光子盒研究院出品
刚刚结束的2022年里，量子计算领域无论在科研界还是产业界，都有大量新进展。
2022年，量子计算的各技术路线未收敛的特点愈发明显，各个路线均有不同程度上的突破，全球量子计算的先驱者们伴随着量子纠错的主趋势，正快速穿越NISQ时代，其中超导量子比特数量有望在新的一年里进入千量子比特时代。
技术的快速发展并没有带来企业估值和融资的好消息，2022年全球整体融资增速出现了自2018年以来的首次放缓，市场机构的投资热情和投资信心似乎出现了短暂的休整，这或许不是坏事，因为部分企业包括媒体在这几年所吹起来的泡沫正好需要挤挤。
2022年，各主要科技国不断加强政策支持，加快布局量子计算已经成为过去一年全球前沿科技发展的主旋律，其中以美国和中国两强最为突出，他们之间的竞争与对抗也愈发积累。
2023年，ICV联合中国的量子科技平台公司光子盒，共同在全球发布《2023全球量子计算产业发展展望》，展望新的一年，我们继续乘风破浪！
后台回复“2023量子计算”，获得英文版报告；中文版仍在紧张编译，下周，光子盒公众号平台将发布中文版报告，敬请期待！
目录1. 2022产业发展透视 1.1. 全球行业仍处在早期快速发展的阶段 1.2. 产业链逐渐清晰与完善 1.3. 应用场景目前仍在理论阶段，实际应用值得期待 1.4. 商业初探2. 量子计算机 2.1. 超导量子计算 2.2. 离子阱量子计算 2.3. 光量子计算 2.4. 中性原子量子计算 2.5. 半导体量子计算 2.6. 拓扑量子计算3. 核心设备与器件 3.1. mK级稀释制冷机 3.2. 激光系统 3.3. 单光子探测器 3.4. 光子源及其它光学组件 3.5. 量子计算微波测控系统4. 量子的好处和机遇 4.1. 量子软件 4.2. 编译软件 4.3. 量子算法 4.4. 量子计算云平台5. 国家政策6. 投融资情况7. 2023量子计算供应商评价(CTF模型)8. 2021-2040年全球量计算产业发展规模预测9. 2023量子计算产业展望回顾2022年，无论是各硬件技术路线还是量子软件开发与量子云平台，总体上量子计算行业仍处在早期快速发展的阶段：目前通用超导量子计算机的研制正处于跨越NISQ时代重要阶段，主要围绕提高广度和深度两个方面开展工作。广度是量子比特数目，目前以IBM宣布的433量子比特Osprey为最高；深度是指可以连续进行的高保真度多量子比特逻辑操作次数。随着量子计算机各个路线研发工作的逐步推进，整机所需的上游硬件设备与器件选型逐渐清晰，同时，量子计算机的软件系统也在不断跟进，整个产业链上下游各环节的构成逐渐清晰与完善，各环节的参与者也在逐渐增多。2022年，全球范围内的量子计算整机仍然以原型机为主，我们仍处于NISQ时代的早期阶段，量子计算机在实际应用和解决实际问题方面仍然没有太多进展。虽然一项新技术的出现势必引来资本和社会的追捧，泡沫的产生存在一定的合理性，但我们还是要明确地告诉各方，量子计算机的研发仍处于早期阶段，离实用化还很远，全球范围内可以验证的应用几乎都是在量子计算模拟器上进行的。我们(ICV TAnk)预计在2030年之前，人类最有可能实现专用量子计算机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。即便如此，目前全球量子计算机公司包括科研院所，也在积极探索自己的盈利模式，主要如下：- 提供量子计算云服务。由于量子计算机建造成本高、维护费用高、占地面积大、运行环境苛刻，对于大多量子计算的潜在用户来说，使用云计算的方式接入量子计算机更为经济和方便。目前大部分具有量子计算硬件的公司都开发了云平台，IBM是第一个开发量子计算云平台且当前运营较为成功的案例，除此之外，绝大部分量子云平台访问量堪忧。
- 提供量子计算机整机。目前购买量子计算机整机的行为几乎为各个国家主导，有能力购买单位主要是各国军方与国家级科研机构。量子计算机目前距离实用化还需要时间等待，市场上出现的购买整机行为，一方面为量子计算机公司提供收入、给予支持，另一方面也是国防军事部门的积极介入，以期加速推进实用化进程。
- 提供行业的量子方案。量子计算机未来强大的能力也吸引着下游行业客户在当前开始参与进来，比如金融客户就非常有迫切需求为未来技术提前布局，目前部分量子计算机公司可以为这类行业客户提供适合的服务方案，如量子算法、模型优化、蒙特卡洛模拟等。目前此类合作多为战略性合作，量子计算机公司与行业客户共同开展某个课题的研究，这对未来的具体的行业开展有着很好的前期积淀作用。
2022年，量子计算的发展成果呈现多元化特征，量子比特数量、门保真度、量子体积、相干时间等关键指标均突破原有记录，纠错、控制等方面也取得较大进展；我们对超导、离子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓扑等主要六种技术路线的发展态势进行总结和分析。超导路线在过去的一年里仍然是最为瞩目的路线，技术突破也最为迅猛，在所有路线中位于榜首。IBM如期发布433量子比特的Osprey处理器，严格按照技术路线图推进，预计2023年将达到1000量子比特。离子阱路线在量子比特的质量方面取得进展，量子体积屡创新高，SPAM保真度世界第一，更是创造了保真度高于物理量子比特的逻辑量子比特。光量子计算的代表企业Xanadu，通过使用最新的可编程光量子计算机Borealis完成高斯玻色采样实验，展示了量子计算优越性。2022年度可以称之为“中性原子元年”，主要公司均已突破100量子比特，ColdQuanta、Pasqal等获得巨额融资，商业化进程加快，在量子模拟中体现出的优势也愈发明显。在半导体量子计算方面，Intel所研发的半导体量子比特芯片良率达到95%，同时刷新了硅自旋量子比特数量的新纪录12个；以及在拓扑量子计算中，微软通过马约拉纳零能模和可测量的拓扑间隙创建和维持量子相位的能力，消除了产生拓扑量子比特的最大障碍。目前硬件层面的主要发展方向还是着重于增加量子比特的数量、密度和连通性，提高量子比特的质量，包括更好的相干时间和门保真度；以及设计和实施新的架构，包括3D设置和新的组装技术；还有开发可组装和集成大型量子处理器的工业规模制造设施；演示不同量子计算机之间的互联和信息交换等。目前量子计算的多种技术路线边并驾齐驱，各自展示着自己的优势，每条路线都有机会大放异彩。硬件系统中，mK级稀释制冷机（包含GM脉管预制冷设备）以及微波控制电路系统（包含一体化量子计算测控系统、射频微波线缆、低温电子器件、射频微波仪器仪表等）是超导或半导体量子计算机的核心设备。射频微波线缆（同轴电缆、柔性电缆等）是连接处于低温的量子芯片和处于室温的测控系统之间的桥梁，低温电子器件则又包含低温耦合器、低温低通滤波器、低温隔离器、红外滤波器、低温放大器等细分部件。对于量子比特控制与测量，根据其技术路线不同，量子计算测控系统主要分为两大类型：一类是光学系统，包括光子源、单光子探测器、激光机等部分。主要负责光量子、离子阱以及中性原子等路线量子计算的测控；另一类是微波控制电路系统，主要包含任意波形发生器、锁相放大器等一系列微波器件。该系统主要负责超导以及半导体量子计算的测控（也负责如离子阱、中性原子、金刚石NV色心等路线的控制）。2022年，全球量子计算测控系统市场规模为1.60亿美元。预计到2025年，该市场总规模将达到5.45亿美元。为满足量子计算机的特殊需求，所需激光器必须具有高稳定性、高精度的调谐能力以及较低的漂移，以保证量子信息的精确性和可靠性。此外，在量子计算机中，激光器还需要能够生成特定的光学信号，例如单光子脉冲或单模光，用于制造和操纵量子比特。单光子探测器必须具备几个主要品质：高性能检测、低成本以及存在集成到现有系统中的可能性。但这种探测器也面临的一个重要挑战，那就是如何在硅光工艺上集成其他光学元件。在纠缠光子源方面，偏振纠缠的光子产生大都以自发参量下转换过程（Spontaneous Parametric Down Conversion，简称 SPDC）为主。它是光与晶体的一类典型的非线性过程，这种过程可以简单描述为一束激光（在非线性光学中称为泵浦光）入射到晶体上。当满足一定条件时，入射光子会转化成两个在频率、偏振、传播路径和时间上都具有强烈关联的光子。经典计算机的生态圈是围绕着操作系统而存在的，量子计算机也不例外。同样，编译软件、软件开发工具和行业应用算法与软件也一样不可或缺。从各国量子计算机系统软件、量子算法和量子软件技术发展水平上来看，2022年美国无论是在量子算法，软件及开发工具包还是在纠错软件等方面，都处于世界领先地位；中国、加拿大、日本和法国等国紧随其后，在各个细分领域都有各自突出的表现；其他国家如德国、西班牙及英国等也对部分细分领域做出了重要的贡献。系统软件进展主要体现在纠错当中，编译软件则是多数硬件厂商均发布了自己的量子计算编程语言，而对于软件开发工作来说，未来的社区开源发展将成为一种主流的模式，对于应用软件的研发来说，主要还是不断拓展与下游行业的联系，深度挖掘下游不同领域的企业需求，找准量子并行运算的优势。而量子云平台大体可分为三种应用场景：在量子研究中，科学家可以使用量子云平台来测试量子信息理论，进行试验，比较架构等；在量子教学中，教师可以使用量子云平台帮助学生更好地理解量子力学，以及实现和测试量子算法等；在量子开发中，程序员可以使用量子云平台创建量子教学游戏，向人们介绍量子概念，又或者开发量子编程软件，丰富量子开发工具。通过对目前全球主要量子参与国家在资本投入、研究成果、研究员数量、专利数量、论文发表数量和量子公司数量6个维度进行评价，可以看出，目前美国和中国最为领先，其次是欧洲各国如德国法国等。此外加拿大与澳大利亚在专利申请数量上也位于前列。全球量子主要参与者评价体系。注：评分采用5分制，1为最差，5为最优，○代表1分，●代表5分。绿色箭头表示综合实力较其他国家/地区较好，黄色和红色依次次之。资料来源：ICV报告梳理了2022年全球量子计算主要参与国所发布的相关政策，并从资金支持类政策、国际合作类政策以及战略制定类政策三方面分别进行分析：- 政府资金支持日益加大。量子科技属于前沿科技领域，且当前处于早期发展阶段，而各科技大国显然都发现了量子信息科技是未来科技竞争的那颗明珠，需要在目前和将来投入大量的资金支持其发展，而各国政府必须是量子科技发展的投资主力。
- 各国纷纷制定量子战略。2022年，美国、中国、英国、澳大利亚、德国、欧盟等国家/地区均发布了量子科技规划或法案，以支持量子科技发展。
- 国际合作与对抗并存。以G7为核心的西方发达国家在2022年明显地加强了联盟科技联盟的行动，包括美国、加拿大、澳大利亚、法国、德国、瑞士、芬兰、日本等都互相开展政府层面的战略合作，共同制定发展规划或共同投入资金开发量子项目，合作培养下一代量子人才与共同投入研发基础设施等，以促进量子技术研究与量子产业发展。
1）融资规模增速放缓。量子计算作为前沿科技和未来产业的重点，属于颠覆性技术，投资机构的投资热情来自2方面，国家支持与国际竞争，以及技术突破所带来的预期。我们(ICV TAnk)统计了2018年至2022年全球主要量子计算企业的融资情况，涉及14个国家，67家量子计算企业，136笔融资。具体如下：2018年至2022年全球量子计算融资金额。单位：美元2）2022年全球融资特点分析。2022年，量子计算产业共融资20.45亿美元，与2021年总融资额相比增长有所放缓，但从整体来看，量子计算行业投融资长期仍保持增长的态势。对于投融资市场增速放缓，更为细节的表现如下：CTF模型是帮助公众了解前沿技术领域及对应公司的发展情况，前沿科技具有技术路线未收敛、技术发展存在高度不确定性、商业化推进处于早期等诸多特点，随着技术的不断发展，对公司的评价需要一套合理的模型，对特定时期前沿技术供应商的综合评估形成“共识”。CTF模型由4层不同大小的扇形区域纵深呈现，以及3维坐标共同构成。横向坐标Maturity of Technology（技术层面，即供应商的技术、研发、团队等）、侧向坐标Commercialization of Technology（商业层面，即供应商的营收、客户、用例等）以及隐含变量Implicit Variable（底蕴层面，即供应商长期经营所积淀的能够助推企业发展的要素）。CTF模型根据供应商在不同维度的综合表现，将其划分如下四个扇面中：Pilot（领航者）、Overtaker（超越者）、Explorer（探索者）和Chance-seeker（寻机者）。Fan1—Pilot：这一区域供应商是量子计算行业的领导者，其大致分可以为三类。第一类如IBM，其为行业的绝对领导者，凭借庞大的公司体量以及先进的科学技术领跑整个量子计算赛道。第二类为Intel或是Rigetti这样的公司，其技术就绪度在各自路线均位于领先地位，且同样为上市公司企业规模较大但缺乏一定的商业化手段，导致整体进度较IBM、Google等第一梯队有所放缓。第三类如微软，规模庞大且为成熟的科技公司，但由于选择了较为困难的拓扑量子计算赛道，导致技术上迟迟未能取得突破，因此也拖累了公司的商业化进程。Fan2—Overtaker：这一区域供应商是量子计算行业的中流砥柱，在具备一定的沉淀后，未来很有可能跻身赛道前列。该区域可大致分为两类，第一类如D-Wave这样的公司，商业化能力很强，曾卖出世界首台商用量子计算机。但由于其未选择基于逻辑门的量子计算而是使用量子退火，因而带来了技术上的局限，无法作为通用量子计算机来使用。第二类如IonQ、Pasqal以及本源量子等公司，占据了整个量子计算供应商的绝大部分比例。他们的特点是技术水平较第一梯队仍有一定差距，但均在各自路线上稳步发展，并且公司经过几年的运营已初具规模，渐渐有了自己个性化的产品，且逐渐得到了下游合作公司的认可，积极探索该公司产品可能的应用，为整个量子计算赛道的中坚力量。Fan3—Explorer：这一区域的公司多为量子计算赛道的新兴力量，他们拥有年轻的技术团队和创造性的思维，也有一些灵活的商业化想法。该区域总体也可分为两类，第一类公司商业化较早，有自己成熟的产品。例如量旋科技，该公司发布了全球首台便携式核磁共振量子计算机，并且不断更新自己的云平台寻找与下游应用企业的合作。同时该公司对超导路线的研究也在如火如荼地进行，虽然整体技术上与头部企业IBM相比有较大差距，但是也具备一定程度上的后发优势。第二类为中科酷原、图灵量子、国仪量子等企业，这些公司虽然商业化程度仍有欠缺，但也有如原型机或是教学机的产出，为公司带来了一部分可观的收益。在技术方面，各公司在其技术路线上均小有成就，但整体来说距离第一、二梯队仍有一定差距。Fan4—Chance-seeker：这一区域大多是新进入行业1到2年的公司，整体规模较小，且正处于高速发展，求贤若渴的状态。典型的公司如Bleximo、Qilimanjaro Quantum Tech、Nord Quantique 、微观纪元等，这些公司的创始团队都有其擅长的领域与技术，单点就在于如何平稳度过起步阶段，尽早有产品或者原型机产出，找到合适的市场定位，积极参加各种量子产业峰会以及与第三方咨询企业合作宣传展示，以逐步增加企业的曝光率。我们(ICV TAnk)仍然认为2027年会是全行业一个重要的时间点，在这之前的五年，我们仍处于NISQ时代的关键阶段，一方面各大公司将较大概率完成各自的技术路线图目标，通用量子计算机将在比特数与保真度等方面将实现技术突破，但通用量子计算机仍然只能用来满足科研实验室以及极少部分云平台的商业需求，缓慢而稳定地增长；另一方面，专用量子计算机既有可能实现部分应用，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。2022年全球量子产业规模达到了12.9亿美元，较2021年增长了61.25%，增长率有所减缓，但基本符合行业发展规律。行业规模的增长一方面来自行业参与者的增加，无论是整机公司，多技术路线的公司，软件公司与行业用户，产业链各个环节都增加了很多的参与者；另一方面是来自投资带动，带来了人才与设备的增加，无论是一级市场还是美国的SPAC上市，都给行业带来了不少资金，虽然在前面章节已经分析，融资增速开始放缓。2022年，全球各主要量子计算机公司营收规模都非常凄惨，以政府和各国军方为主要采购方的模式仍然要持续数年，产业投资在无法获得预期回报的背景下，企业将压缩技术和人才的投资，更多的产业推动将来自政府和科研院所。2022年是全球量子产业低迷周期的起点，还是获得强大动能的新起点？这个仍然需要观察。从增长率变化来看，各地区基本上在同步在发展，值得注意的是，其他地区的市场规模虽伴随着各个技术爆发的节点因整体市场规模放大而水涨船高，但就增长率而言，其余各地区增长率在2028年之后，逐年下降。其原因为各主要科技国均具备一定程度上的先发优势，因此在技术爆发之后，无论是硬件还是软件都迅速占领市场，并且在庞大的资本加持下不断扩张，从而挤压了其他地区（如非洲地区）的量子计算发展。就2022年上游硬件的市场规模来说，最高为量子芯片的5.45亿美元(占比38.51%)；其次是稀释制冷机（与超高真空系统共同构成量子比特环境），以1.93亿美元占比32.92%；第三位则是射频微波设备（量子计算测控系统）以1.6亿美元占比达到了16.16%。除此之外，超高真空系统的市场规模为0.33亿美元及低温电子器件0.34亿美元也占据了一小部分市场份额。而量子芯片占最高市场份额的原因是一方面前期研发投入高，芯片研发与生产的成本都很高，芯片出货量低，导致单价居高不下；另一方面是稀缺市场供给带来的高溢价。 到2030年量子芯片的市场规模将达到500亿美元；其次是量子计算测控系统，市场规模将达到210亿美元；第三则是稀释制冷机，市场规模为206亿美元。除此之外，超高真空系统的市场规模增长到32亿美元及光学系统由0.3亿美元（2022年）增长到50亿美元。而2030年往后，量子芯片的市场规模占比较2022年将有所下降。这主要是由于2028年之后，量子计算机将开始大规模地商业化，由此带来的量子芯片流片规模的上升使得其生产成本有所降低。超高真空腔的市场规模较2022年则有所提高。其原因主要为当前离子阱尤其是中性原子路线在迈向专用量子模拟计算机的过程中起到了相当关键的作用，并且对于中性原子路线来说，最近两年的技术持续突破，未来或将占据很多的市场份额，由此带来的对于真空腔的需求也逐年增加。当下量子计算的下游应用以其在化工领域、金融领域、药物研发领域、物流领域以及安防领域为主。2022年，化工领域市场份额为33.4%，医药研发领域24.6%,金融领域占比达到15.8%，安防领域占比13.9%，物流领域占比为10.5%及其他领域占比1.8%。自2027年以后整个量子计算赛道迎来高速增长，截至2030年，化工领域市场份额将变为30.9%，医药研发领域为19.2%，金融领域为15.5% ，物流领域占比将达到14.2%，安防领域13.9%以及其他领域占比6.3%。一是继续提升量子计算性能。为了实现容错量子计算，首要考虑的就是如何高精度地扩展量子计算系统规模。在实现量子比特扩展的时候，比特的数量和质量都极其重要，需要每个环节（量子态的制备、操控和测量）都要保持高精度、低噪声，并且随着量子比特数目的增加，噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加，这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战，仍需大量科学和工程的协同努力。二是实现专用量子模拟机并继续探索量子计算应用。即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。从当前到2030年，全球的主要研究任务应当集中于此。三是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时间内面临的主要挑战。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。总的来说，对于美国、中国和欧盟等国家，量子科技政策将从国家层面进一步落实到分管国防、工业、科技等部门，由这些下一级部门发布更为针对性的政策。对于尚未发布量子科技政策的国家，以及尚未将量子科技上升到国家层面的国家和地区，随着其技术能力和意识的提升，也将有望将量子科技升至更高的关注层面。受限于全球经济复苏的速度与规模，2023年将对量子信息特别是量子计算产业带来较大的程度的不确定性，这主要体现在两个方面：目前全球量子计算人才短缺，亟须培养更多的人才以加速推进量子计算的发展。目前已有研究机构、科技巨头和初创企业布局量子教育业务。量子教育产品可以人以学生及广泛的大众通过更为直观的方式对量子计算有进一步了解。丰富校园物理实验课程，激发学生对量子计算学科的兴趣，带动更多人未来从事这一领域工作，有助于人才培养。在量子芯片设计与制造方面，未来是否会出现，目前成熟的半导体行业所有的IDM和Fabless模式呢？答案是肯定的。令人欣喜的是，在过去的一年，我们已经看到有越来越多不同国家的大学、科研机构以及公司企业间亲密合作，共同完成对于量子计算行业某一前沿课题的研究。两国、三国，甚至更多国家之间的科研合作比比皆是。而这些与量子有关的新出口管制将代表美国和中国之间的“真正深化的分歧”。目前来看，美中两国两个在广泛的问题上属于对彼此几乎没有信任的国家，而量子计算的潜在力量可以给美国带来非常多的霸权优势。不过，量子信息科技对于中美来说是公平的，美国没有太多先发优势，至少目前中国企业没有被落下太多。但客观来说，中国最大的问题来自生态心理，中国需要在内部建立一个互相信任和充分合作的系统，而不是现在所谓的全栈式量子计算机公司，不断抢食上游供应商的市场，完全是资源浪费和目标错位。每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！