量子计算技术路线、市场空间、产业链及全球进展如何?

2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。

当前量子计算各技术路线的性能指标发展水平参差不齐，但距离实现大规模可容错 通用量子计算的目标都还有很大差距：1）超导路线：在量子比特数量、逻辑门保真度 等指标方面表现较为均衡；2）离子阱路线：在逻辑门保真度和相干时间方面优势明显， 但比特数量和门操作速度方面瓶颈也同样突出；3）光量子和硅半导体路线目前在比特 数量、逻辑门保真度和相干时间等指标方面均未展现出明显优势；4）中性原子近年来在 比特数量规模、门保真度和相干时间等指标方面提升迅速。

量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要可分为两大类：1）以超导和硅半导 体等为代表的人造粒子路线，2）以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。 人造粒子路线：可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面具有一定优 势，但在提升逻辑门精度等指标方面受到基础材料和加工工艺等限制。 天然粒子路线：具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但在比特数量扩展等方面 面临挑战。近年来，各种主要技术路线均有研究成果不断涌现，呈现开放竞争态势，尚 无某种技术路线体现出明显综合优势。 超导技术路线是量子计算领域业界关注度最高的发展方向。离子阱路线能否在量子 计算技术路线竞争中占据优势仍有待进一步观察。光量子路线中专用光量子计算近年来 研发成果较多。硅半导体路线的比特数量和操控精度等指标提升缓慢。中性原子路线有 望成为技术路线竞争中的后起之秀。超导技术路线的比特数量操控精度和相干时间等关 键指标提升迅速且发展较为均衡，是有望率先实现量子纠错和突破杀手级应用的“种子 选手”。

2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。2023 年，全球量子产业规模达到 47 亿 美元，2023 至 2028 年的年平均增长率（CAGR）达到 44.8%，基本符合行业发展规律。 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应用，到 2035 年总市场规模有望达到 8117 亿美元。 这一接近万亿级别的市场规模标志着量子计算会在此进入全面成熟和商业化的关键阶 段，预示着未来量子计算将在各个领域带来深远而持久的影响。

上游市场在量子计算领域的发展至关重要，主要分为量子比特环境、量子比特测量 与控制系统、量子芯片以及其他。技术进步、应用领域的扩大、政策支持、投资增加以 及商业化的挑战和机遇等因素，共同推动了量子计算市场的快速发展。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。 量子比特测量与控制系统市场规模增长最为迅猛，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。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。 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。

产业生态上游主要包含环境支撑系统、测控系统、各类关键设备组件以及元器件等， 是研制量子计算原型机的必要保障。目前由于技术路线未收敛、硬件研制个性化需求多 等原因，上游供应链存在碎片化问题，逐一突破攻关存在难度，一定程度上限制了上游 企业的发展。国内外情况对比而言，上游企业以欧美居多，部分头部企业占据较大市场 份额，我国部分关键设备和元器件对外依赖程度较高。 产业生态中游主要涉及量子计算原型机和软件，其中原型机是产业生态的核心部分， 目前超导、离子阱、光量子、硅半导体和中性原子等技术路线发展较快，其中超导路线 备受青睐，离子、光量子和中性原子路线获得较多初创企业关注。美国原型机研制与软 件研发占据一定优势，我国量子计算硬件企业数量有限且技术路线布局较为单一，集中 在超导和离子阱路线，量子计算软件企业存在数量规模较少、创新成果有限、应用探索 推动力等问题。 产业生态下游主要涵盖量子计算云平台以及行业应用，处在早期发展阶段。近年来 全球已有数十家公司和研究机构推出了不同类型的量子计算云平台积极争夺产业生态 地位。目前量子计算领域应用探索已在金融、化工、人工智能、医药、汽车、能源等领 域广泛开展。国外量子计算云平台的优势体现在后端硬件性能、软硬件协同程度、商业 服务模式等方面。大量欧美行业头部企业成立量子计算研究团队，与量子企业联合开展 应用研究，我国下游行业用户对量子计算重视程度有限，开展应用探索动力仍需提升。

谷歌采用超导路线，最新 Sycamore 量子处理器目前拥有 70 个量子比特。谷歌的 量子优势实验基于他们的超导量子芯片 Sycamore，利用交叉熵基准，谷歌量子计算研究 人员观察到了阶段边界，由此定义噪声量子演化的计算复杂性。在模拟的估计计算成本， 比起经典计算机，53 量子比特完成 1 百万个噪音样本比其快 6.18 秒。而 70 量子比特要 快 47.2 年。

微软预计 10 年内完成量子超级计算机的构建。公司将未来量子计算分为 基础、弹性和规模三个级别。基础阶段，在噪声物理量子比特上运行的量子系统，微软 已经将量子机器带到了 Azure Quantum 的云端，包括 IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI 和 Rigetti。弹性阶段，从嘈杂的物理量子比特过渡到可靠的逻辑量子比特，增加每个逻辑 量子比特的物理量子比特数，使物理量子比特更稳定，或者两者兼而有之；规模阶段， 设计出一台规模化的、可编程的量子超级计算机，这样的量子超级计算机至少需要 100 万个每秒可靠的量子操作数（rQOPS）。

IBM 推出新型模块化系统，瞄准 2033 年超级计算机。2023 年 12 月，IBM 公司推 出了 133 量子位的量子处理器 IBM Quantum Heron，可提供迄今为止 IBM 最高的性能指标和最低的错误率，同时展示了一种新方法，将机器内部的处理器连接在一起，然后 将机器连接在一起，以形成模块化系统，当与新的纠错代码相结合时，有望在 2033 年 生产出引人注目的量子机器：包括 1000 个逻辑量子比特的超级计算机，全面释放量子 计算的能量。

实现 Condor 处理器，拥有 1121 个超导量子位。Condor 突破了芯片设计的规模和 产量极限，量子比特密度提高了 50%，在量子比特制造和层压板尺寸方面取得了进步， 并在单个稀释制冷器中包含超过一英里的高密度低温柔性 IO 接线。性能可与 433 量子 比特的 Osprey 相媲美。多年来，IBM 一直遵循量子计算路线图，每年将量子比特数量 增加约一倍。 中科院团队成功构建 255 个光子的量子计算原型机“九章三号”，科研人员设计了 时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子 操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的经典精确采样算法，“九章三号”处理 高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。其在百万分之一秒时间内所 处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“Frontier”花费超过二百亿年的 时间。 “祖冲之二号”量子计算机可操纵的量子比特数达到 176 比特。祖冲之二号采用大 规模并行处理的硬件结构和智能的调度和管理系统，可以实现处理器核心之间的快速通 信和数据传输，有效地避免资源浪费和处理能力不均衡的问题。其单比特门、两比特门 和读取保真度分别为 99.84%、99.40%和 97.74%，相比之下，谷歌“悬铃木”在其“量 子计算优越性”实验中的三项保真度分别为 99.84%、99.38%和 96.20%。