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预见2024:量子信息产业技术趋势展望(附技术路径、投资方向、专利布局、科技企业布局等)

蔡雨晴

行业主要上市公司:阿里巴巴(BABA)、神州信息(000555)、浪潮信息(000977)、中兴通讯(000063)、中科曙光(603019)、国盾量子(688027)等

本文核心观点:以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术有望成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉。

引言:量子信息未来有望成为推动信息通信技术演进和数字经济产业发展的新动能

——三大领域分别提升计算处理速度、增强信息传输安全、提高传感测量精度

量子信息是指以量子力学基本原理为基础、通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等),进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。量子信息主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域,在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面,具备超越经典信息技术的潜力。

图表1:量子信息领域概况

——量子信息在众多垂直行业应用领域广泛,探索有效融合应用场景

量子信息技术已成为未来国家科技发展的重要领域之一,三大技术的分别在不同领域应用广泛,其中,量子计算基于量子力学的全新计算模式,具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力,为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案;量子测量在心脑疾病诊断、癌细胞检测、细胞显微成像等生命科学研究领域将产生重要推动作用,在微弱电磁信号检测,绝对重力与重力梯度测量,以及软硬目标探测识别等领域的发展,将为国防、工业、地质、环保等众多垂直行业应用赋能;量子通信在信息安全领域探索有效融合应用场景。

图表2:量子信息技术的(潜在)应用场景及领域

技术路线:量子信息技术发展路径与支撑体系

从技术路线发展来看,量子信息三大技术领域在研究发展水平,技术实用化程度,产品工程化能力和产业化应用前景等方面各有差异,如下图所示。量子信息技术的研究和应用仍面临一些共性关键技术和核心问题瓶颈需要进一步攻关突破。例如,量子通信中的高品质量子态光源,高效纠缠制备分发及探测,高性能单光子探测,以及量子态存储与中继技术等;量子计算中的高维纠缠态制备与操控,高品质样品材料制备,超低温和磁场隔离环境,高精度操控测量系统等;量子测量中的高精度操控系统和集成化隔离屏蔽环境等。上述基础共性关键问题研究的攻关和突破,是量子信息技术进入实用化和产业化主要控制性因素。

从技术支撑体系来看,中国量子信息创新单元主要包括量子光学与光量子器件国家重点实验室、信息光子学与光通信国家重点实验室等国家重点实验室;湖北省量子科技产业投资基金、中国互联网投资基金等产业投资基金;GB/T 42829-2023《量子保密通信应用基本要求》、GB/T 42565-2023《量子计算 术语和定义》等技术标准。

图表3:量子信息技术发展路径与支撑体系

量子信息专利技术布局:中美日为主要技术来源

——量子通信为量子信息专利技术布局重点,申请热度和布局广度较高

从量子信息专利技术申请的热度来看,量子通信具备较高的专利申请热度,专利申请总量达57726项,申请人数量达26064个;从技术跨度来看,量子通信和量子测量跨技术专利申请量较多,技术跨度分别达246个和252个IPC小类;从技术市场覆盖广度来看,量子通信专利技术覆盖70个以上国家和地区,量子计算和量子测量技术均覆盖40个以上国家和地区,说明这些技术受到全球范围内的关注和研究。

图表4:2023年全球量子信息技术专利情况对比(单位:项,个)

注:1)搜索关键词:量子计算、量子通信、量子测量技术路线相关关键词;2)搜索范围:标题、摘要和权利说明;3)统计截至日期:2023年11月17日。下同。

——美国、中国、日本为量子信息主要技术来源

从专利地域分布来看,量子计算、量子通信和量子测量技术专利前三技术来源地均为中国、美国、日本,说明三个国家在量子信息领域技术创新活跃。在政府主导下,中国量子信息技术的基础科学和系统研发力量正快速成长,并成为与美欧并驾齐驱的竞争者。从申请人国别来看,量子计算、量子通信和量子测量专利前十申请人也多为中国、美国和日本企业。

图表5:2023年全球量子信息技术专利地区和前十申请人分布(单位:%)

量子信息科技企业技术与研发布局:量子通信和量子计算为重点方向

——科技企业大多布局量子通信与安全领域,量子计算朝商业化推进

当前,量子信息是我国抢占未来产业制高点的战略领域之一,或将引领新一轮科技革命和产业变革方向。我国科技企业高度重视量子科技的研究与发展,量子科研成果不断增加。其中,量子通信领域的创新活力竟相奔涌,国内目前已发布高速量子密钥分发设备、量子卫星小型化地面接收站、单光子探测器等核心产品。中国作为率先部署大规模量子保密通信网络的国家,为了推动量子保密通信网络的进一步发展和产业链成熟,正在尝试建立完整的网络运营模式,由专业的量子保密通信网络运营商,构建广域量子保密通信网络基础设施,为各行业的客户提供稳定、可靠、标准化的量子安全服务。此外,华为、腾讯、阿里等企业提前布局量子计算,从现阶段来看,量子计算机正处于从研发开始往工程化、商业化方向前进。

图表6:量子信息科技企业技术及应用领域布局

注:以上排名不分先后,仅汇总行业内部分代表性科技企业。

——量子计算、量子通信为中国量子企业重点研发布局方向

从量子产业细分领域的角度看,量子计算芯片是目前量子计算领域最具有市场潜力的研究方向之一,截至2023年,研究超导量子路线的企业占比50%,研究光量子路线和离子阱量子计算企业分别占比25%。此外,量子通信与安全领域的企业也较多,其中,89%的业务涉及量子保密通信,11%涉及抗量子密码(PQC)。

图表7:截至2023年中国量子信息企业研发领域细分(单位:%)

注:数据截至2023年4月。

量子信息技术投资重点赛道:量子软硬件、量子通信系统为重点关注领域

从量子信息技术方向上看,全球重点投资量子软件、量子硬件等细分技术领域,投资额占比分别为22.53%、18.21%,此外,Enabling technologies、量子计算、量子通信等也为重点关注领域。

图表8:截至2023年全球量子信息技术投资赛道分布(单位:%)

量子信息三大领域科技与创新快速发展,成为投资布局热点

综合来看,量子信息产业当前技术成熟度整体较低,在量子计算领域,现阶段量子计算的研究发展水平距离实用化仍有较大差距;在量子通信领域,进入实用化阶段的量子密钥分发主要面向信息安全领域应用;在量子测量领域,原子钟、核磁共振陀螺和单光子探测等基于已有技术平滑升级演进的量子测量方向发展更加成熟,实用化水平更高。整体来看,量子技术正处在产业化的初期阶段,但未来具有广泛的应用潜力。

当前,全球量子信息产业培育进入起步期,逐渐成为风险投资的新风口。量子信息产业的发展主要以企业为主力军,以产学研合作的形式进行开发,正在形成科技巨头争相进入和初创公司蓬勃发展的局面。

图表9:量子信息技术投资潜力评估

注:评估星级自一星至三星,星级越高,代表从该指标来看,技术投资潜力越大,☆代表半星。

量子信息技术发展趋势与目标

——围绕三项科技攻关任务

根据《“十四五”规划纲要和2035年远景目标纲要》,“十四五”期间,我国量子信息领域的科技攻关任务围绕量子通信技术研发、量子测量技术突破和量子计算的产品研制。

图表10:“十四五”时期中国量子信息产业发展重点

目前,国家层面的量子信息产业发展规划暂未出台,参考中国信通院对量子信息领域的发展定位及应用前景,“十四五”期间,我国量子信息产业的发展目标各有不同、各有侧重。其中,量子计算侧重于突破经典计算极限的算力飞跃、量子通信技术侧重于服务经典通信加密、量子测量注重实现物理量测量和信息获取的精度、分辨率、稳定度等。

图表11:量子信息三大领域的发展定位及应用前景

——量子信息研发不断取得突破,将进一步推动成果应用及产业生态构建

近年来,量子信息三大领域技术科研加速发展,技术创新活跃,亮点成果不断涌现,标准化研究取得阶段性进展,应用场景探索广泛开展,将成为未来重大技术范式变革和颠覆式创新应用的新源泉。

图表12:量子信息技术发展趋势

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国量子通信行业市场前瞻与投资策略分析报告》。

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