解读新质生产力：量子计算：打破传统范式，通用计算应用可期

解读新质生产力 量子计算：打破传统范式，通用计算应用可期 2 0 2 4.4.28 分析师：何柄谕执业证书编号：S0740519090003Email：heby@zts.com.cn 分析师：闻学臣执业证书编号：S0740519090007Email：wenxc@zts.com.cn 分析师：苏仪执业证书编号：S0740520060001Email：suyi@zts.com.cn 联系人：刘一哲Email：liuyz03@zts.com.cn 联系人：王雪晴Email：wangxq03@zts.com.cn 核心观点及投资建议 ◼量子计算作为量子信息技术产业的核心环节，是催生新质生产力的重要战略方向。量子具有反直觉的叠加和纠缠等特性，在制备成量子比特后，能够大量存储信息并支持量子计算机进行高速的并行化计算。量子计算在部分问题中表现出“量子霸权”，解决问题的速度远超经典计算，是催生新质生产力的重要战略方向。 ◼当下量子计算的硬件技术路径尚未收敛，超导、离子阱、光量子等方式各有优缺点，但距实现大规模可容错通用量子计算都还有较大差距。未来随量子计算机的技术逐渐成熟和成本大幅降低，产业应用将全面加速。预计产业2034-2040年能够研制出可纠错通用量子计算机，并在2040年之后进入全面容错量子计算（FTQC）时代，各领域有望实现大规模计算力突破。 ◼量子产业与传统科学领域广泛交叉，产业链规模持续扩张。量子产业赛道规模在2035年有望达到八千亿美元，产业链玩家规模逐渐扩张，玩家持续增多。从下游应用看，量子计算与金融、医药、化学、人工智能、密码学等多领域均可交叉应用。产业链中海外可关注依托自身传统云计算业务，与产业公司或科研机构联合推出量子计算服务的云厂商；国内可关注在量子设备制造及抗量子密码开发和安全应用领域的产业玩家。 ◼投资建议：建议关注国盾量子、三未信安、信安世纪、神州信息等；◼风险提示：技术落地不及预期、市场不及预期、竞争加剧、政策风险、报告信息更新不及时等。 CCONTE量子计算：打破传统范式，量子优越性有望带来计算突破 1.1.1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”。 1.1.2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。 1.2.1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。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 1.2.2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。 资料来源：TomorrowDiscoveries，量子计算金融应用白皮书，中泰证券研究所 资料来源：NVIDIA，中泰证券研究所 1.3.1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。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 1.3.2量子纠缠态：纠缠的量子的状态具有整体性，可远距离下相互影响 ◼量子力学中，当几个基础粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子纠缠（quantum entanglement）。 ◼当两个量子比特纠缠时，一个量子比特的状态会立即影响另一个量子比特的状态，无论它们之间的距离有多远（这也被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”）。这种特性是构建量子计算系统和进行量子通信的关键。 图表：量子纠缠规则示意 资料来源：TheQuantumAtlas，中泰证券研究所 1.3.3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。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 1.3.4量子纠错：现阶段实现容错量子计算的必要步骤 ◼量子性非常脆弱，以至于量子计算机很难在其遭到破坏之前（在相干时间内）完成大规模计算。因此需要将量子纠错（Quantum Error Correction，QEC）用于量子计算，以防止量子信息因退相干和其他量子噪声而产生错误。量子纠错技术旨在使量子信息保持完整，帮助延长量子比特的寿命。当量子比特出现错误时，纠错技术可以检测错误并纠正它们，使得量子比特的状态能够得到恢复并保持在正确状态。 Google使用表面码进行相位翻转和比特翻转错误校正的原理 资料来源：Google，PhysicsWorld，中泰证券研究所 1.3.5量子计算的基本过程：制备、调控与测量 ◼量子计算的基本过程包含量子态制备、量子态调控、量子态测量三个基本步骤。量子态制备是对输入的经典比特和辅助比特通过相位编码或振幅编码等量子态编码，获得量子态初态。 ◼量子态调控就是通过酉变换（Unitary transformation）将量子态初态演化到目标态。这一过程可以由一系列量子门组合成的量子线路来表征。 ◼量子态测量就是选择一组测量基对目标态进行观测，读取计算结果。为了保证计算正确的概率，需要设计量子算法，借助量子干涉特性最大化目标态概率。 资料来源：通信网络中量子计算应用研究报告（2023），中泰证券研究所 1.4.1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。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 1.4.2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。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 资料来源：MITOpenCourseWare，ScientificAmerican，中泰证券研究所 1.4.3量子计算机：向通用量子计算机方向发展， ◼非通用量子计算机只能执行部分量子计算，NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈杂中型量子）量子计算机就属于此类。这类量子计算机目前正处于研发阶段，尚不具备容错能力（或容错能力较弱）。◼通用量子计算机可以执行任意的量子计算，即能够操作通用量子计算机需要操纵上千万的量子比特，同时也要具备纠错能力。国际主流观点认为要实现通用量子计算机，至少还需要5年到10年乃至更长时间。◼量子退火计算机等非经典计算机旨在使用量子性进行计算，但尚未展现出量子优越性。 资料来源：《图解量子计算机》，中泰证券研究所 资料来源：科学世界，中泰证券研究所 1.4.4量子计算产业：尚处早期NISQ时代，等待技术突破和大规模应用落地 ◼自2019年量子优越性首次实现开始，量子计算技术迅速进入NISQ时代，并向拓展专用量子计算机的方向发展。 ◼未来随量子计算机的技术逐渐成熟和成本大幅降低，产业应用将全面加速。预计到2034-2040年能够研制出可纠错通用量子计算机，并在2040年之后进入全面容错量子计算（FTQC）时代。 资料来源：ICVTAnK，光子盒，中泰证券研究所 1.5.1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。 图表：量子计算技术体系框架 资料来源：信通院，中泰证券研究所 1.5.2硬件路线：两类路线并行发展，量子比特数与量子体积持续提升 ◼目前量子计算的硬件处于两类技术路线并行发展阶段。一是基于微观结构形成分立能级系统的“人造粒子”路线，如超导和硅半导体，二是直接操控微观粒子的天然粒子路线，如离子阱、光量子和中性原子