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量子信息技术产业发展报告（2022 年）1 一、量子信息概况 量子信息技术是以量子力学原理为基础，通过对微观量子系统中物理状态的制备、调控和观测，实现信息感知、计算和传输的全新信息处理方式，是量子科技的重要组成部分。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术的潜力，量子信息三大领域的原理特性与发展目标定位如图 1 所示。量子信息技术未来有望成为突破经典信息技术极限，拓展未来科学技术新疆域，推动信息技术和数字经济发展演进的新动能。图 1 量子信息技术三大领域原理特性与发展目标(一一)概念概念原理原理分类分类 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。量子计算量子信息技术产业发展报告（2022 年）2 机硬件研发多种技术路线并行发展各具优势，超导和光量子路线实现量子计算优越性验证，离子阱路线量子体积（QV）指标领先，中性原子路线可能成为量子模拟重要平台，多条技术路线各具优势并相互竞争，尚未出现技术收敛与融合的明确趋势。量子纠错编码取得较多实验成果但仍有待进一步的理论方案创新和验证，已成为业界集中攻关的下一阶段性目标。量子计算编译开发与算法应用软件领域百家争鸣，多类型编程框架、开发平台、模拟器和算法软件工具通过开源社区开放竞争，科技巨头在软件和用户生态构建方面占据优势。量子计算与模拟的应用探索在各行业领域广泛开展，业界期待未来在材料与生物医药化学模拟、以及复杂系统建模与优化等领域，率先实现实用化量子计算应用并验证优越性。量子通信利用量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下进行量子态信息传输或密钥分发，理论协议层面具有信息论可证明安全性，部分协议可实现经典信息传输。基于量子密钥分发（QKD）、量子随机数发生器（QRNG）和量子安全直接通信（QSDC）等方案的量子保密通信与量子加密应用初步实用化，在科研领域持续探索新型协议系统和提升技术水平，应用探索和标准化研究取得阶段性成果，产业发展水平持续提升。基于量子纠缠操控、量子隐形传态、量子中继和量子态转换等技术，构建量子信息网络是量子通信领域未来的重要发展方向，近年来在基础科研探索和系统原型实验等方面取得一定进展，但距离实用化仍有较大差距。量子信息技术产业发展报告（2022 年）3 量子测量对外界物理量变化导致的微观粒子系统量子态变化进行调控和观测，实现精密传感测量，在精度、灵敏度和稳定性等方面相较传统技术带来数量级提升。当前量子测量技术与应用发展的主要方向包括：基于量子时间频率基准的授时定位，如光晶格原子钟与时频传输；基于量子陀螺的自主姿态控制与导航，如冷原子干涉或无自旋交换弛豫原子自旋（SERF）陀螺；基于量子微弱磁场测量的金属目标探测或生物磁信号成像，如心/脑磁图和分子级磁共振谱；基于量子绝对重力仪或重力梯度仪的地质及地下结构勘测；基于单光子探测和光量子雷达的目标成像与环境质量监测等。此外近年来探测物理量的广度逐步拓展，痕量检测等领域取得一定成果。多种类型量子测量技术产品已实现初步商用化，并在航天、国防、医疗、环保和科研等领域开展应用探索。(二二)热点话题事件热点话题事件 1.诺贝尔物理学奖授予量子信息科学开拓者诺贝尔物理学奖授予量子信息科学开拓者 2022年度诺贝尔奖的物理学奖授予法国物理学家Alain Aspect、美国理论和实验物理学家 John F.Clauser 和奥地利物理学家 Anton Zeilinger，以表彰他们在纠缠光子实验中验证违反贝尔不等式，以及为量子信息科学研究做出开创性贡献，如图 2 所示。授奖公告1指出，量子力学中的独特现象正在从理论走向技术与应用，已经形成 1 https:/www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/量子信息技术产业发展报告（2022 年）4 包括量子计算机、量子网络和量子加密通信等在内的量子信息技术领域。此外，科学突破奖也连续两年授予量子信息相关研究成果。2023 年度科学突破基础物理奖2，授予 Charles H.Bennett、Gilles Brassard、David Deutsch 和 Peter Shor，表彰他们在量子密码学、量子隐形传态、量子算法、量子纠错等量子信息领域的奠基工作。2022年度科学突破基础物理奖3，授予香取秀俊和叶军，表彰他们将时间测量的精度提高了三个数量级。来源：The Nobel Prize in Physics 2022 图 2 2022 年诺贝尔物理学奖授予量子信息领域开拓者 发展量子信息技术，既由科学家探索物质世界最基本运行规律，拓展人类知识边界的好奇心驱动，也有突破经典信息技术能力极限，2 https:/breakthroughprize.org/News/73 3 https:/breakthroughprize.org/News/65 量子信息技术产业发展报告（2022 年）5 提升人类社会科技与生产力水平的现实需求，还可能成为开启下一轮康德拉季耶夫（康波）周期基础技术创新之门的钥匙。诺贝尔奖和科学突破奖授予量子信息技术开拓者，既是对量子信息科学发展成就的肯定和褒奖，也将激励和引导全球量子信息领域科技工作者，未来进一步加快科学研究探索与技术发展应用。2.资本市场高度关注，投融资资本市场高度关注，投融资金额屡创金额屡创新高新高 作为有望引发未来技术范式变革和颠覆性应用创新的新兴领域，量子信息技术近年来受到资本市场越来越多的关注，众多量子信息领域的初创公司，通过社会资本股权投资和证券市场上市融资等形式获得大量资金支持。波士顿咨询、麦肯锡、世界经济论坛等统计数据显示4，量子信息领域的全球投融资近两年呈现爆发式增长，2020 和 2021 年投资金额已达到约 7 亿美元和约 14 亿美元，两年超过 2010-2019 年十年间的投融资总和，并且 2022 年投融资仍在快速增长。值得关注的国内外量子信息企业融资和上市不完全统计情况如表 1 所示。量子信息技术初创企业在欧美聚集度和关注度更高，市场投资高度集中在量子计算领域，其中又以量子计算系统硬件制造企业最受追捧，反映出量子计算机研发在整个量子信息技术领域的重要价值和意义。近年来，我国量子计算、量子通信和量子测量 4 https:/www.weforum.org/reports/state-of-quantum-computing-building-a-quantum-economy https:/ https:/ 量子信息技术产业发展报告（2022 年）6 初创企业数量不断增加，资本市场高度关注，投融资规模可观。表 1 国内外量子信息企业融资与上市概况 国外国外企业（国家）企业（国家）领域领域 融资类型融资类型 金额（亿美元）金额（亿美元）时间时间 PsiQuantum（美）量子计算 股权投资 6.65 2021 IonQ（美）量子计算 NYSE 上市 6.36 2021 Quantinuum（英/美）量子计算 股权投资 3.00 2021 Rigetti（美）量子计算 NASDAQ 上市 2.62 2021 Xanadu（加）量子计算 股权投资 1.45 2021 Arqit（英）量子通信 NASDAQ 上市 0.70 2021 D-Wave（加）量子计算 NYSE 上市 2.96 2022 IQM（芬）量子计算 股权投资 1.28 2022 SQC（澳）量子计算 股权投资 0.90 2022 Quantum Machines（以）量子计算 股权投资 0.75 2022 ColdQuanta（美）量子计算/测量 股权投资 0.75 2022 Atom Computing（美）量子计算 股权投资 0.75 2022 OQC（英）量子计算 股权投资 0.45 2022 QLM（英）量子测量 股权投资 0.15 2022 国内国内企业企业 领域领域 融资类型融资类型 金额（元）金额（元）时间时间 启科量子 量子通信/计算 股权投资 五千万 2020 科大国盾 量子通信/计算 科创板上市 2020 本源量子 量子计算 股权投资 十余亿 2022 图灵量子 量子计算 股权投资 超五亿 2022 国仪量子 量子测量/计算 股权投资 数亿 2022 未磁科技 量子测量 股权投资 数亿 2022 华翊量子 量子计算 股权投资 过亿 2022 中科酷原 量子测量/计算 股权投资 数千万 2022 资本市场和私营部门的投融资支持，是国家项目公共科研资金和大型科技企业直接投资之外的重要资金支持渠道。近年来量子计算原理样机研发和应用探索发展迅速，量子保密通信和多种类型的量子测量产品开始逐步商用化，量子信息技术领域开始从基础科研走向应用研究。在国家项目、大型科技企业和资本市场三种投资的共同支持和推动下，未来量子信息领域的技术研发、样机及产品开量子信息技术产业发展报告（2022 年）7 发、应用场景探索和商用化推广等工作，有望进一步加速。3.量子计算“泡量子计算“泡沫”争议浮现，沫”争议浮现，引发引发各方各方热议热议 近年来量子计算技术成为国家机构、科技巨头和资本市场等各方在前沿科技领域的关注焦点之一，公共科研资金、私营部门股权投资和资本市场融资不断涌入，既为量子计算样机硬件研发、软件平台开发、应用场景探索等方向提供创新支持和资源保障，也引发了技术炒作、夸大宣传和行业泡沫等不同观点和争议。2022年5月，美国 Scorpion Capital 发布对量子计算上市公司 IonQ 的做空报告5，指出其量子计算产品与应用局限（报告技术专业性似乎有限），以及管理运行方面问题，质疑其交付能力与商业模式。2022 年 8 月，牛津大学学者在金融时报刊文6，直指资金涌入导致量子计算技术成就和前景夸大宣传，量子计算公司尚未提供真正产品和实现业务收入，行业泡沫不容忽视。观点也引发业界回应7，多方从技术发展成就、科技巨头投入和应用探索前景等方面热烈讨论，看法观点不一。近年来量子计算领域技术研究和样机研发发展迅速，取得了一系列重要进展，但样机比特数量、质量和操控速度等性能指标仍有很大提升空间。中等规模含噪量子计算机（NISQ）在金融、化学、制药、交通等领域广泛开展应用探索，但兼具实用价值和算力优势 5 https:/scorpioncapital.s3.us-east- 6 https:/ 7 https:/ https:/ https:/spectrum.ieee.org/ieee-quantum-week 量子信息技术产业发展报告（2022 年）8 的“杀手级”应用仍不明确。量子计算发展处于扩大量子比特集成规模，突破实际应用临界点的快速增长阶段。量子计算企业普遍面临中/短期内交付产品成果和提供落地应用的期望和挑战。二、政策布局投资 量子信息技术对于未来数字经济产业升级，信息社会发展演进等领域将产生重要的变革和驱动作用，已成为全球科技竞争关注焦点之一。近年来全球已有多个国家/地区发布国家量子科技计划或法案、制定国家量子战略以支持本国量子科技发展，竞争正日趋激烈。全球量子信息领域项目规划和投资情况如表 2 所示。表 2 全球量子信息领域项目规划和投资概况 国家国家 时间时间 项目项目/规划规划 布局方向与要点布局方向与要点 金额金额(亿美元亿美元)美国美国 2018 国家量子行动（NQI）立法 设立国家量子协调办，NSF/DoE/NIST 等组织实施 12.75 美国美国 2022 创新竞争法案 无尽前沿法案 量子网络基础设施投资、量子人力资源发展等 欧盟欧盟 2016 量子旗舰计划 24 国参与，2018 年启动 4 领域 19 个科研项目 11.12 英国英国 2015 国家量子技术计划（一期）建立量子通信/传感/成像/计算 4 个研发中心 5.24 英国英国 2019 国家量子技术计划（二期）第二阶段拨款，增设国家量子计算中心 4.87 德国德国 2018 量子技术-从基础到市场 计算/通信/测量/基础 4 大方向，6 方面推动措施 7.23 德国德国 2021 量子计算机研发与应用 开发量子计算机，将量子计算技术推向市场 24.36 法国法国 2020 国家量子技术投资计划 开发容错大型量子计算机，量子传感器和量子通信 18.28 法国法国 2021 法国量子技术国家战略 开发有噪声中型量子计算机和大型量子计算机 18.3 法国法国 2022 量子优先研究和设备量子计算、量子传感、量子算1.52 量子信息技术产业发展报告（2022 年）9 计划 法、量子通信 荷兰荷兰 2019 量子技术发展国家计划 量子计算/模拟、国家量子网络、量子传感应用 8.68 奥地利奥地利 2021 量子奥地利 加强量子技术基础研究，促进产品服务和市场投放 1.27 加拿大加拿大 2016 资助 4 个量子研究中心和QEYSSat 任务等 1.49 加拿大加拿大 2021 国家量子战略 支持量子材料和量子设备研究，投资新兴量子产业 3.60 澳大利澳大利亚亚 2017 资助 4 个量子研究机构和硅量子计算项目等 1.03 澳大利澳大利亚亚 2022 国际量子战略草案 启动国家量子战略制定工作 0.76 俄罗斯俄罗斯 2019 量子技术基础与应用研究 量子计算/模拟、量子通信、量子传感、使能技术 6.92 以色列以色列 2020 国家量子技术计划 投资量子计算，量子传感和量子材料科研 3.75 印度印度 2020 国家量子技术和应用任务 量子计算、通信、密码、传感、时钟、器件材料 10.65 日本日本 2018 光量子跃迁(Q-LEAP)计划 量子信息处理、量子模拟器和量子计算机等 2.76 日本日本 2020 量子技术创新战略 量子计算机与量子模拟、量子测量/传感、量子通信/密码学、量子材料 韩国韩国 2019 量子计算技术开发项目 量子计算机硬件、新架构、量子算法和基础软件 3.98 新加坡新加坡 2019 新加坡量子技术：为未来做好准备 量子计算和模拟、量子通信、量子传感和计量、上游研究 新加坡新加坡 2022 量子计算中心、量子器件晶圆厂、量子安全网络 0.17(一一)国际国际政策布局政策布局 在欧美各国发展规划中，针对各领域不同技术成熟度，以分领域和分阶段方式，对前沿研究、应用探索、创业转化和人才培养等方面进行综合规划布局和长期滚动投入。1.美国美国 量子信息技术产业发展报告（2022 年）10 美国的量子信息技术发展呈体系化发展模式，重视战略部署、顶层设计以及路线规划，近十年来出台多项法案、政令、规划和研究报告，采取建立有效协作机制、成立委员会、资助研究机构等措施，充分发挥战略科技力量优势，预计未来几年将持续加大投入。2018 年，美国连续颁布量子信息科学国家战略概述、国家量子计划法案 等计划法案8，确立以国家量子协调办公室（NQCO）为统筹中心、为期 10 年的国家量子计划。2020 年，白宫发布关键与新兴技术国家战略9，NQCO 颁布美国量子网络战略愿景10，能源部颁布“量子互联网”国家战略蓝图报告11。2021 年，白宫颁布国家安全临时战略指南12，再次强调量子计算等新兴技术有望改变各国间的经济和军事平衡。6 月，参议院颁布2021年美国创新与竞争法案13，表明重点支持包括量子计算和信息系统在内的十大关键技术。2022 年 2 月，NQI 办公室发布量子信息科学技术劳动力发展国家战略计划14，提出科普教育宣传等方面人才培养规划举措，3 月发布将量子传感器付诸实践报告15，分析量子测量技术应用挑战，并提出加强应用研究、开发组件子系统 8 https:/www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227 9 https:/trumpwhitehouse.archives.gov/wp-content/uploads/2020/10/National-Strategy-for-CET.pdf 10 https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2021/01/A-Strategic-Vision-for-Americas-Quantum-Networks-Feb-2020.pdf 11 https:/www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch-future-quantum-internet 12 https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2021/03/NSC-1v2.pdf 13 https:/www.congress.gov/bill/117th-congress/senate-bill/1260/text 14 https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2022/02/QIST-Natl-Workforce-Plan.pdf 15 https:/www.quantum.gov/wp-content/uploads/2022/03/BringingQuantumSensorstoFruition.pdf 量子信息技术产业发展报告（2022 年）11 和简化技术转让与准入等发展建议。2 月，白宫更新关键和新兴技术清单16，将量子计算、量子器件材料与制造、抗量子计算破解加密、量子传感和量子网络等 5 项量子信息技术列入清单。5 月签发两项总统行政令17，一是强化 NQI 咨询委员会职能，二是部署国家信息系统中的抗量子计算破解加密技术产品升级工作。6 月，白宫发表声明18，网络安全和抗量子密码被美国列为最重要的事项之一，优先级高于贸易与金融。此外，美国越来越重视与其盟友在量子科技领域的合作，目前已与日本、英国、澳大利亚和北欧诸国签署了关于量子信息科技合作的联合声明。G7 集团（美国、英国、法国、德国、日本、意大利、加拿大）领导人发布 G7 联合公报19，强调为应对中国挑战并加强在网络安全领域的合作，共同应对量子计算攻击，包括新的抗量子密码标准等。8 月，白宫通过芯片和科学法案20，包含了量子科学网络、科学技术量子用户扩展、量子网络与通信研究和标准化、下一代量子领导者先导计划共 4 个项目，未来五年计划新增预算授权总金额为 7.65 亿美元。11 月，以美英法德日为首的十二国将成立围绕量子技术的集团，建立了名为 16 https:/www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2022/02/02-2022-Critical-and-Emerging-Technologies-List-Update.pdf 17 https:/www.whitehouse.gov/briefing-room/presidential-actions/2022/05/04/executive-order-on-enhancing-the-national-quantum-initiative-advisory-committee/https:/www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2022/05/04/national-security-memorandum-on-promoting-united-states-leadership-in-quantum-computing-while-mitigating-risks-to-vulnerable-cryptographic-systems/18 https:/www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2022/06/28/fact-sheet-the-united-states-continues-to-strengthen-cooperation-with-g7-on-21st-century-challenges-including-those-posed-by-the-peoples-republic-of-china-prc/19 https:/www.consilium.europa.eu/en/press/press-releases/2022/06/28/g7-leaders-communique/20 https:/www.quantum.gov/quantum-in-the-chips-and-science-act-of-2022 量子信息技术产业发展报告（2022 年）12 Entanglement Exchange 的新网站21，通过人员交流促进国际量子合作与协作。12 月，美国和法国签署了一项量子技术协议22，该合作声明明确将量子信息科学列为双方认可继续开展研究合作的领域。2.欧盟欧盟 欧洲对于量子信息处理和通信技术的研究起步也较早，大力推动技术及应用产业发展，各成员国积极响应。2016 年，欧盟委员会推出量子宣言(草案)23，倡导尽早实施量子技术旗舰计划。2018 年，量子技术旗舰计划正式实施，投资约 10 亿欧元，计划为期 10 年。2020 年发布了量子技术旗舰计划战略研究议程24，为量子发展制定了详细发展路线。2022年 2 月，欧洲量子旗舰计划官网发布欧洲量子计算和量子模拟基础设施白皮书25，详细阐述当前欧洲量子计算技术的发展状况与未来规划，并为如何实现超级计算机与量子计算的融合发展提出了共识立场。欧盟委员会公布欧洲芯片法案26，至 2030 年计划投入超过 430 亿欧元以提振欧洲半导体产业，特别强调需培养量子芯片开发的技术和工程能力。6 月，欧盟将量子计算纳入欧洲芯片法案27，计划投入 430 亿欧元。7 月，欧盟委员会通过了最新的 欧 21 https:/entanglementexchange.org/22 https:/ http:/qurope.eu/manifesto 24 https:/qt.eu/about-quantum-flagship/newsroom/the-quantum-flagship-officially-presents-the-strategic-research-agenda-to-the-european-commission/25 https:/qt.eu/about-quantum-flagship/newsroom/european-quantum-computing-simulation/26 https:/ec.europa.eu/newsroom/dae/redirection/document/83086 27 https:/ 年）13 洲创新议程28，旨在联合欧盟各国力量并建立引领全球硬科技创新的行业领导力，其中包括量子计算。10 月，经欧盟委员会批准，欧洲量子互联网联盟（QIA）启动为期七年的计划29，旨在开发城市间全栈式原型网络，构建欧洲量子互联网生态系统。3.英国英国 英国也是发布国家层面量子信息技术政策较早的国家之一，自2013 年起实施英国国家量子技术计划（NQTP）30，研究范围横跨量子计算、通信、计时、传感和成像等多个领域。2015 年，发布量子技术国家战略英国的一个新时代31与 英国量子技术路线图32，将量子信息技术发展提升至深刻影响国家竞争力的重要战略地位，发布计划旨在引导未来二十年的量子信息技术发展与应用落地。2019 年，英国启动了第二阶段国家量子技术计划33，强调以行业为主导，加快量子通信等技术商业化发展，实施国家量子计算中心项目，加速研发可扩展的实用量子计算机。2020 年，英国国防部发布2020 年科学技术战略34，指出科技不仅是解决问题的手段，更是全球各国竞争的主领域，强调要强化对未来技术前景的理解，采取行动获取先发优势。2021 年，英国政府不断加大在量子领域的投 28 https:/ec.europa.eu/info/sites/default/files/research_and_innovation/strategy_on_research_and_innovation/documents/ec_rtd_neia-factsheet.pdf 29 https:/ https:/iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ab4346/pdf 31 https:/www.gov.uk/government/news/quantum-technologies-a-new-era-for-the-uk 32 https:/www.ifm.eng.cam.ac.uk/news/quantum-technologies-roadmap/33 https:/iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ab4346 34 https:/www.gov.uk/government/publications/mod-science-and-technology-strategy-2020 量子信息技术产业发展报告（2022 年）14 资力度，建设量子数据中心35。2022 年 3 月，英国政府发布2022年春季声明，宣布扩大合规支出以支持包括量子计算等在内的新兴行业36。6 月，英国科技和数字经济部发布英国数字战略37，在2022-2024 年三年时间内将分配约 400 亿英镑的研发预算，支持量子计算领域高校研发、企业创新以及人才培养。(二二)国内政策布局国内政策布局 我国高度重视量子信息技术领域发展，在多个国家政策文件中提出发展量子信息技术的规划布局。2021 年，中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要38，在强化国家战略科技力量、整合优化科技资源配置等多个方面对量子信息发展进行规划。国务院印发国家标准化发展纲要39提出要加强量子领域等关键技术领域的标准化研究。2022 年 1 月，量子信息作为“关键技术”被列入国务院印发的“十四五”数字经济发展规划40。10 月，党的二十大报告中指出：一些关键核心技术实现突破，战略性新兴产业发展壮大，量子信息等取得重大成果41。近年来各省市在科技和信息化等领域发展规划中，也积极开展布局，推动量子信息技术产业发展。35 https:/www.ukri.org/news/50-million-in-funding-for-uk-quantum-industrial-projects/36 https:/www.gov.uk/government/publications/spring-statement-2022-documents/spring-statement-2022-html 37 https:/www.gov.uk/government/publications/uks-digital-strategy/uk-digital-strategy 38 http:/ 39 http:/ 40 https:/ 41 http:/ 量子信息技术产业发展报告（2022 年）15 三、科研进展成果(一一)量子计算量子计算 1.多种硬件多种硬件路线路线持续提升比特持续提升比特集成规模集成规模与保真度与保真度 超导量子路线是发展相对迅速的一种量子计算方案，核心器件为二能级系统超导约瑟夫森结，具有可设计、可扩展、易控制、易耦合等优势。主要不足在于运行环境需要满足数十毫开尔文极低温制冷要求、人工制造量子位的差异可能导致错误、需要结合材料科学和电路模型设计等技术以提高相干寿命和保真度等。近期超导技术路线在比特数量和保真度方面均有一定突破。2022 年 2 月，Rigetti名为“Aspen-M”的 80 量子比特系统上线42，5 月宣布43将于 2025年和 2027 年推出 1000 和 4000 量子比特系统，9 月宣布44处理器“Ankaa”将在单芯片上部署 84 个量子比特并将于 2023 年初上线。5 月，IBM 更新技术路线图45，计划 2022-2025 年每年推出一款新量子系统直至 2025 年实现 4000+量子比特，并开发可扩展的频率调谐方法46，使用调谐后的 65 量子比特处理器 Hummingbird 实验得到98.7%的双量子比特门保真度中值。劳伦斯伯克利国家实验室在超导量子信息处理器中进行三量子比特高保真 iToffoli 本机门的首次 42 https:/ 43 https:/ https:/ 45 https:/ 46 https:/www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6690 量子信息技术产业发展报告（2022 年）16 实验演示47，该门保真度达到 98.26%。7 月，阿里在新型比特Fluxonium 系统中实现了 99.72%的双比特门操控精度48。8 月，百度发布超导量子计算机“乾始”。11 月，IBM 发布49433 量子比特 Osprey处理器。超导技术路线是构建通用量子计算机最有前途的候选路线之一，量子比特数量持续稳步提升。离子阱量子处理器利用电荷与磁场间的交互作用力，形成势阱操控带电粒子构建二能级量子比特，具有无需极低温冷却、量子比特物理全同、相干时间长等独特优势。主要局限在于需要超高真空环境、门操作速度慢、单比特多路激光读写需求和线性阱尺度规模制约比特数扩展等。近期研究进展主要是保真度提升和全连接比特数增长。2021年12月Quantinuum宣布50其离子阱量子计算机System Model H1-2 实现 2048 量子体积，测试中平均单量子比特门保真度为 99.996%，平均双量子比特门保真度为 99.77%，状态制备和测量(SPAM)保真度为 99.61%，2022 年 4 月宣布51System Model H1-2 量子体积达到 4096，6 月宣布52System Model H1 系统已扩展至 20 个全连接量子比特，9 月宣布53System Model H1 系统量子体积达到8192。2022 年 3 月，IonQ 将其新型钡基量子计算机状态制备和测 47 https:/ 48 https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.010502 49 https:/ 50 https:/ 51 https:/ 52 https:/ 53 https:/ 量子信息技术产业发展报告（2022 年）17 量保真度提升至99.96%54，5月推出5532比特离子阱量子计算机IonQ Forte。7 月，奥地利因斯布鲁克大学联合团队提出56一种基于离子阱量子处理器的方法，旨在使用更少的量子粒子释放更多的计算能力，并消除量子计算对二进制计算模式的依赖以及噪声。离子阱技术路线作为通向通用量子计算的另一个有力竞争者，未来样机研发在真空、激光、微波和电子学等多个工程技术领域需要持续攻关。光量子处理器利用光子的多种自由度进行量子态编码和量子位构建，优势在于与周围环境相互作用弱、可常温工作、相干时间长、保真度较高。不足之处在于光子间相互作用微弱、构建逻辑门困难、高品质光源技术与光子探测技术尚不成熟等。近期光量子技术路线科研进展主要包括量子优越性证明、光子纠缠操控实验等。2021 年11月，上海交大实验实现单片集成128个全同量子光源的阵列芯片，验证了片上集成源之间的不可分辨性以及稳定持续的量子源加工能力57。2022 年 5 月，德国马克斯普朗克量子光学研究所展示双光子CNOT 门58，在后选择处理保真度为 81%时，平均效率为 41.7%，8月实现 14 个光子的纠缠操控59。6 月，加拿大 Xanadu 光量子计算机Borealis 完成 216 光子高斯玻色采样实验60，成为第二个光量子路线 54 https:/ 55 https:/ 56 https:/ https:/journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.054026 58 https:/journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021035 59 https:/ 60 https:/ 量子信息技术产业发展报告（2022 年）18 验证量子计算优越性的团队。9 月，巴黎萨克雷大学等研究机构合作开发新型光学设备，通过使多光子在一个高度协调的波导阵列中相互作用的方式获得可量化的多光子不可区分性61。10 月，德国帕德博恩大学等研究机构联合开发可编程光学缓冲量子存储器，基于此制造四光子和六光子纠缠态，成功率分别是传统方法的 9 倍和 35倍62。未来发展中，光量子技术路线需加强新型光源和探测器技术以及光量子逻辑门操控技术等方面的研究。硅半导体量子计算处理器的原理是在硅或者砷化镓等半导体材料制备门控量子点来编码量子比特，优势在于可扩展性好，且与成熟 CMOS 工艺相兼容。主要不足在于保真度较低、噪声影响明显、需提纯材料以延长相干寿命、量子位间存在干扰与串扰等。近年成果亮点主要在于量子比特数量和保真度的提升。2022 年 1 月，自然杂志发表澳大利亚 UNSW 大学、荷兰 Delft 理工和日本理化研究所共三个团队的成果63，三种不同实现方案的硅基量子处理器的双量子比特门保真度均达到 99%以上。6 月，法国多家研究机构合作实现新型三步表征链用于在全耗尽型绝缘体上硅材料上制造线性硅量子点阵列64。9 月，荷兰 QuTech 实现 6 位硅基自旋量子比特的 61 https:/journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.031033 62 https:/journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.150501 63 https:/ 64 https:/www.nanotech- 年）19 纪录65，同时实现平均保真度 99.77%的单量子门操控。10 月，Intel实现 12 位硅自旋量子比特，同时量子比特芯片整个晶圆的良率达到95%66。未来克服电子自旋易受电磁环境影响的弱点将是硅半导体路线科研攻关需要突破的主要目标和方向。中性原子量子计算通过被称为光镊的紧密聚焦激光束阵列，约束中性原子在超高真空中悬浮并构建二能级系统，优势在于相干时间长以及构建多维列阵的潜力。不足之处在于需克服激光控制系统复杂性的影响。2022 年 2 月，美国芝加哥大学实现 512 位双元素二维原子阵列67。5 月，哈佛大学与麻省理工展示 289 位量子比特里德堡原子处理器和图问题求解68。9 月，法国 Pasqal 公司在光镊系统中捕获 324 位量子比特的中性原子大型量子处理器阵列69。QuEra Computing 开发编码方案用于优化中性原子阵列上的任意连通性问题70。未来中性原子技术路线仍需进一步提升逻辑门操控能力和保真度，并研究多维列阵的连接方式。2.量子优越性可用于验证量子计算原理性优势量子优越性可用于验证量子计算原理性优势 量子优越性是指量子计算在解决特定计算困难问题时，相比于经典计算机可实现运算处理加速，从而体现量子计算原理性优势。65 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-05117-x 66 https:/ 67 https:/doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011040 68 https:/doi.org/10.1038/s41586-022-04725-x 69 https:/pasqal.io/2022/09/14/pasqal-unveils-a-new-quantum-processor-architecture-with-a