2024年量子計算專題報告：打破傳統(tǒng)計算范式-產(chǎn)業(yè)應用未來可期

2024年量子計算專題報告：打破傳統(tǒng)計算范式_產(chǎn)業(yè)應用未來可期量子計算：打破傳統(tǒng)范式，量子優(yōu)越性有望帶來計算突破量子信息技術催生新質(zhì)生產(chǎn)力，各國紛紛進行戰(zhàn)略布局量子信息技術是構建新質(zhì)生產(chǎn)力推動高質(zhì)量發(fā)展的重要方向。全球主要國家在此領域基本都進行了戰(zhàn)略布局。我國在“十四五”規(guī)劃中就提出“瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目”，其中就將量子信息列為與人工智能、集成電路等同等重要的技術。2024政府工作報告也提出，“積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)，制定未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開辟量子技術新賽道”。量子信息技術包含計算、通信和測量三大領域量子信息領域主要包括量子計算、量子通信和量子測量三個主要領域，其中量子計算是最先可能突破的賽道。量子計算是一種新型計算模式，具有量子優(yōu)越性，目標是實現(xiàn)通用可編程的量子計算機，目前正處于技術驗證和應用探索階段；量子通信利用量子態(tài)傳遞信息，涉及量子密碼調(diào)制、遠程傳態(tài)和密集編碼等技術，典型應用包括量子密鑰分發(fā)和隱形傳態(tài)，可量子計算融合形成量子通信網(wǎng)絡。量子測量利用磁、光與原子的相互作用進行超高精度和高靈敏度測量，突破經(jīng)典測量極限。實現(xiàn)量子測量的量子傳感器應用場景廣泛，但商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化仍處初級階段。量子：物理量最小單位的概稱量子（quantum）是參與基本相互作用的任何物理實體（物理性質(zhì)）的最小量。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數(shù)量的某物質(zhì)”。它最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的，他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，以此解釋了黑體輻射的實驗現(xiàn)象。隨后的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。隨后量子力學這門研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學理論誕生了。量子比特：具有量子特性，量子計算機中的最小信息單位量子計算的單位是量子比特（QUBIT，又稱量子位），是一種能表現(xiàn)出量子效應的物理實體。與經(jīng)典計算機使用的比特只會表現(xiàn)出0或1的狀態(tài)不同，由于量子的疊加特性，量子比特可以同時存在于多種狀態(tài)。對于使用二進制的量子比特而言，就是可以同時處于“0”和“1”兩個狀態(tài)的疊加態(tài)。這種獨特的特性使量子計算機能夠并行處理和存儲大量數(shù)據(jù)，且擁有極快的運算速度。量子疊加態(tài)：量子可同時處于多種狀態(tài)，能夠大量存儲信息疊加態(tài)，或稱疊加狀態(tài)（superpositionstate），是指一個量子系統(tǒng)的幾個量子態(tài)歸一化線性組合后得到的狀態(tài)。以箭頭在布洛赫球上的指向來示意量子比特的狀態(tài)，則箭頭指向正上方（相當于地球的北極）時狀態(tài)為0，指向正下方（相當于地球的南極）時狀態(tài)為1，指向球面上其他點時狀態(tài)為0和1的疊加態(tài)。經(jīng)典比特只能表示0和1這兩種狀態(tài)中的任意一種，而由于量子的疊加特性，每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態(tài)，這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力。如2的8次方等于256，故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數(shù)字，但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字。測量量子：讀取量子比特信息的方式量子系統(tǒng)經(jīng)過測量后會產(chǎn)生坍縮（Collapse）。微觀粒子具有波粒二象性，其空間分布和動量都是以一定概率存在的（此時表現(xiàn)出波動性，狀態(tài)具有不確定性）。當我們用物理方式對其進行測量時，粒子會隨機選擇一個單一結果表現(xiàn)出來（即表現(xiàn)出粒子性的確定狀態(tài)）。量子比特一經(jīng)測量，就會發(fā)生坍縮，并通過概率來決定到底是處于狀態(tài)0還是狀態(tài)1。隨后我們就可以從量子比特中讀取非0即1的經(jīng)典比特信息。量子比特的狀態(tài)此時也會變?yōu)榕c測量結果對應的狀態(tài)0或狀態(tài)1。量子計算具有“量子霸權”與“量子優(yōu)越性”，有望突破當下計算的極限量子計算在部分問題上的速度上遠超經(jīng)典計算，這種現(xiàn)象被稱為“量子霸權”或“量子優(yōu)越性”。當下普遍認為量子計算與經(jīng)典計算在本質(zhì)上存在差異，量子計算能夠在速度上遠超經(jīng)典計算。此外，量子計算還能向下兼容經(jīng)典計算，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計算范圍內(nèi)的所有計算。量子計算機對部分指數(shù)時間復雜度問題有顯著優(yōu)勢對于經(jīng)典計算機面臨的多項式時間內(nèi)無法求解的問題（即指數(shù)時間復雜度的問題），量子計算機可能帶來突破。如組合優(yōu)化問題、通過分解質(zhì)因數(shù)破解密碼、量子化學計算、機器學習和復雜物理現(xiàn)象的模擬等問題。BQP（Bounded-errorQuantumPolynomialtime）指量子計算機能在多項式時間內(nèi)解決的問題。BQP類問題可能超出NP類問題的范圍之外，這意味著在特定問題上量子計算機可能超越傳統(tǒng)計算機驗證問題答案的速度。量子計算技術體系框架：軟硬件+算法支撐技術體系，云平臺整合生態(tài)硬件、軟件、算法是量子計算技術體系的三大支柱，云平臺是集成三者面向用戶提供服務的應用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)匯聚點，這些都建立在量子調(diào)控、量子糾錯等技術基礎上。從硬件看，主要分為邏輯門量子計算機、專用量子計算機和基于經(jīng)典計算的模擬器三種；從軟件看，主要可以分為應用開發(fā)軟件、計算編譯軟件、測控系統(tǒng)軟件和芯片EDA軟件等；從算法看，主要有量子模擬、組合優(yōu)化等。云平臺：云計算廠商紛紛參與，發(fā)展迭代迅速國內(nèi)外眾多研究機構和企業(yè)發(fā)布了不同類型的量子計算云平臺，發(fā)展迭代迅速。如Pasqal推出50中性原子量子計算平臺QuantumDiscovery，協(xié)助用戶探索中性原子量子計算應用；日本量子計算聯(lián)合研究小組啟動51基于64位超導量子計算機云平臺服務；北京量子院53夸父量子計算云平臺上線了具有136、18和10位量子比特的三個超導量子芯片；中科大54上線176比特“祖沖之號”量子計算云平臺；中國移動、中國電科等聯(lián)合發(fā)布55“五岳”量子計算云平臺；本源量子等多家單位56共同推出量超融合計算平臺等。潛在市場規(guī)模廣闊，應用與新質(zhì)生產(chǎn)力領域廣泛交叉產(chǎn)業(yè)鏈：上下游逐漸形成規(guī)模，原型機是核心環(huán)節(jié)量子計算產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包含環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類關鍵設備組件以及元器件等，是研制量子計算原型機的必要保障；中游主要涉及量子計算原型機和軟件，其中原型機是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心部分；產(chǎn)業(yè)生態(tài)下游主要涵蓋量子計算云平臺以及行業(yè)應用，仍處在早期發(fā)展階段。市場規(guī)模：產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超萬億，預計市場規(guī)模CAGR將達約45%2023年全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到47億美元，預計2023至2028年市場規(guī)模的年平均增長率（CAGR）將達到44.8%。2027年專用量子計算機預計將實現(xiàn)性能突破，帶動整體市場規(guī)模達到105.4億美元。在2028年至2035年，市場規(guī)模將繼續(xù)迅速擴大，受益于通用量子計算機的技術進步和專用量子計算機在特定領域的廣泛應用。到2035年總市場規(guī)模有望達到8117億美元，量子計算會在此進入全面成熟和商業(yè)化的關鍵階段。量子計算+金融：提供充足并行化算力，解決金融領域傳統(tǒng)計算難題提升金融智能水平：量子計算能夠在智能風控、智能營銷、智能信貸和智能監(jiān)管等方面提供充分的計算能力來充分挖掘數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量的增長，量子計算的算力優(yōu)勢將更加明顯。提高金融服務速度：量子計算擁有并行化特點，將顯著提升金融服務的智能化響應速度，這對于金融業(yè)務如反欺詐、反洗錢、授信審批和支付清算等至關重要，因為這些業(yè)務對時間的敏感度很高。節(jié)約能耗和空間：量子計算能夠有效解決經(jīng)典計算在處理金融大數(shù)據(jù)時的能耗問題，并且減少了提升算力所需的大規(guī)模硬件設備需求，從而降低了硬件購置和維護成本。核心玩家：云廠商+芯片廠商+科研機構強強聯(lián)合IBM：量子計算處理器制造領先者，發(fā)布Heron和Condor量子處理器IBM是量子計算處理器制造領域的領先者。2023年12月4日，IBM發(fā)布了133個量子比特的量子處理器IBMQuantumHeron，可提供迄今為止IBM最高的性能指標和最低的錯誤率；IBM還發(fā)布了包含1121個量子比特的Condor超導量子處理器。其超越1000個量子比特的規(guī)模為提高量子計算機的容錯能力提供了可能性。2023年，IBM更新了量子開發(fā)路線圖，提出到2033年，以量子為中心的超級計算機將包括1000個邏輯量子比特，全面釋放量子計算的能量。IBM：推出開源編程框架Qiskit，支持量子計算模擬Qiskit是一個開源的軟件開發(fā)工具包（SDK），能夠用于模擬量子計算電路、脈沖和算法。它提供了創(chuàng)建和操作量子程序的工具，并允許在IBMQuantumPlatform的原型量子設備上或在本地計算機上的模擬器上運行這些程序。Qiskit遵循通用量子計算的電路模型，并可以用于任何遵循此模型的量子硬件（目前支持超導量子比特和離子阱）。AWS：Braket托管式量子計算服務，與多家硬件供應商合作AmazonBraket是完全托管式的量子計算服務，能夠提供構建、測試和運行量子算法所需的資源。AmazonBraket同時為AWS客戶提供來自多個量子硬件供應商的量子計算技術，包括超導、俘獲離子、中性原子和光子量子計算機。這些硬件供應商包括IonQ、OxfordQuantumCircuits（OQC）、QuEra和Rigetti等。根據(jù)門型量子計算模式，用戶可以從OxfordQuantumCircuits和Rigetti訪問超導量子處理器，并從IonQ訪問俘獲離子技術。用戶并使用QuEra的最新中性原子處理器研究優(yōu)化問題。國盾量子：提供量子計算、量子通信硬件產(chǎn)品及服務國盾量子成立于2009年，公司以量子通信、量子計算、量子精密測量產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為核心業(yè)務，同時提供相關技術服務，是國家專精特新“小巨人”企業(yè)。2024年4月，中國首顆超500比特超導量子計算芯片正式發(fā)布。量子創(chuàng)新院定制研發(fā)的504比特量子計算芯片“驍鴻”向國盾量子進行了一批交付，用于驗證國盾量子自主研制的千比特測控系統(tǒng)。在量子比特的壽命、門保真度、門深度、讀取保真度等關鍵指標方面，有望達到IBM等國際主流量子計算云平臺的芯片性能水平，可以充分滿足千比特測控系統(tǒng)驗證的需求。信安世紀：致力于解決網(wǎng)絡安全問題，將后量子算法融入公