量子计算产业链全景解析
时间：2024-12-11 13:08
上述文章报告出品方/作者：乐晴智库精选；仅供参考，投资者应独立决策并承担投资风险。
近期，海外科技巨头谷歌发布了最新量子计算芯片Willow，在全球科技领域引起巨大轰动，有望加速新一轮量子产业的变革。Willow在扩展量子比特时可指数级降低错误率，解决了该领域30年来的关键技术难题。此外，Willow5分钟内完成当今最快超级计算机之一需要10²⁵年才能完成的计算！Willow让我们更接近用量子计算机运行实用的、与商业相关的算法，并且这些算法是无法用经典计算机解决的。当前量子科技是全球新一轮科技革命的制高点，国际上各大厂商竞争日趋激烈。量子科技也是我国新质生产力关键战略新兴产业，当前还处在生命周期早期的阶段，产业发展趋势值得长期重点跟踪。
在之前的文章中，我们梳理过量子信息科技产业链，本文重点关注量子信息科技细分领域：量子计算。当前全球AI、人形机器人、量子科技等新兴科技加速爆发，我们会持续跟踪各大前沿科技细分赛道最新动向和进展，相关资料首发在星球圈子，有兴趣可以加入。
01
量子计算行业概览
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，在某些计算困难问题上可能提供指数级加速。目前所说的量子计算，本质上来说是一种异构运算，即在经典计算机执行计算任务的同时，将需要加速的程序在量子芯片上执行。量子计算的目标定位：为计算困难问题提供高效解决方案，实现突破经典计算极限的算力飞跃。量子计算与经典计算长期并存，相辅相成。量子计算的发展阶段：5年内，在实现量子优越性证明后探索“杀手级”应用。远期：量子纠错实现逻辑比特迈向大规模通用量子计算。量子计算作为新兴计算方式，能够解决很多经典计算无法解决的问题，可以带动计算能力实现跨越式发展，有望颠覆和重塑传统技术体系对于信息处理和问题解决的模式。相较经典计算机，量子计算机具备“量子优越性”，一旦量子计算机强大到可以完成经典计算机无法执行的计算时，“量子霸权”由此实现。量子计算正处于迅速发展的阶段，当前量子计算已实现1000 量子比特突破。上世纪90年代末以来实验室仅能控制数个比特，2021年IBM突破100量子比特，2023年12月IBM推出了拥有1,121超导量子比特芯片Condor。
资料来源：Yole据ICV预测，2023年全球量子产业规模达到47亿美元，2023至2028年的年平均增长率达44.8%。在2028年至2035年，市场规模将继续迅速扩大，2035年总市场规模有望达到8117亿美元。
02
量子计算产业链
量子计算产业链上游包括环境支撑系统、测控系统、各类关键设备组件以及元器件等，是研制量子计算原型机的必要保障；中游主要涉及量子计算原型机和软件，其中原型机是产业生态的核心部分；产业生态下游主要涵盖量子计算云平台以及行业应用，仍处在早期发展阶段。
资料来源：中国信通院《量子计算发展态势研究报告（2023年）》硬件、软件和算法是构成量子计算技术体系的三大支柱。现阶段，量子计算机硬件是产业链玩家集中突破的重点。量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要可分为两大类:一是以超导和硅基半导体等为代表的人造粒子路线，二是以离子，光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。软件方面，主要包括应用开发软件、计算编译软件和芯片EDA软件等；算法主要包括量子模拟、优化组合等。此外，要想实现量子计算对产业的真正赋能，离不开量子纠错、量子调控等技术基础作支撑。而量子计算云平台可以集成三者的能力并向用户提供服务。量子计算机由于价格昂贵且制造难度较大，并未向公众广泛提供。云平台服务提供商多元化发展量子计算云平台服务提供商多元化发展，竞争与合作并存。目前全球已有数十家公司和研究机构推出了不同类型的数十个量子计算云平台。
资料来源：量子信息网产业联盟
03
量子计算竞争格局
据国际咨询机构ICV数据，中美是量子计算整机公司最多且类型分布最广的国家。美国是全球最早开展量子计算研究的国家之一，在超导、离子阱、光量子等多个领域都保持领先地位。主要包括IBM、谷歌、微软、亚马逊、高通、英伟达等代表性企业，同时也诞生出IONQ、Rigetti、D-Wave等通过SPAC收购方式上市的初创公司。2019年谷歌宣称实现“量子霸权”，首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性。2020年，IBM公司公布量子计算机发展路线图；2021年实现127量子比特，2022年433量子比特。2023年，IBM公司发布了包含1121个量子比特的Condor（秃鹰）超导量子处理器，标志着在量子计算机规模上达到了一个新的里程碑。2024年12月，谷歌发布最新量子计算芯片Willow。国内方面来看，近年来我国在量子计算领域崛起迅猛，国产量子芯片投入使用，超导量子计算机开始扩产。我国高度重视以量子计算为代表的量子信息领域发展，通过组建国家实验室和实施重大科技专项等措施推动形成全面科研布局。2020年，中国科学技术大学潘建伟等人构建出76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。2021年，由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作，成功构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，“祖冲之二号”的计算复杂度比谷歌的“悬铃木”提高了6个数量级。
2024年1月，中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”，在本源量子正式上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是发布时中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。“悟空芯”夸父KFC72-300是我国最新的自主可控超导量子芯片。2024年4月，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院向国盾量子交付了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统，这枚定制芯片在集成超过500比特。12月，国盾量子发布了国内比特数最多的超导量子计算机“天衍-504”，比特数高达504，刷新了国内同类设备的记录，并增强了“天衍”量子计算云平台的算力规模。国盾量子与中国科学技术大学等高校和科研机构建立了紧密的合作关系。整体来看，当前量子计算行业目前处于早期探索阶段，核心参与者不多，产业链上下游较为清晰。目前全球量子计算的主要参与者分为国际科技巨头、量子初创公司、国家科研院所以及高水平研究型大学。国内量子创业公司技术主要源起高校实验室，代表企业包括：国盾量子、本源量子、国仪量子等。此外，国内华为、百度、阿里巴巴、腾讯、中电信量子集团（中国电信旗下）、玻色量子等都在加速布局量子计算产业。近年来国内量子计算产业在政策的支持下快速发展。我国已有二十余个省市在地方“十四五”科技与信息技术产业发展规划中，针对量子计算基础科研、应用探索和产业培育等方面提出规划部署，采取措施主要聚焦在量子计算技术研发、应用探索和产业培育等方向。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。未来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，也是接下来量子计算行业所需要关注的问题。
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