中金公司:量子計算能延續摩爾定律的神話嗎?

2021-01-10 金融界

來源：金融界網站

來源：中金公司

量子計算是重要的前沿科技之一，是延續接近物理極限的摩爾定律繼續發展的重要路徑。量子計算的特別之處是其計算能力隨著能夠支持的量子比特數的增長呈冪指數2n增長。目前制約技術成熟的要素包括硬體和算法兩方面。科學家[1]認為量子計算有望在新藥開發、破解密碼、以及搜索等人工智慧應用上得到商用。全球來看，2019年宣布達到「量子優越性」的谷歌、IBM、微軟，以及美國初創公司IonQ、Rigetti在量子計算上較為領先。阿里達摩院、本源量子、量旋科技等中國公司也在積極布局。

什麼是量子計算？

量子計算可能是延續摩爾定律神話的一條發展路徑

量子計算是延續摩爾定律神話的路徑之一，算力隨量子比特數呈冪指數2n增長。摩爾定律（集成電路上可容納的元器件數目約每24個月增加一倍）是過去50年推動全球勞動生產率不斷提升的要素之一。

圖表: 全球人均GDP增長vs摩爾定律

資料來源：世界銀行，Intel官網，中金公司研究部

但未來，隨著電晶體間距接近1nm傳統的技術演進接近其物理極限，量子計算被認為是延續摩爾定律的路徑之一。量子計算機不同於經典計算機，是一種基於量子力學原理構建的計算機，使用的量子比特利用量子態疊加原理能夠同時表示0和1，使得量子計算機相較經典計算機算力發生爆發式增長，形成「量子優越性」。2019年10月，谷歌宣布實現量子優越性（quantum supremacy）。谷歌使用53位量子比特計算機Sycamore運行隨機電路取樣，僅用20s時間即完成了結果，而谷歌推算如果使用超級計算機Summit需耗時1萬年。

圖表: 量子計算機

資料來源：谷歌官網，中金公司研究部

量子計算機是基於量子力學原理構建的計算機。量子態疊加原理使得量子計算機每個量子比特（qubit）能夠同時表示二進位中的0和1，從而相較經典計算機算力發生爆發式增長，形成「量子優越性」。在解決實際問題的過程中，CPU採用「串行」計算，即將一個問題的若干部分按照順序依次進行運算；GPU採用「並行」計算，即將一個問題拆成若干個小問題後，同時對每個小問題的一部分進行運算；QPU則利用量子疊加性快速遍歷問題的各種可能性並找到正確答案。形象地說，CPU算力隨比特數n的增長呈線性n增長，GPU算力隨比特數n的增長呈平方次n×n增長，量子計算機（QPU）算力隨比特數n的增長呈冪指數2n增長。

圖表: CPU、GPU、QPU概念及原理對比

資料來源：CSDN，中金公司研究部

圖表: CPU、GPU、QPU計算效率對比——針對CPU算法時間複雜度為O（N2）的問題

資料來源：CSDN，中金公司研究部註：本圖僅作概念性說明「量子優越性」

圖表: 量子計算機、經典計算機能夠解決的問題範圍

資料來源：CSDN，中金公司研究部

制約量子計算技術成熟的因素？

目前制約技術成熟的因素包括量子比特數、相干時間和合適的算法。量子比特數和相干時間是決定量子計算機性能的兩個硬體指標。量子比特數越高意味著量子計算機能夠支持更大數字參與運算，單次運算處理的信息量越大。目前量子比特數最高為70+位。科學家[2]認為量子比特位數達到100-1,000後才有望達到商用要求。相干時間代表了量子比特維持量子疊加態的時間，相干時間越長意味著能夠對其進行更為複雜的運算，支持更複雜的算法。目前超導量子計算機最長相干時間為100μs。科學家[3]認為相干時間至少要達到300μs以上才能滿足商用需求。

圖表: 量子計算機算力隨量子比特數的增長而增長，隨錯誤率的減少而增長

資料來源：IBM官網，中金公司研究部

註：本圖表時間節點為2019年

圖表: 量子比特相干時間（以超導量子計算機為例）

資料來源：中國計算機學會青年計算機科技論壇，中金公司研究部

圖表: 量子計算機商用預測

資料來源：中國計算機學會青年計算機科技論壇，中金公司研究部

量子算法決定了量子計算機解決問題的範圍。目前僅有Shor、Grove等少量量子算法可以解決破解密碼裡常用的質因數分解、無序庫搜索等問題，可用於人工智慧的量子算法依然較少。大多數專家[4]認為，根據以往的發展規律，未來10-15年內量子計算機有望實現商業應用。

圖表: 2035E、2050E全球量子計算市場規模

資料來源：BCG，中金公司研究部

圖表: 量子元年-量子5年全球量子計算各應用佔比

資料來源：艾瑞諮詢，中金公司研究部

註：量子計算迎來商業應用的準確時間無法預計，因此以「量子元年」代表其商業應用的第一年

當前量子計算的競爭格局？

全球競爭格局：各國政府大力支持，目前美國企業處於領先地位

美國是量子計算布局裡較早也是較積極的玩家之一。2019年，美國政府發布未來工業發展計劃，將量子信息等四大關鍵技術視為未來科技和產業發展的「基礎設施」，認為發展量子信息科學能夠保持美國在全球產業變革中的主導地位，政策上持續加碼，讓美國在全球量子計算研發上佔據主導地位。谷歌、IBM、微軟等全球領先。

中國也積極推動量子計算技術，先後啟動「自然科學基金」、「863」計劃和重大專項等科研項目，多次提及量子計算的戰略地位，支持量子計算的技術研發和產業化落地。阿里達摩院、本源量子、量旋科技等中國企業積極追趕。根據incoPat的統計，截至2019年9月30日，全球量子計算top20企業中美國企業發明專利數佔比接近50％，遠超第二名日本15％。中國企業本源量子在該榜單中上榜位列第12名。

此外，德國、英國、日本等國也相繼出臺了量子計算領域的發展規劃。

從專利上看，谷歌、IBM、微軟等美國公司在量子計算領域布局遙遙領先，本源量子等中國公司也有一定技術積累。

圖表: 量子計算布局主要公司

資料來源：各公司官網，中金公司研究部

圖表: 全球量子計算技術發明專利top20

資料來源：incoPat，中金公司研究部註：統計截至2019年9月30日

量子計算的應用領域和發展前景？

量子計算在新藥開發、密碼、人工智慧有廣闊應用場景。

新藥開發：量子計算相較經典計算的優勢是能夠直接模擬分子中量子化的原子，從而克服經典計算模擬大分子效率較低的問題，提高藥物研發效率；

圖表: 常規計算能力與實際需求可模擬計算的原子個數對比

資料來源：艾瑞諮詢，中金公司研究部

圖表: 全球生物醫藥量子計算潛在市場

資料來源：艾瑞諮詢，中金公司研究部

註：量子計算迎來商業應用的準確時間無法預計，因此以「量子元年」代表其商業應用的第一年

圖表: 醫藥研發流程與量子計算市場規模

資料來源：艾瑞諮詢，中金公司研究部註：預測時點為2019年

密碼：非對稱加密算法在目前網際網路技術中具有重要地位。RSA等非對稱加密算法實質為大數質因數分解等數學難題。Shor量子算法相較經典質因數分解算法具有並行優勢，可以將大數質因數分解時間壓縮至較短，威脅以RSA等非對稱加密算法為基礎的傳統網際網路技術，可能引發社會討論；

圖表: Shor量子算法與經典算法複雜度對比

資料來源：CSDN，中金公司研究部

人工智慧：量子計算具有並行計算等優勢，人工智慧需要涉及大量數據，兩者具有天然耦合性，科學家[5]預測量子計算有望加速人工智慧發展。德國大眾、摩根大通等企業均已開始和量子計算公司合作進行有關的開發。

圖表: 量子計算+機器學習應用探索案例

資料來源：各公司官網，中金公司研究部註：本圖表時間節點為2020年4月

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[1]https://www.weforum.org/events/world-economic-forum-annual-meeting-2020/sessions/the-quantum-potential

[2]https://www.technologyreview.com/2020/02/26/916744/quantum-computer-race-ibm-google/

[3]http://news.hexun.com/2020-04-02/200865296.html

[4]http://news.hexun.com/2020-04-02/200865296.html

[5]https://www.weforum.org/events/world-economic-forum-annual-meeting-2020/sessions/the-quantum-potential

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