>> 金元證券-電子行業(yè)量子深潛-計算篇：從比特到Qubit的范式轉(zhuǎn)移-251022
| 上傳日期： |
2025/10/22 |
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| 6682KB |
| 格式： |
pdf 共55頁 |
來源： |
金元證券 |
| 評級： |
推薦 |
作者： |
唐仁杰 |
| 行業(yè)名稱： |
電子 |
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量子計算的四大核心要素包括：疊加態(tài)、波粒二象性與干涉、糾纏（Entanglement）、概率性系統(tǒng)與測量坍縮。量子比特憑借疊加與糾纏特性，實現(xiàn)了相對經(jīng)典比特的指數(shù)級算力飛躍。經(jīng)典比特處理確定性的0和1，而量子比特利用疊加和糾纏實現(xiàn)指數(shù)級并行計算。但是當(dāng)前量子比特需要的工作溫度需處于極低溫度，以保證相干時間。此外，錯誤率較高，且計算結(jié)果是概率性的，測量會導(dǎo)致坍縮，需要冗余計算及編碼（糾錯）。
物理量子比特是量子計算的物理基礎(chǔ)，即承載量子信息的實際硬件設(shè)備，而邏輯量子比特是經(jīng)過編碼和保護(hù)處理后的邏輯量子比特，其主要是為了解決物理量子比特的錯誤問題。物理量子比特是信息的原始載體，但極其脆弱（受外部環(huán)境干擾），其核心是物理量子處理器，由格點陣列、物理量子比特以及諧振器等構(gòu)成。而為了實現(xiàn)可靠計算，一般量子計算需要加入糾錯層對多個不可靠的物理量子比特的集體狀態(tài)進(jìn)行編碼，創(chuàng)造一個更穩(wěn)定的邏輯量子比特，從而完成計算。
實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵是量子比特的操作與延長相干時間（coherence time，T2）:量子比特在運(yùn)行過程中會受到環(huán)境與操作本身帶來的各種噪聲與擾動（電磁、機(jī)械、鄰近器件等），這些效應(yīng)統(tǒng)稱為“退相干”。
量子計算性能的核心四要素：保真度、測量時間、門操作時間以及可擴(kuò)展性。保真度即實際量子態(tài)/量子門與理想目標(biāo)的相似度，公式表達(dá)為錯誤率≈1保真度。低保真度（高錯誤率）需要更大的“資源開銷”，即更大數(shù)量的物理量子比特進(jìn)行量子糾錯；低測量時間大幅改善運(yùn)行時間。研究表明，即使將誤差率從10-3優(yōu)化至10-9僅能帶來一個數(shù)量級的加速，而將測量時間從100 ns縮短至10 ns則能直接線性降低總運(yùn)行時間;門操作時間直接影響性能，同時保證滿足相干時間需求；可擴(kuò)展性指技術(shù)路線能夠支持的物理量子比特數(shù)。
量子優(yōu)勢是必然的嗎？量子優(yōu)勢并非必然，關(guān)鍵掣肘在于測量的保真度（極低的物理誤差，含讀出錯誤）與測量時間。只有當(dāng)保真度顯著提升、并將測量時間縮短，量子曲線才在中等規(guī)模處超越經(jīng)典計算機(jī)。量子霸權(quán)強(qiáng)調(diào)經(jīng)典計算在任何合理資源下都難以在可行時間內(nèi)完成的任務(wù)但能夠通過量子計算完成，而由于量子計算機(jī)測量時間、保真度以及可擴(kuò)展性的約束，我們認(rèn)為未來或更傾向于經(jīng)典計算機(jī)+量子計算機(jī)的模式，發(fā)揮量子優(yōu)勢，量子與經(jīng)典計算機(jī)并非互斥
當(dāng)前量子計算機(jī)包括量子退火機(jī)、量子模擬機(jī)、量子仿真機(jī)等專用量子計算機(jī)過渡至通用NISQ，未來將發(fā)展至通用計算領(lǐng)域，技術(shù)路線上則包括超導(dǎo)、離子阱、光量子、中性/冷原子等。超導(dǎo)技術(shù)路線最為成熟，且具有：量子邏輯門操作時間短、有機(jī)會憑借半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)有的知識和制造基礎(chǔ)來幫助擴(kuò)展量子比特數(shù)量等優(yōu)勢，但系統(tǒng)需要稀釋制冷機(jī)來維持極低的溫度，并且量子態(tài)容易坍縮。代表企業(yè)包括IBM、Google、中電信量子集團(tuán)、北京量子信息科學(xué)研究院、本源量子、國盾量子、量旋科技等，其他技術(shù)路線中，量子阱、中性原子、光量子空間仍大。
光子學(xué)（Photonics）對量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，因為激光和其他光子器件被廣泛應(yīng)用于離子阱、光量子及中性原子等技術(shù)領(lǐng)域。具體而言，離子阱、冷原子和金剛石氮空位色心量子比特實現(xiàn)方案必需依賴激光系統(tǒng)盡管激光供應(yīng)商數(shù)量眾多，但商業(yè)現(xiàn)成的激光器無法直接應(yīng)用于量子技術(shù)領(lǐng)域。低溫技術(shù)是幾乎所有量子比特技術(shù)的關(guān)鍵支撐，因為需要依靠它將量子比特穩(wěn)定在接近絕對零度的環(huán)境下，但并非所有量子比特技術(shù)都需要稀釋制冷機(jī)。例如，中性原子僅需在光鑷中進(jìn)行冷卻，而不需要稀釋制冷機(jī)。因此，其能耗要低得多（超導(dǎo)技術(shù)需40千瓦，而中性原子僅需3千瓦）
我國量子技術(shù)領(lǐng)先，技術(shù)路線上仍以超導(dǎo)為主。根據(jù)中國信通院統(tǒng)計，全球量子計算科研論文數(shù)量從2015年的1000余篇增長至2024年的5000余篇。其中，2019年進(jìn)入“加速期”，2020-2021年年增長量約500篇，2024年同比增長42%。從發(fā)文量區(qū)域劃分來看，美國和中國占據(jù)前兩位，遠(yuǎn)超其他國家。投融資角度，我國量子計算領(lǐng)域融資規(guī)模由2020年的13.8億元增長至29.3億元，按融資數(shù)量來看，2024年的超導(dǎo)量子計算仍然占據(jù)主導(dǎo)位置，占比達(dá)45.8%。值得關(guān)注的是，光量子計算融資規(guī)模位居第二名，有望加速落地。
風(fēng)險提示：1、技術(shù)風(fēng)險：當(dāng)前量子計算領(lǐng)域技術(shù)路線較多，且技術(shù)成熟度偏低，導(dǎo)致落地不及預(yù)期；2、政策風(fēng)險：相關(guān)政策落地不及預(yù)期；3、需求風(fēng)險：當(dāng)前量子技術(shù)的絕對優(yōu)勢仍然不明顯，導(dǎo)致需求不及預(yù)期。
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