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 | 图源：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。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。

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：ICV

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。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。12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%）。

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。2021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。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，其尺寸比传统方法生产的芯片小1000倍。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。2021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。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。

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。2021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。研究人员表示他们正在努力克服这些障碍。

表3 2021年全球超导量子计算重要进展 | 资料来源：ICV

二、离子阱——量子体积遥遥领先

离子阱，又称离子囚禁，其技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。当前，离子阱量子计算机在量子比特连接性和相干时间方面领先其他技术路线。但扩展性较差的问题是离子阱体系亟待解决的主要问题。

近年来，世界各地研究团队一直在尝试创建离子阱量子计算机，被捕获的离子充当纠缠的量子比特，以执行高级计算，这类计算机被证明是用于实际应用的量子计算最有希望的系统之一。

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。2021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。2021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。2021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。2021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。2021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。2021年最后一天，Quantinuum再次带来惊喜，宣布他们的霍尼韦尔H1-2量子计算系统测得2048量子体积，是所有技术路线中的最高数值。

表4 2021年离子阱量子计算重要进展 | 资料来源：ICV

三、光量子——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。

可编程光量子芯片 | 图源：「图灵量子」

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。「图灵量子」创始人金贤敏教授基于飞秒激光直写技术优势，同时多年前就开始进行以铌酸锂薄膜为代表的新一代超快可编程光子芯片的应用研究，已具备从设计、流片、封装、封测，到系统集成和量子算法的全链条研发能力。「图灵量子」正在规划国内第一条光子芯片中试线的建设，两年内有望建成专注于新一代信息技术需求的光子芯片前沿研究和产业化支撑平台。2021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。2021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。

表5 2021年光量子计算重要进展 | 资料来源：ICV

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。2021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。

表6 2021年中性原子量子计算重要进展 | 资料来源：ICV

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。

表7 2021年半导体量子计算重要进展 | 资料来源：ICV

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 | 资料来源：ICV

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。

长期以来，mK级稀释制冷机都是中国的卡脖子工程，目前，量子计算专用稀释制冷机市场主要由Bluefors和牛津仪器两家公司占据。不过，中科院物理所在2021年取得了国产稀释制冷机的突破，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。

目前的测控系统主要针对超导和半导体量子比特，其他体系如离子阱和中性原子通过激光就能实现量子比特的控制和测量。随着量子比特数增加，2021年量子测控系统的主要厂商都推出了能够满足60-100量子比特测控的系统。甚至有一些前沿研究提出了可以控制百万量子比特的方法。在测控系统领域，国内外公司基本处于同一起跑线。

超高真空设备和激光设备，虽然国外厂商仍然领先，但是中国厂商已经迎头赶上。单光子源和单光子探测器，分别负责光子的生成和读取，国内团队在这些领域处于世界领先地位。

一、低温设备

量子计算机所需低温设备以稀释制冷机为主，此外还包括其他低温恒温器。稀释制冷机为量子计算机的正常运行提供必要的极低温环境，是量子计算研究中极其重要的关键部分。

基于超导或半导体的量子计算芯片需要在极低温环境下（20mk）工作。稀释制冷机可以提供量子处理器（QPU）运行所需的极低温环境和较大的样品空间，从而容纳QPU及其配套的低温线缆和低温电子器件。

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 | 图源：牛津仪器

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。

Bluefors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。

图3 牛津仪器Proteox无液氦稀释制冷机 | 图源：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。Rigetti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，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 | 图源：ICV

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 | 图源：中微达信

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 | 图源：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 | 图源：国盾量子

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。

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Bluefors LD250稀释制冷机；右图量子测控系统与稀释制冷机的集成 | 图源：是德科技

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。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。」2021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 | 图源：新南威尔士大学

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。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，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 | 图源：荷兰代尔夫特公司官网

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QuinStar Technology 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 | 图源：本源量子

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。

图11 霍尼韦尔离子阱量子计算机使用的真空腔 | 图源：霍尼韦尔

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。

图13 近红外波段自由运行单光子探测器QCD600 | 图源：国盾量子

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。「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）。

图14 单光子探测器在离子阱中的应用 | 图源：牛津仪器

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。

图15 EMCCD芯片结构图 | 图源：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。

图16 iXon Ultra系列EMCCD相机 | 图源：牛津仪器

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%。

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。

表10 全球量子计算云平台发展历程 | 图源：ICV

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

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的最新技术。

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。

图17 本源量子计算「五朵云」 | 图源：本源量子

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 | 图源：量子创新研究院

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

软件进展方面统计6家国外软件开发企业和5家国内软件开发企业。

（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 | 图源：IBM

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 | 图源：Multiverse Computing

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或者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 | 图源：Quantinuum

（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。研发模式是指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 | 图源：本源量子

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 | 图源：本源量子

2、京东探索研究院

2021年8月，京东探索研究院提出全球首个以经典云平台为依托、量子计算设备为终端的量子并行处理框架QUDIO（quantum distributed optimization scheme），将可以实现充分调度现有量子计算资源去求解超越经典计算的大规模任务。

QUDIO是由一个经典处理器为中心和多个分布式量子处理器形成的量子云构成的，其中经典计算机作为一个中心节点服务器，将大规模数据进行高效划分并且快速分发到云端的多个量子计算机。每个量子计算机在获取到数据块之后独立处理，同时以一定频率与其他量子计算机进行通信，共享模型参数和处理结果，最后将计算结果返回到经典计算机进行汇总和后处理。整个计算过程完全实现在量子云上完成，经典计算机只负责数据的分发与通信。

QUDIO是一种独立于具体量子硬件和协议的框架，具有很强的兼容性，易于扩展到各种光量子计算机、离子阱量子计算机和超导量子计算机，能最大程度地利用现有的量子资源；它利用并行计算和量子计算的加速性能，为自然语言处理、计算机视觉、量子化学、组合优化等领域的大规模问题求解和数据处理提供显著的运行时间优势。

3、百度量子计算研究所

2021年10月，百度量子计算研究所发布全球首个云原生量子集成开发环境YunIDE，提供全新量子编程体验。YunIDE开箱即用，拥有完备的量子计算环境配置，集成常用经典科研工具和量子开发工具链，能够降低经典程序开发者的学习门槛，使得全量量子开发触手可及，真正践行「人人皆可量子」的愿景。与其他编程环境相比，YunIDE具有响应速度快、资源消耗低、隔离租户运行、可定制化程度高等特点。YunIDE镜像内置量易伏等组件，并提供量脉、量桨等发布包，方便开发者高效便捷地研发量子控制、量子机器学习技术。

4、弧光量子

2021年1月，弧光量子发布国内首个量子程序设计与验证平台isQ。该平台包括量子程序设计、编译、模拟、分析与验证等系列工具，已经上线的功能主要包括编译器、模拟器、模型检测工具、定理证明器四部分。其中的定理证明器是国际上首个量子程序定理证明器，对量子程序的正确性验证有十分重要的作用。

5、「图灵量子」

2021年12月，「图灵量子」自主研发的国内首款商用光量子计算模拟软件FeynmanPAQS宣布试商用，弥补了国内这一领域技术和产品的空白。

图源：「图灵量子」

FeynmanPAQS同时是专用光量子计算模拟软件和三维光子芯片设计的EDA软件，是着眼于未来实际芯片开发且方便易用的云计算模拟平台。作为量子计算模拟器，软件能够模拟并计算多种情况的光学演化过程。目前软件包括五大主要模块：

①单光子量子行走（Quantum Walks）；

②量子随机行走（Quantum Stochastic Walks）；

③多粒子量子行走（Multi-Particle Quantum Walks）；

④自由设计的二维量子行走（Customized Quantum Walks）；

⑤玻色采样（Boson Sampling）。

表11 2021年全球量子计算软件发展大事件 | 资料来源：ICV

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。

表12 量子计算技术路线成熟度评价表 | 注：评分采用5分制，1为最差，5为最优，○代表1分，●代表5分 | 来源：ICV

（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。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