国内外科技巨头皆布局量子计算能延续摩尔定律的神话吗？

作者：中金研究 2020-05-13 13:38:11

未来10-15年内量子计算机有望实现商业应用。

本文来自微信公众号“乐平科技视角”，作者：黄乐平闫慧辰等。

投资建议

我们认为量子计算是重要的前沿科技之一，是延续接近物理极限的摩尔定律继续发展的重要路径。量子计算的特别之处是其计算能力随着能够支持的量子比特数的增长呈幂指数2n增长。目前制约技术成熟的要素包括硬件和算法两方面。科学家认为量子计算有望在新药开发、破解密码、以及搜索等人工智能应用上得到商用。

全球来看，2019年宣布达到“量子优越性”的谷歌(GOOG.US)、IBM(IBM.US)、微软(MSFT.US)，以及美国初创公司IonQ、Rigetti在量子计算上较为领先。阿里达摩院、本源量子、量旋科技等中国公司也在积极布局。

理由

量子计算是延续摩尔定律神话的路径之一，算力随量子比特数呈幂指数2n增长。摩尔定律(集成电路上可容纳的元器件数目约每24个月增加一倍)是过去50年推动全球劳动生产率不断提升的要素之一。但未来，随着晶体管间距接近1nm传统的技术演进接近其物理极限，量子计算被认为是延续摩尔定律的路径之一。量子计算机不同于经典计算机，是一种基于量子力学原理构建的计算机，使用的量子比特利用量子态叠加原理能够同时表示0和1，使得量子计算机相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。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，量子计算机(QPU)算力随比特数n的增长呈幂指数2n增长。

目前制约技术成熟的因素包括量子比特数、相干时间和合适的算法。量子比特数和相干时间是决定量子计算机性能的两个硬件指标。量子比特数越高意味着量子计算机能够支持更大数字参与运算，单次运算处理的信息量越大。目前量子比特数最高为70+位。科学家认为量子比特位数达到100-1,000后才有望达到商用要求。相干时间代表了量子比特维持量子叠加态的时间，相干时间越长意味着能够对其进行更为复杂的运算，支持更复杂的算法。目前超导量子计算机最长相干时间为100μs。科学家认为相干时间至少要达到300μs以上才能满足商用需求。量子算法决定了量子计算机解决问题的范围。目前仅有Shor、Grove等少量量子算法可以解决破解密码里常用的质因数分解、无序库搜索等问题，可用于人工智能的量子算法依然较少。大多数专家认为，根以往的发展规律，未来10-15年内量子计算机有望实现商业应用。

量子计算在新药开发、密码、人工智能有广阔应用场景。1)新药开发：量子计算相较经典计算的优势是能够直接模拟分子中量子化的原子，从而克服经典计算模拟大分子效率较低的问题，提高药物研发效率;2)密码：Shor量子算法相较经典质因数分解算法具有并行优势，可以将大数质因数分解时间压缩至较短，威胁以RSA等非对称加密算法为基础的传统互联网技术，可能引发社会讨论;3)人工智能：量子计算具有并行计算等优势，人工智能需要涉及大量数据，两者具有天然耦合性，科学家预测量子计算有望加速人工智能发展。

竞争格局：谷歌、IBM、微软等全球领先，阿里达摩院、本源量子、量旋科技等中国企业积极追赶。美国是全球量子计算布局里较早也是较积极的国家。中国也积极推动量子计算技术，相继出台多项政策支持其产业化落地。从专利上看，谷歌、IBM、微软等美国公司在量子计算领域布局遥遥领先，本源量子等中国公司也有一定技术积累。

风险

量子计算机硬件/算法进展不及预期。

图表1: 全球人均GDP增长vs摩尔定律