2025年量子科技行业深度报告：超越经典，面向未来

量子计算：面向未来的超级算力

量子比特：量子计算的基本单元

与经典计算机使用的比特（bit）不同，量子计算机使用量子比特（qubit）。它可以处于|0>和|1>的叠加态，而不仅是一个确定的0或1。量子 比特是一种抽象的数学对象，通过这种抽象可帮助研究者依赖于特定实现系统的量子计算一般理论。 量子比特可以由捕获的离子、光子、人造原子或真实的原子等进行物理表示。例如可以通过电子的自旋表示，一个电子的自旋可以向上（对应 于|0>）或向下（对应于|1>），但它也可以是两者的叠加。相较于经典图灵机，量子图灵机本质就是在于用自旋为1/2的量子叠加态来替代（0、1） 的二进制逻辑。量子计算机的运算通过量子门（Quantum Gate）来操控量子比特的状态，并最终通过测量获得计算结果。

量子特性在特定问题展现独特优势

在经典计算中，N位比特的CPU在同一时刻只能存储一种状态，但在量子计算中，酉操作作用于量子态时，能够同时对所有基态进行变换，因 此利用n个量子比特就可以同时对 2n 个状态同时进行处理。如果想知道每一个值，则依然要做2n测量，并不会加速，但如果只关心诸如分布规律等 特定问题，就可以利用量子叠加态实现算法改进和计算的加速。 以质因数分解问题为例，该问题可通过经典算法约化为寻找待分解的合数N为模的函数f(x)=ax (mod N)的周期。寻找周期时，利用量子门对量 子寄存器进行操作，可以放大周期r的“概率”，从而可以在测量时以一个很高的概率得到周期r。相对于经典操作中的遍历寻找，由于不需要每一个量 子比特的测量结果，在处理分布问题时量子并行性可以很好的将问题的复杂度降低，从而实现在多项式时间内实现对大数的质因数分解。

进一步来看，目前发现有三类量子算法优于已有的经典算法。第一类是基于傅里叶变换的量子算法，它是广泛运用于经典算法的工具。 Deutsoh-Jozsa 算法是这类算法的一个例子，Shor 的素因子分解算法和离散对数算法也是如此。第二类算法是量子搜索算法。第三类算法是量子模 拟，它利用量子计算机模拟量子系统，这些算法在解决特定问题时均展现出优于经典计算机的表现。

量子计算机处于多技术路线探索期

量子计算机一般包括量子寄存器、量子门电路、量子存储器，通过量子算法实现计算。迪文森佐准则由理论物理学家戴维·狄文森佐在2000年 首次提出，为量子计算机的设计提供了理论先导。 量子计算机的核心在于量子比特的物理实现，目前主流的三大技术路线为离子阱、超导电路和光子，三者各有优劣。具体而言，离子阱技术是 当下相对成熟的技术，准确性高，但是难以扩容；超导量子比特是目前较为受到青睐的技术路线，保真度高、运算速度快、扩展性好、可控性强， 且工艺与半导体兼容，但受限于退相干时间短（通常为微秒级）和布线密度问题；光子量子比特以光子的偏振或路径态编码信息，其优势在于室温 运行、理论上无限长的退相干时间以及光信号的高速传输，但在光子损耗和非线性操作难度上面临挑战。

美国科技企业主导，中国科研院所推动

在量子计算领域，美国领先，中国位列第一梯队。美国在量子计算产业链上游稍有短板，中游与下游领先。中国在中游取得各项技术突破，但 在下游应用生态方面略有逊色。

科技巨头绘制路线图，”Transformer”时刻曙光将现

IBM的量子计算路线图是业界较为关注的路线图，其思路清晰、严谨可行。自公开发布投入量子计算领域研发计划后的几年里，IBM一直在按 计划执行并如期交付既定目标。 谷歌的量子计算路线图则致力于达成一个个里程碑，最终实现大规模有纠错量子计算机。2019年谷歌发布“Sycamore”，基于该芯片，100万次 量子随机线路采样耗时约200秒，而当时世界排名第一的超级计算机则需要1万年左右，谷歌公司宣称实现了量子优越性，这被视为量子计算发展史 上的重要时刻。

2024年，谷歌发布“Willow”，共有105个量子比特，在随机电路采样问题上仅用5分钟的时间内完成了目前世界上最快超算需要1025年才能完 成的计算。最重要的是，它解决了量子纠错问题：通过引入一种新颖的纠错机制，使得芯片在扩展量子比特数量的同时，大幅度降低了出错率。

量子通信：保障通信安全

量子密钥：让通信更安全

量子密钥分发本质是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密钥，当双方确认密钥安全性后，可基于经过密钥加密后的数据在网络上 进行常规传输。随着量子计算技术的快速发展，RSA等传统加密方法面临被强算力破解的风险。我们认为出于安全考虑，量子密钥分发技术有望先 于量子计算率先布局。目前，量子密钥分发（QKD）技术已经实现初步商用。 针对加密量子通信，国家已经构建了量子通信骨干网络。量子通信骨干网络是一种基于量子通信技术构建的，连接多个重要节点城市或地区的大型 通信网络，我国建设的这一骨干网络是全球首个大规模广域量子网络。

量子隐形传态：利用量子纠缠传输量子态

量子隐形传态是一种可实现量子态完全传输的技术，它可将量子A的量子态传输给远处与其纠缠的量子B，使其量子态与原来的A完全一致，代价是 A原本的量子态被改变。量子隐形传态利用了量子纠缠原理，可实现超距作用，但由于传态过程中要借助常规信息传输，因此实际无法超越光速。 从长期看，量子隐形传态提供了远距离传输的想象空间：如果能够将一处物体的量子态全部复制传输到另一处，那么就相当于远距离实现了物体的 传递。但目前的量子隐形传态传输能力有限，要真正实现复杂量子物理系统的完整态传输，并把它应用于可扩展的量子信息技术，量子隐形传态就 需要走向多体、多终端、多自由度、高维度和远距离。

量子精密测量：测量进入量子时代

发挥量子优势，超越传统测量精度

量子精密测量旨在利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，是原子物理、物理光学、电子技术等多学科交叉融合的综合技术。 量子精密测量的基本原理是：外界的电磁场、温度、压力等物理量因素会改变电子、光子、声子等微观粒子的量子态，对这些变化后的量子态 进行测量，从而实现对外界物理量的测量。

量子精密测量技术要求拥有对量子态进行操控和测量的能力，利用量子态进行信息处理、传递和传感。 测量过程中的几个重要环节是：通过控制信号将量子体系调控到特定的初始化状态,与待测物理量相互作用后会导致量子体系的量子态发生变 化，直接或间接测量最终的量子态，再将测量结果处理转换成传统信号输出，获取测量值。

诺奖推动发展，精密测量进入量子时代

量子精密测量的发展受到原子激光冷却（1997年）、玻色爱因斯坦凝聚（2001年）、量子光频梳（2005年）、单量设备操控（2012年）等 几次诺贝尔物理学奖的推动。 2019年起代表精密测量最高水平的7个基本物理量的计量基准已经全部实现量子化，精密测量已经进入量子时代。

量子精密测量的实用化产品是量子传感器。目前主要的量子传感器技术体系包括冷原子干涉、离子井、金刚石氮空位（NV）色心、超导电路、 原子蒸汽。

部分产业步入成熟，远期市场空间可达数十亿美元

量子精密测量的上游基本为美国、英国、德国、日本企业，提供可为量子系统使用的激光、低温系统、磁体环境、真空系统、电子元器件、线 缆、材料(特殊金属金刚石、稀土等)等。产业链中游企业通过对上游产品集成，以及开发与产品配套的软件或系统，提供整体解决方案，产品包括 原子钟、量子磁力计、冷原子干涉重力仪、陀螺仪、加速度计、原子力显微镜、电子顺磁共振波谱仪、量子雷达等。产业链下游应用场景包括卫星 导航、国防军工、医疗、通信等场景。

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编辑：火腿肠