量子通信与量子计算：量子应用新领域，低成本算力无极限

【东吴通信侯宾团队】 量子通信与量子计算：量子应用新领域，低成本算力无极限 东吴证券通信首席分析师 侯宾 联系电话：17610770101、010-66573632 联系邮箱：houb@dwzq.com.cn 证券研究报告 执业证号：S0600518070001 报告日期：2019年4月18日 目录 一、量子计算与量子通信简介 二、量子计算与量子通信的应用 三、量子通信发力网信安全市场 四、 投资建议 五、风险提示 核心观点: 1、量子通信较传统算法更具优势：量子通信在传统算法的基础上进一步扩展，将融合和叠加更多的信息数据，借由量子之间的相干性，整体的传输、分析速率有超倍的提升。 2、量子通信技术日渐成熟：量子通信技术相较于量子计算更加成熟，目前已经在通讯领域付诸实践，如“京沪干线”、“墨子号”量子通信卫星等实践充分证明了量子通信的可行性，量子通信技术已经开始从理论走向实践。 2、网络流量及用户数的增长将是量子通信的发展驱动力：随着5G时代的到来，移动互联网流量预计将会出现井喷式增长，大量的信息数据也将在云上进行分析和处理，网络信息安全需求也将出现新一轮增长，量子通信的加密式的传递方式将成为网络信息安全解决方案的重要一环。 3.网信安全市场需求稳增，量子通信龙头企业必将受益：据前瞻产业研究院数据统计初步测算2018年我国量子通信行业市场规模将达到320亿元左右。目前量子通信的发展势态强劲，相关配套设施与应用场景不断落地，增长空间广阔。建议关注量子通信龙头企业。 风险提示：专网通信订单预期不达预期；信息安全市场规模不达预期。 核心观点 一、量子计算与量子通信简介 1.1 量子计算原理 基本原理：传统计算机的输入态和输出态都是经典信号，输入信号序列按一定算法进行变换，由计算机内部逻辑电路来实现有关的信息分析。因为本征态的的两个区间限制，传统计算机只能在0和1两个比特之间进行正交变换，每一步都有既定的正交态路线，且不能出现对应的路线叠加。也就是说传统计算机的通用计算是在一个具有限制的框架中进行的，而你不能打破这个框架，不然就毁掉了整个系统机制。而量子计算机与传统计算机的不同就在这里，量子不像半导体只能记录0与1，它可以同时表示多种状态。因为这个自带优势，量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交。 假设有一条迷宫，选一条路一直走直到死胡同，然后回头重新选择走别的路，假设走一次需要一秒钟。如果我们能同时控制 10 个量子比特来做运算，2的10次方等于1024，相当于我们1秒钟可以测试1024条路。而传统计算机1秒却只能测试一条路。如果我们能同时控制5000量子比特的量子计算机，甚至就可以瓦解当前所有区块链系统，加密货币的信任体系将被不复存在。 实验结论表明，每一个量子单元之间都存在着并行的必然联系（每有两个量子比特串列，就会作为一个整体动作），你只需要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。而这一特点，也正是量子计算机能够进行高速运算的关键。 1.2 量子计算发展历程与现状 3G时代 4G时代 量子计算发展现状： 量子计算可以看作是今天计算资源的无限扩大，而这种资源进化可能性，对于国家和地区经济来说显然是战略性的。在量子计算越来越成熟的今天，国家层面的量子布局甚至争抢，也开始趋近白热化。 2018年12月，美国国会宣布通过了一项旨在加强美国量子计算领域领先地位的法案，特朗普即将签署生效。这项法案包含建设国家级量子计算项目、确保量子计算技术不外流等多个方面。美国科技媒体一致认为，这项法案在国际贸易局势的背景下，将可能把发展量子计算置于美国头等大事的位置。 美国政府直接参与量子计算布局，在这两年呈现愈演愈烈的趋势。相关技术的禁止出口等级也直线上升。很显然，新一轮的科技竞赛已经被美国拉开了大幕。 这一背景下，2018年中国、欧盟、英国、加拿大、日本都开始大手笔投入量子计算布局。到了2019年，很大概率上我们可以想见量子计算会散发出更多竞争甚至火药的味道。然而在一项基础科技开始成熟时，这或许也是国际格局下必然生长出的结果。 1.3.1 量子计算主要玩家 主要玩家： 科技公司：谷歌、阿里巴巴、IBM、惠普、英特尔、微软、D-Wave、Silicon Quantum Computing、 Rigetti、1QBit、 IonQ 等。 国防承包商和咨询公司：Booz Allen Hamilton、Lockheed Martin、Raytheon 等等。 除了公司投资，欧盟、美国、澳大利亚和中国也在支持旨在建造量子计算机的项目。 1.3.2 量子计算主要研究高校 3G时代 4G时代 主要研究高校： 中国科学技术大学、中国科学院以及北京邮电大学在论文发表数量上有着巨大优势。 国外：麻省理工学院、斯坦福大学、西北大学、新加坡国立大学、日内瓦大学、 哈佛大学、加州理工学院、奥地利科学院、滑铁卢大学等 国内：中国科学院、中国科学技术大学、北京邮电大学、清华大学、南京大学等 资料来源：钛媒体，东吴证券研究所 图表1：全球各高校量子计算论文发表数量 1.4 谁在投资量子计算？ 谷歌风投(Google Ventures)和亚马逊等公司都投资了IonQ，这家公司正在开发通用量子计算机，以应对广泛的应用。 这个领域中著名的风投公司包括红杉资本，投资了量子计算硬件公司Quantum Circuits。安德森·霍罗威茨公司(A16Z)已经投资了 Rigetti Computing；Draper Fisher Jurvetson 已经参与到了对D-Wave的多轮投资。 2018年2月，随着韩国移动电信运营商SK Telecom加入“游戏”，量子计算在通信安全方面的关注也得到了提升，几个月后，德国的Deutsche Telekom也加入了进来。 这两家电信公司在6500万美元的投资中，购买ID Quantique的多数股权和少数股权。ID Quantique提供基于量子技术的多协议网络加密，以确保通信安全。 图表2：量子计算投资公司情况 资料来源：钛媒体，东吴证券研究所 1.5 中国量子计算发展 在多光子纠缠领域，我国一直在国际上保持领先的地位，目前，我国已经实现了 18 个光量子的纠缠。利用国际一路领先的多光子纠缠和干涉技术，我国在 2017 年实现了第一台在“波色取样”这个特定任务上能够超越最早期两台经典计算机的光量子计算原型机。这是迈向“量子霸权”先期基础测试的一步。 图表3：光子纠缠比特数目随年份增长趋势图 资料来源：快资讯，东吴证券研究所 1.5 中国量子计算发展 过去的十几年，我们在国际上获得一些比较好的评价。2007年，《新科学家》在其《中国崛起》专刊里提到：“中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。 2012年，《自然》年度十大科技亮点中说“标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家，发展为现在的世界劲旅”。之后的2013、15 、17、18年，我们也分别有原创成果入选国际上的一些重大进展。 总的来说，量子通信已经比较成熟了，而且我国是全面领先于欧洲和美国的。但量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和集中攻关的阶段，根据其实现难度，基本可以分为三个阶段。 图表4：光子纠缠比特数目随年份增长趋势图 资料来源：快资讯，东吴证券研究所 1.6 量子通信原理 基本原理：所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。 光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。 图表5：世界上第一个量子密码协议：BB84协议 资料来源：快资讯，东吴证券研究所 量子通信产业链上游主要是信号处理芯片、雪崩光电二极管（APD）等元器件及各类核心设备。国内能够提供核心设备的公司并不多，主要包括国盾量子（浙江东方参与出资成立）、问天量子和神州量通（都飞通信控股51%）。国外厂商主要包括瑞士IDQ公司、美国Bennet公司等。 量子通信产业链中游主要包括网络传输干线提供商和系统集成商。以量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目为例，提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司，提供系统集成服务的公司包括神州数码系统集成服务有线公司（神州信息子公司）、中国通信建设集团有线公司（中国通服子公司）等。 量子通信产业链下游主要是各种行业应用，如金融、军事、政务、商务等领域。提供的产品包括量子电话、基于量子保密技术的IDC、量子白板等。 1.7 量子通信产业链 量子IDC 量子电话 量子白板 •应用 经典网络管理子系统 综合网络监控子系统 量子网络管理子系统 备份与容灾子系统 量子密钥分发子系统 量子密钥管理子系统 •系统平台 网络传输干线 •传输干线 量子密钥分发器 量子路由器 量子交换机 量子随机数发生器 量子点激光器 光量子探测仪 •核心设备 光纤光缆 雪崩二极管 信号处理芯片 •元器件 图表6:量子通信产业链 资料来源：中国产业信息网，东吴证券研究所 二、量子计算与量子通信的应用 2.1 量子计算应用前提 量子计算应用还有很长的路要走：量子模拟大约需要150个逻辑量子比特，每一个逻辑量子比特都由10到数千个“物理”量子比特组成，这些量子比特是修正误差和维持稳定性所必需的。正如加州理工学院(California Institute of Technology)的John Preskill早些时候指出的那样，如今的量子处理器使用的是噪音很大的物理量子比特，其性能有限，而且容易出错。 对于实际的量子计算业务应用程序，有两个主要的先决条件：具有足够的量子比特以运行量子模拟的处理器，以及解决应用程序背后数学问题的量子算法。在密码学和机器学习等领域，已经有了一些这样的算法。处理器正在积极开发中，越来越强大的处理器的研发速度也在加快。 2.2 量子计算应用场景 安全高效的隐私保护 精准无误的天气预报 新型产品的发现 解决道路拥堵 进化人工智能 助益商用 军事 图表7：量子计算的用途 资料来源：快资讯，东吴证券研究所 2.3 量子计算应用案例 戴姆勒与谷歌开展战略研发合作，双方签订了合作协议，共同致力于量子计算（quantum computing）领域的研究。 该合作协议允许戴姆勒集团研究与IT部的专业团队使用谷歌的量子计算机，旨在解决未来移动出行方案等相关的具体问题。该合作创举