2024年量子計算專題報告：打破傳統(tǒng)計算范式-產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來可期

2024年量子計算專題報告：打破傳統(tǒng)計算范式_產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來可期量子計算：打破傳統(tǒng)范式，量子優(yōu)越性有望帶來計算突破量子信息技術(shù)催生新質(zhì)生產(chǎn)力，各國紛紛進行戰(zhàn)略布局量子信息技術(shù)是構(gòu)建新質(zhì)生產(chǎn)力推動高質(zhì)量發(fā)展的重要方向。全球主要國家在此領(lǐng)域基本都進行了戰(zhàn)略布局。我國在“十四五”規(guī)劃中就提出“瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目”，其中就將量子信息列為與人工智能、集成電路等同等重要的技術(shù)。2024政府工作報告也提出，“積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)，制定未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開辟量子技術(shù)新賽道”。量子信息技術(shù)包含計算、通信和測量三大領(lǐng)域量子信息領(lǐng)域主要包括量子計算、量子通信和量子測量三個主要領(lǐng)域，其中量子計算是最先可能突破的賽道。量子計算是一種新型計算模式，具有量子優(yōu)越性，目標是實現(xiàn)通用可編程的量子計算機，目前正處于技術(shù)驗證和應(yīng)用探索階段；量子通信利用量子態(tài)傳遞信息，涉及量子密碼調(diào)制、遠程傳態(tài)和密集編碼等技術(shù)，典型應(yīng)用包括量子密鑰分發(fā)和隱形傳態(tài)，可量子計算融合形成量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子測量利用磁、光與原子的相互作用進行超高精度和高靈敏度測量，突破經(jīng)典測量極限。實現(xiàn)量子測量的量子傳感器應(yīng)用場景廣泛，但商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化仍處初級階段。量子：物理量最小單位的概稱量子（quantum）是參與基本相互作用的任何物理實體（物理性質(zhì)）的最小量。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數(shù)量的某物質(zhì)”。它最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的，他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，以此解釋了黑體輻射的實驗現(xiàn)象。隨后的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。隨后量子力學這門研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學理論誕生了。量子比特：具有量子特性，量子計算機中的最小信息單位量子計算的單位是量子比特（QUBIT，又稱量子位），是一種能表現(xiàn)出量子效應(yīng)的物理實體。與經(jīng)典計算機使用的比特只會表現(xiàn)出0或1的狀態(tài)不同，由于量子的疊加特性，量子比特可以同時存在于多種狀態(tài)。對于使用二進制的量子比特而言，就是可以同時處于“0”和“1”兩個狀態(tài)的疊加態(tài)。這種獨特的特性使量子計算機能夠并行處理和存儲大量數(shù)據(jù)，且擁有極快的運算速度。量子疊加態(tài)：量子可同時處于多種狀態(tài)，能夠大量存儲信息疊加態(tài)，或稱疊加狀態(tài)（superpositionstate），是指一個量子系統(tǒng)的幾個量子態(tài)歸一化線性組合后得到的狀態(tài)。以箭頭在布洛赫球上的指向來示意量子比特的狀態(tài)，則箭頭指向正上方（相當于地球的北極）時狀態(tài)為0，指向正下方（相當于地球的南極）時狀態(tài)為1，指向球面上其他點時狀態(tài)為0和1的疊加態(tài)。經(jīng)典比特只能表示0和1這兩種狀態(tài)中的任意一種，而由于量子的疊加特性，每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態(tài)，這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力。如2的8次方等于256，故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數(shù)字，但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字。測量量子：讀取量子比特信息的方式量子系統(tǒng)經(jīng)過測量后會產(chǎn)生坍縮（Collapse）。微觀粒子具有波粒二象性，其空間分布和動量都是以一定概率存在的（此時表現(xiàn)出波動性，狀態(tài)具有不確定性）。當我們用物理方式對其進行測量時，粒子會隨機選擇一個單一結(jié)果表現(xiàn)出來（即表現(xiàn)出粒子性的確定狀態(tài)）。量子比特一經(jīng)測量，就會發(fā)生坍縮，并通過概率來決定到底是處于狀態(tài)0還是狀態(tài)1。隨后我們就可以從量子比特中讀取非0即1的經(jīng)典比特信息。量子比特的狀態(tài)此時也會變?yōu)榕c測量結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)0或狀態(tài)1。量子計算具有“量子霸權(quán)”與“量子優(yōu)越性”，有望突破當下計算的極限量子計算在部分問題上的速度上遠超經(jīng)典計算，這種現(xiàn)象被稱為“量子霸權(quán)”或“量子優(yōu)越性”。當下普遍認為量子計算與經(jīng)典計算在本質(zhì)上存在差異，量子計算能夠在速度上遠超經(jīng)典計算。此外，量子計算還能向下兼容經(jīng)典計算，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計算范圍內(nèi)的所有計算。量子計算機對部分指數(shù)時間復(fù)雜度問題有顯著優(yōu)勢對于經(jīng)典計算機面臨的多項式時間內(nèi)無法求解的問題（即指數(shù)時間復(fù)雜度的問題），量子計算機可能帶來突破。如組合優(yōu)化問題、通過分解質(zhì)因數(shù)破解密碼、量子化學計算、機器學習和復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬等問題。BQP（Bounded-errorQuantumPolynomialtime）指量子計算機能在多項式時間內(nèi)解決的問題。BQP類問題可能超出NP類問題的范圍之外，這意味著在特定問題上量子計算機可能超越傳統(tǒng)計算機驗證問題答案的速度。量子計算技術(shù)體系框架：軟硬件+算法支撐技術(shù)體系，云平臺整合生態(tài)硬件、軟件、算法是量子計算技術(shù)體系的三大支柱，云平臺是集成三者面向用戶提供服務(wù)的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)匯聚點，這些都建立在量子調(diào)控、量子糾錯等技術(shù)基礎(chǔ)上。從硬件看，主要分為邏輯門量子計算機、專用量子計算機和基于經(jīng)典計算的模擬器三種；從軟件看，主要可以分為應(yīng)用開發(fā)軟件、計算編譯軟件、測控系統(tǒng)軟件和芯片EDA軟件等；從算法看，主要有量子模擬、組合優(yōu)化等。云平臺：云計算廠商紛紛參與，發(fā)展迭代迅速國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)和企業(yè)發(fā)布了不同類型的量子計算云平臺，發(fā)展迭代迅速。如Pasqal推出50中性原子量子計算平臺QuantumDiscovery，協(xié)助用戶探索中性原子量子計算應(yīng)用；日本量子計算聯(lián)合研究小組啟動51基于64位超導量子計算機云平臺服務(wù)；北京量子院53夸父量子計算云平臺上線了具有136、18和10位量子比特的三個超導量子芯片；中科大54上線176比特“祖沖之號”量子計算云平臺；中國移動、中國電科等聯(lián)合發(fā)布55“五岳”量子計算云平臺；本源量子等多家單位56共同推出量超融合計算平臺等。潛在市場規(guī)模廣闊，應(yīng)用與新質(zhì)生產(chǎn)力領(lǐng)域廣泛交叉產(chǎn)業(yè)鏈：上下游逐漸形成規(guī)模，原型機是核心環(huán)節(jié)量子計算產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包含環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類關(guān)鍵設(shè)備組件以及元器件等，是研制量子計算原型機的必要保障；中游主要涉及量子計算原型機和軟件，其中原型機是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心部分；產(chǎn)業(yè)生態(tài)下游主要涵蓋量子計算云平臺以及行業(yè)應(yīng)用，仍處在早期發(fā)展階段。市場規(guī)模：產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超萬億，預(yù)計市場規(guī)模CAGR將達約45%2023年全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到47億美元，預(yù)計2023至2028年市場規(guī)模的年平均增長率（CAGR）將達到44.8%。2027年專用量子計算機預(yù)計將實現(xiàn)性能突破，帶動整體市場規(guī)模達到105.4億美元。在2028年至2035年，市場規(guī)模將繼續(xù)迅速擴大，受益于通用量子計算機的技術(shù)進步和專用量子計算機在特定領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。到2035年總市場規(guī)模有望達到8117億美元，量子計算會在此進入全面成熟和商業(yè)化的關(guān)鍵階段。量子計算+金融：提供充足并行化算力，解決金融領(lǐng)域傳統(tǒng)計算難題提升金融智能水平：量子計算能夠在智能風控、智能營銷、智能信貸和智能監(jiān)管等方面提供充分的計算能力來充分挖掘數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量的增長，量子計算的算力優(yōu)勢將更加明顯。提高金融服務(wù)速度：量子計算擁有并行化特點，將顯著提升金融服務(wù)的智能化響應(yīng)速度，這對于金融業(yè)務(wù)如反欺詐、反洗錢、授信審批和支付清算等至關(guān)重要，因為這些業(yè)務(wù)對時間的敏感度很高。節(jié)約能耗和空間：量子計算能夠有效解決經(jīng)典計算在處理金融大數(shù)據(jù)時的能耗問題，并且減少了提升算力所需的大規(guī)模硬件設(shè)備需求，從而降低了硬件購置和維護成本。核心玩家：云廠商+芯片廠商+科研機構(gòu)強強聯(lián)合IBM：量子計算處理器制造領(lǐng)先者，發(fā)布Heron和Condor量子處理器IBM是量子計算處理器制造領(lǐng)域的領(lǐng)先者。2023年12月4日，IBM發(fā)布了133個量子比特的量子處理器IBMQuantumHeron，可提供迄今為止IBM最高的性能指標和最低的錯誤率；IBM還發(fā)布了包含1121個量子比特的Condor超導量子處理器。其超越1000個量子比特的規(guī)模為提高量子計算機的容錯能力提供了可能性。2023年，IBM更新了量子開發(fā)路線圖，提出到2033年，以量子為中心的超級計算機將包括1000個邏輯量子比特，全面釋放量子計算的能量。IBM：推出開源編程框架Qiskit，支持量子計算模擬Qiskit是一個開源的軟件開發(fā)工具包（SDK），能夠用于模擬量子計算電路、脈沖和算法。它提供了創(chuàng)建和操作量子程序的工具，并允許在IBMQuantumPlatform的原型量子設(shè)備上或在本地計算機上的模擬器上運行這些程序。Qiskit遵循通用量子計算的電路模型，并可以用于任何遵循此模型的量子硬件（目前支持超導量子比特和離子阱）。AWS：Braket托管式量子計算服務(wù)，與多家硬件供應(yīng)商合作AmazonBraket是完全托管式的量子計算服務(wù)，能夠提供構(gòu)建、測試和運行量子算法所需的資源。AmazonBraket同時為AWS客戶提供來自多個量子硬件供應(yīng)商的量子計算技術(shù)，包括超導、俘獲離子、中性原子和光子量子計算機。這些硬件供應(yīng)商包括IonQ、OxfordQuantumCircuits（OQC）、QuEra和Rigetti等。根據(jù)門型量子計算模式，用戶可以從OxfordQuantumCircuits和Rigetti訪問超導量子處理器，并從IonQ訪問俘獲離子技術(shù)。用戶并使用QuEra的最新中性原子處理器研究優(yōu)化問題。國盾量子：提供量子計算、量子通信硬件產(chǎn)品及服務(wù)國盾量子成立于2009年，公司以量子通信、量子計算、量子精密測量產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為核心業(yè)務(wù)，同時提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)，是國家專精特新“小巨人”企業(yè)。2024年4月，中國首顆超500比特超導量子計算芯片正式發(fā)布。量子創(chuàng)新院定制研發(fā)的504比特量子計算芯片“驍鴻”向國盾量子進行了一批交付，用于驗證國盾量子自主研制的千比特測控系統(tǒng)。在量子比特的壽命、門保真度、門深度、讀取保真度等關(guān)鍵指標方面，有望達到IBM等國際主流量子計算云平臺的芯片性能水平，可以充分滿足千比特測控系統(tǒng)驗證的需求。信安世紀：致力于解決網(wǎng)絡(luò)安全問題，將后量子算法融入公