2024量子信息技术发展与投资策略报告

第一章：什么是量子信息技术？

1.1 量子：最小不可分割的基本单位

量子：量子（Quantum）即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为“量子”。量子是构成物质的最基本的单元，也是能量和动量等物理量的最小单位，比如光量子、电量子。波粒二象性：基本粒子，包括原子和分子在内的任何量子都既有粒子的性质又有波的性质。是微观粒子的基本属性之一。量子信息定义：量子力学和信息学科的交叉学科，是基于量子力学原理对光子、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。

量子比特：1992年被发明使用，经典计算机的基本运算单位是比特（Bit），计算机的基本单元是量子比特（Qubit），也叫作量子位或者量子元。◆量子比特是0和1的叠加态：比特只有两个可能的状态，即0和1。而量子比特是一种叠加态，它有两个本征态，即|0>和|1>，它们形式地对应于经典的0和1。但是，一个量子寄存器在任何时刻的状态|y>，不是“之一”，而是两种本征态的叠加。◆布洛赫球面：量子比特可能的状态有无穷多，因为布洛赫球面上有无穷多个点，每个点都是一个叠加态。但比特和量子比特也有相同之处：任何时刻所处的状态只是一个。

量子叠加：一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上，在量子系统重，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。薛定谔作为经典物理学派的代表，将量子物理学派信封的微观世界的“概率性”，关联放大到宏观世界中，来违反人们生活中的常识，但是薛定谔的猫的试验还是存在一定的漏洞：1、微观世界的概率性特性，不应该对应着宏观世界的具体事物，存在失效的边界。2、实验中的“毒气释放装置”需要探测到放射性物质发生衰变，才能够出发并导致猫的死亡，只有大量放射性物质衰变的时候，才能够超过探测器阈值，而大量衰变事件仍属于一个宏观事件。3、探测器来探测放射性物质是否发升衰变本身就是一种观察方式，无论是否打开盒子。

薛定谔的猫的试验：在薛定谔的思想实验中，一个封闭的盒子内装有一只猫，一瓶毒药和一个在实验过程中有50%的机会衰变的放射性原子。

有50%的几率放射性原子不会衰变，猫会活下来。根据量子理论，猫在同一时间既是活的又是死的——只有当我们打开盒子查看时，它才真正成为其中的一个状态

1.2.3 量子信息中基础概念三：量子纠缠

量子纠缠：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以综合成为整体特性，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。如果两个量子比特构成一个量子纠缠态，无论携带两个量子比特的粒子相距多远，只要一个量子比特的测量状态发生改变，另一个状态也马上发生改变。

1.3 产业联盟兴起，各国加快产业布局

全球多国相继成立量子信息领域产业联盟，成员涵盖量子企业、研究机构以及行业用户，持续推动产学研多方合作。图表：2023年全球量子信息技术专利地区和申请人分布◼从专利地域分布来看，量子计算、量子通信和量子测量技术专利前三技术来源地均为中国、美国、日本，说明三个国家在量子信息领域技术创新活跃。在政府主导下，中国量子信息技术的基础科学和系统研发力量正快速成长，并成为与美欧并驾齐驱的竞争者。

第二章：量子通信

2.1 量子通信产业正处于第一阶段

量子通信的发展阶段主要分为量子保密通信网络、量子安全互联网、量子互联网三个阶段，目前产业正处于第一阶段。◼目前量子通信主要包括：量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态、量子数字签名等多种通信技术。目前量子密钥分发有较多的应用案例、量子安全直接通信零星实践、量子隐形传态传输未知量子态，近期取得学术的研究突破，量子数字签名目前处于学术研究验证阶段。

2.2

量子密钥分发（QKD），将随机数编码到量子态，并通过量子态的传输以及经典通信的辅助，在收发双方之间实现随机数的安全协商，基于部分随机数生成密钥。◼窃听者如果要窃听量子密码，必须进行相应的测量，因此可以通过检测传输信息的误码率来判断是否存在窃听，而根据不确定性原理和量子不可克隆性，一旦测量必定会对量子系统造成影响，从而改变量子系统的状态。◼对于传统的加密通信，如果用无线电传输，无线电是开放的，对方很容易截获，有线介质，通讯路程很长，很难保证全程安全，以光纤传输为例，通过弯曲光纤，外泄部分光信号，进行窃听。

1.OKD发射机制备单光子并将光子偏振方向随机调制为0°、45°、90°、135°四种偏振态中的一种(可设定0°、45偏振方向表示发送二进制随机数0，而90°、135°偏振表示发送随机数1)，并记录调制结果；

2.OKD发射机通过量子信道将编码后的光量子比特序列发送给OKD接收机；

3.对于每个光子，OKD接收机从垂直正交基(+)、斜对角基(x)中随机选择一个基矢，对接收到的光子进行测量，并记录使用的基矢及测量结果

4.通过经典信道的协商，双方得到相同的随机数并生成密钥。

按照分发模式分类：制备测量模式技术最为成熟且已实用，其他两种模式还处在研究验证阶段，其中纠缠测量方式对设备的要求最低，技术难度最高。◼按照量子态载体及调制方式：离散变量量子密钥分发（DV-QKD）和连续变量量子密钥分发（CV-QKD）。DV-QKD指发送端编码时，对单光子或者弱光脉冲的偏振、时间、相位等进行离散调制，接收端使用单光子探测器进行探测。CV-QKD指发送端编码时对弱光脉冲的两个正交分量进行连续调制，接收端用平衡探测器进行测量。◼目前的量子保密通信主要基于制备-测量的离散变量量子密钥分发协议来实现，连续变量量子密钥分发目前也在迅速发展，未来有望在量子城域网等传输距离比较短、密钥速率要求较高的场景应用。

2.3 量子互联网：量子隐形传态+量子计算机终端

子隐形传态：需要借助经典通信才能实现，因此限制了量子隐形传态不能超越光速，在传输的过程中，带传输的粒子始终留在原地，被传送的仅仅是量子态。◼量子计算需要直接处理量子比特，因此量子隐形传态将成为量子计算之间的量子通信方式，未来量子隐形传态和量子计算机终端可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，即量子互联网。

（1）由ERP源（电子顺磁共振）生成一对处于纠缠状态的粒子2和粒子3.其中粒子2传递给发送方，粒子3传递给接收方。

(2)发送方将待传输的粒子1和粒子2进行联合测量(称为贝尔态测量或联合Bell基测量)，由于量子纠缠特性，此时粒子1的量子态会作用于接收方的粒子3。

(3)发送方通过经典信道将粒子1和粒子2的联合测量结果传输给接收方，接收方根据收到的结果对粒子3做相应的酉变换操作，使得粒子3的量子态与之前的粒子1完全相同，从而完成量子态的“转移”。

2.4 量子安全直接通信可直接完成秘密信息的安全传输

量子安全直接通信：不同于量子密钥分发实现的保密通信，量子安全直接通信可在量子信道中直接传递秘密信息。在通信过程中双方不需要事先生成密钥，而是通过直接建立量子信道的方式进行通信，从而将一般意义上的量子通信过程简化为一步量子通信过程，即直接完成秘密信息的安全传输。◼量子数字签名、量子秘密共享等技术，受制于通信设备的发展，其实际水平和QKD相比还有很大的差距。

我国目前已经建成基于光纤的量子骨干网和城域网，并发射量子通信卫星，初步形成天地一体的广域网量子密钥分发网络。目前美国、欧盟等国家也在推动量子通信建设，总体落后于中国同城数据中心：QKD设备与量子加密路由器采用常规的冗余子网设计，量子加密路由器挂在交换机上，提供高性能互联加密通信能力，在交换机的部署策略上由将需要加密的业务数据导入量子加密路由器。◼异地数据中心：机房之间相距很远，可以租用量子通信运营商的服务来接入当地量子城域网，并且通过量子骨干网实现QKD互联。量子加密路由器通常挂在PE路由器（运营商边缘路由器）或者与PE结合，各个站点与本地通信运营商的集控站接入。

在地面，我国量子通信的光纤城域网已经趋于成熟，创造了量子密钥分发安全距离达到404公里的世界记录。为了将量子通信在更远的距离上应用，有三种方式可以选择，一种是利用量子中继，一种是利用可信中继，另一种就是利用自由空间信道，即量子卫星。◼2016年8月世界上首颗量子试验卫星“墨子号”顺利升空，目前模组号的地星量子稳型传态试验可以将通信距离从500km延长到1400km，传输效率等同于地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。由于量子的不可复制性，不能像经典通信一样被放大，由于光纤信道的固有衰减，量子通信的距离受到很大的限制。

从应用领域来看，国防军事、电网是QKD的主要应用市场。◼根据前瞻产业研究院预测，到2025年，预计市场规模将达到35.04亿美元。根据CoherentMarketInsights数据，2030年全球量子通信产业规模预计达到78.5亿美元。国防军事电网金融图表：2022-2023年全球量子通信市场规模预测（亿美金）◼据智研瞻预测，2024-2030年中国量子通信行业市场规模增长率在6%-8%，2030年中国量子通信行业市场规模228.55亿元。

第三章：量子计算

3.1 量子计算提供指数级加速，拥有五大技术路径

量子计算：以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉登原理实现并行计算，能够在某些集散复杂问题上提供指数级加速。◼量子计算主要分类两大类：以超导和硅半导为代表的人造粒子路线，第二是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。人造粒子路线可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面有一定的优势，但是在提升逻辑门精度等指标方面受到基础材料和加工工艺等限制。天然粒子具有长相干时间和高逻辑门精度等优势。

3.2 量子计算具有强大的并行计算和模拟能力

量子计算的三个阶段：

1.实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一里程碑需要约50个量子比特的相干操纵。

2.实现专用量子模拟机，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，为特定领域提供初步算力服务。达到这一里程碑需要实现千量子比特的相干操纵和高精度量子逻辑门，是当前的主要研究任务。

3.在量子纠错的辅助下实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在密码分析、新材料设计、气象预报、生物制药等方面发挥巨大作用。目前量子纠缠是量子计算发展中的一个重要问题，由于量子计算机中的量子比特非常容易受到环境中的噪声和干扰，因为他们的状态非常不稳定，很容易失去量子特性，变成经典的比特。

3.3

超导的特性：1、当超导在低于某一临界温度时（通常是零下200°C左右），材料可以无算的传输电流。从而表现出零电阻的特性。2、当一个处于超导状态的材料被放置在外界磁场中，超导材料的内部就会产生等值的反向的磁场，这个磁场与外部磁场相互抵消，从而是的超导材料内部始终保持总磁场为零的状态，这种状态叫做完全抗磁性。◼超导+量子=超导量子：超导量子计算，利用超导材料的特殊性质，构造出一种非线性电学元件—约瑟夫森结，从而构造出可以稳定编码0态和1态的超导量子比特，最终实现具有超强计算力的量子计算。经过量子力学处理后，电路系统的系统能量只能处于某些特定的状态，这种具有分立性质的能量状态叫做能级。能级等距的特殊结构并不能直接用以实现量子计算，由于整个系统的能级间距是相等的，跃迁不仅仅会在0态和1态之间发生，还会在具有更高能量的能级之间发生。比如，在1态和2态，2态和3态之间发生跃迁。众多的能级之间进行无规律的跃迁无法构造出只编码0态和1态的量子比特。

在两个超导体之间插入一层薄薄的绝缘体（厚度在1nm量级），从而构成“超导体-绝缘体-超导体”的“三明治”结构。电路系统的能量就不再线性变化，能级越高，能级之间的间隔就会越小，这种特殊的三明治结构被称为约瑟夫森结。

在超导量子计算机的发展路线中，规模（量子比特数目）、速度和容错率是最重要的几个指标。◼超导量子比特的数量和质量都有了极大的提升：相干时间由最初的ns级提升到ms级，可实现104~105的门操作；单双门保真度也分别达到了99.9%和99%的最低阈值；比特数量达到100量级，进入了含噪声中等规模量子时代（NISQ）。近些年，谷歌、IBM、中国科学技术大学团队先后公布了其最先进的量子计算机，在特定问题求解上宣布了“量子优越性”。尤其是IBM团队，其公布的超导量子路线图显示，计划在2023年量子比特数量突破1000位，到2026年达到104~105位。◼在国内，中国科学技术大学潘建伟研究组2021年也实现了含62个量子比特的可编程超导量子计算原型机，本源量子公司2021年交付了国内首个工程化超导量子计算机“悟源”，阿里和百度等公司也在开展超导量子计算的研究。

IBM2021年推出127个量子比特的处理器。2023年12，发布全球首个模块化量子计算系统IBM Quantum System 2，以及下一代量子处理器芯片，其中Condor（秃鹰）拥有1121个超导量子位，是业内首款1000量子位量子芯片；但是量子处理器之间使用量子接口连接，还需要电缆来连接不同的制冷剂，这些接口和电缆都会减缓处理器的速度。

谷歌2019年，宣布其量子计算机在解决一个特定的问题上实现了量子霸权，谷歌的量子计算机用200秒就可以解决这个问题，最快的传统超级计算机需要1万年。

中国2023年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；实现51位超导量子比特簇制备。中科院物理所利用41位超导量子芯片“庄子”2024年4月，量子创新院发布首颗500比特超导量子计算芯片“骁鸿”，将接入中国电信“天衍”量子计算云平台。

3.4

离子阱路线：主要利用电荷与磁场间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，具有比特天然全通，操控精度高和相干时间长等优点。◼离子阱由一对环形电极（ringelectrod）和两个呈双曲面形的端盖电极（endcapelectrode）组成。在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上下两个端盖电极接地。逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖极上的小孔排出。◼离子阱相对于超导来讲，量子比特提供的门速度要慢很多（通常慢100-1000倍），但是可以通过更长的量子比特寿命和更高的保证度来弥补缺陷。

两种常见的类型：Penning陷阱，由Dehmelt提出，通过电场和磁场的组合形成电势；Paul陷阱，由WolfgangPaul提出，主要是通过静态和震荡电场的组合形成电势。QCCD方案：将离子阱系统划分为多个子系统（或功能区域），每个子系统中囚禁少量的离子，通过在不同子系统间迁移离子来实现信息互联。◼光量子方案：利用光子-离子纠缠，可以实现不同离子阱系统之间的信息传递，由此可将多个离子阱系统互联，以实现更大规模的量子计算机，类似于经典计算中的分布式计算技术。光子特有的稳健性（Robustness）使得各个子系统之间的距离不受限制。技术瓶颈主要包括不同系统离子之间的逻辑门保真度不够高、纠缠速率不够快等◼高维离子晶格方案：在单一势阱中囚禁大规模离子晶体，包括一维长链、二维晶格和三维晶格。一维长链中的离子数通常在百量级，但若能制备二维或三维晶格，则离子数将快速扩展到上千甚至上万。◼QCCD使用迁移离子来传递信息，而光量子计算网络方案则使用光子来传递信息。它们共同的出发点是在小系统中可以实现少量离子的稳定囚禁和高保真操控，子系统中离子数规模通常认为需要控制在百个以内。而具备实用价值的大规模量子计算往往需要十万甚至百万的量子比特，◼高维离子晶格方案+光量子计算网络方案或将最适合大规模扩展：利用现有成熟低温阱技术，在单一离子阱中实现二维或三维离子晶体的稳定囚禁和操控，使得量子比特数量快速提升至成千上万甚至十万量级，再通过光量子计算网络方案的分布式架构，将多个离子阱系统互联互通；通过离子-光子纠缠以及光子传输实现不同节点之间的连接，以及分布式的量子计算网络。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）