2024年量子科技專題報告：逐夢量子-星辰大海

2024年量子科技專題報告：逐夢量子_星辰大海一、量子信息技術備受全球關注量子信息技術是量子科技的重要組成量子信息技術是量子科技重要組成部分，以量子力學原理為基礎，通過對微觀量子系統(tǒng)中物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和觀測，實現(xiàn)信息感知、計算和傳輸。量子信息技術是量子信技術息包括量子通信、量子計算和量子精密測量三方面的應用，可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典技術的瓶頸。量子信息技術進入產(chǎn)業(yè)培育的關鍵階段大部分量子信息技術處在產(chǎn)業(yè)的萌芽期，正逐步從基礎研究走向應用研究，進入科技攻關、工程研發(fā)、應用探索和產(chǎn)業(yè)培育一體化推進的發(fā)展關鍵階段。各國高度重視量子技術量子信息技術發(fā)展與應用已成為大國間開展科技、經(jīng)濟等領域綜合國力競爭，維護國家技術主權(quán)與發(fā)展主動權(quán)的戰(zhàn)略制高點之一。2021年11月，美國將我國三家量子科技企業(yè)列入實體清單，分別為合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、科大國盾量子技術股份有限公司和上海國盾量子信息技術有限公司。2023年8月，拜登簽署對華投資限制行政令，聚焦半導體、量子計算、人工智能三大領域。截至2023年10月，29個國家和地區(qū)制定和推出了量子信息領域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或法案文件，據(jù)公開信息不完全統(tǒng)計的投資總額已超過280億美元。我國陸續(xù)出臺支持政策近年來，中國量子信息行業(yè)受到各級政府的高度重視和國家產(chǎn)業(yè)政策的重點支持。國家陸續(xù)出臺了多項政策，鼓勵量子信息行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)。2024年1月，工業(yè)和信息化部等七部門發(fā)布關于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見，提出以實施意見為指南，圍繞腦機接口、量子信息等專業(yè)領域制定專項政策文件，形成完備的未來產(chǎn)業(yè)政策體系。2024年政府工作報告提出，要開辟量子技術、生命科學等新賽道，創(chuàng)建一批未來產(chǎn)業(yè)先導區(qū)。產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)探索量子信息技術產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋范圍廣，技術路線尚未收斂，但也面臨一些共性關鍵技術和核心問題瓶頸需要進一步攻關突破。當前量子科技產(chǎn)業(yè)處于研發(fā)和產(chǎn)業(yè)探索階段，對大部分相關公司的營收貢獻度較少。國內(nèi)上市公司參與到了產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)。建議關注全方位布局量子信息技術的國盾量子，以及業(yè)務涉及量子科技領域的西部超導、福晶科技、神州信息等。二、量子計算即將進入快速成長期從比特到量子比特量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。經(jīng)典計算使用二進制的數(shù)字電子方式進行運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態(tài)。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位比特寄存器可同時存儲這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。推廣到n個二進制存儲器的情況，理論上，n個量子存儲器與n個經(jīng)典存儲器分別能夠存2n個數(shù)和1個數(shù)。隨著經(jīng)典計算的芯片尺度不斷減小，而量子隧穿效應是不可忽略的。在未來的計算機發(fā)展過程中，經(jīng)典計算機需要克服量子特性，量子計算機直接利用量子效應進行信息的處理。因此，相較經(jīng)典計算機，量子計算機具備“量子優(yōu)越性”，一旦量子計算機強大到可以完成經(jīng)典計算機無法執(zhí)行的計算時，“量子霸權(quán)”由此實現(xiàn)。量子計算本質(zhì)為異構(gòu)計算目前所說的量子計算，本質(zhì)上來說是一種異構(gòu)運算，即在經(jīng)典計算機執(zhí)行計算任務的同時，將需要加速的程序在量子芯片上執(zhí)行。因此，量子計算的程序代碼實際執(zhí)行中分為兩種，一種是運行在CPU上的宿主代碼主要用于執(zhí)行不需要加速的任務，并為需要加速的任務提供需要的數(shù)據(jù)；一種是運行在量子芯片上的設備代碼主要用于描述量子線路，控制量子程序在量子芯片上的執(zhí)行順序，以及數(shù)據(jù)的傳輸。不同類型的代碼由于其運行的物理位置不同，編譯方式和訪問的資源均不同，這跟英偉達公司推出的用GPU解決復雜的計算問題的并行計算架構(gòu)CUDA非常類似。多路線并行發(fā)展，量子計算未見技術收斂量子計算硬件有多種技術路線并行發(fā)展，主要可分為兩大類:一是以超導和硅基半導體等為代表的人造粒子路線，二是以離子，光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。目前，多條技術路線仍未收斂。近年來國外科技企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)與研究機構(gòu)加速布局，為爭奪產(chǎn)業(yè)生態(tài)地位，搶占未來發(fā)展先機展開激烈競爭，目前全球已有數(shù)十家公司和研究機構(gòu)推出了不同類型的數(shù)十個量子計算云平臺。量子計算即將進入快速成長期目前，量子計算正處于迅速發(fā)展的階段，需要技術的持續(xù)突破。由于量子計算極易被環(huán)境熱量或波動干擾致使計算結(jié)果出錯，因此量子糾錯算法對結(jié)果的準確性極其重要，而提升量子比特的測控精度是量子計算機實用化的關鍵問題。隨著量子計算機硬件的不斷升級和算法的不斷優(yōu)化，更多的軟硬件企業(yè)將投身于量子計算領域，并推動量子計算在不同行業(yè)的廣泛應用。量子計算將在金融、醫(yī)療、材料科學等領域最先發(fā)揮作用，為下游行業(yè)帶來顛覆性的創(chuàng)新。與此同時，產(chǎn)業(yè)鏈上的合作與競爭也將更加激烈，投資和創(chuàng)新以及龐大的市場需求將成為推動產(chǎn)業(yè)前進的關鍵驅(qū)動力。政府和企業(yè)也將共同合作，加大研發(fā)投入，以爭取在全球量子計算領域的競爭優(yōu)勢。隨著量子計算技術的不斷演進，以及人工智能（AI）技術等領域的快速發(fā)展，量子計算的應用邊界被不斷拓展，從而使量子計算的商業(yè)潛力更加廣泛和深遠。據(jù)ICV預測，2023年，全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到47億美元，2023至2028年的年平均增長率達44.8%。在2028年至2035年，市場規(guī)模將繼續(xù)迅速擴大，2035年總市場規(guī)模有望達到8117億美元。國內(nèi)量子計算產(chǎn)業(yè)鏈呈追趕態(tài)勢中國在量子計算領域崛起迅猛，其中包括騰訊、華為等具有代表性的大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，在光量子計算機等方面取得了顯著優(yōu)勢，技術水平和挑戰(zhàn)能力迅速提升。然而在中美競爭日益加劇的背景下，尤其是在量子芯片和超低溫設備等方面，中國與美國相比仍存在較大差距。三、量子通信產(chǎn)品逐漸豐富量子通信提升通信安全隨著量子計算硬件、軟件與量子算法研究的不斷進展，量子計算機將對現(xiàn)有的通信安全機制造成威脅，以RSA、ECC算法為基礎的現(xiàn)代密碼體系在理論上已不再安全。因此，如何應對量子計算機對通信網(wǎng)絡安全帶來的影響，加強抗量子密碼等安全技術研究，是需要深入研究和解決的問題。量子通信不是要替代經(jīng)典通信方式，而是通過在經(jīng)典通信中使用量子密鑰以提升通信安全性，同時量子通信的規(guī)?；瘧靡残枰c經(jīng)典通信技術相融合。量子通信原理主要為密鑰分配、隱形傳態(tài)、量子糾纏和量子不可復制定理四部分。在微觀世界中，一對粒子中一個粒子發(fā)生變化會影響另一個粒子。量子通信的過程是將攜帶信息糾纏粒子分開，將其中一個粒子遠距離傳輸?shù)街付ㄎ恢茫瑥牧Ｗ拥臓顟B(tài)就能準確獲取到攜帶的信息內(nèi)容。接收方想要獲取信息，需要讓密鑰粒子和傳輸信息的粒子再次形成糾纏態(tài)時才能破譯，即完成通信。由于無法對量子態(tài)進行整體拷貝，量子通信可有效確保通信過程的安全性。量子安全產(chǎn)業(yè)化目前聚焦QKD和QRNG量子保密通信常見的三種技術分別是量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子隨機數(shù)發(fā)生器（QRNG）和量子隱形傳態(tài)（QT）。由于量子隱形傳態(tài)技術還在實驗室研究階段，尚不具備產(chǎn)業(yè)化能力。目前產(chǎn)業(yè)化的焦點在QKD和QRNG。QKD技術從物理學原理上，具備無條件的安全性。而在實際使用QKD設備的過程中，QKD收發(fā)兩端設備在公開信道進行認證的流程目前使用的較多的仍是預存密鑰與傳統(tǒng)的加密方式，缺少抗量子攻擊的安全保證，這是QKD技術在實用化過程中遇到的挑戰(zhàn)之一。為了提升QKD設備認證流程的安全性，可選擇使用后量子加密（PQC）算法進行認證，或者使用QKD協(xié)議密鑰進行認證。QRNG市場將快速成長目前，博彩業(yè)是QRNG的下游市場之一。這是因為黑客在2014年通過鎖定和入侵老虎機成功獲利數(shù)百萬美元，給美國、羅馬尼亞和澳門的賭場造成損失。美國和澳門的賭場已經(jīng)使用QRNG為游戲參與者提供公平的環(huán)境。QRNG