1/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 行业研究报告 慧博智能投研 量子信息 技术 作 为量子 力学 与信息科 学交叉 融合的 产物，展现出 在运算 处理、信息 安全和传 感测量 等方面超越传 统信息 技术的 巨大 潜力。目 前量子 信息 已 成为 全球科技 竞争的 焦点，尤其 是中美两 国在量 子信息科学的 关键技 术上展 开激 烈角逐，预示着 量子信 息将 成为未来 科技竞 争的新 高地。当前，量子信 息技术的产业 链正在 逐步形 成，并逐渐迈 向广泛 应用。基于 其理论上 的显著 优势，我们 有理由相 信，随 着量子信息技 术实用 化的不 断深 入，它将 开启计 算和通 信的 新时代，实现信 息技术 的质 的飞跃。本篇文章 我们将 详细介 绍 量 子信息技 术行业。首先 通过 行业概述，讲解 量子信 息技 术的概念、细分 领域等基本内 容，梳 理国家 对于 此行业的 鼓励政策。接 下来，我们将 对量子 信息技 术的 三大细分 领域展 开详细分析，讲解各 领域的 概念、发展现 状、产 业链及 市场 空间等内 容，展 望未来 发展 趋势。最 后，我 们将列举国内 相关公 司。希望 通过 这些内 容能够 启发大 家对 量子信息 技术行 业 的了 解。目录 一、行业 概述.1 二、政策 驱动.3 三、量子 计算.5 四、量子 通信.18 五、量子 测量.23 六、国内 相关公 司.27 七、参考 研报.30 1+=在 微 观 领域，任何 无 法进 一步 分 解 的实 体 都可 被 称作 量子，如 电子、光子 等。1900 年马 克思 普 兰克首次提出 量子 概 念，宣 告了 量子 时 代的诞 生。20 世纪 20 年 代，马 克思 普兰克 等 多位科学 家建立 了支配微观粒 子运动 规律的 理论-量子力 学。量 子信息 可以 被定义为 量子力 学与信 息科 学的交叉 学科，是基于量子力 学原理，通过 对光 子、电子 等微观 粒子系 统及 其量子态 进行人 工观测 和调 控，借助 量子叠 加和量子纠缠 等独特 物理现 象，以经典理 论无法 实现的 方式 获取、传 输和处 理信息 的一 门技术。量子信息 中，包 含量子 比特、量子叠 加、量 子纠缠 三个 基础概念：2/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 一 是 量 子比 特。正如比特是通信和计 算的最 小单元，量 子比特则 是量子 计算中 的最 小信息单 位。相 比比特，一个 量子比 特可能 的基 本状态是|0 态和|1 态，因 此包含的 信息量 大幅增 加，从而在面 对计算 量指数级增长 的问题 时，量 子比 特可以发 挥出潜 在优势。二 是 量 子叠 加。指一个量子系统可以 处在不 同量子 态的 叠加态上。在量 子系统 中，量子态是 指微观 粒子所处的一 系列不 连续的 恒稳 运动状态。在无 外界观 测干 扰时，量 子系统 可处于 一系 列量子态 叠加态 上，即著名的 薛定 谔的猫。三 是 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，则称这 现象 为量子缠 结或量 子纠缠。即如 果两个 量子比 特构 成一个量 子纠缠 态，那 么无 论携带这 两个量 子比特 的粒 子相距多 远，只 要其中一个量 子比特 的测量 状态 发生改变，那么 另一个 的状 态马上发 生改变。爱因 斯坦 称之为 幽灵般 的超距作用。在量 子信息 学中，量子纠 缠处于 十分重 要的 位置，无 论是量 子通信 中的 量子隐形 传态还 是量子计算中 的逻辑 门操作，都 离不开量 子纠缠。2 量 子 信 息技 术 主要 包 括量 子计 算、量子 通 信和 量 子测 量三 个 技 术分 支。自 20 世纪 80 年代起，量子 力学与信息 科学领 域的融 合催 生了一门 新兴学 科 量子 信息学。该学科 主要涵 盖三 个核心领 域：量 子计算、量子 通信和 量子测 量，它们在增 强对复 杂问题 的处 理能力、提升信 息安全 性以 及改善传 感测量 的精确度方面，展现 出超越 传统 信息技术 的巨大 潜力。这三 个领域的 结合，预示着 信息 科学的一 场革命，将极大地推 动科学 研究和 技术 创新的发 展。WUAZwPqNoNnMoQtQqNsNpO7NbP6MpNqQmOnRkPpPtOfQmNmP6MmMwOwMmQtNMYnQpM 3/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 1）量 子计 算：以量子比特 为基本单 元，利 用量子 叠加 和干涉等 原理实 现并行 计算，能在某 些复杂 问题上提供计 算能力 的指数 级加 速，是未 来计算 能力跨 越式 发展的重 要方向。量子 计算 技术所带 来的算 力突破，有望 在生物 制药、材料 研发、分 子化学、人工 智能、量化金 融等领 域 释放 应用 潜力。2）量 子 通 信：利用微观粒 子的量子 叠加态 或量子 纠缠 效应等进 行信息 编码或 密钥 传输，基 于量子 力学原理保证 信息或 密钥传 输的 安全性，主要分 量子隐 形传 态和量子 密钥分 发 等。量子 通信和量 子信息 网络的研究和 发展，主要应 用在 军事国防、国家 政务、金融 交易等领 域。3）量 子 测量：通过对外界 物理量变 化导致 的微观 粒子 系统量子 态变化 进行调 控和 观测，实 现精密 传感测量，在 精度、灵敏度 和稳 定性等方 面相较 传统技 术带 来数量级 提升。量子测 量应 用主要集 中于量 子时频同步、量子重 力测量、量 子磁场测 量和量 子目标 识别 等领域，覆盖军 事国防、航 空 航天、生物医 疗、能源勘探、交通 运输、灾害 预警等行 业。量 子 信 息技 术 作为 未 来产 业的 重 要 组成 部 分，得 到国 家的 高 度 重视 和 前瞻 布 局。十四五 期间，我国瞄准量子信 息领域 实施了 一批 具有前瞻 性、战 略性的 国家 重大科技 项目，包括 量子 信息等重 大创新 领域组建一批 国家实 验室 加强 原创性引 领性科 技攻关 等。2023 年 12 月，中央经 济 工作会议 提出 开辟量子、生命 科学等 未来产 业新 赛道。2024 年 1 月，工 信 部、科技 部、国 务院国 资委、中国科 学院等 七部 4/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 门发 布了 关于 推动 未来 产 业创 新发 展 的实 施意 见，其中 多处 提 出发 展量 子信 息 技术。2024 年 3 月，国务院 政府工 作报告 两 度提到量 子技术，强调 过去 一年量子 技术等 前沿领 域创 新成果不 断涌现，并再次强调 未来将 开辟量 子技 术、生命 科学等 新赛道。相 比 十四 五 规划 期间，量子 计算的重 要性得 到了进一步的 提升，从基础 理论 研究到更 强调产 业化和 应用 落地。我 国 在 量 子 信 息 技 术 领 域 具 备 研 究 基 础。从 专 利 数量 来看，我 国 量 子 通 信 和 量 子测量 方 面 位 居 世 界 第 一，量子计算 领域位 居世界 第二。截至 2022 年 9 月，全球 各国量子 信息领 域的专 利申 请占比情 况如下 图所示：其中，量子 计算领 域中 国专利申 请数量 占比达 到 26%，位居 第二；在量子 通 信和量子 测量领 域，中国专利申 请数量 均处于 全球 领先，占 比分别 为 54%和 49%。从专 利申请 数量角 度 看，中国 在量子 信息技术领域 的创新 能力较 强。Aaj4W1V9iIAqJFnmvWQ64JKvZxvDHl7CnYBIQwX/6MMb+vm4IZ5lCojD4gUkLUMG 5/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 1 量 子 计 算是 量 子信 息 技术 的核 心。没有 量 子计 算，量 子技 术 其 他领 域 的发 展，不 足以 动 摇 现有 信 息技 术的根基。量 子 计 算本 质 原理：量子 计算 机 实 现并 行 计算 指 数级 加速，形 成量 子 优越 性。量子 计算是遵 循量子 力学规律进行信息处理的新型计算范式，以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些 计算困 难问题 上提 供指数级 加速，是未来 算力 跨越式发 展的重 要方向 之一。量子计 算机相 比于经典计算 机在算 力增长 上具 有显著的 量子 优越性，具 体而言，基于量 子力学 的叠 加原理，一个量 子比特可以同 时处于 0 和 1 两 种 状态的相 干叠加，使得 QPU 可以同 时实现 对 2 个叠加 的数进行 并行运 算，而 CPU 和 GPU 仅能 分别实 现对 n 和 n2的数 进行计 算。例如，用每秒 运算万 亿次 的经典计 算机分 解一个 300 位的大 数，需要 10 万年以上；而利 用同样 运算 速率、执行 Shor 算 法（快 速质因数 分解量 子算法）的量子计 算机，则只需 要 1 秒。以 2023 年 10 月 构建的 光量子计 算机（255 个光子）九章 三号 为 例，其在求解 高斯玻 色取样 数学 问题比目 前全球 最快的 超级 计算机快 一亿亿 倍。QPU 的性能通 常用所 包含的量子比特 表示，目前企 业和 学术界正 在使用 各种技 术制 造 QPU 内的量 子比特。量 子 计 算有 望 成为 后 摩尔 时代 计 算 能力 跨 越式 发 展的 重要 方 案。能够认为量子计算 发展的必 要性主 要考虑满足算 力持续 提升的 需求。以机器 学习、深度学 习、大数据等 为代表 的新兴 技术 的快速崛 起，对 低功耗、小尺 寸、异 质整合 及超 高运算速 度的芯 片架构 技术 提出了更 高的要 求，在 摩尔 定律的前 提下，以硅基为基础 的集成 电路技 术演 进已接近 物理极 限，量 子计 算有望成 为后摩 尔时代 计算 能力跨越 式发展 的重要方案之 一。目 前国际 学术 界普遍认 为未来 5-10 年有 望陆续实 现量子 计算的 商用 落地。6/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 2 量 子 计 算行 业 的发 展 可以 划分 为 多 个阶 段，目 前 行业 处于 NISQ 阶段。自从 2019 年量子优 越性展 示之后，行 业 目 前 已 经 进 入 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）阶 段，即 噪 声 中 等 规 模 量 子 阶 段，此时的量 子计算 机虽然 规模 有限，但 已经能 够执行 一些 超越经典 计算机 的特定 任务，如量子 模拟和 某些优化问题。预计 2028-2033 年，多 种技术 路径的 专用 量子计算 机将会 不断涌 现，在特定领 域应用 实现突破。2034-2040 年，随 着 技术路径 收敛，这一阶 段将 研制出可 纠错的 通用量 子计 算机，具 备更强 大的计算能力，能够 执行复 杂的 量子算法。预计 到 2040 年 以后，量 子计算 将进入 Fault-Tolerant Quantum Computing（FTQC）阶 段，即全面 容错量 子计算 时代，实现通 用运算 错误率 接近 或小于经 典计算 机。量子计算 发展的 具 备 哪些 限制 及 挑 战：7/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 温度：全球各地的量子 计算 机都只能 在约 0.1 开尔 文（-273.05）的极 寒温度 下工 作，然而 实现这 种低温又是超 导量子 的特性，不 在低温下 就发挥 不出来，而 达到这样 的温度 需要数 百万 美元的制 冷。随 着量子计算机 的运算 能力越 强，需要的制 冷设备 就越多，要 求也就越 高。技术：量子计算机对硬 件技 术的依赖 度极高，主要 是实 现不了编 码逻辑 比特，其次 还有系统 扩展、逻辑门精度、相干消 等几个 方面，其次，除了要 有基础 的硬 件，对比 经典计 算 机，量子 计算也需 要有软 件、算法以及 云平台 等技术 的支 持。要实 现其量 子纠缠 等技 术特性，需要一 系列高 端材 料和设备 的支持。其中，超导 电子学 和纳米 加工 技术是量 子计算 机实现 所必 须的，其 发展趋 势与成 熟程 度都会对 其应用 产生严重影响。资 金 与 需 求：目前，漫长的技术突 破等待 期与稀 缺的 付费用户 将构成 对量子 计算 行业持续 的挑战，如何将先进技术转化为有效需求，并且获得持续耐心的资金，是接下来量子计算行业所需关注的首要问题。3 量 子 计 算产 业 生态 上 中下 游各 环 节 已初 具 雏形，欧美 量子 计 算 企业 活 跃。近年来全 球主要国 家量子 计算企业数量 和投融 资经历 了一 轮爆发式 增长，科技巨 头和 初创企业 成为促 进量子 计算 产业化发 展的重 要推动力量，欧美成 为量子 计算 企业聚集 度和活 跃度最 高地 区。目前 行业 处 于早期 探索 阶段，核 心参与 者不多，产业 链上下 游较为 清晰，量子计 算的主 要参与 者可 分为四大 类：第 一类是 国际 科技巨头，例如 IBM、谷歌、霍 尼韦尔、本源 量子 等；第二 类是量 子计算 初创 公司，例 如 Rigetti、IONQ 等；第三 类是国 家科研院所，例如美 国费米 国家 实验室（Fermilab）、美国 阿贡国家 实验室（Argonne National Laboratory）、中科 院量子 信息与量 子科技 创新研 究院；第四类 是高水 平研究 型大 学，例如 剑桥大 学、中国科学 技术大 学、哈 佛大 学等。我 国华为、百度、腾 讯等企业 近年来 相继成 立量 子实验室，在软 硬件研发、算法研究、应用探索、量子计算云平台等方面积极布局。产业生态各环节的用参户与者逐步增多，产业培育 正在稳 步推进。8/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 产业上游是量子计算产业发展的基础，主要包括稀释制冷剂、测控系统、低温组件、真空系统、激光器、光 学 探 测器 等 硬件 以 及软 件开 发 工 具包 等。这些元素是研制量子 计算原 型机的 必要 保障，为 量子计 算提供硬件和 技术支 持。然 而，由 于技术 路线尚 未统一，以 及硬件研 制的个 性化需 求多 样，上游 供应链 呈现出一定程 度的碎 片化，攻关 难度较大，这在 一定程 度上 限制了上 游企业 的发展。在 国际对比 中，欧 美企业在上游 领域占 据较大 市场 份额，而 中国在 一些关 键设 备和元器 件上自 主替代 发展 空间较大，尤其 是在量子芯片 和超低 温设备 等方 面，需要 进一步 加强创 新和 突破。产 业 中 游涉 及 量子 计 算原 型机 和 软 件的 研 发与 生 产，是整 个 产 业生 态 的核 心。目前，超导、离子阱、光量子、硅 半导体 和中性 原子 等 硬件 技 术路线 在全球 范围 内都有所 发展，尤其是超导技术路线 受到了 广泛关注。美国在原型机研 制和 软件研发 方面具 有一定 的优 势，中 国 的 量 子 计算 硬 件发展 主 要 集中 在 超导 和光 量 子 技术 上。此外，中国的量子计 算软件 企业数 量规 模成长空 间广阔，产业 发展 政策不断 完善，创新成果孵化 有利条 件增多。受 限 于 量子 计 算硬 件 技术 的复 杂 性，产 业 下游 以 云平 台的 商 业 模式 为 主。由于量子 计算机硬 件的高 度技术专业性 和复杂 性，难 以普 及成为个 人计算 机，所 以 产 业 下 游 主要 以 量子 计 算云 平台 的 商 业模 式 为主。全球范围 内，已 有多家 公司 和研究机 构推出 了各类 型的 量子计算 云平台，积极 争夺 市场份额。量子 计算的应用探 索在金 融、化 工、人工智能、医药、汽车 和能 源等多个 领域 展开。国 外 在 量子计算 云平台 的后端硬件性 能、软 硬件协 同程 度和商业 服务模 式方面 具有 优势。相 比之下，中国 下游 行业应用 探索的 深度有望进一 步提升，以实 现量 子计算在 各行各 业的广 泛应 用和价值 释放。量 子 计 算应 用 探索 成 业界 热点，行 业领 域 趋向 多 元化。近年，基 于 NISQ 和 专用量 子计算机 的应用 案例探索在国 内外广 泛开展，代 表性应用 领域和 典型场 景涵 盖了化学、金融、人工 智能、交运航 空、气 象等众多行业 领域，产业规 模估 值达到千 亿美元 级别。量子 计算公司 普遍期 待未来 数年，在 NISQ 系 统中完成具有社 会经济 价值的 计算 问题加速 求解，实现应 用端 突破。1 量 子 计 算机 需 要专 门 设计 的物 理 结 构来 实 现量 子 计算。量子计算 通过量 子叠加 存储 要运算的 信息，然后通过量子干涉将正确的答案放大，错误的答案干涉相消。而量子计算机要做的就是设计出这些物理结构，实现量子 计算。目 前 量 子计 算 机的 硬 件结 构可 划 分 为四 个 层次。1）量子数据层 用于 储存和 处理 量子信息，量子 比特就位于这里；2）控制 和测量 层 根据 需要对 量子比 特进 行操作和 测量；3）控 制处 理器层 确定操 作和算法序列，相当于 指挥中 心，策划和调 度操作 顺序；4）主处理器 层 用 于处理 网络 访问、大 存储阵 列和用户界面，它通 过高速 宽带 与控制处 理器连 接。另 外，某些量子 计算原 型机由 于需 要在特定 低温环 境下运行，硬 件结构 中还包 括了 低温组件 系统。9/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 量 子 比 特数 量 上人 造 粒子 占优，质 量上 天 然粒 子 占优。量 子 计 算机 在 硬件 上 通过 不同 的 技 术路 线 对量 子比 特 进 行存 储 与操 控。主 要可 分 为 两大 类：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。超 导 技 术路 线：基于超导约瑟夫森结 构造扩 展二能 级系 统，具有 可扩展、易操 控和 集成电路 工艺兼 容等优势，科 研进展 成果丰 富。2023 年，QuantWare 推出 64 位超 导量子 比特处 理器 Tenor。2023 年 12 月IBM 发布 Condor（神 鹰）处理器，拥有 1121 个超导 量子位。中科大 扩展超 导量 子处理器 祖冲 之二号 可操纵量 子比特 至 176 位。超导量 子计算 处理器 比特 规模和保 真度等 指标逐 年稳 步提升，在纠缠 态制备、拓扑物态 模拟等 科研实 验方 面取得诸 多进展，是量 子计 算领域业 界关注 度最高 的发 展方向。离 子 阱 路线：利用电荷与磁 场间所产 生的交 互作用 力约 束带电离 子，通 过激光 或微 波进行相 干操控，具有比特天 然全同、操控 精度 高和相干 时间长 等优点。2023 年，Quantinuum 的全 连 接量子比 特离子 阱原型机 ModelH2 的 单比特 和双比特 量子逻 辑门保 真度 达到 99.997%和 99.8%，量 子体积指 标达到524288，成 为业界 新纪录。离子阱 路线未 来发展 需要 突破比特 规模扩 展、高 集成 度测控和 模块化 互联等技术瓶 颈，未 来能否 在量 子计算技 术路线 竞争中 占据 优势仍有 待进一 步观察。光 量 子 路线：利用可利用光 子的偏振、相位 等自由 度进 行量子比 特编码，具有 相干 时间长、室温运 行和测控相对 简单等 优点，可分 为逻辑门 型光量 子计算 和专 用光量子 计算两 类，以 玻色 采样和相 干伊辛 等为代表的专 用光量 子计算 近年 来的研发 成果较 多。2023 年，中科 大联合 团队发 布 255 光子的 九章 三号 光量子计 算原型 机，进 一步 提升了高 斯玻色 采样速 度和 量子优越 性。硅 半 导 体路 线：利用量子点中囚禁单 电子或 空穴构 造量 子比特，通过电 脉冲实 现对 量子比特 的驱动 和耦合，具 有制 造和 测控 与集 成 电路工 艺兼 容等 优势。2023 年，新 南威 尔士大 学实 现 新型触 发器（flip-flop）硅量子比 特，Intel 发布 12 位硅基自 旋量子 芯片 Tunnel Falls。硅半导体 路线得 到 英特尔等 传统半 导体制造商支持，由于同位素材料加工和介电层噪声影响等瓶颈限制，比特数量和操控精度等指标提升缓 慢。10/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 中 性 原 子路 线：利用光镊或光晶格囚 禁原子，激光 激发 原子里德 堡态进 行逻辑 门操 作或量子 模拟演 化，相干时间 和操控 精度等 特性 与离子阱 路线相 似，在 规模 化扩展方 面更具 优势，未来 有望在量 子模拟 等方面率先突 破应用。Atom Computing 于 2023 年 10 月在 其量子计 算平台 中创建 了一 个 1225 个站点 的原子阵列（目前填 充了 1180 个量子比 特）。中性原 子路 线近年来 在比特 数目扩 展和 量子纠错 等方面 进展迅速，有 望成为 技术路 线竞 争中的后 起之秀。不 同 量 子计 算 路径 成 果对 比，当 前 量子 计 算各 技 术路 线的 性 能 指标 发 展水 平 参差 不齐，但 距离 实 现大 规模 可 容 错通 用 量子 计 算的 目标 都 还 有很 大 差距。超导路线在量子 比特数 量、逻 辑门 保真度等 指标方 面表现较为均 衡；离 子阱路 线在 逻辑门保 真度和 相干时 间方 面优势明 显，但 比特数 量和 门操作速 度方面 瓶颈也同样突 出；光 量子和 硅半 导体路线 目前在 比特数 量、逻辑门保 真度和 相干时 间等 指标方面 均未展 现出明显优势；中性 原子近 年来 在比特数 量规模、门保 真度 和相干时 间等指 标方面 提升 迅速。11/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 2 量 子 计 算软 件 是连 接 用户 与硬 件 的 关键 纽 带。量子计算 机在编译 运行和 应用开 发等 方面需要 根据量 子计算原理特 性设计 全新的 软件 系统，提 供面向 不同技 术路 线的底层 编译工 具，具 备逻 辑抽象工 程的量 子中间表示和 指令集，以及 支撑 不同计算 问题的 应用软 件。目前量子 计算软 件处于 开放 研发和生 态建设 早期阶段，业 界在量 子计算 应用 开发软件、编译 软件、EDA 软件等 方向开 展布局。量 子 计 算软 件 目前 处 于开 放式 探 索 阶段，与经 典 软件 成熟 度 相 距甚 远。现在的量子计算软件，不同 软件功能各有 侧重，但由于 硬件 技术路线 未收敛、应用 探索 尚未落地 使用等 原因，软件 技术水平 基本处 于研究工具级，与经 典软件 成 熟 度相距尚 远。量 子编程 语言 和框架、量子编 译器和 优化 器、量子 误差校 正模块等关键 功能特 性仍需 要持 续研发，构建完 善的软 硬件 技术栈和 应用生 态还有 待业 界进一步 协同推 动。12/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 量 子 计 算基 础 软件 开 发或 将主 要 由 硬件 公 司主 导，Wintel 模式难以再现。英伟达通过 CUDA Quantum 展示 了硬件 公司 在量子计 算软件 领域的 深度 参与，软 件与硬 件的紧 密结 合为量子 计算性 能优化和技术 创新提 供了独 特优 势。量子 计算的 复杂性 和专 业性也导 致广泛 的软件 工具 和服务开 发受限，独立软件公 司难以 与具备 硬件 优势的量 子计算 机公司 竞争。因此，未来量 子计算 领域 不太可 能 出现类 似Wintel 的软件-硬件联 盟模 式，而是 由硬件 制造商 引领 软件开发，以实 现技术 优势 和市场控 制。3 量 子 算 法可 加 速某 些 计算 问题 的 解 决，并 降低 基 础设 施的 成 本。量子算法是运行在 量子计算 现实模 型上的一套逻 辑程序。量子 算法 设计的核 心在于 利用干 涉现 象，通过 线性酉 算子操 控量 子态演化，使目 标态概率最大。根据 量子算 法运 行的物理 环境，量子算 法可 以分类为 以下 3 类：1）纯 量 子 算 法：运行在量子计算机 或其模 拟环境 中的 算法；2）量子-经 典 混 合 算法：核心部分由量 子计算 机 计算，其 他部分 由经典计算机 运行的 算法，又称 变分量子 算法；3）量子衍生算法：一种借用量子力学 思想来增 强的经 典算法，无需 在量子 计算机 上运 行。Shor 算法、Grover 算法和 HHL 算 法 不 断 加速 解 决计 算 问 题，未 来或 有 望进 一步 助 力 机器 学 习、人工 智 能 等技 术 突破。在量子算法研究 上，Shor 算法（质因数分 解算法）、Grove 算法和 HHL 算法为 三大里程碑 式算法。1）1992 年提出的 Deutsch-Jozsa 量 子算法是 量子并 行计算 理论 的基石，其演示 了量子计算的 优越性，Shor 算 法即是以 此为基 础。2）1994 年贝尔 实验室 的 Shor 提 出利用量 子计算 机自身的并行运 算能力，在可 企及 的时间内 将一个 大的整 数分 解为若干 质数乘 积，用 以破 解 RSA 加密。3）1996 年贝尔实 验室的 Grover 提出量子 搜索算 法，用 以 从大量未 分类的 个体中，快 速寻找出 某特定 个体；例如，对 于 100 万 条的路 线 搜索，量 子计算 机仅需 1000 次即 可完成。4）2008 年，麻省理 工学院 的三位学者联 合开发 了一种 求解 线性系统 的量子 算法，例如 在一个 N N 的矩 阵中，若 采用高斯 消元法 可在O(N3)时间内 求解，HHL 算 法则可以 在 O(log 2N)时间内 求解，从 而达到 加速的 目的。由于线 性系统 是很多科学家 和工程 领域的 核心，因此，HHL 算 法或将 是 未 来能够 在机器 学习、人工 智能科技 得以突 破的关键性技 术。4 量 子 计 算云 平 台 将量子计算机硬件、模拟器、软件 编译 和开发工 具，与 经典云 计算 软硬件和 通信网 络设备相结合，提供 了方便 使用 的量子计 算资源，使得 用户 可在其上 运行量 子算法 和量 子模拟，有助于 深入探究量子 现象与 性质，更高 效地开展 量子计 算实验，探 索量子计 算的应 用和潜 力，为未来更 广泛地 应用量子计算 奠定基 础。13/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 量 子 计 算云 平 台的 功 能架 构可 划 分 为基 础 设施 层、平 台层、服 务层 和 配套 的 运维 管理 与 安 全服 务 功能 等主 要 组 成部 分。基础设施层中的外围 设施层 为量子 计算 硬件提供 环境保 障；物 理资 源层主要 包括量 子计算机、量 子模拟 器和经 典云 计算资源；虚拟 资源层 则主 要由量子 计算虚 拟机、云计 算虚拟机、虚拟 网络等功能模 块组成；资源 管理 层负责物 理机、虚拟机、存 储和网络 等资源 管理和 任务 调度。平 台层主 要完成程序开 发和编 译功能。服 务层提供 用户和 开发者 的访 问接口，并提供 对服务 目录 和实例的 管理功 能，应用开发 层主要 通过应 用开 发软件提 供量子 计算应 用服 务。运营 管理主 要实现 用户 服务和运 行维护 两个层面的管 理功能。安全 服务 主要实现 接入安 全、软 件安 全、虚拟 化安全、硬件 安全 和数据安 全等功 能。目 前全 球 约有 20 多 家 量子 计 算云 平 台 的 提供 商。现 阶 段 量子 计 算 云 平台 供 应 商 主 要 分为 两 类 服 务模 式，一是含硬 件云平 台模式，在 云平台后 端接入 自研的 量子 计算机或 模拟器，例如 IBM、Google、Rigetti、本源等；二是纯 软件云 平台，联合其 他供应 商提供 量子 计算软硬 件系统 服务，例如 Amazon 等。5 基于中等 规模含 噪量子 处理 器（NISQ）和专用 量子计 算机的应 用案例 探索在 国内 外广泛开 展，涵 盖了化学、金 融、人 工智能、交 运航空、气象等 众多行 业领 域，产业 规模估 值达到 千亿 美元级别。目前 应用探索主要 集中在 量子模 拟、量子组合 优化和 量子线 性代 数三大方 向。量子模拟可以在原子尺 度模拟 微观 14/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 系统相互 作用，应用集 中在 物理模型、生物 制药、材料 研究等领 域，发 展趋势 从提 供物理现 象的定 性演示向为应 用问题 提供解 决方 案演进；量子组合优化是使 用量子算 法来解 决组合 优化 问题，这 类问题 通常是 NP 难问题，在 经典计 算中难以 获得 全局性 最优解。量子组合优化 可以提升优化方案的 效率 和准确 性，应用于涉 及复杂 多变量 组合 优化的量 化金融、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，量 子机器 学习、密码破 译等领 域是主 要应 用方向。4 量子计算机成本涵盖研发、硬件、软件和算法开发、维护和运营等成本。1）R&D：研 发 阶 段 涉 及 硬 件、软件、量 子算法 等开发；此 外，由于 需要专 门的设 备和 设施，例 如超导 量子比 特的 超低温实 验室，研发成本可能 迅速上 升。根 据Journal of Quantum Information Science 2019 年 发 布的研究 报告Quantum Computing:A Financial Overview，小 型 量子计算 机的平 均研发 成本 可达 1,000-1,500 万美元。2）硬 件（量 子芯片）：量子 比特（芯片）可以 由超 导电 路或离 子阱等 相关 技术材料 制成，根据Journal of Quantum Computing 的报告 The Cost of Quantum Computing Hardware，单个超导量子比 特的成 本为 1,000-2,000 美元；3）其 他硬 件 组件：量 子门、制冷系 统和 纠错模块 等其他 硬件组件将增 加成本，例如 超导 量子技术 所需的 稀释制 冷机 的成本或 高达 50 万美元。4）软件和 算法开 发：目前开发 量子算 法的平 均成 本为 20-50 万 美元。5）维 护和运营：量子 计算机 的维 护和运营 成本包 括冷却系统的 电力成 本、定 期硬 件升级和 软 件更 新等；目前，小型量 子计算 机的年 度运 营成本约 为 100-200万美元。在 其 他 硬件 组 件中，稀释 制冷 剂 和 微波 控 制电 路 系统 是超 导 或 硅量 子 比特 技 术计 算机 的 核 心设 备。在硬件系统中，除量 子芯片 外，mK 级稀 释制冷 机（包 括 GM 脉管 预制冷 设备）和微波 控制电路 系统（包括一体化量 子计算 测控系 统、射频微波 线缆、低温电 子器 件、射频 微波仪 器等）是超 导或半导 体量子（硅量子比特）计算 机的核 心设 备。射频 微波线 缆（如 同轴 电缆、柔 性电缆）用于 连接 处于低温 的量子 芯片和处于室 温的测 控系统；而 低温电子 器件则 包括低 温耦 合器、低 温低通 滤波器、低 温隔离器、红外 滤波器和低温 放大器 等细分 组件。其中，关于量 子比特 的控 制和测量，根据 技术路 线的 不同，量 子计算 测控系统主要 分为两 种类型：1）光学系 统（包 含光子 源、单光子探 测器、激光机 等）：主要用 于光量 子、15/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 离子阱以 及中性 原子等 路 线 量子计算 的测控；2）微波 控制电路 系统（主要包 含任 意波形发 生器、锁相放大器等）：主 要用于 超导 以及半导 体量子（硅量 子）计算的测 控（也 可用于 如离 子阱、中 性原子、金刚石 NV 色心等 路线的 控制）。预计一台 400 超 导 量 子比特 计 算 机成 本 约 1545 万 美元，销 售单 价 约 5150 万 美元。商业量子计算 机可供希望 投资量 子计算 的企 业使用，但价格 目前昂 贵。根据 QuantumZeigeist2023 年 8 月报 告Quantum Computers Available Right Now from Affordable to Expensive，单台 商 用量子计 算机的 成本从 1,000-5,000 万美元 不等，具体取 决于其 功能和 规模。通过对 400 超 导量子 比特 计算机成 本测算，量子计算机 整机成 本约 1545 万美元。结合 IONQ、Rigetti、D-wave3 家量 子上市 公 司 2022 年 毛利率 估算，400 超导 量子比 特计算 机单 价约 5,150 万美元。5 2035 年 总 市 场 规 模 有望 达到 8117 亿美元。2023 年，全球量子 产业规 模达到 47 亿美元，2023 至2028 年的年 平均增 长率（CAGR）达 到 44.8%，基本符 合行业发 展规律。2027 年，专用量 子计算 机预计将实现 性能突 破，带 动整 体市场规 模达到 105.4 亿 美 元。在 2028 年至 2035 年，市场规 模将继 续迅 16/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 速扩大，受益于 通用量 子计 算机的技 术进步 和专用 量子 计算机在 特定领 域的广 泛应 用，到 2035 年 总市场规模有 望达到 8117 亿美 元。这一 接近万 亿级别 的市 场规模标 志着量 子计算 会在 此进入全 面成熟 和商业化的关 键阶段，预示 着未 来量子计 算将在 各个领 域带 来深远而 持久的 影响。上 游 市 场在 量 子计 算 领域 的发 展 至 关重 要，主要分为量子比特环 境、量 子比特 测量 与控制系 统、量 子芯片以及其 他。技 术进步、应 用领域的 扩大、政策 支 持、投资增加 以及商 业化的 挑战 和机遇等 因素，共同推动了量 子计算 市场的 快速 发展。从 2023 年到 2035 年，上游 市场规 模呈现 出显 著的增长 趋势，市场总规模由 2023 年不 到 20 亿美元增 长到 2035 年 千亿 美元。量 子 比 特测 量 与控 制 系统 市场 规 模 增长 最 为迅 猛，从 2023 年 的几亿 美元到 2030 年的 316 亿美 元，最后增长到 2035 年的 1444 亿美元。测量和 控制系 统对 于保持量 子比特 的相干 性和 实现量子 计算任 务至关重要，而 技术的 发展推 动了 对更为精 密、高 效的测 量和 控制系统 的持续 需求增 加。量 子 芯 片市 场 规模 到 2030 年以及 2035 年均有 指数 级别 的 增 长。量子芯片作为 量 子计算的 核心组 件，对实现量 子计算 任务具 有至 关重要的 作用。随着对 量子 计算性能 要求的 提高，对更 先进、可 扩展的 量子芯片的需 求持续 上升。17/30 2024 年 5 月 11 日 行业|深度|研 究报 告 6 1 一是规模 化，当 前量子 计算 能比较可 靠操控 的量子 比特 数大约在 百个量 子比特 左右，今后将 逐渐达 到几千、几万、几十 万、几 百万 甚至更高 的水平。二是 容错 化，量子 计算需 要很多 量子 比特，但 更需要 制备出相干时 间可以 任意长、错 误率小于 纠错阈 值的所 谓容 错的逻