量子计算有望成为解决人工智能计算瓶颈的颠覆性力量

摘要

量子计算有望成为解决人工智能计算瓶颈的颠覆性力量。与传统计算相比，量子计算可以带来更强的并行计算能力和更低的能耗。同时，量子计算的计算能力根据量子比特数量指数级增长，在人工智能领域具有很大的潜力。带动量子计算产业发展的海外科技巨头，IBM、微软、谷歌等公司发布了量子计算路线图。与此同时，国内量子计算行业与海外科技巨头的差距也在缩小。2024年1月16日，中国第三代独立超导量子计算机“起源悟空” “在线运行可以一次性发布和执行200个量子线路的计算任务，比国际同类量子计算机具有更大的速度优势。

量子计算软硬件基础设施不断成熟，为商业化奠定了良好的基础。目前，全球量子计算机已形成超导、离子陷阱、光量子、中性原子、半导体量子等主要技术路线，以及由量子门数量、量子体积、量子比特数量等核心指标组成的性能评价体系。量子计算云平台将量子计算机硬件或量子计算模拟器与经典云计算软件工具、通信设备和 IT 结合基础设施，为用户提供直观实例的量子计算接入访问和计算能力服务。在软件方面，随着量子算法的不断发展，在当前硬件条件下，重点是综合考虑NISQ算法的容错成本和算法性能之间的平衡。量子软件系统正处于开放研发和生态建设的早期阶段，并不断成熟。

量子计算预计将使数千个行业开放8000亿美元的蓝海市场。根据ICV数据，2023年全球量子计算市场规模约为47亿美元，预计2035年将超过8000亿美元；其中，金融、化工、生命科学预计将更有利于量子计算行业的发展：

1)金融领域:量子计算应用有望在优化预测分析、准确定价、资产配置等方面具有优势；

2)化学领域：量子计算应用探索主要通过模拟化学反应来提高效率，降低资源消耗；

3)生命科学：可用于评估药物研发的成本、时间、性能等实验价值；

4)密码学:量子加密理论上是不可破解的；

5)交通物流:量子计算应用主要集中在组合优化上，实现路线规划和物流组装，提高效率，降低成本。

投资建议:量子计算有望颠覆经典计算架构，成为解决人工智能计算瓶颈的颠覆性力量，或成为发展新质量生产力的重要起点。国盾量子、科技大学国创、中国信息、科华数据、中国长城、光迅科技等量子计算相关目标，以及电网安全、吉大正元、格尔软件、国芯科技、浙江东方、恒通光电等量子加密通信目标。

风险提示：量子计算技术发展低于预期，行业竞争加剧。

1 量子计算可能是解决人工智能计算瓶颈的颠覆性力量

1.1 量子力学颠覆了经典的计算系统，带来了前所未有的加速

量子计算是基于量子力学的独特行为(如叠加、纠缠和量子干扰)的计算模式，基本信息单位为量子比特。在物理学中，量子是所有物理特性的最小离散单元，通常是指原子或亚原子粒子(如电子、中微子和光子)的属性。量子比特是量子计算中的基本信息单位。量子计算的作用类似于传统计算中比特的作用，但经典比特是二进制的，只能存储 0 或 1 位，但量子比特可以存储所有可能状态的叠加。量子计算中使用的物理特性主要包括：

1）量子叠加：当处于叠加状态时，量子粒子是所有可能状态的组合，它们会不断波动，直到被观察和测量；以抛硬币为例，经典比特可以通过正面和负面来测量，而量子比特可以代表硬币的正面和负面以及正面和负面交替时的每个状态；

2）量子纠缠：纠缠是量子粒子相互关联测量结果的能力。当量子比特相互纠缠时，它们形成一个系统并相互影响。人们可以使用量子比特测量来得出其他量子比特的结论。通过在系统中添加和纠缠更多的量子比特，量子计算机可以计算更多的指数级信息，解决更复杂的问题；

3)量子干扰:量子干扰是量子比特的固有行为，由于叠加而影响坍缩的可能性。量子计算机旨在尽可能减少干扰，确保最准确的结果。

与传统计算相比，量子计算能带来更强的并行计算能力和更低的能耗。根据赛迪智库，量子计算可分为数据输入、初态制备、量子逻辑门操作、量子计算和数据输出，量子逻辑门操作是一个可人工控制的量子物理进化过程；经典计算机的计算模式是逐步计算，一次只能处理一个计算任务，量子计算是平行计算，2^n数量可以同时进行数学操作，相当于经典计算重复2^n操作；同时，当传统芯片的特点尺寸非常小（纳米）时，量子隧道穿透效应开始显著，减少了电子限制，降低了芯片功能和能耗，将不可逆操作转化为可逆操作，以提高芯片的集成度。量子计算中的正变换属于可逆操作，有利于提高芯片的集成度，然后在信息处理过程中降低能耗。

根据量子比特数量指数级的增长，量子计算的运算能力在人工智能领域具有很大的潜力。根据中国计算机学会的说法，计算能力与晶体管数量成正比线性关系，量子计算机中的计算能力将以量子比特的指数级规模增长， 2012年提出了“量子优势”的概念(同样的计算任务，量子计算速度比传统计算快)，谷歌团队于2019年实现了实验验证，2020年，基于高斯玻色采样模型，潘建伟院士团队成功构建了76台光子量子计算原型机“九章”，进一步验证了量子优势。量子计算机能够拥有的量子比特数从最初的2量子比特增长到数百量子比特，并以相当大的速度继续增长，这为实现更可靠、更大规模的量子计算和基于量子计算的人工智能应用的挖掘带来了更多的可能性。

1.2 巨头争先入市，开启量子计算商业化进程

带动量子计算产业发展的海外科技巨头，国内量子计算产业与海外科技巨头的差距不断缩小。根据量子信息网络产业联盟、ICV等数据，国外巨头引领量子计算产业发展：2019 2020年，谷歌声称实现“量子霸权”，首次证明了量子计算机在传统架构计算机中的优势。2020年，IBM公司发布了量子计算机开发路线图，2021年 每年实现127个量子比特，2022年实现433个量子比特，1121量子比特芯片建于2023年；与此同时，在政策的支持下，国内量子计算行业也迅速发展，缩小了与海外巨头的差距：2020年 2021年，中国科技大学潘建伟等人建立了76台高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速解决；2021年 年，中国科技大学潘建伟等人建立了“祖冲二号”66比特可编程超导量子计算原型机，实现了“量子随机线路取样”任务的快速解决，与谷歌的“悬铃木”相比，“祖冲二号”的计算复杂度提高了6个数量级；2023年 年本源量子交付 24 比特超导量子计算机；2024年1月16日，中国第三代自主超导量子计算机起源悟空 “在线运行可以一次性发布和执行200个量子线路的计算任务，比国际同类量子计算机具有更大的速度优势。

量子计算软硬件系统已初具雏形。据信通院:

量子计算行业上游主要包括环境支撑系统、测控系统、各种关键设备部件和部件，是开发量子计算原型机的必要保证，目前由于技术路线不趋同，硬件开发个性化需求，上游供应链分散，难以逐一突破，在一定程度上限制了上游企业的发展，国内外，上游企业主要是欧洲和美国，部分龙头企业占有较大的市场份额，我国部分关键设备和部件对外依赖程度较高；

量子计算工业生态中游主要涉及量子计算原型机和软件，其中原型机是工业生态的核心部分，目前超导、离子陷阱、光量子、硅半导体和中性原子技术路线发展迅速，超导线、离子陷阱、光量子和中性原子路线受到更多初创企业的关注，美国原型机开发和软件研发具有一定的优势，我国量子计算硬件企业数量有限，技术路线布局相对单一，集中在超导线和离子陷阱路线上。量子计算软件企业数量少，创新成果有限，应用探索驱动力弱；

量子计算产业下游主要涵盖量子计算云平台和行业应用，处于早期发展阶段，近年来世界上数十家公司和研究机构推出了不同类型的量子计算云平台，积极争夺工业生态地位，目前量子计算应用探索已广泛应用于金融、化工、人工智能、医药、汽车、能源等领域，国外量子计算云平台的优势体现在后端硬件性能、软硬件协调性、商业服务模式等方面。大量欧美行业龙头企业成立量子计算研究团队，与量子企业联合开展应用研究。中国下游行业用户对量子计算的重视程度有限，仍需提高应用探索的动力。

量子通信产业发展的核心是突破量子纠错平衡点，实现通用量子计算。根据信通研究所和量子信息网络产业联盟，未来通用量子计算发展的近期或中期主要目标有两个：一是提高量子硬件性能和纠错编码能力，实现量子逻辑比特控制；二是 NISQ 样机平台探索具有实际应用价值和量子加速优势的“杀手级”应用。其中，量子态的不可克隆性、相关性和错误连续性决定了量子纠错（QEC）与经典纠错有本质区别。量子比特产生的错误率高于经典比特，错误类型更广；QEC使用多个物理比特编码逻辑比特，增加信息编码空间的冗余度，识别和区分受环境噪声或退相关影响的量子态，通过纠错操作恢复原始量子态，使量子计算具有理论可行性的底层解决方案，也是支持大规模量子逻辑门操作和实现一般量子计算的必要环节。

1.3 量子计算机：多种技术路线并行

目前，全球量子计算机已形成超导、离子陷阱、光量子、中性原子、半导体量子等主要技术路线，以及由量子门数量、量子体积、量子比特数量等核心指标组成的性能评价体系。

1）超导：基于超导约瑟夫森结构扩展二级系统，具有可扩展、易于控制、集成电路工艺兼容等优点。超导量子计算处理器的特殊规模和保真度逐年稳步提高，在纠缠制备、拓扑物理模拟等科研实验方面取得了许多进展，是量子计算行业最受关注的发展方向，代表IBM制造商，IBM于2023年发布了首款1000多量子比特Condor的量子计算处理器，其量子比特为1121；

2)离子陷阱：利用电荷与磁场之间的交互力约束带电离子，通过激光或微波连贯控制，具有自然相同、控制精度高、连贯时间长、离子陷阱路线未来发展需要突破规模扩展、高集成度控制和模块化互联技术瓶颈，未来量子计算技术路线竞争仍有待进一步观察，代表制造商Quantinuum的相关产品量子体积指标达到 524288成为行业最新纪录；

3）光量子：利用光子偏振、相位等自由度进行量子比特编码，具有相关时间长、室温运行、测控相对简单等优点。可分为逻辑门光量子计算和专用光量子计算。近年来，以玻璃采样和相关伊辛为代表的专用光量子计算取得了许多研发成果，代表中国科技大学“九章三号”成功构建了255个光子；

4）中性原子：利用光镊或光晶格囚禁原子，激光激发原子里德堡状态进行逻辑门操作或量子模拟演化。相关时间和控制精度与离子陷阱路线相似，在大规模扩展方面具有更多优势。预计未来将率先突破量子模拟的应用。近年来，中性原子路线在比特数扩展和量子纠错方面取得了快速进展，预计将成为技术路线竞争的后起之秀，代表Atom的尝试 2023年，Computing公司发布了1225原子阵列中性原子量子计算原型机，成为首个突破千位量子比特的系统；

5)半导体(硅路线)：利用量子点囚禁单电子或空穴结构量子比特，通过电脉冲驱动和耦合量子比特，具有制造、测量和控制与集成电路工艺兼容的优点，代表制造商英特尔发布了12个量子芯片Tunel的主流CMOS工艺技术 Falls。它由12个量子点组成，可以配置4到12个基于自旋的量子比特。其目的是使研究实验室能够使用不同的拓扑结构构建更大的系统，特别是测试量子比特的纠错方案。虽然硅半导体路线得到了英特尔等传统半导体制造商的支持，但由于瓶颈的限制，如同位材料加工和介电层噪声的影响，比特的数量和控制精度提高缓慢。

量子计算技术不断突破，比特数和量子体积指标不断提高。据信通院介绍，超导路线在量子比特数、逻辑门保真度等指标方面表现均衡；离子陷阱路线在逻辑门保真度和相关时间方面具有明显优势，但比特数量和门操作速度的瓶颈也很突出；光量子和硅半导体路线在比特数量、逻辑门保真度和相关时间方面没有明显优势；近年来，中性原子在比特数量规模、门保真度和相关时间方面迅速提高。

中美领先全球量子计算机军备竞赛。据ICV报道，中美是中游机械公司最多、分布最广的国家，涵盖超导、离子陷阱、光子、中性原子等物理平台，其中IBM是美国的代表性企业、谷歌，微软，亚马逊，英特尔，Rigetti、IonQ、Xanadu等，中国的代表产品包括“祖冲之”系列、“悟空”系列、“九章”系列等。

IBM定义量子计算摩尔定律，预计将在2033年生产1000个量子比特超级计算机。IBM量子计算机采用超导量子路线，认为量子计算机的量子体积每年翻一番，并发布了2023年量子计算路线图。根据量子客户[青白1]，在路线图上，用多芯片链接在量子处理器之间建立通信，在四年内缓解错误 Flamingo 处理器将从 2025 年的 5,000 个门增长到 2028 年的 15,000 个门。模拟并验证了为二维最近邻量子比特阵列量身定制的独特纠错协议；到 2026 年，Kookaburra 处理器中的逻辑内存和操作证明了大规模的噪声抑制；从 2028 从2000年开始，这种噪声抑制和 Starling 与量子比特计数相结合，处理器开始稳步增加电路深度，超越经典验证可以实现的纠错精确输出；到2033年，以量子为中心的超级计算机将包括在内 1000 逻辑量子比特释放量子计算的所有能力，即真正实现大规模商用量子计算机；在这个过程中，IBM 为每一个正在研究的主要组件提供年度目标。新的纠错码、系统模块化和连接构建块将使数百万个量子比特提供相同的整体性能，并将纠错码呈现为数十万个量子比特 IBM 正在创新的新耦合器互连。

微软将未来量子计算分为三个层次：基础、弹性和规模。基于相对不受欢迎的量子拓扑技术，微软量子计算机在基础阶段通过 Azure Quantum 将主流量子计算机引入云，包括 IonQ、Pasqal、Quantinuum、QCI 和 Rigetti；在弹性阶段，从嘈杂的物理量子比特到可靠的逻辑量子比特，增加每个逻辑量子比特的物理量子比特数，使物理量子比特更稳定，或两者兼而有之；在规模阶段，设计一台大型可编程的量子超级计算机，每秒至少需要100万个可靠的量子操作数（rQOPS）。

谷歌量子计算路线图针对数百万物理量子比特的最终目标。谷歌量子计算机采用超导路线，公司于2023年在顶级学术期刊上《Nature》发表论文《Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit》宣布其成功达到第二里程碑，即100个物理量子比特。未来，公司预计将建立容错量子计算机，预计2025年将达到1000个物理比特的第三里程碑。

“祖冲之”176比特量子计算云平台向全球开放。据新华网报道，“祖冲二号”量子计算机采用超导技术路线 ，潘建伟团队采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成问题，成功开发了“祖冲二号”。根据目前公开的最佳经典算法，“祖冲二号”对“量子随机线路取样”问题的处理速度是世界上最快的超级计算机的1000多万倍。2023年5月31日， “祖冲二号” 量子计算云平台向全球开放，在66比特芯片的基础上，增加了110个耦合比特控制接口，使用户可操作的量子比特数达到176比特。除了比特规模外，“祖冲之号”云平台接入的新一代量子计算机的设计指标还针对国际先进水平，涉及量子计算机性能的连通性、保真度、相关时间等关键指标。

“本源悟空”配备了72个独立的超导量子芯片“悟空芯”，是中国最先进的可编程和交付超导量子计算机。据科学网报道，“本源悟空”采用超导技术路线，在中国第一条量子芯片生产线上制造了72个超导量子芯片“悟空芯片”，共有198个量子比特，它包括72个工作量子比和126个耦合器量子比；本源量子拥有中国第一条量子芯片生产线、中国第一个量子计算机操作系统和中国第一个量子计算控制系统；本源量子计算专利数量在中国和世界上排名第一。

“九章三号”拥有255个光子，处于国际领先地位。“九章三号”采用光量子路线。据中国科学技术大学新闻网报道，中国科学技术大学团队首次开发了理论上包含光子全同性的新理论模型，实现了更准确的理论与实验的一致性；同时，开发了完整的贝叶斯验证和相关函数验证，全面排除了所有已知的经典假冒算法，为量子计算的优势提供了进一步的数据支持。在技术上，开发了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，将多光子态系统分成不同的空间模式，通过延迟将空间转化为时间，实现了准光子数的可分辨性探测系统。这一系列创新使研究团队首次实现了255个光子的操作能力，大大提高了光量子计算的复杂性，高斯玻色取样的处理速度是“九章二号”的100万倍。

1.4 定义云计算Q-XaaaS新范式的量子云计算平台

量子计算云平台将量子计算机硬件或量子计算模拟器与经典云计算软件工具、通信设备和 IT 结合基础设施，为用户提供直观实例的量子计算接入访问和计算能力服务。根据量子信息网络产业联盟，Q-IaaS 在量子计算云平台上为用户提供量子计算机硬件及配套设施。用户可以调用云平台上的硬件（包括量子计算机、量子计算模拟器、经典服务器、存储器等），实现低成本的底层开发和科研活动。Q-PaaS 在量子计算云平台上为用户提供由量子计算相关基础设施和中间件组成的开发平台。用户可以基于量子计算软件开发平台开发量子编程框架和量子算法库，并通过云服务器连接到不同公司的量子计算硬件。支持单平台开发或跨平台兼容量子计算云平台功能模型、系统架构和能力分级研究报告。经典-量子混合计算可支持，经典计算资源和量子计算资源可自动分配。Q-SaaS 在量子计算云平台上，将包装好的应用服务方案作为服务，根据特定行业的应用场景和应用需求提供给用户。

此外，根据ICV，量子计算领域预计将带来其他增量需求：1）量子比特环境：重点是稀释制冷机，以满足大空间、高冷却能力和分布式量子计算；2）量子测量控制系统：加强学习，促进超导测量控制系统软硬件协调，加快硅氮化物和硅光集成光学测量控制系统设备的研发过程；3）其他要求：如硅锗量子材料、晶圆集成技术等。

1.5 软件：量子算法和软件系统逐渐成熟

在量子算法的不断发展中，在当前的硬件条件下，重点是综合考虑NISQ算法的容错成本和算法性能之间的平衡。根据ICV，与经典计算相比，量子计算在每个步骤中的执行时间较慢，增加了容错成本。量子计算算法设计的总体发展方向可以是：

首先，为不同的量子计算硬件平台和技术路线设计更合适的量子计算法，为了提高量子计算的效率和可靠性。例如，针对超导量子计算、光量子计算、离子陷阱量子计算、硅基量子计算等不同的物理实现方法，设计了更优化的量子逻辑门、量子纠错码、量子编译器等；

其次，为了扩大量子计算的应用范围和影响力，为不同的应用领域和问题设计了更通用、更高效的量子计算算法。例如，针对不同类型的问题，如优化问题、机器学习问题、密码学问题、模拟问题等，设计出更具量子优势的量子算法，或与经典算法相结合，形成更强大的混合算法。

第三，根据不同的量子计算资源和条件，设计出更灵活、更鲁棒的量子计算算法，以适应量子计算的实际环境和需求。例如，根据不同的资源限制，如有限的量子比特数、有限的量子连接时间和有限的量子通信带宽，或使用量子压缩、量子随机访问等技术来提高量子资源的利用率。

量子计算软件系统正处于开放研发和生态建设的早期阶段。根据信息研究所，量子计算软件是连接用户和硬件的关键环节，在编译操作和应用开发中需要根据量子计算原理的特点，提供不同技术路线的底层编译工具、逻辑抽象工程量子中间表示和指令集，以及支持不同计算问题的应用软件，具体如下：

1)应用开发软件：为开发人员提供工具集、开发组件和算法库，创建和操作量子程序。未来需要进一步提高应用场景、计算问题和算法开发的支持能力，以及与不同硬件系统软硬件的协同适应性；

2)编译软件：用于明确量子编程边界，确保程序编译的正确实施，并提供协调和约束量子操作和经典操作的完善系统的语法规则，IBM、华为、百度、本源量子、中科院等微软、谷歌等外国巨头都发布了相关产品；

3）EDA：主要用于实现量子芯片的自动化设计、参数校准和优化、包装设计等功能，未来量子计算芯片 EDA 在芯片性能验证、设计自主性、设计效率等方面，软件需要不断研究和完善。

2 量子计算有望赋能千行百业

2.1 量子计算预计将开启8000亿美元的蓝海市场

2023年全球量子计算市场规模约47亿美元，预计2035年将超过8000亿美元。根据ICV，随着量子计算技术的不断发展和人工智能技术的快速发展，量子计算的应用边界不断扩大。2023年，全球量子产业规模达到47亿美元，2023年至2028年年平均增长率（CAGR）达到44.8%；预计2027年专用量子计算机将实现性能突破，推动整体市场规模达到105.4亿美元，参考IBM 2023年量子计算路线图，2028年量子门数量、纠错等计算技术将达到较为成熟的阶段，2028年至2035年，市场规模将继续迅速扩大，受益于通用量子计算机技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，预计到2035年总市场规模将达到8117亿美元。

量子计算产业的发展有望受益于金融、化工、生命科学等领域：

1)金融领域:量子计算应用有望在优化预测分析、准确定价和资产配置等方面具有优势。案例包括2023年法国CIB、Pasqal和Multiverse联合发布量子计算金融应用解决方案的验证结果，减少金融衍生品估值计算所消耗的计算能力资源，提高评估速度和准确性；

2)化学领域:量子计算应用探索主要通过模拟化学反应来提高效率，减少资源消耗。案例包括2023年 2000年，德国尤利希中心利用量子计算提高了寻找蛋白质最低能量结构的成功率。牛津大学实现了基于网格的量子计算化学模拟，探索了从基态准备、能量估计到散射和电离动力学的能力；

3）生命科学：量子计算可用于评估药物研发的成本、时间和性能。该案例包括AWS药物解决方案，通过内置的药物研发问题示例代码，如分子对接、蛋白质折叠等RNA 量子计算完成任务的折叠和逆合成规划；

4）密码学：利用量子机密加密和传输安全数据的各种网络安全方法。但它可能比以前的加密算法安全得多，理论上甚至不可破解；

5)交通物流:量子计算应用主要集中在组合优化上，实现路线规划和物流组装，提高效率，降低成本。案例包括2023 年，Terra Quantum 英伟达、罗尔斯-罗伊斯和泰雷兹使用混合量子计算验证加强卫星任务规划过程，提高卫星运行效率 Classiq 用量子计算提高喷气发动机的工作效率；