量子计算：“量”力而行，下一代计算革命伊始

发展必要性：量子优越性展示，远期市场空间超百亿美元。相较传统计算，量子计算的优势在于并行计算、指数级速度和高效能耗，具备独特的量子叠加和纠缠特性，可以实现问题降维，展示其计算优越性。近年来，全球近250家企业已针对量子硬件和量子软件展开了产业布局和生态竞争，根据中移动2023年报告，实用的通用量子计算机须具备100万量子比特和1000逻辑量子比特规模，需要到大规模容错阶段才能够实现，预计需要10~20年。 技术路线：稳定性+扩展性+误差纠正为核心挑战，技术路线分化。量子计算的技术攻坚之路长坡厚雪，核心技术改善围绕稳定性、可扩展性和误差纠正展开。主流量子计算路线可以分为两类：一类是以超导路线、硅半导体路线为代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱路线、中性原子路线、光量子路线为代表的天然粒子路线。 应用前景：科研+商业化并驱，金融+能源+物流+制药空间可期。应用探索方向来看，目前主要聚焦量子模拟、量子组合优化、量子线性代数三大领域。随着科研与商业化的并行驱动，目前已开始走向行业场景应用探索阶段，但尚未实现大规模可容错通用量子计算。金融、能源材料、物流运输和制药医疗是市场规模扩容的核心驱动因素，根据麦肯锡预测，量子计算市场规模将在未来5-10年加速发展。 海外：大厂群雄逐鹿，技术路线各异——Majorana1重稳定，Willow重高速。2024年2月，微软Majorana1问世，成为世界首个拓扑核心构建的量子处理单元，凭借拓扑保护特性显著降低错误率，具备高处理速度、小尺寸等特性。而谷歌Willow于2024年12月发布，能够在在不到五分钟的时间内完成一项标准基准计算，其解决问题的速度远快于目前最快的超级计算机。相比之下，Majorana1与Willow的发展重心有所不同，微软偏向打造更高的内在稳定性，而谷歌更专注于提升计算性能和高效纠错能力。 国内：院所中流砥柱，顶层规划协同——超导与光量子双轨竞速。受到政策端的支持，量子计算已成为我国战略发展的重点技术之一。量子产业的发展主要由科研院所支撑，截止目前，我国已实现研发国产光量子计算先锋“九章三号”与具备顶级超导量子计算优越性的“祖冲之三号”等产品。 投资建议：量子计算在并行计算、指数级速度和高效能耗的必要性被不断验证，产业实践如火如荼，中美大厂及科研院所技术迭代加速，不断在稳定性、扩展性、误差纠正等核心挑战方面挖掘新的解决方案，产业空间可期，技术路线各异，建议关注：国盾量子、科大国创、神州信息、中国长城等。 风险提示：技术迭代不及预期；商业化进展不及预期；研究报告中使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险。 一、量子计算启新篇，从实验室验证迈向商业落地 1.1发展必要性：量子优越性展示，远期市场空间超百亿美元 传统计算机处理np问题存在瓶颈，2019年量子计算迎来元年。传统计算机处理p问题（多项式复杂度问题）并不困难，可以通过增加晶体管集成度来提高运算速度。但是对于np问题（非多项式复杂度问题），计算时间将成指数增长，对于较大的输入，计算时间将极长，传统计算机无法完成。2019年是量子计算元年，谷歌用53-Qubit的量子计算机证明了量子计算系统可以解决传统计算机无法处理或效率极低的问题，从而证明了量子计算存在和发展的必要性。 量子计算机具备独特的量子叠加和纠缠特性，可以实现问题降维，展示其计算优越性。量子计算的基础是量子比特（qubit），相较传统比特，量子比特可以同时处于多个状态的叠加中，一个量子比特可以同时表示0和1，甚至更多，直到被测量时才确定其值。 图表1：QPU、GPU、CPU特性对比 量子计算的优势在于并行计算、指数级速度和高效能耗。1）并行计算：经典计算机需要依次尝试所有可能的解，而量子计算机可以在同一时间内探索所有可能性，大幅缩短计算时间，在大规模数据分析和优化问题上展现出显著优势。2）指数级加速：随着量子比特数量的增加，计算能力呈指数级增长，远超传统计算机的算力线性增长，从而解决很多传统计算机无法解决的问题。3）高效能耗：量子计算具备减少能耗的潜力，中国科学院院士薛其坤认为，冷却系统消耗的能量可达数据中心总能耗的40%，但如果使用量子计算就可以大大减少能耗。 量子计算远期市场空间超百亿美元，距离产业化还需要10-20年。全球近250家企业针对量子硬件和量子软件展开产业布局和生态竞争，已有多家量子计算公司发布了自己的量子路线图。根据中移动2023年发布的报告，实用的通用量子计算机须具备100万量子比特和1000逻辑量子比特规模，需要到大规模容错阶段才能够实现，预计需要10~20年。 图表2：全球量子计算市场规模与头部厂商布局计划 1.2技术路线：稳定性+扩展性+误差纠正为核心挑战，技术路线分化 量子计算的技术攻坚之路长坡厚雪，核心技术改善围绕稳定性、可扩展性和误差纠正展开。 稳定性：量子位的退相干和噪声干扰问题会影响其稳定性，从而直接影响量子计算的性能和可靠性。 可扩展性：随着量子位数目的增加，如何高效地耦合多个量子位、精确控制其相互作用从而实现复杂的量子计算问题成为一个关键； 并且集成大量量子位需要复杂的系统设计和控制技术，对高精度的冷却和控制系统提出了高要求。 误差纠正：量子计算需要通过误差纠正来确保计算准确性和可靠性，通常方式是量子纠错码和容错量子计算。 多种技术路线群雄逐鹿，探索更高效、更长远的商业图景。目前，量子计算技术正处于快速发展阶段，量子比特数目显著增加，硬件性能不断提升，多种技术路线并行发展。主流量子计算路线可以分为两类：一类是以超导路线、硅半导体路线为代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱路线、中性原子路线、光量子路线为代表的天然粒子路线。 图表3：量子计算各主流技术路径进展及相关公司情况（不完全统计） 硬件技术路线：其差别在于根据不同的物理体系构筑量子比特和量子逻辑门。 超导路线：通过微纳加工技术在芯片表面刻蚀约瑟夫森结，以相对受控的形式产生超导振荡电流，以振荡电流的振幅代表量子比特，并利用其相互作用构建量子逻辑门； 离子阱路线：采用带电离子，以其外层能级结构代表量子比特，通过激光或微波等手段构建量子逻辑门； 光量子路线：利用光子的多种自由度实现量子态编码和量子位构建。 图表4：量子计算多种硬件技术路线对比 1.3应用前景：科研+商业化并驱，金融+能源+物流+制药空间可期 量子计算主要应用于金融、制药、能源、信息安全、物流等行业，从应用探索方向来看，目前主要聚焦量子模拟、量子组合优化、量子线性代数三大领域。 量子模拟应用：自然过程的量子模拟涉及物理模型、生物制药、材料研究等自然科学中发现的量子力学系统的计算特性，描述材料所需的电子配置以组合方式增长，并且通常具有非经典相关性或纠缠。 量子组合优化：以量子算法解决组合优化问题，通常在经典计算中难以获得全局性最优解，主要应用于涉及复杂多变量组合优化的金融、交通规划、气象预测等领域 量子线性代数：基于量子计算机解决涉及矩阵和向量的线性代数问题，在量子机器学习、密码破译等领域是主要应用方向。 图表5：量子计算在各行业领域的技术和应用成熟度 图表6：量子计算在各行业领域的具体应用场景及预计落地时间 金融、能源材料、物流运输和制药医疗是市场规模扩容的核心驱动因素。 该技术的应用领域包括金融、医疗、汽车和能源等场景，在这些领域中，拥有多年经验的大型企业或行业巨头与量子计算软件和硬件公司合作，以解决当前的实际问题。根据麦肯锡预测，量子计算市场规模将在未来5-10年发展加速，至2035年市场规模有望突破万亿美元。从细分领域来看，根据ICV的预测，至2035年，金融领域将占据量子技术超过一半的市场份额，医药、化工领域分别占14.20%和20.47%，处于第二梯队。 图表7：量子计算到2035年市场规模估值可能达到万亿美元级别 图表8：2030E与2035E全球量子计算下游应用规模（%） 产业处于商业化早期，科研+商业化并行驱动。目前，量子计算已开始从技术研发走向行业场景的应用探索阶段，尽管尚未实现大规模可容错通用量子计算，且已有应用案例距离实现指数级加速或提供量子计算优越性依旧存在很大距离，但随着科研与商业化的并行驱动，小成小用，大成大用，远期展望正在逐渐照进现实。 图表9：23-24年量子计算在金融、化工等领域的落地进展 二、中美量子计算加速竞逐，轮番领跑态势火热 2.1海外：大厂群雄逐鹿，技术路线各异——Majorana1重稳定，Willow重高速 微软：Majorana1问世，成为世界首个拓扑核心构建的量子处理单元。2025年2月19日，微软首发量子计算芯片Majorana1，该量子芯片利用量子比特，可同时处于0和1叠加态，执行特定任务具有指数级加速优势；并且具有高稳定性等优良性质。 架构突破：拓扑超导体全新材料，速度更快、尺寸更小。1）仅以手掌大小的面积集成8个量子比特，该芯片未来有望集成100万个量子比特。2）相比传统超导量子比特，Majorana1抗噪声和干扰能力更强，显著降低了计算错误率。 工程应用加速：1）微软预计这种架构将使量子计算机能够在数年内解决有实际意义的、工业规模的问题。2）利用量子力学以极高的精度数学映射自然行为，解决工业级复杂问题，如材料科学、药物研发等领域的关键挑战，并有望发挥与AI的协同潜力（加速AI模型的训练和新材料设计）。 纠错过程简化：相较传统方法，微软此次的测量方法是完全通过由简单数字脉冲激活的测量来执行纠错。这种数字控制方法在有效管理量子比特方面的可行性更高，下一步将涉及4×2tetron阵列。 图表10：运用四子结构实现容错量子计算的路线图 谷歌：Willow量子芯片取得重大突破，计算速率远超目前最快超算机。 Willow是谷歌最新一代量子芯片，于2024年12月正式发布，在多个指标上拥有最先进的性能，实现了两大主要成就：1）Willow能够随着使用更多量子比特的扩展而指数级降低错误，这解决了量子纠错领域近30年来的一大关键问题。2）在随机电路采样（RCS）基准测试下，Willow能够在不到五分钟的时间内完成一项标准基准计算，其解决问题的速度远快于目前最快的超级计算机，这一突破被业界称为量子计算的“Transformer时刻”。 图表11：谷歌的技术进展与Willow在RCS经典基准测试下的结果 Majorana1与Willow发展重心相异，前者求稳定，后者求高速。微软偏向于打造更高的内在稳定性，而谷歌专注于提升计算性能和高效纠错能力。 量子比特设计理念：微软通过拓扑量子比特倡导内在稳定性，而谷歌采用超导传输量子比特，并偏向于通过大量的量子比特和性能更高的软件来减少错误。 可伸缩性：Majorana1的设计考虑了百万级量子比特的可伸缩性，旨在解决大规模复杂问题，而Willow目前拥有105个量子比特，架构方法有所不同。 纠错策略：微软通过拓扑保护在硬件层面尽量减少错误，而谷歌强调提升纠错协议的复杂性，并使用算法实时检测和修复错误。 图表12：Majorana1与willow技术指标对比 2.2国内：院所中流砥柱，顶层规划协同——超导与光量子双轨竞速 政策面：量子计算成为国家战略重心，国有企业与中小企业共同推动发展。该技术已被写入中国“十四五”规划，成为国家战略层面的重点发展方向之一。国有企业在量子通信和量子测量领域取得了重要突破，并推动了相关技术的商业化应用，而初创企业则凭借其灵活性和创新能力，持续推出新产品和新服务。根据赛迪顾问数据，中国量子芯片市场规模预计2025年突破100亿元，未来将保持强劲增长势态。 图表13：中国量子计算产业主要政策梳理 科研院为量子技术发展主力军，超导和光量子实现优越性展示。我国现布局多条国际主流的量子计算技术路线，包括超导量子、光量子、离子阱、中性原子、半导体等，在超导（原型机“祖冲之号”）和光量子（原型机“九章”）两种技术路线上实现了优越性展示。根据光子盒研究院，我国主要依靠科研院推动量子技术发展，