量子计算行业浅析及发展前景

2024-02-04

随着科技的不断进步，我们正处于一个充满机遇的数字时代。在这个过程中，量子计算技术崭露头角，引领着未来计算的潮流。量子计算技术受各国高度重视，在将量子计算领域的研发作为国家战略的同时，给予大力的政策和资金支持，力争抢占新兴信息技术制高点。我国将量子计算纳入“十四五”期间重点扶持的战略科技，2021年中国“十四五”规划发布，提出了组建一批量子信息国家实验室，部署一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目，随后北京、上海、山东等21个省市在地方“十四五”规划中都对量子信息领域做出了具体部署与项目支持。

量子计算基本概念

量子信息技术，是指基于量子力学，对微观粒子系统及其量子态进行观测及精准操控，利用量子纠缠、量子叠加等物理现象的信息技术，目前主要包括量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域，其中量子计算的技术产业影响力最大，是量子信息领域的关注焦点。

量子纠缠：在量子力学里，当几个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，则称该现象为量子缠结或量子纠缠。

量子比特：量子比特是量子计算的理论基石。在二进制量子计算机中，信息单元称为量子比特，它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外，还可处于叠加态。量子计算机现已在100多种算法上展现比传统计算机更快的处理速度。

图1：比特和量子比特

量子计算产业链详解

目前，全球机构致力于研发整机原型机，物理层的研发突破成为当前的主要任务。产业链以中游整机厂商为核心，而全栈量子计算机公司的软件进展很大程度上取决于其在硬件路线上的成就。

产业链上游，硬件设备是最大构成部分。中下游的软件和云平台方面，一部分厂商是中游整机厂商在积极开发运用、拓展落地合作，一部分是如Q-CTRL、Amazon等专注于开发软件或云平台的厂商。

图2：量子计算产业链详解

信息来源：ICV

量子计算的应用场景

量子计算作为一种全新的计算方式，不仅可以增强计算机功能，更有可能重塑应对气候变化、饥饿和疾病的能力，破解和更新常见的加密技术，带来巨大经济效益，对全球数字经济产生影响，并形成地缘政治战略意义。

量子计算应用探索主要集中在：

量子模拟：生物制药、化工、能源材料等领域模拟复杂的化学反应过程及建模，提升理论验证效率。

组合优化：金融资产、物流运输、航空航天、交通管制等方向提升复杂多变量组合优化求解的计算效率，实现营运效率提升。

线性代数求解：赋能加密系统和金融评级，针对人工智能的算法训练及落地等。

量子教育：通过量子虚拟机或量子学习机等工具赋能教育和培训行业。

图3：量子计算技术与应用体系视图

量子计算发展历程

自2019年Google验证了量子计算优越性以来，各国加速进行量子计算研究。2020年至今，量子计算步入技术应用验证和研制跃升期。2021年，全球量子计算硬件快速跨入百位量子比特的NISQ时代，向容错量子计算机迈进，目前行业玩家和产业界的主要目标在于开发基于NISQ的样机以开展量子算法研究和应用场景探索。

图4：量子计算发展阶段

信息来源：赛迪顾问，ICV

量子计算市场空间

据ICV，2022年全球量子计算产业规模达到12.9亿美元，较2021年增长61%，预计到2027年全球产业规模约87亿美元，CAGR约31%。预计2028年行业进入爆发增长期，全球产业规模达319亿美元，2035年全球产业规模增长至6070亿美元，CAGR约44%。中国市场方面，2022年产业规模约1.1亿美元，预计2030年增长至122.7亿美元，有较大的增长空间。

图5：2022年和2030年全球量子计算各地区产业规模

信息来源：ICV

量子计算是后摩尔时代的标志性技术，不少国家都把量子计算当作未来技术制高点，国内外知名的企业纷纷涉足量子计算。当前下游应用方面，化工领域市场份额为33.4%，医药研发领域24.6%，金融领域占比达到15.8%，安防领域占比13.9%，物流领域占比为10.5%及其他领域占比1.8%。

预计2027年以后整个量子计算赛道将迎来高速增长，到2030年，化工领域市场份额将变为30.9%，医药研发领域为19.2%，金融领域为15.5%，物流领域占比将达到14.2%，安防领域13.9%以及其他领域占比6.3%。

图6：2022和2030年全球量子计算下游应用规模占比

信息来源：ICV

量子计算技术路径

量子计算处理器是操作和测量量子比特的物理硬件载体，目前存在多种技术路线，主要分为以超导和半导体为代表的人造粒子路线，和以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。此外，还有金刚NV色心、量子退火机、相干伊辛机等技术路径，但目前或扩展难度大、或进展慢。现存技术路线各有优劣，难以兼顾相干时间、扩展性、操控难易度和物理环境等不同方面。目前多种量子计算硬件技术路径并行推进，尚未呈现收敛趋势。

量子计算竞争格局

海外科技巨头在量子计算软硬件研发、应用场景探索、用户习惯培养和构建产业生态等方面优势明显，开始发力构建关键材料、元件、仪器和设备供应链，巩固优势地位。

国内初创公司虽然起步较晚，但一方面，国内初创公司大多依托中科大、中科院等高校/研究所的科研团队，具备后来居上潜力；另一方面，由于量子计算涉及国家关键技术且目前各国尚处相互竞争状态，未来国内市场仍大有可为。

稀释制冷机方面，芬兰Bluefors、英国Oxford instruments占据了全球主要的市场份额，但由于10mK以下稀释制冷机的禁运问题，国内目前主要由中科院物理所、中电科十六所和中船重工鹏力进行研制。

微波控制电路系统方面，德国罗德施瓦茨、美国是德科技占据全球测控系统的绝大部分市场份额，国内的厂商主要由量子计算机公司进行开发和销售，如中微达信、本源量子和国仪量子等企业。

量子计算下游应用

量子计算是后摩尔时代的标志性技术，不少国家都把量子计算当作未来技术制高点，国内外知名的企业纷纷涉足量子计算。量子计算虽然前景广阔，但落地应用仍是长路漫漫。根据项目组全面访谈，行业专家均表示量子计算商业落地至少 5 – 10年。医疗领域专家（大型药企、大型商行）目前对量子计算领域的合作是比较开放的，但是付费意愿较弱。

金融领域应用：近年来，随着移动互联网等技术的普及，金融领域数据量呈现爆炸式增长，推动了金融大数据时代的来临。金融领域数据的海量、复杂和高维度等特点，对处理金融大数据的算法准确性、高效性、安全性和鲁棒性都带来了巨大的挑战。

医药领域应用：传统的药物发现依赖于耗时的试错方法，但量子计算的使用为该领域提供了有希望的进展——与精确分子模拟相关的指数级增长的计算成本可以通过量子硬件来克服。量子计算可模拟分子特性，有望通过计算机数字形式直接获得大型分子性状，缩短理论验证时间，极大地推动制药行业药品研发。

2024年量子计算未来发展前景趋势

领先的量子计算硬件公司朝着100量子比特门槛迈进。
保真度和纠错能力不断提升，特别关注最新的钡离子量子比特。
测控系统低温化和芯片交互可能简化。
量子计算软件和算法距离商用还有较长的路要走。
科技巨头间的量子竞争激烈，推动技术加速发展。
“量子服务”新型服务机构将涌现，提供量子计算机容量。
量子计算软硬件领域的投融资差距逐渐缩小。
各国政策力度将加大，推动量子科技立法进程。
立法与标准化将成为未来五年的重点。
企业加速拓展量子计算合作伙伴，量子生态圈逐渐形成。

这些趋势描绘了量子计算行业的光明未来，我们期待在这一领域见证更多的创新和突破。

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