行業(yè)深度研究：一文讀懂量子計(jì)算原理

證券研究報(bào)告證券研究報(bào)告證券研究報(bào)告量子計(jì)算有望成為解決AI算力瓶頸的顛覆性力量。與傳統(tǒng)計(jì)算相比，量子計(jì)算能夠帶來更強(qiáng)的并行計(jì)算能力和更低的能耗，同時(shí)量子計(jì)算的運(yùn)算能力根據(jù)量子比特?cái)?shù)量指數(shù)級(jí)增長，在AI領(lǐng)域具有較大潛力。海外科技巨頭帶動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展，IBM、微軟、谷歌等公司先后發(fā)布量子計(jì)算路線圖，與此同時(shí)，國內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)與海外科技巨頭差距不斷縮小。量子計(jì)算軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施不斷成熟，為商業(yè)化落地打下良好基礎(chǔ)。當(dāng)前全球范圍內(nèi)針對(duì)量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)形成超導(dǎo)、離子阱、光量子、中性原子、半導(dǎo)體量子等主要技術(shù)路線，以及以量子門數(shù)量、量子體積、量子比特?cái)?shù)量等核心指標(biāo)構(gòu)成的性能評(píng)價(jià)體系。量子計(jì)算云平臺(tái)將量子計(jì)算機(jī)硬件或量子計(jì)算模擬器與經(jīng)典云計(jì)算軟件工具、通信設(shè)備及IT基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，為用戶提供直觀化及實(shí)例化的量子計(jì)算接入訪問與算力服務(wù)。軟件方面，量子算法不斷發(fā)展中，在當(dāng)前硬件條件下重點(diǎn)是綜合考慮NISQ算法的容錯(cuò)代價(jià)與算法性能之間的平衡，量子軟件體系處于開放研發(fā)和生態(tài)建設(shè)早期階段，正在不斷成熟。量子計(jì)算有望賦能千行百業(yè)，開啟8000億美元藍(lán)海市場(chǎng)。據(jù)ICV數(shù)據(jù)，2023年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模約47億美元，預(yù)計(jì)2035年有望超過8000億美元；其中，金融、化工、生命科學(xué)領(lǐng)域有望更加受益量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。投資建議：量子計(jì)算有望顛覆經(jīng)典計(jì)算架構(gòu)，成為解決AI算力瓶頸的顛覆性力量，或成為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要抓手，建議關(guān)注國盾量子、科大國創(chuàng)、神州信息、科華數(shù)據(jù)、中國長城、光迅科技等量子計(jì)算相關(guān)標(biāo)的，以及電科網(wǎng)安、吉大正元、格爾軟件、國芯科技、浙江東方、亨通光電等量子加密通信標(biāo)的。風(fēng)險(xiǎn)提示：技術(shù)落地不及預(yù)期，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，市場(chǎng)不及預(yù)期。證券研究報(bào)告錄何為量子計(jì)算？基本原理是什么？詳解量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈量子計(jì)算有望賦能風(fēng)險(xiǎn)提示證券研究報(bào)告2何為量子計(jì)算？基本原證券研究報(bào)告 傳統(tǒng)電能計(jì)算機(jī)能力依舊有限。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，高速計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)，反之，待以解決的問題也變得越來越復(fù)雜、繁瑣。我們認(rèn)為對(duì)于復(fù)雜的三維物體或具有量子力學(xué)行為的物質(zhì)，對(duì)于當(dāng)前仿真計(jì)算技術(shù)仍有較大挑戰(zhàn)。不可否認(rèn)，有時(shí)候在計(jì)算方面，計(jì)算機(jī)仍力有未逮。近年來備受關(guān)注的區(qū)塊鏈技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，均致力于減少求解問題所花費(fèi)的時(shí)間。圖1：未來有望借助量子計(jì)算機(jī)突破極限 經(jīng)典計(jì)算基于比特和字節(jié)，擁有多重排列模式。經(jīng)典計(jì)算的基本單位是比特，它可以處于兩種二元狀態(tài)之一：off或on，在經(jīng)典計(jì)算中通常被描繪為0或1。連續(xù)的8比特成為1字節(jié)，其可以儲(chǔ)存更多數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)不同比特狀態(tài)排列組合，1字節(jié)可擁有256種完整組合，而這些組合也足以使用ASCII系統(tǒng)對(duì)拉丁字母表中的每個(gè)字符進(jìn)行編碼。一種更現(xiàn)代的編碼稱為“Unicode”，使用最多四個(gè)字節(jié)的組，足以涵蓋從表情符號(hào)到泰米爾字符和許多其他基于字符的語言的所有內(nèi)容，而其超過100萬個(gè)可用組合中的一小部分而已。比特解決計(jì)算問題的方式可理解為迷宮游戲。假設(shè)比特字節(jié)計(jì)算方式為一個(gè)迷宮，其目標(biāo)是使用最短的路徑到達(dá)迷宮中心。使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)，沿途的每個(gè)交叉點(diǎn)都變成與一位相對(duì)應(yīng)的二元決策，其中1/0位表示在迷宮“轉(zhuǎn)彎處”的決策。通過此種方式，可將每個(gè)比特位的組合視為穿過迷宮的一組方向。但每一次的比特字節(jié)組合并非是正確的，一些路徑會(huì)重疊，而另一些路徑可能會(huì)遇到死胡同，但通過嘗試每種組合，最終可以找到到達(dá)中心的最短路徑。然而單字節(jié)就擁有256種組合，為了檢查準(zhǔn)確性，經(jīng)典計(jì)算機(jī)必須研究每種可能的輪組合，并且一次只能檢查一個(gè)組合。圖2：比特字節(jié)組合形成ASCII碼圖3：不同ASCII碼類似迷宮路徑組合，但組合多且需要逐一排誤Bytes！計(jì)算次數(shù)約N次7-1計(jì)算次數(shù)約N次7-11.2經(jīng)典計(jì)算核心問題在于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法求解可解問題就是相對(duì)于輸入?yún)?shù)的數(shù)量，需要計(jì)算的次數(shù)沒有急劇增多的問題。以“從輸入的一組數(shù)字中找出最大的數(shù)字”問題為例，在輸入了6個(gè)數(shù)字的情況下，程序逐一對(duì)比大小后，大約計(jì)算6次可得到解；在輸入了10個(gè)數(shù)字的情況下，程序大約需要計(jì)算10次；在輸入了100個(gè)數(shù)字的情況下，程序大約需要計(jì)算100次。即對(duì)于“求最大值”這類問題，若輸入了N個(gè)數(shù)字，程序大約需要計(jì)算N次。由果溯因反向推理問題求解難度較大，且擁有多種組合，“不可解問題”出現(xiàn)概率較大。對(duì)于“從輸入的一組數(shù)字中，找出乘積最接近40的數(shù)字組合”問題，常規(guī)解法是列出所有輸入數(shù)字組合，逐一計(jì)算各種組合的乘積，再從中找出乘積最接近40的組合。如輸入了6個(gè)數(shù)字，則有26=64種組合；當(dāng)輸入10個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行210=1024次乘法運(yùn)算；當(dāng)輸入20個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行210=1048576次乘法運(yùn)算；當(dāng)輸入30個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行230=1073741824次乘法運(yùn)算，運(yùn)算的次數(shù)程指數(shù)式增加。計(jì)算次數(shù)圖4：經(jīng)典計(jì)算可求解問題示意圖輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N答案57輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N答案57-13輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：6計(jì)算次數(shù)：約6次輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為N，計(jì)算次數(shù)是N/N2/N33輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：6計(jì)算次數(shù)：約6次圖5：經(jīng)典計(jì)算不可求解問題示意圖答案57答案57-13數(shù)字組合輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：6計(jì)算次數(shù):約26=64次計(jì)算次數(shù)輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N計(jì)算次數(shù)約2N次輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為N且計(jì)算次數(shù)是KN次問題，稱為“在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法求解的問題”計(jì)算次數(shù)計(jì)算次數(shù)1.2經(jīng)典計(jì)算核心問題在于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法求解當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為N時(shí)，計(jì)算次數(shù)大約為rN(K是整數(shù)）。即，隨著N的增加，計(jì)算次數(shù)呈指數(shù)增長（需要指數(shù)時(shí)間）。學(xué)界將具有這種可能性的問題稱為在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法求解的問題，也就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨的棘手問題。圖6：當(dāng)輸入?yún)?shù)數(shù)量為N時(shí)，可解問題的計(jì)算次數(shù)和無法求解的問題的計(jì)算次數(shù)1000000100000100001000O(N!)O(3N)O(2N)O(N3)O(N)0O(log2N)40N圖7：測(cè)量量子比特看一看是0還是1滴看一看是0還是1滴原來是0啊原來是0啊測(cè)量前的狀態(tài)產(chǎn)生投影測(cè)量后的狀態(tài)“0”100%投影10“0”100%投影10“1”100%“0”“1”0“0”“1”011測(cè)量前的狀態(tài)是0和1的疊加態(tài)投影決定了0和1各自出現(xiàn)的概率瞬間確定是0還是1量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的不同點(diǎn)在于二者使用的最小信息單位不同。不同于只擁有0/1態(tài)的經(jīng)典比特，量子計(jì)算機(jī)使用的最小信息單位是量子比特。雖然量子比特也可以和經(jīng)典比特一樣使用0和1這兩種狀態(tài)來表示信息，但除此以外，量子比特還可以處于0和1的“疊加態(tài)”這一特殊狀態(tài)。量子比特的狀態(tài)可假設(shè)為球體，量子0/1疊加態(tài)可表征為球面任意一點(diǎn)。量子球體分別以0和1表示上下頂點(diǎn)（南北兩極該球體稱為布洛赫球，常用于表示量子比特的狀態(tài)。布洛赫球球面上的點(diǎn)表示量子比特的狀態(tài)。箭頭指向正上方（相當(dāng)于地球的北極）時(shí)狀態(tài)為0，指向正下方（相當(dāng)于地球的南極）時(shí)狀態(tài)為1，指向球面上其他點(diǎn)時(shí)狀態(tài)為0和1的疊加態(tài)。類似于地球經(jīng)緯度，布洛赫球面點(diǎn)常以振幅+相位物理量定坐標(biāo)。量子比特一經(jīng)測(cè)量，就會(huì)通過概率來決定到底是處于狀態(tài)0還是狀態(tài)1。二者的概率均取決于測(cè)量前指向布洛赫球球面上某一點(diǎn)的箭頭在貫穿0和1兩點(diǎn)的軸上的投影。箭頭的投影越接近0，出現(xiàn)0的概率就越大；越接近1，出現(xiàn)1的概率就越大。經(jīng)過測(cè)量后，我們就可以從量子比特中讀取非0即1的經(jīng)典比特信息。量子比特的狀態(tài)此時(shí)也會(huì)變?yōu)榕c測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)0或狀態(tài)1。ZSZS1.4可逆計(jì)算是量子計(jì)算的另一大特性可逆計(jì)算是量子計(jì)算的一種特殊性質(zhì)?？赡嬗?jì)算就是可以逆轉(zhuǎn)的計(jì)算，即可以從輸出狀態(tài)正確推斷出輸入狀態(tài)的計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算中的NOT門就屬于可逆計(jì)算，因?yàn)槲覀兛梢詮妮敵鲋嫡_推斷出輸入值——若NOT門的輸出為0，則輸入必為1；若輸出為1，則輸入必為0。而對(duì)于AND門，若輸出為1，可以推斷出輸入必為11，但如果輸出為0，那輸入就有00、01或10這3種可能，因此無法確定輸入到底是哪一種。由于計(jì)算不能逆轉(zhuǎn)（無法根據(jù)輸出計(jì)算輸入所以AND門不屬于可逆計(jì)算。在量子計(jì)算中，所有量子門的輸入數(shù)和輸出數(shù)都是相等的，意味著量子計(jì)算是可逆計(jì)算。圖8：量子計(jì)算是可逆的 量子計(jì)算基于量子比特（Qubit）。雖然基于量子比特進(jìn)行計(jì)算，但量子計(jì)算輸入輸出仍然采用經(jīng)典比特。因此學(xué)界常用量子電路說明量子門如何控制量子信息，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。量子電路是用于量子計(jì)算的模型，是執(zhí)行量子位狀態(tài)的傳送之路，但它不同于傳統(tǒng)電路，例如：實(shí)線并不一定是物理電纜。量子電路的目的是定義事件的時(shí)間順序：水平軸是時(shí)間，左邊開始右邊結(jié)束。左邊開始的水平線是量子比特，下面的雙線代表經(jīng)典比特，一般與測(cè)量相連。量子門的可逆性同樣使得量子電路具備可逆性。因此量子計(jì)算最大特點(diǎn)在于：1）只有時(shí)間順序沒有回路（loop）；2）輸入和輸出的比特?cái)?shù)目相等。圖9：經(jīng)典的概率相加不同于量子的概率幅相加仍然是狀態(tài)|0?和|1?的均勻疊加但符號(hào)不同，可以視為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)H|0?和H|1?的總和。如果我們將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)加在一起，狀態(tài)|1?會(huì)因?yàn)闇p號(hào)而抵消，狀態(tài)|0?則因加號(hào)而增強(qiáng)。證券研究報(bào)告資料來源：科學(xué)網(wǎng)，民生證券研究院整理 基礎(chǔ)原理：光的干涉證券研究報(bào)告振幅振幅經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過電子電路運(yùn)轉(zhuǎn)起來的。使用硅制半導(dǎo)體制成的名為晶體管的小元件發(fā)揮了開關(guān)的作用，將其與金屬布線組合起來即可實(shí)現(xiàn)邏輯門，再將邏輯門集成起來就能制造出經(jīng)典計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的制造過程則要復(fù)雜許多，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)既需要量子比特，又需要執(zhí)行量子操作。量子比特所具備的波動(dòng)性（概率振幅和相位）。量子比特的波動(dòng)性來源于量子力學(xué)的性質(zhì)。因此，必須使用量子力學(xué)的現(xiàn)象來制備量子比特，不能通過其他方法對(duì)其進(jìn)行仿造。退一步說，即使使用量子力學(xué)現(xiàn)象以外的方法仿造出了量子比特，也無法利用它進(jìn)行高效的量子計(jì)算，自然也就制造不出真正的量子計(jì)算機(jī)。圖11：利用量子力學(xué)打造量子計(jì)算機(jī)量子比特00相位11物理手段實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)電路的量子比特需要利用量子力學(xué)的狀態(tài)（量子態(tài)）來制備量子比特，并通過控制量子態(tài)來實(shí)現(xiàn)量子化操作。量子態(tài)非常脆弱，在控制量子態(tài)時(shí)要避免使其遭破壞。表1：實(shí)現(xiàn)量子比特主流方式實(shí)現(xiàn)方法概要代表企業(yè)超導(dǎo)電路使用稀釋制冷機(jī)將電子電路冷卻至極低溫度(約10-2K)使其進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)量子比特。電子電路中使用了約瑟夫森元件。通過微波脈沖等手段進(jìn)行量Alibaba、D-WaveSystems囚禁離子/超冷原子使用離子阱(iontap)和激光冷卻技術(shù)對(duì)離子進(jìn)行排列，由此實(shí)現(xiàn)量子比特(囚禁離子)。通過激光照射進(jìn)行量子門操作。此外，還可以用磁場(chǎng)和激光冷卻技術(shù)囚禁中性原子來實(shí)現(xiàn)量子比特(超冷原子)。IonQ半導(dǎo)體量子點(diǎn)使用半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)(quantumdot)束縛電子來實(shí)現(xiàn)量子比特。可以應(yīng)用半導(dǎo)體集成技術(shù)。金剛石氮空位中心利用金剛石中氮空位缺陷(NV色心)上的電子自旋和核自旋實(shí)現(xiàn)量子比特。其優(yōu)勢(shì)在于可以在常溫下運(yùn)轉(zhuǎn)。光學(xué)量子計(jì)算通過非經(jīng)典光實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。目前正在研究使用連續(xù)變量和單光子的光學(xué)量子計(jì)算?；跍y(cè)量的量子計(jì)算的應(yīng)用也在研究之列。XANADU拓?fù)湫屯ㄟ^拓?fù)涑瑢?dǎo)體實(shí)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子(Majoranafermion)，由此實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)抗噪性的量子比特?；跀?shù)學(xué)上的辮論執(zhí)行量子計(jì)算。Microsoft激光光源壓縮光可由入射在特殊晶體上的激光產(chǎn)生激光光源壓縮光可由入射在特殊晶體上的激光產(chǎn)生非線性光學(xué)晶體利用光的狀態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算使用光子的量子計(jì)算機(jī)2.2以光量子為例，詳解量子獲取方式光量子技術(shù)獲取量子比特可在室溫下進(jìn)行。該方式有望通過與名為硅光子學(xué)（siliconphotonics）的光波導(dǎo)（opticalwaveguide）芯片制造技術(shù)和光纖等光通信技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。量子力學(xué)中，光既是波又是粒子。光子本身就是微弱的光，使用光子的量子計(jì)算機(jī)既可以在室溫下運(yùn)行，又與光纖通信具有良好的兼容性。通過壓縮光能實(shí)現(xiàn)量子比特。與普通的激光（相干光）相比，壓縮光能夠改變電場(chǎng)的漲落并維持特殊的光子數(shù)分布，可以說是一種使量子性得到增強(qiáng)的光的狀態(tài)。壓縮光可由入射在特殊晶體上的激光產(chǎn)生。不同于前面介紹過的線性光學(xué)法和使用共振器QED的方法，利用壓縮光可以執(zhí)行連續(xù)變量量子計(jì)算。圖12：光量子計(jì)算機(jī)演示圖圖13：使用光實(shí)現(xiàn)量子比特光量子電路使用光子充電通過光量子電路執(zhí)行量子操作03詳解量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈證券研究報(bào)告3.1量子計(jì)算軟硬件體系已經(jīng)初具雛形量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)上游主要包含環(huán)境支撐系圖14：量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、各類關(guān)鍵設(shè)備組件以及元器件等，是研制量子計(jì)算原型機(jī)的必要保障，目前由于技術(shù)路線未收斂、硬件研制個(gè)性化需求多等原因，上游供應(yīng)鏈存在碎片化問題，逐一突破攻關(guān)存在難度，一定程度上限制了上游企業(yè)的發(fā)展。量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)中游主要涉及量子計(jì)算原型機(jī)和軟件，其中原型機(jī)是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心部分，目前超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅半導(dǎo)體和中性原子等技術(shù)路線發(fā)展較快，其中超導(dǎo)路線備受青睞，離子阱、光量子和中性原子路線獲得較多初創(chuàng)企業(yè)關(guān)注，美國原型機(jī)研制與軟件研發(fā)占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)下游主要涵蓋量子計(jì)算云平臺(tái)以及行業(yè)應(yīng)用，處在早期發(fā)展階段，近年來全球已有數(shù)十家公司和研究機(jī)構(gòu)推出了不同類型的量子計(jì)算云平臺(tái)積極爭(zhēng)奪產(chǎn)業(yè)生態(tài)地位，目前量子計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用探索已在金融、化工、人工智能、醫(yī)藥、汽車、能源等領(lǐng)域廣泛開展，國外量子計(jì)算云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在后端硬件性能、軟硬件協(xié)同程度、商業(yè)服務(wù)模式等方面。證券研究報(bào)告資料來源：中國信通院，民生證券研究院幾十個(gè)量子比特幾十個(gè)量子比特3.2上游：量子芯片和稀釋制冷機(jī)是核心環(huán)境量子芯片作為量子計(jì)算機(jī)最核心的部分，是執(zhí)行量子計(jì)算和量子信息處理的硬件裝置。從材料來看，傳統(tǒng)芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，在硅材料純度上，相較于經(jīng)典芯片而言，量子芯片的要求更高。從工藝來看，量子芯片的制造工藝則更為復(fù)雜，特別是在處理超導(dǎo)材料或特殊半導(dǎo)體材料時(shí)，需要更高的工藝精度和更嚴(yán)格的環(huán)境控制。不過，超導(dǎo)量子比特受材料缺陷的影響較小，利用成熟的納米加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。英特爾在2023年6月發(fā)布了全新的量子芯片TunnelFalls，這款芯片包含了12個(gè)硅自旋量子比特，在300毫米的硅晶圓上生產(chǎn)制造，每塊晶圓上能夠?qū)崿F(xiàn)超過24000個(gè)量子點(diǎn)，從而形成可被相互隔離或同時(shí)操控的4到12個(gè)量子比特。稀釋制冷機(jī)是構(gòu)建超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵核心設(shè)備。其可為超導(dǎo)量子計(jì)算芯片提供接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境，2023年下半年，科大國盾量子向兩家科研單位交付了國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)產(chǎn)品。圖15：量子計(jì)算系統(tǒng)量子比特3.2上游：量子芯片和稀釋制冷機(jī)是核心環(huán)境當(dāng)前超導(dǎo)量子芯片是重要分支。其核心是利用超導(dǎo)材料的獨(dú)特性質(zhì)來提高量子比特的操作性能。超導(dǎo)量子芯片同樣可以看作量子芯片的一種演進(jìn)形式，通過引入超導(dǎo)技術(shù)，加強(qiáng)了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應(yīng)量子計(jì)算的需求。超導(dǎo)量子芯片主要由電容、電感與約瑟夫森結(jié)組成（超導(dǎo)狀態(tài)沒有電阻）。其中，約瑟夫森結(jié)為超導(dǎo)量子芯片的核心單元，它是超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體或者超導(dǎo)體—正常導(dǎo)體—超導(dǎo)體的三明治結(jié)構(gòu)，中間層的厚度很小，在10納米左右。超導(dǎo)電流會(huì)因隧穿效應(yīng)而穿過約瑟夫森結(jié)，其流過電流和兩端電壓并非線性關(guān)系，因此可以把約瑟夫森結(jié)簡(jiǎn)單看作一個(gè)非線性超導(dǎo)電感。超導(dǎo)量子芯片可由當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝制備，基底一般采用藍(lán)寶石或者硅，主要用到的超導(dǎo)材料是鋁或者鈮。量子芯片的制造過程主要包括生產(chǎn)量子點(diǎn)、加工成量子芯片，再進(jìn)行最后的調(diào)試。其中，量子點(diǎn)材料的生產(chǎn)是量子芯片制造的基礎(chǔ)，它們能夠在納米尺度上控制和存儲(chǔ)量子信息。然后，經(jīng)過專門的加工工藝，將量子點(diǎn)轉(zhuǎn)化為可以應(yīng)用于芯片的結(jié)構(gòu)，并與其他微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成。最后，對(duì)芯片進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，確保其性能和功能正常。圖16：超導(dǎo)量子比特電路化模型示意圖17：超導(dǎo)量子芯片生產(chǎn)工序晶圓表面生成超導(dǎo)金屬膜光刻環(huán)節(jié)晶圓表面生成超導(dǎo)金屬膜光刻環(huán)節(jié)蝕刻環(huán)節(jié)（常用硅/藍(lán)寶石）量子芯片制備完成約瑟夫結(jié)制備雙角度蒸發(fā)制備量子芯片制備完成約瑟夫結(jié)制備三層結(jié)構(gòu)約瑟夫結(jié)量子計(jì)算有望賦能千行百業(yè)證券研究報(bào)告204.1量子計(jì)算有望開啟8000億美元藍(lán)海市場(chǎng)2023年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模約47億美元，預(yù)計(jì)2035年有望超過8000億美元。據(jù)ICV，隨著量子計(jì)算技術(shù)的不斷演進(jìn)，以及AI技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子計(jì)算的應(yīng)用邊界被不斷拓展，2023年，全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到47億美元，2023至2028年的年平均增長率（CAGR）達(dá)到44.8%；2027年專用量子計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)性能突破，帶動(dòng)整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到105.4億美元，參考IBM2023年量子計(jì)算路線圖，2028年量子門數(shù)量、以及糾錯(cuò)等計(jì)算技術(shù)將達(dá)到較為成熟階段，在2028年至2035年，市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)迅速擴(kuò)大，受益于通用量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和專用量子計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，到2035年總市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到8117億美元。圖x：全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模（2021~2035）（單位：十億美元）金融、化工、生命科學(xué)領(lǐng)域有望更加受益量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展表2：量子計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景分析10年以上5-10年行業(yè)領(lǐng)域保守估值樂觀估值關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題原型3-5年金融能源與材料金融服務(wù)傳統(tǒng)能源可持續(xù)能源化工組合優(yōu)化人工智能量子模擬組合優(yōu)化人工智能+++++39407000100200100200100300+++10030012303240+++12303240生命科學(xué)制藥量子模擬組合優(yōu)化+++7401830+++290630+++290630+++300700++100200汽車航空航天與國防電子產(chǎn)品半導(dǎo)體人工智能人工智能量子模擬組合優(yōu)化因式分解量子模擬組合優(yōu)化因式分解量子模擬組合優(yōu)化++先進(jìn)工業(yè)電信量子模擬100200電信傳媒++++傳媒組合優(yōu)化100200 出行、運(yùn)輸、物流物流組合優(yōu)化+++++5001000證券研究報(bào)告資料來源：中國信通院，民生證券研究院整理2205投資建議證券研究報(bào)告23?量子計(jì)算有望顛覆經(jīng)典計(jì)算架構(gòu)，成為解決AI算力瓶頸的顛覆性力量，或成為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要抓手，建議關(guān)注國盾量子、科大國創(chuàng)、神州信息、科華數(shù)據(jù)、中國長城、光迅科技等量子計(jì)算相關(guān)標(biāo)的，以及電科網(wǎng)安、吉大正元、格爾軟件、國芯科技、浙江東方、亨通光電等量子加密通信標(biāo)的。證券研究報(bào)告2406風(fēng)險(xiǎn)提示證券研究報(bào)告25風(fēng)險(xiǎn)提示?1）技術(shù)落地不及預(yù)期：盡管量子技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些難以克服的技術(shù)障礙。量子計(jì)算技術(shù)本身非常前沿，且發(fā)展迅速，但目前仍處于研究和開發(fā)階段。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算技術(shù)的?2）行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇：隨著量子計(jì)算相關(guān)技術(shù)的普及，越來越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域，導(dǎo)致行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。量子計(jì)算是一個(gè)全球性的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，美國、中國、歐洲等地區(qū)都在積極推動(dòng)量?3）市場(chǎng)不及預(yù)期：量子技術(shù)下游應(yīng)用廣泛，但在技術(shù)成熟之前可能面臨市場(chǎng)不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)，量子產(chǎn)2626