术进行材料工程研发，建立新传感器技术的标准等。中期来看，在量子79、通信领域，中期来看，在量子通信领域，欧盟计划实现远距离量子中继器、至少 20 个量子位的量子网络节点、在独立于平台的软件中的量子网络应用程序、与设备无关的 QRNG 和 QKD 等。在在量子计算领域，量子计算领域，欧盟计划研发具有量子误差校正和强大量子位的量子处理器、优于传统计算机的通用门、具有量子优势的量子算法，建立能够制造所需技术的制造厂，研究材料、量子器件物理、量子位和栅极控制、量子存储器、光子学、RF、低温和超导体电子学、系统工程和器件封装等。在量子模拟领域，在量子模拟领域，欧盟提出与最终用户建立紧密联系，开发更多实际应用，提供更高程度的控制和可编程性的量子模拟器；使用量子模拟器解决化80、学、复杂量子系统和材料科学中的问题，与企业密切联系保持投资；开发带有计算机科学概念的软件；建立量子模拟和计算相关研究机构与企业之间的合作。在量子测量领域，在量子测量领域，欧盟提出发展技术和材料工程，将量子传感器推向市场；集成用于仪器自校准的量子测量标准；建立关键技术制造厂等。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。22 表表6 6：量子旗舰四大研发领域的未来发展路线量子旗舰四大研发领域的未来发展路线 领域领域 短期发展路线（短期发展路线（20242024-20262026）中期发展路线（中期发展路线（20272027-2030203081、）量子通信量子通信 1）开发用例和业务模型；2）开发光纤，自由空间和卫星链路的可信节点网络功能和互操作性；3）开发基于卫星的离子密码术；4）开发标准、量子随机数发生器（Quantum Random Number Generation,QRNG）和 QKD 的认证方法；5）开发测试套件；6）演示基于卫星通信的关键组件；7）标准化 QKD 卫星和地面站组件；8）改进了设备和组件的性能，解决与密码学和网络应用相关的参数基准；9）演示基本链接、应用程序协议等。1）远距离量子中继器；2）至少 20 个量子位的量子网络节点；3）在独立于平台的软件中的量子网络应用程序；4）与设备无关的 QRNG 和 QKD82、；5）使用基于卫星的纠缠；6）开放式开发基于结构，用于教育和吸引未来劳动力；7）建立强大的量子通信供应链。量子计算量子计算 1）容错用用量子计算机的实用策略；2）确定具有优势的算法和用例；3）启动更深的算法；4）与芯片和软件提供商联络；5）量子器件物理、量子位和栅极控制；6）与材料科学、理论物理学等领域合作；7）标准等。1）具有量子误差校正和强大量子位的量子处理器，优于传统计算机的通用门；2）具有量子优势的量子算法；3）建立能够制造所需技术的制造厂，包括集成光子、低温和超导电子产品；4）支持仪器制造商和软件公司；5）研究材料、量子器件物理、量子位和栅极控制、量子存储器、光子学、RF、低温和超导83、体电子学、系统工程和器件封装；6）扩展量子算法套件；7）优化编译器和编译库；8）演示自动化系统控制和调优；9）开发集成工具链和模块库，集成光学器件、低温和超导体电子器件；10）协调材料科学、理论和低温物理学、电气工程、数学和计算机科学领域研究；11）整合中小企业、大型企业和制造厂；12）和欧盟的基础设施计划、大型实验室和 RTOs 协调开展。量子模拟量子模拟 1）特定任务中的优势；2）利用量子模拟加快机器学习；3）提供控制水平和可伸缩性；4）与产业互动在复杂研究中应用；5）扩大供应链，加强关键使能技术的开发；6）认证和基准测试等。1）与最终用户建立紧密联系，开发更多实际应用；2）提供更高程度的84、控制和可编程性的量子模拟器；3）使用量子模拟器解决化学、复杂量子系统和材料科学中的问题，与企业密切联系保持投资；4）开发带有计算机科学概念的软件；5）建立量子模拟和计算相关研究机构与企业之间的合作。量子传感和量子传感和计量计量 1）建立可靠、高效的供应链，进行首次标准化；2）研发光电集成芯片；3）使用纳米加工等材料工程；4）建立新传感器技术的标准；5）量子电气标准雏形；6）可移动光学时钟原型；7）基于人造原子或量子光电系统的可移动电、磁、温度和压力传感器原型；8）量子增强型，超分辨型和/或亚散电噪声显微镜等。1）发展技术和材料工程，将量子传感器推向市场；2）集成用于仪器自校准的量子测量标准；385、)建立关键技术制造厂；4）基于生物医学应用的功能化材料、感应电场和磁场集成原子芯片，制造光电集成芯片实验平台；5）量子增强的测量和成像设备；6）商业产品，例如新型磁共振成像磁力计，高性能光学时钟和原子干涉仪；7）量子传感器网络以及增强型量子传感器网络。资料来源：Strategic Research and Industry Agenda，Quantum Flagship，国投证券研究中心 欧盟：明确量子技术关键绩效指标。欧盟：明确量子技术关键绩效指标。欧盟在量子旗舰计划中提出 2030 年计划实现的几大量子技术关键绩效指标，包括繁荣与就业、数字自治和技术领先、人民利益、凝聚力与多样性、量子通信86、、量子计算、量子模拟、量子传感与测量、教育和多样性九大方向。其中，在量子在量子通信领域，通信领域，欧盟提出创建跨领域的量子安全网络、具有卫星链路的互联光纤网络，以及利用纠缠性和量子中继器的远程量子通信网络；将欧洲所有国家连接到量子通信网络；结合后量子密码学，创建量子安全网络功能和密钥分发，用于 IoT、5G、SDN 和关键基础设施，以及利用远程量子处理器、时钟和传感器之间的远程纠错量子互联网应用。在量子计算方面，在量子计算方面，欧盟提出构建至少 1000 个物理量子位的全栈、高度连接、高保真度量子计算机，展示可扩展性能，并能够在相关的实际用例中超越经典计算机；为科学和技术用户提供欧洲量子计算基87、础设施，以超越当前最好的超级计算机。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。23 在量子模拟方面，在量子模拟方面，欧盟提出构建可编程的欧洲量子模拟器，能够模拟远超经典的难以计算的量子或经典系统的可能性；能够访问欧洲量子模拟设施，并在相关的实际用例中超越最好的超级计算机。在量子测量方面，在量子测量方面，欧盟提出广泛部署，使用量子传感器网络进行地面和天基的实际演示；可用性方面，工业界要开发量子产品生产和制造设施以及产学研试验线，以促进产品开发和快速创新；市场准备方面，面向高性能和大众市场的商业产品，以及基于全球公认的标准和可追溯的量子测量88、和校准服务，利用量子传感器扩展产品组合，以应对卫生、运输、导航和电信探索、科学和气候挑战。表表7 7：欧洲量子技术关键绩效指标梳理（欧洲量子技术关键绩效指标梳理（20302030）领域领域 关键绩效指标关键绩效指标 繁荣和就业 欧洲的量子产业在就业数量和质量/产量/市场份额方面属于世界前两大量子科技产业 数字自治和技术领先 不同领域价值链的完整性，在核心量子科技产业应用领域拥有领先的知识产权地位 人民利益 为欧洲公民在应用领域带来突破性的进步，使欧洲公民能够通过提高认识来充分利用了科技潜力 凝聚力和多样性 来自不同领域的量子科技跨成员国合作，包括工业、学术界和公共部门项目，以确保凝聚力和多样性89、 通信 创建跨领域的量子安全网络、具有卫星链路的互联光纤网络，以及利用纠缠性和量子中继器的远程量子通信网络；可访问性：将欧洲所有国家连接到量子通信网络；功能：结合后量子密码学，创建量子安全网络功能和密钥分发，用于 IoT、5G、SDN 和关键基础设施，以及利用远程量子处理器、时钟和传感器之间的远程纠错量子互联网应用。计算 能力：构建至少 1000 个物理量子位的全栈、高度连接、高保真度量子计算机，展示可扩展性能，并能够在相关的实际用例中超越经典计算机。可用性：为科学和技术用户提供欧洲量子计算基础设施，以超越当前最好的超级计算机。模拟 能力：构建可编程的欧洲量子模拟器，能够模拟远超经典的难以计算90、的量子或经典系统的可能性；可用性：能够访问欧洲量子模拟设施，并在相关的实际用例中超越最好的超级计算机。传感和计量学 能力：广泛部署，使用量子传感器网络进行地面和天基的实际演示。可用性：工业界正在开发自己的量子产品生产和制造设施，以及产学研试验线，以促进产品开发和快速创新，特别是对初创企业和中小企业。市场准备：面向高性能和大众市场的商业产品，以及基于全球公认的标准和可追溯的量子测量和校准服务，利用量子传感器扩展产品组合，以应对卫生、运输、导航和电信探索、科学和气候挑战。教育和多样性 教育和培训：在所有教育和技能水平上建立自我维持的泛欧量子技术教育计划。多样性和公平性：建立成熟和有效的计划，以解决91、、促进和实现泛欧范围内的包容性和公平性，涵盖量子技术的所有学术和工业相关层面。资料来源：Strategic Research Agenda&Key Performance Indicators，European Quantum Flagship，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。24 中国：多次强调量子科技关键技术前瞻战略布局，量子科技有望成为未来新质生产力。中国：多次强调量子科技关键技术前瞻战略布局，量子科技有望成为未来新质生产力。自 2006年以来，我国国家相关部委制定了一系列推动量子科技产业发展下相关政策92、。其中，2021 年12 月，国务院印发的“十四五十四五”国家信息化规划国家信息化规划 中明确提到，加强人工智能、量子信息、集成电路、空天信息、类脑计算、神经芯片、DNA 存储、脑机接口、数字孪生、新型非易失性存储、硅基光电子、非硅基半导体等关键前沿领域的战略研究和技术融通创新。此外，“十四五十四五”数字经济发展规划数字经济发展规划中亦明确提出增强关键技术创新能力，瞄准传感器、量子信息、网络通信、集成电路、关键软件、大数据、人工智能、区块链、新材料等战略性前瞻性领域，发挥我国社会主义制度优势、新型举国体制优势、超大规模市场优势，提高数字技术基础研发能力。20242024 年的政府工作报告中年的93、政府工作报告中，明确将量子技术列入未来产业，成为新质生产力的重要组成部分。3 月 29 日，国务院国资委国务院国资委遴选确定首批新质生产力的启航企业名单，重点布局了人工智能、量子信息和生物制药领域，量子科技再获重要关注。表表8 8：国内量子科技产业相关政策梳理国内量子科技产业相关政策梳理 年份年份 机构机构 政策政策 具体内容具体内容 2006.2 国务院 国家中长期科学和技术 发展规划纲要（2006-2020 年）重点研究量子通信量子通信的载体和调控原理及方法，量子计算，电荷-自旋-相位-轨道等关联规律以及新的量子调控方法，受限小量子体系的新量子效应，人工带隙材料的宏观量子效应，量子调控表征94、和测量的新原理和新技术基础等。2011.7 科技部 国家“十二五”科技发展规划 突破光子信息处理、量子通信量子通信、量子计算、太赫兹通信、新型计算系统体系、网构软件、大量数据处理、智能感知与交互等重点技术，攻克普适服务、人机物交互等核心关键技术。研发未来网络/未来互联网、下一代广播电视、卫星移动通信、绿色通道与融合接入、高性能计算与服务环境、高端服务器、大量存储与服务环境高可信如那件与服务、虚拟现实与智能表达等重大技术系统和战略产品。2016.3 全国人大 中华共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要 着力构建量子通信和泛在安全物联网，加快发展合成生物和再生医学技术，加速开发新一代核电装备95、和小型核动力系统、民用核分析与成像，打造未来发展新趋势。2016.5 国务院 国家创新驱动发展战略纲要 面向 2030 年在量子通信量子通信、信息网络、智能制造和机器人、深空深海探测、重点新材料和新能源、脑科学、健康医疗等领域，充分论证，把准方向，明确重点，再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目和工程。2016.12 国务院“十三五”国家信息规划 加强量子通信量子通信、未来网络、类脑计算、人工智能、全息显示、虚拟现实、大数据认知分析、新型非易失性存储、无人驾驶交通工具、区块链、基因编辑等新技术基础研发和前沿布局，构筑新赛道先发主导优势。加快构筑之智能穿戴设备、高级机器人、智能汽车等新兴智能终96、端产业体系和政策环境。2016.12 信息部 信息通信行业发展规划（2016-2020 年）发挥互联网企业创新主体地位和主导作用，以技术创新为突破，带动移动互联网、5G、云计算、大数据、物联网、虚拟现实、人工智能、3D 打印、量子通信等领域核心技术的研发和产业化。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。25 2017.5 科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会“十三五”国家基础研究专项规划 量子通信研究面向多用户联网的量子通信关键技术和成套设量子通信研究面向多用户联网的量子通信关键技术和成套设备，率先突破量子保密通信技术，97、建设超远距离光纤量子通信备，率先突破量子保密通信技术，建设超远距离光纤量子通信网，开展星地量子通信系统研究，构建完整的空地一体广域量网，开展星地量子通信系统研究，构建完整的空地一体广域量子通信网络体系，与经典通信网络实现无缝链接。子通信网络体系，与经典通信网络实现无缝链接。2018.1 国务院 国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见 拓展实施国家重大科技项目，加快实施量子通信与量子计算机、脑科学与类脑研究等“科技创新 2030重大项目”，推动对其他重大基础前沿和占了必争领域的前瞻布局。2018.7 中央办公厅、国务院办公厅 金融和重要领域密码应用与创新发展工作规划（2018 年-2022年）98、大力推动密码科技创新促进密码与量子技术、密码与量子技术、云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等新兴技术融合创新。2020.1 中央政治局 第二十四次集体学习 量子科技量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是意向对传统技术体系产生冲击，进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。2020.12 科技部 长三角科技创新共同体建设发展规划 聚焦量子信息量子信息、类脑芯片、物联网、第三代半导体、新一代人工智能、细胞与免疫治疗等领域，努力实现技术群体性突破，支撑相关新兴产业集群发展。2021.3 全国人大 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标99、纲要 加快布局量子通信量子通信、神经芯片、DNA 存储等前沿技术，加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新，支持数字技术开源社区等创新联合体发展，完善开源知识产权和法律体系，鼓励企业开放软件源代码、硬件设计和应用程序。2021.1 中共中央、国务院 国家标准化发展纲要 加强关键技术领域标准研究。在人工智能、量子信息、量子信息、生物技术等领域，开展标准化研究。2021.12 国务院“十四五”国家信息化规划 加强人工智能、量子信息、量子信息、集成电路、空天信息、类脑计算、神经芯片、DNA 存储、脑机接口、数字孪生、新型非易失性存储、硅基光电子、非硅基半导体等关键前沿领域的战略研究和技术融通100、创新。2022.1 国务院“十四五”数字经济发展规划 增强关键技术创新能力。瞄准传感器、量子信息、量子信息、网络通信、集成电路、关键软件、大数据、人工智能、区块链、新材料等战略性前瞻性领域，发挥我国社会主义制度优势、新型举国体制优势、超大规模市场优势，提高数字技术基础研发能力。2022.12 中共中央、国务院 扩大内需战略规划纲要（2022-2035 年）以需求为导向，增强国家广域量子保密通信骨干网络服务能力。在人工智能、量子信息、量子信息、脑科学等前沿领域实施一批前瞻性、战略性国家重大科技项目。2023.3 国家发改委 横琴鲁澳深度合作区鼓励类产业目录 在科技研发与高端制造产业中，包括量子通101、信量子通信技术等新机理计算机系统开发等。2024.1 工信部、教育部、科技部、交通运输部、文化和旅游局、国务院国资委、中国科学院 关于推动未来产业创新发展的实施意见 以实施意见为指南，围绕脑机接口、量子信息量子信息等专业领域制定专项政策文件，形成完备的未来产业政策体系，发挥行业协会等社会组织作用，推广先进的典型案例，营造推进未来产业发展的良好氛围。资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。26 1.3.1.3.产业：四大研究领域共创新需求产业：四大研究领域共创新需求102、 量子信息技术通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独家物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。量子信息主要包括量子计算、量子通信、量子测量、抗量子密码四大研究领域量子信息主要包括量子计算、量子通信、量子测量、抗量子密码四大研究领域。1 1）量子计算：）量子计算：基于量子力学的新型计算方式，利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控烟花实现计算处理。随着量子比特数量增加，量子计算算力可呈指数级规模拓展，理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力、以及攻克经典计算无103、解难题的巨大潜力。2 2）量子通信：）量子通信：利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传输的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生。从物理学角度看，量子通信是在物理极限原理下完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。3 3）量子测量：）量子测量：以量子力学为基础理论的，采用粒子能级跃迁、量子纠缠、量子相干等技术原理对微观粒子，如104、原子、光子等量子态制备、测量和读取，实现对物理参数如磁场、频率、电场、时间、长度等物理参数的高准确度精密测量。量子精密测量能够消除宏观实物基准各种参数不稳定所产生的影响，在待测物理量上可以获得前所未有的测量准确度，可以获得比实物基准高几个数量级的稳定性和准确度。4 4）抗量子密码：）抗量子密码：为了解决量子计算机对传统加密算法威胁的产物。其目标是设计新的密码学算法，能够在量子计算机的影响下依然保持高度安全性。这种新型密码学研究了在量子计算背景下仍然难解的数学难题，以及基于这些难题构建的新型加密算法。图图12.12.量子科技产业分类量子科技产业分类 资料来源：MckinseyQuantum Te105、chnology Monitor，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。27 四大领域研究与应用探索发展迅速，前景可期。四大领域研究与应用探索发展迅速，前景可期。量子科技作为前沿科技领域，其研究与应用探索正以前所未有的速度发展，展现出广阔的前景。量子计算利用量子比特的叠加态和纠缠态进行计算，有望解决传统计算机难以处理的复杂问题，未来可能在药物发现、材料科学、优化问题等领域实现重大突破。量子通信利用量子纠缠和量子密钥分发实现安全、高效的信息传输，未来目标是构建全球性的量子互联网，实现绝对安全的信息传输。量子测量利用量106、子系统的超高灵敏度，能够进行精密测量，未来将在精密工程、时间标准、物理常数测定等方面发挥更加关键的作用。抗量子密码旨在开发新的加密算法，确保在量子计算机时代的信息安全，将成为网络安全的新基石。总的来看，量子科技在多个细分领域都取得了显著进展，总的来看，量子科技在多个细分领域都取得了显著进展，其发展速度和应用潜力表明，量子科技将成为未来科技革命和产业变革的重要驱动力。其发展速度和应用潜力表明，量子科技将成为未来科技革命和产业变革的重要驱动力。图图13.13.量子信息四大领域的原理特性，发展定位及应用场景量子信息四大领域的原理特性，发展定位及应用场景 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用研究报告107、 2020，国投证券研究中心 量子计算：量子计算：20232023 年产业规模达到年产业规模达到 4747 亿美元，预计亿美元，预计 20352035 年总市场规模有望达到年总市场规模有望达到 81178117 亿美元。亿美元。根据 ICV 的报告，2023 年全球量子计算产业规模达到 47 亿美元，2023 至 2028 年的年平均增长率（CAGR）达到 44.8%，有望实现高速增长。2027 年，专用量子计算机预计将实现性能突破，带动整体市场规模达到 105.4 亿美元。在 2028 年至 2035 年，市场规模将继续迅速扩大，受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛108、应用，到 2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。我们认为量子计算作为新型的算力形态和模式，有望为社会带我们认为量子计算作为新型的算力形态和模式，有望为社会带来颠覆式创新，创造出许多新的应用需求，从而打开新的广阔市场空间，是量子科技领域最来颠覆式创新，创造出许多新的应用需求，从而打开新的广阔市场空间，是量子科技领域最值得关注的研发方向。值得关注的研发方向。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。28 图图14.14.全球量子计算产业规模（全球量子计算产业规模（20212021-20352035）（单位：十亿美元）（单位：十亿109、美元）资料来源：ICV2024 全球量子计算产业发展展望，国投证券研究中心 量子计算：上游产业规模显著增长，预计量子计算：上游产业规模显著增长，预计 20352035 年达千亿美元。年达千亿美元。从产业链来看，从 2023 年到2035 年，上游市场规模呈现出显著的增长趋势，市场总规模由 2023 年不到 20 亿美元增长到2035 年千亿美元。上游来看，量子比特环境量子比特环境市场规模的高速增长表明，在量子计算的演进中，提供稳定、可控的环境成为至关重要的因素。技术的不断进步推动了对量子比特环境的不断增加的需求，包括低温环境、低噪声等，因此投入在创造适宜的量子比特环境上不断增加。与此同时，量子110、比特测量与控制系统量子比特测量与控制系统市场规模增长有望实现较快增长，预计从 2023 年的几亿美元到 2030 年的 316 亿美元，最后增长到 2035 年的 1444 亿美元，跨越了 3 个数量级。测量和控制系统对于保持量子比特的相干性和实现量子计算任务至关重要，而技术的发展推动了对更为精密、高效的测量和控制系统的持续需求增加，带来庞大的市场需求。同样，量子芯片量子芯片市场规模到 2030 年以及 2035 年均有指数级别的增长。量子芯片作为量子计算的核心组件，对实现量子计算任务具有至关重要的作用。随着对量子计算性能要求的提高，对更先进、可扩展的量子芯片的需求持续上升，推动了市场规模的显111、著增长。图图15.15.全球量子计算上游产业规模（全球量子计算上游产业规模（2030&20352030&2035）（单位：十亿美元）（单位：十亿美元）资料来源：ICV2024 全球量子计算产业发展展望，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。29 量子计算：多种下游应用并驾齐驱，金融行业需求旺盛。量子计算：多种下游应用并驾齐驱，金融行业需求旺盛。从下游应用来看，根据 ICV 的报告，2035 年金融领域的应用市场份额有望达到 51.90%，主要源于金融行业对量子计算技术的深刻认可，特别是在风险管理、投资组合优化等方面112、的应用。量子计算的强大计算能力赋予其在解决金融难题上的优越性能，这使得金融领域有望对量子计算需求快速上升，市场份额得以快速扩大。排名二至五的应用方向还包括医药、化工、物流和安全等。排名二至五的应用方向还包括医药、化工、物流和安全等。此外，人工智能、量超融合、机人工智能、量超融合、机群架构等因素同样对市场产生了深刻影响。群架构等因素同样对市场产生了深刻影响。金融、医药等行业在人工智能算法的发展中寻求更强大的计算能力，而量子计算的崛起为其提供了更为强大的计算工具，有望部分替代传统的计算机方案，从而在市场格局中产生了深远的变革。这一多元因素的综合影响使得全球量子计算市场将在 2035 年呈现出多层次113、的发展格局。图图16.16.全球量子计算下游应用占比全球量子计算下游应用占比 资料来源：ICV2024 全球量子计算产业发展展望，国投证券研究中心 量子计算：对解决多种问题具颠覆式影响，金融与生命科学有望成为最具价值下游应用。量子计算：对解决多种问题具颠覆式影响，金融与生命科学有望成为最具价值下游应用。从金融、生命科学、航天与国防、化工、交通物流、自动化与装配、电气与天然气这七大潜在的量子计算下游应用场景来看，量子计算技术对金融行业在分解问题、最优求解问题、量子模拟语言和人工智能、采样与检索等多个问题类型表现出了颠覆性的影响，同时量子计算技术对生命科学领域的量子模拟和最优求解问题上也表现出了颠114、覆性的影响。因此，从长远来看，金融和生命科学领域有望成为最具价值的量子计算领域下游应用场景。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。30 图图17.17.全球量子计算下游应用未来价值展望全球量子计算下游应用未来价值展望 资料来源：MckinseyQuantum Technology Monitor 2023，国投证券研究中心 量子通信：产业规模预计超百亿，主要聚焦于中游设备。量子通信：产业规模预计超百亿，主要聚焦于中游设备。根据 ICV 预测，2021 年，全球量子通信市场规模约为 23 亿美元，预计到 2025 年增长到 153 亿115、美元，到 2030 年，增长到 421 亿美元。从产业链来看，量子通信市场规模集中度主要聚焦于中游。图图18.18.全球量子通信市场规模预测（全球量子通信市场规模预测（20212021-20302030）资料来源：ICV2022 年全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 25%21%15%65%59%57%10%20%28%0%20%40%60%80%100%202120252030上游中游下游2323亿美元亿美元153153亿美元亿美元421421亿美元亿美元行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。31 量子测量：市场规模稳步增116、长，未来规模有望超十亿美元。量子测量：市场规模稳步增长，未来规模有望超十亿美元。根据 ICV 预测，2022 年全球量子精密测量市场规模约为 9.5 亿美元，预计到 2029 年，市场规模增长到 13.48 亿美元，2022-2029年复合增长率约为 5.1%。图图19.19.全球量子精密测量市场规模预测（全球量子精密测量市场规模预测（20192019-2029E2029E）（单位：百万美元）（单位：百万美元）资料来源：ICV2022 年全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子测量：重点应用聚焦四大领域，近半为时间与频率的测量需求。量子测量：重点应用聚焦四大领域，近半为时间与频率的测量117、需求。根据 ICV 报告，2022年，量子时钟市场规模约为4.4亿美元，占比最高（46.3%），2022-2029年复合增长率约为4.9%；其次为量子磁测量，市场规模约为 2.5 亿美元，2022-2029 年复合增长率为 6.2%；然后为量子科研和工业仪器，市场规模约为 2 亿美元，2022-2029 年复合增长率约为 4.4%；最后为量子重力测量，市场规模约为 0.6 亿美元，2022-2029 年复合增长率约为 5.4%。图图20.20.全球量子精密测量市场份额预测（按产品技术领域划分）全球量子精密测量市场份额预测（按产品技术领域划分）资料来源：ICV2022 年量子测量产业发展报告，国118、投证券研究中心 8459131082134802004006008001000120014001600201920202021 2022E 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 2028E 2029E行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。32 抗量子密码：产业处于初期阶段，未来有望加速发展。抗量子密码：产业处于初期阶段，未来有望加速发展。PQC 市场增长与 PQC 标准化进程及量子计算机的实用化有较大关联。2023 年，PQC 产业规模仍处在初期成长阶段，约为 1 亿美元。根据 NIST 的 PQC 标准化工作119、预计完成的时间点来估计，预计 2024 年后，行业将加速发展，到 2030 年，全球 PQC 产业规模将达到 86 亿美元。图图21.21.全球抗量子密码产业规模预测（全球抗量子密码产业规模预测（20232023-2030E2030E，单位：十亿美元），单位：十亿美元）资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研究中心 论文和专利分析：量子信息四大领域科研技术创新持续活跃。论文和专利分析：量子信息四大领域科研技术创新持续活跃。近十年，量子信息科学研究和技术创新保持快速发展趋势，量子计算、量子通信、量子测量、后量子加密等领域科研论文和专利申请数量逐年递增。论文方面，量子计算是120、最大热点，论文数量增速明显加快，近年来超过其他领域总和，量子通信和量子测量保持平稳增长，PQC 从 2016 年起逐步成为研究热点，2023 年有 340 余篇相关论文。专利方面，量子通信专利的增长趋势较为稳定，量子计算专利申请在 2019 年超过量子通信并持续保持快速增长，PQC 专利近年来快速增长，2023年数量预计将达到 200 项。图图22.22.全球量子信息科研论文数量年度变化趋势全球量子信息科研论文数量年度变化趋势 图图23.23.全球量子信息专利申请数量年度变化趋势全球量子信息专利申请数量年度变化趋势 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 资料来源：121、信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。33 论文和专利分析：中美位于技术研发前列，我国量子通信领域研发实力领先。论文和专利分析：中美位于技术研发前列，我国量子通信领域研发实力领先。分国家来看，在量子信息各领域科研论文数量前十位中，中美占据前两位，在科研输出方面表现突出，量子通信我国论文数量远超其他国家；但从论文被引频次来看，我国与欧美相比仍有一定差距，高水平论文数量有待提升。图图24.24.量子计算领域科研论文数量前十位国家情况量子计算领域科研论文数量前十位国家情况 图图25122、.25.量子通信领域科研论文数量前十位国家情况量子通信领域科研论文数量前十位国家情况 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 图图26.26.量子测量领域科研论文数量前十位国家情况量子测量领域科研论文数量前十位国家情况 图图27.27.后量子加密领域科研论文数量前十位国家情况后量子加密领域科研论文数量前十位国家情况 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 论文和专利分析：超导路线为量子计算主流方案，量子密123、钥分发为目前量子通信主流方案。论文和专利分析：超导路线为量子计算主流方案，量子密钥分发为目前量子通信主流方案。从技术方向上看，在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；量子测量领域中，以原子钟为代表的时频基准方向专利占比接近50%，是技术创新与应用主力，磁场测量和惯性测量方向也有较多创新成果积累。0 010102020303040400 010001000200020003000300124、0400040005000500060006000发文量发文量篇均被引频次篇均被引频次0 010102020303040400 01000100020002000300030004000400050005000发文量发文量篇均被引频次篇均被引频次0 010102020303040400 050050010001000150015002000200025002500发文量发文量篇均被引频次篇均被引频次0 01010202030300 05050100100150150200200250250300300350350发文量发文量篇均被引频次篇均被引频次行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告125、版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。34 图图28.28.量子信息领域不同技术方向专利数量对比量子信息领域不同技术方向专利数量对比 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 论文和专利分析：中美均论文和专利分析：中美均处于量子科技领先水平，在不同领域各具优势。处于量子科技领先水平，在不同领域各具优势。全球各国量子信息领域的专利申请占比情况来看，量子计算领域，量子计算领域，美国技术创新活跃，专利申请占比达到 56%，中国位居第二，专利申请数量占比达到 26%；在量子通信和量子测量领域，在量子通信和量子测量领域，中国专利申请数量均处于全球领先，占比分别为126、 24%和 32%。图图29.29.量子信息三大领域各国专利申请占比情况（截至量子信息三大领域各国专利申请占比情况（截至 20222022 年年 9 9 月）月）资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2022，国投证券研究中心 企业分析：量子科技企业数量持续增多，支撑未来产业化落地。企业分析：量子科技企业数量持续增多，支撑未来产业化落地。根据信通院的报告，截至 2023年 9 月，四大研发领域的全球相关科技企业、初创公司、行业应用企业等共 552 家，其中量子计算相关企业 278 家，占比超过 50%，凸显出量子计算是全球技术产业竞争的关注焦点。全球量子测量和量子通信企业数量均在百家左右，占127、比约为 20%。随着 PQC 算法评选和标准制定进程的逐步明朗，PQC 相关企业数量达到 63 家。图图30.30.量子信息全球企业量子信息全球企业 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。35 企业分析：量子计算企业聚集欧美，量子通信企业国内占优。企业分析：量子计算企业聚集欧美，量子通信企业国内占优。从不同领域看，量子计算领域，量子计算领域，欧美地区企业聚集度最高，共有 175 家，全球占比超过 60%，反映出美国和欧洲是量子计算产业生态活跃地区，中国量子计算领域相128、关企业共有 35 家，不及美国一半。量子量子通信通信领域领域，中国企业数量最多，共有 42 家，美国仅有 13 家，欧洲有 27 家，侧面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量子密钥分发和量子保密通信的投资和推动力度差异。量子测量领域量子测量领域，欧美企业数量最多，共有 80 家，全球占比超过 60%，中国量子测量相关企业共 22 家，约为美国的一半。PQC 领域欧美平分秋色，共有相关企业 47 家，中国 PQC 企业数量仅 4 家，数量差距明显，未来 PQC 产业中国仍有待进一步发力。图图31.31.量子信息各领域企业数量量子信息各领域企业数量 资料来源：信通院量子129、信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 企业分析：从具体企业的国籍分布来看，企业分析：从具体企业的国籍分布来看，美国共有 158 家量子信息相关企业，全球占比超过四分之一。其中，谷歌、IBM、英特尔等科技企业已经成为量子计算领域业界标杆，IonQ、Quantinuum、PsiQ、AOSense 等初创企业创新驱动能力突出，在量子信息技术产业中拥有较为明显的先发优势。中国量子信息相关企业共 103 家。全球量子信息领域企业数量较多的国家还有加拿大、英国、德国、法国、日本、荷兰等，在未来技术产业发展中也拥有较强竞争力。图图32.32.量子信息企业国家分布情况量子信息企业国家分布情况 资料来130、源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 0 02020404060608080100100量子计算量子计算量子通信量子通信量子测量量子测量PQCPQC中国中国美国美国欧洲欧洲行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。36 企业分析：产业链逐渐成型，依托产业联盟推动发展。企业分析：产业链逐渐成型，依托产业联盟推动发展。量子计算目前仍处于应用和产业探索的初期，但气象、金融、石油化工、材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别等众多行业已开始关注和重视到其中的巨大发展潜力，开始于科技企业和初创企业合作探索，生态链不131、断壮大。其中，不同类型的产业联盟在量子计算生态建设中起到了巨大的推动作用。IBM 发起 Q Network 联盟，全球超过 100 家组织、160 个国家、20 万名用户使用其量子计算云服务，探索在人工智能、金融、智慧交通、生物医药、航天航空等的应用。微软成立“微软量子网络”和“西北量子联盟”，成员包括数十家企业及研究机构。加拿大成立了量子产业部（QIC），聚集了量子领域的 24 家公司，向全球的量子技术生态系统、人才和投资者宣传加拿大的量子准备，同时在省政府和联邦政府合作，从战略上支持量子技术之一新兴产业的发展。在产业配套设施设备供应链方面，精密机械、低温平台、真空室、微波器件、光学组件及系132、统等产业基础配套不断完善，既有 Janis Research 等老牌企业提供已有工业基础平台的共享，也有 ColdQuanta、Qblox 和 Quantum Microwave 当新兴企业推动助力发展。目前，目前，全球已有百余家量子计算初创企业，地域分布以美国、欧洲和加拿大最为密集，覆盖量子计全球已有百余家量子计算初创企业，地域分布以美国、欧洲和加拿大最为密集，覆盖量子计算技术栈的各个层级。算技术栈的各个层级。国际方面，国际方面，国际科技巨头在量子计算领域竞争激烈，是推动量子计算技术与应用加速发展的主要动力。IBM、Google、Microsoft、Intel、Honeywell、Amazo133、n 等美国科技巨头均已进军量子计算领域，具备资金投入雄厚、工程技术成熟、软件能力突出、云计算资源丰富等优势，开展包括量子计算硬件、软件算法、云服务及应用服务在内的全套研发。国内方面，国内方面，中国量子科技企业的发展格局主要由运营商、国盾量子、本源量子、研究院所和中国量子科技企业的发展格局主要由运营商、国盾量子、本源量子、研究院所和高校构成高校构成。其中，运营商在量子通信领域发挥着重要作用，积极推动量子密钥分发等技术的应用和发展；国盾量子作为国内量子通信领域的领军企业，不断突破关键技术，为我国量子通信产业提供有力支撑；本源量子则在量子计算机领域进行前瞻布局，在量子处理器硬件、开源软件平台和量子计134、算云服务等方面进行探索。此外，各大研究院所和高校在量子科技研究方面取得了一系列重要进展，为我国量子科技的发展提供了源源不断的创新动力。总体来总体来看，我国量子科技企业格局呈现出多元化、协同发展的良好态势。看，我国量子科技企业格局呈现出多元化、协同发展的良好态势。图图33.33.量子计算领域科技公司和初创企业分布量子计算领域科技公司和初创企业分布 资料来源：GQI 量子计算报告，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。37 投融资：事件及金额双增长，量子信息产业厂商不断孵化。从投融资事件数量来看，投融资：事件及金额双增135、长，量子信息产业厂商不断孵化。从投融资事件数量来看，根据信通院的报告，2017 年起企业投融资事件数量开始出现明显增长，与企业数量爆发式增长的时间趋势吻合。大量初创企业获得政府的赠与投资（Grant）和不同轮次的股权融资等风险投资。美国 DOE、NSF 和国防部（DOD）等政府部门的合同赠予投资占比较高，从 2018 年开始，每年都有约 20 笔赠予，占全部投融资数量 20%左右。风险投资中，种子轮和 A 轮占比最高，合计每年约占整体投融资事件数量的 40%50%，孵化器数量也在逐渐增加。可以看出，资本市场对量子信息领域关注度持续提升，但大多数企业仍处于早期投资阶段。表表9 9：全球量子信息初136、创企业十大融资事件（金额降序）全球量子信息初创企业十大融资事件（金额降序）公司公司 国家国家 技术领域技术领域 融资额（亿美元）融资额（亿美元）时间时间 SandboxAQ 美国 量子软件/PQC 5.00 2022 PsiQuantum 美国 量子计算 4.50 2021 IonQ 美国 量子计算 3.50 2021 Regetti Computing 美国 量子计算 3.45 2022 Arqit 英国 量子通信 3.45 2021 IonQ 美国 量子计算 3.00 2021 Quantinuum 英国 量子计算 3.00 2021 D-Wave Systems 加拿大 量子计算 3.0137、0 2022 PsiQuantum 美国 量子计算 2.30 2020 本源量子 中国 量子计算 1.45 2022 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 从投融资金额规模看，从投融资金额规模看，过去 5 年资本市场对量子信息领域企业的投资同样经历了一轮爆发式增长，2021 年和 2022 年均超过 20 亿元量级，超过过去十年总和。近两年来，量子信息初创企业获得的投融资数量和金额开始出现一定回落，一方面是全球疫情、经济衰退和美元加息等宏观层面影响，另一方面也有量子计算等初创企业技术产品和投资收益未达市场预期等具体原因。图图34.34.量子信息领域企业投融资事件数138、量与金额变化趋势量子信息领域企业投融资事件数量与金额变化趋势 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用 2023，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。38 2.2.量子计算：算力产业量子计算：算力产业的颠覆式创新，未来科技的锋利之矛的颠覆式创新，未来科技的锋利之矛 2.1.2.1.量子计算原理：量子比特实现量子优越性量子计算原理：量子比特实现量子优越性 量子比特利用量子叠加态原理实现处理信息量的指数级增长。量子比特利用量子叠加态原理实现处理信息量的指数级增长。经典计算机中最基本的单位被称为经典比特，经典比特拥有两种139、互斥状态“”，“”，在任意时刻只能处于其中任一状态。与之对应的量子计算机中基本单位被称为量子比特（quantum bit），它可以处于由两个基态|0，|1线性组合的任意叠加态。量子计算利用量子叠加与纠缠性质，其优势体现在量子并行性与本身的可逆过程中。量子并行性提供了量子计算巨大的计算潜力。量子并行性提供了量子计算巨大的计算潜力。当 N 个比特参与运算时，经典计算机参与运算的信息为 2N 个信息中的一个，量子计算时由于量子叠加性原理,其参与运算的态可以为 2N个。即经典计算处理信息的能力随着 N 的增加是线性增长的，量子计算随着 N 的增加处理能力是指数增长的。量子计算可逆过程代表量子计算过程随140、着比特数目和门数目的增加不会产生像经典计算发量子计算可逆过程代表量子计算过程随着比特数目和门数目的增加不会产生像经典计算发热的问题。热的问题。逻辑不可逆的过程对应着物理态自由度减少的过程，必然导致能量耗散。经典计算的很多门操作是逻辑不可逆过程，比如与非门，异或门等。在计算过程中必然带来计算信息自由度的减小，也就带来发热问题。随着计算力的增加，散热问题也是现在经典计算机不得不面对的问题。因为量子计算的门操作都是量子力学中的厄密操作其都是可逆的，所以理论上计算的过程不会产生发热问题。图图35.35.经典比特和量子比特的区别经典比特和量子比特的区别 资料来源：Quantum computation 141、and quantum information.Cambridge University Press，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。39 单个量子比特可以直观的由布洛赫球面上的一个向量来表征。单个量子比特可以直观的由布洛赫球面上的一个向量来表征。布洛赫球模型最初是由德国理论物理学家费里布洛赫（Felix Bloch）在 1929 年提出来的。布洛赫球是一种用于描述量子比特（quantum bit，或简称 qubit）状态的图形化工具。在布洛赫球上，两个计算基态分别位于球面的北极点和南极点，而一个单量子比特的142、状态可以用一个点表示，这个点的位置和方向对应着量子比特的状态。图图36.36.用布洛赫球表示的量子比特用布洛赫球表示的量子比特 资料来源：Qubits.top，国投证券研究中心 量子逻辑门通过操控量子比特的状态，实现通用逻辑门运算。量子逻辑门通过操控量子比特的状态，实现通用逻辑门运算。经典计算中有许多逻辑门：例如与门、或门、非门、与非门、或非门等等。每一种逻辑门完成一项简单的逻辑运算，但是它们的各种组合，便能够完成各种复杂的计算。量子计算中也有各种“量子逻辑门”，与经典逻辑门相对应。量子逻辑门的作用是将 Qubit 从一个状态变成另一个状态。可以用 2 维矩阵代数的语言来描述叠加态（Qubit143、）的变化。量子比特是布洛赫球面上一个矢量，Qubit 状态的演化，就是布洛赫球面上矢量的旋转。旋转是由用幺正（酉）矩阵表示的“量子逻辑门”引起的。矩阵（量子门）作用在矢量上，将 Qubit 的状态变成新的状态。许多量子门连在一起，量子计算便如此一步一步进行下去。所有 Qubit 的最后状态，便是计算得到的最后结果。图图37.37.几种量子逻辑门的矩阵和布洛赫球表示几种量子逻辑门的矩阵和布洛赫球表示 资料来源：墨子沙龙，国投证券研究中心 例如，最简单的量子门是量子非门（上图最左边的 X 门），类似于经典非门，实现 0、1 互换，量子非门实现|0|1或|1|0，另一个重要的量子门是 H 门（Had144、amard 门），它的作用是使基态变成叠加态：|0|0+|1，这样才有可能进行量子计算。除此之外，还有双比特的逻辑门如受控非门（CNOT 门）、三比特的逻辑门如托佛利门（CCNOT 门）等等。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。40 量子比特和量子逻辑门组成量子逻辑电路。量子比特和量子逻辑门组成量子逻辑电路。量子电路是用于量子计算的模型，是执行量子位状态的传送之路，但量子电路图只是貌似经典的电路图，实际上完全不同于传统电路，例如：实线并不一定是物理电缆。量子电路的目的只是定义事件的时间顺序：水平轴是时间，左边开始右边结束。量子门的145、时间顺序会对量子位的最终状态产生重大影响。类似经典电路，计算是一系列的量子门，但测量是经典电路没有的量子操作。多个量子电路结合，就构成了量子计算机，可以实现通用计算。图图38.38.简单的量子电路实例简单的量子电路实例 资料来源：墨子沙龙，国投证券研究中心 接下来我们以接下来我们以 DeutschDeutsch-JozsaJozsa 算法为例，来看一下量子计算在特定算法场景下的优越性。算法为例，来看一下量子计算在特定算法场景下的优越性。Deutsch 算法主要想解决以下的数学问题：x 是由 0 或 1 组成的任意 n 位二进制数（例如 n=3的 011，n=7 的 1010011 等），f(x146、)是一个常值函数（f(x)=0 或者 f(x)=1）或者是一个平衡函数（50%情况 f(x)=0，50%情况 f(x)=1），如何进行最少次数的计算，来确定 f(x)是常值函数还是平衡函数。经典计算机情况下经典计算机情况下，n 位二进制最多表示 2n 个数字，因为需要尝试(2n)/2+1 次计算，才能在比 50%多一次的情况下，判断函数 f(x)是常值函数还是平衡函数。而量子计算量子计算机下机下，只需要做一次尝试，就可以做出准确判断，为此我们需要构建以下的量子逻辑门电路：图图39.39.DeutschDeutsch-JozsaJozsa 算法的量子电路算法的量子电路 资料来源：Deutsch-147、Jozsa algorithms quantum circuit，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。41 在 这 个 量 子 线 路 中，H门 先 把 低 位 的n个 量 子 比 特|0n演 化 为 了210|0|11|22nnnxx=+=，这样所有可能的态|,0.0,0.1,.1.1x x=就叠加在一起了。最高位量子比特把|1演化为|0|12，和低位的 n 个量子比特一起，得到：21101|0|1|22nnxx=将其进入Uf矩阵进行运算。按照Uf矩阵的运算规则，如果()0f x=，则高位量子态不变，如果()1148、f x=，则高位量子态取反，演化为|1|02。综合而言，最高位量子态在经过Uf之后会演化为()|0|1(1)2f x，而低位的 n 个量子比特保持不变，因此得到：2121()()200|0|111|0|1|(1)|(1)|2222nnf xf xnnxxxx=对该量子态低处的n位做H门操作，也就是除了最高位以外，其他位的|0要演化为|0|12+，|1要演化为|0|12。对于任意|0和|1张成的|x，每一位都经过 H 门之后，会变成210|0|1|0|1|0|11.(1)|2222nx znzz=，其中x z 代表两个二进制数按位与。从上式可以看出，只有当,x z同时取 1 的时候，才会有一个-149、1 的系数。因此，最后 n+1 个量子比特的量子态表示为：2121()3001|0|1|(1)|22nnx zf xnxzz+=接下来只要对低位的 n 个量子比特进行测量，如果()(),0,1f xa a=是常值函数，则全0 量子态|000的系数为2100()01(1)(1)2nf xanx+=，无论a取 0 还是 1，系数的平方为 1，即对 n 为量子比特的测量，最后会坍缩为 100%的测出量子态|000。如果()fx是平衡函数，量子态|000的系数会由于()fx取0和1的等可能性而互相抵消，从而振幅平方为0，即不可能测出|000这个量子态。因此，我们只需要测量低位量子态是否为全 0 的|0150、00，若是则为常值函数，若不是则为平衡函数，从而通过通过 1 1 次函数运算，实现经典计算机次函数运算，实现经典计算机 2n2n 运算，实现量子计算机指数级加速运算，实现量子计算机指数级加速。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。42 ShorShor 算力利用量子纠缠和干涉的原理，实现对密码破解的指数级加速。算力利用量子纠缠和干涉的原理，实现对密码破解的指数级加速。另一种具备量子计算优越性的算法，就是 1994 年由 Peter Shor 提出的 Shor 算法。Shor 算法主要用于解决找出一个给定整数 N 的质因数的问题即整数151、分解问题，通过量子计算机实现 Shor 算法，可以将整数的质因数分解问题计算复杂度，从经典计算机的()nO n下降到()O n，实现指数级加速。Shor 算法所解决的问题为设一个很大的奇数 N，N 为两个质数 n1 和 n2 的乘积，现在已知 N求 n1 和 n2。主要计算步骤如下主要计算步骤如下：1）选择任意数字 a；2）计算 a 和 N 的最大公约数 gcd(a,N)。3）若 gcd(a,N)1 程序结束；4）否则，利用量子计算来周期查找函数 f(x)=ax mod N 的周期 r，也就是能够使得 f(x+r)=f(x)；5）若 r 是奇数，回到第一步；6.）若 ar/2=-1(mod N152、)，回到第一步。7）否则，计算 gcd(ar/2+1,N)与 gcd(ar/2-1,N)，他们至少有一个是 N 的因数。ShorShor 算法将求解质因数分解问题，转换为求解余数周期的问题，而这一问题又可以通过量子算法将求解质因数分解问题，转换为求解余数周期的问题，而这一问题又可以通过量子计算机来实现加速。计算机来实现加速。如下是查找函数 f(x)=ax mod N 的周期所构建的量子电路，首先我们构造两个量子寄存器 1 和 2，对寄存器 1 利用 H 门来形成叠加态的量子比特，然后利用量子的并行性，对所有的 f(x)同时进行求余数的计算，再利用量子的纠缠态，对寄存器 2 进行一次投影测量。此153、时由于纠缠的特性，周期信息被包含在了寄存器 1 的量子比特中。我们利用量子相干性，对寄存器 1 中的量子比特再做一次量子傅里叶逆变换（QFT），变换后量子比特中包含的周期信息转移到比特前的系数上，从而使得我们需要获取的量子比特值前的系数（即测量概率）会变大，而不需要的量子比特前的值会变小（甚至为 0）。对于变换后的寄存器 1再做一次测量，将测得的量子比特值通过连分数的计算，就可以得出函数的周期 r。图图40.40.ShorShor 算法的量子电路算法的量子电路 资料来源：Algorithms for quantum computation:discrete logarithms and fac154、toring，国投证券研究中心 ShorShor 算法实现密码破解的指数级算法实现密码破解的指数级加速，为量子计算机打开了应用空间。加速，为量子计算机打开了应用空间。2019 年 Craig Gidney等发表论文How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits，提出用表面码编码形成的容错量子计算，结合 Shor 算法以及近些年再此基础上的优化方法，可以在 20 万个错误率在 0.1%的量子物理比特上在 8 个小时内破解 2048 位的 RSA 密码。随着评估解决算法的持续进步，也有人提出了155、可以优化实现的方法可以进一步减小物理量子比特的数量。因此我们认为 Shor 算法的落地已经在未来可见的时间内，为量子计算的商用典型了算法基础。量子比特的物理实现依赖于一个服从量子力学基本原理的二能级系统，技术路径仍未量子比特的物理实现依赖于一个服从量子力学基本原理的二能级系统，技术路径仍未收敛。收敛。类似于经典计算机中使用二进制编码处理和保存信息，其中比特是信息的最小单元，量子计算机中，量子比特替代比特作为存储信息的最小单元。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。43 但不同于经典计算机中，物理实现路径已收敛至，通过外端输入的电压信156、号对晶体管进行开关控制从而实现 0 和 1 的转变，量子计算机目前仍处于早期发展阶段，物理实现方案众多，包括但不限于离子阱、光量子、核磁共振、超导电路等，但其本质均旨在构建一个服从量子力学基本原理的二能级系统，例如离子的能级、光子的偏振、原子核的自旋、超导电路的电磁场能量等。图图41.41.量子计算机的不同物理实现方案量子计算机的不同物理实现方案 资料来源：超导多比特电路的量子操控和量子多体物理研究郭秋江，国投证券研究中心 超导量子计算成为主流物理实现方案，理论基础是宏超导量子计算成为主流物理实现方案，理论基础是宏观量子现象观量子现象。尽管学界对最终哪一种物理体系能够率先实现通用量子计算尚未形157、成统一意见，但是超导量子计算长期被寄予厚望，因此我们以超导量子计算为例，看量子比特的物理实现。对于 BCS 超导体，当温度低于超导临界温度时，电子之间通过电声子相互作用形成库伯对，此时在外加电场的作用下，尽管存在大量的库珀对电子的运动，但与经典过程不同的是，他们运动的“步调一致”、相位相干。因此，这种大量库珀对电子的集体运动行为可以用单个波函数来描述，呈现出宏观量子现象，即该电路可以用量子电动力学来描述。图图42.42.经典电流示意图和超导电流示意图经典电流示意图和超导电流示意图 资料来源：超导多比特电路的量子操控和量子多体物理研究郭秋江，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算158、机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。44 超导量子比特是一个超导量子比特是一个利用约瑟夫森结非线性电路特性利用约瑟夫森结非线性电路特性所构成的二能级系统。所构成的二能级系统。结合上文，一个处在超导状态下的 LC 振荡电路会表现出谐振子的物理特性，但由于其能级间的间距是无差别的，即系统可能被激发到各个高激发态，因此不能直接用来做量子比特。此时我们引入约瑟夫森结，其类似三明治结构（在两个超导层中间夹一层很薄的绝缘层），具有宏观量子遂穿效应，可以作为非线性器件来使用。通过非线性器件的引入，我们得以构建不同能级间距的能级态，并选择其基态和第一激发态构成二能级系统。因此，超导159、量子比特本质上是一种，利用约瑟夫森结在极低温环境下的非线性电路特性，由人工构建二能级系统。图图43.43.振荡电路及能级图振荡电路及能级图 图图44.44.约瑟夫森结示意图与约瑟夫森结示意图与 SEMSEM 扫描图扫描图 资料来源：基于超导量子比特芯片的测控与量子模拟王战，国投证券研究中心 资料来源：基于 transmon qubit 的量子芯片工作环境的研究与优化孔伟成，国投证券研究中心 TransmonTransmon 型量子比特型量子比特是目前最流行的超导量子比特是目前最流行的超导量子比特。尽管理论上超导电路是无耗散的，但是由于电路尺寸太大，材料特性也不可能完美，导致现有工艺制备的超导量160、子比特与环境的耦合还是很强烈，退相干时间较短。因此在电荷、通量、相位三种超导量子比特原型的基础上，衍生出许多新的超导量子比特：如 Transmon 型量子比特、Fluxonium、0-量子比特、混合量子比特等。这其中，Transmon 型量子比特是目前最流行的超导量子比特，主要系结构简单、可扩展性好，并通过增大电容的方式降低了对电荷噪音的敏感度，从而提升了相干性，但代价是非线性比较弱。图图45.45.电荷、通量、相位三种超导量子比特电荷、通量、相位三种超导量子比特 图图46.46.T Transmonransmon 量子比特及其电路示意图量子比特及其电路示意图 资料来源：光子盒公众号，国投证券161、研究中心 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 超导量子比特具有设计可控性强、可扩展性好、易耦合和易操控等优势。超导量子比特具有设计可控性强、可扩展性好、易耦合和易操控等优势。超导量子比特的优点是在于制备工艺接近传统的半导体工艺，因此带来的好处包括：1）可以利用成熟的微加工技术完成芯片级的设计，使得超导体系的量子计算拥有接近经典计算机的高集成度潜力；2）一旦完成芯片线路设计就能快速利用成熟微加工产线加工出相应的芯片，试错时间成本低；3）与现有的微波电子技术结合紧密，工作频段在标准射频范围内，诸如电容、电感和传输线之类的电子元器件可以用来读出超导量子比特的状态，或者用来控制。行业深度分析行业162、深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。45 2.2.2.2.量子计算机：从量子计算机：从 NISQNISQ 向向 FTQCFTQC 迈进，技术路线较为多元迈进，技术路线较为多元 从量子计算机的演进来看，主要分为从量子计算机的演进来看，主要分为 5 5 个阶段。个阶段。1 1）量子优越性展示：）量子优越性展示：由计算领域成熟企业引导，完成初步的概念验证。IBM 早在 1990 年代就建立了专门的量子计算研究团队；Google团队首次证明了量子优越性等；2 2）进入中等规模含噪声（）进入中等规模含噪声（NISQNISQ）时代：）时代：初创企业以及大部分163、科研机构开始加入硬件研发以及纠错的行列，全面推进各个技术路线发展；3 3）专用量子）专用量子计算机实现多种核心应用示范：计算机实现多种核心应用示范：各技术路线的专用量子计算机不断涌现，并且中下游的量子软件企业，将在这一阶段迅速增长。将优先在金融、医药、化工、汽车、机器学习等领域替代经典计算机，产生多种核心应用范例；4 4）研制出可纠错的通用量子计算机：）研制出可纠错的通用量子计算机：各技术路线间的优劣势开始逐渐被放大，或将收敛到单一或几条特定路线，纠错成本大幅降低。由下游新应用场景的需求驱动产业链进一步细化，产业链上游话语权增加，产线扩张直至供需平衡；5 5）进入全面容错量子计算（）进入全面容164、错量子计算（FTQCFTQC）时代：）时代：运算错误率接近或小于经典计算机，量子比特数量将达百万量级。但即使计算机产业进入全面容错的量子计算时代，量子计算机和经典计算机依旧将并存，各自发挥优势，二者并非完全替代关系。当前我们正处于当前我们正处于 NISQNISQ 阶段，而从阶段，而从 NISQNISQ 向向 FTQCFTQC 的跨越，是量子计算机从技术探索向规模的跨越，是量子计算机从技术探索向规模商用迈进的重要过程。我们将这两者分别定义如下：商用迈进的重要过程。我们将这两者分别定义如下：NISQNISQ 时代（时代（Noisy IntermediateNoisy Intermediate-Sc165、ale QuantumScale Quantum，中等规模含噪声），中等规模含噪声）：一些参与者强调使用更适度、嘈杂、中等规模的量子设备可能会更快实现。这避免了量子纠错所需的巨大开销，而是寻求在少量步骤（浅电路深度）完中成计算，以便每个物理量子比特门引入的错误不会变得难以处理。门模型量子计算机要在实际应用中获得广泛的量子优势，可能需要 99.99%+的 2Q保真度。增强的甚至是针对特定问题的量子比特连接也可能非常重要。将需要与经典处理进行低延迟集成。FTQCFTQC 时代（时代（Fault Tolerant Quantum ComputationFault Tolerant Quantum C166、omputation，大规模纠错容错量子计算机），大规模纠错容错量子计算机）：对于某些应用，我们只需要“几个量子比特”。此类应用的早期示例通常位于量子计算、网络安全和量子通信的交叉点；这种重叠有望最终发展成为量子互联网，并通过传感器发展成为量子物联网。这里的不同权衡最终可能适合不同的量子比特平台。能够在更高、更容易部署的温度下提供一些相干寿命可能是一个有用的优势。图图47.47.量子计算发展生命周期图量子计算发展生命周期图 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。46 通用量子计算机的实现需要167、满足通用量子计算机的实现需要满足 DiVincenzoDiVincenzo 的的 5+25+2 技术准则。技术准则。2000 年，IBM 研究员 David P.DiVincenzo 提出了构建可行的量子计算机的 5 条技术准则和量子通信的两条准则，只有满足准则的物理体系,才有望构建出可行的量子计算机。这 7 条准则分别为：（1）表征量子比特（2）量子比特有足够的相干时间（3）量子比特可以初始化（4）可以实现通用的量子门集合（5）量子比特可以被读出（6）静止量子比特和飞行量子比特相互转换的能力（7）在指定位置之间忠实地传输飞行量子比特的能力。表表1010：DiVincenzoDiVincenz168、o 关于量子计算机五条技术准则的解释关于量子计算机五条技术准则的解释 标准标准 示意示意 含义含义 表征量子比特 在可扩展物理体系中，要能很好的表征（定义）量子比特。需要一个由多比特组成的，用来存储信息的量子寄存器。在量子体系中，一种能够物理上实现量子比特的最简单的方式，莫过于利用二能级物理体系。例如：电子自旋、自旋为 1/2 的原子核等。同时使用几种类型的量子比特可能是实现可行的量子计算机最有前景的方式。量子比特有足够的相干时间 当经典计算机无法重置时，即使其处理过程非常正确，所得的计算结果也不会令人信服。因此初始化对于经典计算机和量子计算机来说都是一个重要的部分。量子比特可以初始化 对于一169、台内存比较大的经典计算机，需要通过一系列的逻辑门操作，把数据编码到内存上去。对于量子计算来说需要在内存上应用任意的逻辑操作门，去完成有用的量子信息处理过程。可以实现通用的量子门集合 对于量子计算，需要测量运算量子算法之后的状态以提取计算结果，测量过程在很大程度上取决于所考虑的物理系统。由于退相干（量子比特非常脆弱，它对外界的微扰极其敏感，量子比特的计算状态如果由于外界影响发生变化称为退相干），量子门操作误差等原因，测量通常没有 100的准确性。如果是这种情况，必须重复多次相同计算，以达到合理且比较高的置信度。量子比特可以被读出 建造一个可实用的量子计算机，退相干的问题可能是一个最大的障碍。由于170、系统会和环境有相互作用，退相干也就意味着量子态的诸多方面都会退化，同时也会限制量子计算的最大有效时长。资料来源：光子盒公众号，量子客公众号，国投证券研究中心 当前量子计算机在物理实现上，分为多种技术路线，其中超导和离子阱路线相对领先。当前量子计算机在物理实现上，分为多种技术路线，其中超导和离子阱路线相对领先。围绕量子计算的一大热点问题是哪种硬件技术将最终胜出，目前主要有五个资格充足且经过充分论证的候选方案正在竞争，分别为超导、离子、光量子、半导体量子点和冷原子(或称为中性原子)。这些方案都是在 20 世纪 90 年代开创性的物理实验和实现中开发的。目前，以超导目前，以超导电路和离子阱技术搭建的171、量子计算系统基本满足电路和离子阱技术搭建的量子计算系统基本满足 DiVincenzo DiVincenzo 标准的标准的 5 5 个条件，而光个条件，而光量量子系子系统在第统在第（3 3）条的受控非门方面较难实现。条的受控非门方面较难实现。从量子计算的物理实现要求和现今技术发展情况来看，超导和离子阱的量子计算实现系统当前比较成熟。此外，国际上正在尝试的量子计算系统的物理实现还有中性原子、硅自旋、拓扑、NV 色心和量子点等约十种方式。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。47 图图48.48.量子计算机主要技术路线和参与公司量子计算机172、主要技术路线和参与公司 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 超导量子计算机方案是目前国际上进展最快的方案。超导量子计算机方案是目前国际上进展最快的方案。原理上，超导量子计算技术使用电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特这三种方式来形成量子比特。目前普遍采用的 Transmon 量子比特，是一种基于电荷量子比特的改良的设计，该设计可以减小量子比特对于电荷噪声的敏感度，从而提高退相干时间，使得测量操纵变得更加容易。图图49.49.超导量子计算机示意图超导量子计算机示意图 图图50.50.超导量子计算技术超导量子计算技术 资料来源：国盾量子官网，国投证券研究中心 资料来源：Science，国173、投证券研究中心 超导量子比特是人造原子，在操控、耦合、测量、扩展等方面具有独特的优势。超导量子比特是人造原子，在操控、耦合、测量、扩展等方面具有独特的优势。目前超导量子技术路线的难点在于易受环境噪音影响，而导致退相干时间短。但该技术路线的发展并无原则性障碍。当前的发展主要侧重于可控耦合量子比特的数目与可以连续进行的高保真度多量子比特逻辑操作次数的继续提高。长远来看，该条技术路线在未来比较容易实现规模化。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。48 表表1111：中美超导量子计算机进展中美超导量子计算机进展 中国中国 美国美国 时间时间174、 进展进展 时间时间 进展进展 2018 年 中科大、浙江大学等联合实现11 位超导量子比特纠缠 2019 年 谷歌报道53位比特处理器“悬铃木”，量子随机路线采样问题中首次实验验证量子计算优越性。2019 年 中科大实现 24 位超导量子比特处理器，并进行多体量子系统模拟；同时，清华大学利用单量子比特实现精度 98.8%的量子生成对抗网络，未来可应用于图像生成等领域。2019 年 1 月，IBM 展示具有 20 位量子比特的超导量子计算机，并在 9 月将量子比特数量更新为 53 位。2019 年 本源量子研发了适用于 20 位量子比特的量子测控一体机，用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键信175、号，实现量子芯片操控。2020 年 IBM 推出 65 位比特样机“蜂鸟”，在德、日、英等国开展部署，通过云平台向部分用户开放 2021 年 5 月 中科大报道 62 位“祖冲之”处理器实验演示二位量子随机行走 2021 年 谷歌发布路线图预测 2029 年实现百万位量子比特和可纠错量子计算 2021 年 10 月 中科大报道 66 位处理器在与Google 相同问题中，以更大优势验证量子计算优越性。2021 年 11 月 IBM 推出 127 位量子比特 Eagle 处理器 2021 年 本源量子发布超导样机研发计划，预计 2025 年达 1024 位比特。2022 年 2 月 Regett176、i 上线 Aspen-M80 量子比特系统，预计明年初发布 84 个量子比特单芯片处理器 Ankaa。2022 年 7 月 阿里报道实现 Fluxonium 系统中双比特门的 99.72%保真度。2022 年 5 月 IBM 发布 433 量子比特 Osprey 处理器 2022 年 8 月 百度发布超导量子计算机乾始。2023 年 IBM 推出 1121 位量子处理器 Condor 2023 年 中科大在 66 位超导量子处理器“祖冲之二号”基础上新增110 个耦合比特控制接口，使可操纵比特数达到 176 位 2023 年 Regetti 推出 84 位量子比特单芯片量子处理器 Ankaa-177、1。2023 年 中科院物理所利用 41 位超导量子芯片“庄子”模拟“侯世达蝴蝶”拓扑物态。2023 年 谷歌使用超导量子处理器模拟操控非阿贝尔任意子，并通过编码创新新型量子纠缠态 资料来源：信通院，国投证券研究中心 离子阱量子计算机至今已经发展离子阱量子计算机至今已经发展 20 20 余年，与超导量子计算的发展旗鼓相当余年，与超导量子计算的发展旗鼓相当。原理上，其利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告178、版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。49 图图51.51.离子阱芯片离子阱芯片 图图52.52.离子阱技术示意图离子阱技术示意图 资料来源：霍尼韦尔官网，国投证券研究中心 资料来源：How small startups are vying with corporate behemoths for quantum supremacy，国投证券研究中心 离子阱技术的优势在于相干性好，可纠缠量子比特数目多，逻辑门保真度高。离子阱技术的优势在于相干性好，可纠缠量子比特数目多，逻辑门保真度高。离子阱的劣势表现为量子比特操纵速度相对较慢，并且随着量子比特数量的增加，其操纵仍有技术困难。离179、子阱技术在应用方面，除量子计算机外，还广泛应用于量子化学、相对论量子力学、量子热力学等领域的量子模拟研究。表表1212：国内外离子阱量子计算机进展国内外离子阱量子计算机进展 中国中国 海外海外 时间时间 进展进展 时间时间 进展进展 2018 年 中科大分别实现相干时间最长的离子阱体系量子储存 2019 年 IonQ已实现79位光量子比特和160位存储量子比特。2020 年 清华大学、中山大学和启科量子等研究机构和公司在离子阱路线有所布局和研究。2019 年 霍尼韦尔的离子阱量子比特装置已进入测试阶段 2021 年 1 月 清华大学交叉信息院金奇奂研究组在离子阱系统中首次将单量子比特相干时间提180、升至 1 小时以上，即 5500 秒。2020 年 IonQ 发布 32 位数比特离子阱样机，预计在 2025年比特数达到 64 位。2021 年 9 月 中山大学物理与天文学院罗乐教授研究团队实现了离子阱中量子比特微运动抑制的自动化处理，这是国际上首次把神经网络技术应用于囚禁离子量子比特的微运动控制。2020 年 10 月 IonQ 公司报道仅依靠 32 位高质量全连接的量子物理比特即可实现四百万量子体积性能指标，将该指标直接推向指数增长区间。2022 年 1 月 清华大学交叉信息研究院段路明研究组在离子阱量子信息处理领域取得重要进展，首次实现对长离子链的高效协同冷却，获得接近全局激光冷却的181、极限温度，为多离子比特量子计算准备了技术基础。2020 年 11 月 MIT 林肯实验室报道实现基于集成光学的离子阱处理芯片 2021 年 Honeywell 报道基于电荷耦合器架构的 10 位高保真比特原型机“H1”，预计在 2023 年实现 40 位量子比特原型机“H2”，2030 年实现基于集成光学栅格的模块化百位量子比特样机。2023 年 2 月 启科量子发布了国内首台模块化离子阱量子计算工程机 1.0“天算 1 号”，综合工程化水平进入国际先进行列。2022 年 6 月，Quantinuum 的 Model-H1 离子阱量子计算机扩展到 20 全连接量子比特，9 月实现量子体积指标 182、8192 新纪录。2023 年 4 月 华翊量子发布 37 位量子比特离子阱原型机HYQ-A37。2022 年 3 月 3 月 29 日，IonQ 报道钡基离子阱处理器的保真度达到 99.96%2023 年 12 月 启科量子在离子阱量子计算工程机上成功实现量子速度极限测试 2023 年 Quantinuum宣布其32位全连接量子比特离子阱原型机 Model H2 的单比特和双比特量子逻辑门保真度达到 99.997%和 99.8%，量子体积指标达到524288，成为业界最新纪录。资料来源：信通院，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项183、声明请参见报告尾页。50 光量子是除超导量子和离子阱之外研究进展较快的技术路线。光量子是除超导量子和离子阱之外研究进展较快的技术路线。原理上，光量子计算机利用光子的偏振、路径、轨道角动量、时隙等自由度，将其编码量子比特的技术路线实现。根据是否支持逻辑门和量子纠错等操作，光量子可进一步分为逻辑门型和非逻辑门型两类：（1）逻辑门型光量子计算是未来实现通用量子计算的发展方向（2）非逻辑门型光量子计算，如玻色采样和相干伊辛系统等，可用于组合优化和图论问题求解等专用计算问题。光量子的技术优势主要体现在，光子不易于受到外界环境影响，所以由光子编码成的量子比特抗退相干能力强。同时，由于光子具有多个自由度的特184、性，可以用更少的光子数实现更多的物理量子比特。由于光子之间相互作用非常微弱,传统的光量子计算机技术只能实现光子的概率性逻辑门(对应确定性逻辑门)，这也是光量子技术路线实现通用量子计算道路上目前最大的阻碍。不过目前已有一些光量子方案实现了确定性和可重构性。表表1313：国内外光量子计算机进展国内外光量子计算机进展 中国中国 海外海外 时间 进展 时间 国家/地区 2019 年 中科大已实现 18 位光量子纠缠操控，处于国际领先地位。2022 年6 月 加拿大：Xanadu报道Borealis光量子计算机完成216压缩高斯玻色采样实验，在此验证光量子计算优越性。2019 年 中科大实现了高保真的单185、比特逻辑门 2020 年 中科大在量子计算研究探索方面处于领先，实现 50 位光量子物理比特纠错操控和玻色取样实验。2020 年 上海交大在基于光子集成的光量子芯片领域开展了布局研究。2020 年12 月 76 光子单模压缩光学实验系统九章，在高斯玻色采样问题中实验验证量子计算优越性，2021 年报道进一步提升为 113 光子，在相同问题中更大优势验证量子计算优越性。2023 年 中科大联合团队发布 255 光子的“九章三号”光量子计算原型机，进一步提升了高斯玻色采样速度和量子优越性。2022 年8 月 德国：马克思-普朗克研究所报道实现 14 个光子纠错操控新纪录 2023 年 玻色量子发布186、了 100 量子比特相干光量子相干伊辛机“天工量子大脑”，并与中国移动合作开展图像渲染算力调度优化等任务的可行性验证。2023 年 中科大联合团队发布 255 光子的“九章三号”光量子计算原型机，进一步提升了高斯玻色采样速度和量子优越性。2023 年 玻色量子发布了 100 量子比特相干光量子相干伊辛机“天工量子大脑”，并与中国移动合作开展图像渲染算力调度优化等任务的可行性验证。资料来源：信通院，国投证券研究中心 图图53.53.光量子光学装置光量子光学装置 图图54.54.光量子技术光量子技术 资料来源：Quantum computational advantage using photon187、s，国投证券研究中心 资料来源：Quantum circuits with many photons on a programmable nanophotonic chip，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。51 量子点技术利用半导体工艺，更容易实现芯片化，但相干性和比特数仍需提升。量子点技术利用半导体工艺，更容易实现芯片化，但相干性和比特数仍需提升。半导体量子点可以作为量子比特，也叫自旋量子比特。量子点是一种纳米大小的半导体粒子，一般为球形或类球形。由于这种纳米半导体粒子拥有限制电子和电子空穴的特性，这一特性188、类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。常见的量子点有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点和砷化铟量子点等。其中，半导体量子点或量子自旋技术路线是利用半导体量子点中的电子制造量子比特，将其电子的自旋方向编码为量子态用来存储量子信息。半导体量子点计算机结合了当前的半导体工业技术，未来可以快速实现产业化，同时由于半导体量子比特体积较小，较超导技术路线和光量子技术路线而言更容易实现芯片化。但是，当前半导体量子比特的数量较少，且相干性较弱。中性原子技术中性原子技术/冷原子技术冷原子技术，实现长相干时间，但比特之间的相互作用较难。，实现长相干时间，但比特之间的相互作用较难。中性原子是指核外电子等于核内189、质子数的原子，具有全同性且处于低能态的特点。原理上，中性原子量子计算机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。该技术在时间和操控精度等特性与离子阱路线相似，而在规模化扩展方面更具优势。当前中心原子技术路线尚不成熟，包括需要特定技术来实现量子比特之间的相互作用，从而制备纠缠态的比特对，以及在操作精度和设备成熟度方面的挑战。针对不同的技术路线，可以用量子体积这一指标来衡量不同量子计算机的性能。针对不同的技术路线，可以用量子体积这一指标来衡量不同量子计算机的性能。由于当今量子计算机使用了不同的技术路线和指标，很难对比机器的整体性能。不同技术路线的量子计算机不能只从190、量子比特的数量来衡量，而忽略了影响计算能力的其他重要因素。为了衡量不同技术路线下的量子计算机性能，需要建立一套指标体系。2017 年，IBM 的研究人员引入了量子体积 Quantum Volume(QV)这一与硬件无关的指标进行简单的量子计算机性能衡量。量子计算机的 QV 越大，它可以解决的问题就越复杂。从量子体积的衡量指标来看，量子比特的数量和可以执行的操作数量称为量子电路的宽度和量子比特的数量和可以执行的操作数量称为量子电路的宽度和深度。深度。量子电路越深，计算机可以运行的算法就越复杂。量子电路深度受诸如量子比特数量、量子比特互连方式、门和测量错误、设备串扰、电路编译器效率等因素的影响。相191、干性是另相干性是另一个影响量子体积的重要因素。一个影响量子体积的重要因素。相干时间 T1 表示量子比特自然弛豫的时间，即处于高能状态的量子比特自然会衰减到低能状态，与这种衰减相关的时间称为相干时间 T1。相干时间 图图55.55.硅半导体技术示意图硅半导体技术示意图 图图56.56.中性原子技术原理中性原子技术原理 资料来源：How small startups are vying with corporate behemoths for quantum supremacy，国投证券研究中心 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证192、券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。52 T2 表示量子比特受环境影响的时间，即量子比特也有可能与环境相互作用并在弛豫到|0状态之前遇到相位错误，与这种衰减相关的时间常数称为相干时间 T2。此外，保真度对量子体积也有重要影响。保真度对量子体积也有重要影响。量子计算机通过操纵比特的状态来执行计算-将比特从 0 更改为 1，将 1 更改为 0。保真度是衡量尝试翻转导致正确量子比特状态两个量子态“接近程度”的度量。由于环境噪声及量子处理器自身品质的影响，实际量子处理器执行结果往往与理想情况下经过量子门操作得到的结果有一定的偏差。这种偏差可以用理想量子态和实际量子态之间的保真度来衡量。保真度数值越193、大，代表偏差越小，系统的计算结果就越好。计算的准确性取决于以非常高的成功率或“保真度”执行这些“比特翻转”的能力。霍尼韦尔量子计算系统 99.997%的单个量子比特操作保真度是目前所有可寻址量子比特技术中报告的最佳性能。图图57.57.影响量子体积的因素影响量子体积的因素 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 表表1414：量子计算机性能对比量子计算机性能对比 超导超导 离子阱离子阱 光量子光量子 硅半导体硅半导体 中性原子中性原子 量子比特规模（光子/原子/量子点）433(IBM)37(华翊量子)255(中科大)16(TUDelft)1180(Chicago)单比特逻辑门 保真度 99.194、99%(Maryland)99.9999%(Oxford)99.84%(华中科大)99.96%(SQC)99.9953%(精测院)双比特逻辑门 保真度 99.92%(MIT)99.92%(NIST)99.69%(华中科大)99.65%(TUDelft)99.5%(Harvard)SPAM 读取 保真度 99.2%(ETH Zurich)99.9904%(Quantinuum)98%(赋同科技)97%(Princeton)99%(QuEra)T1 时间 1.2 ms(Maryland)数百 s 量级 数百s 量级 数百 ms 量级 数百 s 量级 T2 时间 1.48 ms(Maryland)5195、500s(清华)数百s 量级 0.23 ms(UNSW)407s(Atom Computing)门速度 24 ns(中科大)sms 量级 nss 量级 nss 量级 数百 ns 量 资料来源：信通院，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。53 当前量子计算机参与者主体较为多元，主要参与者可分为四大类当前量子计算机参与者主体较为多元，主要参与者可分为四大类：第一类是国际科技巨头，例如 IBM、谷歌、霍尼韦尔等；第二类是量子计算初创公司，例如 Rigetti、IonQ 等；第三类是国家科研院所，例如美国费米国家实验室(196、Fermilab)、美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、中科院量子信息与量子科技创新研究院；第四类是高水平研究型大学，例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。其中我们看到，超导和离子阱技术参与的企业和科研机构最多，也反映了这两种技术路线的成熟度较高。表表1515：量子计算机主要参与者量子计算机主要参与者 技术路线技术路线 机构类型机构类型 采用机构采用机构 超导 学术团队 加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)、耶鲁大学、麻省理工学院(MIT)、美国国家标准与技术研究院(NIST)、加州大学伯克利分校、马里兰大学、芝加哥大学、荷兰代尔夫特大学(TU De197、lft)、瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)、中科大中科大、清华大学、浙江大学浙江大学、南京大学、南方科技大学、日本理化学研究所(RIKEN)、北京量子院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、中国科学院物理研究所、法国 CEA 研究中心、IBM 苏黎世研究所 公司 IBMIBM、谷歌、谷歌、RigettiRigetti、D D-WaveWave、英特尔、NEC、OCI、Oxford Ouantum、本源量子、本源量子、国盾量子、量旋科技、国盾量子、量旋科技、亚马逊 离子阱 学术团队 哈佛大学哈佛大学、MIT、马里兰大学、杜克大学、牛津大学、清华大学清华大学、国防科技大学、中科大、中国人民大学198、、中山大学、中科院量子信息重点实验室、因斯布鲁克大学、苏塞克斯大学(Sussex)、NISTNIST、Sandia Sandia 国家实验室国家实验室、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、北京量子院 公司 霍尼韦尔、霍尼韦尔、IonQIonQ、Alpine Quantum Technologies(AQT)、Unversal Quantum、启科量启科量子子 光量子 学术团队 牛津大学牛津大学、MIT 电子研究实验室、维也纳大学量子科学与技术研究中心、布里斯托大学量子光学研究中心、昆士兰大学量子计算与量子通信技术研究中心、中科大中科大、南京大学、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室、199、RIKEN 日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院 公司 XanaduXanadu、PsiQuantumPsiQuantum、惠普、图灵量子、惠普、图灵量子、玻色量子玻色量子、法国 Quandela、英国 Tundrasystems 量子点 学术团队 普林斯顿大学、TU Delft、东京大学、北京大学、中科大量子信息重点实验室、新南威尔士大学(UNSW)、澳大利亚国家量子计算与通信技术研究中心(COCT)、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、RIKEN、法国 CEA-CNRS Grenoble 研究中心、比利时 IMEC 研究中心、美国 HRL200、Laboratories 美国 Sandia 国家实验室、日本 NIT、威斯康辛量子研究所(WOI)公司 英特尔、本源量子英特尔、本源量子、Silicon Quantum Computing(SQC)冷原子 学术团队 哈佛大学、香港科技大学、中科大、中科院量子信息重点实验室、清华大学、山西大学、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、中国科学院武汉物理与数学研究所 公司 ColdQuanta、Atom Computing、QuEra Computing、PASQAL 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请201、参见报告尾页。54 2.3.2.3.量子计算机结构：量子芯片、稀释制冷机和测控系统是核心量子计算机结构：量子芯片、稀释制冷机和测控系统是核心 我们以超导量子计算机为例，来分析量子计算机的主要结构。超导量子计算机由量子芯片、我们以超导量子计算机为例，来分析量子计算机的主要结构。超导量子计算机由量子芯片、稀释制冷机、测控系统三大核心部件构成。稀释制冷机、测控系统三大核心部件构成。具体来看，1 1）稀释制冷机稀释制冷机外形呈桶状，用于产生极低温、低噪声的环境，是超导量子计算机正常运行的必要基础；2 2）量子芯片量子芯片是量子比特和外围电路的物理载体，其沿用了现有的半导体生产工艺，主要由超导量子计算机202、厂商自研；3 3）室温室温测控系统测控系统用于量子比特状态的控制和读取，其由 AWG、微波源等电子测量仪器构成，产业成熟度相对较高。此外，超导量子计算机还包括了软件系统、低温线缆、低温器件等。价值量方面，根据合肥超量融合计算中心项目招标文件，一台 200 量子比特的超导量子计算机单价约为 4500 万元。图图58.58.超导量子计算机及核心系统超导量子计算机及核心系统 资料来源：国盾量子、Bluefors、基于超导量子比特芯片的测控与量子模拟王战、国投证券研究中心 稀释制冷机稀释制冷机是是生成低温环境的核心设备生成低温环境的核心设备。超导量子计算机需要运行在超低噪声的环境中，稀释制冷机是实现该203、环境的核心设备。超导量子计算机是基于超导电路的量子比特体系，对于工作环境的最基本要求就是温度低于其超导临界温度（约 1.18K），同时为了提高相干时间、降低噪声，温度需要降低到 10mK 左右。从原理上来看，稀释制冷机利用了氦-3 和氦-4 的混合液体在 0.8K 左右发生的相分离现象，随着氦-3 从浓缩相向稀释相扩散，这一扩散过程会吸热，从而达到制冷的目的。图图59.59.稀释制冷机原理示意图稀释制冷机原理示意图 资料来源：ULVAC，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。55 稀释制冷机全球市场约稀释制冷机全球204、市场约 2 2 亿美元亿美元，行业呈现加速增长趋势，行业呈现加速增长趋势。根据 ICV，2019-2015 稀释制冷机的年均增长率达到 8.59%以上，且增长率逐年上升。2022 年全球稀释制冷机市场规模将为 1.93亿美元，到 2025 年预计达到 2.66 亿美元，并呈现加速增长的趋势。从单台价格来看，稀释制冷机的单价从百万到千万元不等，其价格与制冷功率相关性较大。根据招标网信息，本源量子于 2024 年中标的一台稀释制冷机 SL400 的单价为 450.7 万元。此外，自 2023 年起，10mK以下温区的稀释制冷机已对我国禁运，且由于 10mk 以下温区的稀释制冷机占据了大部分市场，我205、国的稀释制冷机进口规模自 2023 年以来有所下滑。图图60.60.20222022-20302030 年全球稀释制冷机市场规模（年全球稀释制冷机市场规模（1010 亿美元）亿美元）资料来源：2023 全球量子计算产业发展报告-ICV&光子盒，国投证券研究中心 芬兰的芬兰的 BlueforsBluefors 和英国的牛津仪器是和英国的牛津仪器是全球全球主要主要供应商供应商，国产，国产已实现已实现突破。全球来看，突破。全球来看，量子计算专用稀释制冷机市场主要由 Bluefors 和牛津仪器两家公司占据，其中 Bluefors 由于在量子计算领域起步较早，市场份额长期占据第一，且与量子计算领域头部206、公司 IBM 保持着深度合作。牛津仪器则在近年来推出了一系列新品，发展较快。根据北京量子信息科学研究院的中标公告，该单位 2021 年购入 Bluefors 和牛津仪器稀释制冷机分别为 8 台和 5 台。国产方面，国产方面，中科院物理所在 2021 年取得了国产稀释制冷机的突破，自主研发的无液氦稀释制冷机原型机率先实现 10mK 以下极低温环境，此外电科 16 所也于 2023 年取得突破。目前，包括国盾量子、本源量子等企业已向市场推出国产稀释制冷机。图图61.61.全球稀释制冷机主要供应商全球稀释制冷机主要供应商 图图62.62.国产稀释制冷机国产稀释制冷机 资料来源：Bluefors、牛津207、仪器、Leiden Cryogenics、formfactor,国投证券研究中心 资料来源：中电科 16 所、本源量子、国盾量子，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。56 量子芯片是量子比特和外围电路的物理载体，是量子计算机厂商的研发重点。量子芯片是量子比特和外围电路的物理载体，是量子计算机厂商的研发重点。超导量子计算机的硬件性能主要取决于量子比特的数量和质量，而量子芯片则是量子比特的物理载体，因此目前绝大多数参与量子计算机的厂商均把研发重心放在了量子芯片上，即大多数量子芯片均是实验室或科研机构自研的产品。根据I208、CV，2022年量子芯片的市场规模约为5.45亿美元，预计 2030 年量子芯片的市场规模将达到 500 亿美元。图图63.63.20222022-20302030 年年全球量子计算上游产业规模（全球量子计算上游产业规模（1010 亿美元亿美元）资料来源：2023 全球量子计算产业发展报告-ICV&光子盒，国投证券研究中心 量子芯片结构从一维向三维演进，集成度持续提升。量子芯片结构从一维向三维演进，集成度持续提升。由于稀释制冷机内部空间极为有限，量子芯片的尺寸一般为 100mm量级，而量子芯片中包含了约瑟夫森结（尺寸在 100-1000nm），控制线、谐振器、电容电感、读出线等结构（尺寸在 1209、00-1000m），且考虑到电磁场的串扰影响，各结构间都要保留足够的间隔，因此早期量子芯片中的比特数大都在 10 以下，例如IBM 于 2016 年发布的 5 比特处理器 Tenerife。随着比特数量的增长，2 维的空桥方案被广泛采用，即利用架空的超导传输线相互接地，以降低线路间的干扰并节省线路排布空间。当比特数接近 100 后，量子芯片开始向 3 维发展，目前常见的是将量子比特和读出控制分成 2 个单独的平面，并用倒装焊模式进行连接，从而提升集成度。图图64.64.一个具有一个具有 5 5 比特的超导量子芯片比特的超导量子芯片 图图65.65.空桥结构示意图空桥结构示意图 资料来源：基于超210、导量子比特芯片的测控与量子模拟王战，国投证券研究中心 资料来源：超导量子芯片集成技术概述郑伟文，李晓伟，熊康林等，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。57 TSVTSV 多层堆叠是量子芯片比特数进一步提升的关键技术。多层堆叠是量子芯片比特数进一步提升的关键技术。当比特数量进一步提升，上下 2 层结构也无法满足排线的空间需求时，此时需要更多的平面进行比特的扩展，TSV（硅通孔）开始被引入。其将两面的图形结构线路通过 TSV 内的导线进行连通，再利用倒装焊模式与第2 个芯片进行连接，不仅充分利用了晶圆的正反面空间，同211、时解决了排线密集占空间的问题。例如 IBM 433 量子比特处理器 Ospery 便采用了 TSV 和多层布线技术，将量子比特、读出谐振器和测控线分成 3 个部分，再利用倒装焊进行多层互联。图图66.66.IBM 433IBM 433 量子比特处理器量子比特处理器 OsperyOspery 图图67.67.IBMIBM 超导量子计算机技术迭代图超导量子计算机技术迭代图 资料来源：IBM 官网，国投证券研究中心 资料来源：IBM 官网，国投证券研究中心 测控系统用于量子比特的实时控制、测量、反馈，是量子计算机的重要组成部分。测控系统用于量子比特的实时控制、测量、反馈，是量子计算机的重要组成部分。212、由于超导量子比特本质上是一个由超导电路形成的二能级系统，因此我们可以使用微波信号对其进行控制，而测控系统便是生成和读取各类微波信号的设备，是量子计算机的重要组成部分。已有的量子测控系统可分为两代，第一代主要由可直接生成和接收模拟微波信号的设备组成，即波形发生器、模拟信号源、IQ 混频器、高精度电源等一系列通用电子测量仪器，其易于实现，但因缺乏反馈控制而使可扩展性和编程能力受限。二代测控系统则兼具可灵活编程的反馈控制能力和更好的可扩展性，例如本源量子于 2020 年推出第二代量子测控一体机，支持216 通道，具备 200 皮秒同步稳定性，能够测控 32 个量子比特。图图68.68.微波信号可以对213、量子比特进行控制微波信号可以对量子比特进行控制 图图69.69.本源量子本源量子 3232 位测控一体机位测控一体机 资料来源：达摩院量子实验室系列公开课，国投证券研究中心 资料来源：本源量子官网，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。58 测控系统的价值量随着量子比特数的增加而增长。测控系统的价值量随着量子比特数的增加而增长。通常而言，一个 qubit 的 XY-control 操控和读取各需要用到 2 通道的 AWG 以及微波源，同时在读取侧还额外需要一台波形采集器用于读取谐振电路中输出的信号。因此测控设备市场214、规模的提升来自两大驱动力，首先是量子计算机台数的增长，其次是随着量子比特数量的增加，理论上测控设备的测控线路数也会相应增加。根据 ICV，2022 年全球量子计算测控系统市场规模为 1.60 亿美元，预计到 2025 年该市场总规模将达到 5.45 亿美元，2030 年达到 210 亿美元。图图70.70.两两比特超导量子计算操控系统电路模型比特超导量子计算操控系统电路模型简视图简视图 图图71.71.20222022-20302030 年年全球量子计算全球量子计算测控系统市场规模测控系统市场规模（1010亿美元亿美元）资料来源：超导量子计算室温电子学读出系统研究徐昱，国投证券研究中心 资料来215、源：2023 全球量子计算产业发展报告-ICV&光子盒，国投证券研究中心 量子测控系统的主要供应商可分为测量仪器公司和量子计算机公司两大类。量子测控系统的主要供应商可分为测量仪器公司和量子计算机公司两大类。1 1）测量仪器厂商：全球的典型代表为罗德与施瓦茨（苏黎世仪器）、Keysight 等，国内厂商包括普源精电（耐数电子）、中电科 41 所、中微达信等。2 2）量子计算机厂商：）量子计算机厂商：典型代表包括了 Google、IBM、国盾量子、本源量子、国仪量子等。竞争格局方面，由于起步较早，罗德施瓦茨旗下的苏黎世仪器以及 Keysight 占据全球测控系统的绝大部分市场份额，但技术上看国内外216、公司基本处于同一起跑线。图图72.72.布局测控系统的布局测控系统的测量仪器公司测量仪器公司 图图73.73.布局测控系统的量子计算机厂商布局测控系统的量子计算机厂商 资料来源：Keysight、苏黎世仪器、思仪科技、中微达信、普源精电，国投证券研究中心 资料来源：国盾量子、本源量子、国仪量子，IBM、Google，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。59 低温化和芯片化是测控系统未来的发展方向。低温化和芯片化是测控系统未来的发展方向。由于处在室温环境中，现有的量子测控系统存在两大问题，其一是大量的线缆需要从室温217、连接到 10mK 的量子芯片，会带来热噪声，并影响量子门操作的保真度；其二是随着比特数的增长，控制线的数量会触及到稀释制冷机的功率与体积的天花板。为了解决这些问题，低温化和芯片化成为测控系统未来的发展方向，即把 DAC、RF、信号采集和处理电路均集成在一个芯片上，并将芯片置于低温环境中，从而提升性能。近年来，国际上有多款具备低温超导量子测控特征的测控芯片发布，相关厂商包括了英特尔、谷歌等。图图74.74.量子计算测控系统发展趋势量子计算测控系统发展趋势 资料来源：2022 全球量子计算产业发展报告-ICV&光子盒，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券218、股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。60 2.4.2.4.量子计算应用：产业百花齐放，量子云平台构筑量超融合算力网量子计算应用：产业百花齐放，量子云平台构筑量超融合算力网 随着量子计算技术的飞速发展，其在多个领域的应用探索逐渐成为研究的热点。随着量子计算技术的飞速发展，其在多个领域的应用探索逐渐成为研究的热点。近年来，量子计算应用探索主要集中在量子模拟、组合优化和线性代数求解等领域。量子计算机在原子尺度直接模拟微观系统相互作用，可为物理化学、材料、医药等领域带来全新探索工具，近年来已成为研究热点。在涉及复杂多变量组合优化的量化金融、交通规划、气象预测等领域，量子计算应用探索也在广泛开展。量子219、机器学习通过构建新型数据处理模型，有望提升目前机器学习算法处理大数据的计算效率。从技术研发和成果落地看，量子计算技术在金融领域的应用已经取得实质性进展。从技术研发和成果落地看，量子计算技术在金融领域的应用已经取得实质性进展。2021 年 2月，本源量子与建信金科联合推出国内首批量子金融应用量子期权定价应用与量子 VaR值计算应用，是国内金融领域对量子计算指数级加速能力的首次尝试，实现了国内量子金融算法 0 的突破。2021 年 3 月，英国剑桥量子计算公司（现已和霍尼韦尔 HQS 部门合并成Quantinuum 公司）推出多个量子机器学习推理方法，在 IBM 量子计算机上实现贝叶斯网络的随机实220、例推理，在模拟金融时间序列的隐马尔可夫模型中推断市场条件波动。量子机器学习逐渐成为研究和应用的热点，为解决复杂的人工智能问题提供了新的计算方案量子机器学习逐渐成为研究和应用的热点，为解决复杂的人工智能问题提供了新的计算方案和思路。和思路。2023 年，各公司都在积极探索量子机器学习的新思路和新应用。量子计算和机器学习相结合，能够充分利用量子计算的优势解决传统计算无法处理的复杂问题。例如利用VQNet 2.0 框架、CUDAQuantum 和 H100 NVL 等技术，研究人员实现了量子和经典计算资源的同时调度和优化，提高了机器学习的效率和性能，为解决复杂的 AI 问题提供了混合计算方案。另一方221、面，当前另一方面，当前量子计算与量子计算与 AIAI 大模型的融合在当前阶段仍然面临着诸多的挑战和问题大模型的融合在当前阶段仍然面临着诸多的挑战和问题，如如何克服量子系统的噪声和不稳定性、如何适应不同类型的 AI 任务和数据、如何评估和验证量子计算在 AI 领域的优越性等。通过自然语言与 AI 进行交互，在解决问题和开发应用方面或许将有更多的可能性。目前的量子计算机仍然面临着错误率和噪声的问题，需要更稳定和可控的量子比特来支持大规模的机器学习任务。量子机器学习需要针对量子计算的特殊性质进行算法设计和优化，同时也需要简化和统一的编程框架来加速开发和应用。图图75.75.量子计算应用各场景评分等级222、（评分采用量子计算应用各场景评分等级（评分采用 5 5 分制，分制，1 1 为最差，为最差，5 5 为最优）为最优）资料来源：中国信息通讯研究院，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。61 表表1616：各公司量子计算机与人工智能结合进展各公司量子计算机与人工智能结合进展 公司公司 量子计算机与人工智能结合进展量子计算机与人工智能结合进展 谷歌与卢森堡大学以及 BIFOLD 合作，共同开发机器学习算法以处理复杂的量子系统。Rigetti 与 Moodys 以及伦敦帝国学院合作，使用量子增强的数据转换和经典特征核方法223、相结合的机器学习技术，提出了解决经济衰退预测问题的新方法。Quantinuum 发布了量子自然语言处理工具ambeq 的更新版本 0.3.0，通过与 PennyLane 的集成，增强了功能和用户体验。IonQ 计划优化离子阱技术，增加量子比特数量和密度，并预测将在 2024 年实现量子机器学习的量子优势。资料来源：光子盒公众号，信通院，国投证券研究中心 量子计算云平台作为一种创新的计算服务平台，推动了量子计算研究和应用的发展。量子计算云平台作为一种创新的计算服务平台，推动了量子计算研究和应用的发展。量子计算云平台是依托云计算技术，提供用户接入实体量子计算机硬件或量子计算模拟器的一种服务平台，在224、平台上用户可以运行算法或进行实验任务。量子云平台为用户带来诸多便利，提供了更广泛的量子计算机接口，对发展量子计算研究有极大地推动作用。云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务)，这些资源能够被快速提供，但只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。当前各公司量子云平台的逻辑架构基本相同，与云计算分类相似当前各公司量子云平台的逻辑架构基本相同，与云计算分类相似。根据提供服务的类型不同将量子云平台提供的服务细分为量子基础设施即服务 QaaS、量子平台即服务 PaaS 和量子软件即服务225、 Q-SaaS 三种。部分量子云平台提供的量子计算服务包括其中的两种或三种，如 D-Wave 提供的服务类型包括 Q-IaaS 和 Q-Saas，本源量子和 IBM 包括了上述三种。图图76.76.量子计算云平台服务类型量子计算云平台服务类型 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。62 量子云平台好比连接量子计算机和用户之间的桥梁量子云平台好比连接量子计算机和用户之间的桥梁。用户使用经典计算机访问量子云，然后经由量子云将处理过的指令传输到后端，后端完成量子计算后经由量子云把结果输送给用户。通226、过量子云平台，即使不能实地使用量子计算机，用户也可以完成所需的量子计算。将量子资源部署在云平台上较一般的本地部署而言在如下方面具有其特殊的优势。中美两国在量子计算云平台的布局和发展上呈现出各自的特点和优势，共同推动了全球量子中美两国在量子计算云平台的布局和发展上呈现出各自的特点和优势，共同推动了全球量子计算技术的进步。计算技术的进步。美国量子云计算布局较早，发展迅速。我国量子计算云平台起步较晚，但发展态势良好，紧跟国际企业发展步伐，整体表现活跃，汇集了多家科技企业、初创企业和研究机构，为国内量子计算发展贡献支撑力量，与国际先进水平相比在量子处理器、量子计算软件方面的差距逐步缩小。表表1717：227、量子云平台的优势及内涵量子云平台的优势及内涵 优势优势 内涵内涵 较低的购置、运维和研发成本 从购置角度来看，量子计算机的硬件成本高，合适的零部件供应商少，制造难度高，导致配备量子计算机费用高昂。例如，一台超导量子计算机所需的稀释制冷机的价格一般为几百万至一千万人民币之间。全球能提供量子计算机整机的商业化公司极少。此外，量子计算机是国际最前沿的科学仪器，包括其核心硬件可能都在各国禁运或禁售的名单中。因此，量子计算机不仅供应量有限，而且购买难度很大。从运维角度来看，量子计算机运行条件苛刻，维护难度大。以技术相对成熟的超导量子计算机为例,计算机的运行除了需要一个接近绝对零度的运行温度外，一个安静稳228、定的环境和一定的放置空间也是必须的。BM、谷歌等科技公司尚且需要一个庞大的专业技术团队来维护和保证量子计算机的正常运行。而对于普通公司来说，一旦相关设备出现问题将很难解决。从研发角度来看，目前量子云平台面向的潜在用户有：量子软件开发者、量子算法研究者、高校教师学生、量子计算爱好者和化学、生物、金融等其他领域的公司。除部分研究机构需要真实量子计算机进行基础量子层面的相关研究外其他潜在用户的需求大多可以通过量子云平台上得到满足。部分量子云平台还可以根据客户的差异性需求提供开发对应软件的服务，这极大的降低了公司的研发成本。较低的技术要求 当前量子计算软件开发困难。目前同时具备量子计算相关知识与软件开229、发技术的专业人员极为有限，即使对于未来量子计算有明确需求的化学、生物等行业的公司,从现在起就开始专门培养量子计算机工程师与量子开发人员对于人力资源也会是一种浪费。因而目前更多的选择是应用量子云平台来发展相关算法、软件以回避当前存在的技术人员缺乏问题 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。63 表表1818：美国量子计算云平台进展 时间时间 国家国家 进展进展 2017 年 3 月 美国 IBM Q Experience 首次发布量子计算 API 2019 年 美国 IBM 已推出 20 位量230、子比特的量子云服务，提供 QiKit 量子程序开发套件，建立了较为完善的开源社区 2019 年 美国 Google开发了Cirq量子开源架构和OpenFermion-Cirq量子计算应用案例，可搭建量子变分算法，模拟分子或者复杂材料的相关特性 2019 年 美国 Regetti推出量子计算云平台以混合量子+经典的方法开发量子计算运行环境，使用 19 位量子比特超导芯片进行无监督机器学习训练及推理演示，提供支持多种操作系统的 ForestSDK 量子软件开发环境。2019 年 美国 微软推出量子计算云服务 Azure Quantum，可以与多种类型的硬件配合使用 2020 年 7 月 美国 Ho231、neywell 发布 H0 的 6 量子比特离子阱计算原型机并提供云端访问接入能力，与多种量子软件框架兼容。2020 年 8 月 美国 Amazon 发布 Braket 作为完全托管的 AWS 服务，可提供开发环境来帮助客户量子计算应用算法，灵活接入多家量子计算公司物理平台后端，也可使用 Amazon EC2 量子计算模拟器运行和验证算法。2020 年 9 月 美国 D-Wave 发布 5000 量子比特系统 D-Wave Advantage，在 Leap 量子云平台中构建和运行量子混合应用程序，提供量子退火服务。2021 年 美国 Honeywell 与 CQC 公司宣布合并，未来依托云服务232、提供更强的软硬件服务。2021 年 美国 IonQ 与 Google 开源量子计算框架 Cirq 全面整合，提供多种量子软件框架对 IonQ 样机的访问。2021 年 5 月 美国 Amazon 的 Braket 量子云平台提供完全托管的密度矩阵模拟器，可模拟最高 17 个量子比特的量子噪声路线。2021 年 6 月 美国 IBM宣布将其所有量子计算系统整合到了Strangeworks第三方量子计算云平台，用户可免费访问全部 28 项量子计算服务，包括 9 台免费量子计算机和 5 个托管模拟器，进一步提供 IBM Q Network 生态系统影响力。资料来源：信通院，国投证券研究中心 行业深度233、分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。64 表表1919：中国量子计算云平台进展 时间时间 国家国家 进展进展 2017年10月 中国 阿里云与中国科学院联合发布量子计算云平台 2017年10月 中国 本源量子上线量子计算云平台，搭建 32 位量子计算模拟机，目前还可提供基于自研超导量子芯片及半导体量子芯片的云平台接入访问。2018 年 中国 华为宣布了由量子计算模拟器和编程框架组成的云平台 2018 年 中国 阿里与中科大联合发布量子计算云平台并在 2018 年推出量子模拟器“太章”。腾讯在量子 AI、药物研发和科学计算平台等应用领域展开234、研发。2018 年 中国 华为发布 HiQ 量子云平台 2018年10月 中国 华为发布了量子计算模拟器 HiQ 云服务平台及量子计算软件解决方案，基于 VQE 算法探索量子化学模拟应用场景 2018 年 2 月 中国 阿里云接入 11 比特超导量子计算服务 2019 年 中国 中科大与阿里云共同推出 11 位超导量子计算云接入服务。华为发布 HiQ量子计算模拟云服务平台，可模拟泉镇抚的 42 位量子比特，单振幅的81 为量子比特，并开发兼容 ProjectQ 的量子编程框架。本源量子推出的量子计算云平台可提供 64 位量子比特模拟器和基于半导体及超导的真实量子处理器，提供 Qrunes 编程235、指令集，Qpanda SDK 开发套件，推出移动端与桌面端应用程序，兼具可怕、教学和编程等功能，为我国量子计算的研究和应用推广提供了有益探索。2020 年 中国 华为更新 HiQ3.0 量子计算模拟器及开发者工具，增加量子组合优化求解器和张量网络计算加速器。2020 年 中国 百度发布量易伏量子计算云平台，实现 28 位量子比特的量子随机线路模型，并发布了基于百度开源框架 PaddlePaddle 的机器学习库，支持量子神经网络搭建与训练 2021 年 中国 北京量子信息科学研究院等研究机构爱是提供超导量子计算云平台，为量子算法和量子模拟研究提供实际物理平台后端的测试场景等。2021年10月 236、中国 百度发布了云原生量子集成开发环境 YunIDE。资料来源：信通院，国投证券研究中心 全球量子计算云平台的竞争格局呈现出多元化的特征全球量子计算云平台的竞争格局呈现出多元化的特征。近期，国内外众多研究机构和企业发布了不同类型的量子计算云平台，产业在迅速迭代。欧美如 IBM、Google、Microsoft、Amazon、AQT 等公司涵盖了多种量子计算技术路线，包括超导、离子阱、中性原子、光子。中国如华为、本源量子、国盾量子、中电信量子集团等公司也崭露头角，主要采用超导技术路线。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。65 表表2237、020：全球量子计算云平台 2023 年进展 时间时间 机构机构 20232023 年进展情况年进展情况 2023.03 Microsoft Azure 首次实现量子计算和经典计算云中无缝集成。研究人员现在可以通过它开发将经典代码和量子代码混合在一起的应用程序，这些混合量子应用程序目前可在 Azure Quantum 云平台上Quantinuum 公司的量子机器中运行。2023.04 STRANGE WORKS 新的高级计算云平台正式上市，新平台增加了新的经典与量子启发式解决方案，还打转向该平台引入利用了人工智能技术的新工具，并即将推出测试版给用户使用。2023.05 IBM Quantum 238、上线了具有 433 量子比特的 Osprey 量子处理器，并于 12 月上线了具有模块化可扩展性能的 133 量子比特 Heron 量子处理器。2023.05 北京量子信息科学研究院 发布新一代量子计算云平台“QUAFU”，可访问包含 136 个、18个和 10 个量子比特的超导量子计算芯片。2023.05 国盾量子 与中科院软件所、中电科十六所、弧光量子等合作，推出量子计算云平台，将“祖冲之号”同款 176 量子比特（66 量子比特，110 耦合比特）量子计算机上云，配备图形及编程两种实验方式，引入多款国产编程语言，面向全球开放。2023.06 IBM Quantum IBM 的 127 量239、子比特 Eagle 处理器上线 Strangework 云平台，并作为现收现付系统的方式来提供。2023.09 KAIST 开发并测试了一种纠缠见证电路，即使基于云的服务只允许对机器进行有限的控制，它也能证明纠缠。2023.11 中电信量子集团 发布“天衍”量子计算云平台。该平台融合了“天翼云”超算及 176 量子比特超导量子计算能力，构建混合计算框架体系，支持量子算法与量子模拟计算等系列量子程序应用。2023.12 IBM Quantum 将 Q-CTRL 的错误抑制技术（Q-CTRL Embedded）集成到 IBM云量子服务中，用户只需轻轻开关，就能降低错误率。资料来源：信通院，国投证券240、研究中心 IBMIBM 在量子计算云平台领域扮演着举足轻重的角色在量子计算云平台领域扮演着举足轻重的角色。2016 年 5 月，IBM 推出了量子计算云平台 IBM Quantum Experience，用户可以通过该云平台在 IBM 的量子处理器上运行算法和实验，这是全球范围内量子计算云服务的开端。2021 年 3 月，IBM Quantum Composer 和 IBM Quantum Lab 取代了 IBM Quantum Experience。IBM Quantum Composer 是一个图形化的量子编程工具，允许用户操作来构建量子电路并在真实的量子硬件或模拟器上运行它们。而在Qua241、ntum Lab 中，用户可以在 Jupyter Notebook 环境中编写结合 Qiskit 代码、方程、可视化和叙述文本的脚本，在真正的量子硬件或模拟器上运行代码，从任何地方存储、访问和管理文件。截至目前（2024.4.21），IBM 最受欢迎的软件包 Qiskit 下载量已超 669 万。IBM 全球网络架构比较灵活，主要分布在美洲、欧洲和亚太地区，其中，美国、德国、加拿大和日本已经部署量子计算机服务器，而韩国、西班牙即将部署量子计算机服务器。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。66 图图77.77.IBM Quantum242、 ComposerIBM Quantum Composer 操作界面操作界面 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 本源量子作为国内量子计算云平台的重要参与者，不断推动着相关技术的发展与前进。本源量子作为国内量子计算云平台的重要参与者，不断推动着相关技术的发展与前进。2017年 10 月，本源量子联合中科院量子信息重点实验室发布基于半导体量子芯片的量子计算云平台，平台同时采用了超导量子芯片，包含一个最大支持 30 位的量子仿真器，实现国内首个图形化量子编程界面。该平台的一大突破是推出了全球首款半导体量子芯片编程语言“量子音符”，目的在于通过免费的云服务，扩大公众对量子计算的认知，并吸引更多的人243、使用量子编程语言参与开发应用。20242024 年年 1 1 月月 6 6 日，本源日，本源“悟空悟空”正式上线运行正式上线运行。该量子计算机搭载 72 位自主超导量子芯片“悟空芯”，有 198 个量子比特，其中包含 72 个工作量子比特和 126 个耦合器量子比特。根据官网，截至 3 月 25 日，已经获得了来自全球 115 个国家和地区超 428 万人次的远程访问，累计完成近 16.7 万个全球量子计算任务。图图78.78.本源量子云平台提供的量子计算服务算力资源本源量子云平台提供的量子计算服务算力资源 图图79.79.本源量子悟空超导计算机云平台操作界面本源量子悟空超导计算机云平台操作界244、面 2024.42024.4 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 量子云平台技术日益成熟，量超融合算力网络或成为未来新形势。量子云平台技术日益成熟，量超融合算力网络或成为未来新形势。2023 年 8 月，中国计算机学会主办的第二届 CCF 量子计算大会暨量子计算产业峰会在合肥举办。中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿在接受采访时表示，量子计算机和超级计算机的“量超融合”可实现量子、经典算力互补，加快量子行业生态建设。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。67“量超融合”是指将量子计算和经245、典超级计算机协同工作，实现量子算力和经典算力异构融“量超融合”是指将量子计算和经典超级计算机协同工作，实现量子算力和经典算力异构融合。合。“量超融合”是量子计算-经典计算混合协作的新型计算架构。它将量子计算机的强大并行处理能力和超级计算机的高效数值计算能力结合，使得适合量子计算的任务得到量子加速，而其他任务则由超级计算机处理，从而大幅提升计算效率，也便于推动其在产业应用中不断迭代。根据具体应用算法的特点，量子计算可根本性加速其中的关键步骤，协同经典超级计算显著提高复杂问题求解效率，甚至是解算经典计算无法解算的难题。“量超融合”已成为算力发展的必然趋势。图图80.80.云计算架构演进与算力网络云246、计算架构演进与算力网络 资料来源：本源量子官网，国投证券研究中心 中微达信开发全新融合计算测控单元，量超融合取得显著进展。中微达信开发全新融合计算测控单元，量超融合取得显著进展。2023 年 8 月，中微达信与信大协同开发，在国内首次推出适用于经典超级计算机、支持多路量子操控和读出的全新“量超协同”的融合计算测控单元，通过与经典计算单元的深度融合，可极大地降低经典-量子算力之间的协作延迟（降低百倍以上），且可实现分布式的量子测控，从而双向发挥量子计算机和经典超级计算机的各自优势，让量子计算与经典超算实现高效协同来完成异构计算任务。图图81.81.中微达信经典中微达信经典+量子融合计算测控组件量247、子融合计算测控组件 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。68 全球发力推动量超融合技术发展，政策和项目陆续出台，其中欧洲多个超算中心已开展了量全球发力推动量超融合技术发展，政策和项目陆续出台，其中欧洲多个超算中心已开展了量子子-经典计算系统的研发。经典计算系统的研发。2022 年 1 月，法国法国政府宣布启动全国量子计算平台，将以 CEA 运行的超大型计算中心（TGCC）为载体，与传统计算机系统和量子计算机交互操作，平台将供国际社会的研究机构、初创企业和行业合作伙伴使用。西班牙：西班牙：巴塞罗248、那超级计算中心（BSC）为研究基于张量网络的大规模量子电路开发了一个高性能计算机群（HPC）模拟器，提出使用机器学习工具对混合量子-经典电路进行算法优化。应用小型量子电路的优化来研究凝聚态系统的物理特性，并计划安装量子硬件以开发真正的混合-量子计算的系统。德国：德国：尤利希超级计算中心（JSC）和莱布尼茨超算中心（LRZ）均已将量子计算纳入中心业务，2022 年 1 月，尤利希超级计算中心（JSC）购入的 D-Wave 量子退火机已投入使用，为德国（以及欧洲地区）的研究人员们提供基于云端的各种量子系统的访问权限。2021 年 3 月，莱布尼茨超算中心（LRZ）成立了量子集成中心(QIC)，以进249、一步开展混合量子-经典系统的集成研究，并向法国 Atos 公司订购了量子学习机，同英特尔密切合作，以提高量子系统的扩展性。美国：美国：2023 年，美国国家超级计算机应用中心与 NVIDIA 合作，开发新的混合量子计算资源。2024 年 2 月，Rigetti 宣布将和英国的量子纠错技术公司 Riverlane 一起参与由美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)领导的一个项目，该项目旨在探索将量子计算机集成到大型超级计算机中心所面临的挑战。中国：中国：2024 年 3 月，国务院总理李强在政府工作报告中提到，“适度超前建设数字基础设施，加快形成全国一体化算力体系，培育算力产业生态”。安徽省在量超250、融合方面走在前列。2023 年 10 月，安徽合肥开建超量融合计算中心，部署了 2 台超导量子计算机和 1 台离子阱量子计算机。2024 年 4 月，本源量子、国盾量子、国仪量子中标合肥超量融合计算中心招标项目。2023 年 12 月，安徽省数据资源管理局印发安徽省数字基础设施建设发展三年行动方案（20232025 年），此次行动方案的发展目标明确指出，布局量子信息基础设施，其中量子通信网的节点数，将从 2022 年的 180 个提升至 2025 年的 350 个。除推动量子通信网络建设及其在多领域的应用外，行动方案还将推动量子计算的研究和应用进展，协同攻关解决卡脖子问题，开展超量融合与量子计251、算云服务等。本源量子和上海超级计算中心合作，在国内开拓“量超融合”的先例本源量子和上海超级计算中心合作，在国内开拓“量超融合”的先例。二者通过合作积极探索量子计算机和经典计算机融合，更好地服务产业发展（上海超级计算中心是是国内首家面向全社会开放的高端计算平台，由“魔方 III”（峰值计算速度 3400TFlops）和“魔盒”（峰值计算速度 100PFLOPSFP16）两台超级计算机对外提供高性能计算和人工智能计算服务。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。69 图图82.82.上海计算中心超级计算机“魔盒”和“魔方上海计算中心超级计252、算机“魔盒”和“魔方 IIIIII”资料来源：公司官网，国投证券研究中心 巢湖明月超级计算机项目计划与量子计算机深度融合，安徽推动量超融合计算迈出重要步伐。巢湖明月超级计算机项目计划与量子计算机深度融合，安徽推动量超融合计算迈出重要步伐。安徽从 2022 年起开始筹划如何让代表下一代先进计算能力的量子计算机，与超级计算机巢湖明月合体，深度融合量子计算与超级计算。量超融合项目将在巢湖明月超级计算机基础上，部署 3 台量子计算机，包括 2 台超导量子计算机，1 台离子阱量子计算机。同时安装配套量子计算机操作系统和量超融合计算云平台，并开发相应的算法软件。本源量子将提供一台“本源悟空”超导量子计算机253、、一套超量融合系统及相应配套的软硬件设施的建设，国盾量子将提供一台超导量子计算机、超量融合系统及相应配套的软硬件设施，国仪量子将提供一台离子阱量子计算机、超量融合系统及相应配套的软硬件设施的建设。图图83.83.“巢湖明月”超级计算机“巢湖明月”超级计算机 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。70 2.5.2.5.量子计算展望：科技巨头明确发展路线图量子计算展望：科技巨头明确发展路线图 在在 IBM 2023 Think IBM 2023 Think 大会大会上，上，IBMIBM 推出更新后的254、量子计算路线图。推出更新后的量子计算路线图。IBM 作为经典计算机产业的核心企业，希望在新一代量子计算产业中继续稳固其地位。IBM 拥有优秀的微纳加工的技术，因此在量子计算系统物理实现的路线上选择了超导量子技术。如今，IBM 的量子计算机 Quantum System One 不仅部署在美国，还部署到了德国和日本。无论是前沿技术研究还是产业化发展，IBM 都是拥有完整量子计算机生态体系的“蓝色巨人”。图图84.84.IBM RoadmapIBM Roadmap 资料来源：IBM 官网，国投证券研究中心 表表2121：IBMIBM 路线图解读路线图解读 时间节点时间节点 阶段特点阶段特点 相关内255、容相关内容 2023 100+quibts 推出 Condor 处理器，实现 1121quibts（错误率较高）推出 Eagle 处理器，实现 127quibts 提前推出 Heron 处理器，实现 133quibts（133*3）（Heron 在 2023 年 12 月发布，领先 Development Roadmap 进度）2024 100+quibts Heron 处理器将能运行 5,000gates 推出 Flamingo 处理器，实现 156quibts（将 2022 年 Roadmap 中的 1386+quibts更改为 156*7quibts）推出 Crossbill 处理器，实256、现 408quibts（将 2022 年 Roadmap 中预计 2025 发布提前至 2024 年发布）2025-2026 1000+quibts Flamingo 处理器将逐步实现 5000gates、7500gates 运行 推出 Kookaburra 处理器，实现 1386quibts（2023 年 Roadmap 明确为 1386*3quibts)实现以量子为中心的超级计算机 2027 1000+quibts 10,000gates Flamingo 处理器将实现 10,000gates 运行 推出 Cockatoo 处理器 2028-2029 200quibts 100milion257、 gates Flamingo 处理器将实现 15,000gates 运行 推出 Starling 处理器，实现 200quibts，运行 100milion gates（将 2022 年10k-100kquibts 明确为 200quibts）2030+2000quibts 1bilion gates 推出 Blue Jay 处理器（属于 100,000-quibts system），将实现 2,000quibts 系统，运行 1bilion gates 预计将于 2033 年实现 100,000 量子中心超级计算机 来源：IBM 官网，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算258、机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。71 谷歌量子计算路线图明确了谷歌量子计算路线图明确了 6 6 个重要节点。个重要节点。谷歌在人工智能、机器学习、深度学习领域引领了一个时代，在新的量子时代，谷歌希望延续引领技术革命。谷歌量子计算项目创立于 2006年，最初专注于软件。2014 年，谷歌与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校 John Martinis 教授团队合作研究量子计算硬件，该团队于 2019 年成功以名为“悬铃木”的处理器构建的量子计算系统实现了其宣称的“量子霸权”(quantum supremacy)。2021 年 5 月，谷歌建成了新的量子人工智能园区(Qu259、antum AI Campus)，园区包括其第一个量子数据中心、量子硬件研究实验室和量子处理器芯片制造设施。路线解读来看，路线解读来看，谷歌将构建实用化量子计算机的道路划分成了六个步骤：量子计算优越性是第一步；2023 年验证量子纠错码性能随着编码规模增加而增强是第二步；它的终点（第六个步骤）预计是到 2029 年，由一百万个物理量子比特实现可纠错的量子计算。图图85.85.Google RoadmapGoogle Roadmap 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 霍尼韦尔发布霍尼韦尔发布 1010 年量子计算路线图，向商业化迈进。年量子计算路线图，向商业化迈进。霍尼韦尔是总部位于美国的财260、富 100强科技巨头,业务涉及航空、建筑技术、高性能材料、安全和生产解决方案等领域。霍尼韦尔目前拥有一支由 150 多名科学家、工程师、软件开发人员和功能专业人士组成的跨学科团队，致力于推进量子计算和解决跨行业的实际企业问题。2021 年 6 月，霍尼韦尔和剑桥量子计算(COC)公司宣布组建新的独立量子计算公司，预计于 2021 年第三季度完成合并。霍尼韦尔量子计算系统采用离子阱技术，是离子阱技术路线的佼佼者。2020 年 6 月，霍尼韦尔发布了量子计算系统 Model H0，四个月后发布了 Model H1 保持实验测得的最高量子体积(OV1024)记录。霍尼韦尔建立了很多合作伙伴关系共同推261、进量子计算产业化应用，包括摩根大通、默克、DHL、宝马、新日铁、三星等。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。72 路线解读来看，路线解读来看，在霍尼韦尔的未来十年整体量子路线图中，其计划从 10 个量子比特到 40 个量子比特，并向下一代容错、可大规模部署的设备迈进。霍尼韦尔还表示，量子计算路线图表现了其对于量子业务实现商业规模的信心，霍尼韦尔将会基于云服务模式，为企业客户提供使用霍尼韦尔现有最先进系统。图图86.86.Honeywell RoadmapHoneywell Roadmap 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 Ri262、gettiRigetti 的量子计算路线图体现其实现“量子优势”这一目标的决心。的量子计算路线图体现其实现“量子优势”这一目标的决心。Rigetti 是一家美国的量子计算初创公司,创立于 2013 年,创始人 ChadRigetti 是一位物理学家，曾在 IBM 从事量子计算机工作。Rigetti 自主开发超导量子处理器(OPU),公司还开发了 Forest 量子编程框架,使程序员能够编写量子算法，并且提供量子云服务(QCS)，其机器可以集成到任何公有云、私有云和混合云中。2017 年，Rigetti 的 Fab-l 工厂投入使用，是世界上第一家商用量子集成电路晶圆厂。路线解读来看，路线解读来263、看，2025 年推出 1000+量子比特的处理器 QPU，2027 年推出 4000+量子比特的处理器 QPU。这两个 QPU 由多个 84 量子比特芯片组成，在载体衬底上组装更多的芯片，可能达到几十个。为了实现更高的量子比特数量，4000+QPU 将会利用多个制冷机，这很可能是一种分布式量子计算机。尽管 Rigetti 预计在此期间不会增加 Ankaa 芯片上的量子比特数量，但他们很可能会在随后的修订中继续完善它，以便在门保真度、相干时间和其他参数方面提供持续改进。他们还需要实现更大的稀释制冷机，改进 flex I/O，并为这些更高的容量提供下一代控制系统。行业深度分析行业深度分析/计算机计264、算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。73 图图87.87.Rigetti RoadmapRigetti Roadmap 资料来源：公司官网，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。74 3.3.量子通信：量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之盾量子通信：量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之盾 3.1.3.1.量子通信原理：利用量子技术实现密钥分发量子通信原理：利用量子技术实现密钥分发 传统基于传统基于 RSARSA 算法的密钥分发过程在量子计算时代存在安全风险。算法的密钥分发过程在量子265、计算时代存在安全风险。当前在通信加密的过程中，经常采用基于非对称加密的算法如 RSA 实现身份认证和后续的对称加密密钥分发。这一技术构成了当前数字签名的基础。而在量子计算时代，由于 Shor 算法利用量子傅里叶变换和叠加态的原理，可以实现对大数质因数分解的指数级加速，从而在密钥分发环节，基于传统 RSA算法的密钥分发和数字签名技术，在量子计算时代存在较大的安全风险。量子保密通信应运而生，实现量子形态的密钥分发。量子保密通信应运而生，实现量子形态的密钥分发。量子密钥分发是一种通过量子力学原理实现加密通信的方法。在量子密钥分发中，发送方利用量子纠缠的特性，向接收方发送一串随机的单光子，接收方通过测266、量这些光子的状态，可以得到一串随机数，这就是密钥。由于量子纠缠的特性，任何试图窃取信息的第三方都会导致量子态的崩溃，因此这个过程是绝对安全的。接收方利用这个密钥进行加密和解密，从而实现保密通信。目前，量子密钥分发已经被商业化并在实际应用中发挥了作用，例如金融、政府和军事领域。图图88.88.量子密钥分发设备示意图量子密钥分发设备示意图 资料来源：国盾量子招股说明书，国投证券研究中心 BB84BB84 协议保障量子密钥分发过程，目前成为业界共识。协议保障量子密钥分发过程，目前成为业界共识。BB84 协议是一种量子密钥分发协议，由 Charles H.Bennett 和 Gilles Brassa267、rd 在 1984 年提出,是目前被广泛应用于量子密码学领域的一种协议。简要来说，BB84BB84 协议操作过程中同时利用了量子信道和经典信道：协议操作过程中同时利用了量子信道和经典信道：在量子信道部分量子信道部分：1）Alice 发送随机的量子比特串给 Bob。Alice 随机选择四种偏振片，制备不同偏振状态的光量子，得到足够多的随机量子比特并将其发送给 Bob；2）Bob 随机选择测量基测量量子比特。由于 Bob 并不知道光量子是由发送端那一种测量基编码的，所以他也只能随机选择测量基来进行测量。当选择正确的测量基时，测量的结果正确。当使用错误的测量结果时，测量结果错误。行业深度分析行业深度268、分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。75 在经典信道部分：在经典信道部分：3）Bob 将使用的测量基发送给 Alice；4）Alice 将接收的测量基与使用的测量基进行比较，并通过信息告诉 Bob 哪些位置的测量基是正确的；5）Bob 根据 Alice 的消息剔除错误的量子比特，并将选择少部分正确的测量结果告诉 Alice；6）Alice 确认 Bob 测量结果的正确性。若错误，则说明存在量子信道可能存在窃听，停止通信或者返回第 1）步（由于实际的量子信道中也存在噪声，因此会根据一个错误率阈值判断是否窃听和停止通信）。若正确，剔除部分的量子比特，剩下269、的二进制串作为最终的密钥。并发送确认信息给 Bob。7）Bob 收到确认信息。同样剔除部分的量子比特，剩下的二进制串作为最终的密钥。如果如果 EveEve 在量子信道中旁路窃听在量子信道中旁路窃听，由于量子不可克隆，因此 Eve 无法复制出一份相同的量子比特副本；如果他在量子信道中直接测量光量子，由于 Eve 不知正确的测量基，他也会随机选择，有 50%的概率选择正确，50%的概率选择错误。若选择的测量基错误，测量结果错误，同时光量子的偏振态发生改变。当协议的步骤由 2）执行到 6）时，Alice 将发现到量子信道的窃听，那么她将终止这一过程。如果在经典信道进行窃听如果在经典信道进行窃听，实际270、上也是无效的。即使 Eve 知道了测量基信息（步骤 3），然而由于量子不可克隆，无法得到正确的量子比特串副本。由以上分析可知，BB84 协议基于量子不可克隆等原理，实现安全的密钥分配过程。图图89.89.量子密钥分发量子密钥分发 BB84BB84 协议示意图协议示意图 资料来源：Bennett C H,Brassard G.Quantum cryptography:Public key distribution and coin tossing，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。76 量子量子保密保密通信从理论271、探索通信从理论探索转向转向实际应用实际应用，逐渐进入产业化成熟期。，逐渐进入产业化成熟期。自 1984 年 BB84 协议的提出为量子密钥分发奠定了理论基础以来，量子通信领域经历了多个重要的发展节点。从 1989年首个量子密钥分发实验的成功，到 2016 年中国“墨子号”量子科学实验卫星的发射，再到京沪干线的建成，每一步都标志着量子通信技术的进步和实用化。特别是 2021 年构建的超4600 公里的量子通信网络，不仅展示了量子通信技术的巨大潜力，也为未来全球广域量子通信网络的形成奠定了基础。这些发展不仅彰显了量子通信技术的科学价值，也突显了中国在这一领域的领先地位。随着技术的不断进步，量子通信272、有望在全球范围内实现更广泛的应用，为通信安全提供强有力的保障。图图90.90.量子通信技术发展历程量子通信技术发展历程 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用研究报告 2018，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。77 3.2.3.2.量子通信产业链：量子通信产业链：QKDQKD 是核心设备，关基行业率先落地是核心设备，关基行业率先落地 量子通信产业上游：芯片量子通信产业上游：芯片+光源光源+单光子探测器单光子探测器+量子随机数发生器量子随机数发生器，多种核心器件构筑产业，多种核心器件构筑产业上游。上游。量子通信273、的核心器件与材料的涵盖囊括了关键的技术组成部分。首要的是先进的量子芯片技术，作为整个产业链的基础，包括数据处理类芯片、电学芯片和光学芯片。光源则成为量子通信不可或缺的关键组件，作为载体，经过对其量子状态的调制操作后，可携带量子信息在不同通信节点间中进行信息传输和共享。在通信接收端，单光子探测器发挥着至关重要的作用，确保对量子信息的精准检测。量子随机数发生器是保障通信不可预测性的关键工具。此外，其他核心器件如 PPLN（周期极化铌酸锂）晶体、PPLN（周期极化铌酸锂）波导、光纤光缆等元件同样在上游产业链中发挥着关键作用。这些核心器件和材料为量子通信与安全产业链的上游提供了创新动力，为实现更安全、274、更高效的量子通信系统奠定了坚实基础。表表2222：量子保密通信上游量子保密通信上游产业产业及主要及主要公司公司 技术技术 基本情况基本情况 部分公司部分公司 芯片 数据处理芯片为 FPGA（现场可编程门阵列）芯片通过编程，可以成为实现任意功能的器件。电子学芯片在量子通信中也有所使用，包括模拟信号处理芯片、数模/模数转换芯片（DAC/ADC）、射频芯片、存储芯片等。光学芯片通常指集成了光学功能的芯片，如光波导、光学传感器等。光源 光源是产生光子的器件或设备，是实现基于量子物理的安全通信的基本元素。不同技术路线下对光源可能有不同的需求，激光器是一种常见的光源的设备。单光子 探测器 单光子探测器可以275、检测单个光子的信号强度，并将光信号转换放大为电信号。在量子通信中，主要探测可见光到近红外光波长范围的光信号，探测范围一般在 400 纳米到 1310 纳米之间。半导体探测器和超导探测器是两种常见的单光子探测器类型。量子 随机数 发生器 量子随机数发生器（QRNG）已成为商业产品，是QKD 设备中的核心部件。产品成熟度不断提升，从成本角度来看，已可具备了替代经典随机数产品的能力。其他 晶体：主要用于生成和调制用于传输量子信息的光子。光纤光缆：光纤光缆是量子通信中所使用的一种传输介质，低损耗光纤可有效提升量子通信的通信距离和通信速率。资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研276、究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。78 量子通信产业中游：核心设备量子通信产业中游：核心设备+网络建设集成网络建设集成+保密网络运营，共同构筑产业链中游。保密网络运营，共同构筑产业链中游。核心设备涉及到关键的量子通信设备，如 QKD 设备、组网设备和网络管理软件平台，这些设备确保信息的安全传输。网络建设集成用于构建高效、安全的量子通信网络，例如中国的国家骨干网、省骨干网以及城域网。保密网络运营则包括各运营商参与其中，推动量子通信技术的日常运行与维护。整个中游通过设备、网络建设和运营的协同作用，为量子通信与安全的发展提供支277、撑，为实现更安全、高效的通信提供了关键保障。量子通信产业中游：量子通信厂商量子通信产业中游：量子通信厂商+运营商运营商+运维商，三大玩家参与市场竞争。运维商，三大玩家参与市场竞争。中游的参与者有国盾量子、国科量子等量子通信公司，因为目前有能力承担量子通信网络建设的公司数量还较少，有很多公司在成立之时便获得了更多的机会，未来业务可以能会细分或剥离，但也可能成为大型、全面的公司。此外，参与者还有移动、联通和电信三大网络运营商以及神州信息、中国有线和中国卫星通信集团等传统运维商，以及亨通光电和中信国安等建设运维商等。表表2323：量子保密通信产业中游及主要量子保密通信产业中游及主要公司公司 技术技术278、 基本情况基本情况 部分公司部分公司 核心设备 主要包括量子密钥分发（QKD）设备、组网设备和网络管理软件平台。QKD 设备的商业化产品当前主要为 DV-QKD（离散变量量子密钥分发）和CVQKD（连续变量量子密钥分发）两大类。组网设备和网络管理软件平台包括信道交换类、数据处理类及网络管理软件平台。网络建设集成 全球大部分 QKD 网络建设依托现有光纤通信网络，通过选择一些合适的点位，在机房中布设QKD 发送端和接收端设备。保密网络运营 运营层主要负责管理和协调整个量子网络的运作。这包括监控网络状态、调度量子信号的传输、维护网络安全性和稳定性。在运营层，重要的工作还包括处理密钥管理和分发、优化279、网络资源分配以及故障检测和响应。资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研究中心 量子通信产业主要产品和设备：量子通信产业主要产品和设备：量子保密通信产业主要由量子光源、单光子探测器、量子密钥分发设备、量子安全路由器、量子交换机、量子随机数发生器、量子卫星地面站、移动加密产品等收发设备构成。量子光源：量子光源：在量子通信中，量子信号起着重要作用，而量子信号的编码、传输和检测等技术都依赖于信号的量子特性，因此，量子通信技术的实现必须获得稳定可靠的量子光源。量子光源主要分为：单光子光源、连续变量光源和纠缠态光源。其中，连续变量光源又分为相干态光源和压缩态光源；纠缠态光源又分为280、光子对纠缠和多光子纠缠。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。79 图图91.91.量子光源量子光源 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 单光子探测器：单光子探测器：单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数，在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用中，单光子探测器发挥重要作用。在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等领域有广泛应用。图图92.92.单光子探281、测器单光子探测器 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 QKDQKD 设备：设备：量子密钥分发（QKD）是量子保密通信的核心产品。负责量子密钥的产生和分发。QKD 设备的研制门槛较高，全球仅少数研发团队能够提供，例如国盾量子、问天量子、启科量子、IDQ 等。图图93.93.QKDQKD 设备设备 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子安全路由器：量子安全路由器：量子安全路由器作为量子保密通信解决方案中的核心应用设备，将量子密钥与经典网络设备融合，同时实现了经典通信的加密和路由交换功能，为用户搭建端到端电信级稳定、高速的量子加密282、应用网络。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。80 图图94.94.量子安全路由器量子安全路由器 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子交换机：量子交换机：光量子交换机设备用于实现量子信道时分复用，是量子密钥分发网络组网的重要产品。光量子交换机系列产品包括两种不同类型的光量子交换设备，矩阵型光量子交换机和全通型光量子交换机。矩阵型光量子交换机采用交叉式光纤链路交换，该类型的光量子交换机多用于量子密钥中继内部，实现密钥分发终端的扩容与备份；全通型光量子交换机支持多通道光纤链路连接，每个通道与其他通283、道间均可实现互连，适用于多用户量子保密通信局域网或城域网络。图图95.95.量子交换机量子交换机 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子计算机发生器：量子计算机发生器：随机数是影响通信安全和通信系统可靠性至关重要的因素。随机数是由随机数发生器产生的，随机数发生器可以分为三类：伪随机数发生器、基于经典物理和物理随机数发生器和基于量子物理的量子随机数发生器。与前两类相比，量子随机数具有真正的不可预测性。目前主要量子通信公司几乎都在开发量子随机数发生器。图图96.96.量子随机数发生器量子随机数发生器 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研284、究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。81 量子卫星地面站：量子卫星地面站：在星地量子密钥分发中，地面站起到了接收卫星数据的作用。随着技术快速进步，量子卫星地面站已经实现了可移动和小型化。该小型化量子卫星地面站是国盾量子与中国科学技术大学合作研发的具有完全知识产权的卫星 QKD 地面站产品。该系列产品基于卫星平台自由空间量子通信技术，在原墨子号地面站光机系统的经验基础上设计改造，将原有地面站光机系统的大、重、不可移动，需远离城市背景光，转变为现在的口径小、重量轻、体积小，可快速移动部署，适应城市背景光，能够实现精确捕获跟瞄量285、子卫星，实现量子信号高效耦合。图图97.97.量子卫星地面站量子卫星地面站 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 移动加密应用产品：移动加密应用产品：随着量子技术的不断发展，相关量子通信产品已经逐渐走向普惠消费者，特别是移动加密应用产品，包括量子安全服务移动平台、量子安全 U 盾、量子安全加密卡产品、量子密钥充注机、量子安全手机等。图图98.98.移动加密应用产品移动加密应用产品 资料来源：ICV2022 全球量子通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子通信产业竞争格局：参与厂商较为多元，共同推进量子产业发展。量子通信产业竞争格局：参与厂商较为多元，共同推进量子286、产业发展。量子保密通信产业链的主要市场玩家呈现出多元化的竞争格局。随着技术的不断发展和市场的逐步成熟，各方将在技术创新、产品研发、应用推广等方面持续展开竞争和合作，共同推动量子保密通信产业的发展。核心器件方面，核心器件方面，国盾量子、问天量子等国内企业具有较为明显的优势，已成功研发出多种量子保密通信核心器件，并在国内外市场占据一定份额。此外，欧美企业如 ID Quantique、Quantum Xchange 等也在核心器件领域具有较强的竞争力。系统集成方面，系统集成方面，中国电信、中国移动、中国联通等国内大型通信企业，以及华为、中兴等通信设备制造商，在量子保密通信系统集成方面具有较强实力。这287、些企业具备丰富的网络建设经验和客户资源，有助于推动量子保密通信技术在实际应用中的落地。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。82 网络建设方面，网络建设方面，量子保密通信网络建设主要依赖于国家政策支持和资金投入。在中国，量子保密通信城域网、广域网的建设已取得显著成果，如“京沪干线”、“墨子号”量子科学实验卫星等。此外，欧美国家如美国、瑞士、奥地利等也在积极推动量子保密通信网络的建设。应用服务方面，应用服务方面，量子保密通信在金融、军事、政务等领域的应用前景广阔。目前，中国银联、国家电网、军事通信等领域的企事业单位已开始尝试应用量子保288、密通信技术。同时，欧美国家的一些企业如 BBVA、RWE 等也在探索量子保密通信技术在金融、能源等领域的应用。图图99.99.量子保密通信产业链量子保密通信产业链 资料来源：ICV2022 年全球量子保密通信产业发展报告，国投证券研究中心 量子通信产业下游应用广泛，多领域均有进展。量子通信产业下游应用广泛，多领域均有进展。在国防领域，量子通信技术应用于高度机密的军事通信，确保敏感信息的安全传输，有效防范窃听和网络攻击。在金融领域，金融行业通过量子通信技术实现更安全可靠的数据传输，提高对金融交易和客户信息的保护水平。在电网领域，量子通信可应用于保障电力系统中实时数据的安全传输，预防网络攻击和数据289、篡改，确保电网运行的稳定性。图图100.100.量子保密通信下游应用发展展望量子保密通信下游应用发展展望 图图101.101.量子保密通信行业应用量子保密通信行业应用 资料来源：国盾量子招股书，国投证券研究中心 资料来源：国盾量子招股书，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。83 表表2424：量子保密通信下游应用进展量子保密通信下游应用进展 下游行业下游行业 进展进展 国防 美国陆军授予 QuSecure 公司一份小型企业创新研究第二阶段合同，为陆军用户开发基于 PQC 的加密技术和解决方案，并确定如何在战术边缘290、使用量子技术 SandboxAQ 企业获得美国国防信息系统局提供的合同，提供端到端的 PQC 管理解决方案。金融 汇丰银行与 Quantinuum 签署一系列探索性项目，此次合作的目标是利用量子计算的力量来增强加密密钥，同时将其与 PQC 算法相集成。汇丰银行使用 QKD 的加密形式保护了其专用平台 HSBC AI Markets 上的一笔交易，将 3000 万欧元兑换成了美元。电网 中国国网武汉供电公司在武汉经开区供电环网内的配电自动化终端实现了量子加密通信。新安装的量子加密通信线路，配电箱里添置了一个量子加密通信模块，加装在每个配电设备上，通过与电网通信链路连通实现量子加密通信 浙江省首座291、量子+变电站 35 千伏稽山变在绍兴老城区投运，该变电站由原 35 千伏城关变经过“无线公网+量子通信”技术改造，将变电站的优先通信变为无线通信，贯通了现有配网量子开关与主网量子+变电站之间的电力信息数据，具备主配网一键联动功能。此次“量子变电站”由国盾量子及参股公司浙江国盾量子电力提供设备及技术支持。通信 法国 Thales 在其移动安全应用和 5G SIM 卡中采用混合加密技术，引入了 PCQ 算法通信。美国 QuSecure 推出具有量子弹性的实时端到端卫星加密通信链路。谷歌 Chrome 在其最新版本（版本 116）中推出了一个量子混合密钥协商机制，添加了抗量子攻击的X25519Kyb292、er768 算法。国盾量子推出安全邮件产品国盾密邮，采用“一次一密”的密钥分发技术，结合高强度国密算法，为用户提供端到端的邮件安全收发服务。终端 中国电信与华为合作的 Mate60 Pro 手机终端提供量子密话定制功能。中国电信与三星推出三星 W24 Flip 两款引入中国电信量子密话功能的手机。中国电信发布支持量子密话的天翼铂顿 S9 手机终端，其中天翼铂顿 S9 是搭载天通卫星通话芯片的 5G卫星双模手机。韩国 SKT 与 IDQ、三星电子合作发布 Galaxy Quantum 4 量子通信手机，该手机搭载 QRNG 芯片。资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研究293、中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。84 3.3.3.3.全球量子通信产业：美国和欧盟积极布局全球量子通信产业：美国和欧盟积极布局 美国：世界首个密钥分发网络，率先布局量子保密通信。美国：世界首个密钥分发网络，率先布局量子保密通信。美国是最先将量子通信列入国家战略的国家。2003 年，DARPA 建立世界上第一个量子密钥分发保密通信网络。2007 年，美国实现了两个独立原子量子纠缠和远距离量子通信。2016 年，美国航空航天局(NASA)用城市光纤网络实现量子远距传输。美国国防部高级研究计划局(DARPA)量子网络是世界上第294、一个量子密钥分发(QKD)网络，经营在从波士顿到马萨诸塞州剑桥市的 10 个光节点上，于 2003 年10 月 23 日在 BBN 技术公司的实验室中全面投入使用，并于 2004 年 6 月通过暗光纤部署在剑桥和波士顿的街道下，并连续运行了 3 年。该项目还创建并部署了世界上第一台超导纳米线单光子探测器。图图102.102.DARPADARPA 量子通信网络量子通信网络 图图103.103.DAPRADAPRA 量子密钥分发网络结构量子密钥分发网络结构 资料来源：高端装备产业中心，国投证券研究中心 资料来源：高端装备产业中心，国投证券研究中心 图图104.104.DAPRADAPRA 量子通信295、网络建成过程量子通信网络建成过程 资料来源：高端装备产业中心，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。85 美国：通信网络美国：通信网络+通信干线齐头并进，为量子网络发展奠定基础。通信干线齐头并进，为量子网络发展奠定基础。2012 年，NASA 与澳大利亚 Quintessence Labs 公司合作，提出了建设量子保密通信干线的计划，该线路从洛杉矶的喷气推进实验室延伸到 NASA 的艾姆斯研究中心，涵盖了星地量子通信和无人机及飞行器的量子通信链接。另一方面，2018 年，Quantum Xchange 公司宣布建设296、了全美首个量子互联网Phio，从华盛顿到波士顿，沿美国东海岸总长 805 公里。2019 年 4 月，Quantum Xchange与东芝公司合作，将 Phio 网络的容量翻一番，进一步提升了量子密钥分发（QKD）网络的性能和实用性。美国：开展量子网络链路测试，推动量子通信发展。美国：开展量子网络链路测试，推动量子通信发展。纽约大学量子信息物理学中心（CQIP）和量子安全网络技术公司 Qunnect 合作，使用 Qunnect 的量子安全网络技术，通过纽约市的标准电信光纤发送量子信息，成功测试了布鲁克林海军造船厂和纽约大学曼哈顿校区之间 10英里（16 公里）量子网络链路。在 10 英里的光纤297、中，Qunnect 和 CQIP 实现了以每秒 15000对的速度传输高度纠缠的量子比特通过光缆，测试过程中链路正常运行时间达到 99%。此次实验打开了纽约都市区的金融服务、关键基础设施和电信公司试点量子网络技术的大门。美国：技术研发路线陷争议，未大规模部署，仅开展技术研究。美国：技术研发路线陷争议，未大规模部署，仅开展技术研究。一方面，美国国家安全局 2020年表示不建议使用 QKD 确保国家安全系统中的数据传输。另一方面，美国能源部、哈德逊研究所认为目前 QKD 仍然是量子通信领域最充分的应用。美国从 2003 年建立第一个 QKD网络，之后发展进程较为缓慢。2007 年，美国实现了两个独298、立原子量子纠缠和远距离量子通信。2016 年，美国航空航天局用城市光纤网络实现量子远距传输。2018 年 10 月，美国量子公司 Quantum Xchange 才部署第一个量子密钥分发实用网络，支持纽约到新泽西的量子密钥分发服务。对于美国而言，中国已在 QKD 投入巨额资金，抢占领先地位，要达到中国的规模，必须投入大量的资金。所以发展抗量子密码被美视为比量子密钥分发更具成本效益且易于维护的解决方案。图图105.105.NASANASA 使用的量子通信设备使用的量子通信设备 图图106.106.PhioPhio 洲际量子通信网络洲际量子通信网络 资料来源：高端装备产业中心，国投证券研究中心 资299、料来源：Quantum XChange 国投证券研究中心 欧盟：集成多种量子密钥手段，构建量子通信网络。欧盟：集成多种量子密钥手段，构建量子通信网络。欧洲 SECOQC 量子通信网络由英国、法国、德国、意大利等 12 个欧洲国家的 41 个伙伴小组共同设计研发，2004 年开始建设，2008年在奥地利首都维也纳成功建成。该系统集成了多种量子密钥手段，包含 6 个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。SECOQC 量子通信实验网络结构中，6 个网络节点之间通过 8 条点对点量子密钥分发系统相互连接。SECOQC 量子通信实验网络的 8 条链路中300、，有 7 条是光纤信道，最长为 85km，平均链路长度为 20-30km，可确保在 25km 光纤链路上安全密钥率每秒钟超过 1Kb。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。86 图图107.107.SECOQCSECOQC 量子通信实验网络结构示意图量子通信实验网络结构示意图 图图108.108.SECOQCSECOQC 实验网络连接示意图实验网络连接示意图 资料来源：高端装备产业研究中心，国投证券研究中心 资料来源：高端装备产业研究中心，国投证券研究中心 欧盟：光纤融入量子通信网络，世界首创端到端量子安全通信实验。欧盟：光纤融入量301、子通信网络，世界首创端到端量子安全通信实验。2014 年，英国在Birmingham、Glasgow、Oxford and York 四所大学设立量子中心用于量子保密通信的研究。同年，英国电信(BT)和东芝两家公司于东芝研究实验室，共同在常规光纤通信网络上整合量子保密技术，首次成功地将量子密码学搭载于 10Gbps 数据传输信号的光纤上传输。2016 年底，他们发现量子密钥分发以及 100Gbps 数据亦可融进同样的光纤。同时，BT 与东芝欧洲研发中心亦在合作打造量子通信网络(英国量子网络)。作为英国投入 2.7 亿英镑的国家量子技术项目的一部分，该计划在剑桥、布里斯托、伦敦和阿达斯特拉尔科技302、园之间部署量子保密通信。连接 BT 阿达斯特拉尔科技园和剑桥科技园的线路，2017 年上半年完工。此外，3020 年 11月，英国电信(BT)与剑桥大学附属公司 Nu Quantum、物联网网络安全初创企业 Angoka、量子计算公司 Duality Quantum Photonics 等合作，开始研究在 5G 和联网汽车安全通信开发方面实现飞跃。英国电信指出，此举是一项“世界首创”的端到端量子安全通信试验的一部分，该试验获得了由英国研究与创新(UKRI)资助机构提供的 770 万英镑资助，为期 36 个月。图图109.109.东芝欧洲公司展出的量子通信设备东芝欧洲公司展出的量子通信设备 资料303、来源：高端装备产业研究中心，国投证券研究中心 欧盟：欧盟：EuroQCIEuroQCI 项目陆续开展，预计项目陆续开展，预计 20272027 年投入使用。年投入使用。欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）是一个覆盖整个欧盟及其海外领土的量子通信安全基础设施。欧盟委员会与所有 27 个欧盟成员国以及欧洲空间局（ESA）合作，设计、开发和部署由地面部分和空间部分组成的 EuroQCI。地面部分依赖于连接国家和跨境战略站点的光纤通信网络，而太空部分基于卫星进行建设。EuroQCI 空间部分主要为欧盟委员会与 ESA 合作，基于已有的第一颗原型卫星 Eagle-1 的基础上制定 EuroQCI 第一304、代卫星星座的规格，预计该卫星于 2025 年底或 2026 年初发射。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。87 图图110.110.欧盟欧盟 EuroQCIEuroQCI 项目地面部分潜在选址项目地面部分潜在选址 资料来源：ICV2024 量子通信与安全产业发展展望，国投证券研究中心 欧盟：紧随中国位居第二，全面建设部署国家级欧盟：紧随中国位居第二，全面建设部署国家级 QKDQKD 网络网络。政策标准方面，。政策标准方面，2021 年 7 月，欧盟 27 个成员国联合签署欧盟量子通信基础设施协议，共建欧盟量子安全通信基础设施。20305、22 年 12 月，欧盟“欧洲量子技术旗舰计划”发布报告，建议全面建设区域、国家 QKD 网络的部署。2023 年 8 月，国际标准化组织推出了首套专门针对 QKD 的安全要求标准。建设建设部署方面，部署方面，2022 年 9 月，欧空局 Eagle-1（测试远程量子密钥分发 QKD）计划 2024 年发射集成 QKD 模块的卫星，这是第一个用于欧洲网络安全的卫星量子加密系统。2023 年 4 月，欧洲电信标准化协会发布全球首个 QKD 保护轮廓以对制造商提交的 QKD 模块进行安全认证。对于欧盟而言，对于欧盟而言，“量子安全”最早是由欧洲电信标准化协会于 2015 年发布的 量子安全密码及其306、安全性白皮书中提及并由全球沿用的概念和定义。所以欧盟对于量子密钥分发和抗量子密码两条保证量子安全的路线采取同时推进、全面部署的策略。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。88 3.4.3.4.国内量子通信产业：三步走战略实现全覆盖国内量子通信产业：三步走战略实现全覆盖 中国：明确实施三步走战略，助力量子通信产业快速发展。中国：明确实施三步走战略，助力量子通信产业快速发展。中国量子通信的“三步走”战略主要包括以下几个阶段。1 1）第一步：）第一步：基于现有光纤的城域网，这一阶段的目标是建立覆盖城市范围的量子通信网络。中国已经建成了一些307、规模化的城域量子通信网络，例如合肥城域量子通信试验示范网，这是世界上首个规模化量子通信网络。2 2）第二步：）第二步：基于可信中继的城际网，在这一阶段，中国计划通过量子中继器建立城际网络。量子中继器能够解决光子在长距离传输中的损耗问题，从而实现更远距离的量子通信。3 3）第三步：）第三步：基于卫星中转的洲际网，最后，中国计划通过卫星中转实现全球范围内的量子通信网络。这包括发射量子科学实验卫星，如“墨子号”，以实现星地之间的量子通信。这些阶段的成功实施，使得中国在量子通信领域取得了显著的进展，并处于国际领先地位。例如，“墨子号”卫星完成了三大科学实验任务，并建立了人类历史上首次洲际量子保密通信。308、此外，中国还计划发射更多的量子卫星，以进一步扩展其量子通信网络。图图111.111.量子通信发展三步走战略量子通信发展三步走战略 资料来源：国盾量子招股书，国投证券研究中心 骨干网骨干网+城域网建设成果显著，全长超过城域网建设成果显著，全长超过 1 1 万公里。万公里。2013 年国家发改委批复立项了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，全长 2032 公里，总投资 5.6 亿元，沿线的北京、济南、枣庄、宿州、合肥、上海等地也相继建成了城域网。2018 年国家发改委批复建设“国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程”，建设京汉、汉广、沪合 3 条量子保密通信骨干网络,总里程约 3800 公里。309、当前，根据国科量子官网介绍，国家广域量子保密通信骨干网络总长超过 1 万公里，覆盖京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、东北等区域的 17 个省市约 80 个城市。此外，由国科量子建设和运营的长三角区域量子保密通信骨干网建设成果于 2023 年 6月在第五届长三角一体化发展高层论坛上正式发布。长三角量子网络线路总里程约 2860 公里，形成了以合肥、上海为核心节点，链接南京、杭州、无锡、金华、芜湖等城市的环网，通过量子业务运营支撑系统及量子卫星调度系统，为星地一体量子保密通信网络提供全方位保障。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。8310、9 图图112.112.中国量子保密通信网络建设进度中国量子保密通信网络建设进度 资料来源：国科量子，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。90 表表2525：中国量子保密通信网络统计（部分）中国量子保密通信网络统计（部分）时间时间 地点地点 名称名称 2009 年 合肥 5 节点全通型量子通信网络 2009 年 芜湖 7 节点量子政务网 2009 年 北京 建国 60 周年月饼量子保密热线 2012 年 合肥 合肥城域量子通信实验示范网 2012 年 北京 新华社金融信息量子通信试验网 2012 年 北京 十八大311、量子安全通信保障 2012 年 合肥-芜湖“合巢芜”城际量子通信网 2013 年 济南 济南量子通信试验网 2014 年 合肥 公安量子通信试点工程 2015 年 北京 抗战胜利 70 周年月饼量子密话及传输系统 2017 年 各地“墨子号”量子科学实验卫星广成量子密钥应用平台 2017 年 北京-上海 量子保密通信“京沪干线”2017 年 南京-苏州 江苏省苏宁量子干线 2017 年 合肥 融合量子安全的合肥政务外网 2017 年 济南 济南党政机关量子通信专用 2017 年 北京 十九大量子安全通信保障 2018 年 武汉-合肥 武合量子保密通信干线 2018 年 武汉 武汉量子保密通信城312、域网 2018 年 北京 北京量子城域网 2018 年 华东 阿里巴巴 OTN 量子安全加密通信系统 2018 年 上海 陆家嘴金融量子保密通信应用示范网 2021 年 宿州 宿州量子保密通信党政军警专用 2019 年 乌鲁木齐 乌鲁木齐量子保密通信城域网 2020 年 海口 海口量子保密通信城域网 建设中 西安 西安量子保密通信城域网 2019 年 贵阳 贵阳市量子保密通信城域网 建设中 中国 国家量子保密通信骨干网（汉广段、沪合段）2020 年 金华 进化量子保密通信城域网 2020 年 南京 南京江宁区政务网量子通信专网 建设中 成都 成都市电子政务外网（量子保密通信服务试点）建设中 苏313、州 苏州市吴江区电子政务外网量子安全通信 资料来源：ICV，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。91 天地一体量子保密通信网络蓄势待发，以星地量子通信为契机促进空间量子科学发展。天地一体量子保密通信网络蓄势待发，以星地量子通信为契机促进空间量子科学发展。基于卫星平台的星地通信方案，具有信道损耗小、接入灵活性高、覆盖面广和生存性强等优点，成为量子通信科学研究和实验探索的热点方向。2016 年 8 月，中科大联合航天科技集团等多家单位，成功发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，并在之后 4 年取得一系列国际领先科314、研实验成功。2021 年 1 月，中科大 Nature 发文，对基于“墨子号”量子科学实验卫星和量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目，验证天地一体化量子通信组网可行性科研成果进行回顾综述。通过提升工作频率、地面站望远镜尺寸和耦合效率，使用非平衡选基新协议等改进措施，在理想气象条件下单轨（约 6 分钟）星地 QKD 密钥成码率比早期结果提升 40 倍，可达 47.8bit/s，每周密钥生成量的理想化最大值约 36Mbit。图图113.113.基于“墨子号”卫星和“京沪干线”天地一体化组网验证基于“墨子号”卫星和“京沪干线”天地一体化组网验证 资料来源：信通院量子信息技术发展与应用研究报315、告 2021，国投证券研究中心 发布世界首颗量子微纳卫星“济南一号”发射，天地一体化广域量子保密通信网络初具雏形。发布世界首颗量子微纳卫星“济南一号”发射，天地一体化广域量子保密通信网络初具雏形。利用“墨子号”积累的成功经验,我国研制并发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”,为构建低成本、实用化的量子星座奠定基础。同时,地面接收站的重量也已由十几吨降到 100 kg左右,可初步支持移动量子通信。结合“墨子号”量子卫星与“京沪干线”,我国率先构建了天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，成为近年来国际量子信息研究的一大标志性事件。“济南一号”提升明显，量子通信网络规模化应用成为可能。“济南一号”提316、升明显，量子通信网络规模化应用成为可能。“济南一号”作为商业卫星，相对于墨子号，有了进一步的发展。“济南一号”量子密钥分发载荷只有 23 公斤，即使算上整星，也只有 98 公斤，仅是“墨子号”的六分之一，尺寸、功耗大大减小，研发成本和发射成本远低于“墨子号”。与“济南一号”配合的地面站，在小型化方面也取得突破性进展，其重量由 12 吨左右降至 100 公斤以下，安装部署时间由数月降低至数小时。“济南一号”将原有的量子通信信道和光通信信道合二为一，可以实时地进行密钥提取和成码，时效性比“墨子号”提升了 2-3 个数量级，增加了“济南一号”实用化前景，同时研发及发射成本也大大降低。随着“济南一号”317、的研发和顺利升空，构建低成本、实用化的天地一体化量子保密通信网络成为可能。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。92 微纳卫星微纳卫星+小型化地面站，成就星地密钥分发网络开端。小型化地面站，成就星地密钥分发网络开端。对于完整的空地一体广域量子通信网络体系来说，“济南一号”只是其中低轨卫星网络的开始。因为，想要最终实现实用化、全球化的量子通信网络，满足数目日益增长、现实需求不同的客户，必须科学布局中高轨量子卫星、低轨量子通信卫星星座和大规模的地面光纤量子通信网络，根据实际需要，三个体系相互配合。但同时，“济南一号”又是重要的一大步，它318、标志着我国将在世界上首次实现标志着我国将在世界上首次实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发。基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发。未来，将会迎来更多的低轨量子密钥分发终端，可以为全球大约 100 多个用户提供高频、安全的量子密钥服务。图图114.114.“低轨微纳卫星“低轨微纳卫星+小型化地面站”技术路线小型化地面站”技术路线 资料来源：物流学报量子信息科技的发展现状与展望，墨子沙龙，国投证券研究中心 中国在中国在 QKDQKD 领域领域全球领跑，深耕技术突破与行业应用全球领跑，深耕技术突破与行业应用。当前我国 QKD 相关技术逐渐走入世界前列，并初步形成一条319、探索型产业链。自由空间传输方面，以“墨子号”为代表的关键工程已实现 1200 千米通信距离的星地量子密钥分发，标志着我国已率先进入 QKD 广域网建设领域，向天地一体量子安全网络逐步演进。中继光纤网络方面，光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”、中国合肥量子城域网取得突破，通过联通 8 个核心网站点和 159 个接入网站点向可实用规模的量子保密通信网络演进，且以成功应用于金融、政务、医疗等多个领域，并有望拓展至四县一市，接入国家量子骨干网。就目前发展而言，我国将持续深耕量子通信技术，加强量子网络建设，持续探索量子保密通信行业应用和产业化落地。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国320、投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。93 3.5.3.5.量子隐形传态：未来量子互联网的核心技术量子隐形传态：未来量子互联网的核心技术 量子隐形传态有望成为未来量子计算机组网核心技术，实现真正的量子互联网。量子隐形传态有望成为未来量子计算机组网核心技术，实现真正的量子互联网。量子隐形传态是以实现量子态的远程传输为目的的一类量子通信协议，将量子纠缠特性作为通信信道使用，从而实现任意未知量子态的传输。在量子隐形传态中，通信前收发双方事先共享一对相互关联的粒子，也称为纠缠粒子。纠缠态本身具有非局域的量子特性，相距很远的纠缠粒子之间形成了特殊的量子信道。发送端将待传输的未知量子态与共享粒子对的321、本地粒子进行特定的测量后，将测量结果告知接收端。接收端用户根据这个测量结果对其拥有的粒子进行一次本地的操作后，即可获得发送端待传输的量子态。如图所示，一对纠缠 EPR 光子对被分发给空间上分处两地的 Alice 和 Bob。Alice 另外还持有一个处于任意量子态的光子，现在她需要将该量子态（当然也包括编码在该量子态上的信息）传输给 Bob。那么接下来的工作步骤可以概括为：首先，Alice 让处于未知态的光子与 EPR对在她那里的一个光子进行以 Bell 态为基矢的投影测量；然后通过经典的方法将测量结果告知 Bob；根据 Alice 发布的经典信息，Bob 随后对他所持有的 EPR 对中另一个322、光子进行相应的幺正变换，使之变成与 Alice 所要传输的未知态完全相同的态，从而达到量子态转移的效果。图图115.115.量子隐形传态示意图量子隐形传态示意图 资料来源：中国科学院量子信息与量子科技创新研究院，国投证券研究中心 突破多种关键技术，突破多种关键技术，赫兹速率城域量子隐形传态成为可能。赫兹速率城域量子隐形传态成为可能。2023 年，电子科技大学郭光灿院士团队周强研究组与中科院上海微系统所尤立星团队合作，在电子科技大学“银杏一号”城域量子互联网方面取得了重大进展。研究团队合作研制出高重频量子光源、自动化光子全同测控装置、高性能超导纳米线单光子探测器，突破了量子信息载源、量子信道建立323、、量子信息检测等技术难题，首次完成“赫兹速率”的城域量子隐形传态。实现量子互联网的关键任务之一便是在不同量子节点间完成量子信息的传递。借助于量子纠缠资源，在量子投影测量和经典通信的辅助下，量子隐形传态可将未知量子信息进行“离物传递”。这次工作建成的“银杏一号”城域量子互联网，使用诱骗态时间片量子比特对待传递的量子信息进行编码，在突破许多关键技术的基础上，首次将城域量子隐形传态的速率提升至赫兹量级。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。94 1 1）高重频量子纠缠光源：高重频量子纠缠光源：研究团队研制出具有自主知识产权的量子纠缠光源，324、使用单个尾纤耦合周期极化铌酸锂波导模块，实现了 500 MHz 重频触发的高质量量子纠缠光源。2 2）自动化光子全同测控装置：）自动化光子全同测控装置：为了保障量子隐形传态的成功，提高贝尔态投影测量效率，需确保来自 Alice 和 Bob 的光子在长距离光纤传输后保持全同。研究团队自主研发出自动化光子全同测控装置，通过对量子信道中的光子偏振及时延信息进行实时感知，实现了快速响应的光纤信道光子全同稳定测控技术。3 3）高性能超导纳米线单光子探测器：）高性能超导纳米线单光子探测器：中科院上海微系统所尤立星团队为实验系统提供了高探测效率、低暗计数、低时间抖动的高性能超导纳米线单光子探测器，用于高效率325、贝尔态投影测量和光量子态检测过程。此外，研究团队分别使用量子态层析及诱骗态方法获得隐形传态的保真度均大于经典极限（66.7%），并通过三重符合测量得到量子态传递速率为 7.1 Hz，首次实验验证了赫兹速率城域量子隐形传态的可行性。图图116.116.“银杏一号”城域量子互联网建设场地鸟瞰图和设计示意图“银杏一号”城域量子互联网建设场地鸟瞰图和设计示意图 资料来源：ICV，国投证券研究中心 行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。95 4.4.抗量子密码：密码原理的底层创新，应对量子攻击的新型方案抗量子密码：密码原理的底层创新，应对量子326、攻击的新型方案 4.1.4.1.量子计算对加密构成威胁，抗量子密码应运而生量子计算对加密构成威胁，抗量子密码应运而生 量子计算对现有密码体系构成威胁。量子计算对现有密码体系构成威胁。随着量子计算技术不断取得突破，算力大幅提升，特别是以 Shor 算法为代表的量子算法提出，有关运算操作在理论上可以实现将质因数分解算法的计算复杂度从指数级向多项式级转变，这意味着量子计算能够使得公钥密钥的破解实现指数级加速，对现有密码体系构成威胁。抗量子密码（抗量子密码（PQCPQC）应运而生，应对量子计算攻击的新型密码算法）应运而生，应对量子计算攻击的新型密码算法。PQC 是能够抵抗量子计算对现有密码算法攻击的新327、一代密码算法，旨在研究密码算法在量子环境下的安全性，并设计在经典和量子环境下均具有安全性的密码系统。对于对称密码算法，尽管量子计算机可能降低现有算法的安全性，但增加参数的长度对维护安全性是有效的。因此，PQC 研究重点是非对称密码算法。PQC 与 QKD（量子密钥分发）有所差异，QKD 设计利用量子物理特性进行密码的分发，而 PQC 则关注在经典计算机上运行新的密码算法，使得这类算法即使用量子计算机也无法破坏。表表2626：量子计算对经典密码体系的影响量子计算对经典密码体系的影响 密码算法密码算法 类型类型 作用作用 量子计算的威胁量子计算的威胁 AES 对称密钥 通信加密 增大密钥长度 SH328、A-2/SHA-3 哈希密钥 单向散列加密，完整性保证 输出长度增加 RSA 公钥密钥 数字签名 密钥建立 丧失安全性 ECDSA/ECDH 公钥密钥 数字签名 密钥交换 丧失安全性 DSA 公钥密钥 数字签名 密钥交换 丧失安全性 资料来源：光子盒公众号，国投证券研究中心 根据抗量子密码算法所基于的底层困难问题，主流抗量子密码算法大致分为根据抗量子密码算法所基于的底层困难问题，主流抗量子密码算法大致分为 5 5 类：类：（1）基于格(Lattice-based)的抗量子密码算法（2）基于哈希(Hash-based)的抗量子密码算法（3）基于编码(Code-based)的抗量子密码算法（4）基329、于多变量(Multivariate-based)的抗量子密码算法（5）基于同源(Isogeny-based)的抗量子密码算法。基于格：基于格：格（Lattice）是一种数学结构，定义为一组线性无关的非 0 向量（称作格基）的整系数线性组合。格密码的主要数学基础是格中的两个困难问题：格的最短矢量问题（SVP）和格的最近矢量问题（CVP）。格是一个困难的问题，并且难度还能控制，满足了成为密码学算法核心的必要条件。PQCPQC 算法中，对格的研究是最活跃、最灵活的。算法中，对格的研究是最活跃、最灵活的。基于格的算法在安全性、公私钥大小、计算速度上可达到较好的平衡。第一，基于格的算法可以实现加密、数字330、签名、密钥交换、属性加密、函数加密、全同态加密等各类功能的密码学构造。第二，基于格的算法的安全性依赖于求解格中问题的困难性。这些问题在达到相同的安全强度时，基于格的算法的公私钥大小比上述其他三种方案更小，计算速度更快，且能被用于构造多种密码学原语，更适用于真实世界中的应用。因此，基于格的算法被认为是最有前景的 PQC 算法之一。行业深度分析行业深度分析/计算机计算机 本报告版权属于国投证券股份有限公司，各项声明请参见报告尾页。96 基于哈希：基于哈希：基于哈希的签名算法从 Lamport 提出的一次性签名方案演变而来，最早由 Ralph Merkle 提出，并使用哈希树构造。基于哈希的密码算法331、仅限用于数字签名，至今学术界还没有专家提出基于哈希设计并实现的公钥加密或密钥封装的方案。基于哈希的数字签名方案的安全性依赖于哈希算法的一些安全性质，例如单向性（抗原像攻击）、弱抗碰撞性（抗第二原像攻击）和伪随机性等。如果使用的哈希函数被攻破，完全可以构造新的安全的哈希函数来替代，因此基于哈希的签名是抗量子密码中理论安全性最强的一类。但是主要有以下两点缺点：一是签名体积大；二是对于有状态的基于哈希的签名，其所能支持的签名次数有限，增加签名数量也将降低计算效率，并进一步增加签名的体积。基于编码：基于编码：基于编码的算法 1978 年，其理论依据来源于随机线性码的译码是困难问题：经过编码的信息在信道332、上传输，由于噪声产生错误，在接收端通过译码算法恢复。其核心在于将一定数量的错误码字引入编码中，纠正错误码字或计算校验矩阵的伴随式是困难的。McEliece提出了首个基于编码的公钥加密方案 McEliece 方案，从而开创了基于编码的密码学这一研究领域。基于编码的密码算法被认为是抗量子密码中相对具有竞争力的密码算法。基于编码的密码算法被认为是抗量子密码中相对具有竞争力的密码算法。著名的基于编码的加密算法是 McEliece，McEliece 使用随机二进制的不可约 Goppa 码作为私钥，公钥是对私钥进行变换后的一般线性码。基于编码的密码通常具有较小的密文，但其缺点是公钥大、密钥生成慢，在实用化333、方面有待提升。基于多变量：基于多变量：基于多变量的算法使用有限域上具有多个变量的二次多项式组构造加密、签名、密钥交换等算法。多变量密码的安全性依赖于求解非线性方程组的困难程度，即多变量二次多项式问题。该问题被证明为非确定性多项式时间困难。目前没有已知的经典和量子算法可以快速求解有限域上的多变量方程组。基于多变量的算法适用于一些注重算法效率但不关心基于多变量的算法适用于一些注重算法效率但不关心 带宽的应用场景带宽的应用场景。多变量密码算法相比于其他抗量子密码算法具有签名验签速度快、消耗资源少的优势，其缺点是公钥尺寸大，因此适用于无需频繁进行公钥传输的应用场景，例如计算和存储能力受限的物联网设备等。基于同源：基于同源：同源密码是基于椭圆曲线同源问题的抗量子密码系统，它基于一个新的困难问题，即寻找任意两条椭圆曲线之间的同源。2011 年基于超奇异同源的 SIDH 算法被提出，该算法是一个 Dif