2022-2023全球量子计算产业发展报告.pdf

2022-2023全球量子计算产业发展报告前 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 ： JudeGreen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 （ 以 下 顺 序 按 公 司 英 文 名 称 首 字 母 排 列 ， 排 名 不 分 先 后 ）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 .159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 3 2021 年 全 球 超 导 量 子 计 算 重 要 进 展 .20表 4 2021 年 离 子 阱 量 子 计 算 重 要 进 展 .22表 5 2021 年 光 量 子 计 算 重 要 进 展 .24表 6 2021 年 离 子 阱 量 子 计 算 重 要 进 展 .25表 7 2021 年 半 导 体 量 子 点 /硅 自 旋 量 子 计 算 重 要 进 展 .27表 8 2021 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 11 2021 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 14 2021 年 全 球 量 子 计 算 应 用 算 法 发 展 大 事 件 .88表 15 2021 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 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 6 ez-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 15 EMCCD 芯 片 结 构 图 .55图 16 iXon 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图 20 Singularity 量 子 金 融 分 析 工 具 .68图 21 lambeq 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 26 IBM 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 29 Xanadu 可 编 程 光 量 子 芯 片 .102图 30 PsiQuantum 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 35 2014-2021 年 全 球 量 子 科 技 公 司 融 资 金 额 及 增 长 率 .127图 36 2021 年 量 子 计 算 两 大 领 域 融 资 额 占 比 情 况 .128图 37 2021 年 量 子 计 算 融 资 情 况 .129图 38 2021 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 .138第 一 章量 子 计 算 产 业 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 。2一 、 量 子 计 算 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 ： 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 ： 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 4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 ： 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 ： 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 。2021 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 。二 、 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 片就 是 在 加 州 大 学 圣 芭 芭 拉 分 校 （ UCSB） 的 一 家 工 厂 制 造 的 。 2 0 2 2 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 2 0 2 1 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 1 0 0 多 家 量 子 软 件 公 司 ， 但 中 国 的 量 子 软 件 公 司较 少 。扬 帆 远 航 1 2三 、 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 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 ： 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 ： 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 ： 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 。2 0 2 2 年 量 子 计 算 产 业 发 展 报 告1 3 制 药 、 化 工 、 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 ： 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 、 物 流 、 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 ： 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 ： 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 IBMQuantum 展 开 合 作 ， 探 索 提高 能 源 利 用 效 率 和 减 少 碳 排 放 。 1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 。1 帆 远 航 1 4气 象 ： 量 子 计 算 可 以 有 效 和 快 速 处 理 包 含 多 个 变 量 的 大 量 数 据 ， 而 且 ， 并 行计 算 和 不 断 优 化 的 算 法 ， 可 促 进 对 气 象 条 件 的 跟 踪 和 预 测 ， 有 助 于 提 高 天 气 预 报的 准 确 性 。 此 外 ， 量 子 计 算 机 还 可 通 过 机 器 学 习 来 识 别 和 理 解 不 同 的 天 气 模 式 。2 0 2 2 年 量 子 计 算 产 业 发 展 报 告1 5 第 二 章量 子 计 算 机 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 1 6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 ： ICV2 0 2 2 年 量 子 计 算 产 业 发 展 报 告1 7一 、 超 导 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2 journals.aps/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.2405033 science.sciencemag/content/early/2021/05/05/science.abg78124 arxiv/abs/2106.14734扬 帆 远 航 1 8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 JamesHone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5 journals.aps/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.0240636 journals.aps/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.0605057 journals.aps/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.1805018 arxiv/abs/2109.009949 0 2 2 年 量 子 计 算 产 业 发 展 报 告1 9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 ， RigettiComputing 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 。 15