2024年全球量子计算产业发展展望.pdf

在过去的一年里，我们见证了全球量子计算领域取得的多方面的进展和突破，这些成就正在引领人类进入一个前所未有的计算时代。2023年无疑是AI大模型蓬勃发展的一年，而这背后，量子计算也悄悄参与其中。量子计算可以加速和优化大规模模型的计算过程，虽然还不能赋予巨大的能力，但为解决复杂问题提供了新的思路和工具，展示了跨领域融合创新的广泛潜力。今年起，我们的报告关注焦点有了较为明显的改变，以往我们大量关注大学和科研院所的科技研发进展，因为那时他们是量子计算进步的主力军。今年，已经有越来越多的商业组织在量子计算领域有了动作，我们回到初衷，重点关注商业和产业的进展情况。在量子芯片技术方面，多元发展成为产业竞争的关键动力。各国在超导、离子阱、光子、中性原子和半导体等多种技术路线上投入了巨大支持，形成了各具特色的发展优势。量子计算云平台的日益成熟，逐步降低量子计算的使用门槛和成本，为用户提供更为便捷的服务。这一进步将使得更多行业和领域能够充分利用量子计算的能力，推动其应用范围和影响力的不断扩大。然而，我们也不得不面对2023年量子计算行业融资活动相对降温的现实。宏观经济情况不佳，融资交易减少，国际竞争在量子领域日趋激烈.最后，站在这个充满挑战和机遇的时刻，我们仍对2024年量子计算的产业发展充满信心和期待。让我们携手共进，共同见证量子计算产业的蓬勃发展。序言ICV 前沿科技咨询总监、高级副总裁 Jude Green引领量子时代，共铸产业未来1声明01本报告体现的内容和阐明的观点力求独立、客观，本报告中的信息或所表述的观点均不构成投资建议，请谨慎参考。02本报告旨在梳理和呈现2023年度内全球范围内量子细分技术和产业领域发生的重要事件，涉及数据及信息以公开资料为主，以及对公开数据的整理。并且，结合发布之时的全球经济发展状态，对短期未来可能产生的影响进行预判描述。03本报告重点关注2023年1月1日至2023年12月31日间量子细分行业发生的相关内容，以当地时间报道为准，以事件初次发布之时为准。对同一内容或高度相似内容的再次报道，若跨年度，不视为2023年发生的重要事件。04本报告版权归ICV TA&K和光子盒所有，其他任何形式的使用或传播，包括但不限于刊物、网站、公众号或个人使用本报告内容的，须注明来源（2024全球量子计算产业发展展望 R.ICV TA&K&光子盒.2024.02）。本报告最终解释权归ICV TA&K和光子盒所有。05任何个人和机构，使用本报告内容时，不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删减和篡改。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表、印刷等。如征得同意进行引用、转载、刊发的，需在允许范围内。违规使用本报告者，承担相应的法律责任。06本报告引用数据、事件及观点的目的在于收集和归纳信息，并不代表赞同其全部观点，不对其真实性负责。07本报告涉及动态数据，呈现截至统计之时的情况，不代表未来情况，不够成投资建议，请谨慎参考。2本篇报告由全球前沿科技咨询机构ICV邀请中国量子科技服务平台光子盒联合撰写和发布。感谢包括但不限于以下公司给予技术和素材的支持：致谢3Contents目录1.2023产业发展概览2.硬件整机3.核心设备与器件4.软件、算法、云平台5.投融资6.供应商评价7.产业分析与预测8.产业展望9.附件4517313951576673802023产业发展概览01量子计算芯片与软件算法蓬勃发展高性能计算与量子计算的融合已成为现实各大电信运营商竞相布局量子计算研究活跃科研成果频出硬件发展路线图不断更新产业链相关企业逐年增多生态建设日趋完善产业发展即将进入快速成长周期0102030405060708第一章2023产业发展概览012023产业发展概览目录6本部分根据技术创新、实际效益以及科研引领等评价标准，选取了2023年量子计算领域的十项最重要进展，包括首次成功应用、有效实验验证、新颖架构设计、参数最值、实际效用提升、采用方案者数量及影响力，以及是否有重大科研突破和广泛报道。总体进展按照量子计算芯片以及软件算法云平台两个大方向展示。第一章2023产业发展概览量子计算芯片与软件算法蓬勃发展01图表 2023年全球量子计算十项重要进展 量子云平台 混合计算与大模型 容错算法英伟达发布了DGX Quantum系统，结合了CUDA Quantum和H100 NVL等技术，为GPT等生成式AI大模型提供了量子经典混合计算的加速平台。Quantinuum使用逻辑量子比特在其H1量子计算机上实现了容错算法，通过“随机量子相位估计”计算了氢分子的基态能量。Q-CTRL的错误抑制技术（名为Q-CTRL Embedded）已被集成到IBM云量子服务中，现在用户只需轻按开关，就能降低错误率。量子纠错 传输与存储 量子芯片架构 量子比特数量与量子体积 相干时间Quantinuum的H-Series量子计算机连续创下了三个量子体积（QV）的新纪录：217、218和219，为目前报道最高的量子体积记录。IBM发布了首款超过1000量子比特的量子计算处理器Condor，其拥有1，121量子比特，基于其上一代旗舰产品Eagle芯片架构。马里兰大学在蓝宝石芯片上成功创建了磁通量量子比特，其相干时间为1.48毫秒，是目前最高纪录，并且保真度达到了99.991%。IBM推出模块化量子计算机，结合可扩展低温基础设施和经典服务器，实现了计算的超级计算架构。基于此架构，IBM发布了133量子比特可扩展芯片Heron。苏萨塞克斯大学与Universal Quantum合作，实现了微芯片模块之间的快速和可靠的传输，成功率高达99.999993%，连接速度为每秒2424次，是目前最高纪录。深圳量子研究院、清华大学、福州大学以及南方科技大学4家研究团队利用具有定制频率梳的脉冲来操控辅助量子比特，提高了量子纠错的效率，超过了纠错盈亏平衡点约16%。QuEra实现了48个逻辑量子比特，能够检测和纠正纠缠逻辑门操作过程中出现的任意错误。软件、算法、云平台量子计算芯片7|Version Feb 2024第一章2023产业发展概览高性能计算与量子计算的融合已成为现实022023年，全球发生了诸多量子计算与超算融合的事件，量超融合已经从理论转向初步实践，还呈现出深化发展之势。量超融合主要依托云平台向外提供算力，成为超算中心的一种新型计算形式的补充，提供多样、灵活、高效的计算资源，为不同行业领域提供更强大的算力，可供更广泛地探索量子计算的潜在价值。目前量子计算与超算融合仍然面临着硬件稳定性和算法优化等挑战，量超融合的实现，接下来需要在多个维度进行尝试与探索，包括兼容性与集成（接口设计、系统集成）、软件与算法（量子编程语言与工具、算法适配与优化）、资源管理与调度等。随着技术演进和国际合作的深化，量子计算融入超算体系将是必然的一步。图表 2023量超融合进展事件本源量子与上海超级计算中心合作成立长三角量超协同创新中心；9月，发布“量超融合”平台实现了经典与量子任务统一调度和经典+量子算法的混合编程，并对公众开放理化学研究所计划在 2025 年左右通过与富岳超级计算机的集成欧盟高性能计算联合计划(EuroHPC JU)下的高性能计算和量子模拟(HPCQS)项目，其用户已经能够通过各成员国的节点，验证他们的HPC-QC融合应用德国启动Euro-Q-Exa量子计算机招标，系统该系统将由莱布尼茨超级计算中心(LRZ)托管和运营，并 集 成 到 超 级 计 算 机SuperMUC-NG中在法国混合量子计划（HQI）在，法国国家大型计算中心（GENCI）购入Pasqal的100比特量子计算机英伟达与德国于利希超算中心(JSC)、ParTec建立实验室开发经典-量子混合超级计算机澳大利亚Pawsey超级计算研究中心与加拿大Xanadu公司签署谅解备忘录，将为研究人员提供最先进的混合计算|Version Feb 2024中国电信发布“天衍”量子计算云平台，基于超量混合云架构，实现了“天翼云”超算能力和176量子比特超导量子计算能力的融合魁北克数字和量子创新平台PINQ落成IBM Q System One，在舍布鲁克设立的高性能计算中心将使PINQ能够提供混合计算方法8全球超算中心与量子计算机的融合正在加速推进。各种类型和规模的超算中心，无论是大型的国家级研究机构还是小型的企业级实验室，都在积极探索与量子计算机的集成。这种集成不仅提升了计算能力和效率，还拓宽了应用领域。例如，生物信息学、物理模拟、金融工程等领域的复杂问题，通过超算和量子计算的结合，可以得到更精确、更高效的解决方案。此外，这种融合还推动了新的算法和应用的发展，如量子机器学习、量子优化等，显示出超算和量子计算相结合的巨大潜力。HPC+QC线下机群模式是未来高性能计算的重要发展方向。这种模式通过整合传统超级计算机和量子计算资源，使得高性能计算更加灵活、高效。在这种模式下，可以实现更复杂、高精度的运算和模拟，从而推动科学研究、工程技术和产业创新的发展。这种模式的优势在于，它可以充分利用传统超级计算机在处理经典问题上的强大能力，同时利用量子计算机在处理量子问题上的独特优势。未来，超级计算机和量子计算机能够无缝集成，实现互补优势，为解决复杂问题提供强大的计算支持。随着技术的进步和应用的拓展，我们可以预见，HPC+QC线下机群模式将在未来的计算领域发挥越来越重要的作用。第一章2023产业发展概览图表 全球现有量子计算机与经典计算机相融合的计算中心及相关实验室中国安徽省量子计算工程研究中心将计算任务在量子计算机和超级计算机之间进行分解、调度和分配中国国家超级计算郑州中心与中国上海超级计算中心和本源量子以及中移（苏州）软件共同打造量超融合先进计算平台，提供量超云融合服务法国原子能委员会与国家超大型计算中心应用Atos量子学习机（QLM）将量子计算能力整合到超级计算机Joliot Curie当中德国于利希超级计算中心基于模块化超级计算架构概念的最紧密集成德国莱布尼茨超级计算中心与Atos和HQS合作研究HPC与QC之间的整合芬兰IT科学中心VTT的5量子比特超导量子计算机HELMI（“Pearl”）与欧洲超级计算机LUMI（“Snow”）连接；使用了英伟达CUDA Quantum平台西班牙加利西亚超级计算中心在“PRIMEHPC FX700”超级计算机上构建基于富士通34量子比特量子计算模拟器的集群系统美国国家超级计算应用中心集成英伟达CUDA Quantum美国橡树岭国家实验室应用Atos量子学习机（QLM）；参与CUDA Quantum测试计划美国阿贡国家实验室 应用Atos量子学习机（QLM）巴西SENAI-CIMATEC应用Atos量子学习机（QLM）将量子计算能力整合到超级计算机当中印度高级计算发展中心与Atos达成合作协议，共享量子学习机（QLM）成果澳大利亚帕西超级计算中心将量子加速器与HPE Cray Ex超级计算机Setonix配对，展示和测试量子和经典计算的混合模型日本国家高级产业科学技术研究院英伟达的合作伙伴，将CUDA Quantum集成到其超算平台日本理化学研究所富士通公司的量子计算机与“富岳”超级计算机集成|Version Feb 202492023年，全球主要电信运营商积极加大对量子计算领域的投资和研究力度。它们在超导、离子阱等多种量子计算机类型上进行了深入研究，反映出电信运营商对于量子技术在提升网络性能、加强安全通信等方面的潜在价值的认可。此外，这些电信运营商在量子计算领域的布局不仅仅停留在研究层面，更在积极寻求技术合作和商业合作。例如，与IBM、IonQ等企业和科研机构建立战略合作伙伴关系，共同推动量子计算技术在实际应用中的验证和商业化进程。全球电信运营商在量子计算领域的布局表现出一种跨界合作、开放共享的趋势，力图在未来科技竞争中保持领先地位。目前，全球电信运营商正在构建量子计算生态系统，通过开放云平台、吸引爱好者参与等方式，推动量子领域从业人员和爱好者的积极参与。这种开放性和生态系统建设有助于推动整个量子计算领域的进一步发展，同时也预示着量子计算技术有望在电信领域发挥越来越重要的角色，为网络性能、通信安全等方面带来全新的突破。注：*表示2023年的进展第一章2023产业发展概览各大电信运营商竞相布局量子计算领域03图表 全球主要电信运营商在量子计算机领域的布局国家公司基本情况中国发布具备“量子优越性”能力的超量融合量子计算云平台“天衍”*携手中国电科发布目前中国最大规模的量子计算云平台。发布“五岳”量子计算云平台*日本联合日本理化学研究所、富士通等研究合作伙伴，成功开发出日本第一台超导量子计算机*加入由东京大学运营的量子创新倡议联盟，并使用IBM 量子计算机验证电信用例*韩国与与韩国科学技术院（KAIST）和 Qunova 计算公司合作，使用D-Wave量子计算机优化6G低轨卫星网络*澳大利亚目前已对量子计算领域进行投资（SQC），但未独立开展研究*德国DT全资子公司推出其量子即服务产品，提供量子计算专业知识和对IBM量子计算资源的访问*英国探索量子计算机如何为电路交换、数据包路由、信号处理和天线波束控制等应用带来好处*与IBM联手探索量子计算技术和量子安全密码学，帮助验证和推进电信领域潜在的量子用例意大利利用量子计算来优化无线电单元的规划，在D-Wave量子计算机上执行二次无约束二进制优化算法10|Version Feb 202449.7%North America25.0%Europe21.7%Asia Pacific 3.7%Others注：图中所引量子计算领域发文数据来自Nature、Science、Physical Review Letter等顶级期刊，详见附件注：此处仅呈现发文数量前十的期刊情况，详见附件第一章2023产业发展概览研究活跃科研成果频出04图表 2023年量子计算相关顶级期刊发文情况图表 2023年量子计算相关顶级期刊发文的通讯作者所在国家China8.3%Japan5.0%Australia2.3%France0.7%Russia1.0%UK5.7%Canada1.0%Germany5.3%Switzerland3.7%Netherlands3.3%Korea2.3%Singapore1.0%Austria1.7%Denmark1.0%Spain1.3%Israel0.3%Finland0.3%USA48.0%11|Version Feb 2024|Version Feb 20248.6 42.8 15.4 20.0 41.8 2.7 3.1 14.9 37.6 051015202530354045Physical Review LettersNatureNature CommunicationsNature PhysicsScienceOptics&PhotonicsQuantum PhysicsScience AdvancesNature Photonics量子计算相关文章发布数量影响因子图表展示了2023年上半年主要期刊上与量子计算相关的文章发布数量和其对应的影响因子（数据来自2023年最新的SCI影响因子）。通过分析比对这些数据，可以对这些期刊在量子计算领域的学术贡献和影响力进行评估，为科研人员选择适合发表研究成果的期刊提供参考。量子计算领域的文章发布数量和影响因子之间存在一定的关系，但并非绝对。有些期刊发布数量较多，同时影响因子也较高，这表明该期刊在该领域具有较高的学术贡献和广泛的影响力。例如，Nature和Science这类综合性期刊发布数量和影响因子都较高，这主要归因于它们的学术声誉、严格的同行评审流程以及跨学科的研究覆盖范围。有些期刊发布数量较少，但影响因子仍然较高。例如，PRX Quantum是一个专注于量子物理学的高质量期刊，其发布数量虽然较少，但其影响因子仍然相对较高。另一方面，有些期刊发布数量较多，但影响因子相对较低。这可能是因为该期刊的研究领域较为特定，受众群体较小，或者在同行评审和学术质量方面存在一定的问题。2023年在顶级期刊上发布的量子计算相关文章的通讯作者所在地区数据则提供了关于不同国家和地区在量子计算研究中的参与度和影响力的重要线索。从通讯作者所在发文机构所属国家来看，美国以144篇的总数遥遥领先，约占总发文数量的48%。这反映了美国在量子计算技术的绝大多数方面处于国际领导地位，其长期积累的科研实力和政府对量子计算技术的重视，造就了美国在量子计算领域的国际地位。中国以25篇的发文总数位列第二，约占8%，显示了中国在基础科学研究和前沿技术领域奋起直追，至今已取得了多项量子计算技术的重要成果，中国科研机构在国际期刊中的发文数量的增长，展现出中国在国际舞台的影响力逐渐增强。其他国家如日本、德国、英国等也有较多论文发布，表明它们在全球量子计算研究较为活跃，在某些专一领域有较高的国际影响力。从通讯作者所在机构的地理位置来看，美州地区位居第一，占据约1/2的比例，反映了美国在该地区的领导地位以及加拿大在量子计算领域的贡献。欧洲紧随其后在该领域的科研活动占据了25%。这显示了欧洲在量子计算研究中的重要地位和活跃度。亚太地区占据了21.7%，显示了该地区在量子计算研究中的快速发展和重要性。而其他地区的贡献相对较少。全球范围内的国际合作对于推动量子计算的研究和应用至关重要。通过合作共享资源和知识，各国和地区可以加快技术进步和应用创新。因此，加强国际间的合作交流将是未来量子计算发展的重要趋势。第一章2023产业发展概览12量子电路具有三种常见的度量：电路大小、电路深度和量子比特数。其中，电路大小对应“量子电路中量子门的个数”，电路深度对应“执行量子电路的并行运行时间”，量子比特数对应“量子电路的空间成本”。这三者一般不能同时达到最优，尤其是深度（时间）和比特数（空间）之间往往是此消彼长的。目前，多条技术路线仍未收敛，也未有公认的换算标准。ICV以时间、核心指标（量子门数量、量子体积、量子比特数量）、组织三大维度，呈现量子计算技术发展趋势图。硬件发展路线图不断更新05第一章2023产业发展概览13IBM20332019IBM102103104106Quantinnum RigettiIonQ华翊量子中科大九章XanaduPasqalInfleqtionQuEraIntelSQC103104105109PsiQuantum202720252029Google2024超导离子阱光量子中性原子半导体2023量子门数量量子体积量子比特数量211220225230图表 量子计算发展阶段及其硬件趋势图（单位：量子比特数量）|Version Feb 2024例如，从量子门数量的维度上来看，IBM在2024年在从内向外的第二个扇形区域内，也就是104，预计为5000门，预计2033年将达到最大扇形区域，即10亿量子门；从量子比特数量上来看，IBM落在从内向外的第三个扇形区域，预计有2000量子比特。从量子体积上的维度上来看，Quantinnum在2023年为219，位于从内向外的第二个扇形区域内，而到了2029年，其量子体积将有望达到225。较此前发布的量子计算产业生态图谱，本次新增若干企业logo，在分类与结构方面做出调整。第一章2023产业发展概览产业链相关企业逐年增多06注：部分整机企业为全栈量子计算机企业，其标识不出现在软件算法相关部分。研究所和大学不在企业生态考虑范围之内。14|Version Feb 2024图表 量子计算产业生态图谱量子云平台行业应用国防军工医药汽车金融化学材料整机量子编程软件量子主机软件其它药物探索金融服务化学化工赋能技术探测器激光器线缆测控系统整机低温微波器件真空系统稀释制冷机GM/脉冲管制冷机加工制造材料量子比特测控系统量子比特环境其他芯片量子计算硬件整机超导离子阱光量子半导体中性原子其它系统软件量子应用软件量子计算云平台应用合作设备美国在量子计算产业链上具有明显优势，政府对量子计算的高度重视和大力支持推动了企业数量的增长，其中涵盖了各类型的企业，包括IBM、谷歌、微软、亚马逊等代表性企业。美国在超导、离子阱、光量子等多个领域都保持领先地位，其科研创新和合作活跃，技术水平和引领能力处于全球前列。中国在量子计算领域崛起迅猛，政府对该领域的高度支持和资金投入推动了企业数量的增加，其中包括腾讯、华为等具有代表性的大型互联网企业。近些年，中国在光量子计算机等方面取得了显著优势，技术水平和挑战能力迅速提升，然而在中美竞争日益加剧的背景下，尤其是在量子芯片和超低温设备等方面，中国与美国相比仍存在较大差距。德国、法国等欧洲国家在量子计算生态建设上表现出积极态势。德国政府通过量子技术行动计划，旨在成为全球量子技术领导者，投入资金并制定战略框架。德国量子计算企业数量在全球中位于前列，技术水平较高，特别在离子阱、中性原子等方向领先。但相对于美国，技术上还存在差距，与欧盟协调整合问题亦需解决。法国通过量子技术国家战略等文件大力支持量子计算。然而，相较美中，投入和产出仍有差距，与德国相比在硬件和软件能力上稍显不足。英国、日本、加拿大等国也在量子计算领域有所建设。英国政府发布科学和技术框架及国家量子战略，致力于巩固科技超级大国地位，但在与美中的竞争中，量子计算机规模和类型方面仍有不足。日本通过量子未来产业创新战略，强调实用化与产业化，在量子软件和服务方面仍有一定劣势。加拿大也启动了国家量子战略，政府支持力度大，尤其是光量子技术路线全球领先，但与美国相比，其在硬件和软件方面稍显不足。Government SupportNumber of EnterprisesIndustrial Chain IntegrityScientific ResearchInternational CooperationUSAChinaGermanyFrance UKJapanCanada注：评价模型详见附件生态建设日趋完善07第一章2023产业发展概览图表 2023全球主要科技国量子计算生态建设情况15|Version Feb 2024目前，量子计算正处于迅速发展的阶段。虽然当前仍然存在一些挑战，如测控系统优化、量子比特数量与质量、量子比特间的相互干扰等，但在各自得技术路线上，已经有了不少可观的突破，为产业的进一步发展奠定了基础。例如，IBM推出得可扩展Quantum System 2架构以及对应的Heron芯片，使得超导技术路线继续领跑全球；“九章三号”的成功构建则标志着量子比特的稳定性和纠缠性质的控制已经取得了显著的进展，使得量子计算机在解决某些特定问题上表现出色等。量子计算产业将进入快速成长周期。即随着量子计算机硬件的不断升级和算法的不断优化，更多的软硬件企业将投身于量子计算领域，并推动量子计算在不同行业的广泛应用。量子计算将在金融、医疗、材料科学等领域最先发挥作用，为下游行业带来颠覆性的创新。与此同时，产业链上的合作与竞争也将更加激烈，投资和创新以及庞大的市场需求将成为推动产业前进的关键驱动力。政府和企业也将共同合作，加大研发投入，以争取在全球量子计算领域的竞争优势。第一章2023产业发展概览产业发展即将进入快速成长周期08图表 量子计算发展生命周期示意图16产业规模时间-20192020-20272028-20332034-20402040-量子优越性展示进入NISQ 时代专用量子计算机实现多种核心应用示范研制出可纠错的通用量子计算机进入全面容错量子计算（FTQC）时代 由计算领域成熟企业引导，完成初步的概念验证 IBM早在1990年代就建立了专门的量子计算研究团队；Google团队首次证明了量子优越性等 代表企业：IBM、Google、Intel、Microsoft等 初创企业以及大部分科研机构开始加入硬件研发以及纠错的行列，全面推进各个技术路线发展 代表企业：Rigetti、IonQ、Quantinnum、Xannadu、QuEra、本源量子、国盾量子等 各技术路线的专用量子计算机不断涌现，并且中下游的量子软件企业，将在这一阶段迅速增长 将优先在金融、医药、化工、汽车、机器学习等领域替代经典计算机，产生多种核心应用范例 各技术路线间的优劣势开始逐渐被放大，或将收敛到单一或几条特定路线，纠错成本大幅降低 由下游新应用场景的需求驱动产业链进一步细化，产业链上游话语权增加，产线扩张直至供需平衡 运算错误率接近或小于经典计算机，量子比特数量将达百万量级 但即使计算机产业进入全面容错的量子计算时代，量子计算机和经典计算机依旧将并存，各自发挥优势，二者并非完全替代关系衰退期变革期起步期成长期成熟期|Version Feb 2024硬件整机022023年量子计算机核心进展全球量子计算硬件整机企业竞争格局量子计算整机企业发展趋势010203第二章硬件整机02硬件整机目录18超导量子计算路线：在过去的一年里，超导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发布了首款超过1000量子比特的量子计算处理器Condor，其拥有1，121量子比特。同时，IBM还推出模块化量子计算机，结合可扩展低温基础设施和经典服务器，实现了计算的超级计算架构。基于此架构，IBM发布了133量子比特可扩展芯Heron。2023年，各机构针对于量子计算领域进行了诸多探索。研究人员通过不断优化噪声大小、连接距离和退相干时间，提高量子比特质量。尤其是在量子比特纠错、量子存储、量子算法、量子与AI大模型相结合以及材料探索等方面并取得了重要突破，推动了量子计算技术的发展。总的来看，2023年量子计算的主要发展方向还是着重于增加量子比特数量、密度和连通性，提高量子比特的质量，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仍并驾齐驱，各自展示着自己的优势。离子阱量子计算路线：Quantinuum的H-Series量子计算机连续创下了三个量子体积（QV）的新纪录：217、218和219，为目前报道最高的量子体积记录。lonQ在钡平台上实现29个算法量子比特。拓扑量子计算路线：微软公布了三个重要的量子计算公告。首先，公司宣布它已经实现了通往量子超级计算机的六步路线图的第一个里程碑；其次，公司将会在10年内完成量子超级计算机的构建；最后，公司预计将把250年的化学和材料科学进展压缩到未来25年。半导体量子计算路线：英特尔公司发布了一种在主流CMOS工艺技术上构建的具有12个量子比特的量子芯片Tunnel Falls。它由12个量子点构建，可配置4至12个基于自旋的量子比特。其目的是让研究实验室用不同的拓扑结构来构建更大的系统，特别是测试量子比特的纠错方案。中性原子量子计算路线：Atom Computing将推出的第二代中性原子量子计算机。目前该公司已经在其量子计算平台中创建了一个1225个站点的原子阵列，目前填充了1180个量子比特。光量子计算路线：中国科大团队证明了“九章”的量子计算优势，解决了两个图论问题，并在之后成功构建了255个光子 的“九章三号”光量子计算原型机。第二章硬件整机2023年量子计算机核心进展01192023年，研究人员利用辅助量子比特、错误缓解方法、扩展表面码逻辑量子比特等技术，有效地降低了错误率，提高了量子计算的可靠性和精度，为实现容错量子计算提供了关键技术。这些技术也探索了不同类型的纠错方法和策略，为量子比特纠错技术的研究和发展提供了新的思路和方向。这些成果对于增强量子计算的信任度和可信度具有重要的影响，显示了量子比特纠错技术在未来量子计算技术发展中的重要地位和作用。在量子计算中，容错一直是一个重要的问题。容错算法的代价通常很高，包括物理比特和逻辑比特之间的问题以及基本操作的时间成本。尽管超导量子比特的操作速度相对较快，但仍与经典计算存在较大差距，而其他类型的量子比特，如离子比特，操作速度更慢。因此，需要在容错和执行效率之间进行权衡。尽管在2023年，部分机构在纠错方面取得了诸多进展，但是量子计算硬件目前仍处于小规模含噪声的阶段。这就意味着在实际应用中，量子计算的准确性和可靠性仍面临一定限制。纠错技术的应用虽然可以提高计算精度，但在大规模量子计算任务中，噪声问题仍然是一个制约因素。因此，解决小规模含噪声阶段的问题需要持续的研究和创新。例如，使用二维寻址技术可以帮助克服串扰问题，提高量子比特之间的隔离效果。不仅如此，通过加强对硬件质量和规模的研究，并不断改进纠错技术，可以逐步提高量子计算的可靠性和稳定性。南方科技大学、深圳量子研究院、福州大学和清华大学利用具有定制频率梳的脉冲应用于辅助量子比特，超过纠错盈亏平衡点约16。谷歌量子AI团队采用了表面码纠错技术，通过将多个量子比特组合成一个逻辑量子比特，实现了量子纠错的盈亏平衡点，并证明了这种方法可以显著降低容错率，达到实现通用计所需的逻辑错误率。Q-CTRL宣布其嵌入式软件已作为选件集成到IBM Quantum的“现收现付计划”（Pay-As-You-Go Plan）中，以提高量子计算的实用性和性能。Psiquantum研究团队提出了一种基于光子量子计算机的主动体积编译技术，通过光学元件和光学干涉来实现量子比特和量子门的纠错，能够将运行量子算法的时间和成本降低50倍，并可自动优化网络结构和资源分配。IBM通过“错误缓解”方法，在127量子比特的处理器上准确获得复杂量子线路运行结果，并可在不进行纠错的情况下超越经典计算机。第二章硬件整机量子纠错企业与科研机构共创，驱动性能提升202023年，不同公司和研究机构在芯片架构设计、量子芯片生产制造链、光子集成技术以及中性原子量子处理器等方面取得了突破。利用超导、光子、离子等不同类型的量子比特和芯片架构，研究人员突破了量子体积、保真度、连接距离等性能瓶颈，为实现量子优越性和容错量子计算提供了硬件基础。这些技术也探索了不同类型的量子比特和芯片架构的优势和潜力，为量子芯片的设计和制造提供了多样化的选择。量子芯片比特数量与质量齐飞，保持高速发展美国伯克利实验室与AQT公司开发了Fluxonium量子比特，性能优于目前广泛使用的超导量子比特。IBM发布超过1000量子比特的量子计算处理器Condor，其拥有1121量子比特。IBM还推出模块化量子计算机，结合可扩展低温基础设施和经典服务器，实现了计算的超级计算架构。IBM发布了133量子比特可扩展芯Heron。Quantinuum在其H1-1量子处理器上实现了524288（219）的量子体积，并在H2上展示了非阿贝尔拓扑有序状态的新物质状态。第二章硬件整机PsiQuantum与英国科学和技术设施委员会（STFC）合作，共同开发下一代高功率低温模块。不仅如此PsiQuantum还与SkyWater Technology合作开发光量子芯片。中国科学技术大学与北京大学合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。华翊量子发布离子阱量子计算第一代商业化原型机HYQ-A37，实现可编程的通用量子逻辑门集合与绝热量子计算。最高水平可维持包含92个镱-171离子的一维离子晶体长达数小时不发生雾化。21本源量子与中科大团队合作，实现硅基量子计算自旋量子比特的超快调控。双方还发展并验证了一种可适用于不同耦合强度和多量子比特系统的响应理论方法。此外，双方还通过调控微波驱动频率、幅值等参数，实现任意能级结构，进而实现高速、抗噪声的量子比特操控。第二章硬件整机中科大团队成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”。该原型机由255个光子构成，在解决高斯玻色取样数学问题方面比全球最快的超级计算机快一亿亿倍，再度刷新了光量子信息技术的世界纪录。22联手开发三代离子阱量子处理器，利用MAGIC技术提供高计算能力的QPU，并通过共同设计策略实现基于离子阱的量子计算机功能不断增强，未来将通过云端访问提供给工业和科学用户。启科量子与中山大学合作开展PT对称性量子比特的研究，实现了量子速度极限，并在50比特离子阱量子计算工程机上实践应用。宣布将于2024年推出的第二代中性原子量子计算机:已经在其量子计算平台中创建了一个1225个站点的原子阵列,目前填充了1180个量子比特。实现了48个逻辑量子比特，能够检测和纠正纠缠逻辑门操作过程中出现的任意错误。这些成果对于推动量子计算的发展和应用具有重要的价值和意义。但是目前、实现大规模系统需要解决量子比特之间的耦合和交互问题，确保系统的稳定性和可控性。量子芯片仍然面临着诸多的挑战和问题，例如如何实现更大规模和更高性能的量子系统、如何克服量子系统的噪声和不稳定性、如何制造和加工高质量的量子材料等。2023年，各公司都在积极探索量子机器学习的新思路和新应用。量子计算和机器学习相结合，能够充分利用量子计算的优势解决传统计算无法处理的复杂问题。例如利用VQNet 2.0框架、CUDA Quantum和H100 NVL等技术，研究人员实现了量子和经典计算资源的同时调度和优化，提高了机器学习的效率和性能，为解决复杂的AI问题提供了混合计算方案。Quantinuum发布了量子自然语言处理工具ambeq的更新版本0.3.0，通过与PennyLane的集成，增强了功能和用户体验。谷歌与卢森堡大学以及BIFOLD合作，共同开发机器学习算法以处理复杂的量子系统。英伟达的DGX Quantum利用CUDA Quantum和H100 NVL可以利用针对语言大模型的加速解决方案来加速GPT的训练和部署。Rigetti与Moodys以及伦敦帝国学院合作，使用量子增强的数据转换和经典特征核方法相结合的机器学习技术，提出了解决经济衰退预测问题的新方法。Ionq计划优化离子阱技术，增加量子比特数量和密度，并预测将在2024年实现量子机器学习的量子优势。这些成果对于促进量子计算与AI领域的协同发展具有重要的影响，目前AI在科研领域的应用还未完全展开，且对于解决智能问题、情感和人机交互等方面具有巨大潜力。然而，量子计算与AI大模型的融合在当前阶段仍然面临着诸多的挑战和问题，如如何克服量子系统的噪声和不稳定性、如何适应不同类型的AI任务和数据、如何评估和验证量子计算在AI领域的优越性等。通过自然语言与AI进行交互，在解决问题和开发应用方面或许将有更多的可能性。目前的量子计算机仍然面临着错误率和噪声的问题，需要更稳定和可控的量子比特来支持大规模的机器学习任务。量子机器学习需要针对量子计算的特殊性质进行算法设计和优化，同时也需要简化和统一的编程框架来加速开发和应用。人工智能与机器学习量子与大模型融合，开拓新思维方式第二章硬件整机23这些成果对于推动量子物理学和量子信息学的发展，未来，室温超导有可能提高量子比特的操控效率和性能，扩大量子系统的规模和稳定性，降低量子计算机的制造和维护成本，增加量子计算机的可用性和可靠性。然而，目前实现室温超导的技术路线主要是通过极高的压力来达到，这大大限制了它在实际应用中的可行性和可控性。近期看，室温超导对超导量子计算意义不大，因为量子计算还需要考虑其他因素，如温度噪声、相干长度、材料加工等。从远期看，还是要关注新技术发现带来的更多可能性。利用拓扑绝缘体，研究人员验证了反常霍尔效应、马约拉纳粒子以及在镥-氢-氮化合物等新型材料中，发现了室温超导性等新型物理现象和新型物质的存在，为探索新型物理现象和新型物质提供了理论和实验支持。这些材料也为开发基于拓扑绝缘体和马约拉纳粒子的新型量子器件和量子计算平台，以及开发低功耗、高速度、高密度的超导电路和器件提供了可能性，为拓展量子计算的概念和范畴，以及改善现有超导技术提供了新的思路和途径。南京大学未观察到镥-氢-氮化合物在接近室温条件下具有超导性，为探索新型物理现象和新型物质提供了理论和实验支持。德克萨斯大学奥斯汀分校验证了拓扑绝缘体中的反常霍尔效应，为探索新型物理现象和新型物质提供了理论和实验支持。代尔夫特理工大学的量子物理学家首次证明使用超导体控制和操纵芯片上的自旋波是可能的。磁铁中的这些微小