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量子计算
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马天奇·头豹分析师
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行业定义
背景:当科学家和工程师遇到复杂问题时,通常使用超级计算机(拥有数千个传统的CPU和GPU内核)。但超级计算机基于二进制代码和晶体管技术,面对复杂度高的问题仍会遇到困难(例如模拟分子行为或识别金融欺诈)。由于现实世界运行在量子物理基础上,量子计算机利用量子比特进行计算,更适合解决这些复杂问题。
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行业分类
根据量子计算分类法(包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征)以及技术应用,量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。
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行业特征
量子计算行业特征包括;1.行业进入NISQ时代,多技术路线并行发展;2.以量子比特作为基本单元进行计算;3.硬件+软件+算法为核心,云平台构成生态。
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量子计算行业

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摘要
根据量子计算分类法(包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征)以及技术应用,量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。量子计算行业产业链上游为环境与测控部分,主要包括量子比特测控系统(测控系统整机、低温微波器件、线缆、激光器和探测器)、量子比特环境(GM/脉冲管制冷机、稀释制冷机、真空系统)、芯片(设备与加工制造)、其它(材料);产业链中游为硬件整机制造与软件,主要包含整机制造(超导、离子阱、光量子、中性原子、半导体和其它)和系统与应用软件开发;产业链下游为运营和应用环节,主要包含云平台以及行业应用。2019年—2023年,量子计算行业市场规模由0.24人民币元增长至50.21人民币元,期间年复合增长率281.79%。预计2024年—2028年,量子计算行业市场规模由69.58人民币元增长至256.46人民币元,期间年复合增长率38.56%。
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Prompt
量子计算行业最常用的定义是基于量子力学原理的计算方式,它利用量子比特(qubit)作为基本单位进行运算。与传统计算机不同,量子计算机利用量子态的叠加和纠缠特性,能够在同一时间内进行多个计算,从而实现超越传统计算机的计算能力。 在量子计算中,量子比特的状态可以是0、1的叠加态,这使得它能够处理更复杂的计算任务。此外,量子计算还具有量子并行性,即多个量子比特可以同时进行计算,大大提高了计算效率。 这些定义之间的区别在于它们所描述的核心概念和特性不同。传统计算基于二进制位(bit),每个bit只能表示0或1,而量子计算则利用量子比特的叠加和纠缠特性,实现并行计算。因此,量子计算在处理某些特定问题时具有更高的效率和精度。
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背景:当科学家和工程师遇到复杂问题时,通常使用超级计算机(拥有数千个传统的CPU和GPU内核)。但超级计算机基于二进制代码和晶体管技术,面对复杂度高的问题仍会遇到困难(例如模拟分子行为或识别金融欺诈)。由于现实世界运行在量子物理基础上,量子计算机利用量子比特进行计算,更适合解决这些复杂问题。
定义:量子计算是一种基于量子力学原理调控量子比特进行计算的新型计算模式。与传统计算机相比,量子计算机具有指数级的计算能力优势,对广泛使用的公钥算法构成重大威胁。
优势:传统非量子保密通信技术常用的公钥密码系统(基于因子分解和离散对数问题)容易被量子计算的Shor算法破解。而量子保密通信技术基于物理机制,具有无条件安全性,能够抵抗任何计算破解,产品已达到实用水平。
[1]
1:https://www.ibm.com/cn-zh/topics/quantum-computing
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2:IBM、国盾量子
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量子计算行业依据主流的分类标准,主要可分为两大类别:基于人造粒子的量子计算和基于天然粒子的量子计算。 人造粒子量子计算以超导和硅半导体等为代表,这类量子计算利用现有的半导体集成电路制造工艺,因此在比特数量扩展方面具备显著优势。然而,由于基础材料和加工工艺的限制,其在提升逻辑门精度等关键指标上可能面临挑战。尽管如此,人造粒子量子计算因其可重用性和可扩展性,在产业化进程中展现出强大的潜力。 天然粒子量子计算则包括离子阱、光量子和中性原子等类型。天然粒子具有长相干时间和高逻辑门精度等优势,这使得它们在处理复杂量子算法和模拟量子系统时表现出色。然而,天然粒子的稳定性和控制难度等问题,使得在比特数量扩展和系统集成方面存在较大的挑战。 两者在特点和差异上主要体现在以下几个方面:首先,在制造和集成上,人造粒子量子计算依赖成熟的半导体工艺,而天然粒子量子计算则依赖于精密的粒子控制和测量技术;其次,在性能上,天然粒子量子计算具有更高的逻辑门精度,而人造粒子量子计算在比特数量扩展上更具优势;最后,在应用前景上,两者都有各自擅长的领域,例如在模拟量子系统、优化问题和机器学习等方面,天然粒子量子计算可能更具优势,而在大规模数据处理和加密通信等领域,人造粒子量子计算可能更有用武之地。
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根据量子计算分类法(包括基本特征、算法特征、时间和门特征以及其他特征)以及技术应用,量子计算可分为量子比特、量子门、量子算法、量子纠错、量子通信、量子仿真和量子编码等。
量子计算行业基于技术的分类
量子计算分类
量子比特
量子比特是量子计算的基本计算单元,与传统计算机的比特不同,量子比特可以处于0和1的叠加态中。这种特性使得量子比特可以同时处理多个任务,从而实现更高效的计算。目前,超导量子比特、离子阱量子比特和光学量子比特等不同的实现方式正在被研究和发展。
量子门
量子门是量子计算的基本操作,类似于经典计算机中的逻辑门。通过组合不同的量子门,可以实现复杂的量子算法和量子纠错。目前,已有多种不同类型的量子门被提出,如CNOT门、Toffoli门和Hadamard门等。
量子算法
量子算法是一种在量子计算机上运行的算法,它可以更快地解决某些特定的问题,比如质因数分解和搜索问题。目前,已有多种经典的算法被改进为量子算法,如Grover搜索算法和Shor质因数分解算法等。
量子纠错
由于量子比特极度脆弱,容易受到环境中的噪声和干扰,因此量子纠错是量子计算中重要的一环。目前,已有多种不同的量子纠错方案被提出,如表面码和Reed-Muller码等。
量子通信
量子通信是利用量子力学原理进行通信的一种方式,可以实现绝对安全的通信。目前,基于纠缠的量子通信已经得到了广泛应用,如量子密钥分发和量子隐形传态等。
量子仿真
量子仿真利用量子计算机模拟量子系统的行为,可以用于物理、化学等领域的研究。通过模拟复杂的量子系统,可以更好地理解其性质和行为,从而为实际应用提供更准确的预测和指导。
量子编码
量子编码是利用量子比特的叠加态和纠缠态来实现信息的编码和传输。通过利用量子比特的特性,可以实现更安全和更可靠的信息传输和存储。目前,基于纠缠的量子编码方案已经得到了广泛应用。
量子硬件
随着量子计算技术的发展,相应的硬件也在不断发展。目前,主要的硬件实现方式包括超导、离子阱、光子和冷原子等。这些硬件实现方式各有优缺点,需要根据具体的应用场景来选择合适的硬件平台。
量子计算技术分类法
量子计算分类
基本特征(Basic Characteristics)
量子比特实现(Qubit Implementation):指量子比特的具体实现方式,如超导量子比特、离子阱量子比特、光学量子比特等。
基于量子计算技术的分类(Classification based on quantum computing technology):集合计算和单例计算是另一种基于量子计算技术选择的分类。集合计算系统是一组规格相同、执行相同功能集的量子计算机。相比之下,单例计算系统由执行指定操作的单个量子计算机组成。
性能指标(Performance Metrics):衡量量子计算机性能的指标,该技术具有机械振动、荧光和并发性等属性。
算法特征(Algorithmic Characteristics)
量子比特操作(Qubit operations):涉及如何操作和控制量子比特。
并行性(Parallelism):需要并行实现量子门来防止或最小化量子比特退相干。
量子比特总数(Aggregate count of qubits available):有助于实现量子计算机可靠性和可扩展性的特征。
拓扑结构(Topologies):量子计算机架构中不同物理设备的各种可能排列称为其拓扑。
定位量子比特的技术(Techniques for Locating qubits):可以更具体地探索量子比特状态。
时间和门特征(Time and Gate Characteristics)
退相干时间(Decoherence time):量子比特能够保持在特定状态的时间。是当今量子计算领域的研究课题。
测量时间(Measurement time):精确测量量子比特状态所需的时间。
其他特征(Other Characteristics)
门级量子比特的时间和控制(Timing and control of Gate level qubits):如何精确控制和同步量子比特的门操作。
可扩展性(Scalability):量子计算系统扩展到更大规模的能力,涉及量子比特数量的增加和系统架构的扩展。
[2]
1:https://developer.baidu.com/article/details/3137312
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2:《Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions》、百度开发者中心
《Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions》、百度开发者中心
行业特征
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Prompt
在探讨中国量子计算行业的特征时,商业模式、竞争环境和发展前景无疑是三个至关重要的维度。以下是对这三个维度的详细分析,并结合数据论证。 首先,商业模式方面,中国量子计算行业呈现出多元化和创新性的特点。随着量子计算技术的不断成熟,越来越多的企业开始探索将量子计算应用于实际场景中,如金融、物流、医疗等领域。这些企业通过提供量子计算服务、开发量子计算应用等方式,实现了商业模式的创新。例如,一些企业利用量子计算的优势,为金融机构提供风险管理和优化投资组合的解决方案,从而获得了可观的收益。 数据来源:根据智研咨询报告,中国量子计算行业正在积极探索各种商业模式,并已经取得了一些初步的成果。同时,该报告还指出,随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展,未来量子计算行业的商业模式将更加多样化和创新化。 其次,竞争环境方面,中国量子计算行业面临着激烈的竞争。国内外众多企业都在积极投入量子计算技术的研发和应用,试图在这个领域取得领先地位。这种竞争环境促使企业不断加大研发投入,提升技术水平,以获取更多的市场份额。同时,政府也给予了量子计算行业很大的支持,通过政策扶持和资金投入等方式,推动行业的发展。 数据来源:根据McKinsey公司的报告,中国在量子计算领域的投入不断增加,与欧盟、美国等国家和地区的竞争日益激烈。此外,该报告还指出,随着技术的不断进步和市场的不断扩大,未来量子计算行业的竞争将更加激烈。 最后,发展前景方面,中国量子计算行业具有广阔的市场前景和巨大的发展潜力。随着量子计算技术的不断突破和应用场景的不断拓展,量子计算将在未来成为推动社会进步的重要力量。同时,中国政府也将量子计算列为重点发展的战略性新兴产业之一,给予了很大的支持和关注。 数据来源:根据智研咨询报告和量子计算市场分析报告,量子计算市场的规模正在快速增长,预计到2027年将达到数十亿美元。同时,该报告还指出,随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展,未来量子计算市场的规模还将继续扩大。 综上所述,中国量子计算行业在商业模式、竞争环境和发展前景等方面都呈现出积极的态势。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展,相信未来量子计算行业将为中国乃至全球的经济发展注入新的动力。
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量子计算行业特征包括;1.行业进入NISQ时代,多技术路线并行发展;2.以量子比特作为基本单元进行计算;3.硬件+软件+算法为核心,云平台构成生态。
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量子计算进入NISQ时代,多技术路线并行发展
量子计算发展的生命周期可分为:1.量子优越性展示(-2019):计算领域的成熟企业引领量子计算初步阶段的探索与验证。主要企业有IBM、Google、Intel、Microsoft等。该阶段实现了量子优越性的展示。2.NISQ时代(2020-2027):初创企业及大企业量子计算部门开始从硬件研发向应用研发拓展。全面推进量子技术基础设施。代表企业有Rigetti、IonQ、Quantinuum、Xanadu、QuEra等。行业进入NISQ(噪声中等规模量子计算)时代。3.专用量子计算机实现多种核心应用示范(2028-2033):各技术路线的专用量子计算机不断涌现,并且开始商业化应用示范。产业链逐渐完善,各行业逐步形成量子计算技术的应用示范。实现多种核心应用示范。4.研制出可纠错的通用量子计算机(2034-2040):各技术路线间的优劣势已被充分验证,部分技术路线成为主流。代表企业进一步巩固市场地位,部分企业可能因技术路线选择失误而退出。研制出可制备的通用量子计算机。5.进入全面容错量子计算(FTQC)时代(2040-):逐渐进入全面容错量子计算(FTQC)时代。运营性能接近或小于经典数值模拟,量子计算应用广泛成熟,成为行业标准。市场进入成熟期,进一步整合和优化。目前量子计算进入NISQ时代,多技术共同发展,随着时间推移产业规模上升、量子计算成本逐步下降。
2
以量子比特作为基本单元进行计算
量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式,其基本单元是量子比特量子比特具有量子叠加和量子纠缠等特性,在非结构化搜索、组合优化、大数分解和矩阵计算等任务上相较于经典计算具有多项式级或指数级的加速优势。量子计算的基本过程包括量子态制备、量子态调控和量子态测量三个步骤:1.量子态制备:将输入的经典比特和辅助比特通过相位编码或振幅编码等方法转换为量子态初态。2.量子态调控:通过酉变换将量子态初态演化为目标态,这一过程可由一系列量子门组合成的量子线路来实现。3.量子态测量:通过选择一组测量基对目标态进行观测,从而读取计算结果。为了确保计算结果的正确性,需要设计巧妙的量子算法,利用量子干涉特性最大化目标态的概率。
3
硬件+软件+算法为核心,云平台构成生态
量子计算技术体系中,硬件、软件和算法是三大支柱,云平台集成三者并提供服务。主要包含1.量子计算云平台:基础设施层(Q-IaaS),包括量子计算硬件、基础设施等。平台层(Q-PaaS),中间件、平台服务等。服务层(Q-SaaS),测试系统软件、芯片EDA软件等。安全服务:保障量子计算平台的安全;2.量子计算软件:应用开发软件,包括量子模拟应用、组合优化应用、量子AI应用等。计算编译软件,包括量子编译器、中间件等;3.量子计算硬件:逻辑门型量子计算机,包括量子门、处理器、控制系统、mK低温系统、环境控制系统等。专用量子计算机,包括玻色采样、相干耦合、量子退火等。量子经典计算的跨学科研究,包括量子传感、量子测量、张量网络模拟等。
[3]
1:ICV TA&K、光子盒、中国移动、中国信通院
ICV TA&K、光子盒、中国移动、中国信通院
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