2022全球量子计算产业发展报告.pdf

II全球量子计算产业发展报告Start sailing2022Global Quantum Computing Industry Development Report2022 量子计算产业发展报告1前言前言量子计算是一种遵循量子力学规律，进行高速运算、存储、处理信息的新型计算。与传统计算机相比，量子计算机具有天然的量子并行计算能力，存储能力强，运算速度快，将给现有计算能力带来质的飞跃。随着新一轮信息科技革命和产业革命的推进，各个行业数据信息体量不断增加，提高算力的同时又能降低能耗是各国亟待解决的关键问题，而量子计算作为该背景下的先锋技术，为问题的解决提供了颠覆性思路。对量子计算的研究是突破经典计算算力极限的突破性科学尝试，已成为世界各国抢占军事、安全、经济、科研等领域全方位优势的战略制高点。从概念构想，到实验室成果，再到商业价值初探，探索量子计算物理实现方式和增加量子比特数量是全球研究机构及科技企业追逐的关键目标。2021 年全球量子计算快速跨入 NISQ 时代，超导量子比特数量正在进入百位时代，多技术路线齐放异彩，量子计算应用积极探索，中美两国领导全球进展，融资规模超过过去十年总和，上市融资也成为 2021 年新潮。ICV 联合光子盒全球发布2022 全球量子计算产业发展报告，展望 2022 年，更加精彩。ICV 前沿科技咨询总监、高级副总裁：Jude Green扬帆远航2致谢本篇报告由全球前沿科技咨询机构 ICV 与光子盒联合出品。此外，感谢 DelftCircuits、Google、IBM、IonQ、Origin Quantum（本源量子）、Oxford Instruments、Quantum CTek（国盾量子）、Qudoor（启科量子）、Rigetti 等公司给予技术和素材的支持。2022 量子计算产业发展报告编写组2022 年 1 月 25 日特别鸣谢特别鸣谢（以下顺序按公司英文名称首字母排列，排名不分先后）2022 年量子计算产业发展报告3目录目录前言.1第一章.7量子计算产业透视.7一、量子计算发展概述.8二、量子计算产业链.10三、量子计算应用场景.12第二章.15量子计算机齐头并进.15一、超导最受关注.17二、离子阱量子体积遥遥领先.20三、光量子商业化元年开启.22四、中性原子美国领先.24五、半导体量子点/硅自旋值得期待.26六、拓扑量子计算仍有不确定.27七、金刚 NV 色心扩展难度大.29八、量子退火机进展不大.29九、相干伊辛机继续观察.29第三章.31核心元器件发现与突破.31一、低温设备.32二、测控系统.38三、同轴电缆.45四、低温组件.46五、超高真空（UHV）腔.48六、激光器.49七、单光子源.50八、单光子探测器.51第四章.57云平台、软件、算法应用至上.57一、云平台进展.58（一）国外量子计算云平台.60（二）国内量子计算云平台.63二、软件进展.66（一）国外软件开发企业.66（二）国内软件开发企业.70扬帆远航4三、算法进展.75（一）金融.76（二）化学、生物学、医学.78（三）人工智能.81（四）汽车.83（五）航空.84（六）能源.84（七）供应链/交通优化.85（八）天气预报.86（九）密码.86（十）基础科学.87第五章.90量子公司王者与新贵.90一、国外.92二、国内.109第六章.123投融资勇敢想象.123特点一：上市融资成了量子科技公司的潮流.126特点二：单笔融资金额创纪录.127第七章.131国家政策坚持支持.131观点 1.132观点 2.133观点 3.133观点 4.133观点 5.133第八章.1352022 年展望.135一、市场规模预测.136二、2022 年发展趋势预测.139附 主要国家和地区的政策支持.142关于我们.1592022 年量子计算产业发展报告5表目录表目录表 1主流量子计算公司路线图.8表 2量子计算各技术路线成熟度评价体系.16表 32021 年全球超导量子计算重要进展.20表 42021 年离子阱量子计算重要进展.22表 52021 年光量子计算重要进展.24表 62021 年离子阱量子计算重要进展.25表 72021 年半导体量子点/硅自旋量子计算重要进展.27表 82021 年拓扑量子计算重要进展.28表 9量子测控系统发展历程.38表 10全球量子计算云平台发展历程.59表 112021 年全球量子计算软件发展大事件.75表 12量子计算各技术路线成熟度评价体系.76表 13生物学和医学领域的预期量子优势.80表 142021 年全球量子计算应用算法发展大事件.88表 152021 年量子计算融资情况.124表 16全球量子主要参与者评价体系.132图目录图目录图 1 量子计算产业链图谱.10图 2稀释制冷机内部结构.33图 3牛津仪器 Proteox 无液氦稀释制冷机.36图 4量子计算测控系统发展趋势.40图 5量子测控一体机 Origin Quantum AIO.41图 6ez-Q Engine 超导量子计算操控系统.42图 7是德科技集成测控系统.43图 8芯片上方产生的磁场可以控制百万级量子比特.45图 9低温同轴电缆示意图.46图 10本源量子极低温系列衰减器.47图 11霍尼韦尔离子阱量子计算机使用的真空腔.49图 12国内首台 100kW 超高功率工业光纤激光器.50图 13近红外波段自由运行单光子探测器 QCD600.52图 14单光子探测器在离子阱中的应用.54图 15EMCCD 芯片结构图.55图 16iXon Ultra 系列 EMCCD 相机.56图 17本源量子计算“五朵云”.64图 18量子计算云平台.65图 19开源电子设计自动化软件 Qiskit Metal.67扬帆远航6图 20Singularity 量子金融分析工具.68图 21lambeq 将句子转换成量子电路.70图 22本源司南量子计算操作系统.71图 23本源量禹使用界面.72图 24商业风险敏感性分析的量子算法.77图 25 2021 年全球量子计算主要参与者地理分布.91图 26IBM 量子计算硬件路线图.93图 27在稳定器电路的批量采样方面，Stim 明显快于以前的工具.94图 28微软低温控制芯片 Gooseberry.98图 29Xanadu 可编程光量子芯片.102图 30PsiQuantum 光量子芯片.103图 31“九章”二号整体装置图.109图 32“祖冲之号”66 量子比特超导量子处理器示意图.110图 33本源量子未来五年量子计算技术规划路线图.111图 34百度 QIAN 战略规划.117图 352014-2021 年全球量子科技公司融资金额及增长率.127图 362021 年量子计算两大领域融资额占比情况.128图 372021 年量子计算融资情况.129图 382021 量子计算融资轮次情况.130图 39 全球量子计算市场预测.136图 40 全球量子计算市场预测.137图 41 全球量子计算下游行业应用预测.1382022 年量子计算产业发展报告7第一章第一章量子计算产业量子计算产业透视透视021 年，是量子计算界备受瞩目的一年。量子比特数量实现较大规模增长的同时，各量子计算硬件技术均有所发展；越来越多的机构开始研发上层软件和算法，并有越来越多的算法在小规模实际问题上得到实验。量子计算机能够解决问题的规模在很大程度上取决于量子比特的数量。2021 年以来，主要研究团队都实现了突破，中性原子公司 ColdQuanta 和 Atom Computing 推出了 100+量子比特量子计算机，哈佛-MIT 开发了 256 量子比特基于中性原子的量子模拟器。超导方面，中国科大的 66 量子比特“祖冲之号”实现量子计算优越性，计算复杂度比谷歌“悬铃木”提高了 6 个数量级；Rigetti 则提出了模块化的量子处理器架构，预计在几个月内推出 80 量子比特处理器；IBM 推出了 127 个量子比特的处理器 Eagle。离子阱方面，IonQ 提出可重构多核量子架构，已扩展到 64量子比特。光量子方面，传统上光量子计算的缺点是难以编程，但是越来越多的研究表明，光量子计算同样可以编程，例如 Xanadu公司和国防科技大学都展示了可编程光量子计算芯片，此外，研究人员透露，“九章”未来也将可编程。2扬帆远航8一一、量子计算、量子计算发展概述发展概述从主流量子计算公司的技术路线图来看，2021-2022 年左右将突破 100 量子比特，3 年内突破 1000 量子比特，到这个十年结束（2030 年）实现 100 万量子比特。表 1 主流量子计算公司路线图资料来源：ICV量子计算机是否有用的另一个维度是量子比特的质量，主要指标包括：相干时间（决定量子态可以保持多久）、量子比特之间的连接程度、门保真度等。在相干时间方面：在相干时间方面：2021 年中国清华大学金奇奂研究组在离子阱系统上刷新了单量子比特相干时间记录（5500 秒）。在量子比特之间的连接程度方面在量子比特之间的连接程度方面：离子阱系统可以实现全连接，但量子比特数量较少，超导量子计算机，例如祖冲之号和悬铃木，单个量子比特只与周围 42022 年量子计算产业发展报告9个量子比特相连，如果能够提高连接性，那么可解决问题的规模将呈指数级增长，日本 RIKEN 则首次实现了三个半导体（硅自旋）量子比特的纠缠。在门保真度方面在门保真度方面：目前最先进的量子计算系统的 2 量子比特门（纠缠门）保真度都在 99%以上，目前最高记录是澳大利亚硅量子计算公司通过半导体技术实现的 99.99%，但他们仅仅开发了 2 个量子比特。当前任何一种技术路线都无法同时在所有指标上领先，不同技术路线都各有优缺点。目前还不断有研究团队在制造新的量子比特。在测量和控制方面在测量和控制方面：2021 年也取得了突破。2021 年以苏黎世仪器为代表的一些厂商发布了可以测控 100+量子比特的测控系统。最大的突破则是澳大利亚新南威尔士大学提出了可以控制数百万个硅自旋量子比特的技术，为未来百万量子比特处理器的出现打下了坚实基础。量子计算快速发展的同时，也不能忽视经典计算的进步。2019 年 Google宣称超级计算机需要 1 万年才能完成的计算，最近的研究表明，经典模拟已经达到了与 Google 量子计算机不相上下的速度。20212021 年该领域的主题可以定为经典模拟与量子计算之争，而且这场竞争将年该领域的主题可以定为经典模拟与量子计算之争，而且这场竞争将一直持续下去，经典计算的巨大进步迫使量子计算也加快了发展脚步。一直持续下去，经典计算的巨大进步迫使量子计算也加快了发展脚步。扬帆远航10二二、量子计算产业链、量子计算产业链量子计算行业目前处于早期探索阶段，核心参与者不多，产业链上下游较为清晰，目前国外科技巨头如 IBM、谷歌、亚马逊、微软、英特尔、霍尼韦尔等处于行业领先地位，IonQ、Rigetti、PsiQuantum 等量子计算新贵已获得数亿美元的风险投资，实力同样雄厚；国内科技巨头阿里巴巴、百度、腾讯、华为等也在跟进，但国内领先的量子计算公司主要是以本源量子、国盾量子等为代表的依托高校的公司。总体上，国内外量子计算产业链已经初具雏形。图 1 量子计算产业链图谱来源：ICV产业链来看，量子计算设备供应商主要以国际公司为主，特别是稀释制冷机和低温同轴线缆。但在其他领域，中国企业已经占有一席之地，特别是测控系统，中微达信、国盾量子和本源量子与国外厂商并没有差距，甚至可以达到更高水平。另外，衰减器、滤波器等低温组件，本源量子也取得了一定突破。芯片制造方面，目前量子芯片的制造过程主要是在实验室完成的，但有一些领先的量子计算团队已经在工厂制造量子芯片，例如，谷歌“悬铃木”量子芯片2022 年量子计算产业发展报告11就是在加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的一家工厂制造的。2022 年 1 月，本源量子自主建设的两大实验室量子芯片制造封装实验室和量子计算组装测试实验室正式启用，这也是继 2021 年本源-晶合量子芯片联合实验室后建成的国内第二个工程化量子芯片实验室。产业链中的量子计算公司主要集中于硬件和软件研发，目前领先的硬件团队主要是科技巨头和有实力的研究机构（如中科大），但中国的科技巨头布局量子计算较晚，初创公司如本源量子、国盾量子、启科量子、图灵量子是行业的中坚力量。软件方面，国际上已经有 100 多家量子软件公司，但中国的量子软件公司较少。扬帆远航12三三、量子计算应用场景、量子计算应用场景量子计算机过大的体积、极其严苛的运行环境和数千万美元的价格，使得当前量子计算的应用主要通过云平台范围量子硬件，量子计算与经典计算也不是取代和被取代的关系，而是在对算力要求极高的特定场景中发挥其高速并行计算的独特优势。对于量子计算机将能够解决的所有问题，目前还没有达成共识，但研究主要集中在以下类型的计算问题上：模拟模拟：模拟自然界中发生的过程，很难或不可能用当今的经典计算机来描述和理解。这在药物发现、电池设计、流体动力学以及衍生品和期权定价方面具有巨大潜力。优化优化：使用量子算法来确定一组可行选项中的最优解。可能适用于干线物流和投资组合风险管理。机器学习机器学习：识别数据中的模式以训练机器学习算法。这可以加速人工智能的发展（例如用于自动驾驶汽车）以及防止欺诈和洗钱。密码密码：打破传统加密和支持更强的加密标准。从行业上来说，量子计算的潜在应用主要包括供应链、金融、交通、物流、制药、化工、汽车、航空、能源、气象等领域。2022 年量子计算产业发展报告13制药制药、化工化工、新材料新材料：量子计算可模拟分子特性，有望通过计算机数字形式直接帮助研究人员获得大型分子性状，缩短理论验证时间，极大地推动制药行业药品研发和开发新型材料。金融金融：量子计算非常适合复杂的金融建模，在投资组合定价、衍生品定价等方面具有潜在优势。据不完全统计，全球已有超过 25 家国际大型银行及金融机构与量子计算企业开展合作研究。交通交通、物流物流、供应链供应链：这三个领域均涉及量子计算优化，利用量子计算优化供应链、交通（包括飞机、火车、汽车等）线路和物流，从而降低成本。航空航空：量子计算有助于解决航空行业面临的一些最严峻的挑战，从基础材料科学研究、机器学习优化到复杂的系统优化，而且有可能改变飞机的制造和飞行方式。能源能源：量子计算有可能应用于模拟碳氢化合物井中各种类型粘土的化学成分和累积这是高效碳氢化合物生产的关键因素；分析和管理风电场的流体动力学；优化自主机器人设施检查；并帮助创造前所未有的机会，提供世界想要和需要的清洁能源。2021 年 2 月，英国 BP 公司与 IBM Quantum 展开合作，探索提高能源利用效率和减少碳排放。1汽车汽车：近年来各大汽车厂商加快推进电动化战略。推进电动化战略过程中，量子计算将发挥其在化学模拟的优势，多家汽车厂商正致力于利用量子计算技术来研发性能更好的电池。1https:/ 年量子计算产业发展报告15第二章第二章量子计算机量子计算机齐头并进齐头并进现量子计算的物理平台需要有编码量子比特的物理载体，使不同量子比特之间可以可控的耦合，并对噪声环境影响有一定的抵抗力。2021 年，超导体系发展迅速，量子比特的规模不断刷新，而离子阱、光量子、硅自旋、中性原子等技术路线同样发展强劲，其他技术路线如金刚石 NV 色心也取得了一定的进展。拓扑方案虽然因为“发现马约拉纳粒子”（拓扑量子计算实现的基石）的文章被撤回而遭遇重挫，但研究人员仍然坚信这种不需要纠错的方案可以实现。总之，量子计算物理实现方案的发展远远没有收敛。除了基于门的量子计算机，近年来出现的相干伊辛机（CIM）方案也表现不俗，2021 年，日本 NTT 通过 CIM 方案实现了 10 万量子比特，虽然无法与基于门的量子计算机直接比较，但这也是一个不小的里程碑。值得一提的是，2021 年量子退火先驱 D-Wave宣布将开发基于门的量子计算机，从某种程度上表明量子退火机的前景可能有限。实扬帆远航16表 2 量子计算各技术路线成熟度评价体系注：评分采用 5 分制，1 为最差，5 为最优，代表 1 分，代表 5 分。绿色箭头表示商业化发展情况较其他路线较好，黄色和红色依次次之。资料来源：ICV2022 年量子计算产业发展报告17一、超导一、超导最受关注最受关注超导量子计算是目前国际上发展相对迅速的一种固态量子计算的实现方法。超导效应作为一种宏观量子效应，为量子态相干操控提供了无损耗环境。超导量子电路的能级可以通过外加电磁场进行干预，电路更容易实现定制化开发。由于集成电路工艺已经比较成熟，超导量子电路的可扩展性优势将会更加明显。目前，基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破，成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一。2021 年，中国在超导量子研究中取得重要进展。2021 年 1 月，南方科技大学在基于超导量子线路系统中，利用可调耦合器实现高保真度、高扩展性的两比特量子门方案。在实验中实现了快速（30ns）高保真度（0.995）的两比特量子门操作。相比于之前的两比特量子门，该方案鲁棒性更高、需要的控制线更少、串扰影响更小、系统校准流程更简化。22 月，本源量子上线国产工程化超导量子计算机本源悟源 2 号。5 月，中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制了 62 比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走；36 月，潘建伟团队再次将可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”升级，构建了 66 比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现对 56 量子比特 20 层循环“量子随机电路采样”任务的快速求解。在计算复杂度上，比谷歌的“悬铃木”量子计算机高出 3 个数量级。49 月，中国科大郭光灿院士团队郭国平教授研究组与本源量子合作，在本源“夸父”6 比特超导量子芯片上研究了串扰对量子比特状态读取的影响，并创新性地提出使用浅层神经网络来识别和读取量子比特的状态信息，从而2https:/journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.2405033https:/science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg78124https:/arxiv.org/abs/2106.14734扬帆远航18大幅度抑制了串扰的影响，进一步提高了多比特读取保真度。58 月，清华大学交叉信息研究院段路明研究组利用可调耦合的多量子比特系统首次实验研究了环境比特对于交叉共振逻辑门（Cross-resonance,CR）的影响并提出了在大规模超导量子体系中，环境比特存在和不存在两种情况下有效提高双量子比特门操作保真度的解决方案。610 月，潘建伟团队又实现了 60 量子比特 24 层循环量子随机电路采样，计算复杂度比“悬铃木”高出 6 个数量级。710 月，潘建伟团队使用变分量子本征求解器（VQE）模拟约瑟夫森结阵列量子电路，从而发现了一种新型高性能量子比特 plasonium。810 月，腾讯量子实验室实现一种快速、高保真、易扩展的超导量子比特初始化方案，与业内已有工作相比，该初始化方法具有速度快、保真度高、对周围比特影响小、扩展性强的优势。912 月，浙江大学发布了两款超导量子芯片。“莫干 1 号”是一款专用量子芯片，采用全连通架构，适用于实现针对特定问题的量子模拟和量子态的精确调控。另一款芯片“天目 1 号”面向通用量子计算，采用较易扩展的近邻连通架构，芯片集成 36 个具备更长比特寿命的超导量子比特（退相干时间约 50 微秒），实现高保真度的通用量子门（受控相位门，精度优于 98%）。10国际方面，2021 年 4 月，美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家使用光纤代替金属电线来测量和控制了超导量子比特，有利于实现量子计算机的可扩展性。112021 年 9 月，日本情报通信研究机构（NICT）开发出了一种全氮化物超导量子比特，它的超导转变温度为 16K（-257），比其他超导量子比特结构所需的温度高 15 度。122021 年 11 月，哥伦比亚大学工程学院 James Hone教授的实验室展示了一种由 2D 材料制成的超导量子比特电容器，其尺寸比传统5https:/journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.0240636https:/journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.0605057https:/journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.1805018https:/arxiv.org/abs/2109.009949https:/ 年量子计算产业发展报告19方法生产的芯片小 1000 倍。1311 月，IBM 发布目前最高量子比特数的超导量子计算芯片127 量子比特处理器 Eagle。142021 年 12 月，Rigetti Computing 推出其下一代 80 量子比特 Aspen-M 量子处理器，利用其多芯片专利技术，由两个40 量子比特芯片组装而成。基于单芯片 40 量子比特处理器的新 Aspen 系统也同时发布。1512 月，芬兰国家技术研究中心（VTT）和 IQM 公司推出该国首台 5比特超导量子计算机 Micronova。16取得进展的同时，2021 年的几项研究表明，超导量子计算机存在一些我们之前没有发现的障碍。2021 年 6 月，威斯康星大学麦迪逊分校提出，宇宙射线可能是导致超导量子比特出错的原因之一。172021 年 12 月，谷歌在其量子处理器上证明了宇宙射线确实会导致超导量子比特出错。182021 年 8 月，费米国家加速器实验室发现了纳米氢化物会导致超导量子比特的相干时间缩短。19研究人员表示他们正在努力克服这些障碍。13https:/pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c0416014https:/ 3 2021 年全球超导量子计算重要进展资料来源：ICV二、离子阱二、离子阱量子体积遥遥领先量子体积遥遥领先离子阱，又称离子囚禁，其技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。当前，离子阱量子计算机在量子比特连接性和相干时间方面领先其他技术路线。但扩展性较差的问题是离子阱体系亟待解决的主要问题。近年来，世界各地研究团队一直在尝试创建离子阱量子计算机，被捕获的离子充当纠缠的量子比特，以执行高级计算，这类计算机被证明是用于实际应用的量子计算最有希望的系统之一。2022 年量子计算产业发展报告212021 年离子阱量子计算机实现了新的里程碑。2021 年 1 月，清华大学交叉信息院金奇奂研究组在离子阱系统中首次将单量子比特相干时间提升至 1 小时以上，即 5500 秒。202021 年 6 月，因斯布鲁克大学实验物理系的研究人员成功演示了紧凑型离子阱量子计算机。212021 年 8 月，离子阱量子计算公司 IonQ 首次推出可重构多核量子架构(RMQA)，IonQ 称，该架构可以每个芯片的量子比特数量扩展到数百个，而且不会随着量子比特数量的增加而降低量子比特的稳定性和性能。222021 年 9 月，中山大学物理与天文学院罗乐教授研究团队，通过人工神经网络技术与射频微波-自发辐射光子关联技术，实现了离子阱中量子比特微运动抑制的自动化处理，这是国际上首次把神经网络技术应用于囚禁离子量子比特的微运动控制。232021 年 9 月，由美国国家标准与技术研究院（NIST）领导的研究团队使用一种基于射频磁场梯度与微波磁场相结合的方案，创下无激光方案双量子比特门保真度的世界纪录，达到0.9964,0.9987。该方案有可能在不增加控制信号功率或复杂性的情况下，对大规模离子阱量子处理器中的多对离子同时执行纠缠操作。242021 年 10 月，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在离子阱量子信息处理领域取得重要进展，通过对优化选择的少量离子进行激光冷却，首次实现对长离子链的高效协同冷却，获得接近全局激光冷却的极限温度，为多离子比特量子计算准备了技术基础。252021 年 10 月，马里兰大学联合量子研究所(JQI)研究员Christopher Monroe及其团队首次在实验中通过多个错误率更高的物理量子比特实现了一个错误率更低的逻辑量子比特。他们使用BaconShor-13编码的9个数据量子比特和4个辅助量子比特实现了一个逻辑量子比特。262021 年 12 月，霍尼韦尔团队（现为 Quantinuum）首次实时检测和纠正量子错误。研究人员使用7,1,3色码（color code）。利用霍尼韦尔离子阱量子计算机中的 10 个物理量子比特，对单个逻辑量子比特进行编码、控制和反复纠20https:/ 年最后一天，Quantinuum 再次带来惊喜，宣布他们的霍尼韦尔 H1-2量子计算系统测得 2048 量子体积，是所有技术路线中的最高数值。表 4 2021 年离子阱量子计算重要进展资料来源：ICV三、光量子三、光量子商业化元年开启商业化元年开启基于光子的量子计算有几个独特的性质。首先，光子的量子态在没有真空或冷却系统的情况下得以维持，因为它们与外部环境的相互作用极其微弱。光量子计算机可以在室温的大气环境中工作。其次，光子是量子通信的最佳信息载体，因为它们以光速传播，并为高数据传输容量提供大带宽。因此，光量子计算机与量子通信完全兼容。光子的大带宽也在光量子计算机中提供了高速（高时钟频率）操作。光子的这些特性同时也给量子计算带来了内在的困难。由于光子之间不相互作用，因此很难实现需要光子之间相互作用的两量子比特纠缠门。此外，由于27https:/journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.0410582022 年量子计算产业发展报告23光子以光速传播，并且不停留在同一位置，因此必须沿着光子的光路布置许多光学组件，导致效率不高。目前，光量子计算机的研究主要集中于克服这些困难。2021 年光量子相关研究成果丰硕，堪称光量子计算机商业化元年。2021 年1 月，爱沙尼亚塔尔图大学物理研究所的科学家找到一种开发新型光学量子计算机的方法，研究表明具有某些特征并可以充当量子比特的稀土离子，与早期的解决方案相比，可以给量子计算机带来超快的计算速度和更好的可靠性。282021 年2 月，国防科技大学和其他团队合作研制新型可编程光量子计算芯片，这一芯片首次实现了对量子漫步演化时间、哈密顿量、粒子全同性、粒子交换特性等要素的完全编程调控，从而支持实现多种基于量子漫步模型的量子算法应用。292021年 3 月，加拿大光量子计算公司 Xanadu 推出 X8 光量子处理器。这是一款可编程、可扩展、可执行多种算法的光量子芯片。它可集成到现有的基于光纤的电信基础架构中，更容易实现扩展，也可以有效降低运营成本。302021 年 5 月，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心极端光学创新研究团队与合作者研制出可惠勒延迟选择测量装置的多路径马赫-曾德尔干涉仪。该芯片单片集成 350 多个光子元器件和近 100 个可调相移器，是目前规模最大的光量子芯片之一。312021 年 7 月，丹麦科技大学的研究人员实现了光量子计算机的完整平台。该平台具有通用性和可扩展性，所有操作都在室温下进行，并且与标准光纤网络直接兼容。322021 年 7 月，上海交通大学金贤敏团队提出了首个基于光子集成芯片的物理系统可扩展的专用光量子计算方案，并首次在实验中实现了“快速到达”问题的量子加速算法。332021 年 8 月，弗吉尼亚大学电气和计算机工程系助理教授 Xu Yi 领导的研究团队用基于光学微谐振器的频率梳在一个硬币大小的芯片上成功实现了 40 量子模式（qumode），是目前集28https:/ graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walkprocessor发表于 Science Advances 期刊。30https:/phys.org/news/2021-03-xanadu-programmable-photonic-quantum-chip.html31相关研究成果基于大规模集成光量子芯片的多路径普适化波粒二象性研究发表于自然通讯。32相关研究成果Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform发表在期刊Nature Physics。33相关研究成果Experimental quantum fast hitting on hexagonal graphs发表在自然光子学扬帆远航24成光学平台实现的最大模式数。342021 年 10 月，中国科大潘建伟、陆朝阳等在量子计算原型机“九章”基础上成功研制出“九章二号”。新的原型机从之前的 76个光子增加到了 113 个光子，处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍。352021 年 12 月，光量子计算公司 ORCA Computing 实现了一种被称为“变分玻色求解器”的光量子计算平台，可用于解决二次无约束二进制优化（QUBO）问题。36表 5 2021 年光量子计算重要进展资料来源：ICV四、中性原子四、中性原子美国领先美国领先基于中性原子的量子计算，一般在超高真空腔中利用远失谐光偶极阱阵列或光晶格从磁光阱或玻色爱因斯坦凝聚体（BEC）中捕获并囚禁超冷的原子形成单34https:/ 年量子计算产业发展报告25原子阵列，然后将原子基态超精细能级的两个磁子能级编码为一个量子比特的 0态和 1 态。高数值孔径透镜将原子比特操控所需的拉曼光、里德堡激发光、态制备光等聚焦到单个原子上，形成对阵列中量子比特的操控。同时透镜也收集原子的荧光并传输到电子倍增型相机（EMCCD）上实现量子态的探测。根据收集到的信息和实验的需要，通过传统计算机上的数据采集和时序产生系统，实时控制原子的冷却、转移以及相应的磁场、电场和光场来完成量子算法的执行。在进行量子计算时，中性原子体系将根据不同的量子算法，采用优化后所需逻辑操作数最少的原子阵列构型，执行一系列高保真的单比特门和两比特受控非门。中性原子体系在 2021 年保持强劲的发展势头。2021 年 7 月，量子初创公司ColdQuanta 基于冷原子技术推出 100+量子比特处理器 Hilbert，在冷原子技术中使用了排列在二维 1111 网格中的铯原子。372021 年 7 月，另一家量子计算初创公司 Atom Computing 推出其第一代量子计算系统 Phoenix，该系统使用由锶原子组成的核自旋量子比特，能够用光镊在真空室中捕获 100 个原子（每个原子代表一个量子比特），具有较强的稳定性。382021 年 7 月，哈佛-麻省理工学院超冷原子中心领导的一个研究团队开发了基于中性原子可编程量子模拟器，能够操作256 个量子比特。研究人员使用该机器观察到了几种以前从未在实验上实现过的奇异物质量子态，并进行了精确的量子相变研究。39表 6 2021 年中性原子量子计算重要进展资料来源：ICV37https:/ dot）是把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。它是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。硅量子点，是量子点实例中的一部分。通过向纯硅中加入电子，科学家们造出硅量子点这种人造原子，运用微波控制电子的量子态。硅的优势在于，可以利用传统的微电子工业几十年来积累的大规模集成电路制造经验。硅量子比特比超导量子比特更加稳定、且相干时间更长，但量子纠缠数量较少，需要保持低温。半导体量子计算是当前国际上热门、主流的研究方向。2021 年 4 月，本源量子联合中国科大郭光灿院士团队郭国平、李海欧等人发现了自旋量子比特操控的各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。402021 年 5 月，本源量子联合郭光灿院士团队郭国平、曹刚等人利用微波超导谐振腔实现对半导体双量子点激发能谱的高灵敏测量，为将来实现半导体量子比特的高保真读出提供了一种有效方法。412021 年 5 月，美国/爱尔兰的硅基量子计算公司 Equal1 Laboratories 通过商用硅工艺将量子比特与所有支持控制和读出的电子器件集成在同一集成电路上。422021 年 6 月，日本理化学研究所(RIKEN)的一个研究小组将可纠缠的硅基自旋量子比特数量从 2 个增加到 3 个，产生的三量子比特态的保真度高达 88%，并且处于一种可用于纠错的纠缠态。432021 年 10 月，哥本哈根大学 Assoc 研究团队实现在单个量子芯片上同时操作多个自旋量子比特。44今年 1 月，中国科大40https:/journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.04404241https:/journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.04404542https:/ 年量子计算产业发展报告27郭光灿院士团队和本源量子、美国、澳大利亚的研究人员共同合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，这也是目前为止国际上已报道的最高值。45表 7 2021 年半导体量子点/硅自旋量子计算重要进展资料来源：ICV六、拓扑量子计算六、拓扑量子计算仍有不确定仍有不确定拓扑量子计算是利用拓扑材料中具有非阿贝尔统计的准粒子构筑量子比特、执行量子计算的研究方案。由于材料的拓扑稳定性，拓扑量子计算利用多体系统中的拓扑量子态来存储和操控量子信息，具有内在的容错能力，有望解决量子比特退相干与容错量子计算的关键问题，是量子计算的前沿研究领域。虽然微软主动撤回了关于发现马约拉纳费米子的论文，但 2021 年拓扑量子计算仍有一定成果。2021 开年之初，纽约州立大学 Li Qiang 教授发现了实现拓扑量子计算的关键，他们发现一种新的光诱导开关，可以扭曲外尔半金属的晶格，开启一种几乎没有耗散的巨大电子流。这些性质的发现使得实现拓扑量子计算等应用又向前迈进了一步。2021 年中国在该方案的探索和实施中也取得了一系列突破性进展。在材料生长和制备方面，中国科学院半导体研究所赵建华课题组利45https:/ InAs、InSb 和 InAsSb 半导体纳米线，在此基础上实现超导体在纳米线上的低温原位外延生长，异质结界面达到原子级平整。清华大学何珂-薛其坤课题组利用选区外延生长方法制备出新的半导体纳米线体系，有效降低杂质对拓扑量子器件的影响以及衬底晶格失配，为进一步实现多马约拉纳量子器件奠定了基础。在拓扑量子器件的制备和输运测量方面，中科院物理所沈洁和代尔夫特理工大学（TU Delft）的 Kouwenhoven 等在量子器件“马约拉纳岛”中绘制出完整的电子奇偶性（宇称）相图，并给出库伦振荡幅值和峰值关联的明确信息，为未来构筑拓扑量子比特提供了调控基础。清华大学刘东课题组理论上提出了一种实验探测手段，利用耗散电极引入的电子和环境玻色子的相互作用重整化效应，使得马约拉纳输运信号和其它平凡输运信