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量子计算产业透视#

2021 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 AtomComputing 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。

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

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。

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。

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。

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。
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 IBM Quantum 展开合作，探索提高能源利用效率和减少碳排放。

• 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。

• 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。

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。

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。

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。 2 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；
• 6 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。
• 9 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，从而幅度抑制了串扰的影响，进一步提高了多比特读取保真度。
• 8 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。
• 10 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。
• 10 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。
• 10 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。
• 9 月 12 号，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%）。
• 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。
• 12，2021 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，其尺寸比传统法生产的芯片小 1000 倍。
• 13 年 11 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。
• 15 年 12 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 年取得进展的同时，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。
• 2021 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 年研究人员表示他们正在努力克服这些障碍。

二、离子阱 —— 量子体积#

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。

2021 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。

• 2021 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。

• 2021 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、控制和反复纠错。272021 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。

三、光量子 —— 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。

• 2021 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。

• 2021 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。

• 2021 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。

• 2021 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。

• 2021 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。

• 2021 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。

四、中性原子 —— 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 11×11 网格中的铯原子。

• 2021 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。

五、半导体量子点 / 硅自旋 —— 值得期待量子点#

（quantum 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。

• 2021 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。

• 2021 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。2021 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。

2021 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。今年 1 月，中国科大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。

六、拓扑量子计算 —— 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用分子束外延技术制备出高质量纯相 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号产生完全不同的标度行为和温度电压依赖关系，从而有望解决纳米线体系中的 “马约拉纳态 - 安德烈夫态” 的竞争与争论。

表 8 2021 年拓扑量子计算重要进展

七、金刚 NV 色心 —— 扩展难度大#

金刚石 NV 色心具有室温可观测到的零声子线、发光稳定、相干时间长等优秀的光学特性，尤其是具有非常特殊的精细能级结构，可实现高精度的物理量探测和量子调控。其中，超低浓度的 NV 色心特别是单个 NV 色心在光子纠缠、量子调控等领域已经得到广泛的关注。除此之外，NV 色心在精密测量领域，如温度测量、磁场测量、超高分辨率成像、高性能陀螺仪等领域已得到应用。但应用于量子计算机，存在扩展难的问题。
2021 年 4 月，量子计算初创公司 Quantum Brilliance 开发了一台基于金刚石 NV 色心的紧凑型量子计算机，包含 5 个量子比特，并计划在 5 年内推出 50 个量子比特的量子计算机。

八、量子退火机 —— 进展不大目前#

量子计算机可分为量子逻辑门计算机和量子退火计算机，前述几大主要技术路线都是构建量子逻辑门计算机提出的，基于量子逻辑门的量子计算机就是所谓的通用量子计算机，本报告中前 7 个体系均为基于门的量子计算方案。量子退火机（Quantum Annealer）不需要量子逻辑门，而是通过伊辛模型（Ising model） 寻找最优解，这是一种专用量子计算机，在处理最优化问题上有独特优势。总的来说，2021 年量子退火技术进展不大。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。

九、相干伊辛机 —— 继续观察#

相干伊辛机（CIM）和量子退火机的原理类似，都是基于伊辛模型，类似于一种人工磁铁组成的可编程网络，如同一个真实的磁系统，每个磁铁的状态只能 “向上” 或者 “向下”，倾向于在低能量状态工作。工作原理是：如果磁铁网络之间的连接可以被重新编程，以代表实际问题，一旦它们设定了需要面对的最优化、低能量方向，就可以从它们的最终状态推断出解。

在量子退火机中，这些人造磁铁就用超导电路代替，作为量子比特。CIM 则将超导电路换成一种特殊的激光系统，称为简并光学参量振荡器（DOPO）。CIM 利用耦合 DOPO 脉冲进行计算，通过测量脉冲的最终相位，尝试寻找最佳解决方案。CIM 使用的光脉冲可以来回穿梭，使得任何两个脉冲都可以直接相互作用。同时，底层器件是光学器件的设计与超导器件相比，无需低温环境，稳定性高、可控性好。

目前，包括 NTT、NII、NASA、斯坦福、加州理工、马里兰、东京大学等研究院所和院校，以及中国的玻色量子科技公司，都在从事 CIM 方向的研发工作。

• 2021 年 9 月，日本 NTT 基础研究实验室实现了 100,512 自旋量子比特的 CIM 计算实验，突破 10 万大关，在所有量子计算技术方案中遥遥领先。尽管 CIM 的自旋量子比特与通用量子计算的量子比特数无法直接进行比较，但此次突破也可认为是一个里程碑级别的事件。国内的 CIM 研究还处在起步阶段，玻色量子于 2020 年底成立，据该公司透露，已完成光量子实验室的搭建，正在研发 1000+ 量子比特级别 CIM 量子 AI 协处理器工程样机，以及相应的加速算法。

核心元器件 —— 发现与突破报告#

重点研究超导或半导体量子计算机必不可少的低温设备（以 mK 级稀释制冷机为主），以及对超导和半导体量子计算机极为重要的量子测量和控制系统（简称 “测控系统”）；
同轴电缆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；
此外，超导量子计算机还需要额外的低温器件防止环境噪声的影响；
超高真空设备是离子阱和中性原子系统必需的；激光器的应用则比较广泛，包括光子、离子阱、中性原子等系统都需要激光冷却或操纵量子比特；
其他核心元器件还有单光子源和单光子探测器，其中，单光子源主要用于光量子计算机；而单光子探测器在光子和离子阱系统中都有应用。

稀释制冷技术于 1950 年代首先提出，而后在 1960 年代被具体实现。现在流行的无液氦稀释制冷机是稀释制冷技术同无液氦冷头技术的结合。从原理上讲，
稀释制冷机利用的是氦元素的两种同位素，氦 - 3 和氦 - 4 的混合液体在 0.8K 左右发生的相分离现象。相分离之后，氦 - 3 和氦 - 4 混合液发生分层，上层是密度较低的以氦 - 3 为主的氦三浓相，下层是密度较高的由部分氦 - 3 溶于氦 - 3 液体的氦 - 3 稀释相。通过设计气体循环回路让氦 - 3 循环流动，在低温时氦 - 3 原子从氦 - 3 浓相穿越相分离界面达到氦 - 3 稀释相的过程是吸热降温过程，可以在此相分离界面处形成 mK 量级的最低温度。由于利用了氦 - 3 的浓相和稀释相的物理过程，因此该制冷机被命名为稀释制冷机。

图 2 稀释制冷机内部结构

从技术上讲，稀释制冷机内部需要处于一个真空腔之中，从而达到低温部件与外界绝热的目的。而在制冷方面，为了实现 mK 量级的最低温，需要通过多级制冷，逐步实现。首先制冷机的无液氦冷头可以提供 4K 的基础低温环境，在此基础上，当氦 - 3 氦 - 4 混合液流经 4K 冷盘的时候可以初步液化氦 - 4。之后再利用蒸发制冷以及焦耳 - 汤姆逊效应将氦 - 3 氦 - 4 彻底液化，达到 1K 左右的低温。在此基础上利用氦 - 3 的蒸发制冷可以进一步将混合液降温至发生相分离。最后利用稀释制冷原理实现 mK 量级极低温。

国内外量子计算的爆发使得以 Bluefors 为代表的稀释制冷机公司一跃成为高科技领域的 “新贵”。目前国际上主流的稀释制冷机供应商包括芬兰的 Bluefors 公司、英国的牛津仪器公司、美国的 JanisULT 公司和荷兰的 Leiden Cryogenics 公司等。
B
luefors 公司由于在量子计算领域起步较早，市场份额长期占据第一，其次是牛津仪器。例如，根据北京量子信息科学研究院的中标公告，该单位 2021 年购入 Bluefors 和牛津仪器稀释制冷机分别为 8 台和 5 台。目前 Bluefors 稀释制冷机有 SD、LD、XLD、LH 四个系列。其中 LD 系列是 Bluefors 最畅销的一款稀释制冷机，包括 LD250 和 LD400。

2021 年 11 月，Bluefors 宣布推出一个新的低温平台 KIDE。该平台为更大的芯片提供更强的冷却能力。它可以将三个六边形单元连接在一起，用于创建一个三向量子计算集群。目前该低温平台仍在研发中，但 IBM 已经宣布在即将推出的 IBM Quantum System 2 系列机器中使用该平台。

2021 年除了继续达成与 IBM 的深度合作外。9 月，Bluefors 加入芬兰的量子计算产业联盟 BusinessQ，支持企业采用和开发量子技术和解决方案。与 Bluefors 相比，牛津仪器公司进入量子计算市场较晚，但是近几年来牛津仪器的稀释制冷机越来越受到量子计算研发团队的青睐，特别是在 2020 年推出最新一代无液氦稀释制冷机 Proteox 之后。
到目前为止，牛津仪器已经推出了一系列不同型号和不同应用导向的稀释制冷机，包括模块化稀释制冷机 ProteoxMX（＜10mK）、多比特数量子计算专用无液氦稀释制冷机 ProteoxLX（＜7mK）以及 5mK 基础温度的极端低温制冷机 Proteox5mK。

牛津仪器 Proteox 稀释制冷机进一步升级了底部快速换样功能，对于需要快速筛选小比特数样品，摸索工艺参数的量子比特芯片测试，底部快速换样功能可以在不升温整个制冷机的情况下，单独更换量子比特芯片。
传统稀释制冷机整体热机再整体降温需要约 2-3 天时间，Proteox 搭配底部装样的设计将整个芯片更换和重新降温时间缩短到仅 3.5 个小时。这将大大提升量子比特芯片筛选的效率。

来源：牛津仪器此外，

Proteox 系列稀释制冷机引入了侧面装载二级插件的模块化设计，并且统一在不同型号的制冷机上兼容同样尺寸的二级插件。这一创新性设计打破了传统稀释制冷机相互间独立运作的模式，引入了多根二级插件共用和多台制冷机相互配合的规模化运行思路。

具体来说，二级插件首先可以从制冷机上拆下单独进行量子比特实验的引线布置和室温预测试，同一台设备可以配置多根二级插件，从而保证制冷机运行实验的同时，已经可以利用额外的二级插件准备下一个实验。不仅如此，由于二级插件可以跨平台使用，对于规模化量子比特实验的用户来说，为了保证多量子比特制冷机高效运行，完全可以利用标准稀释制冷机提前进行低温二级插件的预测试，然后将二级插件移植到多量子比特制冷机中直接运行，从而免去用大型制冷机来做初级线缆测试的尴尬情况目前，牛津仪器的产品已经进入主流量子计算硬件制造商。2021 年，牛津仪器与 Rigetti 合作建成英国首台用于商业的量子计算机。50Rigetti 的量子处理器将放置在牛津仪器的多量子比特专用 ProteoxLX 稀释制冷机之中。2021 年 1 月，
牛津仪器宣布与牛津量子电路公司建立合作关系并交付 Proteox 稀释制冷机用于加速商业化量子计算进程研究。作为 Proteox 第一家公司用户，OQC 将利用 Proteox 的高密度布线二级插件来扩大其量子计算机的三维架构规模，同时也为将来利用量子计算机提供量子测量服务做准备。2021 年，牛津仪器与英国格拉斯哥大学达成合作 52，并邀请到该大学 James Watt 工程学院的 Martin Weides 教授兼任牛津仪器纳米科学部顾问技术总监职位。Weides 教授同时也是牛津仪器 Proteox 产品的用户之一。在国内，2021 年，北京量子信息科学研究院通过连续 4 次招标购入了 5 台牛津仪器的稀释制冷机。

除了国外厂商，2021 年中国的国产稀释制冷机也取得了重大突破。2021 年 6 月，中科院物理研究所姬忠庆等人组成的团队，攻克了稀释制冷机热交换器的制作等多项核心技术，自主研发的无液氦稀释制冷机原型机率先实现 10mK 以下极低温环境，实现 10.9mK 的长时间稳定连续运行，单冲程模式可达 8.7mK。其他低温设备。2021 年 10 月，美国光学恒温器制造商 Montana Instruments 推出了全新型号 CryoAdvance 系列，助力科技工作者在先进材料和量子信息等领域有更进一步的研究。该系列可保证卓越的低温和稳定性，并增加了电学通道的数量，提高了后续功能模块的兼容性。

二、测控系统#

离子阱、中性原子和光子等体系以自然粒子作为量子比特，主要是通过激光进行操纵。但对于超导和半导体量子计算机，量子测量和控制系统（简称 “测控系统”）起到了对量子芯片进行控制、处理、运算的作用。早期的量子测控系统是由量子计算机研发团队利用一系列科学仪器自行搭建的。测控系统的最大难点是需要对多比特同时操控，因为仅一个比特至少就需要 3 个或 3 个以上的 DAC 输出通道，在 ADC 做读取的同时至少还需要 2 个 DAC 输出通道。当比特数目达到数十比特时，多通道的同步，大量实验命令下发到毫秒时间内硬件同时反馈成了其中最需要解决的难点问题。近年来，国内外少数几家公布先后开发了专门用于量子计算机的测控系统。

表 9 量子测控系统发展历程区域

2016 年，瑞士苏黎世仪器公司开始量子测控技术的研究，随后推出了量子测控软件 ——LabOne。2018 年，苏黎世仪器推出首个商业量子计算控制系统 (QCCS)，用于控制超导和自旋量子比特。谷歌在 2019 年开发了名为 Optimus 的量子芯片自动化校准系统，用于谷歌 “量子计算优越性” 实验。另外，美国测量仪器公司是德科技也是最早开发量子测控系统的公司之一。

在国内，2017 年成立的成都中微达信科技是最早开始研制超导量子计算机测控系统的团队之一，经过多年发展，公司合作覆盖国内约 70% 以上的量子计算整机公司及科研机构，已为中国科学技术大学、北京量子信息科学研究院、南方科技大学等提供量子计算测控系统设备及解决方案。
中微达信于 2018 年在国际上首次推出基于二次变频体制的系统架构，具备 uV 级超低噪声、超高稳定度直流电压产生，1KHz 以下信号底噪等核心指标优于国外先进产品；支持上千通道的可扩展皮秒级同步精度的低噪声任意波形产生；

信号同步精度高达 1ps 的低抖动触发和时序控制；200M～20G 超宽带、低相噪、
高稳定、高集成度微波信号产生。
中微达信量子计算测控技术布局覆盖量子计算机发展的各个阶段，涉及常温测控、低温测控两大技术路线。根据其路线图，常温测控技术下，该公司已实现 100 比特级可扩展的量子计算常温测控，预计 2022 年实现 1000 比特内常温量子计算测控全线覆盖能力。低温测控技术下，预计 3 年内研制出 1000 比特级低温量子测控芯片。根据 IBM、本源量子等国内外主要量子计算参与者发布的量子计算路线图，到 2023 年左右，量子计算测控系统需实现 1000 量子比特级的控制能力。

图 4 量子计算测控系统发展趋势

本源量子公司在 2018 年推出了第一台商用量子测控一体机 Origin Quantum AIO，总计 40 个功能通道，输出频率范围为 12-16 GHz，可以测控 8 个量子比特；

2020 年推出第二代量子测控一体机，支持 216 通道，具备 200 皮秒同步稳定性，
能够测控 32 个量子比特，提供灵活的 Python 接口库。本源量子还开发了配套的量子测控软件 PyQCat，用于提高测试速度，同时支持更高效率的量子反馈功能。

图 5 量子测控一体机 Origin Quantum AIO

来源：本源量子

除了上述公司，近年来新出现了几家量子测控系统供应商，包括中国最早的量子科技公司国盾量子。

国盾量子依靠多年来从事量子信息产品的研发和服务积累的技术优势，于 2020 年 4 月前瞻布局量子计算，正式成立国盾量子计算调控技术部。针对多比特超导量子计算需求，国盾量子联合中国科学技术大学在 2020 年推出 ez-Q™ Engine 超导量子计算操控系统。整体价格仅为国外商用仪器的 1/3-1/2。该产品已经提供给中科院物理所、南方科技大学等团队使用。在此基础上，于 2021 年 3 月推出优化版本，在产品集成、便捷性方面做了提升改进。该系统可以支持 100 比特以上，是目前操控比特数目最大的量子计算操控系统之一。相关技术已应用到 “祖冲之号” 并完成 “量子计算优越性” 实验。而在软件配套方面，国盾量子建立了超导量子计算操控软件系统团队，致力于将中国科大潘建伟、朱晓波超导量子计算研究团队软件进行商业化改进，让其更稳定、更易用。

图 6 ez-Q Engine 超导量子计算操控系统

此外，荷兰初创公司 Qblox 在 2021 年的美国物理学会（APS）年会上推出并演示其新一代量子控制堆栈，提供从超长直流到 18.5 GHz 的所有输入和输出信号。它封装在一个名为 Cluster 的 19 英寸机柜中，能够控制和读取 20 个量子比特。

除了目前普遍使用的室温量子测控系统外，英特尔还在 2019 年推出了量子比特低温控制芯片 Horse Ridge，2020 年推出了第二代芯片。Horse Ridge 通过将量子计算机操作的关键控制功能引入低温制冷设备 —— 为了尽可能地接近量子比特本身 —— 简化量子系统控制布线的复杂性。英特尔和 QuTech 在 2021 年的研究表明，他们的基于 CMOS 的低温控制器件在与室温电子器件相同的保真度水平（99.7%）下实现了对 2 量子比特处理器的相干控制。54 2021 年，商业量子测控系统还有其他进展。是德科技实现了量子测控系统与稀释制冷机的集成，这在业内还是首次。

• 2021 年 3 月，苏黎世仪器发布 SHFQA 量子分析仪，单台测控系统最多读取 64 个量子比特。
• 2021 年 7 月，澳大利亚公司 Archer Materials 宣布开发了一种量子比特控制芯片，Archer 首次记录了连续波电子自旋共振（cwESR）信号，该信号由集成微观量子比特的特制超导片上谐振器半导体器件产生。他们发现片上 cw-ESR 信号特征与室温测量获得的信号非常一致。
• 图 7 是德科技集成测控系统。左图是 Bluefors LD250 稀释制冷机；右图是量子测控系统与稀释制冷机的集成

在学术界，量子比特控制技术也取得了重大突破。
2021 年 8 月，澳大利亚新南威尔士大学提出了一种能同时控制数百万个自旋量子比特的新技术。该团队提出了在芯片上方产生磁场的方法，通过磁场同时操纵所有量子比特。研究人员发现，谐振器产生的场可以控制一个能容纳 400 万个量子比特的区域。58 微软也提出了控制数千个量子比特的技术。2021 年 11 月，悉尼大学和微软发明了一种工作温度比深空温度低 40 倍的单芯片，研究表明，“只需两根传输信息的线缆作为输入，即可产生数千个量子比特的控制信号。”592021 年 12 月，华中科技大学物理学院副教授严承宇与芬兰阿尔托大学、VTT（芬兰国家技术研究中心） 研究人员开发出一种片上器件，可以产生控制量子计算机所需的高质量微波信号，并可以在接近绝对零度的温度下工作。但是，这种器件产生的微波源还不能直接用来控制量子比特。因为微波必须成形为脉冲。该团队目前正开发快速打开和关闭微波源的方法。

图 8 芯片上方产生的磁场可以控制百万级量子比特

三、同轴电缆

低温同轴电缆是一种超导电缆，是传输、控制、读取量子比特的微波信号的专用电缆，同轴电缆和机架 / 制冷机里的模拟信号电路进行连接，保证量子比特脆弱的量子态不被破坏，主要用于超导量子计算机。目前日本 Coax 公司是同轴电缆的主要制造商，创立于 1974 年，提供低温半刚性电缆（Semi-rigid coaxial cables）。该电缆由中心和外部导体上的低导热金属材料组成，低导热率的金属材料可最大程度地降低外界的低温影响。61 另一家供应商是 2016 年成立的荷兰初创公司代尔夫特电路公司（Delft Circuits），主要提供低温同轴电缆 Cri/oFlex® 系列产品 62，可以帮助监视和控制量子比特，包括一些用于传输微波信号的专用电缆。目前，量子计算机专用的同轴电缆几乎由上述两家公司垄断。美国 DARPA 在 2021 年 8 月发布高密度连接器低温电缆项目的招标，要求工业界确定开发高密度连接低温电缆的可行性，以便将来用于超导经典计算、超导量子计算以及超
导单光子探测器阵列。目标是为超导电子应用创造一种新型高密度数据电缆，具有高密度、低衰减、低串扰和低热负荷。

图 9 低温同轴电缆示意图

四、低温组件低温

量子芯片和室温测控系统之间的交互是超导量子计算机面临的一个严峻问题。同轴电缆是连接它们的桥梁，但在布线时必须在制冷机的每个温度阶段进行热处理，以避免混合室过热。每个阶段需要插入额外组件（包括衰减器、滤波器和放大器）。
衰减器、滤波器和放大器，连接到量子处理器，用于控制和读出，对应驱动线、磁通线和输出线。简单来说，衰减器用于减少带内辐射，滤波器（衰减器不在所需频率范围内的信号）用于消除带外辐射噪声，该噪声不在拟传送至设备的信号的频率范围内。信号经过衰减器和滤波器优化之后，使用低温放大器来增强信号。低温放大器的主要厂商有美国的 AmpliTech、B&Z Technology、L3Harris Narda-MITEQ 和 QuinStarTechnology Inc，英国的 Atlantic Microwave，瑞典的 Low Noise Factory，以及加拿大的 Nanowave Technologies。中国的赋同量子科技公司也有此类产品。
低温衰减器的主要厂商有美国的 API Technologies、XMA Corporation 和 Quantum Microwave，日本的 KEYCOM Corporation。

2021 年 2 月，中国的本源量子宣布推出了可用于 10mK 温度环境的极低温系列衰减器。

图 10 本源量子极低温系列衰减器

低温高通滤波器的主要厂商有美国的 Quantum Microwave。本源量子也有相关产品。本源量子成立了量子测控部低温电子器件长期项目组，研发范围主要包括环形器、功分器、滤波器、Bias-Tee、低噪声放大器等产品。

五、超高真空（UHV）#

腔超高真空是离子阱量子比特和中性原子量子比特必需的运行环境，甚至一些半导体量子比特也需要这样的环境。例如，霍尼韦尔、IonQ 的离子阱量子芯片就放置在一个篮球大小的真空腔中。成立于 1961 年加拿大公司 Johnsen Ultravac Inc.（JUV）是全球超高真空产品的顶级供应商。JUV 公司用户遍及北美、欧洲和亚洲众多国家的科研机构和企业的实验室。国内超高真空腔体的供应商主要有北京维意真空、Htc 日扬真空、巴托真空科技（苏州）有限公司等。

JUV 的超高真空腔有多种标准配置。可以根据客户的特殊需求制造满足特定技术和性能要求的真空腔。真空性能达到 10-11 托范围。目前的超高真空腔基本能够满足离子阱等体系量子计算机的需求。
2021 年 3 月，美国国家标准与技术研究院（NIST）计划构建冷原子真空传感器（CAVS），该传感器将能够测量超高真空（UHV）状态下的压力，对应的压力小于 10-7 帕或 10-9 托。目前，在这种压力下没有可靠的测量工具。CAVS 的工作原理是将保守陷阱与环境室温原子和分子碰撞导致的超冷 1μK 锂原子损失与背景压力联系起来。该项目从理论上确定锂原子与相关背景原子和分子碰撞的弹性率系数及其温度依赖性。

11 霍尼韦尔离子阱量子计算机使用的真空腔#

六、激光器

激光和传统光源的重要区别在于光束的 “相干性”。相干性决定了激光束在执行各种精密任务时的能力，高度的相干性使激光适合应用在高精度器件上。比如在控制量子计算机的组件时，需要特定频率的高度相干光束来长时间地控制大量的量子比特，而未来的量子计算机可能还需要相干性更强的光源。离子阱、光子和中性原子等量子计算体系都需要激光器。

目前主流的激光器是光纤激光器，成立于 1990 年的美国 IPG 是全球最大的光纤激光器制造商。产品线涵盖高、中、低功率光纤激光器。国内的激光器龙头是上市公司锐科激光，其高功率激光器技术达到国际领先水平，在国内市场正逐步替代海外主要激光器厂商的产品，公司整体销售维持增长态势。

2021 年 12 月 10 日，锐科激光与南华大学联合研制的国内首台 100kW 超高功率工业光纤激光器及配套设备正式启用。从立项到研制成功到交付使用仅用了短短 6 个月的时间。作为国内最大功率的工业光纤激光器，也是全球第二大功率的工业激光器，其将在先进制造、航空航天、医疗设备等方面发挥巨大作用。

12 国内首台 100kW 超高功率工业光纤激光器

七、单光子源

确定性的高品质单光子源是发展光量子信息技术的关键组件，包括量子通信和光量子计算。自发参量下转换（SPDC）是传统的生成单光子的器件，但这是一种不确定性的单光子源，而且生成概率很低。近年来，基于量子点的光子源的应用越来越广泛。2013 年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等在国际上首创量子点脉冲共振激发技术；2016 年，该团队实现了当时国际上综合性能最优的单光子源；2019 年提出相干双色激发和椭圆微腔耦合理论方案，在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题，成功研制出确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源。基于此，光量子计算原型机 “九章” 成功实现了 “量子计算优越性”。

除了单光子外，光量子计算机还可以使用连续变量，例如压缩光。在 “九章” 光量子计算机中，通过光学参量下转换（OPDC）生产压缩态。加拿大量子计算公司 Xanadu 通过使用纳米光子波导谐振器代替光学参量放大器中的大型非线性晶体来产生光的压缩态。2021 年 12 月，日本 NTT 公司、东京大学、RIEKN 合作开发了一种光纤耦合压缩光源，可以在光通信波长下工作。通过将其与光纤组件相结合，首次在光纤封闭系统中成功地产生了连续波压缩光，压缩量子噪声超过 75%，边带频率超过 6 THz。

八、单光子探测器

量子实验中光子的生命始于它的生成，止于它的探测，而这两个过程都需要很高的效率。目前量子信息技术中主要使用单光子雪崩二极管（SPAD）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）探测器等单光子探测器。其中，前两类主要应用于光量子信息技术，EMCCD 则在离子阱和中性原子量子计算机中有广泛应用。

单光子雪崩二极管（SPAD）（也称为盖革模式 APD，光子计数器，SPAD 或单光子探测器）是传统的单光子探测器，基于这种技术，2021 年 9 月，国盾量子推出首款紧凑型、高性能近红外自由运行单光子探测器系列产品 —— QCD600，具有高探测效率、低暗计数、紧凑稳定的特点。67 这种类型的单光子探测器在量子通信领域应用广泛，实力较强的量子通信公司都推出了基于 SPAD 的单光子探测器，例如 IDQ、启科量子、问天量子等。此外，还可以用于量子激光雷达、荧光寿命检测、单光子测距等极弱光探测场景。国盾量子交付的第一批 QCD600 试产样机已应用于某大气检测雷达产品内。
图 13 近红外波段自由运行单光子探测 QCD600

与 SPAD 相比，目前快速发展的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有更高的探测效率，但需要在 0.8k–3k 的低温下运行。2021 年 5 月，中国科学院理化技术研究所梁惊涛团队与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队合作，在面向空间应用的 SNSPD 技术领域取得进展，实现了通信波段最大探测效率 93% 的新纪录。68 “九章” 使用的超导纳米线高效率单光子探测器正是来自尤立星团队。
目前，尤立星团队创立的赋同量子科技（浙江）有限公司已将 SNSPD 产品市场化。赋同量子官网显示，他们的超导纳米线单光子探测系统的探测效率达到 95%，最大计数率 > 50MHz，暗计数率 < 1cps，系统全球用户 80+。产品包括单模光纤耦合 SNSPD、大光敏面 SNSPD 和多像素 SNSPD 阵列。技术能力达到国际一流水平。
还有一类单光子探测器是电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）探测器，主要用于离子阱量子计算机。在离子阱中，激光操纵离子的量子态：自旋向上（表示量子比特态 “0”）或自旋向下（表示量子比特态 “1”）。用激光照射处于自旋下降状态的离子会使其发出光，单光子探测器可以测量这种光，这样就可以区分自旋上升状态。此外，在中性原子量子计算机，EMCCD 同样可用于收集原子的荧光，与在离子阱中的应用差异不大。
以钙离子阱量子计算机为例，由于所有离子始终处于多普勒激光（397 nm） 冷却照射中，不同状态的离子会对 397 nm 的光有不同的反应，处于基态的离子会发出荧光，处于激发态的却不会，如图 14（左）。如果是多量子系统，可以将其解释为一个二进制串，其中发光的离子为 1，暗离子为 0。通过高灵敏度的相机收集和测量这种光线，即得到计算的结果，如图 14（右）。

离子阱封装到高真空腔内部，通过腔外的高灵敏度 CCD 相机可以观察离子的发光情况。电荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是 70 年代初期一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，它具有量子效率高、动态范围大和线性好等优点。但是 CCD 还达不到单光子探测的要求，因此 2000 年牛津仪器集团旗下 Andor 推出世界上第一款 EMCCD 相机。相对于普通 CCD，EMCCD 引入片上增益（on-chip gain），所以可以将信号和暗噪声放大 G 倍，但是不影响读出噪声（读出噪声只跟读出速度有关）。由于短曝光时间和高帧率的工作状态下，读出噪声是主要噪声源，通过放大信号而抑制读出噪声，可以使等效读出噪声小于 1，而常规 CCD 高帧率模式下，读出噪声可高达 100 多电子，因此通过这种方法，EMCCD 可以获得高速单光子检测能力。

清华大学交叉信息研究院量子信息中心实验室正在开展科技部离子阱量子计算重点专项的研究工作，其目标是构建拥有 5 到 10 个量子比特的量子计算机雏形。该研究工作具有重要的科学价值和深远的应用前景。在项目实施期间进行一系列先进的离子阱实验，构建一个基于镱离子的大型离子系统，使用牛津仪器 ANDOR 的 iXon 系列 EMCCD 作为离子阱计算机的主要探测器。目前中国开展离子阱量子计算研究的科研团队，大量采用该系列的 EMCCD，如中国人民大学张翔课题组、清华大学金奇奂课题组、山西大学申恒课题组等。

来源：牛津仪器

目前最先进的 EMCCD 相机之一是牛津仪器 Andor 的 iXon Ultra 系列，具有单光子探测灵敏度；专为离子阱计算机打造的背照式 BB 芯片，有更高紫外量子效率，对弱光探测更有利；高级光子计数模式；采用电子倍增技术，读出噪声＜ 1e-；实时的光电子数显示，精确追溯真实的信号水平；内置计算芯片，追溯光电子数；可实时拍摄，也可以拍摄后处理。

除了牛津仪器 Andor，Photonics Industries、德州仪器、QImaging、日本滨松光子、Photometrics、德国 PCO 等公司也在销售 EMCCD。
实际上，离子阱系统的外部探测器，除了 EMCCD 相机外，也可以使用光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD） 等。2021 年 1 月，美国国家标准与技术研究院（NIST）开发了一种带有 SNSPD 的新型离子阱。研究人员使用其内置的光子探测器以近乎完美的精度测量铍离子的量子态，准确率高达 99.9%。

云平台、软件、算法 —— 应用至上件#

发展是量子计算应用的基础，但要解决实际问题，离不开云平台、软件和算法的发展。

截至 2021 年，全球已有约 20 个科研机构发布量子计算云平台。
Strangeworks、中科院物理所和北京量子院在 2021 年首次发布其云平台。目前，已经有使用超导、离子阱、退火、光子、核磁共振、硅自旋等硬件为依托的云平台。整体来看，早些年发布云平台的公司，例如 IBM、微软、谷歌等，在 2021 年主要以升级云平台可支持的量子硬件类型、物理比特和逻辑比特数量、融合和开发更多的功能为主。
软件方面，目前程序设计主要围绕硬件进行开发，随着量子计算机硬件已有了阶段性的成果，硬件环境相对稳定，软件将是现阶段需要大力开发的方面。现阶段，主要是为研发服务的程序，例如可供芯片电路设计与验证、实验结果分析等，提高研发效率，降低研发试错成本。

算法方面，由于量子计算被证明较经典计算在算力方面有较大优势，因此也将首先惠及对算力有明显需求的行业。现阶段，化学医药、金融、交通物流、人工智能等行业已展开相关合作研究。金融方面，建信金科、毕马威、高盛等国际银行均与量子计算公司展开合作。化学医药方面，新日铁、罗氏、杨森制药等公司已与量子公司展开新材料、新分子等模拟实验。

一、云平台进展云计算经过近二十年发展已趋于成熟。随着量子计算的快速发展，量子计算与云计算有机结合，产生了 “量子计算云平台”，极大地克服了目前量子计算机制造成本昂贵、维护难度高、占用空间大等缺陷。量子计算云平台不仅可以推动量子软件及算法的研发，还对整个量子生态产业环境的培养以及增加人们对量子计算的认识具有重大意义。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。

自 2016 年 IBM 推出商业化量子计算云平台以来，至今已有超过 32.5 万名注册用户，开源 Qiskit 软件开发工具包下载超过 65 万次，每天在 IBM Quantum 系统上运行 20 亿个量子电路，已使用 IBM Quantum 发表了 700 多篇论文。截至目前，全球有超过 20 家公司 / 科研机构开发了量子计算云平台。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。

一、云平台进展云计算经过近二十年发展已趋于成熟。随着量子计算的快速发展，量子计算与云计算有机结合，产生了 “量子计算云平台”，极大地克服了目前量子计算机制造成本昂贵、维护难度高、占用空间大等缺陷。量子计算云平台不仅可以推动量子软件及算法的研发，还对整个量子生态产业环境的培养以及增加人们对量子计算的认识具有重大意义。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。
自 2016 年 IBM 推出商业化量子计算云平台以来，至今已有超过 32.5 万名注册用户，开源 Qiskit 软件开发工具包下载超过 65 万次，每天在 IBM Quantum 系统上运行 20 亿个量子电路，已使用 IBM Quantum 发表了 700 多篇论文。截至目前，全球有超过 20 家公司 / 科研机构开发了量子计算云平台。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。

注 1：IBM 云平台上线的 24 个量子系统中只有 7 个系统向中国用户提供，最高比特数 5；IBM 的 127 量子比特芯片还未上线。
注 2：Rigetti 的 40 和 80 量子比特处理器正在内测，还未上线。
注 3：量子退火机的量子比特数量不能与基于门的量子计算机相提并论。
注 4：Azure Quantum 和 Rigetti 达成合作，将于今年第一季度接入后者的量子计算机
注 5：Strangeworks QC 是一个跨硬件、软件兼容的量子开发环境，用户可以通过平台直接注册使用 IBM Quantum。
来源：ICV 2021 年，国内外量子计算云平台的最新进展如下。

（一）国外量子计算云平台 1、IBM 2021 年 3 月，IBM 宣布其量子云平台由 IBM Quantum Composer 和 IBM Quantum Lab 组成，它们取代了之前的 IBM Quantum Experience。IBM Quantum Composer 是一个图形化的量子编程工具，允许用户操作来构建量子电路并在真实的量子硬件或模拟器上运行它们。而在 Quantum Lab 中，用户可以在 Jupyter Notebook 环境中编写结合 Qiskit 代码、方程、可视化和叙述文本的脚本，并在真实量子硬件或模拟器上运行代码，从任何地方存储、访问和管理文件。
目前，IBM 量子计算云平台实行三个等级的访问，最初级的访问是 Open Access，用户仅需简单注册，即可通过公共云提供的多个量子计算系统；中级的访问是 Advance Access，具有更多量子比特数量和容量的开放和附加系统的特定用户；高级的访问是 Premium Access，通过订阅优先时间分配，可以使用 IBM 最先进的量子计算系统。Advance Access 和 Premium Access 需要申请特别用户使用权限。

2、微软 2021 年 2 月，Azure Quantum 服务升级为面向公众的公共预览版，用户通过该系统可以访问 IonQ、霍尼韦尔、Quantum Circuits Inc. 的量子计算机，还可以使用微软、1QBit、东芝开发的优化算法。

2021 年 6 月，Azure Quantum 进一步扩展求解器产品，在原有的求解器平行回火（PT）和量子蒙特卡罗（QMC）基础上，增加了另外两种算法：次随机蒙特卡罗（SSMC）和群体退火（PA）。
2021 年 7 月，微软宣布 Azure Quantum 将增加四个新功能：

1. 量子 Python 开发人员能够将电路直接发送到 Azure Quantum，通过与主要的量子 Python SDK 集成，开发人员可以使用他们熟悉的工具来体验 Azure Quantum 生态系统并与之交互；2. 开发人员可以从 Jupyter Notebooks 中免费访问 Azure Quantum；3. 增加一个基于云的全状态模拟器，使开发人员可以模拟更大的量子程序；

4. 推出新的开放模拟器（预览版），使开发人员可以模拟程序如何在当今可用的硬件系统上运行。
2021 年 12 月，Rigetti Computing 宣布与微软合作，通过云向微软 Azure Quantum 服务的用户提供 Rigetti 量子计算机。双方预计在 2022 年第一季度完成整合并向用户开放。届时，Rigetti 系统将成为 Azure Quantum 上最大规模的量子计算机。

3、谷歌 2021 年 6 月，IonQ 的 11 量子比特离子阱量子计算机宣布在谷歌云上向公众开放，而谷歌的超导量子计算机也处于内部测试模式。当前的谷歌云客户将能够使用他们现有的帐户通过谷歌云市场访问 IonQ 机器。同时，IonQ 宣布将其量子计算平台与谷歌领先的开源量子计算框架 Cirq 完全集成。

4、D-Wave 2021 年 2 月，新加坡宣布引进 D-Wave Leap 量子云服务，使新加坡的开发人员、研究人员和企业可以通过 Leap 实时访问 D-Wave 的 5000 比特 Advantage 量子退火机、混合量子 / 经典求解器和量子应用环境。

截至 2021 年 8 月，Leap 量子云服务提供访问的国家有 38 个，包括欧盟的全部 27 个成员国、日本、冰岛、列支敦士登、挪威、瑞士、英国、美国、澳大利亚等，中国目前不在可访问国家列表中。

2021 年 12 月，D-Wave 在 Q2B 2021 大会上发布新的量子加速包 Quantum QuickStart™，结合了量子编程培训和云访问。Quantum QuickStart 旨在快速培训并使得开发人员能够轻松利用量子计算和量子混合资源构建量子应用程序，为开发人员提供全面的培训体验和一个月的无限制实时量子云访问。
2021 年 12 月，日本 NEC 公司成为 D-Wave Leap 量子云服务的第一家全球经销商。此举将进一步促进 D-Wave 基于云的量子计算和量子混合求解器服务的快速扩展与运用。

5、Strangeworks Strangeworks 量子计算平台是一个可使研究人员、开发人员和爱好者能够快速学习、开发量子代码的免费的量子计算生态系统，2021 年 2 月正式上线。通过 Strangeworks 量子计算平台，用户可轻松创建、组织和协作量子计算项目，并访问代码库、框架和语言。同时该平台还与 IBM 等诸多量子计算公司合作，将其加入到自己的量子计算生态中。目前加入方式为在网站上显示各量子计算云平台的网站链接。当前该平台本身的量子计算后端仅有量子计算模拟器。

2021 年 6 月，IBM 宣布 Strangeworks 公司已将 IBM 的所有量子计算系统整合到 Strangeworks 量子计算生态系统中，用户可以通过 Strangeworks QC 直接和完全免费地访问这些系统。

2021 年 10 月，Strangeworks 推出后台通行证（Backstage Pass）计划，帮助开发人员和研究人员加速研究机构、政府和商业组织的量子计算研发。该计划的成员将可以使用 Strangeworks 自己的内部开发团队及其量子企业联盟成员提供 2021 年 12 月，ColdQuanta 宣布，把即将推出的量子计算机 Hilbert 先提供给 Strangeworks 后台通行证的成员，随后再全面开放。Hilbert 量子计算机共拥有 121 个冷原子，每个冷原子作为一个量子比特。

（二）国内量子计算云平台#

1、本源量子 2021 年 2 月，由本源量子自主研发的工程化超导量子计算机本源悟源 2 号正式上线，用户可继续通过本源量子云使用该量子计算机。本源悟源 2 号沿用了本源悟源 1 号的设计架构，搭载本源第一代超导 6 比特量子处理器夸父 KF C6-130 和本源量子测控一体机。9 月，本源量子在首届量子产业大会磅发布本源量子云平台国际版，力争让中国量子计算机的软硬件系统和标准迈向世界。此前 2020 年 12 月，本源量子在业内首次提出了量子计算 “五朵云” 战略，面向全网用户提供 “学习 — 训练 — 交流 — 服务 — 应用” 全流程的量子计算服务平台。目前本源量子云平台上已上线金融工程、智能制造、生物化工、大数据、人工智能等量子计算应用。
利用量子计算云平台，越来越多的研究人员开始尝试在各行业探索量子计算新应用，2021 年 10 月，本源量子与合肥市大数据公司共同打造的量子计算创新创业平台正式上线，为国内首个以 “量子计算” 为主要特色的双创平台。今年 1 月升级为 2.0 版，更新为 “量子计算全球开发者平台”，面向全球量子计算爱好者和开发者，提供全面丰富的量子计算服务。

2、量子创新研究院 / 国盾量子

2021 年 4 月，中科院量子信息与量子科技创新研究院（简称为 “量子创新研究院”）量子计算云平台进行了系统切换，该研究院联合济南量子技术研究院和国盾量子等对网站页面和功能进行了重新设计，超导量子计算原型机升级至 12 比特。该量子计算原型机由一个包含 12 个超导量子比特的量子芯片、极低温极低噪声测控平台、高精度量子调控电子学系统和量子操控软件系统组成，可以通过标准的量子门指令集进行编程运行量子算法。
全新的量子计算云平台是一个集实验（实体量子计算物理机）、交流（关键量子计算技术和前沿研究结果）、分享（量子计算知识普及）为一体的公共平台信息系统。
此外，量子创新研究院量子计算云平台将在未来接入 “九章” 量子计算机，
用户可有效求解 “高斯玻色取样” 数学问题，并把该数学问题映射到量子化学、
机器学习等应用。

图 18 量子计算云平台

3、北京量子信息科学研究院

2021 年 5 月，北京量子院量子计算研究部第一代超导量子计算云平台正式上线，对大众全面开放。该云平台的特点如下：提供 8 个近邻耦合的可调频率量子比特；采用简洁直观的图形化界面，用户可自由组合量子门并返回各量子比特投影测量结果；提供 QASM 代码和实时的模拟结果，让用户能够更直观了解量子电路的预期运行结果。

4、中国科学院物理研究所

2021 年 5 月，中国科学院物理研究所超导量子计算云平台 ScQ.Cloud 正式上线，免费对公众开放，用户目前可以访问 10 比特的量子处理器。ScQ.Cloud 提供了一个超导处理器集群，分别集成了 10 个和 30 个量子比特。此外，该平台还提供一个基于名为 QtVM 的计算机服务器的模拟器，它可以运行多达 34 个量子比特的量子计算。量子汇编语言 QASM 可以应用于 ScQ.Cloud。ScQ.Cloud 还将与公司合作，提供定制科研和教学服务。
5、昆峰量子 2021 年 6 月，昆峰量子的昆昇量子设计服务云平台（QDAP）Alpha 版正式发布上线。这是一个 “云原生” 面向量子芯片设计自动化的平台，旨在为量子计算和量子器件领域的从业人员提供即开即用、基于云端的量子芯片设计服务。昆昇目前仅供邀请客户使用，体验使用需申请后获批即可。
二、软件进展
（一）国外软件开发企业
1、IBM 2021 年 3 月，IBM 发布了超导量子计算机开源电子设计自动化软件 Qiskit Metal，这是第一个专门针对量子计算机的电子设计自动化（EDA）工具，旨在帮助量子计算领域的研究人员使用预构建或定制的组件轻松地自主创新和设计超导量子设备。通过 Qiskit Metal 组件库，处理第一级布局只需几分钟。然后进行自动经典分析，以确定设备的电磁特性，接下来进行量子分析，以返回设备的能量本征光谱等信息。最后，用户可以将量子分析的结果与目标哈密顿量进行比较，并根据需要进行调整。

图 19 开源电子设计自动化软件 Qiskit Metal

2、IQM 2021 年 6 月，总部位于芬兰的欧洲量子计算公司 IQM 发布了用于自动化设计超导量子处理器的开源软件工具 KQCircuits—— 由芬兰阿尔托大学和 IQM 利用 KLayout 设计程序联合开发的 Python 库。KQCircuits 创建了一个由社区驱动的通用平台，通过一个简单、开放的框架，实现了从芯片设计、模拟到制造的量子芯片开发。借助 KQCircuits，量子工程师和物理学家只需点击一下即可方便地生成芯片设计。他们还可以在设备制造过程之前检查信号路由，避免产生代价高昂的错误。
3、Multiverse Computing 2021 年 8 月，总部位于西班牙和加拿大的金融量子算法公司 Multiverse Computing 推出第一款产品 ——Singularity，这是一个 Excel 插件，可以直接用于量子投资优化。该产品可以将强大的量子计算直接连接到 Excel 表格 —— 分析师用来处理财务数据并获得销售给客户的产品。安装这个插件后，只需要输入相关的数据，如资产的回报率和波动率，以及其他参数，如总投资和投资区间。单击开始优化后，Singularity 负责设计优化问题，再发送到云端的量子计算机，返回结果并以用户友好的方式显示

图 20 Singularity 量子金融分析工具

4、Super.tech

2021 年 8 月，位于美国芝加哥的量子软件初创公司 Super.tech 宣布推出跨硬件的量子软件平台 SuperstaQ，可将应用程序连接到来自 IBM、IonQ 和 Rigetti 的量子计算机。SuperstaQ 通过跨越整个系统堆栈的优化来提高性能，直至模拟控制量子硬件技术的脉冲。

SuperstaQ 在整个量子堆栈中进行了优化，使得典型量子程序的错误减少了 2 倍。SuperstaQ 包括一个复杂的错误缓解技术库，包括动态解耦、激发态提升和零噪声外推。SuperstaQ 根据目标硬件的脉冲级原生门（native gate）自动优化量子程序。
SuperstaQ 已通过开源 Qiskit-SuperstaQ 存储库与 IBM Qiskit 生态系统集成。用户还可以通过 Cirq-SuperstaQ 或superstaq.super.tech/api 上的 OpenAPI 与 SuperstaQ
进行交互。

5、aQuantum

2021 年 10 月，西班牙量子软件公司 aQuantum 宣布第一个面向高质量量子软件的量子开发和应用生命周期平台 QuantumPath® 可以公开访问。该平台支持量子软件工程师从量子算法的创建、开发、测试和实施，再到部署和重复使用的整个生命周期。QuantumPath 是一个由工具、服务和流程组成的生态系统，它可简化量子算法和应用程序集成到混合信息系统的开发。它由 QPath® 核心模块和 QPath® 平台应用程序组成。
QPath 核心模块是 QuantumPath 平台的核心，可以在通用工具的辅助下管理跨硬件的量子算法和解决方案（基于门、量子退火）。QPath 平台应用程序支持软件工程和编程最佳实践的采用。目标是开发高质量的量子软件。为此，QPath 平台应用程序提供了一系列广泛的应用程序，这些应用程序将逐步发布，并与 QuantumPath 系统的核心模块集成。

6、Quantinuum
2021 年 10 月，Quantinuum（前剑桥量子）宣布发布世界上第一个量子自然语言处理（QNLP）工具包和库。该工具包被称为 lambeq（或 λambeq），以已故数学家和语言学家 Joachim Lambek 的名字命名。lambeq 是世界上第一个 QNLP 软件工具包，能够将句子转换成量子电路，受益者包括全球量子计算领域的量子计算研究人员、开发人员和用户生态系统。lambeq 采用模块化设计，因此用户可以在模型中交换组件，并在架构设计上具有灵活性。

图 21 lambeq 将句子转换成量子电路

（二）国内软件开发企业

1、本源量子 2021 年 2 月，本源量子发布首款国产量子计算机操作系统 —— 本源司南。
该系统全面超越已有产品，实现量子资源系统化管理、量子计算任务并行化执行、
量子芯片自动化校准等全新功能，助力量子计算机高效稳定运行。本源司南具备经典操作系统的基础功能，更带来了高效利用量子计算机资源的解决方案。针对任务和问题，本源司南强大的量子资源管理功能，不仅支持多量子任务的并行计算与调度，更支持对量子计算机持续不间断的校准优化。尤其是后者，它可以有效控制量子计算机因量子物理特性产生的性能浮动，确保执行任务时，量子计算机处于最佳性能状态。
针对不同类型量子计算机的特征和用户需求，本源司南提供应用模式和研发模式的无成本兼容，使量子计算机不仅能为商业用户开发出满足特定应用场景的应用，也能为科研用户提供服务，用于研制更强大的量子计算机，
支持用户基于量子计算机操作系统直接操控一体机及相关设备，以达到调试及优化量子芯片性能指标的目的；应用模式是指支持用户基于量子计算机操作系统运行编码完成的量子程序。
本源司南可支持多种量子计算系统，能够为用户接入具有多个量子处理器核心的量子计算机高性能工作站，包括超导量子处理器、半导体量子处理器、离子阱量子处理器，或是混合量子处理器。用户只需要通过口令，接入管理员部署的一台经典服务器即可使用全部功能。据悉，本源量子已经出口一套本源司南量子计算操作系统和量子云服务平台到一带一路国家，开启中国量子计算生态系统的国际化。
图 22 本源司南量子计算操作系统

此外，2021 年 2 月，本源量子发布量子图像识别应用，开发研究量子卷积神经网络，有效提升了图像识别（二分类、多分类）的运行速度，并降低了资源消耗。2021 年 7 月，本源量子推出量子化学应用 ChemiQ 正式版。ChemiQ 适配量子虚拟机和量子计算机，能够可视化构建分子模型、快速模拟基态能量、扫描势能面、研究化学反应，最终以图形化形式展示量子计算结果。8 月，本源量子发布了量子人工智能应用 QGAN。该应用展示了量子计算机上的生成对抗网络在人像修复领域拥有相对于经典计算机的速度优势和空间优势，证明了基于超导量子比特技术的量子机器学习可行性。

2021 年 11 月，本源量子发布国内第一款量子计算流体力学仿真软件 “本源量禹”(OriginQ QCFD)，该软件基于量子有限体积法，原理上能实现对 CFD 仿真计算的亚线性加速。未来在航空航天、热能动力、环境工程等领域，该软件可以进行更高效的数值仿真实验。
图 23 本源量禹使用界面

三、算法进展

通过对目前行业客户参与量子软件与算法研发的进展情况，普遍认为金融、密码与制药有可能是最先受益的行业

（一）金融

2021 年 2 月，本源量子携手中国建设银行旗下建信金科量子金融应用实验室，以建信基金应用场景为依托，联合发布共同研发的业内首批量子金融应用算法，包括 “量子期权定价算法” 与 “量子风险价值（VaR）计量算法”，相关参数明显优于国外同类产品。实现了国内量子金融算法 0 的突破。
“量子期权定价算法” 应用量子振幅估计相关的算法实现双对数级别的量子加速，从而可以加速使用经典蒙特卡罗方法的期权定价，获得一个高置信度的价格估计。71 与量子期权定价应用较为相似，VaR 值估计算法也应用了量子振幅估计相关算法实现对经典蒙特卡罗方法的双对数级别的量子加速，最后获得一个稳定的 VaR 值计算值。72 2021 年 3 月，毕马威（KPMG）与丹麦技术大学的研究人员在 D-Wave 量子退火处理器上运行了一个包括 65 项资产的投资组合优化模型，并将结果与经典方法进行了比较。他们发现，量子退火机的性能比其他方法更好、更快，同时能够解决更大的问题。尽管研究还表明，D-Wave 的技术仍然存在一些问题，比如不易编程和扩展。73 2021 年 3 月，德意志交易所集团（DBAG）聘请法兰克福的金融科技公司 JoS QUANTUM 开发了一种量子算法，以解决计算交易所业务风险模型中存在的挑战。两家公司合著了一篇论文《商业风险敏感性分析的量子算法》，研究结果表明，对于所选的 1000 个输入，量子计算比经典计算快 20 万倍，在经典硬件上运行传统蒙特卡罗模拟需要大约 10 年，而量子蒙特卡罗模拟的计算时间还不到 30 分钟。74 经典计算机模拟和量子计算机模拟的比较结果如下：

图 24 商业风险敏感性分析的量子算法

2021 年 5 月，为了加快量子算法在蒙特卡罗模拟中的应用，QCWare 开发了一种新的量子算法，通过牺牲一些提速（1000 倍变为 100 倍），实现浅层蒙特卡罗算法，预计能够在 5 到 10 年内可用的近期量子硬件上使用。75 提速 1000 倍的量子算法需要纠错量子硬件 —— 预计将在 10 到 20 年内提供。

2021 年 9 月，IonQ 宣布在其量子计算机上演示了高盛和 QC Ware 最先进的量子算法，有望加快蒙特卡罗模拟的速度。蒙特卡罗模拟是许多行业解决问题的关键，包括金融、电信、机器人、气候科学和药物发现等。论文报告了在最先进的量子计算机上进行振幅估计实验的结果。量子振幅估计（QAE）使量子计算机能够实现一大类统计估计问题的平方加速，包括蒙特卡罗方法。76 2021 年 9 月，IonQ 与富达应用技术中心（FCAT）联合发表论文，展示了其量子计算机如何超越传统计算机，生成用于测试金融模型的高质量数据。金融机构通常使用模型进行资产配置、电子交易和定价，并需要测试数据来验证这些模型的准确性。IonQ 和 FCAT 采用了 Copula—— 一种在统计模型中常用来描述大量变量之间关系的方法。通过使用量子计算机来实现该技术，证明了量子计算机构建复杂模型的能力远远大于经典计算机。

2021 年 11 月，加拿大量子计算 SaaS 初创公司 Agnostiq 宣布与光量子计算公司 Xanadu 合作，在 Xanadu 的开源软件 PennyLane 上构建产品，以使用先进的计算技术解决金融问题。78 2021 年 12 月，本源量子发布量子金融投资组合优化应用。该研究成果基于量子优化算法 Grover 适应性搜索算法，可快速从所有投资组合中找到给定风险偏好下的最佳收益组合，进一步拓宽量子计算在金融领域的使用场景。

2021 年全球量子计算应用算法发展大事件#

量子公司 —— 王者与新贵体来说，#

全球量子活动正在迅速升温。量子计算已是国内外科技企业的重要研究方向，已从企业边缘转移从目前的态势来看，市场上的公司主要趋向于以局部发力的形式来推进量子计算，以更灵活的方式去访问现有不同类型的量子计算机硬件后端。谷歌、微软、亚马逊和 IBM 都有雄心勃勃的量子路线图，也都在各自的云平台上推出了量子计算服务。

采用量子技术的企业正在多方面做准备，比如寻找建立内部团队、试验和构建概念证明、在量子硬件或模拟器上运行实验、构建新应用程序。大型科技公司正在无数垂直领域展开扩张和竞争，用量子技术捍卫关键业务线。初创公司大多已经与大型科技公司合作，提供对多种量子计算机的远程访问。
毫无疑问，量子计算正在成为企业技术库中的新型竞争武器。
量子计算的主要参与者可分为四大类：第一类是国际科技巨头，例如 IBM、
谷歌、霍尼韦尔等；第二类是量子计算初创公司，例如 Rigetti、IonQ 等；第三类是国家科研院所，例如美国费米国家实验室（Fermilab）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息与量子科技创新研究院；第四类是高水平研究型大学，例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。
现在的量子计算机仅能处理某一个或某几个方面的问题，尚未达到通用的程度。量子科技企业不仅需要斥巨资研制量子计算机，还需要拥有诸多研究人员设计制造量子硬件和软件来支持这些机器。
未来，通用量子计算机需要在底层量子物理设备、量子计算机架构、量子资源调度、上层量子程序设计语言、量子算法及量子应用软件等多方面进行努力。
以下是量子计算行业典型代表有关量子计算的最新技术和商业进展。

图 2021 年全球量子计算主要参与者地理分布

一、国际

1、IBM 2021 年 3 月，IBM 发布了超导量子计算机开源电子设计自动化软件 Qiskit Metal，这是第一个专门针对量子计算机的电子设计自动化（EDA）工具。
3 月，IBM 与克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）达成一项为期 10 年的合作计划，将共同建设 “探索加速器”（Discovery Accelerator），其目标是使用混合高性能云计算、人工智能和量子计算技术，加快医疗保健和生命科学领域的发现速度。
6 月，IBM 宣布，将在伊利诺伊大学香槟分校建立一个价值 2 亿美元的发现加速器研究所（Discovery Accelerator Institute）；同月，英国政府和 IBM 宣布了一项为期 5 年、价值 2.1 亿英镑的人工智能和量子计算合作计划。
9 月，IBM 宣布将与德国意昂集团（E.ON）开展合作，共同探索量子计算在优化世界范围内极其分散的能源基础设施方面的潜力，通过量子计算推动能源行业的转型。
11 月，IBM 提出了行业内第一个衡量量子计算速度的指标 —— 每秒电路层操作数（CLOPS）。同月，IBM 宣布推出 127 量子比特处理器 ——Eagle。
未来，IBM 计划在 2022 年和 2023 年分别推出一款 433 量子比特的 Osprey 芯片和 1121 量子比特的 Condor 芯片。

图 26 IBM 量子计算硬件路线图

2、谷歌

2021 年 1 月，勃林格殷格翰与谷歌达成一项合作协议，双方将专注于研究与实现药物研发领域量子计算的前沿应用案例，特别是在分子动力学模拟领域。
2021 年 5 月，谷歌在 I/O 开发者大会上宣布，计划在 2029 年前打造出一台商用量子计算机，该计算机可以进行大规模计算而不出错，旨在加速解决世界上最紧迫的一些问题，包括可持续能源发展、开发更有用的人工智能等。
2021 年 7 月，谷歌量子人工智能（Google AI Quantum）团队基于谷歌量子处理器 “悬铃木”（Sycamore）实现了量子计算错误抑制的指数级增长。研究数据表明，研究人员将重复码基于的量子比特数量从 5 个提高到 21 个，对逻辑错误的抑制实现了最多 100 倍的指数级增长，这种错误抑制能力在 50 次纠错实验中均表现稳定。105 谷歌表示，制造 1 个逻辑量子比特需要 1000 个物理量子比特。
2021 年 7 月，谷歌量子人工智能实验室和麻省理工学院（MIT）提出了一种量子算法，在 NTK（神经正切核 Neural Tangent Kernel）近似下训练广度和深度的神经网络，随着训练集的增大，估计训练神经网络的输出误差为零。实现端到端指数加速的能力。
2021 年 7 月，谷歌推出一款快速稳定器电路模拟器 ——Stim。在没有预知的情况下，Stim 可以在 15 秒内分析距离为 100 的表面码（surface code）电路（2 万个量子比特、800 万个门、100 万次测量），然后以 1 kHz 的速率开始对整个电路进行采样。

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

2021 年 11 月，谷歌宣布 qsim 将与英伟达 cuQuantum SDK 整合，将使 qsim 用户在开发量子算法和应用程序时能够充分利用 GPU。要将 cuQuantum SDK 与 qsim 结合使用，用户可以按照通常的工作流在虚拟机上模拟量子电路，在模拟命令中启用 cuQuantum。

2021 年 11 月，谷歌量子人工智能实验室和初创公司 QSimulate 联合发布了费米量子仿真器（FQE），这是一个在费米子模拟中仿真量子计算机行为的软件框架。通过将模拟速度提高几个数量级，FQE 将帮助量子科学家预测材料量子计算所需的硬件资源，并为这种模拟执行经典基准测试。108 2021 年 11 月，斯坦福大学、谷歌量子 AI 实验室、马克斯 - 普朗克研究所和牛津大学的研究人员使用谷歌的 “悬铃木” 量子计算机成功制造了时间晶体。109 2021 年 12 月，谷歌与加州理工学院的一项合作表明，在某些条件下，量子机器可以从比传统上要求的实验数量少得多的实验中了解物理系统。这一新方法通过使用 40 个量子比特和 1300 个量子操作进行实验验证，证明了即使使用我们今天的嘈杂量子处理器，也具有巨大的量子优势。110 3、Quantinuum（霍尼韦尔＆剑桥量子） 2021 年 6 月，霍尼韦尔和剑桥量子计算共同宣布，剥离霍尼韦尔量子解决方案（HQS）部门，将其与剑桥量子公司（CQ）合并。2021 年 11 月，HQS 和 CQ 完成合并，成立了新公司 Quantinuum。目前 Quantinuum 已经处在量子计算的全球领先地位。

2021 年 3 月、7 月和 12 月，霍尼韦尔 System Model H1 分别通过 512、1024 和 2048 量子体积的基准测试，继续保持量子体积的世界记录。此前，霍尼韦尔承诺每年将其量子体积增加一个数量级（10 倍）。2021 年 12 月，霍尼韦尔首次在业界实现量子计算机的实时检测和纠正错误。研究人员创建单个逻辑量子比特并应用多轮量子纠错。这个逻辑量子比特可以防止量子计算机中发生的两种主要类型的错误：比特翻转和相位翻转。
剑桥量子方面，

2021 年 2 月，中美冠科生物技术股份有限公司、JSR 生命科学公司和剑桥量子公司宣布了一项合作协议，以探索应用量子技术来推动多基因识别用于肿瘤药物发现的生物标志物发现。
5 月，剑桥量子公司提出了一种新算法，可以加速量子蒙特卡罗模拟，从而缩短获得量子优势的时间，并证实量子计算对金融业的重要性。
9 月，新日铁和剑桥量子公司表示，他们以两种不同的配置模拟铁晶体的行为，使用的算法和噪声缓解技术可以在 NISQ 量子计算机上运行。11110 月，剑桥量子公司发布世界上第一个用于量子自然语言处理（QNLP） 的工具包和库 ——lambeq，是世界上第一个能够将句子转换为量子电路的 QNLP 软件工具包。2021 年 11 月，剑桥量子和 Deutsche Bahn Netz AG（德国铁路公司） 利用最新的量子算法优化列车调度。12 月，剑桥量子公司利用霍尼韦尔 System H1 量子计算机也创建了随机数，并推出世界上第一个量子计算驱动的加密密钥生成平台。

4、微软 1997 年，微软的物理学家 Alexei Kitaev 提出了一个构建马约拉纳费米子并最终实现拓扑量子计算的理论。
2005 年，微软建立 StationQ，负责研究拓扑量子计算。
2018 年 3 月，微软支持的荷兰物理学家 Leo Kouwenhoven 在《自然》杂志发表了一篇论文，通过实验证明他观察到了马约拉纳费米子 —— 拓扑量子计算的基础。但在 2021 年 1 月，原始论文以 “技术错误” 为由被撤回。113 这被认为是微软量子计算硬件团队迄今为止遭遇的最大挫折。
虽然硬件方面遭遇瓶颈，但是 2021 年微软在量子生态建设方面取得了突出成果。2 月，微软面向量子解决方案的全栈公共云生态系统 Azure Quantum 已经从有限预览版升级为公开预览版。1149 月，IBM、微软和 AWS 成立了量子语言技术指导委员会。12 月，霍尼韦尔、微软、橡树岭国家实验室、量子电路公司和 Rigetti Computing 加入 Linux 基金会成立的量子中间表示（QIR）联盟，旨在减少量子生态系统各个成员的开发工作。
生态建设方面，微软相继与金融科技公司 Ally、国际四大会计师事务所之一毕马威和 Rigetti 达成合作。Rigetti 量子计算机将接入 Azure Quantum 平台，双方将在 2022 年第一季度完成整合并向用户开放。目前，Azure Quantum 已经接入 IonQ、霍尼韦尔（现为 Quantinuum）和量子电路公司（QCI）的量子计算机。
微软在量子控制技术方面也取得了突破。2021 年 11 月，悉尼大学和微软的科学家和工程师发明了一种工作温度比深空温度低 40 倍的单芯片，“只需两根传输信息的线缆作为输入，即可产生数千个量子比特的控制信号。”

源：微软
5、亚马逊 2020 年 8 月，AWS 宣布了亚马逊 Braket 的全面上市，作为完全托管的 AWS 服务，Braket 可提供开发环境来帮助客户探索和设计量子算法。亚马逊 Braket 目前客户包括富达投资集团、大众汽车、Enel、安进、Rahko、Qu＆Co 等。
2021 年，亚马逊开始重点攻关量子计算硬件。4 月，亚马逊首度公开其容错量子计算机架构 —— 使用猫量子比特更有效地编码信息。基于超导电路的猫量子比特已经被几个研究团队证明，它们的高偏差错误率可以在设计额外的 QEC 时加以利用。10 月，专注于超导量子比特的 AWS 量子计算中心正式落成，“这个中心有推动量子计算研发所需的一切，从制造、测试和操作量子处理器，到创新控制量子计算机的流程，以及扩展支持更大量子设备所需的技术，例如低温冷却系统和布线。”11 月，在 Invent 2021 大会上，AWS 宣布推出亚马逊 Braket 混合作业功能，旨在帮助用户设置、监控和高效运行混合量子 - 经典算法。AWS 宣布在未来几个月内，QuEra 和牛津量子电路公司（OQC）都将作为新的硬件提供商加入 Braket 服务。

6、英特尔

英特尔致力于开发超导和半导体量子计算机，并在低温控制技术方面取得了突破。
2019 年，英特尔实验室发布了首款低温控制芯片 Horse Ridge，可在大约 4 开氏度的低温下工作。第二代低温控制芯片 Horse Ridge II 进一步简化了量子电路控制，预计将带来更高的保真度和更低的功率输出。
2021 年 5 月，英特尔和 QueTech 的研究表明，Horse Ridge 可以在控制多个硅量子比特的同时，实现与室温电子器件相同的高保真结果。11812 月，英特尔宣布将采取包括发展量子计算在内的三大措施延长摩尔定律。英特尔在 IEDM 2021 大会上展示了完整的 300mm 量子比特工艺流程，用于实现与 CMOS 制造兼容的可扩展量子计算，并确定了未来的下一步研究计划。119 7、Rigetti Computing Rigetti 是一家美国的量子计算初创公司，创立于 2013 年，创始人 Chad Rigetti 是一位物理学家，曾在 IBM 从事量子计算机工作。
Rigetti 于 2021 年 6 月推出了全球首款多芯片量子处理器。该处理器采用了专有的模块化架构，可加速商业化进程，并解决容错量子计算机的关键扩展挑战。

2021 年 7 月，Rigetti 宣布将与 Riverlane 和 Astex Pharmaceuticals 合作使用 Rigetti 量子云服务（QCS）开发一个集成应用程序，用于模拟分子系统，这可以改变药物研发中的药物发现。
2021 年 10 月，Rigetti 宣布计划通过与 Supernova II（一家公开交易的特殊目的收购公司）达成最终合并协议。Rigetti 将获得超过 5 亿美元融资，合并后的公司的估值可能为 15 亿美元。
2021 年 11 月，Rigetti Computing 被选中领导美国能源部授予的聚变能量子模拟项目。该项目将在 Rigetti 的基于云的量子计算机上模拟等离子体动力学。
2021 年 12 月，Rigetti Computing 宣布开发了一种使用量子计算机解决天气建模问题的有效方案。Rigetti Computing 推出了下一代 “Aspen-M” 12080 量子比特的量子计算机的私人测试版。Aspen-M 利用 Rigetti 专有的多芯片技术，由两个 40 量子比特芯片组装而成。
8、IonQ 马里兰大学的 Chris Monroe 和杜克大学的 Jungsang Kim 在 2016 年创办了 IonQ。目前，IonQ 是唯一一家同时通过亚马逊 Braket、微软 Azure Quantum 和谷歌云提供其量子系统的公司。
2021 年 8 月，IonQ 提出了业界首个可重构多核量子架构（RMQA），有望将每个芯片的量子比特数量扩展到数百个，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。

• 9 月，IonQ 宣布与马里兰大学共建美国首个国家量子实验室（简称 Q-Lab）。9 月，IonQ 宣布在其量子计算机上演示了高盛和 QC Ware 最先进的量子算法，有望加快蒙特卡罗模拟的速度。10 月，马里兰大学和 IonQ 在量子纠错方面取得了重大突破，研究人员使用多个保真度较低的物理量子比特创建了一个保真度更高的逻辑量子比特。10 月，IonQ 完成合并上市，此次合并为 IonQ 带来了 6.5 亿美元的总收益。
  12 月，IonQ 宣布，计划在其系统中使用钡离子作为量子比特，从而为实现高级量子计算架构带来了优势。至此，IonQ 成为第一家能够利用多个原子类型作为量子比特的量子计算公司。IonQ 预计基于钡量子比特的量子计算机的主要优势包括：更低的错误率、更高的门保真度和更好的状态探测；可迭代、更可靠硬件的基础，为客户提供更多的正常运行时间；更容易联网的量子系统。
  9、Xanadu Xanadu 于 2016 年成立，是一家加拿大量子计算硬件和软件公司，总部位于安大略省多伦多。该公司开发了世界上第一台可访问云的光量子计算机，并开发用于量子机器学习和模拟量子光子设备的开源软件。其使命是构建对世界各地的人们有用且可用的量子计算机。
  2021 年 5 月，Xanadu 完成 1 亿美元 B 轮融资，后者是美国硅谷历史最悠久的风险投资公司之一。截至目前，这家成立 5 年的公司的融资总额已达 1.45 亿美元。这笔融资主要用于将其量子计算机从现在的 40 量子比特芯片发展到 2026 年的 100 万量子比特，并将其联网成一个计算系统。1218 月，Xanadu 和 IMEC 宣布合作开发下一代基于超低损耗氮化硅波导的光子量子比特。11 月，Xanadu 宣布与加拿大量子计算公司 Agnostiq 合作，在 Xanadu 的开源软件 PennyLane 上构建产品，以使用先进的计算技术解决金融问题。
  目前，Xanadu 的主要产品有：可编程光量子芯片、量子机器学习库 PennyLane、Xanadu 量子云、Strawberry Fields 量子计算开发平台。

来源：Xanadu 10、PsiQuantum
PsiQuantum 于 2016 年成立，拥有一支世界级工程师和科学家团队，致力于整个量子计算堆栈，从光子和电子芯片到封装和控制电子、低温系统、量子架构和容错，再到量子应用。
2021 年 5 月，PsiQuantum 宣布与全球领先半导体制造商格罗方德正在制造构成 Q1 系统基础的硅光子和电子芯片，这是 PsiQuantum 量子计算路线图中的第一个里程碑，旨在提供具有 100 万个量子比特的商业可行的量子计算机。
2021 年 7 月 27 日，PsiQuantum 宣布完成 4.5 亿美元的 D 轮融资，用于建造世界上第一台具有商业可行性的量子计算机。迄今为止，PsiQuantum 融资总额高达 6.65 亿美元。
图 30 PsiQuantum 光量子芯片

11、其他・D-Wave System
2021 年 10 月，D-Wave 在年度用户大会 Qubits 上宣布了对 Advantage 量子系统（该公司 Leap 量子云服务提供的一种新型混合求解器）的性能更新，以及下一代量子计算平台的预览，该平台将包括退火和基于门的量子计算机。该公司提供了一个清晰的路线图，主要包括：
新一代 Advantage 2 量子系统采用新的量子比特设计，可在新拓扑中实现 20 路连接（目前为 15 路连接）。Advantage 2 的量子处理器（QPU）将包含 7000+ 量子比特（目前为 5000+）。
・Quantum Brilliance 2021 年 3 月，Quantum Brilliance 推出可在室温下运行的基于金刚石的量子加速器，并且该公司表示它将在澳大利亚的 Pawsey 超级计算中心安装其第一台金刚石量子加速器
・Alpine Quantum Technologies Alpine Quantum Technologies（阿尔卑斯量子技术公司，AQT）是全球领先的离子阱量子技术公司，正在开发具有 100 多个量子比特的模块化通用离子阱量子计算机，作为遵循行业标准的机架安装系统。
2021 年 1 月，AQT 展示了在两个 19 英寸机架中的离子阱系统中的 24 量子比特 GHZ 纠缠。
2021 年 6 月，AQT 和因斯布鲁克大学的研究人员演示了一台紧凑型离子阱量子计算机，这台紧凑型量子计算机可以放入两个 19 英寸宽（合计约 100 厘米） 的机架中。而传统的离子阱量子计算机通常占地 30-50 平方米。ColdQuanta
2021 年 5 月，ColdQuanta 宣布加入 IBM Quantum Network。同时 ColdQuanta 还将与 IBM 开源软件开发工具包 Qiskit 整合。2021 年 7 月，ColdQuanta 推出其 121（11×11 阵列）量子比特处理器 Hilbert。单比特门保真度 99.1%，双比特门保真度 95%。12 月，ColdQuanta 宣布将把即将推出的量子计算机 Hilbert 先提供给 Strangeworks 后台通行证（Backstage Pass）的成员，随后再全面开放。
・Archer Materials Archer Materials 是一家在澳大利亚上市的公司，目前已从其他业务转向开发量子计算芯片。
2021 年 2 月，Archer Materials 宣布，作为其 12CQ 量子计算芯片技术开发的一部分，室温量子芯片能够在室温下以单个量子比特实现电子传输。这一突破是成功开发 12CQ 芯片的基础。7 月，Archer Materials 宣布在微观尺度的量子比特材料上实现了量子比特控制芯片，这标志着作为该公司 12CQ 量子计算芯片开发的一部分取得了重大进展。
・英伟达 2021 年 4 月，英伟达正式入局量子计算，推出了基于 GPU 的量子计算模拟软件开发工具包（SDK）cuQuantum。11 月，在英伟达 GTC 大会上，正式宣布 cuQuantum SDK 提供公开访问。126 同时，研究人员宣布使用 cuQuantum 创建了有史以来最大规模的量子算法模拟来解决最大割（MaxCut）问题。
Q-CTRL 2021 年 11 月，Q-CTRL 宣布，公司新的算法基准测试实验表明，使用量子控制构建的替换量子逻辑操作，可以在不增加用户额外开销的情况下，将在真实硬件上执行量子算法的成功率提高 2500% 以上。具体来说，Q-CTRL 利用在量子控制和人工智能方面的专业知识，将在 7 量子比特电路上的算法成功概率提高了 2680% 以上。对于固定资源，这意味着 Q-CTRL 技术在减少算法错误方面的效率提高了约 400 倍。128・QuEra Computing 2021 年 11 月，波士顿量子公司 QuEra Computing 宣布制造出一种量子比特比任何竞争对手都多的设备 —— 基于中性原子技术的 256 量子比特模拟器。129・IQM IQM 是欧洲领先的量子计算硬件公司，总部位于芬兰埃斯波，同时在欧洲多国开设了办事处。
2021 年 11 月，IQM 宣布斥资 2000 万欧元建成一家专门的制造工厂，用于设计、研究和制造其量子处理器。
2021 年 12 月，IQM 向芬兰国家技术研究中心（VTT）交付了一台 5 个量子比特的超导计算机 Micronova。此台机器将用来向阿尔托大学在读学生提供开源教学资源。
・Seeqc 2021 年 4 月，美国量子计算公司 Seeqc 宣布，该公司的那不勒斯团队成功开发并测量了一个双量子比特门。Seeqc 成为少数几个实现这一关键工程里程碑的国际量子计算公司之一。
·QuiX
2021 年 7 月，荷兰量子计算公司 QuiX 宣布开发出迄今为止最大的通用量子光子处理器：一个基于化学计量氮化硅波导的低损耗 12 模式（mode）全可调谐全模式耦合线性干涉仪。
・Atom Computing 2021 年 7 月，Atom Computing 推出第一代量子计算系统 Phoenix。Phoenix 目前用光镊在真空室中捕获了 100 个原子（每个原子代表一个量子比特），然后用激光重新排列和操纵它们的量子态。
・牛津量子电路公司 2021 年 7 月，牛津量子电路公司（OQC）宣布推出英国首个完全使用公司专有技术构建的商用量子计算即服务（QCaaS）。12 月，OQC 宣布将从 2022 年 2 月开始提供其最新系统 Lucy—— 一台 8 比特超导量子计算机，这是第一个连接到亚马逊 Braket 的欧洲系统。
・QC Ware QC Ware 成立于 2014 年，是一家量子软件和服务公司。QC Ware 专门开发近期量子计算硬件的应用程序。每年 12 月，QC Ware 都会举办 Q2B 大会，这是量子计算领域最负盛名的产业大会。
2021 年 4 月，为了加快量子算法在蒙特卡罗模拟中的应用，QCWare 开发了一种新的量子算法，通过牺牲一些提速（1000 倍变为 100 倍），产生浅层蒙特卡罗算法，预计能够在 5 到 10 年内可用的近期量子硬件上使用。
·Multiverse Computing
Multiverse Computing 是一家领先的量子软件公司，它应用量子和量子启发的解决方案来解决金融领域的复杂问题。
2021 年 8 月，Multiverse Computing 推出了第一款产品 ——Singularity，这是一个 Excel 插件，可直接用于量子投资优化。该产品将量子计算直接连接到 Excel 表格。11 月，Multiverse 与 IonQ 达成合作，将在其金融解决方案 Singularity® 中使用 IonQ 量子云平台，该集成系统使金融机构能够以前所未有的速度和准确度模拟真实金融问题。
・Strangeworks 2021 年 2 月，Strangeworks 宣布为科学家、研究人员、软件开发者和爱好者提供完整的量子生态系统 2021 年 6 月，Strangeworks 宣布将 IBM 的量子云服务集成到 Strangeworks 生态系统。此举为 Strangeworks 生态系统增加了 28 项量子服务，包括 9 台免费量子计算机和 5 个托管模拟器。
・Quantum Computing Inc 2021 年 2 月，QCI 推出了一款名为 Qatalyst 的应用加速器，有望简化在不同量子计算平台上部署应用程序的工作。6 月，与洛斯阿拉莫斯国家实验室达成了一项为期 3 年的协议，将运行 P 级和 E 级模拟。7 月，QCI 在纳斯达克资本市场上市，股票代码 QUBT。
·Qu&Co
2021 年 3 月，欧洲量子软件公司 Qu&Co 发布量子计算化学和材料科学平台 “QUBEC” 测试版，这是第一个专为化学和材料科学设计的量子计算平台。

二、国内#

1、中国科学技术大学 2021 年 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；
6 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 2.0”，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 Google 的 “悬铃木” 量子计算机高出 3 个数量级；
10 月，中国科大团队又实现了 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。同月，中国科大潘建伟、陆朝阳等成功研制出 “九章二号”，从之前的 76 个光子增加到 113 个光子，处理特定问题的速度比超级计算机快亿倍。

图 31 “九章” 二号整体装置图

图 32 “祖冲之号” 66 量子比特超导量子处理器示意图

注：祖冲之量子处理器由两颗蓝宝石芯片组成，一个携带 66 个量子比特和 110 个耦合器，每个量子比特耦合到四个相邻的量子比特 (边界处除外)。另一个承载读出组件和控制线以及接线。这两个芯片通过铟凸块对齐并绑定在一起。
资料来源：Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor
2、本源量子 2021 年 1 月，本源量子宣布完成数亿元 A 轮融资，由 “国家队” 中网投和国新基金领投。
2 月，本源量子的国产工程化超导量子计算机本源悟源 2 号正式上线，并发布首款国产量子计算机操作系统 “本源司南”。该操作系统旨在大幅缩短一台全新量子计算机投入运行时间。目前，本源司南已捐赠给西安电子科技大学、武汉大学、北京航空航天大学、四川大学、中国科学技术大学、华中科技大学等十家国内一流网安学院及河南省郑州市网络安全科技馆。据悉，本源量子在 2021 年已出口一套本源司南量子计算操作系统和量子云服务平台到一带一路国家。

2021 年 4 月，本源量子和合肥晶合集成电路公司宣布将共建量子计算芯片联合实验室。晶合集成是驱动芯片代工领域的龙头企业，双方共建的安徽省首个量子计算芯片领域联合实验室，将在极低温集成电路领域进行工艺合作开发以及工程流片验证，实现从芯片设计到封装测试全链条开发。联合实验室的建设，将对量子计算芯片集成化发展、填补国内制造空白、加快应用落地具有重要的推动作用。
2021 年 9 月，本源量子发布未来五年量子计算技术规划路线图。

投融#

特点一：上市融资成了量子科技公司的潮流 2021 年 9 月，离子阱量子计算公司 IonQ 通过 SPAC 收购在纽约证券交易所上市，并融资 6.5 亿美元，刷新了量子科技公司单笔融资纪录，总市值最高达到 69 亿美元。
2021 年 10 月，Rigetti 与特殊目的收购公司 Supernova II 签订最终合并协议。合并后的公司预计将获得总额约 4.58 亿美元的现金收入，其中包括超过 1 亿美元的全额承诺 PIPE、直接投资以及 Supernova II 信托账户中持有的 3.45 亿美元现金。12 月，又宣布 PIPE 增加 4500 万美元的投资。
127 特点二：单笔融资金额创纪录硅谷光量子计算公司 Psi Quantum 刷新了非上市量子科技公司融资纪录，
于 2021 年 7 月完成 4.5 亿美元的 D 轮融资。其他许多量子计算公司单笔融资都在千万美元以上。
例如，光量子计算公司 Xanadu 融资 1 亿美元，非全栈量子计算公司 Quantum Machines 融资 5000 万美元，中性原子量子计算公司 Pasqal 融资 2500 万欧元，量子控制技术公司 Q-Ctrl 融资 2500 万美元。

量子通信与安全领域是在当前信息通信与网络安全产业的基础上，由于新技术的出现，
丰富了信息安全产业生态。同时，因为量子通信与安全技术仍为前沿技术，作为辅助产业发展的科研仪器设备，尤其是一些提供精密测量、物态稳定 (例如低温设备) 的产品实际上也为该产业提供设备。例如，在实际实验中，为了追求一些极限的、特殊要求的情况，光源的品质或性能参数要求高于在实际 QKD 组网中的产品；低温恒温器也会在一些实验中作为实验样品的环境辅助使用。需要说明的是，有一些精密仪器设备是量子通信研发不可或缺的硬件 (例如示波器、任意波性发生器)，这些多是成熟的研发设备，因此未列入本次产业供应商图谱。
量子通信与安全领域产业链的上游是提供核心设备及组件的供应商。目前 PQC 的商业化形态预估会与密码算法行业类似，其上游可能为一些软件类的开发工具和硬件类的测试设备等。目前还未形成针对于 PQC 的完整产业链，因此未纳入本次产业链上游研究范畴。QKD 网络的搭建目前主要为基于光纤的网络和基于卫星两种，基于光纤的 QKD 网络基础设施建设占绝大多数。因此，经典的光通信产品在 QKD 的产业链中也有使用，但这些产品较为成熟 (例如电源、光纤、广电调制器、偏振分束器、
PFGA、模数转换器等) 且应用广泛，因此未列入本次产业供应商图谱。此次研究主要关注核心的、新型的量子通信产品。这类公司提供光源 (例如激光器、纠缠源)、光子探测器、QRNG 和其他组件 (例如量子存储器在远距离量子通信及量子互联网发挥重要作用)。这些产品共同构成 QKD 设备产品 (例如量子密钥分发机、量子密钥接收机或量子密钥接收一体机)。
上游 QRNG Photon DetectorPhoton Source Other 注：部分公司的 LOGO 出现多次，旨在显示该公司在不同的版块均有业务涉及。
| Version Feb 2023 quantum memory optical components single-photon counter 图表 2-1 量子通信与安全上游 – 核心设备器件

产业链中游为提供量子通信与安全领域整体解决方案的供应商，例如，它们有些是集成上游产品，以及提供配套软件或平台系统，为 QKD 网络的实施提供最核心的支持。中游的公司主要分为利用量子物理学原理为主开发产品及解决方案的公司 (例如 QKD 设备提供方东芝和国盾量子)，利用数学算法开发产品及解决方案的公司 (例如英国 PQ Sheild 和中国量安科技)，以及研发密钥管理、量子安全通信 SaaS 的公司。
中游
PQC QKD Encryption Platform/Key Management/Quantum SaaS 国信量子 | Version Feb 2023 图表 2-2 量子通信与安全中游

本次量子通信与安全产业参与者主要关注有盈利性质的组织，且为初创公司。但大学、
科研院所实际上也大量参与到量子通信与安全产业的发展中，为产业发展贡献重要技术。
很多该领域的初创公司，孵化自大学或科研院所，例如，IDQ 是日内瓦大学技术的衍生公司，国盾量子是中国科学技术大学技术的衍生公司，Q-bird 是代尔夫特理工大学技术的衍生公司，Quantum Dice 是牛津大学技术的衍生公司。网络安全领域、半导体领域的传统公司也越来越多的实施量子安全技术，例如 NXP、Thales、Fortinet 等。此外，IBM、Google 除了在量子计算领域部署研究外，在量子信息安全方面也有所参与。
注：本图行业参与者主要考虑以量子技术为核心业务的公司，传统企业进军量子领域不涉及。
从企业总部所在国家来看，美国、加拿大、欧盟 (例如德国、法国、
西班牙、意大利、芬兰)、英国和中国是量子通讯与安全领域参与者较为密集的国家。此外，俄罗斯、以色列、日本、韩国、印度、新加波、
澳大利亚也拥有很多量子通信与安全领域的初创公司。
从企业在量子安全与通信领域的细分业务来看，美国少有 QKD 硬件公司，PQC 算法软件及安全平台公司较多；加拿大公司也以算法软件及安全平台公司居多；中国公司以硬件公司为主，PQC 领域仅有一家公司；英国、瑞士的公司偏向硬件；欧盟成员国也以硬件公司居多。
俄罗斯、以色列、印度、日本、韩国、澳大利亚的核心量子安全公司也以硬件为主。
参与

产业链下游为量子安全产品需求方及
使用方 。 目前量子安全技术的下游应用仍
处在推展行业应用可能性的探索阶段 。
本次量子安全产业下游展示的组织由两
方面构成 ：
一类是直接采购量子安全产品或服务
组织 。 例如 ， 与国防相关的一些国家部门
是较早采购量子安全设备的组织；
另一类是对量子安全产品有需求但同
时与量子初创公司合作研发产品或服务的
组织 。 例如 ， 由于 QKD 的部署绝大多数是
基于现有光纤通信网络的 ， 因此 ， QKD 供应
商和拥有光纤通信基础设施的通信商之间存
在合作研发 ， 华为曾和西班牙电信使用 SDN
在商业光网络上进行了量子密码的现场试
验 。因此 ， 与通信相关的企业 ， 将会始终
作为一大下游应用方 。
尽管未来全部基础设施的用途还很难
全部预测 ， 但主要的应用都已基本确定 。
下游的公司 / 组织主要是国防军事 、 金融信
息 、 能源网络 、 数据中心 、 智能驾驶 、 移
动运营商 、 个人消费等对信息安全有较高
需求的单位 。 目前 ， 下游的采购方 / 供应商
还以党政军单位 、 大型未来 ， 随着 QKD 组
网技术发展 ， 终端设备趋于小型化 、 移动
化 ， QKD 还将扩展到电信网 、 企业网 、 个人
与家庭 、 云存储等更广阔的应用领域 。
图表 2-4 量子通信与安全下游 - 行业应用

目前 ， QKD 是量子通信与安全领域里最
成熟的技术产品 ， 已经在多国多行业展开应
用 ，由于 PQC 算法尚在标准化阶段 ， 尽管
已经有很多技术供应商出现 ， 但仍需待标
准公布后收集市场对实际产品的反馈 。 本
次评价主要针对拥有 QKD 整套系统解决方
案能力的供应商进
行评价 。
根据 CTF 模型对 4 个层级扇面的定义 ， QKD 领
域供应商评价如下

目前 ， QKD 是量子通信与安全领域里最
成熟的技术产品 ， 已经在多国多行业展开应
用 ，由于 PQC 算法尚在标准化阶段 ， 尽管
已经有很多技术供应商出现 ， 但仍需待标
准公布后收集市场对实际产品的反馈 。 本
次评价主要针对拥有 QKD 整套系统解决方
案能力的供应商进行评价 。

2022 年，美国、加拿大、英国、法国、韩国、中国、波兰、印度等国的量子通信网络基础设施建设进一步发展。
相关发展情况如下：
5 月，美国能源部布鲁克海文国家实验室 (BNL) 推出了一个新的量子网络设施，提供研究人员所需的工具和能力，使大规模量子纠缠分发网络成为现实。新设施已经拥有美国最先进的区域量子网络之一，由 BNL 和石溪大学正在完成的美国最长量子网络，横跨 98 英里并连接这两个机构的所属校区。 6 月，芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院芝加哥量子交换中心 (Chicago Quantum Exchange, CQE) 首次将芝加哥市和郊区实验室与量子网络连接起来，建成 200 公里 QKD 网络，以每秒超过 80,000 个量子比特的速度通过光缆分发量子密钥，即将向学术界和工业界开放的芝加哥网络将成为美国首批公开的量子安全技术测试平台之一。 整个网络现由 6 个节点组成，在阿贡国家实验室和芝加哥南部的两座建筑 (芝加哥大学校园、海德公园附近的 CQE 总部) 之间传输携带量子编码信息的粒子。6 月，美国伊利诺伊州快速量子网络 (IEQNET) 研究团队在美国能源部的两个相距 50 公里的实验室之间部署量子网络，并在该网络上同时传输了一个传统的时钟信号和一个量子信号，两个信号在小于 5 皮秒的时间窗口内保持同步，这一性能是构建实用多节点量子网络的重要一步。

美国：尽管未有大规模国家级基础设施规划，仍不影响 QKD 应用研究工作开展。
26 8 月，合肥量子城域网开通，这是目前规模最大、用户最多、应用最全的量子保密通信城域网。
该网络由中电信量子承建、国盾量子提供核心设备，包含 8 个核心网站点和 159 个接入网站点，光纤全长 1147 公里，可为市、区两级近 500 家党政机关提供量子安全接入服务。该网络后期还将服务于金融、
能源、医疗、科技等行业，并有望拓展至四县一市，接入国家量子骨干网。
9 月，量子通信网络基础设施建设已在图林根州 (德国十六个联邦州之一)，图林根州科学部提供了 1100 万欧元，由弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所 (IOF) 与合作伙伴建设，在超过 75 公里的光纤 QKD 上首次测试，这条线路将耶拿 (Jena) 的弗劳恩霍夫 IOF 与埃尔福特 (Erfurt) 的弗劳恩霍夫生物医学微电子和光学系统中心 (MEOS) 链接，两地间发送了超过 30 万个量子密钥。 此项实验也是德国联邦教育与研究部 (BMBF) 资助的研究计划 QuNET (量子通信网络) 的第一阶段建设，参与此计划的四个核心研究所是弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所 IOF、弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所 HHI、德国航空航天中心通信与导航研究所 (DLR-IKN) 和马克斯普朗克光物理研究所 (MPL)。 10 月，由法国电信商 Orange 领导的 ParisRegionQCI (量子通信基础设施项目) 在 Saclay、Châtillon 和巴黎之间部署量子通信网络以测试安全通信解决方案，将在大型集团、初创企业、巴黎计算机科学实验室 (LIP6)、光学研究所和巴黎电信之间建立，项目由法兰西岛大区资助 100 万欧元，是该地区第一个量子通信网络。该项目依赖于 ID Quantique 的 QKD 解决方案、Thales 的 IPsec Mistral 加密网关以及与索邦大学等单位的合作。 德国：弗劳恩霍夫位于耶拿和埃尔福特的研究所间建立 75 公里光纤 QKD 连接。

法国：量子通信基础设施项目在巴黎的部分节点间完成连接测试。

9 月，在华沙和波兹南两城之间搭成 380 公里的城际 QKD 链路。

该链路是波兰光子学和量子技术国家实验室 l (NLPQT) 开发全国量子通信基础设施项目的一部分，由波兹南超级计算和网络中心 (PSNC) 和瑞士公司 IDQ 合建，将为远程医疗、医疗数据传输、数据存储和公共服务等多种应用提供服务。 PSNC 的目标是将其 2021 年在波兹南开发的地铁 QKD 基础设施与这条新的长途波兹南 - 华沙 QKD 链路进一步整合，最终目标是互连波兰的所有高性能计算中心，并建立 QKD 服务的通用访问层。

中国研究团队在基于光纤传输的 TF-QKD（双场量子密钥分发系统）线路距离方面，于 2023 年首次突破 1000 公里，达到 1002 公里，这一成果是迈向未来大规模量子网络的关键一步。
此次突破通过实验证明了在长距离光纤上使用发送或不发送（SNS）协议的 TF-QKD 的可行性。
北京量子院研究团队利用光频梳技术开发的量子密钥分发开放式新架构，成功实现 615 公里光纤量子密钥分发通信实验。此次实验是基于相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制的开放式架构、无需服务光纤的新型 TF-QKD 完成。达到低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继 QKD 的码率界限，成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验。
距 离 基于光纤传输的 QKD 线路里程逐渐提升为大规模量子网络建设奠定基础通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，可实现百兆比特率（115.8 Mbs）的实时量子密钥分发，此实验结果将先前的成码率纪录提升一个数量级。
新的传输记录建立在 QKD 加密新理论之上，该理论解除了量子安全通信中先前对距离和数据传输速率的限制。利用传统光纤和光放大器的方法可实现在光纤电缆上发送了超过 1032 公里的量子安全通信，数据传输速率（密钥速率）明显高于之前的记录（以前：0.0034 比特 / 秒；现在：34 比特 / 秒）。
最新一项具有全天时工作和抗强背景噪声特性的混合链路 QKD 技术成功完成演示。这项技术采用了空间链路和光纤链路相结合的方法，以实现 Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。在传统的 BB84 协议无法正常工作的链路条件下，该技术仍能够有效进行多维干涉量子密钥分发（MDI-QKD）。此外，研究人员还深入研究了基于卫星的 HOM 干涉的可行性，为构建天地一体的混合通信网络奠定了重要基础。

天地一体链路实现抗强背景噪声的 QKD 为天地一体通信网络夯实根基天地一体模式匹配量子密钥分发（MP-QKD）协议，利用极大似然估计的数据后处理方法精确地估算出两个独立激光器的频率差用于参数估计，实现了实验室标准光纤百公里级、两百公里级、三百公里级以及超低损光纤四百公里级的安全成码，相较于之前的原始 MDI 实验，成码率有明显提升，并且在三百公里和四百公里距离上较之前实验成码率提升了 3 个数量级。

“异步匹配” 技术应用于量子通信，可大大提高了密钥率，且集中了 “双场” 协议与 “测量设备无关” 协议的优势，以更简单的量子通信架构，实现了尽可能长的量子通信距离。使用异步配对符合的策略改进了测量设备无关（MDI）量子密钥分发方案，
使之既具有双场协议打破成码率 - 传输损耗限制关系的特点，又具有结构简化的优点。在成码率方面成功实现 57kbps@201km、
5kbps@306km、590bps@413km、42.64bps@50km
用量子真空态生成随机数通常在速度上存在限制。因此，研究人员通过利用粒子和反粒子对的行为来创建量子随机数发生器，发现其速度比传统系统快 200 倍，在实验中达到了每秒 100 Gbit 的生成速率，将基于真空的量子随机数产生速度记录提高了一个数量级。
利用粒子和反粒子提高量子随机数产生速率产生速率利用雪崩光电二极管电子隧穿效应实现的离散型 QRNG 在常温常压下能以 100 Mbps 的速率输出原始随机序列，8,000,000 bits 统计最小熵达到 0.9944 bits/bit，NIST SP 800-90B 认证最小熵达到 0.9872 bits/bit。使得实现长时间连续输出无任何后处理的高随机性随机数的量子随机数发生器成为可能。
此外，此次研究的 QRNG 输出的原始数据在长时间连续稳定保持高随机性方面也获得进展，系统 11,744 s 连续输出 1,174 Gbits 原始数据，以每 8 Mbits 作为基本单元得到统计最小熵分布，
其平均值为 0.9892 bits/bit。
提高原始随机序列输出速率实现高随机性的量子随机数发生器随机性中国科学家通过将量子非局域性、量子安全算法和零知识证明三个领域相结合，首次实现了一套以器件无关量子随机数发生器作为熵源，以后量子密码作为身份认证的随机数信标公共服务，
将其应用到零知识证明（ZKP）领域中，消除了非交互式零知识证明（NIZKP）中实现真随机数的困难所带来的安全隐患，提高了 NIZKP 的安全性。结合量子非局域性、量子安全算法和零知识证明提高非交互式零知识证明安全性安全性 PQC 算法领域当前主要关注于对算法的安全性评估，包括抗量子攻击、数学问题的难度、侧信道攻击抵抗等多方面。因此，多方主要在 NIST 标准框架下对不同的 PQC 算法进行评估，以确保 PQC 算法在商业应用中能够有效抵御量子计算的威胁。
Kyber 密钥封装机制（KEM）是已被 NIST 提名的用来保护网络免受未来量子计算机攻击的加密标准。然而，KEM 却在 2023 年接连爆出安全漏洞。12 月，网络安全公司 Cryspen 的研究人员解释了此算法的两个漏洞，分别为 KyberSlash 1 和 KyberSlash 2，均属于基于时间的攻击。攻击者可以通过观察 Kyber 在解封装过程中执行的特定除法操作的时间，推断每次尝试的时间，并进行逆向工程破解。这种攻击方式属于侧信道攻击的一种可用于破坏任何类型的加密，包括经典算法和 PQC 算法。
2023 年年初，瑞典皇家理工学院仅利用神经网络变破解了 NIST 提名的 Crystals-Kyber 算法，这是 PQC 算法第四次被破解。
目前，公众对 PQC 算法的安全性问题逐渐从理论层面的数学漏洞拓展到了更加实际的考虑，即算法在真实世界中受到的潜在攻击。实际攻击的出现强调了在部署 PQC 算法时，及时检查并修复潜在漏洞的重要性，促使 PQC 算法的不断改进和演进，以提高真实应用场景中的安全性。

PQC 主要进展#

03 新的神经网络训练方法 “递归学习”（Recursive Learning） 可以通过周期性循环旋转信息，实现对 NIST 公布的四种 PQC 算法中 Crystals-Kyber 算法的最高 5 阶掩码的侧信道攻击，以高于 99%
的概率从中恢复了信息位（message bit）。这一发现表明使用神经网络即可破解 NIST 的 PQC 算法，突显了 PQC 算法安全性评估利用多路复用量子存储器实现长距离量子隐形传态量子隐形传态（QT）是量子网络的一项基本功能，允许在不直接交换量子信息的情况下传输量子比特。此次实验展示了远距离进行量子传输的方法，从波长为通信波段的光子比特到存储在固态量子存储中的物质量子比特，多路复用量子存储器实现从光子到固态量子比特的量子隐形传态的传输距离超过 1 公里。这一系统采用主动前馈方案，通过对从存储中检索的量子比特进行条件相移，满足了协议要求。其独特之处在于采用了时分复用的方法，不仅提高了传输速率，而且直接与已部署的电信网络兼容。
这些关键特征使得这一技术在长距离量子通信的发展中具有潜在的可扩展性和实际实施的可能性。
效 率 通过无噪声线性放大实现高保真度连续可变的量子隐形传态为了克服连续可变量子隐形传态在保真度和传输距离上存在的限制，通过无噪声线性放大来克服这些限制的预测量子传输器，
使用适度量子纠缠的相干态传输的高保真度达到了 92%。我们的传输器原则上允许几乎完全消除由于在不完美的量子通道中传输的输入态而引起的损失。此外，还进一步演示了位移热态的纯化，
这是传统确定性放大或传输方法无法实现的。高保真度的相干态传输与对热化输入态的纯化相结合，使得量子态能够在相当长的距离上进行传输。此次实验克服了通往高效连续变量量子传输的长期障碍，同时为将传输应用于从热噪声中纯化量子系统提供了新的启示。
、Quantinuum 因其在量子计算领域取得的瞩目成就往往被视为专注于量子计算的公司。然而，这些公司当前研发和业务布局已不局限于量子计算领域，已发布量子通信与安全领域的发展路线图或者推出了相关产品和解决方案。
IBM 于 5 月发布了量子安全路线图，该路线图包括组织 / 公司可以采取实施的量子通信与安全步骤。同时，IBM 还发布了一套端到端的解决方案 IBM Quantum Safe 以支持量子安全路线的实施。IBM Quantum Safe 包含 IBM Quantum Safe Explorer、IBM Quantum Safe Advisor 及 IBM Quantum Safe Remediator。此技术由三个关键操作组成：发现（确定加密使用情况，分析依赖关系，并生成加密物料清单）、观察（分析漏洞的加密态势，并根据风险确定补救措施的优先级）、变换（通过加密敏捷性和内置自动化进行修复和缓解）。IBM 在 2022 年就表示，将在 2025 年推出名为 “Kookaburra” 的量子处理器。Kookaburra 是一个具有量子通信链路的 1386 量子比特多芯片处理器。IBM 将三个 Kookaburra 芯片连接成一个通过量子通信连接的 4158 量子比特系统。
Quantinuum 推出 Quantum Origin Onboard 是一个能够提供量子计算强化密钥增强的商用企业软件解决方案。它可以直接安装在设备上，并用于提供基础级保护，无需额外的硬件升级即可直接集成到连接的设备中。这种独特的方法确保了任何环境中的设备，无论是在线还是离线，都可以生成量子计算强化密钥，
以不断最大限度地提高保护设备的加密措施的强度。
美国量子计算公司 QCI 在 4 月开始拓展其商业产品线，推出可重新编程和不可重复的 QRNG。
关键基础设施的安全保障对于提升网络防御能力，确保数据和系统的安全尤为重要。例如，Honeywell 利用 Quantinuum 的 Quantum Origin 技术，通过量子计算增强的随机性生成密钥，
使其真正不可预测，保护智能电表用户数据和关键基础设施免受高级网络安全威胁，帮助正在数字化转型中的公用事业部门提高可靠性和信任度。
中国国网武汉供电公司在武汉经开区供电环网内的配电自动化终端实现了量子加密通信 —— 这是湖北首例电网量子加密技术的成功应用。新安装的量子加密通信线路，配电箱里添置了一个量子加密通信模块，加装在每个配电设备上，通过与电网通信链路连通实现量子加密通信。
企业开展合作推动关键基础设施实现量子加密由美国宽带服务提供商 EPB 联合量子公司 Qubitekk 和 Aliro Quantum 推出的 EPB Quantum Network 已向顾客开放。EPB Quantum Network 是美国首个可配置商用量子网络的，专为量子技术公司和研究人员而设计，为量子开发人员消除商业化的障碍。
EPB Quantum Network 是一种量子即服务产品，为量子技术人员提供光纤基础设施和软件，以加快将量子技术和应用推向市场的进程。客户可以使用最新的基础量子设备通过 EPB Quantum Network 的专用光缆生成、分发和测量量子位。现已向客户开放，允许用户为他们需要的一系列网络配置指定参数，
可以使用由 Aliro Quantum 设计和制造的 AliroNet TM 来构建、测试、验证、表征和运行其产品，进行控制和配置。

美国基于实时、端到端量子弹性加密通信卫星太空链路进行卫星数据传输。此卫星链路由 QuSecure 与埃森哲合作完成，使用 PQC 保护的多轨道数据通信，从地球到低地球轨道卫星的加密量子弹性通道，同时可以通过切换到地球同步卫星，并再次传回地球，以模拟在单个轨道中卫星受到威胁故障或遭受攻击时的冗余备份方案。整个传输使用传统网络安全和 QuSecure 的 QuProtectTM 平台的量子弹性网络安全进行保护。
欧盟委员会与 27 个欧盟成员国和欧洲航天局（ESA）合作，
共同设计、开发和部署欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）项目。
EuroQCI 项目由两部分组成，第一是连接国家和跨境战略站点的光纤通信网络的地面部分，第二个是基于卫星的空间部分。
EuroQCI 于 2019 年发布 EuroQCI 宣言，最初由七个成员国签署，
随着 2021 年 7 月爱尔兰完成签署 EuroQCI，所有 27 个欧盟国均已加入 EuroQCI。EuroQCI 计划在整个欧盟及其海外领土部署量子通信基础设施，到 2027 年投入使用。此项目由协调组织方 PETRUS 进行协作支持，PETRUS 成员单位包括 DT（德国电信）、
Airbus（法国空客）、Thales（法国泰雷兹）和 AIT（奥地利理工学院）。
在地面建设部分，EuroQCI 的第一个实施阶段已于 2023 年 1 月开始，预计持续 30 个月，将于 2025 年 6 月完成。目前，马耳他、
爱尔兰、西班牙、法国、丹麦、保加利亚等多个国家纷纷启动量子通信基础设施建设。
在太空领域，欧盟委员会目前正在与欧洲航天局（ESA）合作制定第一代 EuroQCI 卫星星座的规格。这颗卫星是由 ESA 和一个工业联盟在第一颗原型卫星 Eagle-1 的基础上开发的，预计于 2025 年底或 2026 年初发射。 2023 年 11 月，由欧洲卫星公司 SES 牵头负责开发量子安全天基 EAGLE-1 系统，并与 ESA 密切合作，
TNO 和 Airbus 加入为该任务设计和建造光学地面站。

多个量子通信公司相继提出 PQC 解决方案，定制并不断优化 PQC 解决方案，以满足不同行业和组织的特定需求。目前，
Google、Sandbox AQ、QuSecure、WISeKey、Xiphera 等公司均聚焦于 PQC 解决方案的研究，为企业及政府数据安全提供更高水平的保障。PQC 产品仍处于初期发展和探索阶段，多为企业研发与测试。同时 PQC 产品应用也具有一定的局限性，主要为端到端的安全加密。
在美国方面，开始引领 PQC 移动通信应用，准备向 PQC 迁移。
QuSecure 公司推出的 QuProtect 软件，可以利用量子安全加密技术保证数据传输的安全性。并且在 2023 年 7 月，QuProtect 软件可以通过亚马逊的品牌和生态系统平台进行分销工作。同月，美国电信公司沃达丰与 Sandbox AQ 合作，为智能手机测试基于量子安全的虚拟私人网络（VPN）。在该项目中，沃达丰利用新技术和定制的 Sandbox AQ 软件建立了首个量子安全 VPN，用于量子安全的互联网协议和分析，通过调整标准智能手机进行测试，
沃达丰及 Sandbox AQ 在现实电信场景中评估最新的 NIST 标准。
此外，Chrome 在其最新版本（版本 116）中推出了一个量子混合密钥协商机制，该浏览器版本添加了抗量子攻击的 X25519Kyber768 算法。所使用的两个算法分别是 X25519（已经在使用中的椭圆曲线算法）和 Kyber-768。从组织安全的角度来看，谷歌的举措代表了用户首次有机会在 HTTPS 网页上使用 PQC。
英国也同步采用 PQC 算法，启动量子安全 VPN。11 月，
LTIMindtree 公司在伦敦启动了量子安全虚拟专用网（VPN）链接。
该量子安全 VPN 由 LTIMindtree、Quantum Xchange、Fortinet 合作实现，使用基于量子的密钥生成和带外密钥传输，并由 PQC 算法提供安全保护，以增强加密数据的安全性和完整性。
瑞士 WISeKey 的子公司 SEALSQ 在 2023 年 6 月开发了基于人工智能的 PQC 量子解决方案，利用 NIST 公布的 Kyber 和 Dilithium CRYSTAL 算法保证通信安全，创建了第一个抗量子 USB 演示器。

PQC 与 QKD 的发展呈现并驾齐驱
之势
量子通信与安全领域的两大关键技术 —— 量
子密钥分发 （QKD） 和后量子密码学 （
PQC） —— 正展现出协同发展的态势 。 近年来 ，尽管 QKD 起初获得更多关注 ， 但 PQC 的关注度在 2022 和 2023 年迅速增长 ， 使得两者在投融资 、 政策支持 、 研究热度和商业潜力等方面呈现出并驾齐驱的发展趋势 。QKD 技术的全球布局正在扩大 ， 超过 30 个国家正在建设相关基础设施 。 同时 ， QKD 等技术的基础研究继续是未来发展的重点 ， 以提高系统安全与效率 ， 并解决实际应用中的挑战 ， 如光子损耗和噪声干扰 。
PQC 技术正迈向成长期 ， 受益于标准化和政
策支持 ， 其商业化和应用探索在即 。 PQC 技术正在迭代升级 ， 以满足不同应用场景的需求 。 同时 ，PQC 商业化和迁移计划正在启动 ， 企业和组织正积极探索将现有加密算法迁移至 PQC 体系 ， 以评估其商业潜力和成本效益 。 政府机构的参与和 NIST 的标准化文件为 PQC 的迁移提供了指导 ， 推动了相关解决方案的发展 ， 以增强通信和数据安
全 ， 防范算法破解风险 。
产业生态建设不断完善全球量子政策的支持推动着量子通信与安全领域将持续向好发展 。 在国家政策层面 ， 2023 年
见证了多个国家首次或更新发布国家量子战略 ，为量子通信的长期发展注入动力 。 此外 ， 多国政府在科研层面提供资金支持 。
尽管存在一定的阻碍 ， 但量子通信与安全领
域的跨国合作在增加 。 多国签署在量子科学与技术方面的合作备忘录以及一些国家合作以加强在 PQC 迁移方面的突破 。
量子通信领域的公司与量子计算 、 量子精密
测量领域的公司常常相互合作 ， 发现新机遇 。
2023 年 ， 这种跨领域合作趋势愈发明显 ， 表现为量子计算与量子通信的紧密结合 。 预计未来跨学科合作将更加普遍 ， 推动量子生态系统的完善 ，增强量子通信的安全性 。
下游应用场景逐渐增多量子安全需求推动了 QRNG 技术在多个领域的应用 ， 特别是在提升汽车 、 移动设备和物联网的安全性能方面 。 同时 ， QKD 技术在金融 、 政务和国防等行业的应用正不断拓展 ， 显示出量子通信基础设施的广泛潜力 。 此外 ， 通信领域的企业正在开发利用 PQC 技术的加密解决方案 ， 全球范围内的政府和军事机构也越来越重视与私营部门的合作 ， 以加速获取先进的量子安全技术 ， 从而确保通信和数据传输的安全 。

微软打破了自己 2 个月前创下的世界纪录。11 月 19 日，在 Microsoft lgnite 2024 大会上，微软与中性原子量子计算公司 Atom Computing 推出了一款具有 24 个逻辑量子比特的商用量子机器，打破了最高纠缠逻辑量子比特数量的记录 -- 历时 2 个月，数量是微软 9 月在 Quantinuum 的硬件上所创记录的 2 倍。此外，他们还展示了在 28 个逻辑量子比特上检测和纠错以及执行计算的能力。据悉，全面的量子计算机套件将于 2025 年交付，该计算机将可用于本地安装，也可在 Azure 量子云服务上访问。

https://quantumcomputer.ac.cn/index.html

量子编程入门

https://quantum-book-by-originq.readthedocs.io/en/latest/index.html

量子算法的实现的话，在 GitHub 下面也能找到他们的量子计算。
https://github.com/HuntFeng/Quantum-Computing
欢迎关注 Finquantum，
一个专注于学习、分享量子计算相关知识的组织。
我们的网址：https://finq.tech/
我们的 LinkedIn：https://www.linkedin.com/company/finq-tech#

变分量子本征值求解（VQE）
参考资料：
https://doi.org/10.1038/ncomms5213

量子计算机 Q 语言学习

Qiskit 学习资源：https://qiskit.org/learn

首个尝试在量子函数式编程中实现不可克隆原理的语言。GitHub 地址：
https://github.com/Quantumzhao/Quantum-Abstract-Language

架构全览：进入量子计算机的世界！#

[doge][doge] 量子计算机是基于量子机器的计算机，核心是 qbit 的厄米变换，通过对向量空间的变换实现计算。[doge][doge] 现在的量子计算机具有很强的并行性，主要可以实现大量的质因数分解。[doge][doge] 可以吧

这个课程帮助你打造关于量子计算的坚实基础，包含从基础知识到对量子计算工作原理的理解。量子计算利用量子力学原理以惊人的速度处理信息。

视频油管链接：https://www.youtube.com/watch?v=tsbCSkvHhMo 作者：quantum-soar

问题集：https://drive.google.com/drive/folders/1A-RHTQFRY_pipVfItQBxMU-xEexRESQj

免费编程课程：https://www.freecodecamp.org/chinese/learn
在专栏阅读技术文章：https://www.freecodecamp.org/chinese/news
在论坛获得帮助：https://forum.freecodecamp.org/c/chinese/533

【参考资料】
IBM 量子十年
https://www.ibm.com/thought-leadership/institute-business-value/en-us/report/quantum-decade
120 个科学未解的前沿问题
https://www.edu.cn/rd/kexuetansuo/zui_xin_dong_tai/202104/t20210412_2095259.shtml
rigitt 2023 q2 季报
https://investors.rigetti.com/node/8756/pdf
ionq 2023 2 季报
https://ionq.com/news/ionq-announces-second-quarter-2023-financial-results
d waves 2023 2 季报
https://www.dwavesys.com/company/newsroom/press-release/d-wave-reports-second-quarter-results/
The IBM Quantum Development Roadmap
https://www.ibm.com/quantum/roadmap
Research publications
https://quantumai.google/research/publications
IBM Publications
https://research.ibm.com/publications
IBM blog
https://research.ibm.com/blog