量子计算行业分析报告.docx

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量子计算行业分析报告

2017年量子计算行业分析报告

2017年11月

目录

一、源于量子力学，超越经典计算机4

1、超越摩尔定律，量子计算已具备相对完整的理论体系4

2、尽管量子计算机的发展仍处于起步阶段，但前途不可限量6

二、争夺“量子霸权”，各国政府与企业跃跃欲试8

1、IBM：

首推量子计算云服务，即将配备20个量子比特的处理器，成功研发50个量子比特的原型产品10

2、Google：

携手UCSB，计划夺取“量子霸权”，同时打造开源生态11

3、Intel：

与QuTech合作，超导与量子点方法协同推进，并与自身的芯片工业深度结合12

4、Microsoft：

发力拓扑量子计算，理论效果出众但尚未实现量子比特13

5、优质创业公司：

D-Wave、ionQ、RigettiComputing、QuantumCircuits、QuantumDiamondTechnologies13

（1）D-Wave：

利用量子退火技术实现特定领域的快速应用13

（2）ionQ：

坚持离子阱技术14

（3）RigettiComputing：

发布云计算平台15

（4）QuantumCircuits：

构建模块化超导量子计算机瞄准行业应用，第一代产品有望发布15

（5）QuantumDiamondTechnologies：

专注于NV色心技术15

6、中国：

量子计算正蓬勃发展，以潘建伟、郭光灿、姚期智教授等为代表的核心团队研发能力紧追海外16

三、核心科研团队以及产业链相关企业18

鉴于量子计算仍处于技术研发阶段，建议关注以科研学者为核心的量子计算研究团队，以及与量子计算关联密切且商业化进展更为迅速的量子通信相关企业。

摩尔定律的失效呼唤量子计算机的出现。

量子计算机依托量子力学的理论体系，在特定算法下的运算效率远远超过经典计算机。

量子计算机在医药、材料、人工智能等领域具备广阔的应用空间，但量子计算机不会彻底取代经典计算机，二者的应用对象不同、优势互补。

随着量子计算机通过硬件销售、云服务等方式商业化，未来其市场空间远超千亿美元，不可限量。

超导量子计算是业界当前的主攻方向，各国和科技巨头均在借此争夺“量子霸权”。

目前量子计算技术已开始进入快速突破期，未来3~5年技术将日益成熟，通用量子计算机也有望超越49个量子比特后，从而使计算能力远远超过超级计算机。

IBM、Google、Intel、Microsoft等科技巨头布局力度较大，其中IBM与Google围绕超导量子计算快速推进，量子计算生态系统已初步成型，IBMQ今年末也有望启动商业化进程；D-Wave、ionQ、RigettiComputing、QuantumCircuits、QuantumDiamondTechnologies等创业公司正通过不同方式力图实现量子计算技术的快速产业化。

我国的量子计算正在蓬勃发展，以潘建伟、郭光灿、姚期智教授等为代表的核心团队研发能力紧追海外。

我国在光量子计算领域的研究较为领先，超导量子计算正在逐步追赶海外先进水平。

另外，多个团队已启动了量子计算云平台，与量子计算相关的量子通信产业发展非常迅猛。

一、源于量子力学，超越经典计算机

1、超越摩尔定律，量子计算已具备相对完整的理论体系

摩尔定律的失效呼唤量子计算机的出现。

摩尔定律是指每隔18~24个月，集成电路上可容纳的元器件数目增加一倍，计算性能增加一倍。

它显示了经典集成电路的进化规律，但受制于热能耗Landauer极限以及量子效应，摩尔定律终将失效。

而量子计算机正是利用量子力学的原理，可以超越热极限，超越摩尔定律。

►Landauer原理：

只要有一个比特的信息被擦除，就会有部分能量以热的形式释放到环境中，散失的能量与环境的温度成比。

►量子效应：

随着尺寸进一步减小，电子将发生量子隧穿现象，比特不再稳定。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，具备显著优势。

量子，是一个能量的最小单位，也是人类目前为止认识微观世界的终极抵达点。

1982年，RichardFeynman提出一种理论：

与其屈服于量子力学的复杂性而无可作为，我们倒不如可以将其作为一种计算资源；制造遵循量子力学法则的计算机是模拟现实世界量子系统的最好方式。

量子计算机应运而生，量子计算机是利用量子力学原理进行数据和信息处理的机器，其中广泛应用的量子力学原理包括量子态叠加、量子相干性、量子纠缠、量子不可克隆定理等。

量子计算的优势在于：

（1）量子计算可以解决经典计算的单一维度问题，进行无限多的并行计算，量子比特可以同时对0和1进行操作，从而具有指数的加速效应；

（2）解决传统芯片堆砌的天花板，大大降低硬件体积和能耗；（3）实现大体量计算；（4）实现AI设备的集成化和迷你化。

►量子计算研究的层级：

物理层→量子控制层→量子电路层→算法层。

（1）最底层是物理层，研究如何设计量子计算的芯片电路、量子比特所承载的材料等；

（2）量子控制层，涉及对量子计算芯片的最优化控制与读出等；（3）量子电路层，这一层包含量子计算理论模型分析经常要使用的量子逻辑门序列等；（4）量子算法层；（5）再往上，便涉及到量子纠错的逻辑量子比特、量子容错计算、量子程序等等。

IBM的量子云服务，开放的是量子计算中的量子电路层和量子算法层。

►构建量子计算机的必要条件——DiVincenzo’scriteria：

（1）可扩展的量子比特；

（2）制备出相应的态；（3）足够长的相干性时间；（4）通用的量子逻辑门；（5）对量子比特进行测量。

►量子计算机计算能力的上限：

即布莱梅曼极限（Bremermann'slimit）——在量子物理

数，c为光速）。

量子计算机的计算能力本质上与图灵机等价，但在计算复杂度上可以优于图灵机。

2、尽管量子计算机的发展仍处于起步阶段，但前途不可限量

量子计算机在解决部分问题时效率远远高于经典计算机。

量子计算机需要特定的量子算法才能发挥出量子计算的强大威力，成功有效的量子算法，保障量子计算的并行性优势得以充分发挥，并大大提高量子计算所需结果的出现概率，具体的量子算法包括：

Shor’sfactoringalgorithm（无序数据库搜索；相位估计，指数加速），Grover’ssearchalgorithm（大数分解；量子振幅放大，非指数加速），Deutsch-Jozsaalgorithm（“相对黑盒”的指数加速），Quantumsimulation（用较少的计算资源模拟同样遵循量子力学的微观粒子体系状态），Quantumrandomwalksearchalgorithm等。

根据图2~图4的结果，在量子算法环境中量子计算机的运算能力远远强于经典计算机。

为实现可真正实用的通用量子计算机，仍需要进一步完善量子纠错等问题。

量子计算的最终目标是建立有容错性的通用系统，能自动修正错误，并有着无限长时间的相干性。

（1）但现阶段，由于外界因素的影响，量子叠加态无法长时间存在，量子态叠加会退化为单一态。

因此，需要通过错误检测与修正机制来提高逻辑成功率和相干性时间，比如IBM提出的“代码表面化”技术。

（2）另外，目前量子计算机对材料、环境、制造工艺等的要求也极为苛刻，比如超导量子比特便需要在20毫开尔文的温度下才能工作，这一温度比太空冷250倍。

（3）除此之外，增加连接数、使控制单元尽量靠近量子比特等也是构建有实用价值的量子计算机的关键。

量子计算机在医药、材料、人工智能等领域具备广阔的应用空间，但量子计算机不会彻底取代经典计算机，二者的应用对象不同、优势互补。

随着量子计算机通过硬件销售、云服务等方式商业化，未来市场空间远超千亿美元，不可限量。

具体来看，量子计算机短期内有望应用于：

（1）药物发现；

（2）材料科学，比如太阳能电池；（3）天气预报；（4）密码分析，比如破解RSA加密；（5）石油勘探；（6）金融建模；（7）高效全局的最优搜索，比如解决交通拥堵问题；（8）人工智能，比如自动驾驶软件。

具体案例如下：

►大众与D-Wave合作实现交通路线规划：

双方利用来自北京的1万辆出租车的GPS数据，通过量子计算机做出了一种算法来计算前往机场最快捷且交通最顺畅的路线，相比于经典计算机45分钟的计算时间，量子计算机只需要瞬间便可完成。

►大众与Google合作利用量子计算改善电动汽车电池：

双方将模拟和优化电动汽车和其他材料高性能电池的结构。

二、争夺“量子霸权”，各国政府与企业跃跃欲试

超导量子计算是业界当前的主攻方向，各国和科技巨头均在借此争夺“量子霸权”。

目前，量子计算机的主流构建方法包括超导、离子阱、量子点、量子光学等，其中拓扑量子计算是较为前瞻性的方案。

从2013~2015年政府投入来看，欧盟、美国、中国对量子计算的发展均非常重视，中国政府共投入了19亿元人民币进行相关科研，另外中国计划在2020年建造完成一个庞大的量子计算应用研究中心；企业层面，IBM、Google、Intel、Microsoft等科技巨头以及QuTech、中科院等科研机构争相布局，D-Wave、ionQ、RigettiComputing、QuantumCircuits、QuantumDiamondTechnologies等创业公司也通过自身的技术积累和商业化布局逐步获得投资方认可。

►美国加州理工学院的JohnPreskill曾指出，当量子计算机超越49个量子比特后，其能力可以远远超过超级计算机，实现“量子霸权”。

而MIT的SethLloyd教授认为，想要开发出有用的应用，系统至少应该有超过100个量子比特。

►武汉大学物理科学与技术学院袁声军教授等人组成的研究团队，利用目前全球最强大的超级计算机神威-太湖之光的全部计算资源，实现了45个量子比特的量子计算机的模拟5；而日本的K超级计算机上也曾实现过同样的模拟。

►根据MITTechnologyReview的预测，量子计算技术的成熟期为4~5年。

近年来，量子计算机加速发展。

（1）2012年10月，实现4个量子比特；2014年4月，实现5个量子比特；2015年3月，实现9个量子比特。

而这三者均由UCSB/Google研发。

（2）2016年11月和2017年3月，中科大、浙江大学、中科院物理所联合推出10个量子比特的芯片，实现线性方程求解。

（3）2017年5月，IBM发布16/17个量子比特；2017年10月，Intel发布17个超导量子比特的芯片；2017年末，IBM将上线20个量子比特的处理器。

1、IBM：

首推量子计算云服务，即将配备20个量子比特的处理器，成功研发50个量子比特的原型产品

IBMQ引领量子计算商业化走向，着力打造量子计算生态系统。

（1）2017年5月，IBM发布IBMQ，成为工业界第一个搭建可商用的通用型量子计算机的团队；IBM已经通过IBMQ体验网站上线了5个量子比特和16个量子比特的系统，以供公众访问。

（2）商业化层面，IBM最初版本的量子计算机是免费提供的，目的是培育用户社区，目前已计划开始商业变现，今年底首款上线的配备20个量子比特处理器的IBMQ系统将开启商业化之路。

（3）IBM开发出了全球最高级的量子计算生态系统，包括量子计算开源软件QISKit、近期系统所需的应用，以及量子社区所需的培训与支持材料等。

►IBMQ的运营数据：

超过60,000名用户进行了超过170万次量子实验，并发表了超过35篇第三方研究出版物；注册用户来自全球各地的1,500多所大学、300所高中及300家私营机构。

►QISKit：

它是帮助企业了解如何使用量子计算机编程的SDK。

它包括基于Python语言建立、操控、显示和研究量子比特的工具，表征