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1、中國信息通信研究院技術與標準研究所 中國信息通信研究院泰爾系統實驗室 2023年10月 光計算技術與產業發展研究報告光計算技術與產業發展研究報告 (20232023 年年)版權聲明版權聲明本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。本報告版權屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關法律責任。前前 言言 隨著人工智能、大數據和云計算的快速發展，超高速和

2、高能效計算的需求呈指數級增長?，F有馮諾依曼架構下的傳統電子信號處理器難以同時實現高算力和低能耗，而光計算可突破電子計算瓶頸，成為未來探索的重要方向。光計算，是采用光作為信息處理的基本載體，以實現信息處理或數據運算的新型計算體系。光計算能夠發揮光的高帶寬、低能耗、抗干擾、并行等優勢，適合處理人工智能、信號處理、組合優化等復雜特定任務，是新型計算架構的重要發展方向。本報告的研究基于光計算的廣義定義，從算力時代所面臨的主要需求和挑戰等出發，圍繞經典光學與量子光學兩大路線開展光計算技術與產業方面的發展現狀與趨勢研究。當前光計算仍處于發展的初級階段，預計其發展可分三階段逐步推進，當前需繼續推進解決技術、

3、產業、應用等三方面問題，建議我國從攻克關鍵技術難題、推動全產業鏈發展、開展新應用探索試點三方面尋求突破，推動實現高性能與低能耗的算力基礎設施建設，助力我國數字經濟持續高質量發展。光計算技術與產業發展處于起步階段，對于關鍵技術、產業發展、應用場景等方面的研究和探討還有待進一步深化，后續中國信息通信研究院還將進一步推動光計算領域研究并持續發布相關成果。目目 錄錄 一、光計算發展背景.1(一)研究背景.1(二)概念與分類.5(三)發展歷程.8 二、光經典計算技術與產業發展態勢.9(一)光電混合架構為主，專用光計算異軍突起.9(二)三大趨勢持續演進，體系化發展有望加速.13(三)產業鏈成熟度偏低，產業

4、集群地域較集中.14(四)產學研持續一體化，三階段推進市場應用.17(五)技術產業挑戰仍存，國內外進度基本持平.18 三、光量子計算技術與產業發展態勢.20(一)分層式架構為主流，兩技術路線并行發展.20(二)遵循三步發展規劃，芯片集成是發展方向.24(三)硬件軟件持續發展，相關產業鏈仍需完善.26(四)多國積極布局規劃，政策及資金支持加大.31(五)當前我國局部領先，未來發展仍面臨挑戰.33 四、總結與建議.36(一)光計算多領域應用前景廣闊.36(二)光計算仍處發展的初級階段.38(三)光計算預計將分三階段推進.39(四)技術攻關協同產業應用發展.39 參考文獻.41 圖圖 目目 錄錄 圖

5、 1 全球算力規模與算力增速.1 圖 2 光計算與電計算的性能對比.3 圖 3 光計算分類.6 圖 4 光經典計算與光量子計算的系統結構對比.7 圖 5 光計算發展歷程.8 圖 6 光經典計算技術框架.10 圖 7 光電混合計算架構.11 圖 8 光經典計算產業鏈.15 圖 9 光經典計算產業視圖.18 圖 10 光量子計算技術框架.21 圖 11 邏輯門光量子計算發展歷程.22 圖 12 相干伊辛機發展歷程.22 圖 13 邏輯門光量子計算原理示意圖.23 圖 14 相干伊辛機實裝置示意圖.24 圖 15 邏輯門光量子計算發展階段三步走.25 圖 16 芯片集成光量子計算示意圖.26 圖 1

6、7 光量子計算產業視圖.27 圖 18 光量子計算軟件示意圖.30 表表 目目 錄錄 表 1 全球光經典計算企業及產品情況.16 表 2 全球光量子計算企業及產品情況.27 表 3 全球各國涉及光量子的項目規劃不完全統計.31 光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）1 一、一、光計算發展背景(一)研究背景(一)研究背景 全球算力規模不斷擴大，下游應用市場算力需求增長強勁。據2023 年發布的中國算力發展指數白皮書，2022 年全球計算設備算力總規模達到 906 EFlops，增速達到 47%1（圖 1）。伴隨萬物感知、萬物互聯以及萬物智能時代的開啟，據 IDC 預測數據，2025 年全球

7、物聯網設備數將超過 400 億臺，產生數據量接近 80 ZB，且超過一半的數據需要依賴終端或者邊緣的計算能力進行處理。預估未來五年全球算力規模將以超過 50%的速度增長。OpenAI 數據指出，2012 年之前，人工智能的計算速度緊追摩爾定律，算力需求每兩年翻一番；2012年以后，翻番時長則直接縮短為 34 個月，算力需求遠超實際算力供給能力。來源：中國信息通信研究院中國算力發展指數白皮書（2023 年）圖 1 全球算力規模與算力增速 算力升級面臨綠色低碳發展問題。當前全球數字化轉型正在加快，1 中國信息通信研究院中國算力發展指數白皮書（2023 年）光計算技術與產業發展研究報告（2023 年

8、）2 未來相當長時間里這個大趨勢不會改變。只要有數字化就需要算力支持，需要構建一個泛在的、低成本的、可靠的算力體系。但是算力基礎設施的耗能較大，以數據中心為例，2020 年我國數據中心耗電量突破 900 億千瓦時，碳排放量達 0.6 億噸。據中國信息通信研究院測算，到 2030 年我國數據中心耗電量將超過 3800 億千瓦時，如果不采用可再生能源，碳排放量將超過 2 億噸，算力基礎設施的綠色低碳亟待關注1。從長遠來看，整個社會需要算力與連接構成的“數字底座”，也需要清潔能源與綠色技術構建的“綠色底座”，二者要協同發展?；隈T諾依曼架構的傳統電子計算機的局限性日漸凸顯。目前電子計算硬件采用的處理

9、器的邏輯單元和存儲單元是分立的馮 諾依曼結構，數據需要在處理器和存儲器之間來回傳輸，頻繁的潮汐性數據讀寫使得計算速率下降的同時增加了單次計算的功耗，帶來的帶寬瓶頸和功耗瓶頸嚴重限制了馮諾依曼架構的計算能效，即“內存墻”“功耗墻”問題。據曦智科技數據，在過去的 20 年中，硬件的算力提升了 9 萬倍，但 DRAM 帶寬及網絡帶寬只提升了 30 倍。據 Intel數據，在半導體工藝的 7nm 時代，數據搬運功耗達到 35pJ/bit，占總功耗比例 63.7%。此外，隨著摩爾定律的放緩甚至失效，集成電路的晶體管數量正在逼近物理極限，當前電子微處理器的時鐘速率僅為幾個 GHz，已經不能滿足超高速、低延

10、遲的海量數據處理的需求。因此，為應對萬物智能時代海量應用創新和重大技術革新對算力供給的百千倍遞加需求，探索更多維度、更多要素的協同創新成為支撐綠色算 1 李潔,王月.算力基礎設施的現狀,趨勢和對策建議J.信息通信技術與政策,2022(3):5.光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）3 力升級的重要舉措。光計算突破電子計算瓶頸，成為未來探索的重要方向之一。為突破電子芯片的一系列弊端，相關研究者們開始考慮從“電”向“光”的轉化。如圖 2，光子器件在進行計算時，相比電子器件具有以下優勢：）光具有波長、波導模式、相位、振幅和偏振等多個物理維度資源，具有天然的并行計算能力，可以成倍地提高算力；）電

11、信號在金屬導線中傳輸必然伴隨熱量的產生，而光在計算時沒有歐姆加熱，因此其能耗遠小于電子計算；）與電子器件相比，光子器件有更大的帶寬，因此在寬帶模擬信號的處理上遠勝于電子器件；）電子器件具有電阻電容（RC）效應，因此會在計算中產生延時，而光學器件則基本沒有延遲，具有更快的響應時間；）光子沒有自相互作用，這意味著它們可以在沒有相互干擾的情況下傳輸。這些優異的特性使得光計算極具發展前景。在特定場景中，利用光計算替代傳統電子計算將是解決摩爾定律困境以及馮諾依曼架構瓶頸問題，即解決當前算力與功耗問題的極具潛力的途徑之一。來源：Lightmatter HotChips 20201 圖 2 光計算與電計算的

12、性能對比 1 Lightmatter,Hotchips 會議報告Silicon Photonics for Artificial Intelligence Acceleration,2020.光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）4 發達國家積極推動光計算研究與應用不斷發展。美國方面，2019年美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動“未來計算系統”項目，以研究具備深度學習能力、高算力和低功耗的集成光子芯片。2022 年4 月，國會宣布將撥款 2500 萬美元，用于制造和測試光量子計算技術。歐洲方面，歐盟地平線 2020 研究和創新計劃資助的項目之一PHOQUSING，正致力于開發基于

13、集成光子技術的將經典過程和量子過程結合起來的混合計算系統。2022 年 9 月，德國航空航天中心啟動 100 量子比特的光量子計算機研發項目。日本方面，日本電話電報公司正與東京理工大學合作資助一個為期五年的項目，研究相干伊辛機的實際應用。在如何為智能時代提供更強大的算力上，領先國家已在思考下一波的發展浪潮，光計算正是頗具潛力的選項之一。近年來我國相繼出臺一系列重大制度和政策，支撐光計算技術和產業發展。中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二三五年遠景目標的建議 提出要系統布局新型基礎設施建設、加快 5G、工業互聯網、大數據中心等建設，推動算力產業生態日漸完善?？萍疾俊笆奈濉敝攸c

14、專項申報指南中，信息光子技術、高性能計算、物態調控、光電混合 AI 加速計算芯片成為重要內容，包括光電混合 AI 加速計算芯片、量子計算、基于固態微腔光電子芯片、光學神經擬態計算系統和 PB 級超低功耗納米光存儲等技術的研發。中央網絡安全和信息化委員會發布的“十四五”國家信息化規劃，提出要加強集成電路、神經芯片、硅基光電子集成光量子芯片等關鍵前沿領域的戰略研究布局。我國對光計算及相關光芯片的重視程度正在光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）5 逐年提升。(二)概念與分類(二)概念與分類 光計算是采用光作為信息處理的基本載體，基于光學單元構建光學系統，通過必要的光學操作，從而實現信息處理或

15、數據運算的新型計算體系1。從廣義上來看，光計算是指基于光的波動性、粒子性等特性進行信息處理或數據運算的一類計算體系。從狹義上來看，光計算是指基于光的波動性進行信息處理或數據運算的一類計算體系。本報告的研究是基于光計算的廣義定義。光計算按照物理實現的方式可分為基于經典光學的計算（以下簡稱光經典計算）和基于量子光學的計算（以下簡稱光量子計算）（圖 3）。經典計算從原始計算、手工計算、機械計算、機電計算、電子計算逐步發展到光計算，光經典計算可利用光的波動特性如折射、衍射等規律來實現計算功能。量子計算有超導、半導體、離子阱、光學等多種技術方案，光量子計算是以光子作為量子比特進行計算，通過對光子進行量子

16、操控及測量來完成計算。光具有波粒二象性，光經典計算基于光的波動性包括干涉、散射等，而光量子計算基于光的粒子性，包括量子態的疊加、糾纏等。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）6 來源：中國信息通信研究院 圖 3 計算的發展和分類 光經典計算和光量子計算的計算原理不同，但系統結構基本類似（圖 4），包括光發射部分、光處理部分、光探測部分等。1）光發射部分：光經典計算包括激光器和調制器，而光量子計算包括激光器和量子態制備裝置。2）光處理部分：兩種計算方式均可以分為邏輯門型和非邏輯門型兩大類。光經典計算利用折射、散射、非線性效應等，基于馬赫增德爾干涉儀（MZI）、微環等結構進行計算；光量子計算

17、利用量子疊加、量子糾纏效應等，將經典光學器件進行量子應用。3）光接收部分：光量子計算需采用靈敏度更高的探測器，如雪崩二極管、超導納米線探測器等，而光經典計算對探測器的靈敏度要求略低。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）7 來源：中國信息通信研究院 圖 4 光經典計算與光量子計算的系統結構對比 光計算按照所處理的數據形態可分為通用的數字光計算和專用的模擬光計算。數字計算是對物理世界進行抽象和邏輯拆解，將一個任務切割成無數個標準化的小單元來完成。優點是通用性強、精度很高，缺點是占用大量底層硬件資源、容錯能力很低。數字光計算利用光和光學器件組合形成經典的邏輯門，構建類似傳統數字電子計算原理的

18、計算系統，通過復雜的邏輯門組合操作實現計算。而模擬計算不需要抽象和拆解，只需要模仿和還原一個真實的物理結構，用相對較少的單元就可以完成任務，可以節省大量的硬件資源，但由于每個物理結構都是特定且專用的，因此計算的通用性差。相較于數字計算，模擬計算的精度更低，但容錯能力更強。模擬光計算利用干涉、折射等物理特性，體現一種“傳輸即計算，結構即功能”的計算架構，典型例子之一是傅立葉運算，用傳統計算機進行傅立葉變換非常消耗計算量，而光通過透鏡的過程本身就是一次傅立葉變換的過程，計算的時間短、耗能少。鑒于光經典計算與光量子計算在計算原理和產業發展等方面存在較大不同，本研究報告將針對光經典計算和光量子計算這兩

19、大類分光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）8 別展開技術與產業發展態勢的分析討論。(三)發展歷程(三)發展歷程 光計算的發展歷程大致可分為三個階段2：如圖 5，第一個階段為 20 世紀 40 年代到 80 年代，光計算概念提出，相關的科學研究開始萌芽；第二個階段為 20 世紀 80 年代到 21 世紀初，光計算進入黃金發展期，基于各種形式的光計算層出不窮；21 世紀初至今，光計算發展進入第三階段，從由于需求不足而研究熱度稍降再到與新型應用領域結合的再次復蘇，掀起研究熱潮。光計算已經成為當前解決大規模復雜計算的重要解決方案。來源：中國信息通信研究院 圖 5 光計算發展歷程 在第一階段，光

20、計算的發展最早可以追溯到上世紀 40 年代。1946年，杜費將傅立葉變換引入光學中進而發展出的傅立葉光學是光學計算技術的起源。60 年代激光問世，開始了以激光為信息載體的信息處理研究。美國密西根大學創造性地利用光學傅里葉變換方法，借助于光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）9 凸透鏡完成了綜合孔徑雷達數據處理實驗，奠定了并行光學模擬信息處理的基礎。70 年代光學傳輸和非線性光學材料取得重大進展，同時也由于電子計算機的固有的某些缺陷隨運算速度提高而明顯地暴露出來，數字光計算逐漸引起科學家們的廣泛注意。在第二階段，80 年代光計算研究發展迅速，“光計算”這一術語被正式使用。隨著世界上第一個光

21、電傳感器問世，越來越多的光計算器件得到研發。各國科學家提出了大量光計算技術，包括以模擬光計算代表的光學模式識別、邏輯光計算、光學神經網絡、光互連、光學全息存儲等。1990 年，美國 AT&T 貝爾實驗室宣布研制成功了一臺并行列陣運算的數字處理器。而人工智能技術的加速發展也為光計算注入了更多的發展動力。在第三階段，自 21 世紀初，由于光計算所具備的超高的計算速率與當時各類應用中的計算需求普遍脫節，光計算的高速運算能力反而無法得到更多運用，因此光計算曾一度處于發展遲緩的狀態，逐漸淡出人們的視野。但是隨著基于硅基的摩爾定律逐漸面臨失效，而與此同時，人工智能的大數據處理需求又日益增長，尋找新的計算平

22、臺迫在眉睫，光計算領域重新活躍起來。這一階段中的光計算，因利用光的不同特性進行計算又被分為光經典計算和光量子計算兩條路徑并行發展前進。二、二、光經典計算技術與產業發展態勢(一)光電混合架構為主，專用光計算異軍突起(一)光電混合架構為主，專用光計算異軍突起 光經典計算技術框架包括原理層、物理硬件層、軟件算法層、功光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）10 能層、應用層等。光計算仍處于發展演變過程中，其技術框架如圖 6所示。當前無論是物理硬件還是軟件算法都需進一步優化，應用方面也需進一步探索。來源：中國信息通信研究院 圖 6 光經典計算技術框架1 光電混合架構的光計算是當前主流，其計算的實現

23、依托于傳統微電子單元與光計算單元兩個部分3（圖 7）。傳統微電子單元：結構與普通電子計算機中的相應結構類似。一些不適用于光電計算的操作，如時域延遲、數據存儲和非線性運算等，仍需要在微電子單元中實現，如計算與邏輯單元、控制單元、寄存器、緩存器等。光計算單元：光計算核心是光計算單元的關鍵，作為微電子處理器的性能突破和功能擴展，用來實現高速計算。該結構包含發射部分、處理部分和接收部分。發射部分包括激光器、調制器等，處理部分包括與光計算相關的MZI、微環等光器件，接收部分主要為光電探測器，光放大器可選。1 中國信息通信研究院 A2 課題光計算關鍵技術及產業發展研究,2021.光計算技術與產業發展研究報

24、告（2023 年）11 光電混合計算結合光和電的優勢，例如可將輸入的數字信號轉成模擬電信號驅動光芯片上的光調制器，利用光信號完成計算后，光信號再轉成電信號進行非線性運算，之后返回計算結果，將現有電計算的靈活性與光學方法的帶寬和速度相結合，并從某種程度上保留光學方法低能耗的特性。來源：中國信息通信研究院 圖 7 光電混合計算架構 通用光計算主要基于邏輯門實現，發展較為緩慢。通用計算的設備是基于數字信號的，而數字信號處理技術的基本組成單元是各種邏輯門。各種光邏輯門的組合能夠用來執行基本或復雜的計算功能，例如：二進制加法、減法、解碼、編碼，還用于構建二進制計數器，隨機存取存儲器單元和觸發器。光邏輯門

25、的實現主要基于半導體器件和光纖中的非線性效應4。常用的非線性器件有半導體光放大器、高非線性光纖、色散位移光纖、光子晶體光纖、周期性極化反轉鈮酸鋰波導、硅基納米線波導、硅基微環諧振腔等；常用的非線性效應包括交叉增益調制、四波混頻、自相位調制、交叉相位調制、交叉偏振調制；光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）12 相關的結構包括馬赫曾德爾干涉儀、Sagnac 干涉環、太赫茲光非對稱解復用器、非線性光環鏡、超高速非線性干涉儀等。光邏輯門方案仍存在諸多問題，例如系統不夠穩定、不易集成、系統成本高等，且光邏輯門所依賴的非線性材料和結構不可避免地為器件的設計和制造帶來較大困難，大多數的光邏輯門研究尚

26、處在實驗室研究階段，距離商用還有一段時間。受以上影響，當前通用光計算的發展較為緩慢。專用計算成為新的發展熱點，應用聚焦人工智能與信號處理。人工智能方面，人工神經網絡作為人工智能最重要的模型之一，因具有良好的泛化能力和魯棒性而被廣泛應用于各類場景之中。目前，光子神經網絡技術的研究包含了前饋神經網絡、循環神經網絡以及脈沖神經網絡這三種典型結構5?；谇梆伾窠浘W絡進行的光計算研究主要集中在以下四個方面進行：光學線性加權總和、光學線性卷積、光學非線性激活函數和光學系統上的在線網絡訓練?；谛钏厣窠浘W絡（一種典型的循環神經網絡）的光計算研究主要集中在兩個方向，一種是全光學類的蓄水池計算，另一種是光電類

27、的蓄水池計算。脈沖神經網絡的訓練和物理實施方面還存在較多困難，暫未得到廣泛應用。大多數關于脈沖神經網絡的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結構的驗證上，包括脈沖神經網絡的訓練算法和光學硬件實現。信號處理方面，全光通信技術在光域進行數字信號處理操作，因此它能有效地避免傳統光-電-光交換方式中的電子速率瓶頸的限制。全光數字信號處理主要包括全光波長轉換、全光信息轉換、全光信號再生等光域數字信號處理技術等6。光信號處理呈現如下幾個發展趨勢：1）從二光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）13 進制調制格式（OOK，DPSK）逐漸向先進高級調制格式（m-PSK，m-QAM）發展；2）從單信道操作逐漸向

28、多信道（WDM，MDM）操作發展；3）從初級單一功能向復雜多功能發展；4）引入新的輔助材料（如石墨烯）從器件層面改善工作性能。(二)三大趨勢持續演進，體系化發展有望加速(二)三大趨勢持續演進，體系化發展有望加速 硅光有望成為實現集成光計算系統的主要材料平臺。硅光因其CMOS 工藝兼容、集成度高等優勢，有望成為集成光計算系統的主要平臺。典型的硅基光計算案例包括 2x2 MZI 陣列提供矩陣矢量積實現矩陣運算、光波導延遲線實現蓄水池計算、多模干涉儀和相移陣列或等離子激元實現傅里葉變換、微環/亞波長超材料實現積分計算等。未來基于光電混合集成、異質集成等工藝，可實現不同功能單元的更高效集成，進一步提升

29、系統的集成度?；诂F有商用軟件生態開發光計算工具?；诂F有商用軟件生態開發光計算的適用算法、工具等，一方面可加快開發速度和提高開發效率，避免重復“造車輪”的低效行為，另一方面由于用戶對成熟商用軟件具有較強的用戶粘性，利用現有軟件生態可提升用戶認可度和接納度。對于光計算而言，一般上層軟件基于商用軟件 Tensor Flow、PyTorch 等框架，模塊內嵌特定算子通過 API 被大廠軟件工具調用，構成大廠軟件工具的光學算子庫。光計算協同光互連構建光電混合計算新范式。計算系統主要有三個計算要素：數據處理、數據傳輸與數據存儲，光芯片可用于加速前兩項計算要素。在“光電混合計算新范式”中有一半的重點是解

30、決數光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）14 據互連問題。計算、控制和存儲單元之間的大容量互連和硬件系統 I/O等，可通過光互連來實現有效通信。超大規模光電混合集成是實現大容量大帶寬計算功能的底層技術?！肮怆娀旌暇A級計算平臺”解決方案可通過晶圓級片上光互連，實現任意互連拓撲、低延遲及低能耗。同時，為打破“內存墻”可設立遠端資源池，并通過高效率的光互連，直接接入晶圓級計算平臺內部的光網絡，最終實現所有計算資源的最優配置7。(三)產業鏈成熟度偏低，產業集群地域較集中(三)產業鏈成熟度偏低，產業集群地域較集中 產業鏈仍處于發展起步階段，成熟度偏低。光經典計算產業規模偏小，產品種類偏少且產量

31、有限，大多為企業自行研發制造。就集成芯片類光計算而言，雖然它基于傳統光電芯片技術與產業基礎，但仍存在一定差異：傳統芯片產業鏈各環節發展成熟，參與競爭的企業數量眾多，技術成熟度也已滿足大批量生產需求；光計算芯片涉及光電融合等問題，技術難度高，需由光計算企業全程把關，產業鏈相對封閉。當前光計算產品技術路線以光電融合的方式為主，芯片內部包含光芯片、電芯片及其他外圍器件，組合封裝為完整的光計算芯片產品。產業鏈上游由光芯片和電芯片兩部分組成，從芯片制造材料、制造設備等原材料和設施，到芯片設計、芯片制造、和芯片封測等環節，都分別包含光和電兩條子產業鏈。光芯片和電芯片分別制造完成后，加上外圍器件再進行組合封

32、裝，成為完整的光計算芯片，實現光和電的協同工作。經過完整的生產流程，最終生產出的光計算芯片可以提供給產業鏈下游的企業客戶，實現在各行業領域的算力應用（圖 8）。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）15 來源：中國信息通信研究院 圖 8 光經典計算產業鏈 光經典計算產業主要位于美國、歐洲、中國等。其中美國代表性企業包括：Lightmatter、Luminous Computing、Fathom Computing 等（表 1）。美企業技術多沿襲自高校，以上代表性初創企業技術都來源于麻省理工學院等。歐洲方面，英國的 Optalysys 沿襲劍橋大學研究成果，研發實力強勁；法國在光計算領域也

33、出現了初創企業 Lighton。此外，我國企業也不斷發力，曦智科技、光子算數等企業紛紛加入國際光計算產業競爭行列。企業研發進度呈現兩種狀態，部分公司出現業務轉變或拓展。全球約有近 10 家較為典型的初創企業已經形成以光計算為核心的主營業務，主打產品為基于光芯片的光計算加速器，并配套開展軟件、系統、原型機的研制與開發。當前企業研發進度呈現兩種狀態。一是光計算業務停滯，如 Fathom Computing 暫無商用消息，Lighton 從 2020年起專注于為生成式 AI 構建并商業化基礎模型；二是光計算業務積極推動，如 Lightmatter、Optalysys、光子算數等積極推出光計算新產品，

34、為傳統電計算提供光學協處理加速。Lightmatter 的 AI 推理加速光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）16 芯片 Envise，已開始應用于人工智能背景下的推理過程。Optalysys 的FT:X 2000 光學處理器主要的應用場景包括無人駕駛、醫學圖像分析以及安全系統等，而即將推出的全同態加密加速器芯片預計將有效解決全同態加密過程中的速度與功耗問題，應用于電子商務、政府數據管理、人工智能等領域。光子算數的計算加速卡可實現定制化任務計算加速，用于時間序列分析、機器學習推理等過程，已初步部署于企業業務機房。與此同時，部分公司業務出現由光計算向光互連轉變或拓展趨勢，如 Lumino

35、us Computing 的重點從光計算向芯片間光互連轉變，Lightmatter、曦智科技由單純光計算向光互連領域拓展。表 1 光經典計算企業及產品情況 國家國家 企業企業 產品類型產品類型 產品名稱產品名稱 商用情況商用情況 商用時間商用時間 美國 Lightmatter AI 推理加速芯片 Envise 已商用 2021 年 可編程光互連芯片 Passage 已商用 2022 年 深度學習軟件工具套件 Idiom 已商用 2022 年 Fathom Computing 基于分立器件的光計算原型機/樣品階段/Luminous Computing 光學 AI 芯片/樣品階段/歐洲 Optal

36、ysys 光學處理器 FT:X 2000 已商用 2019 年 全同態加密加速器 Enable 研發階段/LightOn 光學協處理器/集成于Jean Zay 超級計算2021 年 光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）17 機 云平臺 LightOn Cloud 已商用 2018 年 本地軟件 LightOn Appliance 已商用 2018 年 來源：中國信息通信研究院(四)產學研持續一體化，三階段推進市場應用(四)產學研持續一體化，三階段推進市場應用 高校、初創企業、行業巨頭協同推動產學研持續一體化。包括微軟、IBM 和 NTT 等在內的國際知名公司和基于高校研究成果孵化的初創

37、公司均投入大量資源，聚焦于推進該領域的發展，但側重點有所不同。行業巨頭主要從需求側出發，研究方向聚焦于針對其主要業務領域中存在的特定計算需求，利用光計算系統實現加速和性能優化。如微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統 AIM，用于加速復雜金融交易問題的迭代計算；IBM 則基于 PCM 材料的集成光子器件實現了基于光域計算集成系統的流量分析和信號異常檢測等。對于初創公司，如孵化于 MIT 的 Lightmatter 和孵化于巴黎高師的Lighton 等，則主要從技術層出發，通過構建相關光學系統，實現卷積、向量乘法、矩陣乘法等算子的光域加速，與 FPGA 或 ASIC 相結合，構建用于通用計

38、算架構的光學協處理器。這些初創企業受到科技巨頭、金融機構的高度重視，獲得大量融資基金用于產品商業落地，如 2023 年 6 月，Lightmatter 宣布籌集了 1.54 億美元的 C 輪融資，7月 Optalysys 宣布籌集了 2100 萬英鎊的 A 輪融資?？傮w來看，高校、初創企業、行業巨頭多方協作，結合各環節力量，構建產學研一體的產業模式（圖 9）。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）18 來源：中國信息通信研究院 圖 9 光經典計算產業視圖 預計未來光經典計算產業路線可分為三個階段。第一階段，當前至未來的 3 年內落地體現光計算優勢的應用場景，如在人工智能、數據中心等場景中

39、基于光計算實現推理和圖形渲染等。第二階段，光計算優勢明確后將進入金融和能源電力市場，該市場需要更多芯片的協同，更大體量的矩陣乘法以及更成熟的軟件體系。第三階段，隨著硬件和軟件體系更加成熟，計劃切入車載計算、移動互聯網等既對算力有需求，同時也對功耗、可靠性、軟件生態等有更高要求的大眾市場中。(五)技術產業挑戰仍存，國內外進度基本持平(五)技術產業挑戰仍存，國內外進度基本持平 當前，光經典計算技術已成為當前研究熱點，但該技術仍處于初級階段，技術與產業發展等方面均存在諸多問題。從技術角度來看，硬件層面存在以下三方面問題。設計成熟度低：當前的設計思路大多基于光電分立式設計，且相關設計也大多集中于器件而

40、非系統層面。集成難度大：光計算涉及異質集成、三維集成、光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）19 光電混合集成等多種先進集成方式，當前發展尚不成熟。系統規模?。弘S著規?；臄U展，光電協同問題更加突出，當前光計算可實現的系統規模仍較小。算法層面存在以下三方面問題。適合特定算法：光芯片時鐘主頻高，適用于數據依賴性高，時間序列相關、語義信息深的算法。此外，當前主流的光計算為模擬計算，無法支持浮點數，即使對于定點數，當精度超過 8 比特時，模擬計算在能耗方面的優勢會減小，因此適用于低比特模型計算，定位于專屬處理單元的加速。光電融合問題：算法推理層面需要光電協同，目前并沒有全光的端到端芯片處理，需

41、要在電域進行指令控制?；旌暇葐栴}：混合精度計算需要開發新的工具鏈。從產業發展角度來看，存在至少以下三方面問題。路線尚未收斂：當前技術路線眾多，任一技術路線實現產品化都需要巨大投入（資金、周期等）。財政資金/資本市場難以同時支持多條技術路線完成“研發-產品-市場”的產業化短期閉環。產品規劃尚不明確：行業處于初期階段，產品形態/目標市場尚不明確，未能牽引研發形成聚焦突破。產業配套服務尚不完善：從事光計算研發的機構多為初創公司或創業團隊，具有流片量少、訂單不穩定、個性化強等特殊性，產線缺乏向此類訂單開放的動力，不利于產業創新生態的培育。全球范圍內的研究與投資熱情增長，我國與歐美基本并跑。隨著各大高

42、校以及微軟和 IBM 等產業巨頭在光計算領域成果的發布，光計算技術的認可度逐步提升。5 年時間里，全球范圍內布局光計算的公司從零星幾家，增加到目前的數十家。我國光計算研究熱情較高，光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）20 北京大學、華中科技大學等多家院所高校均涉足其中，相關學術交流也日益頻繁，Deep Tech 科技創新周先進計算論壇、光電集成芯片立強論壇等均熱烈討論光計算相關主題。華為在 2019 年分析師大會上宣布投資光計算，8 月公開了一份“光計算芯片、系統及數據處理技術”的發明專利，后續與清華等高校開展光計算合作項目，進行探索性前沿研究。以曦智科技和光子算數為代表的初創公司，近

43、三年初步應用落地，但純商業客戶較少，市場仍有待進一步開拓。三、三、光量子計算技術與產業發展態勢(一)分層式架構為主流，兩技術路線并行發展(一)分層式架構為主流，兩技術路線并行發展 構建光量子計算系統，較為公認的技術方案是將復雜系統抽象為分層體系架構，并逐層攻破。其技術框架如圖 10 所示，可大致分為基礎的原理層、物理硬件層、中間層、算法軟件層、功能實現層及面向客戶端的應用層等。與其他技術路線的量子計算平臺相比，光量子計算平臺具有光量子比特相干時間長、平臺易擴展等優點，同時也存在光子不易存儲、難操控等缺點。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）21 來源：中國信息通信研究院 圖 10 光量

44、子計算技術框架 光量子計算根據邏輯門的有無，可分為邏輯門光量子計算和非邏輯門光量子計算。邏輯門光量子計算是當前主流方案，目標是構建通用光量子計算平臺，發展歷程如圖 11 所示。非邏輯門光量子計算主要用于解決特定優化問題，是專用光量子平臺，如相干伊辛機（Coherent Ising Machine，CIM），發展歷程如圖 12 所示。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）22 來源：中國信息通信研究院 圖 11 邏輯門光量子計算發展歷程 來源：中國信息通信研究院 圖 12 相干伊辛機發展歷程 邏輯門光量子計算以光子的偏振、路徑等自由度作為量子比特，通過構建光量子邏輯門并形成光量子線路完成對

45、量子態的幺正操作。光量子比特的邏輯操控可利用相移器、分束器、非線性光學克爾介質等實現空間調制、路徑編碼，并可進一步構成通用光量子邏輯門進行計算。圖 13 是邏輯門光量子計算原理示意圖，計算過程包括三個步驟：量子光源的制備輸入（初態制備）、光量子線路對輸入光源進行幺正操作（初態的幺正演化）、單光子探測器對輸出光子進行測量（末光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）23 態測量）。邏輯門光量子計算優越性首次驗證是由我國中科大的“九章”實現，近期最具代表性的階段性進展是加拿大 Xanadu 在 2022 年6 月推出的 Borealis，其完成了 216 個光子的高斯玻色采樣實驗8。來源：中國信

46、息通信研究院 圖 13 邏輯門光量子計算原理示意圖 以CIM為代表的非邏輯門光量子計算平臺不具備通用量子門集，CIM 是利用量子失協作為計算資源的耗散式量子計算機。圖 14 是CIM 裝置示意圖，CIM 基于相互耦合的光學參量振蕩器網絡，通過以光纖中的激光脈沖相位（相位處于 0 態和態）作為量子比特進行計算，又被稱之為光網絡型量子計算機。CIM 適于形成超大規模的量子神經網絡，可在常溫、常壓下工作，被用于解決組合優化類問題。CIM 起源于美國斯坦福大學，是日本量子計算機的主要研發路線，我國初創公司玻色量子也在從事 CIM 的研發。近年來，CIM 發展迅速，取得許多階段性突破。2021 年 9

47、月，日本 NTT 基礎研究實驗室發布了具有 100,512 個簡并光參量振蕩器脈沖作為 Ising 自旋量子比特的CIM9。2022 年 11 月，中科院光電研究所及中科院半導體所等幾個研究機構聯合發布了支持 25600 個自旋量子比特的 CIM10。2023 年5 月，玻色量子發布了具有 100 量子比特的國內首臺相干光量子計算機“天工量子大腦”。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）24 來源：中國信息通信研究院 圖 14 相干伊辛機實裝置示意圖 現階段，CIM 與邏輯門光量子計算平臺相比，量子比特數占優，或在短期內更具應用前景。目前，邏輯門式光量子平臺的比特數處于數百位水平，而 C

48、IM 已實現數萬個自旋量子比特，CIM 在量子比特數上的壓倒性優勢，或有望使 CIM 更早進入落地商用。(二)遵循三步發展規劃，芯片集成是發展方向(二)遵循三步發展規劃，芯片集成是發展方向 邏輯門光量子計算是構建通用光量子計算平臺的主流技術方案，其發展可大致分為三個階段，如來源：中國信息通信研究院 圖 15所示。光量子計算的第一階段主要任務是驗證光量子計算的優越性，被用來解決諸如玻色采樣這類單一性問題。含噪聲中規模光量子計算包含數百個有噪聲的光量子位元，適合解決分子模擬、組合優化、機器學習等特定問題。這一階段的光量子位元因沒有經過糾錯，只能在有限的相干時間內執行不完美操作，在具體執行時，會與經

49、典計算有機融合，形成互補混合型的架構來處理問題。通用容錯型光量子計算機是發展的終極目標，將包含數百萬個容錯的光量子比特，可根據任務需求進行編程計算。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）25 來源：中國信息通信研究院 圖 15 邏輯門光量子計算發展階段三步走 邏輯門光量子計算根據平臺搭建方式的不同，可分為分立式和集成式兩種。分立式光量子計算平臺通過使用分立的光學元件構建光量子線路，實現高斯玻色采樣等單一目的計算，如“九章”平臺。分立式平臺相較于集成式平臺更易于實現，但缺點是空間占用大、難于擴展，主要用于單一目的計算，不適合作為實現未來通用光量子計算的技術路線。集成式光量子計算相較于分立式

50、平臺，具備體積小、易擴展等優點，可用于解決玻色子采樣、量子模擬、量子仿真等問題，是未來實現通用可編程光量子計算的主流技術路線。集成式平臺通過將經典的集成光子技術和器件進行量子應用，利用單光子源作為量子信息載體輸入，結合晶片尺度的制造工藝，在氮化硅、鈮酸鋰等材料上將各類光學元件進行集成，構建具備信息處理能力的光量子線路，實現芯片集成式光量子計算，如圖 16 所示。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）26 來源：中國信息通信研究院 圖 16 芯片集成光量子計算示意圖 現階段，邏輯門光量子計算的優越性已得到驗證，短期內發展目標將集中在對含噪聲中規模集成光量子計算的技術研究及應用方面。邏輯門光

51、量子計算硬件平臺依托傳統的光芯片技術，發展迅速，未來有望完成大規模集成，其集成芯片化已成為必然趨勢。2023 年 4 月，北京大學等單位聯合發布超大規模集成硅基“光量子計算芯片”“博雅一號”，集成約 2500 個元器件，首次實現了片上多光子高維度量子糾纏態的制備與調控。(三)硬件軟件持續發展，相關產業鏈仍需完善(三)硬件軟件持續發展，相關產業鏈仍需完善 現階段光量子計算仍處于實驗室研發的初級階段。核心參與者不多，科研與市場活躍度呈現增長趨勢，未來將有更多企業/科研機構加入。光量子計算產業視圖如圖 17 所示，包括底層組件支撐系統、光量子處理器整機、軟件開發及應用服務四個環節。從產業鏈來看，光量

52、子計算硬件設備供應及軟件開發商主要以國際公司為主，中國企業也具有一席之地。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）27 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 17 光量子計算產業視圖 光量子計算企業主要集中在歐美地區，我國近年來成立部分企業。光量子企業發展模式主要分兩類，一類遵循軟、硬件協同發展，如Xanadu、Quandela、圖靈、玻色等；另一類是重點發展硬件處理器的設計封裝，如 Photonic Inc、Wave Photonics 等（表 2）表 2 全球光量子計算企業及產品情況 國家國家 企業企業 成立時間成立時間 產品類型產品類型 產品名稱產品名稱 發布時間發布時間 美

53、國 PsiQuantum 2016 年 百萬量級的通用硅光量子計算機/加拿大 Xanadu 2016 年 可編程光子量子計算機 Borealis 2022 年 軟件 Xanadu Quantum Cloud 2021 年 Strawberry Fields 2021 年 模擬器 Lightning 2022 年 Photonic Inc 2016 年 硅基光量子芯片設計制造/光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）28 英國 Wave Photonics/集成光量子電路封裝/ORCA Computing 2019 年 可擴展光量子計算機/TundraSystems Global 2014

54、年 光量子處理器系統/法國 Quandela 2017 年 光量子計算平臺 MOSAIQ/軟件 Perceval/光源設備 PROMETHEUS/荷蘭 QuiX Quantum 2019 年 集成式光量子處理器 12-qumodes 2021 年 20-qumodes 2021 年 丹麥 Sparrow Quantum 2016 年 光量子計算技術組件 單光子芯片/來源：中國信息通信研究院 光量子計算關鍵硬件組件包括量子光源、單光子探測器以及光量子芯片，其中光量子芯片是核心，是各企業研發重點。近年來，多個光量子計算企業通過與芯片制造商合作或自建芯片試線研發光量子芯片。美國 PsiQ 與全球領先

55、半導體制造商 GlobalFoundries 合作研發基于硅光集成光量子系統 Q1。加拿大 Xanadu 與 Imec 合作開發了基于超低損耗氮化硅波導的下一代量子比特。Xanadu與GlobalFoundries合作制造了 300 mm 硅光器件。我國成立了無錫光子芯片聯合研究中心，用于研發高端光子芯片工藝技術?？傮w而言，光量子計算的芯片產業正以循序漸進的逐步發展。光量子軟件正處于架構探索和迭代發展的起步階段，根據功能不同可大致分為兩類：光量子計算編譯軟件和光量子計算應用開發軟件，光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）29 如圖 18 所示。光量子計算編譯軟件位于光量子計算硬件平臺上層

56、，既是光量子技術軟件發展的助推器，亦是應用服務開發的支撐平臺，自下而上包括光量子指令集、量子中間語言（QIR）和編程框架。光量子計算指令集是面向光量子處理器的特定量子指令集，通過一系列光量子處理器可以識別并執行的物理指令來控制光量子操作時序等底層信息。QIR 通過將高級編程語言轉化為量子計算機可識別語言，實現二者之間的有效通信，是實現經典-量子混合算法的關鍵一環。同時，QIR 是量子硬件平臺無關語言，它將量子指令或門集信息留給目標計算環境，以便后續量子指令的優化生成。目前，光量子指令集及量子中間語言尚處于發展初期，國內外光量子計算初創企業及相關科研結構正積極投入布局。光量子計算應用開發軟件是面

57、向量子模擬、量子金融、組合優化等各類應用場景研發的應用軟件。服務商可通過向用戶提供光量子軟件開發工具包和光量子計算云平臺進而為用戶提供解決方案。量子軟件開發工具包是用來開發量子算法的工具，可用于使用經典編程語言的量子模擬器；光量子計算云平臺為用戶提供訪問量子計算機的途徑，用戶可通過量子云平臺在真正的量子計算機上測試他們的代碼?，F階段這類軟件的研發及發布主要由國內外從事光量子計算研發的科研團隊及企業主導。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）30 來源：中國信息通信研究院根據公開信息整理 圖 18 光量子計算軟件示意圖 近年來，國內外企業均開始積極布局光量子計算軟件。2018 年，全球首款

58、專用光量子計算軟件 FeynmanPAQS 由上海交大金賢敏教授團隊自主研發成功并發布。FeynmanPAQS 作為光量子芯片設計輔助系統與光學模擬系統，被用來配合光量子計算機 TuringQ Gen1 形成軟硬一體的用戶體驗。加拿大 Xanadu 推出了 Xanadu Quantum Cloud(XQC)云平臺服務和 Strawberry Fields 應用程序庫，使企業和研究人員可以使用 Xanadu 的光子量子計算機。量子計算軟件公司 Quantum Computing Inc.（QCI）在 2022 年 5 月收購了光量子計算硬件公司QPhoton，加速光量子計算體系的可訪問性。目前光

59、量子計算軟件仍處于初級發展階段，相關產品仍在不斷更新研發中。高質量光量子軟件的存在既可以使用戶能夠更好的使用光量子硬件平臺，同時也是促進光量子計算不斷發展進步的一個重要因素。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）31 (四)多國積極布局規劃，政策及資金支持加大(四)多國積極布局規劃，政策及資金支持加大 近年來，光量子計算領域逐漸引起政、企、研、用等多方重視，全球多國紛紛通過制定項目規劃，加大投融資等舉措支持以光量子計算為代表的多條量子計算路線的科研及產業發展，如表 3 所示。表 3 全球各國涉及光量子的項目規劃不完全統計 區域區域 國家國家/組織組織 項目規劃項目規劃 發布時間發布時間

60、歐洲 歐盟 戰略研究和產業議程(量子旗艦)2022 年 英國 國家量子技術計劃 2013 年“光量子集成電路封裝(QPICPAC)項目”2022 年 國家量子戰略 2023 年 德國“光量子項目”（企業合作類，5000 萬歐元）2022 年 量子技術行動計劃 2023 年 荷蘭“光子集成電路項目”（總投入 11 億歐元）北美 美國 量子互聯路線圖 2022 年 芯片和科學法案（其中 2500 萬美元投給 PsiQ 和格芯）2022 年 加拿大 量子光子學傳感與安全研發計劃 2014 年 國家量子戰略（4000 萬加元投給光量子企業 Xanadu）2023 年 亞洲 日本 量子科學技術（光量子技

61、術）的新推進方策 2017 年 光量子躍遷旗艦計劃（Q-LEAP）2018 年“光量子計算機研發計劃”（總投入 2000億日元）2021 年 量子技術創新戰略（最終報告）2020 年 量子未來社會展望 2022 年 韓國 量子科技發展戰略 2023 年 新加坡“國家量子計算中心(NQCH)”和“國家量子無晶圓廠(NQFF)”2022 年 澳大利亞 澳大利亞 國家量子戰略 2023 年 來源：中國信息通信研究院 光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）32 歐洲在光子集成方面有豐富的經驗，可以利用光子集成為量子技術創建全球量子供應鏈。在由歐盟資助的量子旗艦計劃中，集成光量子已被公認為量子通信

62、供應鏈的基礎技術，研究重點是開發優化光量子材料、架構和器件，并集成到光量子電路中。英國方面，自 2013 年開始實施的英國國家量子技術計劃建立了量子通信中心和量子計算與模擬中心，這兩個中心都有關于集成光量子技術和光量子集成電路技術的工作計劃。德國方面，2022 年由德國初創企業 Q.ANT 牽頭，聯合 14 家合作伙伴共同開展了光量子項目，旨在加快可在常溫下運行的光量子計算芯片研發。荷蘭方面，2022 年 4 月，荷蘭政府通過國家基金并聯合私營企業向光子集成電路產業投入 11 億歐元，以加速光子芯片技術創新研究。北美通過政策支持、加大投資等方式支持集成光量子計算的技術研發和制造。美國方面，能源

63、部于 2020 年確定光量子設備組件的優先發展機會，包括量子光源、光量子存儲器、單光子探測器等。同時，由于光量子系統可以與國防量子傳感器更好地結合，美國防部更為青睞光量子計算發展。美國政府在 2022 年向格芯(GlobalFoundries)及PsiQuantum 聯合撥款 2500 萬美元以支持光量子芯片開發。加拿大于2014 年提出的量子光子學傳感與安全研發計劃，重點推進科學研究和量子應用的發展。2023 年 1 月，加拿大宣布啟動國家量子戰略，其中 4000 萬加元被投資給光量子企業 Xanadu。亞洲多國高度重視光量子技術產業發展。我國一直大力支持光量子技術的發展，自 2015 以來

64、，我國科技部等主要的資助機構以及各光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）33 地方機構，為集成光量子研發提供了約 5000 萬元人民幣。新加坡在大約 15 年前建立了量子技術中心，并提出了國家量子工程計劃，為重點研究項目提供資金。研究目標包括基于波導和光纖的超大規模光子集成平臺、硅量子光子學等方向。日本政府將光學和量子技術視為優先研發領域，并制定了長期國家戰略 2020年量子技術創新戰略，著眼于技術的產業化和創新。澳大利亞在傳統光子學的研究及產業方面具有良好基礎，光譜學、網絡安全和量子計算領域初創公司的出現促進了光量子計算的發展。澳大利亞有幾個專注于光子學和量子技術的大型卓越中心，各政府

65、機構投入了大量資金。澳大利亞在在光量子領域的研究優勢在于集成量子光子電路的制造，其相關研究人員數量正在穩步增長，澳大利亞完全有能力將這些技術推向市場，并培養新一代科學家和工程師。(五)當前我國局部領先，未來發展仍面臨挑戰(五)當前我國局部領先，未來發展仍面臨挑戰 光量子計算發展正處于初期階段，技術研究、應用探索和產業生態保持平穩發展態勢。技術研究方面，光量子計算硬件物理平臺的比特數頻頻刷新紀錄，相關物理器件持續研發跟進，光量子電路集成芯片化也在不斷推進中。應用產業方面，關于光量子計算算法和應用的探索也在不斷深入，在量子化學、生物醫藥等組合優化問題方面的探索可能率先誕生“殺手級”應用。量子計算軟

66、件系統研究取得較大進展，量子云計算應用和產業生態建設加速發展，科技巨頭相互競爭態勢更加明顯?？蒲蟹矫?，我國率先實現光量子計算優越性驗證，在全球范圍內光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）34 占有一席之地。2020 年 12 月，中科大潘建偉院士團隊在“九章”平臺上成功實現了高斯玻色采樣實驗，實現光量子計算優越性的首次論證。2021 年，該團隊對九章進行擴展，從 76 個光子擴展到 113 個光子，再次驗證了光量子計算的優越性。繼我國之后第二個在光量子計算平臺上實現量子計算優越性的團隊是來自加拿大的 Xanadu。2022年 6 月，Xanadu 推出了可編程平臺 Borealis，并在

67、該平臺上進行了高斯玻色采樣實驗，在36s內探測了216個光子序列?！熬耪隆焙虰orealis各有優劣勢，“九章”采用的是分立式光量子器件，Borealis 是集成芯片式平臺。在可編程性及光子數方面，Borealis 優于“九章”；在凈透射率和干涉儀深度方面，“九章”優于 Borealis。我國在光量子器件性能提升以及光量子芯片的研發方面保持良好發展態勢，并在探測器領域保持國際領先優勢。關于光子源的制備，我國研究團隊處在領先地位，中科大潘建偉團隊自 2013 年首創量子點脈沖共振激發技術后，一直引領高性能量子點單光子源的發展。糾纏光源方面，2023 年 6 月，中科大郭光燦院士團隊基于自發四波混

68、頻過程實現了量子糾纏光源的低溫集成，此成果為光量子器件的片上集成和低溫條件下的應用奠定了基礎11。在探測器方面，我國賦同量子的尤立星團隊研發的超導納米線單光子探測器（SNSPD）在國際上處領先水平，該團隊于 2020 年 11 月推出的基于氮化鈮材料的 SNSPD，其探測效率達 98%；2022 年 8 月，該團隊在國際電工委員會（IEC）牽頭制定的首個單光子探測器國際標準獲批發布。在集成光量子芯片研制方面，芯片襯底材料的測試找尋、芯片互聯結構的搭建等均在積光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）35 極探索中，我國北京大學、浙江大學等多個團隊致力于此。2023 年 4月，北京大學等團隊合

69、作研制了超大規模集成硅基“光量子計算芯片”“博雅一號”，實現了片上多光子高維度量子糾纏態的制備與調控12。國外光量子集成芯片研發團隊較為有代表性的是 PsiQuantum和 Xanadu。此前，PsiQuantum 與 GlobalFoundries 合作生產了 300mm晶圓的硅基光量子芯片，并在芯片上集成了單光子源和光子探測模塊。Xanadu 與 GlobalFoundries 于 2022 年 3 月建立合作，旨在研制含糾錯能力的光量子芯片，首批全功能設備預計將于 2023 年底準備就緒。企業方面，近年來國內外多家光量子初創公司相繼成立，其中以歐美企業居多，實力較強。國外的光量子企業主要

70、分布在美國、加拿大以及歐洲等地，實力較為突出的當屬加拿大的 Xanadu 和美國的PsiQuantum。Xanadu 已推出多款硬件、軟件以及模擬器產品；PsiQuantum 自 2016 年創立之初就以建立 100 萬量子比特的容錯光量子計算機為目標，估值達 31.5 億美元。我國的光量子科技公司有圖靈量子、玻色量子兩家，雖起步稍晚，但發展迅速，目前已有軟、硬件產品推出（見表 2），彰顯了一定的企業實力。綜上所述可知，我國光量子計算基礎科研及部分光量子器件發展與國際先進水平基本持平，產業發展略遜色于起步較早的美、加等國。光量子計算未來發展仍有許多棘手問題尚待解決。在硬件方面，最為典型的棘手問

71、題當屬容錯光量子邏輯門的構建問題，眼下雖涌現出了一些較為認可的理論方案，如利用表面碼構建邏輯比特，但距離實驗實現尚需時日。實現容錯可編程的通用光量子計算至少是十年以上的光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）36 遠期目標。此外，設計成熟度低、集成難度大、系統規模小等與光經典計算的共性技術問題也有待解決。在軟件算法和應用探索方面，關于光量子計算的軟件系統和適用范圍的探索還處于起步階段，相關軟件數量有限，功能也較為局限單一，同時獲得超越經典計算優勢的光量子計算的實用案例尚未明確，故光量子計算的實際應用場景仍需進一步探索。產業方面，人才短缺問題明顯。未來通用光量子計算機的實現，必然需要不同領域

72、的人才通力合作，而目前的人才數量以及培養模式還不足以支撐產業的發展。未來，應加大人才培育力度，保證行業人才供給，促進光量子計算領域的持續快速發展。標準方面，光量子計算標準化工作尚處于起步階段，主要在術語定義、光量子器件等方面開展規范性研究，目前國際標準組織 ISO/IEC JTC1、IEEE、ITU-T 和國內標準組織 TC578 主要開展術語定義類標準研究，IEC TC90 則從事光量子器件方面的標準研制。四、四、總結與建議(一)光計算多領域應用前景廣闊(一)光計算多領域應用前景廣闊 光計算速度的提升有望在一定程度上解決各個領域中對大數據處理的急切需求，在未來萬物互聯的智能社會中，光計算可以

73、在人工智能、氣象監測、金融投資、生物醫藥等諸多領域發揮重要作用。人工智能領域。神經網絡計算中，90%左右的時間和能耗用于進行矩陣乘法運算，驅動經典計算機的深度學習算法需要使用嵌套循環進行乘法運算，而光學技術十分適合用于以完全并行的方式進行矩陣乘法運算。此外，使用光學的硬件以光速運行，延遲只受到光學系統光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）37 的飛行時間的限制，而且能量耗散非常少，結合光的自然并行性和速度已經產生了強大的計算能力。未來隨著硬件的發展以及人工智能技術的完善，這兩個領域的交叉結合可能會在真正實用化應用方面產生突破，突破方向可能包括處理龐大的數據量、建立更優秀的模型、研究更準確

74、的算法以及使用更多數據集等。氣象監測領域。氣象模型非常復雜，需要強大的算力設備，隨著全球氣候變化加劇，通過強化算力以提升氣候監測水平，成為越來越多國家的共識。2022 年，法國量子計算公司 PASQAL 宣布與化學公司巴斯夫就天氣預測等應用展開合作，目的為探索如何將量子計算用于預測天氣。金融投資領域。隨著多樣化金融服務的普及，金融行業的經營模式、基礎框架與產業模式也在經歷重大變革，對于算力的要求也越來越高，目前已有多家光量子計算企業與研究機構以及金融機構均開始探索量子計算應用。但由于目前可使用的光量子系統規模較小，大部分基于已有成果是實驗性的，何時應用能夠落地尚需觀察，光量子計算對于金融領域產

75、生真正影響可能仍需時日。生物醫藥領域。光經典計算已可用于基因序列比對，Optalysys 光協同處理技術在基因測序方面具有很高的靈敏度，于 2017 年展示了其首款商用產品，該產品的數據處理能力相比于現有的電子計算能力有較大提升。傳統藥物研發流程過程極為緩慢且費用極高。光量子計算能夠用于模擬候選藥物與體內靶點之間的相互作用，其與人工智能的相互配合，利用人工智能的自動化使數據收集的成本更低且更可靠，光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）38 有選擇地評估藥物特性,從而快速篩選大量藥物。光計算對于生物醫藥領域的潛在影響主要體現在提高設計效率、提升現有材料性能、縮短上市時間以及節約研發成本等方

76、面。目前這些方面已有一些初期研究結果，但依舊受限于系統硬件技術，目前的階段性成果主要停留在實驗驗證階段。未來隨著技術的逐漸成熟，光計算在未來幾十年的時間里可能對生物醫藥領域產生深遠影響，長期潛力較大。(二)光計算仍處發展的初級階段(二)光計算仍處發展的初級階段 光經典計算與光量子計算均基于傳統光器件技術與產業基礎，具備一定的共用性，但當前發展尚不成熟，光計算在發揮巨大潛力的進程中，仍然面臨著許多挑戰：關鍵技術尚未完全成熟，諸多方案有待驗證。當前光計算尚未經歷大規模應用驗證，需要底層硬件和軟件算法等多方面技術共同推進。硬件層面包括設計成熟度低、集成難度大、系統規模小以及容錯光量子邏輯門的構建等問

77、題。軟件算法層面包括適合特定算法、光電融合、混合精度以及軟件系統尚不成熟等問題。學術界與產業界需持續推進研究，進行的諸多技術探索方案有待進一步驗證。行業處于發展初期，產業化鏈條有待完善。當前光計算產業仍處起步階段，市場與產品尚未定型，技術路線眾多導致財政資金與資本市場難以同時支持多條技術路線產業化。產業配套服務尚不完善，從事光計算研發的機構多為初創公司或創業團隊，產線向此類流片量少、訂單不穩定、個性化強的訂單開放動力不足。另外此賽道內公司與人才數量短缺，影響產業快速發展。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）39 計算領域滲透率不足，新應用場景有待挖掘。鑒于光計算技術與產業發展尚不成熟的

78、現狀，用戶存在成本和可靠性等較多顧慮，還未開始大量部署。光計算目前主要應用于在數據中心、高性能計算中心等場景，但滲透率明顯不足。同時，工業制造、安全生產、醫療、金融等行業的數據計算與處理的大量需求還需要進一步深耕，大量的新場景等待開發。(三)光計算預計將分三階段推進(三)光計算預計將分三階段推進 當前及未來算力需求遠超實際算力供給能力，光計算采用光作為信息處理的基本載體，突破現有電子計算瓶頸，成為未來探索的重要方向。光經典計算方面，光電混合光計算是當前主流計算框架，“結構即功能”的專用模擬計算近年來成為發展熱點。預計發展路線將按照三步走計劃，從初步落地到拓展應用場景再到更為大眾的市場中去。當前

79、產業鏈整體成熟度偏低，產品種類偏少且產量有限，但全球范圍內的研究與投資熱情增長。光量子計算方面，分層式架構為主流，計算平臺的發展路線預計將按照三步走計劃，從光量子計算優越性驗證到含噪聲的中規模光量子計算，而通用容錯型光量子計算機是光量子計算發展的終極目標?，F階段光量子計算仍處于實驗室研發的初級階段，核心參與者不多，科研與市場活躍度呈現增長趨勢。(四)技術攻關協同產業應用發展(四)技術攻關協同產業應用發展 針對光計算面臨的問題，本報告從技術、產業、應用三個方面給光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）40 出我國光計算的發展建議。攻克關鍵技術難題，促進核心技術產業化。加強光計算關鍵技術研發和

80、產業化方面的人員、設備、資金等方面的投入力度，聚集優勢資源集中攻堅，促進光電芯片的仿真、設計、驗證等 EDA 流程優化、芯片加工工藝以及三維集成封裝等光經典計算與光量子計算共性技術發展，推動解決集成度低、集成難度大、系統規模小、容錯性邏輯門構建等問題，促進核心技術產業化落地。推動全產業鏈建設，優化企業扶持政策。加強產學研結合，推動產業鏈的上下游聯動。把光計算芯片納入國家發展戰略之中，推動半導體材料、光芯片器件等光經典計算與光量子計算共性產業支撐基礎發展，進一步完善產業配套服務。充分發揮資本和地方投資對新型產業和技術的激勵作用，設立專項基金支持產業發展，針對優秀企業給予優惠政策和獎勵措施。開展新

81、應用試點，助推商業化落地。推動擴大光計算在數據中心、高性能計算中心等場景的應用范圍，深入挖掘新型商業落地模式，落地一批應用示范。探索其在消費、教育、智能制造等業務領域的拓展能力，形成企業可持續發展的良好商業模式。光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）41 參考文獻 1 李修建,賈輝,楊俊波等.光計算技術基礎,2013.2 Pierre Ambs,Optical Computing:A 60-Year Adventure,Advances in Optical Technologies 2010,372652(2010).3 Zhiping Zhou,Pengfei Xu,Xiaowen

82、Dong.Computing on Silicon Photonic Platform.Chinese Journal of Lasers 47,060001(2020).4 方中勤.全光邏輯門關鍵技術研究.北京郵電大學,2018.5 Wu J,Lin X,Guo Y,et al.Analog Optical Computing for Artificial Intelligence.Engineering 10,133-145(2022).6 龍運.基于硅基光子器件的光子信息處理.華中科技大學,2019.7 曦智科技.大規模光電集成賦能智能算力網絡白皮書,2023.8 Madsen,L.S.

83、,Laudenbach,F.,Askarani,M.F.et al.Quantum computational advantage with a programmable photonic processor.Nature 606,7581(2022).9 Toshimori Honjo et al.,100,000-spin coherent Ising machine.Sci.Adv.7,eabh0952(2021).10 Cen,Q.,Ding,H.,Hao,T.et al.Large-scale coherent Ising machine based on optoelectroni

84、c parametric oscillator.Light Sci Appl 11,333(2022).11 Lantian Feng,Yujie Cheng,Xiaozhuo Qi,et al.,Entanglement generation using cryogenic integrated four-wave mixing,Optica 10,702-707(2023).光計算技術與產業發展研究報告（2023 年）42 12 Bao,J.,Fu,Z.,Pramanik,T.et al.Very-large-scale integrated quantum graph photonics.Nat.Photon.17,573581(2023).中國信息通信研究院中國信息通信研究院 技術與標準研究所技術與標準研究所 地址：北京市海淀區花園北路地址：北京市海淀區花園北路 52 號號 郵編：郵編：100191 電話：電話：010-62300112 傳真：傳真：010-62300123 網址：網址：