中金公司：政治局集体学习量子科技 关注相关产业战略性发展机遇

2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。薛其坤院士就量子科技进行了汇报。习近平主席指出要找准我国量子科技发展的切入点和突破口，统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势。
中金观点：中金科技研究团队过去一年持续发布量子科技相关研究成果。正如我们在《数字经济未来篇》《2020年AI大报告》《前沿科技#2：量子计算》等报告中指出，量子计算有望加速新药开发/颠覆密码学和互联网/加速人工智能，量子通信能够保障政府/金融等部门通讯信息的绝对安全。我国在量子计算和美国还存在一定差距，但本源量子/量旋科技等公司已经有所布局。我国在量子通信位居世界第一梯队，国盾量子/神州数码等公司参与量子通信网络建设。我们认为量子技术属于前沿技术之一，当前正处于从科研走向应用的关键时期，此次会议召开有望加速国内量子计算/量子通信发展，建议关注相关产业战略性发展机遇。
量子科技基于量子力学奇妙原理，有望引领新一轮科技革命和产业变革。
量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机。量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特（qubit）能够同时表示二进制中的0和1，从而相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。在解决实际问题的过程中，CPU采用“串行”计算，即将一个问题的若干部分按照顺序依次进行运算；GPU采用“并行”计算，即将一个问题拆成若干个小问题后，同时对每个小问题的一部分进行运算；QPU则利用量子叠加性快速遍历问题的各种可能性并找到正确答案。形象地说，CPU算力随比特数n的增长呈线性n增长，GPU算力随比特数n的增长呈平方次n×n增长，QPU算力随比特数n的增长呈幂指数2n增长。
图表: CPU、GPU、QPU概念及原理对比

 
资料来源：CSDN，中金公司研究部

为具体说明量子计算机的高效性，我们假设存在一个同时适用CPU、GPU、QPU解决的问题。理想状态下，如果基于CPU开发的经典算法时间复杂度为O（N2），那么经过GPU并行计算优化后运行时间就会降为O（N），而基于QPU开发的全新量子算法时间复杂度仅为O（1）。实际运行中，CPU向GPU传输数据等操作需要消耗一定时间，QPU为获得运行结果的概率分布所做的多次观测也需要消耗一定时间。问题规模较小时CPU实际运行时间有可能较小，但是随着问题规模的增大，最终运行时间将呈CPU>；GPU>；QPU排列。
图表: CPU、GPU、QPU计算效率对比——针对CPU算法时间复杂度为O（N2）的问题

资料来源：CSDN，中金公司研究部 注：本图仅作概念性说明“量子优越性”

目前，量子计算机硬件设备的技术路线仍然没有统一，不同的公司和科研机构尝试着不同的技术方案，科学家认为超导计算机和离子阱计算机可能有望最先实现商业应用。除了硬件设备，量子算法及相关软件也需要丰富。从以往的发展经历来看，大多数专家都认为，未来10-15年内量子计算机有望实现商业应用。关于量子计算机进入商业应用的具体条件现在还难以预测，但我们认为量子比特位数、错误率、相干时间等参数具有较高的参考价值。
图表: 量子计算机的主流技术路线

 
资料来源：中国计算机学会青年计算机科技论坛，中金公司研究部 注：本图表时间节点为2020年4月

图表: 量子计算机算力随量子比特数的增长而增长，随错误率的减少而增长

 
资料来源：IBM官网，中金公司研究部 注：本图表时间节点为2019年

图表: 主要科技巨头在量子计算的布局

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

图表: 量子计算发展历史

 
资料来源：IBM官网，Google官网，中金公司研究部

目前，用于分解质因数的Shor量子算法、用于无序数据库搜索的Grover量子算法均已在理论上被证明算法复杂度优于经典算法。科学家认为量子计算未来有望：
1）加速新药开发，量子计算天然擅长模拟分子特性，有望通过计算机数字形式直接帮助人类获得大型分子性状，较大缩短理论验证时间，COVID-19疫苗、抗癌药物有望得到加速开发。
2）颠覆密码学和互联网，Google于2012年成功分解21得到3和7，是目前能够分解的最大数字，距离破解RSA加密算法仍有不小距离。虽然对于互联网加密信息的破译要在多年之后才能完成，但一种可行的方法是先将目前的重要的加密信息（比如重要商业合同）“窃听”后保存下来，等量子计算硬件成熟后再实现破译。在量子计算的“威胁”之下，以政府、金融为首的机构将考虑使用量子通信等技术进一步加密保护信息的传输。
3）加速人工智能，今天人工智能已经逐步改变我们的生活，但人类对于人工智能的期待远不止于此，实现更深层次的人工智能是未来发展方向。未来，随着量子计算硬件设备的成熟完善以及量子人工智能算法的发展，量子计算有望助力实现深度人工智能场景。
图表: 量子计算应用案例

量子通信分为量子密钥分发（QKD）和量子隐形传态两大技术。目前量子隐形传态技术仍处于实验室阶段，已经进行实际应用的为量子密钥分发技术。与传统密码技术“不是不能破解，只是很难破解”不同，量子密钥分发技术的优势在于其具有理论的完备证明，可以抵抗任意的量子计算和非量子计算破译威胁。
全球量子计算呈现“一超多强”格局。
美国是量子计算布局里较早也是较积极的玩家之一，美国公司持续引领硬件设备最尖端技术。2019/10，Google宣布其53-qubit超导量子计算机实现“量子优越性”。2020/8，IBM宣布其27-qubit超导量子计算机成功实现QV64[4]。2020/9，Honeywell宣布其离子阱计算机成功实现QV128。2020/9，IBM宣布计划2023年制造出1,121-qubit量子计算机。此外，德国、英国、日本等国也相继出台了量子计算领域的发展规划。
图表: 全球量子计算发展相关政策

 
资料来源：各国政府官网，中金公司研究部

　　中国政府也在积极推动量子计算技术，先后启动“自然科学基金”、“863”计划和重大专项等科研项目，多次提及量子计算的战略地位，支持量子计算的技术研发和产业化落地。我国企业也在量子计算硬件/算法/软件等方面积极追赶。2020/9，本源量子自主研发的量子计算云平台正式向全球用户开放，该平台基于本源量子自主研发的6-qubit超导量子计算机悟原。2020/10，量旋科技发布量子云平台“金牛座”，后端连接其自主研发的NMR量子计算机。
图表: 中国量子计算发展相关政策

资料来源：各政府官网，中金公司研究部

此次会议召开后，我们认为产/学/研各界有望进一步提高对量子计算的重视，加紧技术研发及相关产业投资。
图表: 量子计算布局主要公司

 
我国量子通信在全球处于领先水平。

量子通信目前已具初步商用条件，在我国政府/金融等部门的推动下，我国已经建成全球规模最大量子通信网络。在高端需求、政策驱动下，政府（合肥/济南/武汉/海口/贵阳等政府部门）、金融（人民银行/工商银行/中国银行/建设银行/农业银行/浦发银行/徽商银行等金融机构）、能源（国家电网）等部门/机构逐步开启量子通信网络投资建设浪潮。国盾量子/神州数码等企业参与建成京沪干线/武合干线/北京城域网/上海城域网等地面量子通信网络，中国科学技术大学牵头研制的“墨子号”量子通信卫星可支持天地量子通信。截至2018年末，我国已建成的实用化光纤量子保密通信网络总长（光缆皮长）已达7,000余公里。未来，我们认为在当前全球各国持续加码布局量子计算的趋势下，网络信息安全形势日益严峻，我国量子通信网络有望加速布局。
图表：京沪干线/“量子号”卫星广域量子通信示意图

量子计算硬件/算法/软件研发不及预期；量子通信投资不及预期。

来源：中金公司