2024年量子技术研究报告：投资于拐点

量子技术 Contents 0405INTRODUCTION关键洞察力06第一章量子将改变世界 13第二章领导者正在崛起 19第三章抓住机会 消息来源23 25免责声明 Introduction 量子技术 recently transitioned from the realm of science fiction to a field on the vergeof transforming the world. 在这份报告中，我们剖析这一新兴技术，并说明为何现在是认真对待它的时候。从投资者的角度出发，我们也讨论了如何导航量子市场，提供了有助于理解哪些公司有望引领这一技术浪潮以及它们在这一过程中可能面临的挑战的见解。 AUTHORS 卡洛姆 · 斯图尔特博士 callum. stewart @ gpbullhound. com 随着投资者开始认识到量子技术的巨大潜力并相应地进行投资分配，没有一种适用于所有情况的投资方法。就像任何新兴技术一样，价值链的每一部分在回报、时间框架和风险 profile 上都各不相同。对于希望将一小部分资本投入以捕捉市场广泛扩张的投资人，我们建议关注基础设施软件或当前正在创造价值的支持系统等硬件无关的投资。而对于有较长投资周期和更激进部署计划的投资者，则应考虑底层硬件或最终应用软件的投资。 关键见解 _ 量子技术现已成为现实——量子传感器正在进行实地测试，量子计算机正在实现实用价值，大型企业正在增加量子技术的支出。 量子市场正在大规模扩张 - 预计到 2030 年将从今天的 10 亿美元增长到 200 亿美元 ， 到 2040 年将超过 1000 亿美元。 投资者越来越认识到量子技术的巨大潜力——过去五年里，每年全球 Startup融资中分配给该领域的份额持续增长。 行业的未来领导者正在涌现 —— 新兴初创企业数量减少，而现有公司则吸引更多的资本、争取稀缺人才，并建立战略合作伙伴关系。 投资者需要权衡量子价值链中机遇与风险——企业在平衡技术、竞争和市场上市时间挑战方面面临困难。 量子将改变世界 尽管在商业化的早期阶段 ， 量子技术已经是一个价值数十亿美元的市场(1)(2)。它将大规模扩张， 到 2030 年达到 200 亿美元(3)到 2040 年可能超过 1000 亿美元(4)考虑到各行业和应用场景的影响，量子计算到2035年可能对经济产生的总影响可高达2万亿美元。(4). 为量子技术增加超过 400 亿美元的公共资金承诺(4)(5)- 2021 年的金额几乎翻了一番(6)- 大型企业越来越多地推动发展其量子准备 ， 市场的发展正在加速。 但是量子技术到底是什么 ， 是什么赋予了它改变世界的潜力 ？ 使不可能成为可能 量子技术利用原子尺度及更小范围内粒子的非直观行为。在这个层次上，诸如量子纠缠、叠加和隧道效应等现象出现，提供了经典技术今天无法实现的新能力。 量子纠缠 ：这种现象类似于粒子之间无论相距多远都会隐形连接。当一个粒子的状态被测量时，另一个粒子的状态会瞬间得知。这使得开发出不可破解的加密通信技术成为可能，并且对于运行某些量子计算机的独特算法至关重要。 量子叠加 ：这一原则允许粒子（如原子或光子）被通俗地描述为同时处于多种状态。它们不仅限于1或0的状态，可以被视为类似于空中翻转的硬币，在那一瞬间既有正面也有反面的概率状态。这是量子计算的基础，开启了能够以经典计算机无法达到的性能水平解决某些复杂任务的新类型计算。 量子隧穿这种现象使得粒子能够穿过它们经典上不应穿越的障碍物。这一效应被应用于多种技术中，从而促进了更快更小型的先进电子元件的发展。 这些量子特性为比仅依靠经典物理学所能实现的更快、更安全、更高效的技術開闢了門路。它们代表了我们在處理信息、保障通信以及構建新技術方面取得的重大進步，這些新技术有可能改變我們所熟知的世界。 02重塑计算、传感和通信 尽管量子计算可能是量子行业中最为人所熟知的技术，但它只是三大主要类别之一，另外两大类别是传感和通信。这些技术正处于不同的发展阶段，每种技术在实现大规模市场应用之前都面临着独特的挑战。然而，在近年来取得了显著进展之后，量子传感器作为无需卫星的GPS替代品以及量子计算机解决复杂的人工智能和优化问题的可能性变得越来越现实。 量子技术 量子计算 ：不同于经典计算机用二进制的1和0来表示信息，量子计算机使用量子位（qubit）来表示信息，量子位可以同时存在于多种状态的叠加态中。量子处理单元（QPU）利用这一性质以及量子纠缠，能够同时进行多种计算，解决诸如解密和分子结构模拟等复杂且往往具有概率性的难题，这些问题对于经典计算机来说往往是不可行的。在量子技术的三大类别中，计算被认为有可能对世界产生最大的影响。 量子传感 ：量子传感器利用量子状态的极端敏感性来检测通常无法察觉的磁场、温度、压力、重力等变化，展现出无与伦比的精度。这些传感器利用原子钟、磁强计和干涉仪等技术，提供了远超经典传感器的准确度和灵敏度。作为最成熟的量子技术类别，量子传感器已经在医疗设备（如MRI机器）中得到应用，并正在测试用于类似GPS导航的实际应用，无需依赖卫星。 量子通信 ：通过利用量子纠缠的性质，即无论粒子及其状态之间的距离如何，它们之间都会相互关联，量子通信能够实现全新的完全安全的通信和信息传输。除了在军事通信和金融交易中的显而易见的应用场景外，它还能作为防范未来量子计算机解密能力的一种保障措施。 03迎接新的计算时代 通过利用量子力学的独特性质，量子计算机有望在几分钟内解决某些问题，而这些问题即使使用当今世界上性能最好的超级计算机也需要整个宇宙的年龄来完成。 这些能力源于量子计算机与经典计算机根本不同的架构。利用叠加原理，量子位可以同时表示多种状态，从而使得量子计算机能够并行执行许多经典计算机必须顺序运行的计算，这在某些任务中可能带来性能上的巨大提升。通过量子纠缠，可以在操作过程中保持关系的一致性，从而维持并行性。 为了完成一个计算，量子位会被测量并坍缩为初始量子超位置中最有可能的答案所代表的确定状态。由于这些问题通常是概率性的，涉及现实世界场景的统计模拟——没有确切的答案但有最优解取决于给定的约束条件，因此该过程可能会产生不同的结果和置信水平。然而，即使需要重新运行计算以提高置信水平，量子计算机仍然能够在大规模问题上超越经典计算机找到解决方案。 然而，并非所有问题都适合量子计算机的特性和能力。对于许多问题和软件，尤其是依赖于常规算术运算（如加法和乘法）的问题，经典计算机仍然是最佳选择。然而，对于某些复杂问题，量子计算机将解锁经典计算机无法触及的应用场景，包括： 人工智能(AI) ：量子计算机可以执行关键计算和▪ 用于训练机器学习和AI模型的操作比经典计算机快得多。随着像ChatGPT、变换器和深 度学习等AI技术的重要性日益增加，量子计算的影响也将随之增大。 分子模拟 ：量子计算机擅长模拟量子系统 ，▪ 对于经典计算机而言，由于变量和交互的不断增加，这一任务几乎变得不可能。量子计算机可以用于建模复杂的分子结构以进行药物发现、设计新型化学物质以及探索材料科学。 ▪ 拥有巨大的潜力，使其成为解决复杂优化问题的理想工具。它们有可能在优化供应链、物流、金融投资组合管理以及能源基础设施发展和电网管理等方面发挥高度有效性。量子启发式算法已经超越了传统技术，在量子硬件变得更加强大和稳定之前填补了这一差距。 密码学量子计算机可能会破坏某些类型的加密▪ 依赖于因难大数因子分解的任务，而量子计算机在这方面表现出色。因此，政府、国防机 构和网络安全公司正在投资开发量子 resistant 加密方法。 在许多情况下，待解决的问题可能包含多个任务和子问题，其中一些适合量子计算机，而另一些则不适合。在这种情况下，可以采用混合方法，充分利用经典计算机和量子计算机的优势和能力。 04感觉到难以察觉 使用备用传感器代替 GPS 时 ， 海上位置不准确 量子计算机的独特能力源自于其固有的属性，这些属性同时也使其对环境因素极为敏感，包括温度波动、电磁干扰和宇宙射线。这些因素是导致技术进步中必须克服的主要错误来源。然而，这种极端的敏感性也可以被利用于其他应用场景，特别是构建量子传感器。这些设备能够以无与伦比的精度检测和测量磁场、温度、压力、重力、时间等的变化，从而解锁广泛的应用场景和性能水平，而这些是经典传感器无法实现的。例如： 重力传感和制图： 量子重力仪测量最小的引力▪ 变异。通过与“引力地图”相结合，这使得能够在没有卫星的情况下实现精准的GPS-like导航， 从而避免信号被干扰或拦截的风险。即使没有这样的地图，只要知道起始位置，量子传感器仍能以极高的精度追踪行进步骤和旅行距离。例如，在海上海上航行24小时而没有GPS的情况下，经典惯性导航系统可能会偏离实际位置近两公里，而根据最近的试验，量子传感器系统的误差可能小于50米。 计时和导航 ： 量子时钟以极高的精度测量时间 ，▪ 对于改善GPS系统和天文学及卫星通信等领域中的高精度同步至关重要。 成像和光子学： 量子成像技术 ， 如量子增强▪ MRI和量子幽灵成像能够实现更高的分辨率，并且所需的光线较少，相比于传统方法 。这些进步，包括量子点和单光子设备，在医学成像、生物技术、材料科学、制药、国防以及监控等领域具有广泛应用价值。 磁场传感： 量子磁力计 ， 例如基于氮气的磁力计 -▪ 珍珠中心的钻石可用于地质学中的矿产勘探、神经科学中的大脑活动成像、考古学中定位古代文物等领域。 温度传感: 量子传感器检测即使是最小的温度变化 ，▪ 适用于医疗诊断、环境监测、材料科学、化学生产、制药业以及更多领域。 类似于量子计算机，量子传感器可能并不总是完全独立的，但它们可以与其他量子传感技术和传统传感器协同工作以实现预期输出。与量子计算相比，量子传感的一个优势在于许多主要的工程挑战已经得到了克服，从而使技术发展到了可以测试实际应用的阶段。因此，我们可能会在量子传感器能够补充或替代其经典对应物之前看到这一现象，尽管那一天也越来越近了。 领导人正在崛起 量子技术一直是讨论的话题，常常被描述为始终还需要十年才能实现实际应用。然而，今天我们认为这种说法已不再成立，它所展现的未来比我们想象中要近得多。实际上，近期该领域的进展表明，目前的行业领导者正在积累更多的权力和影响力。这表明行业可能已经处于未来领导者已经确立且正变得越来越强大的阶段。 在拐点 01 在过去的一年里，我们见证了许多看似几年前还像是“月球着陆”般的突破。IBM 发布了“公用纸张”，展示了今天的量子计算机如何推动经典问题求解的边界。(7)。 Atom 计算和 IBM 推出了首批具有超过 1000 个量子比特的量子计算机(8) (9)标志着规模上的显著飞跃。随着这些进步，波士顿咨询公司预计企业级量子计算将于2025年开始创造商业价值。(10)这项预测得到了一项近期研究的支持，该研究显示，57%的量子计算机投资公司计划增加支出，40%的公司计划保持当前支出水平，仅有3%的公司计划减少支出。(10)， 表明人们对该技术的潜力越来越有信心。 尽管这些要点突显了量子计算领域的前景发展，量子传感的潜力已经开始逐渐显现，目前已有传感器被部署并测试用于实际应用。例如，常规的医学检查程序如MRI扫描，是基于核磁共振这一已熟知的量子特性，通过强大的磁场脉冲来操控和测量不同组织中原子的自旋以生成图像。然而，我们所指的量子传感进步涉及的是单个原子、粒子或量子系统的行为，而不是像MRI那样的群体现象。 一些主要应用仍在开发或完善中，但这一过程正在迅速推进。例如，量子点和单光子源已经展示了在早期疾病诊断方面的显著潜力。(11). 航天原子公司已开发出一种基于船舶的原子钟，最近在开放海域进行了为期三周的试航测试，展示了其在航海导航中实现高精度时间保持的潜力。(12)。英国海军和伦敦帝国理工学院测试了一种新的基于量