量子信計算與量子通信技術前瞻及市場分析

1、第二次量子技術革命爆發在即

量子科學是 20 世紀最為重要的科學發現之一，自問世以來先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術。進入 21 世紀之后，人類對微觀粒子系統的觀測和調控技術不斷突破和提升，使得從量子觀察到量子調控成為可能，這為即將爆發的第二次量子科技革命提供了很好的基礎，而這次第二次量子科技革命的主角就是以量子計算和量子通信為主的量子信息技術。為了搶占量子科技的國際話語權，各國競相出臺相關政策和提供資金支持量子信息發展，行業在政策和資金的推動下有望實現快速發展。

1.1、量子信息科學概述

量子信息技術是量子物理與信息科學交叉的新生學科，其物理基礎是量子力學。基于量子特性，量子信息技術可以突破現有信息技術的物理極限，在信息處理速度、信息安全性、信息容量、信息檢測精度等方面將會發揮極大的作用。量子信息技術主要的應用領域包括量子計算、量子通信和量子測量等。

量子科學是 20 世紀最為重要的科學發現之一，自問世以來先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術。進入 21 世紀之后，人類對微觀粒子系統的觀測和調控技術不斷突破和提升（如激光原子冷卻、單光子探測和單量子系統操控等技術），利用量子力學中的疊加態和糾纏態等獨特物理特性進行信息的采集、處理和傳輸已經成為可能，量子科技革命的第二次浪潮即將來臨。人類對量子世界的探索已從單純的“探測時代”走向主動“調控時代”，第二次量子科技革命將催生量子計算、量子通信和量子測量等一批新興技術，量子科技的革命性發展，將極大的改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力，為未來信息社會的演進和發展提供強勁動力。

1.2、各國政策支持助推量子信息科學快速發展

量子技術研究已成為當前世界科技研究的一大熱點。國際社會紛紛加大研發力度和投入，力爭搶占技術制高點。2013 年，日本成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，計劃未來 10年投入400億日元在量子信息技術的研發。2014 年，英國設立“國家量子技術計劃”，每年投資 2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發中心，在大學和企業之間形成緊密的合作關系。2016年，歐盟宣布了 10 億歐元的“量子技術旗艦計劃”（為期 10 年），重點在通信、計算、傳感和模擬 4個量子技術領域加大投入。 作為全球量子技術最領先的美國，近十年來也一直持續加大在量子技術的研發投入力度，已通過“量子信息科學和技術發展規劃”等項目，每年投入月 2億美金在量子信息各領域的研究；2018年6月推出《國家量子行動計劃（NQI）》法案，計劃在 10年內撥給能源部、國家標準與技術研究所和國家科學基金 12.75億美元，全力推動量子科學發展。

為搶占第二次量子技術革命的制高點，我國近年來對量子信息技術的重視和支持力度也逐漸加大，先后推出“自然科學基金”、“ 863”計劃和重大專項等來支持量子信息的研究和應用。

1.3、量子信息底層基于量子特性

量子信息的基本原理：量子比特、量子疊加和量子糾纏

量子比特：比特是經典計算機信息的基本單元，要么0，要么1。量子比特是量子計算機的最小儲存信息單位，一個量子比特可以表示 0也可以表示 1，更可以表示 0和 1的疊加，即可處在0和1兩種狀態按照任意比例的疊加（但是在運行過后才能中要保護好量子的疊加性和相干性），因此量子比特包含的信息量遠超過只能表示0和1的經典比特。

量子疊加：就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。

量子糾纏：這是指兩個量子糾纏在一起時，其中一個會影響另一個，并且這種與距離等沒有關系。操控一個量子的時候，另外一個量子也會受到相應的影響。簡而言之，兩個量子無論離得多遠，都能產生一種關聯性的互動。比如兩個人腦建立糾纏關系，一個人想家的時候。另一個人立刻就能感應到想家，這種糾纏的速度，已經超越了光速。

2、量子計算機將重構未來計算

量子計算機相比傳統計算機在并行計算和量子模擬上具備天然優勢，未來將逐步應用于需要進行大數據分析和質因數分析的領域，如加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智能、太空探索等領域。目前量子計算的研究和應用還是以美國主導為主，我國還停留在研究階段。但由于高端計算方面具備天然優勢，整體市場潛力巨大。

2.1、量子計算機與傳統計算機的區別

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

量子計算機的一般工作原理分為數據輸入、制備初態、幺正操作、量子測算、輸出結果等幾個步驟，其中幺正操作需要使用量子算法進行量子編程，具體工作流程如下圖。

量子計算機并不是傳統計算機的加強版，他們使用的是不同的技術原理，主要區別有以下幾方面：

1、最大的不同點是運算方式不同，傳統計算機的運算單位是比特，即我們常說的二進制中的 0和 1。而量子計算機的運算單位是量子比特，是疊加狀態，可能是 0，可能是 1。

2、基于量子糾纏的原理，量子計算機可以同時進行多條線路的并行運算，這意味著它可以同時分析所有可能性，這也是量子計算機超強信息處理能力的源泉。如同在一堆名片里面尋找出某個名字，傳統計算機是通過一張張分析的方式，而量子計算機（有一種 Grove算法）是同時進行掃描多張名片，給出每張名片為“正確”的概率。迭代幾次之后，目標名片的累計概率會比別的名片都高。即使運行多次，這種算法也比經典搜索快很多。數據庫越大，其優勢越大。

3、量子計算可以通過幺正變換實現可逆計算。

2.2、國內外資金加速涌入量子計算機領域

1920年，愛因斯坦等人首次創立量子力學。1981年，諾貝爾物理學家費曼首次提出量子計算機的概念，指出通過應用量子力學效應，能大幅提高計算機的運算速度，經典計算機需要幾十億年才能破譯的密碼，量子計算機在 20分鐘內即可破譯，從首次提出到現在量子計算理論已經發展了 30多年。1994 年，貝爾實驗室證明了量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝于傳統計算機，這也是量子計算理論提出后第一次成功實驗。

自此，各界發現量子計算機的可行性，往后的十幾年，大量資本開始進入量子計算研究領域，量子計算機逐步由“實驗室階段”向“工程應用階段”邁進。2007年，初創公司加拿大 D-WAVE系統公司宣布研制成功 16位量子比特的超導量子計算機；之后，微軟、谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進軍量子計算機科研和應用領域。

而在各個國家中，美國在量子計算的綜合實力全球領跑，目前已形成了政府、科研機構、產業和投資力量多方協同的良好局面。其他國家基本上以緊密跟隨為主。

我國量子計算目前還是以理論研究為主，參與者主要是以科研機構、高校為主，但是近年來我國量子計算的研究發展迅速，我國在高水平 SCI論文數量總量上已經僅次于美國。我國量子計算剛剛從基礎研究邁入技術積存和集中攻關的階段，在產品工程化及應用推動方面與美國科技巨頭存在明顯的差距，國內僅一家初創企業，但是這兩年阿里巴巴、百度和華為等科技巨頭先后關注和加大量子計算領域的投入。

2.3、重構世界：量子計算機的未來

量子計算機不會取代經典計算機，但將會在執行對現有計算機來說太過復雜的任務方面表現出眾，特別是那些需要在大數據里面展開搜索和對大數進行質因數分解的任務。這是因為基于量子疊加和量子糾纏的內在特性，量子計算機可以實現快速的并行計算和量子行為模擬，從而重新定義程序和算法，這就使得它能夠在一些特定的應用場景有很好的優勢，如加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智能、太空探索等領域。

具體而言，在加密通信領域，一切現有的密碼學全都要被重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼。如經典的 RSA算法，若用 400位數的整數來做一個 RSA密鑰，依托現有的經典計算機需要 60萬年才能完成破譯，但是對于量子計算機只要 3個小時就能夠破譯。

在藥物設計領域，開發一種新藥需要開展無數不同分子組合方式的試驗，從而能夠找到有效治愈某種疾病的藥物特性。這個過程需要持續數年。量子計算機能在短期內繪制數以萬計的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，加大的節省藥物的研發成本和周期。

在交通治理方面，量子計算機能迅速對復雜的交通狀況進行研判，調度綜合交通系統，最大限度避免道路擁堵。

2.4、量子計算市場潛力巨大

根據波士頓咨詢的預測，保守看來，到 2035年，量子計算市場將達到20億美金體量。隨著采納率的提高，到2050年，市場規模將飆升至2600億美元。

若當前桎梏量子計算發展的主要因素——物理量子位的錯誤率——能夠顯著降低，那么到 2035年，量子計算市場規模將達到600億美元，并在2050年增加到2950億美元。與之相比，當今全球商業及消費市場總規模為8000億美元。

3、中國量子通信產業化進程世界領先

量子通信相對于傳統通信具備絕對安全性，在對信息安全要求比較高的領域有望率先推開，目前整體還處在試點應用階段，未來隨著技術的升級和成本的降低，量子通信有望向商業領域拓展，市場空間巨大。雖然我國量子通信領域發力較晚，但是憑借政策支持和巨大的資金投入，我們在量子通信領域成功實現了直道超車，在試點應用數量和網絡建設規模方面全球領先，并且多項建設記錄領跑全球。

3.1、量子通信安全性好于傳統通信

量子通信是使用量子態攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態從 A地傳送到B第的一種通信方式，量子通信按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類：量子密鑰分發和量子態隱形傳輸。

量子密匙分發（QKD）：在信息收發雙方進行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實現雙方的安全通信。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現信息的不可竊聽，首先在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享，之后再與傳統保密通信技術相結合完成經典信息的加解密和安全傳輸。這是目前市場上主流也是產業化較為成熟的技術路線。

量子態隱形傳輸（QT）：基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量實現量子態信息的直接傳輸,在量子信息的轉移過程中不移動信息載體本身。同經典通信相類似，遠距離量子通信會出現糾纏減弱。因此需要建立量子中繼以保證量子通信通暢。目前處于前沿研究階段，落地仍有困難。

與傳統通信方式相比，量子通信在確保信息安全，增大信息傳輸量，傳輸信息高效，抗干擾能力強等方面具有絕對優勢，是迄今為止是唯一通過數學方式被嚴格證明的絕對安全的通信方式。不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。

3.2、全球量子通信產業化提速，中國產業化進程領先

量子保密通信是量子信息領域中率先進入實用化的技術方向。近年來，各國逐步開展量子通信試點應用。上世紀 90 年代，美國是世界上第一個將量子技術列入國家戰略的國家。2003 年，美國哈佛大學建立了世界首個量子保密通信實驗網。而歐盟在也是從上世紀 90 年代第五研發框架計劃開始就重點支持量子通信研究，而后多國又通過 SECCOQC 和瑞士量子等項目進行了 QKD組網驗證。進入21世紀后，日本、韓國、新加坡等國開始發力——日本于 2000年將量子通信列為國家級高技術開發項目，并制定長達10年的中長期研究計劃。韓國等國也紛紛大力投入科研資源，通過設立量子通信實驗中心和專項機構，希望可以在此領域取得突破。

我國量子通信領域世界領先，多項建設記錄領跑全球。我國量子通信雖然起步較晚，但是憑巨大的資金投入和政策支持，我們在量子通信領域成功實現了直道超車，在試點應用數量和網絡建設規模方面全球領先，并且多項建設記錄領跑全球。2004年中科大完成從北京到天津的125公里光纖線路，完成了首次量子密碼現網傳輸，并創下了最長的傳輸記錄。 2008 年，潘建偉團隊在合肥市實現了國際上首個全通型量子通信網絡。之后，我國也在城域網量子通信網絡、量子商用干線和量子衛星等方面的建設創造多項世界記錄。2016年，我國發射世界首顆量子通信衛星“墨子號”；2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長達 2000多公里，這標志著我國量子通信技術產業化已經成熟，處于世界領先水平，這也將為未來政府、金融機構等客戶在量子通信上開展技術驗證和行業應用打在堅實的基礎。

現有的量子通信網絡建設方面，2017年，“寧蘇干線”、“滬杭干線”、“武合干線”、“齊魯干線”和“武漢城域網”等項目開始建設。2018年，國家廣域量子保密通信骨干網絡建設一期工程開始實施，在“京滬干線”基礎上，增加武漢和廣州兩個骨干節點，新建北京-武漢-廣州線路和武漢-合肥-上海線路，并接入若干已有和新建城域網絡。

從專利申請來看，中國量子通信專利申請數逐年遞增，在全球量子通信專利數中所占比例遙遙領先。

3.3、市場規模巨大，產業鏈基本形成

據前瞻產業研究院發布的《量子通信行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》數據顯示，2017年，我國量子通信行業市場規模達到了180億元，到 2018年將達到 320億元左右，同比增長 77.78%，預計到 2024年，我國量子通信行業建設及運營服務市場規模達 912億元，同比增長 13.57%。根據預測，國內量子通信短期市場規模在 100-130億元左右，長期市場規模將超過千億。而在下游應用領域方面，目前還是以政府應用為主，但是面向商用的金融板塊的應用正在加速推進，根據前瞻網的預測，到 2021年，量子通信在政府服務領域應用占比將達到 30%；金融領域應用其次，占比為 22%；商業領域、國防軍事緊隨其后，占比分別為 20%、16%。

隨著近年來我國在量子通信試點應用和網絡建設的不斷推進，我國量子通信產業鏈已初步形成，從基礎研究、設備研發、建設運維到安全應用都有涉及。在國內，中科大在量子通信產業化方面表現突出，其衍生與合作建立了科大國盾、安徽問天量子等公司，進行量子保密通信前沿研究成果向應用技術和商用化產品的轉化。

4、投資建議

量子科學是20世紀最為重要的科學發現之一，自問世以來先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術。進入21世紀之后，人類對微觀粒子系統的觀測和調控技術不斷突破和提升，使得從量子觀察到量子調控成為可能，這為即將爆發的第二次量子科技革命提供了很好的基礎，而這次第二次量子科技革命的主角就是以量子計算和量子通信為主的量子信息技術。量子信息憑借其高并行速度和絕對安全性，被賦予了引領人類第四次科技革命的可能性。各國為了搶占量子科技領域未來的國際話語權，紛紛出臺相關政策和提供資金來大力推進量子信息技術的發展。產業資本也紛紛加快在量子信息領域的布局，預計行業將進入一個從0到1的快速發展時期。

我國在量子計算領域目前還是以研究為主，產業應用較少；但是我國量子通信研究和技術應用方面全球領先，而且各地方量子通信網絡建設和各行業量子通信試點應用正在加速推進，量子信息技術的發展進入加速期。我們認為在該領域布局領先的且具備技術和產品優勢有望優先受益行業發展，重點推薦量子通信保密干線京滬干線主建設方、具備豐富量子通信網絡建設經驗并開始發展量子通信應用領域的神州信息。建議關注已經申報科創板的國盾量子，持有量子通信產業龍頭公司科大國盾部分股權的浙江東方和銀輪股份；同時建議關注量子通信產業鏈上下游布局相對領先的科華恒盛、中科曙光和亨通光電。

4.1、神州信息：京滬干線的主建設方，發力量子通信應用領域

公司 2018年實現收入90.77億元，同比增長10.87%；受終止 ATM業務影響，公司針對金信科技計提長期投資減值損失 1.94億元，受其影響，公司 2018年歸母凈利潤為0.42億元，若剔除ATM機業務及其他一次性事項影響后，公司實現凈利潤 3.31元，同比增長9.24%。

量子通信布局領先，量子保密通信基礎設施建設經驗豐富

公司 2012年就切入量子通信產業，公司參與多個國家級量子項目，通過與國盾量子、國科量子深度合作涉足量子通信運維服務，已有 20 余家金融機構基于神州信息承建的國家骨干網、城域網等，實現了量子技術和業務系統的結合。承建了量子通信保密干線“京滬干線”工程，實現了與“墨子號”量子科學實驗衛星興隆地面站的連接，并于 2017年年底中標量子保密通信“武合干線”項目，后又于 2018年連續中標“漢廣干線”和“滬合干線”。2017年公司量子通信貢獻收入 1.16億元。

依托量子通信技術實力，發力量子通信應用領域

依托公司多年積累的量子通信網絡的建設經驗，公司積極開拓量子通信在行業應用的需求，目前已經在量子密鑰服務方面取得了突破式進展，該服務除應用于 RCPMIS系統，還實現了央行兩地三中心數據報送應用、商業銀行向央行的數據報送應用，為銀行參與量子應用提供更多示范與可能。同時與國盾量子、國翔辰瑞共同出資成立“神州國信量子科技有限公司”，形成“技術+產品+市場”模式，加速量子技術產業化進程。截至目前，神州信息與國盾量子攜手幫助近 20 家金融機構實現量子技術和業務系統的結合，如上海銀行、上海農商行、中國銀行、工商銀行、光大銀行等，積極推進國家命脈行業安全可控。

股權激勵充分彰顯公司發展信心

4月23日，公司公告擬對包括公司董事、高級管理人員和核心骨干人員在內的 127名激勵對象實施股權激勵，授予股票權益合計不超過3,000萬份，占總股本的 3.11%。這是公司上市以來第一次實施股權激勵，而且覆蓋了主要管理人員和核心骨干，股權激勵充分，公司有充足動力再創佳績。同時，授予的激勵的限售股的業績考核指標是 2019-2020 年公司歸屬于母公司的凈利潤分別不低于 3.6和 4.35億元，業績考核目標充分彰顯了公司對未來的發展信心。

報告來源：光大證券（姜國平/衛書根）

編輯：沃巴查芒