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量子計算產業透視#

2021 年，是量子計算界備受矚目的一年。量子比特數量實現較大規模增長的同時，各量子計算硬體技術均有所發展；越來越多的機構開始研發上層軟體和算法，並有越來越多的算法在小規模實際問題上得到實驗。
量子計算機能夠解決問題的規模在很大程度上取決於量子比特的數量。2021 年以來，主要研究團隊都實現了突破，中性原子公司 ColdQuanta 和 AtomComputing 推出了 100 + 量子比特量子計算機，哈佛 - MIT 開發了 256 量子比特基於中性原子的量子模擬器。
超導方面，中國科大的 66 量子比特 “祖沖之號” 實現量子計算優越性，計算複雜度比谷歌 “懸鈴木” 提高了 6 個數量級；Rigetti 則提出了模組化的量子處理器架構，預計在幾個月內推出 80 量子比特處理器；IBM 推出了 127 個量子比特的處理器 Eagle。
離子阱方面，IonQ 提出可重構多核量子架構，已擴展到 64 量子比特。光量子方面，傳統上光量子計算的缺點是難以編程，但是越來越多的研究表明，光量子計算同樣可以編程，例如 Xanadu 公司和國防科技大學都展示了可編程光量子計算芯片，此外，研究人員透露，“九章” 未來也將可編程。

一、量子計算發展概述
從主流量子計算公司的技術路線圖來看，2021-2022 年左右將突破 100 量子比特，3 年內突破 1000 量子比特，到這個十年結束（2030 年）實現 100 萬量子比特。
表 1 主流量子計算公司路線圖

量子計算機是否有用的另一個維度是量子比特的質量，主要指標包括：相干時間（決定量子態可以保持多久）、量子比特之間的連接程度、門保真度等。
在相干時間方面：2021 年中國清華大學金奇奐研究組在離子阱系統上刷新了單量子比特相干時間記錄（5500 秒）。
在量子比特之間的連接程度方面：離子阱系統可以實現全連接，但量子比特數量較少，超導量子計算機，例如祖沖之號和懸鈴木，單個量子比特只與周圍 4 個量子比特相連，如果能夠提高連接性，那麼可解決問題的規模將呈指數級增長，日本 RIKEN 則首次實現了三個半導體（矽自旋）量子比特的糾纏。
在門保真度方面：目前最先進的量子計算系統的 2 量子比特門（糾纏門）保真度都在 99% 以上，目前最高記錄是澳大利亞矽量子計算公司通過半導體技術實現的 99.99%，但他們僅僅開發了 2 個量子比特。
當前任何一種技術路線都無法同時在所有指標上領先，不同技術路線都各有優缺點。目前還不斷有研究團隊在製造新的量子比特。在測量和控制方面：2021 年也取得了突破。2021 年以蘇黎世儀器為代表的一些廠商發布了可以測控 100 + 量子比特的測控系統。最大的突破則是澳大利亞新南威爾士大學提出了可以控制數百萬個矽自旋量子比特的技術，為未來百萬量子比特處理器的出現打下了堅實基礎。量子計算快速發展的同時，也不能忽視經典計算的進步。2019 年 Google 宣稱超級計算機需要 1 萬年才能完成的計算，最近的研究表明，經典模擬已經達到了與 Google 量子計算機不相上下的速度。
2021 年該領域的主題可以定為經典模擬與量子計算之爭，而且這場競爭將一直持續下去，經典計算的巨大進步迫使量子計算也加快了發展腳步。

二、量子計算產業鏈

量子計算行業目前處於早期探索階段，核心參與者不多，產業鏈上下游較為清晰，目前國外科技巨頭如 IBM、谷歌、亞馬遜、微軟、英特爾、霍尼韋爾等處於行業領先地位，IonQ、Rigetti、PsiQuantum 等量子計算新貴已獲得數億美元的風險投資，實力同樣雄厚；國內科技巨頭阿里巴巴、百度、騰訊、華為等也在跟進，但國內領先的量子計算公司主要是以本源量子、國盾量子等為代表的依托高校的公司。總體上，國內外量子計算產業鏈已經初具雛形。

產業鏈來看，量子計算設備供應商主要以國際公司為主，特別是稀釋制冷機和低溫同軸線纜。但在其他領域，中國企業已經佔有一席之地，特別是測控系統，中微達信、國盾量子和本源量子與國外廠商並沒有差距，甚至可以達到更高水平。
另外，衰減器、濾波器等低溫組件，本源量子也取得了一定突破。

芯片製造方面，目前量子芯片的製造過程主要是在實驗室完成的，但有一些領先的量子計算團隊已經在工廠製造量子芯片，例如，谷歌 “懸鈴木” 量子芯片，就是在加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）的一家工廠製造的。

2022 年 1 月，本源量子自主建設的兩大實驗室 —— 量子芯片製造封裝實驗室和量子計算組裝測試實驗室正式啟用，這也是繼 2021 年本源 - 晶合量子芯片聯合實驗室後建成的國內第二個工程化量子芯片實驗室。

產業鏈中的量子計算公司主要集中於硬體和軟體研發，目前領先的硬體團隊主要是科技巨頭和有實力的研究機構（如中科大），但中國的科技巨頭佈局量子計算較晚，初創公司如本源量子、國盾量子、啟科量子、圖靈量子是行業的中堅力量。軟體方面，國際上已經有 100 多家量子軟體公司，但中國的量子軟體公司較少。

三、量子計算應用場景#

量子計算機過大的體積、極其嚴苛的運行環境和數千萬美元的價格，使得當前量子計算的應用主要通過雲平台範圍量子硬體，量子計算與經典計算也不是取代和被取代的關係，而是在對算力要求極高的特定場景中發揮其高速並行計算的獨特優勢。
對於量子計算機將能夠解決的所有問題，目前還沒有達成共識，但研究主要集中在以下類型的計算問題上：

 模擬：模擬自然界中發生的過程，很難或不可能用當今的經典計算機來描述和理解。這在藥物發現、電池設計、流體動力學以及衍生品和期權定價方面具有巨大潛力。

 優化：使用量子算法來確定一組可行選項中的最優解。可能適用於幹線物流和投資組合風險管理。

 機器學習：識別數據中的模式以訓練機器學習算法。這可以加速人工智能的發展（例如用於自動駕駛汽車）以及防止欺詐和洗錢。

 密碼：打破傳統加密和支持更強的加密標準。

從行業上來說，量子計算的潛在應用主要包括供應鏈、金融、交通、物流、製藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等領域。
製藥、化工、新材料：量子計算可模擬分子特性，有望通過計算機數字形式直接幫助研究人員獲得大型分子性狀，縮短理論驗證時間，極大地推動製藥行業藥品研發和開發新型材料。

金融：量子計算非常適合複雜的金融建模，在投資組合定價、衍生品定價等方面具有潛在優勢。據不完全統計，全球已有超過 25 家國際大型銀行及金融機構與量子計算企業展開合作研究。交通、物流、

供應鏈：這三個領域均涉及量子計算優化，利用量子計算優化供應鏈、交通（包括飛機、火車、汽車等）路線和物流，從而降低成本。

航空：量子計算有助於解決航空行業面臨的一些最嚴峻的挑戰，從基礎材料科學研究、機器學習優化到複雜的系統優化，而且有可能改變飛機的製造和飛行方式。
能源：量子計算有可能應用於模擬碳氫化合物井中各種類型黏土的化學成分和累積 —— 這是高效碳氫化合物生產的關鍵因素；分析和管理風電場的流體動力學；優化自主機器人設施檢查；並幫助創造前所未有的機會，提供世界想要和需要的清潔能源。

2021 年 2 月，英國 BP 公司與 IBM Quantum 展開合作，探索提高能源利用效率和減少碳排放。

• 汽車：近年來各大汽車廠商加快推進電動化戰略。推進電動化戰略過程中，量子計算將發揮其在化學模擬的優勢，多家汽車廠商正致力於利用量子計算技術來研發性能更好的電池。

• 氣象：量子計算可以有效和快速處理包含多個變量的大量數據，而且，並行計算和不斷優化的算法，可促進對氣象條件的跟蹤和預測，有助於提高天氣預報的準確性。此外，量子計算機還可通過機器學習來識別和理解不同的天氣模式。

量子計算機 —— 齊頭並進現量子計算的物理平台需要有編碼量子比特的物理載體，使不同量子比特之間可以可控的耦合，並對噪聲環境影響有一定的抵抗力。

2021 年，超導體系發展迅速，量子比特的規模不斷刷新，而離子阱、光量子、矽自旋、中性原子等技術路線同樣發展強勁，其他技術路線如金剛石 NV 色心也取得了一定的進展。

• 拓撲方案雖然因為 “發現馬約拉納粒子”（拓撲量子計算實現的基石）的文章被撤回而遭遇重挫，但研究人員仍然堅信這種不需要糾錯的方案可以實現。總之，量子計算物理實現方案的發展遠遠沒有收斂。除了基於門的量子計算機，近年來出現的相干伊辛機（CIM）方案也表現不俗，2021 年，日本 NTT 通過 CIM 方案實現了 10 萬量子比特，雖然無法與基於門的量子計算機直接比較，但這也是一個不小的里程碑。值得一提的是，2021 年量子退火先驅 D-Wave 宣佈將開發基於門的量子計算機，從某種程度上表明量子退火機的前景可能有限。

注：評分採用 5 分制，1 為最差，5 為最優，○代表 1 分，●代表 5 分。
綠色箭頭表示商業化發展情況較其他路線較好，黃色和紅色依次次之。

一、超導 —— 最受關注#

• 超導量子計算是目前國際上發展相對迅速的一種固態量子計算的實現方法。

• 超導效應作為一種宏觀量子效應，為量子態相干操控提供了無損耗環境。超導量子電路的能級可以通過外加電磁場進行干預，電路更容易實現定制化開發。

• 由於集成電路工藝已經比較成熟，超導量子電路的可擴展性優勢將會更加明顯。目前，

基於超導量子電路的量子計算技術已經在退相干時間、量子態操控和讀取、量子比特間可控耦合、中大規模擴展等關鍵技術上取得大量突破，成為構建通用量子計算機和量子模擬機最有前途的候選技術路線之一。

• 2021 年，中國在超導量子研究中取得重要進展。
• 2021 年 1 月，南方科技大學在基於超導量子線路系統中，利用可調耦合器實現高保真度、高擴展性的兩比特量子門方案。在實驗中實現了快速（30ns）高保真度（0.995）的兩比特量子門操作。相比於之前的兩比特量子門，該方案魯棒性更高、需要的控制線更少、串擾影響更小、系統校準流程更簡化。 2 月，本源量子上線國產工程化超導量子計算機本源悟源 2 號。
• 5 月，中國科大中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，成功研製了 62 比特可編程超導量子計算原型機 “祖沖之號”，並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走；
• 6 月，潘建偉團隊再次將可編程超導量子計算原型機 “祖沖之號” 升級，構建了 66 比特可編程超導量子計算原型機 “祖沖之二號”，實現對 56 量子比特 20 層循環 “量子隨機電路採樣” 任務的快速求解。在計算複雜度上，比谷歌的 “懸鈴木” 量子計算機高出 3 個數量級。
• 9 月，中國科大郭光灿院士團隊郭國平教授研究組與本源量子合作，在本源 “夸父” 6 比特超導量子芯片上研究了串擾對量子比特狀態讀取的影響，並創新性地提出使用淺層神經網絡來識別和讀取量子比特的狀態信息，從而幅度抑制了串擾的影響，進一步提高了多比特讀取保真度。
• 8 月，清華大學交叉信息研究院段路明研究組利用可調耦合的多量子比特系統首次實驗研究了環境比特對於交叉共振邏輯門（Cross-resonance, CR）的影響並提出了在大規模超導量子體系中，環境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門操作保真度的解決方案。
• 10 月，潘建偉團隊又實現了 60 量子比特 24 層循環量子隨機電路採樣，計算複雜度比 “懸鈴木” 高出 6 個數量級。
• 10 月，潘建偉團隊使用變分量子本徵求解器（VQE）模擬約瑟夫森結陣列量子電路，從而發現了一種新型高性能量子比特 plasonium。
• 10 月，騰訊量子實驗室實現一種快速、高保真、易擴展的超導量子比特初始化方案，與業內已有工作相比，該初始化方法具有速度快、保真度高、對周圍比特影響小、擴展性強的優勢。
• 9 月 12 號，浙江大學發布了兩款超導量子芯片。“莫干 1 號” 是一款專用量子芯片，採用全連通架構，適用於實現針對特定問題的量子模擬和量子態的精確調控。另一款芯片 “天目 1 號” 面向通用量子計算，採用較易擴展的近鄰連通架構，芯片集成 36 個具備更長比特壽命的超導量子比特（退相干時間約 50 微秒），實現高保真度的通用量子門（受控相位門，精度優於 98%）。
• 國際方面，2021 年 4 月，美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家使用光纖代替金屬電線來測量和控制了超導量子比特，有利於實現量子計算機的可擴展性。112021 年 9 月，日本情報通信研究機構（NICT）開發出了一種全氮化物超導量子比特，它的超導轉變溫度為 16K（-257℃），比其他超導量子比特結構所需的溫度高 15 度。
• 12，2021 年 11 月，哥倫比亞大學工程學院 James Hone 教授的實驗室展示了一種由 2D 材料製成的超導量子比特電容器，其尺寸比傳統法生產的芯片小 1000 倍。
• 13 年 11 月，IBM 發布目前最高量子比特數的超導量子計算芯片 ——127 量子比特處理器 Eagle。
• 142021 年 12 月，Rigetti Computing 推出其下一代 80 量子比特 Aspen-M 量子處理器，利用其多芯片專利技術，由兩個 40 量子比特芯片組裝而成。基於單芯片 40 量子比特處理器的新 Aspen 系統也同時發布。
• 15 年 12 月，芬蘭國家技術研究中心（VTT）和 IQM 公司推出該國首台 5 比特超導量子計算機 Micronova。16 年取得進展的同時，2021 年的幾項研究表明，超導量子計算機存在一些我們之前沒有發現的障礙。
• 2021 年 6 月，威斯康星大學麥迪遜分校提出，宇宙射線可能是導致超導量子比特出錯的原因之一。
• 2021 年 12 月，谷歌在其量子處理器上證明了宇宙射線確實會導致超導量子比特出錯。182021 年 8 月，費米國家加速器實驗室發現了納米氫化物會導致超導量子比特的相干時間縮短。19 年研究人員表示他們正在努力克服這些障礙。

二、離子阱 —— 量子體積#

離子阱，又稱離子囚禁，其技術原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子運動，並利用受限離子的基態和激發態組成的兩個能級作為量子比特，利用微波激光照射操縱量子態，通過連續泵浦光和態相關螢光實現量子比特的初始化和探測。

離子阱量子計算機具有量子比特品質高、相干時間較長、量子比特的製備和讀出效率較高等三大特點。當前，離子阱量子計算機在量子比特連接性和相干時間方面領先其他技術路線。但擴展性較差的問題是離子阱體系亟待解決的主要問題。

近年來，世界各地研究團隊一直在嘗試創建離子阱量子計算機，被捕獲的離子充當糾纏的量子比特，以執行高級計算，這類計算機被證明是用於實際應用的量子計算最有希望的系統之一。

2021 年離子阱量子計算機實現了新的里程碑。2021 年 1 月，清華大學交叉信息院金奇奐研究組在離子阱系統中首次將單量子比特相干時間提升至 1 小時以上，即 5500 秒

• 202021 年 6 月，因斯布魯克大學實驗物理系的研究人員成功演示了緊湊型離子阱量子計算機。

• 212021 年 8 月，離子阱量子計算公司 IonQ 首次推出可重構多核量子架構 (RMQA)，IonQ 稱，該架構可以每個芯片的量子比特數量擴展到數百個，而且不會隨著量子比特數量的增加而降低量子比特的穩定性和性能。

• 2021 年 9 月，中山大學物理與天文學院羅樂教授研究團隊，通過人工神經網絡技術與射頻微波 - 自發輻射光子關聯技術，實現了離子阱中量子比特微運動抑制的自動化處理，這是國際上首次把神經網絡技術應用於囚禁離子量子比特的微運動控制。232021 年 9 月，由美國國家標準與技術研究院（NIST）領導的研究團隊使用一種基於射頻磁場梯度與微波磁場相結合的方案，創下無激光方案雙量子比特門保真度的世界紀錄，達到 [0.9964, 0.9987]。該方案有可能在不增加控制信號功率或複雜性的情況下，對大規模離子阱量子處理器中的多對離子同時執行糾纏操作。

• 2021 年 10 月，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子信息處理領域取得重要進展，通過對優化選擇的少量離子進行激光冷卻，首次實現對長離子鏈的高效協同冷卻，獲得接近全局激光冷卻的極限溫度，
  為多離子比特量子計算準備了技術基礎。252021 年 10 月，馬里蘭大學聯合量子研究所 (JQI) 研究員 Christopher Monroe 及其團隊首次在實驗中通過多個錯誤率更高的物理量子比特實現了一個錯誤率更低的邏輯量子比特。他們使用 BaconShor-13 編碼的 9 個數據量子比特和 4 個輔助量子比特實現了一個邏輯量子比特。262021 年 12 月，霍尼韋爾團隊（現為 Quantinuum）首次實時檢測和糾正量子錯誤。研究人員使用 [[7, 1, 3]] 色碼（color code）。利用霍尼韋爾離子阱量子計算機中的 10 個物理量子比特，對單個邏輯量子比特進行編碼、控制和反復糾錯。272021 年最後一天，Quantinuum 再次帶來驚喜，宣布他們的霍尼韋爾 H1-2 量子計算系統測得 2048 量子體積，是所有技術路線中的最高數值。

三、光量子 —— 商業化元年開啟#

基於光子的量子計算有幾個獨特的特性。首先，光子的量子態在沒有真空或冷卻系統的情況下得以維持，因為它們與外部環境的相互作用極其微弱。光量子計算機可以在室溫的大氣環境中工作。其次，光子是量子通信的最佳信息載體，

因為它們以光速傳播，並為高數據傳輸容量提供大帶寬。因此，光量子計算機與量子通信完全兼容。光子的大帶寬也在光量子計算機中提供了高速（高時鐘頻率） 操作。光子的這些特性同時也給量子計算帶來了內在的困難。由於光子之間不相互作用，因此很難實現需要光子之間相互作用的兩量子比特糾纏門。此外，由於光子以光速傳播，並且不停留在同一位置，因此必須沿著光子的光路佈置許多光學組件，導致效率不高。目前，光量子計算機的研究主要集中於克服這些困難。

2021 年光量子相關研究成果豐碩，堪稱光量子計算機商業化元年。

• 2021 年 1 月，愛沙尼亞塔爾圖大學物理研究所的科學家找到一種開發新型光學量子計算機的方法，研究表明具有某些特徵並可以充當量子比特的稀土離子，與早期的解決方案相比，可以給量子計算機帶來超快的計算速度和更好的可靠性。

• 2021 年 2 月，國防科技大學和其他團隊合作研製新型可編程光量子計算芯片，這一芯片首次實現了對量子漫步演化時間、哈密頓量、粒子全同性、粒子交換特性等要素的完全編程調控，從而支持實現多種基於量子漫步模型的量子算法應用。

• 2021 年 3 月，加拿大光量子計算公司 Xanadu 推出 X8 光量子處理器。這是一款可編程、可擴展、可執行多種算法的光量子芯片。它可集成到現有的基於光纖的電信基礎架構中，更容易實現擴展，也可以有效降低運營成本。

• 2021 年 5 月，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心極端光學創新研究團隊與合作者研製出可惠勒延遲選擇測量裝置的多路徑馬赫曾德爾干涉儀。該芯片單片集成 350 多個光子元器件和近 100 個可調相移器，是目前規模最大的光量子芯片之一。

• 2021 年 7 月，丹麥科技大學的研究人員實現了光量子計算機的完整平台。該平台具有通用性和可擴展性，所有操作都在室溫下進行，並且與標準光纖網絡直接兼容。

• 2021 年 7 月，上海交通大學金賢敏團隊提出了首個基於光子集成芯片的物理系統可擴展的專用光量子計算方案，並首次在實驗中實現了 “快速到達” 問題的量子加速算法。332021 年 8 月，弗吉尼亞大學電氣和計算機工程系助理教授 Xu Yi 領導的研究團隊用基於光學微諧振器的頻率梳在一個硬幣大小的芯片上成功實現了 40 量子模式（qumode），是目前集成光學平台實現的最大模式數。342021 年 10 月，中國科大潘建偉、陸朝陽等在量子計算原型機 “九章” 基礎上成功研製出 “九章二號”。新的原型機從之前的 76 個光子增加到了 113 個光子，處理特定問題的速度比超級計算機快億億億倍。

• 2021 年 12 月，光量子計算公司 ORCA Computing 實現了一種被稱為 “變分玻色求解器” 的光量子計算平台，可用於解決二次無約束二進制優化（QUBO）問題。

四、中性原子 —— 美國領先基於#

中性原子的量子計算，一般在超高真空腔中利用遠失諧光偶極阱陣列或光晶格從磁光阱或玻色愛因斯坦凝聚體（BEC）中捕獲並囚禁超冷的原子形成單原子陣列，然後將原子基態超精細能級的兩個磁子能級編碼為一個量子比特的 0 態和 1 態。高數值孔徑透鏡將原子比特操控所需的拉曼光、里德堡激發光、態製備光等聚焦到單個原子上，形成對陣列中量子比特的操控。同時透鏡也收集原子的螢光並傳輸到電子倍增型相機（EMCCD）上實現量子態的探測。

• 根據收集到的信息和實驗的需要，通過傳統計算機上的數據採集和時序產生系統，實時控制原子的冷卻、轉移以及相應的磁場、电場和光場來完成量子算法的執行。在進行量子計算時，中性原子體系將根據不同的量子算法，採用優化後所需邏輯操作數最少的原子陣列構型，執行一系列高保真的單比特門和兩比特受控非門。

中性原子體系在 2021 年保持強勁的發展勢頭。

• 2021 年 7 月，量子初創公司 ColdQuanta 基於冷原子技術推出 100 + 量子比特處理器 Hilbert，在冷原子技術中使用了排列在二維 11×11 網格中的銫原子。

• 2021 年 7 月，另一家量子計算初創公司 Atom Computing 推出其第一代量子計算系統 Phoenix，該系統使用由鍶原子組成的核自旋量子比特，能夠用光夾在真空室中捕獲 100 個原子（每個原子代表一個量子比特），具有較強的穩定性。382021 年 7 月，哈佛 - 麻省理工學院超冷原子中心領導的一個研究團隊開發了基於中性原子可編程量子模擬器，能夠操作 256 個量子比特。研究人員使用該機器觀察到了幾種以前從未在實驗上實現過的奇異物質量子態，並進行了精確的量子相變研究。

五、半導體量子點 / 矽自旋 —— 值得期待量子點#

（quantum dot）是把激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構。它是一種重要的低維半導體材料，其三個維度上的尺寸都不大於其對應的半導體材料的激子玻爾半徑的兩倍。矽量子點，是量子點實例中的一部分。通過向純矽中加入電子，科學家們造出矽量子點這種人造原子，運用微波控制電子的量子態。

矽的優勢在於，可以利用傳統的微電子工業幾十年來積累的大規模集成電路製造經驗。矽量子比特比超導量子比特更加穩定、且相干時間更長，但量子糾纏數量較少，需要保持低溫。半導體量子計算是當前國際上熱門、主流的研究方向。

• 2021 年 4 月，本源量子聯合中國科大郭光灿院士團隊郭國平、李海歐等人發現了自旋量子比特操控的各向異性：通過改變外加磁場與矽片晶向的相對方向，可以將自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可尋址性進行同時優化。

• 2021 年 5 月，本源量子聯合郭光灿院士團隊郭國平、曹剛等人利用微波超導諧振腔實現對半導體雙量子點激發能譜的高靈敏測量，為將來實現半導體量子比特的高保真讀出提供了一種有效方法。

• 2021 年 5 月，美國 / 愛爾蘭的矽基量子計算公司 Equal1 Laboratories 通過商用矽工藝將量子比特與所有支持控制和讀出的電子器件集成在同一集成電路上。2021 年 6 月，日本理化學研究所 (RIKEN) 的一個研究小組將可糾纏的矽基自旋量子比特數量從 2 個增加到 3 個，產生的三量子比特態的保真度高達 88%，並且處於一種可用於糾錯的糾纏態。

2021 年 10 月，哥本哈根大學 Assoc 研究團隊實現在單個量子芯片上同時操作多個自旋量子比特。今年 1 月，中國科大郭光灿院士團隊和本源量子、美國、澳大利亞的研究人員共同合作，實現了矽基自旋量子比特的超快操控，這也是目前為止國際上已報導的最高值。

六、拓撲量子計算 —— 仍有不確定拓撲#

量子計算是利用拓撲材料中具有非阿貝爾統計的準粒子構築量子比特、執行量子計算的研究方案。由於材料的拓撲穩定性，拓撲量子計算利用多體系統中的拓撲量子態來存儲和操控量子信息，具有內在的容錯能力，有望解決量子比特退相干與容錯量子計算的關鍵問題，是量子計算的前沿研究領域。雖然微軟主動撤回了關於發現馬約拉納費米子的論文，但 2021 年拓撲量子計算仍有一定成果。

2021 開年之初，紐約州立大學 Li Qiang 教授發現了實現拓撲量子計算的關鍵，他們發現一種新的光誘導開關，可以扭曲外爾半金屬的晶格，開啟一種幾乎沒有耗散的巨大電子流。這些性質的發現使得實現拓撲量子計算等應用又向前邁進了一步。2021 年中國在該方案的探索和實施中也取得了一系列突破性進展。在材料生長和製備方面，中國科學院半導體研究所趙建華課題組利用分子束外延技術製備出高質量純相 InAs、InSb 和 InAsSb 半導體納米線，在此基礎上實現超導體在納米線上的低温原位外延生長，異質結界面達到原子級平整。清華大學何珂 - 薛其坤課題組利用選區外延生長方法製備出新的半導體納米線體系，有效降低雜質對拓撲量子器件的影響以及襯底晶格失配，為進一步實現多馬約拉納量子器件奠定了基礎。在拓撲量子器件的製備和輸運測量方面，中科院物理所沈潔和代爾夫特理工大學（TU Delft）的 Kouwenhoven 等在量子器件 “馬約拉納島” 中繪製出完整的電子奇偶性（宇稱）相圖，並給出庫倫振盪幅值和峰值關聯的明確信息，為未來構築拓撲量子比特提供了調控基礎。清華大學劉東課題組理論上提出了一種實驗探測手段，利用耗散電極引入的電子和環境玻色子的相互作用重整化效應，使得馬約拉納輸運信號和其他平凡輸運信號產生完全不同的標度行為和溫度電壓依賴關係，從而有望解決納米線體系中的 “馬約拉納態 - 安德烈夫態” 的競爭與爭論。

表 8 2021 年拓撲量子計算重要進展

七、金剛 NV 色心 —— 擴展難度大#

金剛石 NV 色心具有室溫可觀測到的零聲子線、發光穩定、相干時間長等優秀的光學特性，尤其是具有非常特殊的精細能級結構，可實現高精度的物理量探測和量子調控。其中，超低濃度的 NV 色心特別是單個 NV 色心在光子糾纏、量子調控等領域已經得到廣泛的關注。除此之外，NV 色心在精密測量領域，如溫度測量、磁場測量、超高分辨率成像、高性能陀螺儀等領域已得到應用。但應用於量子計算機，存在擴展難的問題。
2021 年 4 月，量子計算初創公司 Quantum Brilliance 開發了一台基於金剛石 NV 色心的緊湊型量子計算機，包含 5 個量子比特，並計劃在 5 年內推出 50 個量子比特的量子計算機。

八、量子退火機 —— 進展不大目前#

量子計算機可分為量子邏輯門計算機和量子退火計算機，前述幾大主要技術路線都是構建量子邏輯門計算機提出的，基於量子邏輯門的量子計算機就是所謂的通用量子計算機，本報告中前 7 個體系均為基於門的量子計算方案。量子退火機（Quantum Annealer）不需要量子邏輯門，而是通過伊辛模型（Ising model） 尋找最優解，這是一種專用量子計算機，在處理最優化問題上有獨特優勢。總的來說，2021 年量子退火技術進展不大。值得一提的是，2021 年量子退火先驅 D-Wave 宣佈將開發基於門的量子計算機，從某種程度上表明量子退火機的前景可能有限。

九、相干伊辛機 —— 繼續觀察#

相干伊辛機（CIM）和量子退火機的原理類似，都是基於伊辛模型，類似於一種人工磁鐵組成的可編程網絡，如同一個真實的磁系統，每個磁鐵的狀態只能 “向上” 或者 “向下”，傾向於在低能量狀態工作。工作原理是：如果磁鐵網絡之間的連接可以被重新編程，以代表實際問題，一旦它們設定了需要面對的最優化、低能量方向，就可以從它們的最終狀態推斷出解。

在量子退火機中，這些人造磁鐵就用超導電路代替，作為量子比特。CIM 則將超導電路換成一種特殊的激光系統，稱為簡並光學參量振盪器（DOPO）。CIM 利用耦合 DOPO 脈衝進行計算，通過測量脈衝的最終相位，嘗試尋找最佳解決方案。CIM 使用的光脈衝可以來回穿梭，使得任何兩個脈衝都可以直接相互作用。同時，底層器件是光學器件的設計與超導器件相比，無需低溫環境，穩定性高、可控性好。

目前，包括 NTT、NII、NASA、斯坦福、加州理工、馬里蘭、東京大學等研究院所和院校，以及中國的玻色量子科技公司，都在從事 CIM 方向的研發工作。

• 2021 年 9 月，日本 NTT 基礎研究實驗室實現了 100,512 自旋量子比特的 CIM 計算實驗，突破 10 萬大關，在所有量子計算技術方案中遙遙領先。儘管 CIM 的自旋量子比特與通用量子計算的量子比特數無法直接進行比較，但此次突破也可認為是一個里程碑級別的事件。國內的 CIM 研究還處在起步階段，玻色量子於 2020 年底成立，據該公司透露，已完成光量子實驗室的搭建，正在研發 1000+ 量子比特級別 CIM 量子 AI 協處理器工程樣機，以及相應的加速算法。

核心元器件 —— 發現與突破報告#

重點研究超導或半導體量子計算機必不可少的低溫設備（以 mK 級稀釋制冷機為主），以及對超導和半導體量子計算機極為重要的量子測量和控制系統（簡稱 “測控系統”）；
同軸電纜是連接處於低溫的量子芯片和處於室溫的測控系統之間的橋樑；
此外，超導量子計算機還需要額外的低溫器件防止環境噪聲的影響；
超高真空設備是離子阱和中性原子系統必需的；激光器的應用則比較廣泛，包括光子、離子阱、中性原子等系統都需要激光冷卻或操縱量子比特；
其他核心元器件還有單光子源和單光子探測器，其中，單光子源主要用於光量子計算機；而單光子探測器在光子和離子阱系統中都有應用。

稀釋制冷技術於 1950 年代首先提出，而後在 1960 年代被具體實現。現在流行的無液氦稀釋制冷機是稀釋制冷技術同無液氦冷頭技術的結合。從原理上講，
稀釋制冷機利用的是氦元素的兩種同位素，氦 - 3 和氦 - 4 的混合液體在 0.8K 左右發生的相分離現象。相分離之後，氦 - 3 和氦 - 4 混合液發生分層，上層是密度較低的以氦 - 3 為主的氦三濃相，下層是密度較高的由部分氦 - 3 溶於氦 - 3 液體的氦 - 3 稀釋相。通過設計氣體循環回路讓氦 - 3 循環流動，在低溫時氦 - 3 原子從氦 - 3 濃相穿越相分離界面達到氦 - 3 稀釋相的過程是吸熱降温過程，可以在此相分離界面處形成 mK 量級的最低溫度。由於利用了氦 - 3 的濃相和稀釋相的物理過程，因此該制冷機被命名為稀釋制冷機。

圖 2 稀釋制冷機內部結構

從技術上講，稀釋制冷機內部需要處於一個真空腔之中，從而達到低温部件與外界絕熱的目的。而在制冷方面，為了實現 mK 量級的最低溫，需要通過多級制冷，逐步實現。首先制冷機的無液氦冷頭可以提供 4K 的基礎低溫環境，在此基礎上，當氦 - 3 氦 - 4 混合液流經 4K 冷盤的時候可以初步液化氦 - 4。之後再利用蒸發制冷以及焦耳 - 湯姆遜效應將氦 - 3 氦 - 4 徹底液化，達到 1K 左右的低溫。在此基礎上利用氦 - 3 的蒸發制冷可以進一步將混合液降溫至發生相分離。最後利用稀釋制冷原理實現 mK 量級極低溫。

國內外量子計算的爆發使得以 Bluefors 為代表的稀釋制冷機公司一躍成為高科技領域的 “新貴”。目前國際上主流的稀釋制冷機供應商包括芬蘭的 Bluefors 公司、英國的牛津儀器公司、美國的 JanisULT 公司和荷蘭的 Leiden Cryogenics 公司等。
B
luefors 公司由於在量子計算領域起步較早，市場份額長期佔據第一，其次是牛津儀器。例如，根據北京量子信息科學研究院的中標公告，該單位 2021 年購入 Bluefors 和牛津儀器稀釋制冷機分別為 8 台和 5 台。目前 Bluefors 稀釋制冷機有 SD、LD、XLD、LH 四個系列。其中 LD 系列是 Bluefors 最暢銷的一款稀釋制冷機，包括 LD250 和 LD400。

2021 年 11 月，Bluefors 宣布推出一個新的低溫平台 KIDE。該平台為更大的芯片提供更強的冷卻能力。它可以將三個六邊形單元連接在一起，用於創建一個三向量子計算集群。目前該低溫平台仍在研發中，但 IBM 已經宣布在即將推出的 IBM Quantum System 2 系列機器中使用該平台。

2021 年除了繼續達成與 IBM 的深度合作外。9 月，Bluefors 加入芬蘭的量子計算產業聯盟 BusinessQ，支持企業採用和開發量子技術和解決方案。與 Bluefors 相比，牛津儀器公司進入量子計算市場較晚，但是近幾年來牛津儀器的稀釋制冷機越來越受到量子計算研發團隊的青睞，特別是在 2020 年推出最新一代無液氦稀釋制冷機 Proteox 之後。
到目前為止，牛津儀器已經推出了一系列不同型號和不同應用導向的稀釋制冷機，包括模組化稀釋制冷機 ProteoxMX（＜10mK）、多比特數量子計算專用無液氦稀釋制冷機 ProteoxLX（＜7mK）以及 5mK 基礎溫度的極端低溫制冷機 Proteox5mK。

牛津儀器 Proteox 稀釋制冷機進一步升級了底部快速換樣功能，對於需要快速篩選小比特數樣品，摸索工藝參數的量子比特芯片測試，底部快速換樣功能可以在不升溫整個制冷機的情況下，單獨更換量子比特芯片。
傳統稀釋制冷機整體熱機再整體降溫需要約 2-3 天時間，Proteox 搭配底部裝樣的設計將整個芯片更換和重新降溫時間縮短到僅 3.5 個小時。這將大大提升量子比特芯片篩選的效率。

來源：本源量子

除了上述公司，近年來新出現了幾家量子測控系統供應商，包括中國最早的量子科技公司國盾量子。

國盾量子依靠多年來從事量子信息產品的研發和服務積累的技術優勢，於 2020 年 4 月前瞻佈局量子計算，正式成立國盾量子計算調控技術部。針對多比特超導量子計算需求，國盾量子聯合中國科學技術大學在 2020 年推出 ez-Q™ Engine 超導量子計算操控系統。整體價格僅為國外商用儀器的 1/3-1/2。該產品已經提供給中科院物理所、南方科技大學等團隊使用。在此基礎上，於 2021 年 3 月推出優化版本，在產品集成、便捷性方面做了提升改進。該系統可以支持 100 比特以上，是目前操控比特數目最大的量子計算操控系統之一。相關技術已應用到 “祖沖之號” 並完成 “量子計算優越性” 實驗。而在軟體配套方面，國盾量子建立了超導量子計算操控軟體系統團隊，致力於將中國科大潘建偉、朱曉波超導量子計算研究團隊軟體進行商業化改進，讓其更穩定、更易用。

圖 6 ez-Q Engine 超導量子計算操控系統

此外，荷蘭初創公司 Qblox 在 2021 年的美國物理學會（APS）年會上推出並演示其新一代量子控制堆棧，提供從超長直流到 18.5 GHz 的所有輸入和輸出信號。它封裝在一個名為 Cluster 的 19 英寸機櫃中，能夠控制和讀取 20 個量子比特。

除了目前普遍使用的室溫量子測控系統外，英特爾還在 2019 年推出了量子比特低溫控制芯片 Horse Ridge，2020 年推出了第二代芯片。Horse Ridge 通過將量子計算機操作的關鍵控制功能引入低溫冷卻設備 —— 為了盡可能地接近量子比特本身 —— 簡化量子系統控制布線的複雜性。英特爾和 QuTech 在 2021 年的研究表明，他們的基於 CMOS 的低溫控制器件在與室溫電子器件相同的保真度水平（99.7%）下實現了對 2 量子比特處理器的相干控制。54 2021 年，商業量子測控系統還有其他進展。是德科技實現了量子測控系統與稀釋制冷機的集成，這在業內還是首次。

• 2021 年 3 月，蘇黎世儀器發布 SHFQA 量子分析儀，單台測控系統最多讀取 64 個量子比特。
• 2021 年 7 月，澳大利亞公司 Archer Materials 宣布開發了一種量子比特控制芯片，Archer 首次記錄了連續波電子自旋共振（cwESR）信號，該信號由集成微觀量子比特的特製超導片上諧振器半導體器件產生。他們發現片上 cw-ESR 信號特徵與室溫測量獲得的信號非常一致。
• 圖 7 是德科技集成測控系統。左圖是 Bluefors LD250 稀釋制冷機；右圖是量子測控系統與稀釋制冷機的集成

在學術界，量子比特控制技術也取得了重大突破。
2021 年 8 月，澳大利亞新南威爾士大學提出了一種能同時控制數百萬個自旋量子比特的新技術。該團隊提出了在芯片上方產生磁場的方法，通過磁場同時操縱所有量子比特。研究人員發現，諧振器產生的場可以控制一個能容納 400 萬個量子比特的區域。58 微軟也提出了控制數千個量子比特的技術。2021 年 11 月，悉尼大學和微軟發明了一種工作溫度比深空溫度低 40 倍的單芯片，研究表明，“只需兩根傳輸信息的線纜作為輸入，即可產生數千個量子比特的控制信號。”592021 年 12 月，華中科技大學物理學院副教授嚴承宇與芬蘭阿爾托大學、VTT（芬蘭國家技術研究中心） 研究人員開發出一種片上器件，可以產生控制量子計算機所需的高質量微波信號，並可以在接近絕對零度的溫度下工作。但是，這種器件產生的微波源還不能直接用來控制量子比特。因為微波必須成形為脈衝。該團隊目前正開發快速打開和關閉微波源的方法。

圖 8 芯片上方產生的磁場可以控制百萬級量子比特

三、同軸電纜#

低溫同軸電纜是一種超導電纜，是傳輸、控制、讀取量子比特的微波信號的專用電纜，同軸電纜和機架 / 制冷機裡的模擬信號電路進行連接，保證量子比特脆弱的量子態不被破壞，主要用於超導量子計算機。目前日本 Coax 公司是同軸電纜的主要製造商，創立於 1974 年，提供低溫半剛性電纜（Semi-rigid coaxial cables）。該電纜由中心和外部導體上的低導熱金屬材料組成，低導熱率的金屬材料可最大程度地降低外界的低溫影響。61 另一家供應商是 2016 年成立的荷蘭初創公司代爾夫特電路公司（Delft Circuits），主要提供低溫同軸電纜 Cri/oFlex® 系列產品 62，可以幫助監視和控制量子比特，包括一些用於傳輸微波信號的專用電纜。目前，量子計算機專用的同軸電纜幾乎由上述兩家公司壟斷。美國 DARPA 在 2021 年 8 月發布高密度連接器低溫電纜項目的招標，要求工業界確定開發高密度連接低溫電纜的可行性，以便將來用於超導經典計算、超導量子計算以及超導單光子探測器陣列。目標是為超導電子應用創造一種新型高密度數據電纜，具有高密度、低衰減、低串擾和低熱負荷。

圖 9 低溫同軸電纜示意圖

四、低溫組件低溫

量子芯片和室溫測控系統之間的交互是超導量子計算機面臨的一個嚴峻問題。同軸電纜是連接它們的橋樑，但在佈線時必須在冷卻機的每個溫度階段進行熱處理，以避免混合室過熱。每個階段需要插入額外組件（包括衰減器、濾波器和放大器）。
衰減器、濾波器和放大器，連接到量子處理器，用於控制和讀出，對應驅動線、磁通線和輸出線。簡單來說，衰減器用於減少帶內輻射，濾波器（衰減器不在所需頻率範圍內的信號）用於消除帶外輻射噪聲，該噪聲不在擬傳送至設備的信號的頻率範圍內。信號經過衰減器和濾波器優化之後，使用低溫放大器來增強信號。低溫放大器的主要廠商有美國的 AmpliTech、B&Z Technology、L3Harris Narda-MITEQ 和 QuinStarTechnology Inc，英國的 Atlantic Microwave，瑞典的 Low Noise Factory，以及加拿大的 Nanowave Technologies。中國的賦同量子科技公司也有此類產品。
低溫衰減器的主要廠商有美國的 API Technologies、XMA Corporation 和 Quantum Microwave，日本的 KEYCOM Corporation。

2021 年 2 月，中國的本源量子宣布推出了可用於 10mK 溫度環境的極低溫系列衰減器。

圖 10 本源量子極低溫系列衰減器

低溫高通濾波器的主要廠商有美國的 Quantum Microwave。本源量子也有相關產品。本源量子成立了量子測控部低溫電子器件長期項目組，研發範圍主要包括環形器、功分器、濾波器、Bias-Tee、低噪聲放大器等產品。

五、超高真空（UHV）#

腔超高真空是離子阱量子比特和中性原子量子比特必需的運行環境，甚至一些半導體量子比特也需要這樣的環境。例如，霍尼韋爾、IonQ 的離子阱量子芯片就放置在一個籃球大小的真空腔中。成立於 1961 年加拿大公司 Johnsen Ultravac Inc.（JUV）是全球超高真空產品的頂級供應商。JUV 公司用戶遍及北美、歐洲和亞洲眾多國家的科研機構和企業的實驗室。國內超高真空腔體的供應商主要有北京維意真空、Htc 日揚真空、巴托真空科技（蘇州）有限公司等。

JUV 的超高真空腔有多種標準配置。可以根據客戶的特殊需求製造滿足特定技術和性能要求的真空腔。真空性能達到 10-11 托範圍。目前的超高真空腔基本能夠滿足離子阱等體系量子計算機的需求。
2021 年 3 月，美國國家標準與技術研究院（NIST）計劃構建冷原子真空傳感器（CAVS），該傳感器將能夠測量超高真空（UHV）狀態下的壓力，對應的壓力小於 10-7 帕或 10-9 托。目前，在這種壓力下沒有可靠的測量工具。CAVS 的工作原理是將保守陷阱與環境室溫原子和分子碰撞導致的超冷 1μK 鋰原子損失與背景壓力聯繫起來。該項目從理論上確定鋰原子與相關背景原子和分子碰撞的彈性率系數及其溫度依賴性。

11 霍尼韋爾離子阱量子計算機使用的真空腔#

六、激光器

激光和傳統光源的重要區別在於光束的 “相干性”。相干性決定了激光束在執行各種精密任務時的能力，高度的相干性使激光適合應用在高精度器件上。比如在控制量子計算機的組件時，需要特定頻率的高度相干光束來長時間地控制大量的量子比特，而未來的量子計算機可能還需要相干性更強的光源。離子阱、光子和中性原子等量子計算體系都需要激光器。

目前主流的激光器是光纖激光器，成立於 1990 年的美國 IPG 是全球最大的光纖激光器製造商。產品線涵蓋高、中、低功率光纖激光器。國內的激光器龍頭是上市公司銳科激光，其高功率激光器技術達到國際領先水平，在國內市場正逐步替代海外主要激光器廠商的產品，公司整體銷售維持增長態勢。

2021 年 12 月 10 日，銳科激光與南華大學聯合研製的國內首台 100kW 超高功率工業光纖激光器及配套設備正式啟用。從立項到研製成功到交付使用僅用了短短 6 個月的時間。作為國內最大功率的工業光纖激光器，也是全球第二大功率的工業激光器，其將在先進製造、航空航天、醫療設備等方面發揮巨大作用。

12 國內首台 100kW 超高功率工業光纖激光器

七、單光子源

確定性的高品質單光子源是發展光量子信息技術的關鍵組件，包括量子通信和光量子計算。自發參量下轉換（SPDC）是傳統的生成單光子的器件，但這是一種不確定性的單光子源，而且生成概率很低。近年來，基於量子點的光子源的應用越來越廣泛。2013 年，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等在國際上首創量子點脈衝共振激發技術；2016 年，該團隊實現了當時國際上綜合性能最優的單光子源；2019 年提出相干雙色激發和橢圓微腔耦合理論方案，在實驗上同時解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個最後的難題，成功研製出確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源。基於此，光量子計算原型機 “九章” 成功實現了 “量子計算優越性”。

除了單光子外，光量子計算機還可以使用連續變量，例如壓縮光。在 “九章” 光量子計算機中，通過光學參量下轉換（OPDC）生產壓縮態。加拿大量子計算公司 Xanadu 通過使用納米光子波導諧振器代替光學參量放大器中的