2024年量子计算专题报告：打破传统计算范式，产业应用未来可期

量子计算：打破传统范式， 量子优越性有望带来计算突破

量子信息技术催生新质生产力，各国纷纷进行战略布局

量子信息技术是构建新质生产力推动高质量发展的重要方向。全球主要国家在此领域基本都进行了战略布局。 我国在“十四五”规划中就提出“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、 深地深海等前沿领域等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”，其中就将量子信息列为与人 工智能、集成电路等同等重要的技术。 2024政府工作报告也提出，“积极培育新兴产业和未来产业，制定未来产业 发展规划，开辟量子技术新赛道”。

量子信息技术包含计算、通信和测量三大领域

量子信息领域主要包括量子计算、量子通信和量子测量三个主要领域，其中量子计算是最先可能突破的赛道。 量子计算是一种新型计算模式，具有量子优越性，目标是实现通用可编程的量子计算机，目前正处于技术验证和应用 探索阶段；量子通信利用量子态传递信息，涉及量子密码调制、远程传态和密集编码等技术，典型应用包括量子密钥 分发和隐形传态，可量子计算融合形成量子通信网络。 量子测量利用磁、光与原子的相互作用进行超高精度和高灵敏度测量，突破经典测量极限。实现量子测量的量子传感 器应用场景广泛，但商业化和产业化仍处初级阶段。

量子：物理量最小单位的概称

量子（quantum）是参与基本相互作用的任何物理实体（物理性质）的最小量。即一个物理量如果存在最小的不可分 割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。 量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。它最早是由德国物理学家M·普朗克在 1900年提出的，他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，以此解释了黑体辐射的实 验现象。随后的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表 现出这种不连续的量子化现象。随后量子力学这门研究物质世界微观粒子运动规律的物理学理论诞生了。

量子比特：具有量子特性，量子计算机中的最小信息单位

量子计算的单位是量子比特（QUBIT，又称量子位），是一种能表现出量子效应的物理实体。与经典计算机使用的比 特只会表现出0或1的状态不同，由于量子的叠加特性，量子比特可以同时存在于多种状态。 对于使用二进制的量子比特而言，就是可以同时处于“0”和“1”两个状态的叠加态。这种独特的特性使量子计算机 能够并行处理和存储大量数据，且拥有极快的运算速度。

量子叠加态：量子可同时处于多种状态，能够大量存储信息

叠加态，或称叠加状态（superposition state），是指一个量子系统的几个量子态归一化线性组合后得到的状态。以 箭头在布洛赫球上的指向来示意量子比特的状态，则箭头指向正上方（相当于地球的北极）时状态为0，指向正下方 （相当于地球的南极）时状态为1，指向球面上其他点时状态为0和1的叠加态。

经典比特只能表示0和1这两种状态中的任意一种，而由于量子的叠加特性，每个量子比特理论上可同时存储0或1这两 种状态，这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。如2的8次方等于256，故具有8比特的二进制计算机能表示 0到255之间的任一个数字，但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。

测量量子：读取量子比特信息的方式

量子系统经过测量后会产生坍缩（Collapse）。微观粒子具有波粒二象性，其空间分布和动量都是以一定概率存在的 （此时表现出波动性，状态具有不确定性）。当我们用物理方式对其进行测量时，粒子会随机选择一个单一结果表现 出来（即表现出粒子性的确定状态）。 

量子比特一经测量，就会发生坍缩，并通过概率来决定到底是处于状态0还是状态1。随后我们就可以从量子比特中读 取非0即1的经典比特信息。量子比特的状态此时也会变为与测量结果对应的状态0或状态1。

量子计算具有“量子霸权”与“量子优越性”，有望突破当下计算的极限

量子计算在部分问题上的速度上远超经典计算，这种现象被称为“量子霸权”或“量子优越性”。 当下普遍认为量子计算与经典计算在本质上存在差异，量子计算能够在速度上远超经典计算。此外，量子计算还能向 下兼容经典计算，能够实现经典计算范围内的所有计算。

量子计算机对部分指数时间复杂度问题有显著优势

对于经典计算机面临的多项式时间内无法求解的问题（即指数时间复杂度的问题），量子计算机可能带来突破。如组 合优化问题、通过分解质因数破解密码、量子化学计算、机器学习和复杂物理现象的模拟等问题。 BQP（Bounded-error Quantum Polynomial time）指量子计算机能在多项式时间内解决的问题。BQP类问题可能超出 NP类问题的范围之外，这意味着在特定问题上量子计算机可能超越传统计算机验证问题答案的速度。

量子计算技术体系框架：软硬件+算法支撑技术体系，云平台整合生态

硬件、软件、算法是量子计算技术体系的三大支柱，云平台是集成三者面向用户提供服务的应用与产业生态汇聚点， 这些都建立在量子调控、量子纠错等技术基础上。 从硬件看，主要分为逻辑门量子计算机、专用量子计算机和基于经典计算的模拟器三种；从软件看，主要可以分为应 用开发软件、计算编译软件、测控系统软件和芯片EDA软件等；从算法看，主要有量子模拟、组合优化等。

云平台：云计算厂商纷纷参与，发展迭代迅速

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，发展迭代迅速。如Pasqal 推出50中性原子量子计算平 台 Quantum Discovery，协助用户探索中性原子量子计算应用；日本量子计算联合研究小组启动51基于 64 位超导量子 计算机云平台服务；北京量子院53夸父量子计算云平台上线了具有 136、18 和 10 位量子比特的三个超导量子芯片； 中科大54上线 176 比特“祖冲之号”量子计算云平台；中国移动、中国电科等联合发布55“五岳”量子计算云平台；本 源量子等多家单位56共同推出量超融合计算平台等。

潜在市场规模广阔， 应用与新质生产力领域广泛交叉

产业链：上下游逐渐形成规模，原型机是核心环节

量子计算产业链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；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；产业生态下游主要涵盖量子计 算云平台以及行业应用，仍处在早期发展阶段。

市场规模：产业规模将超万亿，预计市场规模CAGR将达约45%

2023年全球量子产业规模达到47亿美元，预计2023至2028年市场规模的年平均增长率（CAGR）将达到44.8%。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，量子计算会在此进入全面成熟和商业化的关键阶段。

量子计算+金融：提供充足并行化算力，解决金融领域传统计算难题

提升金融智能水平：量子计算能够在智能风控、智能营销、智能信贷和智能监管等方面提供充分的计算能力来充分挖 掘数据。随着数据量的增长，量子计算的算力优势将更加明显。 提高金融服务速度：量子计算拥有并行化特点，将显著提升金融服务的智能化响应速度，这对于金融业务如反欺诈、 反洗钱、授信审批和支付清算等至关重要，因为这些业务对时间的敏感度很高。 节约能耗和空间：量子计算能够有效解决经典计算在处理金融大数据时的能耗问题，并且减少了提升算力所需的大规 模硬件设备需求，从而降低了硬件购置和维护成本。

核心玩家：云厂商+芯片厂商+ 科研机构强强联合

IBM：量子计算处理器制造领先者，发布Heron和Condor量子处理器

IBM是量子计算处理器制造领域的领先者。2023年12月4日，IBM发布了133个量子比特的量子处理器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；IBM还发布了包含1121个量子比特的Condor超导量子处 理器。其超越1000个量子比特的规模为提高量子计算机的容错能力提供了可能性。 2023年，IBM更新了量子开发路线图，提出到2033年，以量子为中心的超级计算机将包括1000个逻辑量子比特，全面 释放量子计算的能量。

IBM：推出开源编程框架Qiskit，支持量子计算模拟

Qiskit 是一个开源的软件开发工具包（SDK），能够用于模拟量子计算电路、脉冲和算法。它提供了创建和操作量子 程序的工具，并允许在 IBM Quantum Platform 的原型量子设备上或在本地计算机上的模拟器上运行这些程序 。 Qiskit遵循通用量子计算的电路模型，并可以用于任何遵循此模型的量子硬件（目前支持超导量子比特和离子阱）。

AWS：Braket托管式量子计算服务，与多家硬件供应商合作

Amazon Braket 是完全托管式的量子计算服务，能够提供构建、测试和运行量子算法所需的资源。 Amazon Braket同时为 AWS 客户提供来自多个量子硬件供应商的量子计算技术，包括超导、俘获离子、中性原子和 光子量子计算机。这些硬件供应商包括IonQ、Oxford Quantum Circuits（OQC）、QuEra和Rigetti等。根据门型量子 计算模式，用户可以从 Oxford Quantum Circuits 和 Rigetti 访问超导量子处理器，并从 IonQ 访问俘获离子技术。用户 并使用 QuEra 的最新中性原子处理器研究优化问题。

国盾量子：提供量子计算、量子通信硬件产品及服务

国盾量子成立于2009年，公司以量子通信、量子计算、量子精密测量产品的研发、生产和销售为核心业务，同时提供 相关技术服务，是国家专精特新“小巨人”企业。

2024年4月，中国首颗超500比特超导量子计算芯片正式发布。量子创新院定制研发的504比特量子计算芯片“骁鸿” 向国盾量子进行了一批交付，用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统。在量子比特的寿命、门保真度、门深度、 读取保真度等关键指标方面，有望达到IBM等国际主流量子计算云平台的芯片性能水平，可以充分满足千比特测控系统 验证的需求。

信安世纪：致力于解决网络安全问题，将后量子算法融入公司产品

信安世纪成立于2001年8月，公司以密码技术为基础支撑，致力于解决网络环境中的基础性安全问题。在信息技术互 联网化、移动化和云化等的发展趋势下，经过二十余年的自主研发和持续创新，公司形成了身份安全、通信安全、数 据安全、移动安全、云安全和平台安全六大产品系列。 信安世纪已将多种后量子算法融入公司相关产品中，与多家机构共同开展后量子密码实验课题的研究，针对不同场景、 不同应用系统、存量算法、性能影响等方面，综合设计后量子密码的迁移规划及落地实践。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）