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

2016年量子计算行业

分析报告

2016年10月

一、凭借“高速”和“节能”，量子计算将颠覆经典计算4

1、摩尔定律趋于极限，经典计算瓶颈需要被打破4

2、量子计算的基本原理6

3、“高速”和“节能”是量子计算的两大颠覆性优势7

4、量子计算需要专门的量子算法来适配8

5、量子计算是量子信息中最重要的领域之一9

二、新技术推动量子计算突破10

1、核磁共振系统首次实现了量子计算10

2、基于半导体和超导技术，低温超导系统是量子计算的主流方案11

3、基于半导体和激光技术，光子量子系统是量子计算的备选方案12

三、量子计算产业链中，硬件行业将首迎爆发13

1、经过40年的研究阶段，量子计算进入商业化阶段13

2、巨头密集布局通用型量子计算，加速其普及进程15

3.1、Google尝试设计组建自己的量子计算机17

3.2、微软尝试设计通用型量子计算机18

3.3、IBM以云服务形式开放其量子计算20

3.4、我国产学研齐发力23

3.5量子计算硬件产业预计将率先爆发25

四、经典计算机市场将被重新分配27

1、算力与能耗是量子计算机取代经典计算机根本推动力27

2、量子计算机从专业应用向通用应用渗透29

2.1、潜在应用实例1：

大数据快速搜索，颠覆现有大数据搜索应用29

2.2、潜在应用实例2：

颠覆现有电子银行网络安全的根基32

投资建议33

图表目录

图1、经典计算机运算能力与晶体管数量关系4

图2、现有芯片设计工艺发展趋势5

图3、量子计算计算方式示意图5

图4、量子计算的存储单元6

图5、量子计算的存储能力示意图8

图6、商用级非通用型量子计算机计算能力增长趋势9

图7、量子计算的核心优势11

图8、量子算法与量子计算的关系13

图9、量子计算与其他量子技术的区别14

图10、量子计算的技术方案16

图11、量子计算发展历史16

图12、第一台商用量子计算机D-wave18

图13、量子计算机发展现状19

图14、IBM量子计算机云服务界面21

图15、量子计算产业链与经典计算产业链23

图16、量子计算机应用场景分析24

图17、中国服务器市场规模25

图18、中国大数据市场规模27

图19、中国电子银行信息化市场规模28

图20：

计算机行业历史PEBand31

图21：

计算机行业历史PBBand31

一、凭借“高速”和“节能”，量子计算将颠覆经典计算

1、摩尔定律趋于极限，经典计算瓶颈需要被打破

经典计算机的设计思想是每次只处理一个计算任务，运算能力与晶体管数量成正比。

经典计算机处理输入信息的核心是中央处理器上的一个个晶体管。

比如：

要计算1+1和2+2两个任务，对于一个晶体管而言，就需要消耗两单位的计算时间，逐个完成这两个任务。

经典计算机体系中，中央处理器（CPU）中的每个晶体管，一个单位时间内只能处理一个输入信息（俗称比特）。

也就是经典计算机运算能力与晶体管数量呈正比例线性关系。

图1、经典计算机运算能力与晶体管数量关系

摩尔定律趋于失效，经典计算机的计算能力趋于瓶颈。

对于目前的经典计算机，处理器的计算性能已渐渐远离摩尔定律，因为CPU中晶体管的数量无法实现每两年翻一番的预期。

顶级科学期刊《自然》杂志认为，主要原因是现有芯片设计工艺已达到10纳米，预计2020年到达2纳米。

这个级别上的晶体管只能容纳10个原子，电子的行为将不再服从传统的半导体理论，此时晶体管将变得不再可靠。

图2、现有芯片设计工艺发展趋势

量子计算机有望提供更强的计算能力。

量子计算机提供了另一条增强计算能力的思路。

它的并行计算的特性，使得它可以一次同时处理多个任务，有望实现计算能力上的超越。

图3、量子计算计算方式示意图

2、量子计算的基本原理

量子并行计算的基础在于，一个存储单元能够同时记录0和1两个数字，存储性能更强。

经典计算机里面，每一个存储单元叫做比特（bit），只能存储一个数字，0或者1中的任意一个（二进制的两个数字）。

具体而言，用不同的电压来分别表示0和1两种信号，比如用低电压信号代表0，1代表高电压信号。

在经典世界中，我们只能同时拥有一个状态。

比如，如果我们存储了001，我们就不能同时存储010，这是因为两个信号的电压会叠加，如果同时拥有这两个信号，我们只能够得到011。

而量子计算机中，每一个存储单元叫做量子比特（q-bit），可以存储基本状态是两种状态的叠加，也就是以一定组合的形式，同时存储0和1。

图4、量子计算的存储单元

在量子世界中，很多天然的量子系统可以实现这种量子存储。

以光为例（光具有波粒二象性，这里主要讨论波的特性），光在传播过程中，波会沿着两个方向振动：

水平振动、

竖直振动。

如果水平振动叫做1，竖直振动叫做0，那么光波会沿着45度振动就对应着0和1这两种状态的叠加。

当然，光波也可以只沿水平振动（代表只存储1）或者垂直振动（代表只存储0）。

可以说，量子比特最大的特点是可以同时存储0和1。

其他载体还可以包括：

质子的核磁共振（自旋方向的不同代表0或1），电子的不同自旋方向等。

量子计算的存储器可以同时存储多个数字。

对于一个量子比特，它可以存储一位二进制数字（长度为1），但它能同时存储两个数（二进制数字0和1）。

当有两个量子比特在一起时，这个存储器可以理解为包含了四种传统的态（也称基本态）：

00、01、10、11。

物理学家把两个量子比特组成的量子态称为这四个基本态的组合，也就是这两个量子比特可以同时存储00、01、10、11四个数字，每个数字的长度都是2。

因此，定义一个N位量子寄存器为N个量子比特的有序集合，那么他的叠加态就有2^N个的基本态，每个基本态的长度都为N。

比如，对于一个3量子比特构成的量子存储器，它包含了8个基本态000、001、010、011、100、101、110和111。

而这些状态以某种概率的组合在一起，所以存储器可以同时保存8个数字。

图5、量子计算的存储能力示意图

3、“高速”和“节能”是量子计算的两大颠覆性优势

量子计算的核心优势是可以实现高速并行计算。

在计算机科学中，无论经典计算还是量子计算，他们的计算功能的实现都可以分解为简单的逻辑门的运算，包括：

“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门等。

简单来讲，每一次逻辑门的运算（简称操作）都是都要消耗一个单位时间来完成。

经典计算机的运算模式通常是一步一步进行的。

它的每一个数字都是单独存储的，而且是逐个运算。

所以对于4个数字进行同一个操作时，要消耗4单位时间。

而量子计算中，一个2个量子比特的存储器可以同时存储4个数字，这里一个量子态可以代表所有存储的数字。

科学家通过特定设计对量子态进行一次变换，即可对4个数字同时操作，而且只消耗1单位时间。

这种变换相当于经典计算的逻辑门，实现了对存储器中的数字并行运算，这被称为量子并行计算。

可以看到，当量子比特数量越大时，这种运算速度的优势将越明显。

它可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。

目前，非通用型量子计算机的已经实现了1000位量子比特，在特定算法上（比如模拟退火，一种优化方法），计算效率比经典计算机要快一亿倍。

量子计算机的量子比特数量以指数形式增长，算力将以指数的指数增长。

对于量子计算机，在半导体材料和超导材料等领域，科学家也已经积累了数十年的理论与经验。

现有的最有希望的量子计算机方案之一就是低温超导系统，它涉及了半导体材料与超导材料的应用，主要是基于硅晶体，掺杂一定量的超导材料，实现量子计算。

而现有的技术积累将极大促进该方案的发展与快速突破，用更短的时间（相比与经典计算机）实现大规模的商业化应用。

可以看到，量子计算机的量子比特数量以指数增长的形式快速上升，从2003年起的1位量子比特，到2013年512位量子比特的计算机，再到2015年实现1000位量子比特。

目前在特定功能的应用上，量子计算机比经典计算机要快一亿倍。

图6、商用级非通用型量子计算机计算能力增长趋势

量子计算另一核心优势是其具有极低的能耗。

在经典计算中，处理器对输入两串数据的异或操作，而输出结果只有一组数据，计算之后数据量减少了，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。

但量子计算中，输入多少组数据输出依旧是多少组数据，计算过程中数据量没有改变，因此计算过程没有能耗。

这也就意味着，只有在最后测量的时候产生了能耗。

而经典计算在每一个比特的计算过程中都将产生能耗。

因而经典计算的集成度越高，散热越困难。

随着摩尔定律渐近极限，以后的计算能力的提高只能依靠堆积更多的计算芯片，这将导致更大的能耗。

这方面的突破只能依靠量子计算的发展。

目前，最先进的D-Wave量子计算机的处理器只消耗1微瓦，并且能量消耗程度不会随着计算能力的提升而变化。

但不足之处在于，用于维持低温环境（约为零下273.14摄氏度）的功率达到15千瓦。

基本上大部分的功率都用来制冷了，整个系统还有很大的余地得继续改进提升。

图7、量子计算的核心优势

4、量子计算需要专门的量子算法来适配

与经典计算机不同，量子计算机使用经典算法，将无法实现并行计算。

经典计算机的计算核心使用的是中央处理器，是一种基于半导体理论设计的电子芯片，用于串行运算。

而量子计算机中，它的计算核心是量子芯片，通过量子的叠加性带来了并行运算的能力，替代传统的电子芯片。

可以看到，量子计算机与经典计算机的物理实现的完全不同，如果在量子计算机中使用经典算法的话，那么量子芯片将和普通电子芯片发挥基本相同的功能，只能实现串行计算。

这是由于设计经典算法时，其设计思想是基于串行运算而得到的，这是经典算法自身的局限性。

如果想实现并行计算的能力，量子计算机中相应的软件、编程都做出相应的变化，需要设计相应的量子算法。

这种专门面向量子计算设计的算法被称为量子算法。

其中一个典型就是Shor算法，它可以有效地对大数进行因数分解。

相应的经典算法要消耗的时间随输入数据长度呈现指数型增长，而Shor提出的量子算法要消耗的时间对输入数据长度呈多项式级增长。

这种变化导致，之前要花数百年时间才能完成的计算，现在只要一秒内就能完成。

因此原本非常安全的互联网、金融的公开秘钥体系RSA，在Shor算法面前，变得毫无安全性可言。

图8、量子算法与量子计算的关系

5、量子计算是量子信息中最重要的领域之一

量子技术是利用量子理论中的量子相干、量子纠缠、不可克隆定理等来实现的。

量子相干是指量子态的叠加，是实现量子并行计算的理论基础。

这里的量子纠缠是指原本两个互相独立的量子，当距离特别近之后会产生纠缠，可以通俗的理解成一个是正（上旋），另一个必然是负（下旋）。

这种粒子之间的相互关系一旦产生之后，那么无论它们距离多么远，这种纠缠状态不会改变。

量子不可克隆定理是指，任何物理上的量子复制装臵都不可能克隆出与输入态完全一样的量子态来，因此可以防备设备中的量子态所代表的信息被窃听。

目前量子技术主要包括：

量子通信、量子加密、量子传感和量子计算等。

量子通信是指进行信息传递的一种新型通讯方式。

它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。

量子加密是在用户之间传送密钥，任何在这一通道上的窃听行为，都无法完整窃取到通信信息。

它主要利用量子的不可克隆定理。

量子传感是指高精度检测检测重力场或者磁场等物理量。

它利用量子纠缠特性，很容易传感各种物理量，相比于现在的传感器，在灵敏度、精度都有大幅度提高，有的可达几个数量级。

量子计算主要是依靠量子并行的特性，实现了运算效率的大幅增长，有望超越经典计算机的运算性能。

量子通信、量子加密和量子传感的基础技术具有很强的共性。

量子加密就是量子通信的一种具体实现方案，是一种量子保密通信的技术。

而量子传感的基础理论和量子通信是一致的，都是要求对量子纠缠的一种操控能力。

因此相关的量子元件的研发基础具有很强的通用性，实际设计制造过程中，这种研发的基础与积累能够大幅减少新产品的研制时间。

图9、量子计算与其他量子技术的区别

量子计算和量子通信是两种完全不同用途的量子技术。

量子通信里量子的作用是用来保密而不是传输。

本质上，这是一种新型的信息加密技术，用于防止传输过程中的信息被截获，保障信息安全。

技术上的目标是将一对纠缠态量子之间的距离尽可能延长。

主要的商业价值在于数据保密方面，比如网上银行数据、金融信息服务与交易、量子指纹识别等。

而量子计算中量子的作用是用于突破传统计算机的计算模式。

更重要的一点，随着人工智能领域的快速发展，量子计算的模式与人工智能的核心部分非常匹配。

因此量子计算是潜在的未来能力强大的人工智能的硬件基础。

二、新技术推动量子计算突破

量子计算的物理系统实现已经有很多方案，比如核磁共振系统，低温超导系统、光子量子系统等，这些都是十分有前景的物理实现的方法。

他们各有千秋，也各有短板，所以现在都不能称得上最完美的设计。

普遍意义来讲，量子计算机要实现量子计算需满足以下的要求。

（1）量子比特要能稳定存在足够长的时间。

事实上，外部环境不可避免地破坏着量子计算机的量子相干性，使之自发地向经典的概率计算机演化，这将导致量子计算失去其可靠性，甚至完全无法运作。

（2）具备有完整齐全的逻辑门操作能力。

任何高维的逻辑操作均可分解成一系列低维操作来实现，最基本的操作单元称为普适的逻辑门。

量子计算机应能对任意量子比特精确地实施这些基本操作。

（3）具备有初态制备能力。

我们要有能将量子计算机的所有量子比特归零的能力。

（4）必须有能力对量子计算机终态实施有效的量子测量，以提取最终输出值。

这时,量子的信息将转变为经典的信息。

1、核磁共振系统首次实现了量子计算

核磁共振量子计算机利用核磁共振技术测量和操作单个原子的自旋得以实现量子计算。

本质上来说核磁共振系统，就是原子核在磁场中的进动。

原子核在强磁场中，原子核的旋转与强磁场受到的相互作用。

就如同高速旋转的陀螺（原子核的旋转）有一定角度的倾斜，虽然受到重力（强磁场）的力，但是并没有倒，反而是绕着竖直的轴在旋转，就这就是旋进或者进动。

而不同的自旋方向就分别代表了0和1的量子态。

目前液态核磁共振量子电脑主要是采用质子（氢核）、碳13核、氟19核等，主要考量是这些核子能够保持量子相干态较长时间，便于保持量子比特内存储的信息。

它的优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。

目前较成熟的系统可达到7个量子比特。

2001年《自然》杂志发表了基于7个量子比特的液态核磁共振计算机，并展示了Shor算法的计算效果。

2、基于半导体和超导技术，低温超导系统是量子计算的主流方案

另一种方案是通过低温环境实现量子芯片的超导状态，基于硅基半导体开发的量子计算机。

其原理是在高纯度硅中掺杂一定量的超导金属材料，比如铌等构成的超导金属，实现存储信息的量子比特。

主要原理是将电子束缚在称为量子点的微小半导体晶体上，利用电子自旋的叠加态形成一个量子比特。

虽然和经典计算机一样都是构建于硅晶片基础之上，但量子计算机的核心部件超导金属必须在极低温度下（约零下273摄氏度）保存，只有在这种极端低温的情况下，它们才能实现量子计算。

该方案的优点在于可以利用现代高效的半导体技术，比如硅晶片的制备工艺等。

这是最有量子计算机发展前景的方案之一。

采用这种技术方案的公司主要包括了D-Wave和IBM。

D-Wave公司实现了512位量子比特的非通用型量子计算机。

而IBM实现了4位量子比特的通用型量子计算机。

3、基于半导体和激光技术，光子量子系统是量子计算的备选方案

光子量子计算机是基于光子的偏振状态来实现量子计算的。

近期，布里斯托大学以及日本电信电话公司（NTT）宣称，已经开发出了一种完全可重新编程的量子光处理芯片，能够实现量子计算。

这项研究的成果在科学杂志上发表。

该方案的物理实现是基于标准的半导体制造技术进行的，通常由玻璃和硅构成。

该系统具有六个波导管用于通用线性光学转换，和15个集成干涉仪，该设备用于在一个光子束上又添加了一个光子束，来实现量子计算。

该技术也被视为通用型量子计算机的一种实现方案，但目前实现的量子比特数量仍然有限。

图10、量子计算的技术方案

三、量子计算产业链中，硬件行业将首迎爆发

1、经过40年的研究阶段，量子计算进入商业化阶段

量子计算机经过近40年的时间的理论研究阶段，在2007年首次实现硬件方面商业化。

目前发展迅速的是非通用型量子计算机，而通用型量子计算机还处于起步阶段。

我们认为，通用型量子计算机和非通用型量子计算机最终将在市场上共存，并最终共同向经典计算机的市场份额发起挑战。

图11、量子计算发展历史

20世纪70年代，科学家从理论上构造了第一台量子计算机。

IBM的兰道尔（Landauer）指出，如果将计算机做成可逆的，热耗就会大大地减少。

而班内特（Bennett）则首次证明了经典计算机可以做成可逆的。

贝尼奥夫（Benioff）在理论上构造了第一台量子计算机。

1981年，费曼（Feynman）指出量子计算将极大优于经典计算。

他指出对量子力学体系进行模拟，如果使用经典计算机，所需的物理资源是呈指数函数形式增长的，而使用以量子力学叠加态进行运算的量子计算机，所需要的资源只是呈多项式函数形式增长的，极大优于经典计算机架构体系。

1994年，科学家彼得•肖尔（PeterShor）实现了第一个量子算法。

他设计了第一个适合于量子计算机使用的算法，专门用来对大数进行因子分解。

大数的因子分解对于经典计算机来说，是一个不可能任务。

因此现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥技术RSA算法是基于大数因子分解而实现的。

彼得•肖尔（PeterShor）构造了大数的因子分解的量子算法，首次证明了利用量子计算可以在有效时间内破解RSA这种公开秘钥技术。

从原理上实现了随位数呈多项式增长的运算次数，本质上极大地简化了以往方法的复杂程度，从而根本上动摇了当代密钥的安全基础。

1998年，美国科学家运用液态核磁共振（NMR），首次物理上实现了量子计算。

这个里程碑式的实验，成功地解决了量子计算的重大问题，即如何在读出计算结果的同时，不销毁系统其他的状态信息。

拉夫雷门通过间接的测量方法，使得系统状态信息得到安全而完整的保留。

2007年，D-waveSystems实现了历史上第一台商用量子计算机。

宣布研制成功16量子比特的量子计算机——“猎户座”（Orion）。

D-wave公司的量子计算机是用超导量子器件做成的。

所使用量子计算机方式是绝热量子计算，是将量子计算体系放臵在体系的基态，而最终的计算结果就是最后的量子体系的基态。

2011年5月11日，该公司正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-WaveOne”，实现了128位量子比特。

它不是通用量子计算机，并不能运行所有的量子算法。

D-wave实际上是一台量子退火机（quantumannealingmachine），在图像搜索方面确实具有优势。

Google和NASA花1000万美金买一台D-wave，共同建立了QuantumAILab。

2013年它研制出的产品D-waveTwo，实现了512位量子比特，并将其销售给了Google，用于Google内部的量子计算的相关研发。

截止到2014年，该公司的累计融资总额达到1.6亿美元。

图12、第一台商用量子计算机D-wave

2、巨头密集布局通用型量子计算，加速其普及进程

量子计算硬件系统的研制与开发的主要挑战在于通用性与量子比特数量的权衡。

对于通用型量子计算机而言，优势是应用前景十分广阔，几乎可以在任意领域替代经典计算机。

劣势是相关的硬件设计能力只能达到4量子比特（IBM）或者9量子比特（Google）。

对于非通用型量子计算机而言，优势是已经商业化，且量子比特已经达到512位或者1000位。

但劣势是其只能用于某一特定用途，属于非通用型量子计算机；而且价格昂贵达到千万美元级别，超出市场可接受程度。

图13、量子计算机发展现状

3.1、Google尝试设计组建自己的量子计算机

Google和NASA合建的量子人工智能实验室，主要目标在量子人工智能、量子计算在机器学习、搜索引擎方面的应用。

2013年与NASA一起，从D-wave公司花1000万美元买来了一台D-waveTwo，并合作建立了QuantumAILab。

目前，Google正在尝试设计组建自己的量子计算机。

Google计划研发适应于搜索领域和人工智能领域的非通用型量子计算机。

用于不断优化现有广告等业务。

3.2、微软尝试设计通用型量子计算机

微软研究院也开启了自己的量子计算项目，用于制造通用型量子计算机。

他们于2004年前后，专门成立了StationQ团队，关注量子计算技术。

他们做的事情包括但不限于：

如何更高效的利用物理设备，实现通用量子计算，综合优化量子线路的设计；以及找到更多的杀手级应用，比如分子动力学模拟和量子机器学习等。

2015年11月，微软在著名开源软件社区Github上公开了其量子计算模拟器LIQUi|>源代码。

微软称其为“语言集成量子操作模拟器”LIQUi|>目前正在开发阶段，它将包括编程语言、优化和调度算法以及量子模拟器。

3.3、IBM以云服务形式开放其量子计算

近期，IBM宣布目前已经可以开发实用的量子计算机。

IBM研究人员完成了四量子位原型电路，为推出真正量子计算机奠定基础。

这项技术突破能够让科学家们在以后的计算中减少数据错误率，同时在量子位中保持量子机械属性的完整性。

传统数位只有两种情况0、1，但量子位却可以是0、1，或两者的叠加。

因此找到一个稳定量子数位是量子计算研发过程中的一个核心问题。

该量子电路采用四个超低温超导设备构建。

被称为量子比特。

这也是之前量子芯片难以构建的技术瓶颈。

2015年5月，IBM宣布通过云计算的服务形式，将一台5个量子比特的量子计算机开放给公众使用。

目前，只需要简单的几步操作，公众便可以在云服务平台，设计相应的量子算法并使用这台量子计算机来完成量子计算。

图14、IBM量子计算机云服务界面

3.4、我国产学研齐发力

2015年，阿里巴巴集团与中科院联合成立“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”。

阿里巴巴集团结合阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究，研制量子计算机。

此外，阿里巴巴集团和中科院还将紧密合作，实现量子保密通信技术在电子商务和数据中心安全方面的现实应用。

据公开报道，这是亚洲范围内的首个量子计算研究中心，而阿里巴巴也成了继谷歌、微软及IBM后的首个涉足量子计算的中国科技公司。

国内已有不少科研团队关注于量子计算领域。

包括中国科学技术大学的潘建伟教授，清华大学的应明生教授，中国科学技术大学的杜江峰教授等团队，主要关注点在于量子算

法和量子计算机的实现上。

另有一些研究团队关注在高温新型超导材料（指接近室温的温度下，实现超导）等基础研究领域。

这些基础研究的突破也能大力促进量子计算产业的高速发展。

整个十三五规划期间，量子计算机成为研究方向。

预计相关量子产业投资额将达到百亿元级别。

3、量子计算硬件产业预计将率先爆发

为什么是硬件产业先爆发？

量子计算机是作为经典计算机的颠覆者的形象诞生的。

因此，量子计算机的产业链与经典计算机的非常类似。

量子计算机的产业链也是包含了硬件、软件、云服务这三个层次。

类比于经典计算机产业链发展过程，在整个量子计算机产业链中，最先爆发的是它的硬件产业。

在经典计算机发展的早期阶段，市场主要关注点和投资重心都集中于硬件层次，在这个阶段诞生了Intel、AMD等一系列大公司。

随着中央处理器等硬件元件的快速发展，整个产业链的重心也下移到软件服务层面，这时诞生了Apple、MicroSoft等公司。

到现阶段，随着云平台的业务拓展与计算能力的加强，逐步产生了新的商业模式并带来了巨幅的业绩增长，其中以Amazon、阿里集团等为代表。

因此对于量子计算机，我们认为首次爆发的突破口也将在于硬件层次。

图15、量子计算产业链与经典计算产业链