量子计算实现路径、产业进展、应用、市场空间及竞争格局如何？

算力潜力巨大，关键技术逐步突破。

1.量子计算：基于量子比特带来的强大并行计算能力

量子计算机采用量子比特计算。量子计算中的基本信息单位是量子比特，类似于传统数字电子学中的比特。与经典比特不同，量子 比特可以存在于其两个“基本”状态的叠加中，写作|0⟩和|1⟩以作为经典态0和1的对应，可以被认为是指向“布洛赫球体”表面上 某个位置的箭头。

量子比特状态的叠加使得大量并行计算成为可能。门电路的经典位只有两个可能值：0或1。然而，量子位可以是这两种信息状态的 叠加，同时具备这两种状态的特征。如偏振光的叠加：用水平偏振光来表示0，垂直偏振光表示1，但光也可以在一定角度上偏振， 同时具有水平和垂直分量。由此，N个经典比特一次表示的数字只有1个，但N个量子比特一次能表示的数字数目为2的N次方。

量子计算输出结果具有不确定性。当运算结束测量量子比特时，其结果是经典比特的概率输出。如3个量子比特的系统，每个量子 比特都是0和1的叠加，一次就能表示0到7（十进制）这8个数。当我们输入2（二进制010），并发出运算指令后，所有8个数都开 始运算，都加2，并同时得出8个结果（2、3……9）。然而，量子计算机输出时，量子比特由于退相干会坍缩成其中的一个结果， 因此量子计算机的高速计算是以不确定性为代价的。为了降低输出结果的错误率，在计算过程中的“量子纠错”和具体的“量子算 法”能够缩小输出值的范围，提高输出结果的准确率。

2.量子计算实现路径尚未收敛，不同路径各有优劣

量子计算的开发涉及多种路线，终局路径尚未收敛。目前量子计算机采用的技术包括超导量子比特、离子阱、光量子、中性原子等。  超导量子比特利用超导体中无电阻流动的电流来实现量子态的操控。具体而言，超导量子比特依赖于约瑟夫森结，这是一种由两个 超导体之间夹着一层薄绝缘体的器件。通过操控约瑟夫森结中的电流，可以实现量子比特的状态转换和操作。  离子阱技术通过电磁场将带电的原子（离子）捕获并悬浮在空间中，利用激光来冷却和操控这些离子，从而实现量子计算。具体来 说，离子阱系统使用射频和直流电场来形成一个三维势阱，将离子限制在一个特定的位置。

光量子计算利用光子的量子态（如偏振或相位）来进行量子信息处理。光子由于其低噪声和高速传输特性，被认为是理想的量子信 息载体。在光量子计算中，常见的方法包括基于光子纠缠态和线性光学元件（如分束器、相位调制器）实现量子计算。  中性原子量子计算通过激光光镊或光晶格来捕捉和操控中性原子，这些原子在光学陷阱中形成规则的排列，从而实现量子态的操控 。光镊利用聚焦激光束的强光场梯度来捕捉和固定中性原子，而光晶格则通过干涉形成的光学驻波场来排列原子。

3.国内进展：我国量子科技发展环境优越，量子科技处于全球前沿

我国量子计算在最大比特和量子芯片方面取得较大进展。2024年4月25日，中国科学院量子信息与量子科技创新研 究院向国盾量子交付了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统。 此款芯片刷新了国内超导量子比特数量的纪录，后续还计划通过中电信量子集团的“天衍”量子计算云平台等向全 球开放。新测控系统集成度较上一代产品提升10倍以上，核心元器件使用国产化设计，在提升操控精度的同时大 幅降低了成本。

全球进展：行业龙头引领发展

多个海外厂商在量子比特数量、量子纠 缠、计算机性能与实用化、技术创新等 方面取得突破。  IBM 实现了量子比特数量的重大突破， 在量子纠错码设计、错误缓解等方面取 得进展，推动量子计算向实用阶段发展。  微软通过与 Quantinuum 合作，利用量 子比特虚拟化技术提升量子计算可靠性， 在逻辑量子位和错误纠正方面有诸多进 展，在量子超级计算机路线图上不断迈 进。  谷歌的Sycamore量子计算机也表现出色， 在非阿贝尔任意子观察等方面取得成果， 还设立奖项推动实用化。

全球在量子计算机的研究上取得了显著成果，量子计算机最大量子比特数量逐步由百位向千位突破。谷歌的“悬铃木”拥 有53个量子比特；中国科学技术大学的“祖冲之二号”达到66个超导量子比特；美国国家标准与技术研究院的“北极光” 拥有216个光子量子比特；中国科学技术大学新研制的“九章三号”达到255个光子量子比特；Atom Computing公司的 “Phoenix”量子比特首次突破千位高达1225；D-Wave Quantum公司的“新 advantage 2”也有1200+个量子比特； IBM的首个模块化量子计算机“量子系统二号”搭载3个133量子比特芯片。量子比特的数量在不断增加，多种实现路径也 在齐头并进，推动着量子计算机研究向更高性能方向发展。

4. 量子计算应用落地尚需时日，各领域探索广泛开展

近年来，国内外广泛开展基于中等规模含噪 量子处理器（NISQ）和专用量子计算机的应 用案例探索，涵盖化学、金融、人工智能、 交运航空、气象等众多领域，产业规模达千 亿美元级别。 化学领域：通过模拟化学反应提高效率等， 如德国尤利希中心提升寻找蛋白质最低能 量结构成功率，牛津大学实现量子计算化 学模拟，QC Ware展示其在糖尿病视网 膜病变检测的应用等。

金融领域：可优化预测分析等，如法CIB 等联合发布量子计算金融应用验证结果， 摩根大通等使用量子深度学习分析风险模 型，汇丰银行等推出量子算法工具。  人工智能领域：可在机器学习等方面应用， 如 Zapata 表明混合量子人工智能可生成 药物小分子，慕尼黑大学用其训练数据集， 清华大学演示量子神经网络等。  交通物流领域：聚焦组合优化，如 Terra Quantum 等验证卫星任务规划，英伟达 等用于提升喷气发动机效率，Amerijet International等报道优化飞机货物装载。  气象预测领域：用于求解气象数据，如德 勤举办量子气候挑战赛，美国能源部国家 能源技术实验室研究胺化学反应。

5.量子计算市场空间及竞争格局

量子计算性能突破决定量子计算产业的规模的增长，2023至2028年的年均增长率（CAGR）可达至53.6%。据iCV TA&K，2023 年全球量子计算市场的规模达至47亿美元，2027年，专用量子计算机有望达在性能上实现突破，推动整体市场规模达105亿美元 。在2028年至2035年期间，受益于通用量子计算机的技术进步及专用量子计算机在特定领域的广泛运用，市场规模持续快速扩张 。到2035年总市场规模有望达到8117亿美元，量子计算预计在此时进入全面成熟和商业化的关键阶段。

 全球量子计算市场呈现出动态变化的趋势，欧美及中国地区量子计算市场发展迅速，欧洲与中国未来份额有望持续提升。2023年 ，欧洲占比为38.3%、北美占比为 29.9%、中国占比为 15.1%。据iCV TA&K预测，2035年，随着量子市场不断成熟和，展各市 场份额将会发生变动，欧洲和中国占比有望提升，分别占比40.5%和20.3%。

全球量子产业链企业众多，处于前期 技术转化阶段。据光子盒公众号，截 至2024年4月18日，全球量子计算 产业链企业合计500余家。国内上游 器件相关企业和机构包括国盾量子、 本源量子、中科院等，已覆盖光学器 件、制冷设备、芯片加工、连接器等 领域，大部分领域技术实力可达全球 先进水平。  国内中游整机研发技术路线覆盖较为 全面，涵盖了超导量子计算机、光量 子、离子阱等技术路线，以及量子算 法软件的研发。进行研发生产的企业 包括华为、腾讯、国盾量子、中国电 子科技集团、中科酷源等。