《量子技术及市场-2020版》
2020-01-31 20:30:23   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

本报告主要研究的量子技术包括量子计算、量子密码和量子传感,其整体市场规模将从2018年的近5亿美元增长到2030年的约32亿美元,复合年增长率(CAGR)为17%。

Quantum Technologies 2020

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量子技术正朝着商业化方向发展。

颠覆性的量子技术,亟需解决商业化问题

据麦姆斯咨询介绍,量子技术正处于众多应用和领域的十字路口,涉及系统工程、材料研究、低温技术、软件、半导体和光子学等。虽然量子技术仍处于早期阶段,但是潜力巨大。过去,我们见证了第一次量子革命:求解薛定谔方程并取得辉煌成果,成功研制基于量子力学原理的激光器、晶体管等半导体器件,将人类社会引入繁荣的信息时代。如今,我们正进入第二次量子革命,需要开发基于量子特性本身的新型器件,从而形成基于光子、电子、原子或分子的未来量子系统。

量子技术,特别是量子计算正在兴起。量子计算定义那些反映量子行为的计算概念。量子计算最基础的概念是量子位元(qubit,又称为:量子位、量子比特)。在量子计算中,量子位元表示一个量子信息单元,与经典电子计算机的比特位(bit)类似。比特位保存单个二进制值(0或1),而量子位元的状态则可以是0和1的同时叠加。对量子位元进行度量这个行为本身会改变量子位元状态。进行度量时,量子位元会从叠加态变为经典状态之一(0或1)。多个量子位元也可以纠缠在一起。度量一个纠缠的量子位元时,就会知道另一个量子位元的状态。

经典状态 vs. 量子状态

经典状态 vs. 量子状态

随着人类社会对信息处理的需求越来越高,以半导体为基础的经典电子计算在性能提升方面面临瓶颈,无法突破量子效应挑战。量子计算是量子力学与计算机科学相结合的一种新型计算方式,以微观粒子构成的量子位元为基本单元,具有量子叠加、纠缠和相干特性,通过量子态的受控演化实现信息编码和计算存储,具有经典电子计算技术无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力,且随着量子位元数量的增加,其计算及存储能力还将呈指数级规模扩展。

但是,量子计算还存在许多问题:

(1)“哪种量子位元技术会受到青睐?”仍在争论之中。在保真度(fidelity)、一致性(coherence)和可扩展性(scalability)等方面,各种量子技术都有优点和缺点,并且研究状态各异。

(2)量子技术正在研究和开发,在量子计算机的竞争之中可以找到最新量子位元技术。

(3)为了使量子计算技术得到广泛应用,我们需要降低技术成本,并缩小产品尺寸。

(4)量子计算的业务模式尚未定义。正在开发量子计算机的谷歌(Google)、苹果(Apple)、脸书(Facebook)、亚马逊(Amazon)和微软(Microsoft)等大公司会提供“量子即服务”(Quantum as a Service,QaaS)吗?或者他们会把它留作内部发展之用?另外,创新软件公司会出现吗?

虽然量子计算正在商业化进程之中,不过仍面临着诸多挑战。例如,量子位元控制必须达到足够的保真度、一致性和可扩展性。低温控制对实现量子计算也至关重要,因为在向处理器发送控制和读出信号的过程中,每个阶段都需要保护量子位元免受热噪声的影响。当然,量子计算还需要特定的算法。量子算法旨在利用量子的特性和行为来加快经典算法的速度,或者提供全新的物理系统建模方法。这些算法利用了量子位元的信息编码方式以及对多个处于叠加态的纠缠量子位元进行操作的并行特性。

我们今天是否正处于量子计算的早期阶段?就像70年前我们对半导体的研究一样?也许是吧!但这两种技术之间有很大的差异。首先,没有明确定义量子计算机的体系架构,而经典电子计算机则由约翰·冯·诺依曼(John von Neumann)定义了其体系架构。其次,可扩展性仍然是量子位元制造的一个重要问题。

一款量子计算机的体系架构示意图

一款量子计算机的体系架构示意图

此外,我们目前不能说未来在量子计算领域会存在类似电子计算领域的“摩尔定律”。然而,量子技术现在正处于工程阶段。低温、软件和量子位元制造等方面的发展可以加速量子计算机的商业化进程。我们相信量子技术具有颠覆性,非常值得关注最新量子技术、用例、供应链和商业模式的演变!这就是我们决定撰写并发布这份报告的重要原因。

本报告主要研究内容

本报告主要研究内容

2030年量子技术的市场规模将超过32亿美元

本报告主要研究的量子技术包括量子计算、量子密码和量子传感,其整体市场规模将从2018年的4.8亿美元增长到2030年的32.55亿美元,复合年增长率(CAGR)为17%。Yole分析师估计,量子计算硬件市场规模目前约为3000万美元,主要用于量子退火(Quantum Annealing),到2030年将增至6.5亿美元。量子退火是一种量子涨落特性的次经验算法,可以在目标函数拥有多组候选解答的情况下,找到全局最优解。量子退火主要用于解决离散空间有多个局部最小值的问题(组合优化问题),例如寻找自旋玻璃的基态。另外,预计2030年,“量子即服务”(QaaS)市场将达到13.7亿美元。如下图所示,量子技术的市场增长将在2025年之后起飞,因为未来将发布可商用的量子计算机和量子通信的新用例。

2020~2030年量子技术市场预测

2020~2030年量子技术市场预测

量子计算应用领域

量子计算应用领域

在经典电子计算机中,比特位对应于硅基电路中的电压水平。而量子计算硬件可以通过许多不同的量子位元来实现:捕获离子、超导、中性原子、电子自旋、光极化、拓扑量子位元等。量子硬件是一项新兴的技术,并且量子位元本身是脆弱的,在与环境交互时将变得不那么连贯。需要平衡系统的保真度和可扩展性。

各种量子位元技术展示

各种量子位元技术展示

应用于量子计算机的量子位元技术路线图

应用于量子计算机的量子位元技术路线图

微软(Microsoft)正在开发基于拓扑量子位元的量子计算机,他们认为拓扑量子位元受其环境变化的影响较小,因此降低了外部纠错的程度。拓扑量子位元具有更高的稳定性,并且不容易受到环境所影响,这意味着它们更容易扩展,并保持更长的可靠时间。此外,微软还引入了开源量子开发工具包(QDK)来简化量子编程和算法开发。

2019年发生了量子计算领域的里程碑事件:谷歌(Google)在被称为“量子优越性(Quantum supremacy)”方向上的重大突破研究,登上了《自然(Nature)》杂志150周年版的封面。它或许标志着量子计算正在走向商用化:谷歌已经利用一台拥有54个量子位元的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务。在世界第一的超级电子计算机需要计算1万年的实验中,量子计算机只用了3分20秒。

谷歌首席执行官(CEO)桑达尔·皮查伊和圣芭芭拉实验室中的谷歌量子计算机

谷歌首席执行官(CEO)桑达尔·皮查伊和圣芭芭拉实验室中的谷歌量子计算机

“量子优越性”实验的成功归功于谷歌改进了具有增强并行性的双量子位元门,即使同时操作多个门,也能可靠地实现记录性能。谷歌使用一种新型的控制旋钮来实现这一性能,该旋钮能够关闭相邻量子位元之间的交互。此举大大减少了这种多连通量子位元系统中的误差。此外,通过优化芯片设计来降低串扰,以及开发避免量子位元缺陷的新控制校准,谷歌进一步提升了性能。

谷歌Sycamore量子处理器

谷歌Sycamore量子处理器

中国近年来开始加大对量子计算的重视程度,在科研布局和企业投入方面取得一定成果。以中国科技大学、浙江大学和清华大学等为代表的研究机构在量子计算原理实验和样机研制等方面取得一定研究成果。例如,2017年中国科技大学和浙江大学联合宣布基于超导量子计算方案实现了10个量子位元的纠缠操控。2017年9月,中国科技大学成立了中国首个量子计算初创企业——合肥本源量子计算科技有限公司,开展量子计算芯片、测控系统、软件等方面的研发。2017年10月,清华大学、阿里巴巴和本源量子各自发布了基于不同物理体系的量子计算云平台。

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)市场在2019年达到6800万美元,2030年将增至7.86亿美元。量子密钥分发是利用量子力学特性实现密码协议的安全通信方法。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,来加密和解密消息。它常常被误称为量子密码学,因为其是量子密码学任务中最著名的例子。量子密钥分发的一个最重要的,也是最独特的性质是:如果有第三方试图窃听密码,则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理:任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码,必须用某种方式测量它,而这些测量就会带来可察觉的异常。

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。与传统的通信方式相比,量子通信最大的优势就是极高安全性和高效率性。2019年,SK电讯公司宣布将在世界上首次将向光的最小单位“光子”传送密码的量子通信技术应用于第五代(5G)移动通信。

量子网络(Quantum Network)是指在多个通信节点间,利用量子密钥分发进行安全通信的网络。各节点间产生的量子密钥可以对传统的语音、图像以及数字多媒体等通信数据进行加密和解密。世界上已有美国、欧洲、中国等多个研究小组和机构致力于量子通信网的研发。欧洲日内瓦大学和康宁玻璃公司合作建造的量子通信光纤网络全长为307公里。2017年9月29日,世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通。当日结合京沪干线与“墨子号”量子卫星,成功实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。

量子传感(Quantum Sensing)市场将从2019年的4亿美元增长到2030年的5.45亿美元。基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感。在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态,最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术,可以进一步提高测量的灵敏度。作为新兴的研究领域,量子传感是量子信息技术的重要组成部分。量子传感除了可以突破经典力学极限的超高测量精度之外,还可以抵抗一些特定噪声的干扰。目前,超导量子干涉器件(SQUID)、量子重力仪、量子磁力计、量子陀螺仪、量子原子钟等量子器件正在蓬勃发展。量子传感器主要用于诸如地球物理学和科学研究之类的高端领域。随着超导体技术的发展,超导量子干涉器件在石油勘探、矿物勘探、地震预测和地热能调查中的应用正变得越来越普遍。

量子计算领域的竞争愈发激烈

回顾过去三年,大量的私人和公共投资证明了量子计算的高活跃度。此外,由于量子技术被视为国家优先战略,世界顶级大国纷纷投资量子相关项目:美国将在五年内投资12亿美元,欧洲在10年内投资12亿欧元(尤其是在英国和法国),中国也宣布了巨额投资计划。量子计算是一个竞争激烈的领域,各国的发展状况也不尽相同。如今,北美的量子位元和软件数量处于领先地位。欧洲在低温技术方面很强大,这是量子计算机发展的关键部分。中国紧随西方之后,目前可能实现了20~30个量子位元的纠缠操控。日本富士通(Fujitsu)研发出模拟量子计算的数字退火技术及芯片、服务器。

量子技术领域的公开投资情况,超过160亿美元

量子技术领域的公开投资情况,超过160亿美元

量子技术领域的公司分布情况(包括量子计算、量子通信、量子传感、量子软件及其它)

量子技术领域的公司分布情况(包括量子计算、量子通信、量子传感、量子软件及其它)

可能很多人认为要实现量子计算的商业化至少要十年以上,但随着富士通的数字退火量子计算芯片的落地,以及英特尔在硅基自旋量子位元技术的突破,同时中国也展示了半导体量子计算的发展,量子计算或许可能提早通过半导体工艺走进寻常百姓家。

富士通与加拿大多伦多大学合作开发了数字退火器,作为需要精心控制低温环境才能发挥作用的D-Wave量子退火计算架构替代品,富士通采用传统的半导体技术,该技术可在室温下工作,并可贴装在足够小的PCB电路板上,以便集成到数据中心的机架中。

基于半导体工艺的数字退火量子处理芯片,已经应用于富士通的云服务器

基于半导体工艺的数字退火量子处理芯片,已经应用于富士通的云服务器

英特尔(Intel)与荷兰QuTech公司合作推出了基于硅芯片的可编程双量子计算器,采用的是自旋量子位元。自旋量子位元的优点是不需要苛刻的环境条件,如极低温。本质上自旋量子位元是受微波脉冲激活的电子。而基于硅自旋量子位元的独特优势,在于其乃是在电子层面操作,因此能够与现有的计算工作平台紧密配合。

在硅芯片上实现双量子位元的量子处理器

在硅芯片上实现双量子位元的量子处理器

量子计算市场目前分为两大类公司及产品:

第一类,D-Wave公司和富士通生产的量子退火器。在过去的七年中,D-Wave公司已经交付了四代系统。

第二类,开发通用量子计算机的公司,如谷歌、IBM、Rigetti、IonQ、英特尔、ATOS和阿里巴巴。

量子技术供应链情况

量子技术供应链情况

本报告涉及的部分公司:1QBit, A*Quantum, A.P.E., Alibaba, Alice&Bob, Alpine Quantum, Amazon, Ankh.1, Anyon Systems, ApexQubit, AppliedQubit, Artiste-qb.net, AtomComputing, AtomSensors, Atos, Aurea Technology, Aurora Quantum Technologies, Automatski, Axion Technologies, Beit.tech, Black Brane System, Bleximo, BlueFors Cryogenics, Bosch, Boxcat, Bra-Ketscience, BraneCell, Cambridge Quantum Computing, Coax Co., ColdQuanta, ColdQuanta, Cryoconcept, Cryomech, Cryptalabs, Cryptomathic, CryptoNext Security, D slit technologies, Delft Circuits bv, Deutsche Telekom, D-wave, EeroQ, Elyah, Entanglement Partners, Entanglement Technologies, Entropica Labs, EvolutionQ, Fathom Computing,Fujitsu, Google, GTN LTD, h-bar, Honeywell, Horizon, HP, HQS, Huawei, HyperLight, IBM, ID Quantique, imasenic, InfiniQuant, Intel, Intelline, ionQ, IQM, Isara, Jos Quantum, Ketita Labs, KETS Quantum Security, KETS Quantum Security, Kiutra, Labber Quantum, LightOn, Lockheed Martin, Luminous, MagiQ, MDR, Microsoft, M-Labs, Msquared, Multiverse Computing, Muquans, Netramark, NQCG, Nu Quantum, NuCrypt, ONERA, Origin Quantum Computing, Orolia, Oxford Instruments, Oxford Quantum Circuits, Pasqal, Phase Space Computing, PhaseCraft, Photec, PhotonSpot, Post Quantum, ProteinQure, PsiQ, PTB, Qandi, Qasky, Qbitlogic, Qblox, QC Ware, Q-ctrl, QEYnet, Qilimanjaro, Qindom, Q-Lion, QLM, Qnami, Qontrol Systems, Qrithm, Qrypt, Qu&Co, Quandela, Quantastica, QuantFi, QuantiCor Security, Quantika, Quantopo, Quantum Benchmark, Quantum Benchmark, Quantum Circuits Inc, Quantum Communications Hub, Quantum Factory, Quantum Impenetrable, Quantum Machines, Quantum Motion Technologies, Quantum Phi, Quantum Xchange, QuantumCTek, QuantumX, Quartiq, Qubalt , Qubit Reset LLC, Qubitekk, Qubitera LLC, QuDot, Quintessence Labs, QUiX, Qulab, Qunasys, Qunnect, Qunulabs, QuPIC , Quside, QuSpin, QxBranch, Rahko, RayCal, Raytheon, Rigetti Computing, Riverlane, Scontel, Seedevices, SeeQC.EU, SHYN, Silicon Quantum Computing Pty. Ltd, Single Quantum, SK Telecom, SoftwareQ, Solid State AI, Sparrow Quantum, SpeQtral, Strangeworks, Supracon, Syrlinks, TMD, Tokyo Quantum Computing, Toptica, Toshiba, Trustis, TundraSystems global ltd, Turing, TwinLeaf, Universal Quantum, VectorAtomic, Xanadu, Xofia, Zapata Computing, ZY4…

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