【长城证券】云与AI时代行业龙头，前瞻布局元宇宙与量子计算前沿行业.pdf

2023-11-08

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1. 投资分析

重视密码行业改造的投资机会。量子信息技术是未来颠覆式的创新，随着量子计算机兴起，传统加密技术将迎来挑战，当下最紧迫的是应对量子计算机成熟后对现有密码体系的冲击。我们预计抗量子密码和后量子密码技术将在未来 10-15 年全面替代现有密码系统，整个产业将迎来革命性发展机遇。

2. 量子力学+信息科学=量子信息技术

量子力学与信息技术的交叉为信息科学带来革命性变化。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。量子信息技术作为量子力学与信息技术的结合，依赖的两大关键特性是量子叠加和量子纠缠，量子叠加使得量子能够同时展现多重状态，而量子纠缠则意味着，一旦两个或多个量子产生纠缠，不论相隔多远，其中一个量子状态的变动会瞬间影响到与它相纠缠的其他量子。这些量子力学规律与经典信息技术的结合是信息科学向量子信息技术变革的重要基础。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（quantum information）。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。

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。

从行业生命周期看，量子信息技术行业正处在导入期末端，未来市场空间大。随着全球对于数据安全和处理能力需求的日益增长，量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的技术创新不断突破，为行业发展提供了坚实的技术基础。但受制于量子计算机技术的成熟度，但产业发展仍未进入全面推开时期，仍处于导入期的末端。进入成长期后，整个量子信息技术商业化前景的市场空间十分巨大。量子通信目前技术成熟度最高，产业规模价值已达 10.8 亿美元。从目前已经发展的形态来看，量子通信主要是由量子物理加密产品与技术（例如 QKD、PQC、QRNG 等）带来的产业价值落地。仅考虑 QKD、PQC、 QRNG 三个重要方向，2030 年全球量子通信产业规模为 196.8 亿美元。量子通信技术的核心优势在于其传输的安全性，而目前经典的加密方式，在通用量子计算机诞生之前还是比较安全的，很难暴力破解。因此量子通信主要应用于对信息安全要求极高的领域，如军事、金融等。随着量子计算机逐渐成熟，原有的加密方式开始失效，量子通信有望在更多领域得到应用，市场空间或将进一步扩大。

量子精密测量有望在更广泛的民用市场落地，2035 年市场规模预计达到 39 亿美元。量子精密测量技术的目的在于对现有的经典仪器进行替代、升级或补充。目前，量子精密测量在军事和科研领域已有应用，而在民用方面，主要应用于环境监测和医疗器械等领域。随着技术的进一步发展和商业化进程的推进，量子精密测量在民用市场可能有进一步推进，市场空间预计将持续增长，有可能达到现有仪器市场规模的一半以上。

量子计算目前技术成熟度最低，但未来空间最为广阔，2035 年有望超 8 千亿美元。量子计算被认为是未来具有颠覆性的计算技术，其潜在应用涵盖了从金融建模到材料科学等多个领域，一旦技术成熟并得到广泛应用，将可能带来计算能力的革命性提升。目前，量子计算仍处于研发和探索阶段，随着未来可能得技术突破，增长空间显著，具有巨大的发展潜力。全球量子计算产业规模预计从 2023 年的 47 亿美元增长至 2024 年的 61 亿美元，长期来看，产业规模有望在 2028 年开始出现爆发式增长。到 2035 年，产业规模有望扩张至 8117 亿美元。

3. 量子计算：算力突破的“未来引擎”

3.1. 量子计算是基于量子力学的全新计算模式

量子计算是按照既定的算法和程序，对量子态进行操控和测量的过程。与经典计算不同，量子计算并不会真的去计算，而是用特定算法和程序对量子态进行操控，利用量子现象，通过观测量子的行为自然的得到结果。相比起现在的计算器，量子计算机更像是一个更为强大的珠算算盘。量子计算是量子信息技术的精髓，缺少量子计算，其他量子技术领域难以根本改变现行信息技术的基础。

量子计算利用量子叠加和量子干涉来实现对信息的高效处理。在量子计算中，量子叠加的性质可以使量子同时表示多种可能状态，让量子计算机能够并行处理大量数据。而通过量子干涉，精心设计的量子算法会让正确的结果干涉相长，而其他的结果干涉相消，最后只留下正确的结果。量子计算的计算模式以量子比特为基本信息单位。在量子计算中，通常使用|0>和|1>这样的量子算符来代表一个量子态。量子比特是量子计算科学家们抽象出来的一个概念，因为量子计算机在硬件上实际物理实现的方法有很多，量子比特可能代表电子的自旋方向，也可能代表光的偏振角度。量子比特在量子计算中发挥的作用与比特在传统计算中发挥的作用相似，但经典比特是二进制，一个比特只能存放 0 或 1 位，根据量子力学中的叠加原理，一个量子比特是 0 和 1 的叠加，在没有进行观测之前，无法得知这个量子比特具体会坍缩成 0 还是 1。

量子计算机的算力随量子比特数目指数增加。由于量子比特在观测前始终处于 0 和 1 的叠加态，量子比特可以同时表示极为庞大的数据量，这突破了传统计算机物理层面的限制。例如，N 个量子比特能够同时表示的数字数目是 2 的 N 次方，当 N 达到 250 时，这一数字将超过宇宙中原子的总数。

3.2. 全球量子计算产业生态初具雏形，产业参与者众多

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。

2028 年量子计算行业市场规模将迎来显著增长拐点。根据光子盒报告预测，2023 年全球量子产业规模已达到 47 亿美元，预计在 2023 至 2028 年间年平均增长率（CAGR）将达到 44.8%。这一增长趋势主要得益于技术进步，预计从 2028 年起，随着通用量子计算机技术的进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用，市场规模将迅速扩大，有望从 2027 年的 105 亿美元迅速在 2028 年扩张到 434 亿美元，迎来行业显著增长拐点。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。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。

产业上游是量子计算产业发展的基础，主要包括环境支撑系统、测控系统、关键设备组件和元器件等。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，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得到了广泛开展。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。

3.3. 量子计算机硬件存在多种技术路径并行发展

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。

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：1）人造粒子路线：以超导和硅半导体等为代表，可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面具有一定优势，但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。 2）天然粒子路线：以离子阱、光量子和中性原子为代表，具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但在比特数量扩展等方面面临挑战。这两种技术路径都通过特有的物理系统实现对量子比特的存储与操控，具体主要涉及“量子数据层”和“控制与测量层”。

超导量子计算技术依赖于超导材料在极低温度下的量子特性构建量子比特。在超导状态下，电子形成库珀对，转变为玻色子，从而允许宏观量子效应的发生。这一转变使得超导材料能够用于构建量子比特，这是量子计算的基本单元。通过在超导电路中设计特定的结构，如约瑟夫森结，可以实现非线性的能级跳跃，从而创建二能级系统，这是实现量子比特的关键。为了维持量子比特的相干性，超导量子计算机必须在极低温度下运行。这要求使用稀释制冷机将量子芯片冷却至接近绝对零度的环境，以减少外部干扰导致的退相干现象。在这个超低温环境中，量子态得以保持，从而使得量子计算成为可能。生成量子比特后，超导量子计算机需要精细的微波控制系统来操纵量子比特。通过在电路中引入微波脉冲，可以精确控制量子比特的概率和相位，实现量子门操作。这些量子门操作是量子计算中实现逻辑功能的基础，类似于经典计算中的逻辑门。通过调整微波脉冲的频率和时长，科学家能够实现对量子比特的精确操控，包括实现哈德玛门和相位旋转门等基本量子操作。通过组合这些量子门，可以形成量子电路来执行通用的计算，并通过量子傅里叶变换等方法得出正确的计算结果。

主流超导量子计算路线的技术瓶颈在于量子比特的相干时间和操作保真度不足。超导量子计算量子比特的相干时间和操作保真度不足主要是由于环境噪声的影响和系统内部的不完善控制。具体来说，实验中磁通噪声、准粒子激发以及其他各类噪声都可能导致超导量子比特退相干。这些噪声源会干扰量子比特的稳定性，限制其保持相干状态的时间，从而影响量子计算的精度和可靠性。此外，量子比特的操控精度也受到现有技术水平的限制，包括量子门操作的精确性和读取过程的准确性。为了提高相干时间和操作保真度，需要进一步优化量子比特的设计、改进制冷和屏蔽技术，以及提升量子操控和测量的技术水平。温度限制也是超导量子计算实现大规模商业化的一大技术障碍。由于超导量子计算机只能在约 0.1 开尔文（-273.05℃）的极寒温度下工作，这就要求必须有高效的制冷技术来维持其量子态的稳定性。目前，达到这样的低温需要昂贵的制冷设备，这不仅增加了量子计算机的运行成本，也限制了其在商业应用中的可行性。随着量子计算机性能的不断提升，对制冷技术的需求也在不断增长，如何在保持量子计算机高效运行的同时，降低制冷成本和复杂性，是实现其商业化的关键技术挑战之一。

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。科学家们使用光子的不同属性，如偏振状态和相位变化，来表示量子比特。通过精确控制光子的发射、传输和检测，光量子计算机能够在光子的不同自由度上编码和操作信息。例如，一个光子的偏振方向可以是水平的或垂直的，代表 0 或 1，而通过改变这些偏振状态，可以执行量子逻辑门操作。同样，通过调整光子的相位，可以进行更复杂的量子态叠加和纠缠，这是量子计算的核心优势。通过这种方式，光量子计算机能够在光速上处理大量数据，为解决诸如优化问题、密码破解和材料模拟等复杂任务提供了巨大潜力。中国光量子计算路线的原型机“九章三号”处于国际第一梯队。“九章三号”量子计算原型机由中国科学技术大学科学家组成的研究团队联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心共同研制，该原型机在处理高斯玻色取样这一特定数学问题上的速度，比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍，这一突破性的进展不仅巩固了中国在量子计算领域的领先地位，也为全球量子计算的发展树立了新的里程碑。国外方面，谷歌的量子计算研究虽然也取得了一定的进展，但其在量子优越性的展示上依赖于样本数量，而“九章三号”则通过理论上的新模型和实验上的创新，实现了更精确的理论与实验吻合度。此外，“九章三号”在技术上的创新，如基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，使得对 255 个光子的操纵能力得以实现，极大地提升了计算的复杂度。

光量子计算路线的技术瓶颈在于光量子比特编码和逻辑门操作技术复杂性。量子比特的精确编码要求对光子的量子态进行精细操控，而逻辑门操作则需实现光子间的有效相互作用，这些操作在现有技术水平下难以高效、准确地完成。此外，系统集成度的提高也是光量子计算面临的一大挑战，因为构建大规模、高效率的量子计算机需要将大量的量子比特和逻辑门集成在一个系统中，并确保它们之间的相互作用和控制达到高度同步和一致性。这些技术难题的解决对于推动光量子计算的实用化和商业化至关重要。量子计算整体实用化落地尚未突破，硬件性能提升是基础。当前的量子处理器硬件性能水平距离实现大规模可容错通用量子计算还有很大差距。在量子计算领域，整体上依然处于中等规模含噪声量子设备（NISQ）阶段。量子计算机的核心在于量子比特的精确操控和逻辑门的实现，而这些都需要高度精密的硬件技术支持。目前，硬件上对量子比特的编码、系统的扩展性、量子逻辑门的精确度以及量子态的相干性等方面仍存在技术难题，这些问题限制了量子计算机的可靠性和扩展性。

3.4. 量子计算机软件持续开放探索，提升量子计算实用性

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。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。

4. 量子通信：安全与效率的双重革新

4.1. 量子通信利用量子技术实现安全和高效的信息传输

量子通信是一种利用量子力学原理实现信息传输的通信技术。它利用量子态作为信息编码的载体，通过量子信道完成信息传输。与传统的密码系统不同的是，它的安全性依赖于量子力学属性，而不是数学的复杂度理论。量子通信的两大应用核心在于提升通信效率和确保通信安全。 1）在通信安全领域，量子密钥分发（QKD）利用量子的不可克隆性，对信息进行加密，属于解决密钥问题，实现理论上绝对安全的加密通信。后量子密码（PQC）基于量子计算原理，提高用经典计算有针对性地设计量子计算难以破解的密码保障通信安全。 2）在通信效率提升方面，量子隐形传态通过量子纠缠实现量子比特的高效传输，从而优化通信过程。这一技术又称量子远程传态或量子离物传态。量子通信产业链发展已相对成熟，产业链分工更为细分。产业链上游的核心器件与材料划分为芯片、光源、单光子探测器、量子随机数发生器以及其他。产业链中游划分为设备层、网络建设层和运营层，PQC 也作为中游技术纳入产业生态图谱。产业链下游仍以主要应用行业进行划分。

产业链上游，核心器件与材料的涵盖囊括了关键的技术组成部分。首要的是先进的量子芯片技术，作为整个产业链的基础，包括数据处理类芯片、电学芯片和光学芯片。光源则成为量子通信不可或缺的关键组件，作为载体，经过对其量子状态的调制操作后，可携带量子信息在不同通信节点间中进行信息传输和共享。在通信接收端，单光子探测器发挥着至关重要的作用，确保对量子信息的精准检测。量子随机数发生器是保障通信不可预测性的关键工具。产业链中游划分为核心设备、网络建设集成、保密网络运营以及 PQC。核心设备涉及到关键的量子通信设备，如 QKD 设备、组网设备和网络管理软件平台，这些设备确保信息的安全传输。网络建设集成用于构建高效、安全的量子通信网络，例如中国的国家骨干网、省骨干网以及城域网。保密网络运营则包括各运营商参与其中，推动量子通信技术的日常运行与维护。同时，产业链中游还加入了 PQC 领域，包括新一代的加密算法、安全协议、芯片等。这部分的发展使得产业链更为全面，更加关注未来密码学的演进。

产业链下游涵盖了广泛的应用领域，包括国防、金融、电网以及终端等。在国防领域，量子通信技术应用于高度机密的军事通信，确保敏感信息的安全传输，有效防范窃听和网络攻击。金融行业通过量子通信技术实现更安全可靠的数据传输，提高对金融交易和客户信息的保护水平。在电网领域，量子通信可应用于保障电力系统中实时数据的安全传输，预防网络攻击和数据篡改，确保电网运行的稳定性。

4.2. 后量子密码（PQC）通过改进经典加密应对量子计算威胁

量子计算的高效并行性对特定问题的解决产生颠覆式影响。量子算法是量子计算领域的核心组成部分，其重要性体现在它能够充分利用量子计算的特性，如叠加态和纠缠现象，以实现对计算任务的高度并行处理。在经典计算中，算法通常遵循确定性的路径，每一步操作都依赖于前一步的结果，这限制了计算的并行能力。然而，量子算法通过量子比特的叠加态，允许多个计算路径同时进行，极大地提高了计算效率，也使得量子计算机能够处理传统计算机难以解决的问题，如大整数分解和搜索问题。 Shor 算法展示了量子计算机在大数分解问题上的巨大潜力。Shor 算法由彼得·肖尔于 1994 年提出，它展示了量子计算机在大数分解问题上的巨大潜力。在经典计算机上，因数分解是一个计算密集型任务，随着整数大小的增加，所需的计算资源呈指数级增长。然而，Shor 算法利用量子计算的并行性，能够将这一复杂问题转化为多项式时间问题，极大地提高了分解大整数的效率。具体来说，破解 RSA-2048（2048-bit）的密钥可能需要耗费传统电脑 10 亿年的时间，而量子计算机只需要 100 秒就可以完成。

Shor 算法的出现，意味着 RSA 加密在理论上已经不再安全。经典加密体制分为对称式和非对称式两类，非对称加密体制安全性更高。而计算能力的提升意味着量子计算机有潜力破解目前广泛使用的非对称加密算法。量子计算机的 Shor 算法能高效地分解大整数，这正是许多非对称加密系统（RSA）安全性的基础。

Grover 算法展示了量子计算机在搜索问题上的巨大优势。Grover 算法由 Lov K. Grover 在 1996 年提出，在经典计算中，对无序数据库的搜索通常需要线性时间，即随着数据库大小的增加，搜索时间也相应增长。然而，通过量子计算的特性，特别是量子叠加和干涉，能够在无序数据库中快速找到目标项，将搜索的时间复杂度从经典的线性时间降低到平方根时间，相比经典算法，显著提升了效率。 Grover 算法使目前所有密码算法的有效密钥长度减半。这是因为量子计算机可以在更短的时间内通过 Grover 搜索来穷尽密钥空间，从而破解原本依赖于密钥长度安全性的加密算法。因此，Grover 算法不仅为量子搜索和优化问题提供了一种高效的解决方案，也在理论上对密码学构成了威胁。

后量子密码成为通过传统计算抵御量子计算威胁的布防关键。随着量子信息技术发展，后量子密码（PQC）作为一种新兴的密码学技术应运而生。传统的非对称密码算法（如 RSA、SM2 等）所基于的数学难题，如整数分解、离散对数等，易于被量子计算机求解，基于这些数学难题的密码算法在量子时代将不再安全。为了应对这一挑战，在经典计算机基础上设计不易被量子计算机破解 PQC 成为量子信息时代加密通信的关键。

NIST 积极探索基于格问题的 PQC 以应对量子计算威胁。格中的近似最短向量问题，简称格问题（Lattice Problems）及其等价问题——带错误的学习问题（LWE），长久以来被视为算法领域的难题，超出了传统计算能力的解决范畴。美国国家标准与技术研究院（NIST）致力于选择和标准化后量子密码设计。在 2023 年 8 月公布了 3 种预计于 2024 年投入使用的后量子密码标准草案，其中有两种 PQC 都是基于格问题。

后量子密码依然是攻防战，技术进步持续推动行业景气度提升。密码学是一场长期的攻防战，新的加密模式和新的解密模式相互影响。随着量子计算的崛起，密码学界对后量子密码（PQC）及其破解方法的研究持续推进。2024 年 4 月，清华大学陈一镭提出了一种新的量子算法，旨在破解基于格问题以及 LWE 的后量子密码。尽管结论有待验证，但是这一过程中，攻防双方的相互促进和挑战，不断推动着密码学理论和实践的更新。随着全球对信息安全的需求日益增长，特别是在政府、金融和国防等关键领域，后量子密码攻防演练的重要性愈发凸显。企业和研究机构将投入更多资源进行相关技术的研发和测试，以确保在量子计算时代到来之前构建起安全的通信防线。

4.3. 量子密钥分发（QKD）通过量子密钥保证通信安全

量子密钥分发（QKD）利用光量子技术实现信息传输安全。在 QKD 中，光子作为量子力学的基本粒子，其量子态（如偏振态）被用来编码密钥信息。通过随机选择不同的偏振基，发送方和接收方可以生成一对只有双方知道的密钥。由于量子力学的不确定性原理，任何未授权的监听行为都会对量子态造成干扰，导致其状态发生改变，从而被通信双方所察觉，保证了理论上通信的绝对安全。

以光量子为技术路径的 QKD 可以兼容经典信道的光纤设备。通过在现有的光纤基础设施上增加 QKD 设备，可以在不更换光纤的情况下，实现量子密钥的安全分发，从而在保障信息传输安全的同时，降低了升级成本。这种技术不仅能够与现有的经典信道共用光纤，而且通过量子特性，为通信提供了更高级别的安全保障。中国在量子通信领域已建成连接多个重要城市的量子通信骨干网。基于光纤架构的中国的量子骨干网络于 2022 年全线贯通并通过验收，总长超过 1 万公里，覆盖京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、东北等区域的 17 个省市约 80 个城市。与“墨子号”和量子微纳卫星对接，具备全球（包括岛屿、船舶、驻外机构等）量子密钥投送能力。 QKD 通信效率受到潜在的监听干扰和量子信道特性的限制。QKD 对监听高度敏感的特性意味着一旦检测到干扰，通信双方必须停止当前的密钥生成过程，并重新开始密钥分发，以确保密钥的安全性。这种中断和重新开始的过程降低了 QKD 的实时通信效率，特别是在长距离传输或高误码率的信道中，需要更多的重传和校验步骤来确保密钥的正确生成和分发。此外，QKD 系统的成码率受限于单光子探测器的效率和信道的损耗，这些因素共同作用使得 QKD 在实际应用中的效率相对较低。因此，目前主流的 QKD 仅仅应用于一些特别重要的行业，如金融、军事等。

4.4. 量子隐形传态在通信中高效传输量子比特

量子隐形传态利用量子纠缠的原理，用单个粒子作为载体传递信息。首先制备一对纠缠量子，信息传送的双方各持一对相互纠缠的量子中的一个，记为量子 1、2。通信过程中，其中一方使用该量子 1 与携带量子比特信息的量子 3 一起测量，3 量子比特马上消失，同时无论相隔多远，2 量子立刻携带上了 3 之前携带的量子比特。实现在量子纠缠的作用下，将一个量子态从一个地方传输到另一个地方，而不实际移动携带该状态的物理粒子。

量子计算机结合量子隐形传态可以构筑“量子互联网”。因为量子计算需要直接处理量子比特，于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输将成为未来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。这也将是未来量子信息时代最显著的标志。

5. 量子精密测量：基于量子系统超越极限精度

5.1. 量子精密测量通过结合量子技术实现更高测量精度

量子系统对外部干扰的强烈敏感性是量子精密测量技术的理论基础。量子计算机和量子通信被广泛认为是最有前途的量子应用，但技术研发进展较慢，其中主要原因之一是源自量子系统的弱点——它们对外部干扰的强烈敏感性。量子精密测量便是利用这核心弱点，实现对外部某些物理量的测量，也是近年来量子信息技术的新兴应用定义。量子精密测量利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度。量子精密测量是原子物理、物理光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。基本原理是由于外界的电磁场、温度、压力等物理量因素会改变电子、光子、声子等微观粒子的量子态，通过对这些变化后的量子态进行测量，从而实现对外界物理量的测量。

5.2. 量子精密测量产业链初步形成，规模化商业实现仍有挑战

量子精密测量技术方向多元、应用场景丰富、产业化前景明确。量子精密测量各技术方向的发展成熟度有较大差异，既有原子钟、原子重力仪等已成熟商用产品，也有量子磁力计、光量子雷达和量子陀螺等处于工程化研发和应用探索阶段的样机产品，还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于系统技术攻关的原型机。近年来，随着量子测量技术和应用的不断发展，国内外均有相关初创企业不断涌现，传统行业企业也在量子测量不同技术方向加大布局推动力度，以上游基础材料器件系统、中游系统样机产品和下游多领域行业应用组成的产业链基本形成。

量子精密测量产业链涵盖从上游的基础材料和元器件供应商到中游的各种系统产品制造商，再到下游的广泛应用领域。上游环节主要包括生产高纯度同位素材料、金刚石、惰性气体等基础材料的厂商，以及提供激光器、原子气室、光学和电子元器件的元器件供应商；此外，还有专注于磁屏蔽、真空、低温、隔振等环境保障系统的支撑系统提供商，尤其在欧美地区，这些上游厂商的集中度较高。中游则由研发和制造量子时钟、量子重力仪、量子磁力计、光量子雷达等量子测量设备的系统设备提供商构成。下游应用则覆盖基础科研、国防军工、生物医疗、能源开发、工业制造、资源勘探和环境监测等多个领域，随着技术进步和成本降低，量子测量技术有望成为新一代的技术方案，其应用前景广阔。量子测量设备在精度上展现出显著的优越性，但市场应用受限于特定领域。在时间测量方面，传统石英钟的精度大约在每天误差几毫秒的级别，而基于铯原子跃迁的量子钟，其精度可以达到每百年误差不超过 1 秒。在加速度测量方面，传统加速度计的精度大约在毫 g 的量级，而基于光干涉的量子加速度计可以达到微 g 的精度。然而，并非所有应用场景都需要如此高的精度，这限制了量子测量技术的市场空间。高精度测量设备的成本和维护要求往往更高，因此在非关键性应用中推广受限。

大多数量子测量技术仍主要处于实验室研发和原型机攻关阶段。如何走出实验室，在工程化应用场景中实现落地，样机整体能力指标如何满足实际场景中全方位应用需求，仍是需要产业界和学术界开展协同推动并突破的科技成果转化瓶颈。当前，量子测量技术的商业价值尚未完全显现，社会资本的投入力度有限，主要依靠公共研发资金支持，加大量子测量领域创新创业的支持力度也是未来推动商业化应用的必要条件。

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