企业竞争图谱：2024年量子计算 头豹词条报告系列

企业竞争图谱：2024年量子计算头豹词条报告系列 马天奇·头豹分析师 版权有问题？点此投诉 2024-06-21未经平台授权，禁止转载 工业制品/工业制造 行业：制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业 行业规模 政策梳理 量子计算行业相关政策5篇 量子计算行业规模暂无评级报告 AI访谈 AI访谈SIZE数据 摘要根据量子计算分类法（包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征）以及技术应用，量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。量子计算行业产业链上游为环境与测控部分，主要包括量子比特测控系统（测控系统整机、低温微波器件、线缆、激光器和探测器）、量子比特环境（GM/脉冲管制冷机、稀释制冷机、真空系统）、芯片（设备与加工制造）、其它（材料）；产业链中游为硬件整机制造与软件，主要包含整机制造（超导、离子阱、光量子、中性原子、半导体和其它）和系统与应用软件开发；产业链下游为运营和应用环节，主要包含云平台以及行业应用。2019年—2023年，量子计算行业市场规模由0.24人民币元增长至50.21人民币元，期间年复合增长率281.79%。预计2024年—2028年，量子计算行业市场规模由69.58人民币元增长至256.46人民币元，期间年复合增长率38.56%。 量子计算行业定义[1] 背景：当科学家和工程师遇到复杂问题时，通常使用超级计算机（拥有数千个传统的CPU和GPU内核）。但超级计算机基于二进制代码和晶体管技术，面对复杂度高的问题仍会遇到困难（例如模拟分子行为或识别金融欺诈）。由于现实世界运行在量子物理基础上，量子计算机利用量子比特进行计算，更适合解决这些复杂问题。 定义：量子计算是一种基于量子力学原理调控量子比特进行计算的新型计算模式。与传统计算机相比，量子计算机具有指数级的计算能力优势，对广泛使用的公钥算法构成重大威胁。 优势：传统非量子保密通信技术常用的公钥密码系统（基于因子分解和离散对数问题）容易被量子计算的Shor算法破解。而量子保密通信技术基于物理机制，具有无条件安全性，能够抵抗任何计算破解，产品已达到实用水平。 量子计算行业分类[2] 根据量子计算分类法（包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征）以及技术应用，量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。 量子计算行业基于技术的分类 量子计算行业特征[3] 量子计算行业特征包括;1.行业进入NISQ时代，多技术路线并行发展；2.以量子比特作为基本单元进行计算；3.硬件+软件+算法为核心，云平台构成生态。 1量子计算进入NISQ时代，多技术路线并行发展 量子计算发展的生命周期可分为：1.量子优越性展示（-2019）：计算领域的成熟企业引领量子计算初步阶段的探索与验证。主要企业有IBM、Google、Intel、Microsoft等。该阶段实现了量子优越性的展示。2.NISQ时代（2020-2027）：初创企业及大企业量子计算部门开始从硬件研发向应用研发拓展。全面推进量子技术基础设施。代表企业有Rigetti、IonQ、Quantinuum、Xanadu、QuEra等。行业进入NISQ（噪声中等规模量子计算）时代。3.专用量子计算机实现多种核心应用示范（2028-2033）：各技术路线的专用量子计算机不断涌现，并且开始商业化应用示范。产业链逐渐完善，各行业逐步形成量子计算技术的应用示范。实现多种核心应用示范。4.研制出可纠错的通用量子计算机（2034-2040）：各技术路线间的优劣势已被充分验证，部分技术路线成为主流。代表企业进一步巩固市场地位，部分企业可能因技术路线选择失误而退出。研制出可制备的通用量子计算机。5.进入全面容错量子计算（FTQC）时代（2040-）：逐渐进入全面容错量子计算（FTQC）时代。运营性能接近或小于经典数值模拟，量子计算应用广泛成熟，成为行业标准。市场进入成熟期，进一步整合和优化。目前量子计算进入NISQ时代，多技术共同发展，随着时间推移产业规模上升、量子计算成本逐步下降。 2以量子比特作为基本单元进行计算 量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，其基本单元是量子比特。量子比特具有量子叠加和量子纠缠等特性，在非结构化搜索、组合优化、大数分解和矩阵计算等任务上相较于经典计算具有多项式级或指数级的加速优势。量子计算的基本过程包括量子态制备、量子态调控和量子态测量三个步骤：1.量子态制备：将输入的经典比特和辅助比特通过相位编码或振幅编码等方法转换为量子态初态。2.量子态调控：通过酉变换将量子态初态演化为目标态，这一过程可由一系列量子门组合成的量子线路来实现。3.量子态测量：通过选择一组测量基对目标态进行观测，从而读取计算结果。为了确保计算结果的正确性，需要设计巧妙的量子算法，利用量子干涉特性最大化目标态的概率。 3硬件+软件+算法为核心，云平台构成生态 量子计算技术体系中，硬件、软件和算法是三大支柱，云平台集成三者并提供服务。主要包含1.量子计算云平台：基础设施层（Q-IaaS），包括量子计算硬件、基础设施等。平台层（Q-PaaS），中间件、平台服务等。服务层（Q-SaaS），测试系统软件、芯片EDA软件等。安全服务：保障量子计算平台的安全；2.量 子计算软件：应用开发软件，包括量子模拟应用、组合优化应用、量子AI应用等。计算编译软件，包括量子编译器、中间件等；3.量子计算硬件：逻辑门型量子计算机，包括量子门、处理器、控制系统、mK低温系统、环境控制系统等。专用量子计算机，包括玻色采样、相干耦合、量子退火等。量子经典计算的跨学科研究，包括量子传感、量子测量、张量网络模拟等。 量子计算发展历程[4] 量子计算发展历程可分为：1.理论研究阶段（1905年-2011年）。早期基础：爱因斯坦光电效应（1905），德布罗意物质波（1924），海森堡和薛定谔量子力学（1925-1927）。关键概念：费曼提出量子计算（1950s），EPR悖论（1935），Shor算法（1994），Grover搜索算法（1996）；2.商用化开展阶段（2011年 - 2019年）。初步应用：D-Wave推出首台商用量子计算机（2011），IBM云量子计算平台（2016），谷歌Bristlecone量子处理器（2017）。国际进展：中国发射“墨子号”量子卫星（2017），IBM推出商用量子计算系统（2019）。3.技术应用阶段（2019年至今）。技术突破：中国实现76个光子的量子计算优越性（2020），“九章二号”光量子计算机（2021），清华大学实现模块化量子网络（2022）。行业特点：量子计算商业化加速，各国加大投入推动技术进步。量子计算从理论到实践，历经百年，逐步实现商业化和技术应用。 理论研究阶段1905~2011 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦解释了光电效应，并提出光本身是由单个量子粒子或光子组成。 1924年，量子力学一词首次出现在论文中。 1925年，维尔纳·海森堡、马克斯·玻恩和帕斯夸尔·约尔旦提出了矩阵力学，量子力学中第一个在概念上自治、逻辑上一致的表述。 1925-1927年，尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出了哥本哈根诠释，是对量子力学最早的一种诠释。 1930年，保罗·狄拉克出版了《量子力学原理》，至今仍是量子力学的经典教材。 1935年，阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森发表了一篇论文，强调了量子叠加的反直觉性质，并认为量子力学提供的物理现实描述是不完整的。 1935年，薛定谔与爱因斯坦讨论量子叠加问题，并对量子力学的哥本哈根诠释进行了批判，提出了一个思想实验“薛定谔的猫”，薛定谔还创造了“量子纠缠”这一术语。 1976年，罗曼·斯坦尼斯瓦夫·英伽登(Roman Stanisław Ingarden) 发表了一篇题为《量子信息论》的开创性论文，成为首批尝试创建量子信息理论者之一。 1980年，美国阿贡国家实验室的保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff) 描述了图灵机或经典计算机的量子力学哈密顿量模型，首次证明了量子计算的可能性。 1981年，理查德·费曼在题为《利用计算机模拟物理学》的报告中指出量子计算机有可能模拟出经典计算机无法模拟的物理现象。 1985年，戴维·多伊奇为量子图灵机制定了一个描述。 1992年，Deutsch–Jozsa算法证明了量子算法相对于经典算法有指数级别的加速能力。 1994年，美国科学家秀尔（Peter Williston Shor）提出用于分解大数质因子的量子算法，被称为Shor算法。 1994年，美国国家标准技术研究所 (NIST) 组织了由美国政府主办的首届量子计算会议。 1996年，贝尔实验室的洛夫·格罗弗发明了Grover搜索算法，该算法被公认为继Shor算法后的第二大算法。 1998年，首次展示了量子纠错；首次证明了可以用经典计算机有效模拟某一类量子计算。 1999年，中村泰信和蔡兆申证明了超导电路可以用作量子比特。2002年，美国发布了第一版量子计算路线图。2004年，中国科学技术大学潘建伟院士的研究小组，首次展示了五光子纠缠。2008年，MIT科学家Aram Harrow、Avinatan Hassidim 和Seth Lloyd联合设计了HHL算法，与经典算法相比实现了指数级的加速。量子力学的诞生为量子计算提供了基础，计算机应用空间被进一步打开。 商用化开启阶段2011~2019 2011年，D-Wave公司推出首台商用量子计算机。 2012年，全球首家专门的量子计算软件公司1QBit成立。2014年，荷兰代尔夫特理工大学的科维理纳米科学研究所的物理学家们，以100%的准确率在相隔约3米的两个量子比特之间完成信息传送。2016年，中国“墨子号”卫星顺利发射，作为全球首颗量子科学实验卫星，圆满完成量子密钥分发等三大科学目标。2017年，中国科学技术大学潘建伟院士的研究小组，首次实现从地面观测站到低地球轨道卫星的纠缠光子发射，量子隐形传态实验通信距离达1,400公里。2018年，美国颁布《国家量子倡议法案》，确立了加速美国发展量子信息科学和技术应用的十年计划的目标和优先事项。2019年，IBM发布了世界上第一台独立的量子计算机IBM Q System One。量子计算机开始商业化，并在全球范围内蔓延开来。 技术拓展阶段2019~至今 2020年，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授组成的研究小组在76个光子量子计算原型机上完成了“高斯玻色采样”计算，计算速度要比超级计算机快100万亿倍，从而声称实现“量子计算优 越性” 2021年，中国“祖冲之二号”问世。 2022年，清华大学交叉信息研究院讲席教授段路明、副研究员张宏毅等研究组成功制备相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态，使基于微波光子的量子网络和模块化量子计算成为可能。中国成为继美国之后第二个实现超导量子优越性的国家，也是唯一实现光子和超导两种体系量子优越性的国家。 量子计算产业链分析 量子计算行业产业链上游为环境与测控部分，主要包括量子比特测控系统（测控系统整机、低温微波器件、线缆、激光器和探测器）、量子比特环境（GM/脉冲管制冷机、稀释制冷机、真空系统）、芯片（设备与加工制造）、其它（材料）；产业链中游为硬件整机制造与软件，主要包含整机制造（超导、离子阱、光量子、中性原子、半导体和其它）和系统与应用软件开发；产业链下游为运营和应用环节，主要包含云平台以及行业应用。[7] 量子计算行业产业链主要有以下核心研究观点：[7] 制冷机设备是核心，量子芯片研发聚焦技术与材料。 随着量子计算比特数量和操控精度提升，稀释制冷机、脉冲管设备、极低温工艺等技术成为核心，量子芯片研发聚焦提高比特数量、连通性和质量，优化硅基集成光量子芯片和晶圆级硅锗材料。 当前主流硬件技术路线包括超导、中性原子和离子阱，软件技术路线正