《量子科技產學研創新聯盟：2024量子計算性能評估基準研究報告（87頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《量子科技產學研創新聯盟：2024量子計算性能評估基準研究報告（87頁）.pdf（87頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 在當前的 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）時代，量子計算技術正從理論研究的深谷走向實際應用的廣闊天地。隨著各種量子計算原型機相繼問世并逐步投入市場，標志著量子計算技術進入了一個嶄新的發展階段。然而，準確評估這些量子計算機的性能，成為了一個亟待解決的關鍵問題。為了應對這一挑戰，本報告深入調研分析了不同物理體系量子計算機的結構組成和工作原理，包括超導體系、光量子體系、離子阱體系以及中性原子體系，探討了評估量子計算性能不可或缺的模塊指標和系統指標，如量子比特的相干時間、量子門保真度等，在此基礎上提出一套多維度的評估體系，從基礎測控、綜合性能和應用性能三個

2、層面對量子計算機進行全面而深入的評估?；A測控著重于量子計算機的硬件性能和操作精度；綜合性能評估則著眼于量子計算機的整體性能；而應用性能則專注于量子計算機在解決實際問題時的表現和效能。該多維度的評估方法旨在更全面、更精準地衡量量子計算機的性能，為量子計算技術的發展和優化提供有力的指導和支持，也將有助于推動量子計算機性能評估標準的建立，促進量子計算技術的健康發展和廣泛應用，為未來的科技進步和創新奠定堅實的基礎。編制編制單位：單位：中國科學技術大學、科大國盾量子技術股份有限公司、華翊博奧（北京）量子科技有限公司、中科酷原科技（武漢）有限公司、中國信息通信研究院、濟南量子技術研究院、中電信量子信息科

3、技集團有限公司、華為技術有限公司、武漢量子技術研究院、無錫江南計算技術研究所、中國科學院計算技術研究所、中國人民解放軍國防科技大學、杭州知量科技有限公司、本源量子計算科技（合肥）股份有限公司、深圳市騰訊計算機系統有限公司、京東科技信息技術有限公司、中國電子技術標準化研究院、中國計量大學、中國人民解放軍網絡空間部隊信息工程大學、中國電子信息產業集團有限公司、山東新一代標準化研究院有限公司、山東量子科學技術研究院有限公司 編寫組編寫組：朱曉波、趙勇、李東東、吳玉林、何玉明、楊嵩翔、湯彪、趙梅生、梁福田、蔡明磊、付卓、張萌、周飛、孫漢濤、鄒作恒、吳澤文、吳東、李萌、吳偉、丁艷、趙勇杰、張勝譽、鄔興堯

4、、張弛、譚愛紅、黃合良、王增斌、郭凱 目目 錄錄 1.前言前言.1 2.縮略語縮略語.2 3.量子計算研究進展量子計算研究進展.2 3.1.超導量子計算研究進展與產業化.3 3.2.光量子計算研究進展與產業化.8 3.3.離子阱量子計算研究進展與產業化.9 3.4.中性原子量子計算研究進展與產業化.16 3.5.量子計算性能評估研究進展.19 4.超導量子計算體系超導量子計算體系.20 4.1.超導量子計算概述.20 4.1.1.超導量子計算的基本原理.20 4.1.2.超導量子計算的優劣勢分析.22 4.2.模塊分類與技術指標.23 4.2.1.模塊分類.23 4.2.2.量子處理器.24

5、4.2.3.低溫低噪聲平臺.27 4.2.4.測控系統.30 4.2.5.模塊指標小結.31 5.光量子計算體系光量子計算體系.32 5.1.光量子計算概述.32 5.1.1.光量子計算的基本原理.32 5.1.2.光量子計算的優劣勢分析.34 5.2.模塊分類與技術指標.36 5.2.1.模塊分類.36 5.2.2.量子光源模塊指標.36 5.2.3.光量子線路模塊指標.37 5.2.4.單光子探測器模塊指標.37 5.2.5.模塊指標小結.38 6.離子阱量子計算體系離子阱量子計算體系.40 6.1.離子阱量子計算概述.40 6.1.1.離子量子計算的基本原理.40 6.1.2.離子阱量子

6、計算的優劣勢分析.42 6.2.模塊分類與技術指標.43 6.2.1.模塊分類.43 6.2.2.光源模塊.44 6.2.3.光控模塊.46 6.2.4.電控模塊.48 6.2.5.真空囚禁模塊.51 6.2.6.模塊指標小結.52 7.中性原子量子計算體系中性原子量子計算體系.55 7.1.中性原子量子計算概述.55 7.1.1.中性原子量子計算的基本原理.56 7.1.2.中性原子量子計算優劣勢分析.58 7.2.模塊分類與技術指標.59 7.2.1.模塊分類.59 7.2.2.激光光源系統.60 7.2.3.激光調制系統.61 7.2.4.核心物理系統.62 7.2.5.控制系統.63

7、7.2.6.模塊指標小結.64 8.不同體系量子計算評估技術不同體系量子計算評估技術.65 8.1.基礎測控指標.65 8.2.綜合性能指標.69 8.3.應用性能指標.72 9.總結與展望總結與展望.76 9.1.主要研究結論.76 9.2.未來工作建議.76 10.參考文獻參考文獻.77 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 1 1.前言 量子計算研究正成為全球科技領域的熱點，其深遠的意義在于它為解決復雜問題提供了前所未有的計算能力。量子計算機利用量子比特的疊加和糾纏特性，有望在密碼學、藥物設計、材料模擬、優化算法等領域實現突破，推動科學研究和技術創新。同時，量子計算的發展

8、還可能帶動量子通信、量子傳感等新技術的進步，為社會帶來廣泛的經濟和產業變革。隨著量子技術的不斷成熟，量子計算有望在未來幾十年內成為推動社會進步的重要力量，對教育、經濟、產業等多個領域產生深遠的影響。當前，我們正處于 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）時代，多種量子計算原型機相繼面世，甚至開始推向市場。然而，評估這些量子計算機的性能卻是一項極具挑戰的任務。盡管性能評估對于指導量子計算技術的發展和優化至關重要，但目前尚未形成統一的評估標準。量子計算機的性能評估需要綜合考慮量子比特的相干性、量子門保真度、系統穩定性和可擴展性等。面對量子計算機的多樣性和復雜性

9、，建立一套全面、公正且可操作的評估體系，對于推動量子計算技術的健康發展和商業化應用具有重要意義。為了解決這一評估難題，我們開展了深入的調研與研究，形成了本報告。我們對不同體系的量子計算機進行了全面的調研，分析了它們的結構組成，探討了模塊指標。在此基礎上，我們提出了從基礎測控、綜合性能和應用性能等三個不同維度來評估和比較量子計算機的性能。這種多維度的評估方法能夠更全面地反映量子計算機的實際性能，為量子計算技術的發展和優化提供指導。本研究報告共分為9章，相關章節內容安排如下：第1章：前言。介紹了本報告研究的背景以及主要研究內容。第2章：縮略語。第3章：對量子計算的基本概念、原理及不同物理體系下量子

10、計算機硬件的發展現狀進行簡要綜述。第4章：超導量子計算體系。分析超導量子計算的架構和模塊組成，研究模塊級指標。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 2 第5章：光量子計算體系。分析光量子計算的架構和模塊組成，研究模塊級指標。第6章：離子阱量子計算體系。分析離子阱量子計算的架構和模塊組成，研究模塊級指標。第7章：中性原子量子計算體系。分析中性原子量子計算的架構和模塊組成，研究模塊級指標。第8章：不同體系量子計算評估技術。研究不同體系量子計算機之間比較的共性技術指標和測試方法。第9章：總結與展望?？偨Y本報告研究的主要觀點與結論，以及對于未來工作提出建議。2.縮略語 下列縮略語適用于

11、本研究報告。QC：量子計算（Quantum Computing）SQC：超導量子計算（Superconducting Quantum Computing）OQC：光量子計算（Optical Quantum Computing）ITQS：離子阱量子計算（Ion-Trap Quantum Computing）SFQ：單磁通量子（Superconducting Flux Quantum）NISQ：含噪聲的中等規模量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum）TSP：旅行商問題（Traveling Salesman Problem）VQE：變分量子本征求解器（Variatio

12、nal Quantum Eigensolver）F-VQE：可行 的 變 分量子本征求解器（Feasible Variational Quantum Eigensolver）3.量子計算研究進展 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 3 量子計算是一種利用量子力學原理進行信息處理的新型計算模式。它與傳統的經典計算有著本質的區別，主要體現在量子比特（qubits）的使用上。量子比特不同于經典計算中的二進制比特，它們可以同時處于0和1的疊加狀態，這使得量子計算機能夠同時處理大量數據。此外，量子比特之間可以產生量子糾纏，這是一種即使在空間上相隔很遠也能保持的強相關性，使得量子計算機在

13、執行特定任務時展現出超越傳統計算機的計算能力。量子計算的應用前景廣闊，它在密碼學、藥物設計、材料科學、金融模型分析、優化問題等領域具有巨大的潛力。例如，在密碼學中，量子計算機能夠高效解決大數分解、離散對數和橢圓曲線等數學難題，將對現有公鑰密碼算法構成嚴重威脅，對現有的網絡安全體系構成挑戰。在藥物設計領域，量子計算機可以模擬復雜的分子結構，加速新藥的研發過程。在材料科學中，量子計算機能夠模擬新材料的性質，幫助科學家發現具有特定性能的新材料。量子計算的發展現狀是激動人心的，同時也充滿挑戰。目前，量子計算還處于原型機攻關階段，多種技術路線并行發展。這些技術路線包括超導量子計算、離子阱量子計算、光量子

14、計算、中性原子量子計算等。每種技術都有其獨特的優勢和面臨的挑戰。每一種技術路線都有可能在特定應用場景下發揮優勢，推動量子計算技術的發展，為量子計算的突破和應用提供了多樣化的選擇和可能性。3.1.超導量子計算研究進展與產業化 3.1.1.硬件研究進展 超導量子比特主要基于約瑟夫森結，最早由日本的Nakamura等人于1999年成功制備。同年，他們完成了對其的相干操控。超導量子比特由于其良好的可擴展性而受到廣泛關注。2004年，Wallraff等人展示了在固態系統中可以實現強耦合狀態，并且實驗觀察到了超導兩能級系統與單個微波光子的相干相互作用。2006年，Steffen等人實現了單次測量完成超導量

15、子比特的量子態層析。2016年，IBM公司首次在網絡上云端上線5比特量子計算機。同年，來自Google公司的Martinis小組發文宣布使用9比特的超導量子系統成功仿真了一個氫原子。次年2017年，英特爾與IBM分別宣稱將一個超導量子芯片所集成的比特數提升到了17比特。同年，來自國內的中國科學技術大學潘建偉小組與阿里巴巴公司聯合發布量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 4 了l0比特成熟可操控的超導量子計算機并于云端上線，這也是國內首臺可通過網絡訪問的量子計算系統。2018年，該小組再次完成12比特真實糾纏實驗以及12比特強關聯量子游走實驗。同年的國際CES(Internati

16、onal Consumer Electronics Show)展會上，英特爾公司展示了49比特的超導量子芯片。谷歌緊隨其后于2018年3月份發布了名為Brislecone的72比特超導量子芯片。2019年，谷歌率先實現量子優越性實驗，利用53個量子比特進行了隨機線路采樣實驗，量子處理器在200秒左右的時間內從量子電路中采集了100萬個樣本，而當時最強大的超級計算機大約需要1萬年的時間才能完成這一任務。雖然隨后經典模擬算法的改進，谷歌的量子優越性不斷受到挑戰和質疑，但這是超導量子計算發展中的一個重要里程碑。2021年，中國科學技術大學構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對

17、“量子隨機線路取樣”任務的快速求解?！白鏇_之二號”處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數量級，計算復雜度比谷歌公開報道的53比特超導量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個數量級（“懸鈴木”處理“量子隨機線路取樣”問題比經典超算快2個數量級），這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章”后在超導量子比特體系首次達到“量子計算優越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時在兩種物理體系都達到這一里程碑的國家。除了在單芯片上集成更多比特以外，另一種增加超導量子比特數量的方法是將多個芯片互聯起來。2012年，來自蘇黎世聯邦理工學院的Wallraff等人成功將固態系統中局域的超導量子比特與傳播

18、的光場耦合起來，并實現了兩者的糾纏，為構建更大規模量子計算機提供了新的工具。該課題組在2018年借助超導量子比特的高能級，在兩個相距80cm的比特之間實現了80%保真度的態傳輸和糾纏態制備，驗證了利用超導量子比特構建量子網絡的可行性。無獨有偶，同年來自耶魯大學的Schoelkopf等人在兩個獨立的超導腔量子儲存器之間實現了量子態，態傳輸速率大于損失速率，使建立復雜網絡成為可能。2020年，Wallraff等人將兩個相距5米的稀釋制冷機改造并將低溫區連接起來，實現了在不同制冷機的兩個芯片之間實現了85%保真度的態傳輸。2021年來自芝加哥大學的Cleland和鐘有鵬等人用1米長的鈮鈦線將兩個獨立

19、封裝的超導量子芯片連接起來，并實現了三比特糾纏態的跨芯片傳輸。2023年來自南方科技大學的鐘有鵬課題組將夸芯片態傳輸的保真度提升到99%以上，達到了單芯片水平，并實現了跨3個芯片的的12比特量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 5 最大糾纏態制備。超導量子比特之間的跨芯片互聯技術在不斷發展，有望在單芯片晶圓尺寸和良率受限、串擾無法完全消除的情況下進一步提高超導量子計算的可用資源規模。3.1.2.應用研究進展 2009年，DiCarlo等人通過兩比特超導處理器演示了Grover搜索算法和Deutsch-Jozsa量子算法。同年，Lucero等人制備了9比特超導量子芯片，并利用其中

20、3比特演示了Shor算法，實現了對于15的質因數分解。2020年，谷歌成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構化反應。實驗中模擬了6-10個氫原子的靜態化學過程，結果與實驗值幾乎吻合；模擬了二氮烯的異構化的動態化學反應，計算結果為41 6毫哈特里，與實測值40.2毫哈特里（二氮烯在順式和反式之間躍遷的能隙）有一定差異，展示了利用量子計算預測化學反應機理的潛力。2022年，浙江大學和清華大學聯合團隊在超導量子芯片上首次采用全數字化量子模擬方式展示了一種全新的物質拓撲時間晶體。實驗模擬了一條由26個超導量子比特組成的一維鏈，在約240層量子線路演化過程中觀測到時間平移對稱性只在系統邊界處（鏈的兩端）

21、被破壞的動力學現象。2023年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功實現了51個超導量子比特簇態制備和驗證，將所有量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個。在此基礎上，研究團隊通過結合基于測量的變分量子本征求解器，開展了對于小規模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現了基于測量的變分量子算法。2024年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊完成了使用噪聲量子處理器解決分子電子結構相關的關鍵挑戰。實驗提升了電路深度和運行時間，通過增強系統硬件和使用誤差緩解技術，克服了理論和實驗的困難，并成功地將VQE算法擴展到了12個量子比特，實現了大約兩個數量級的誤差抑制。同年，中國科學技術大學潘

22、建偉院士團隊利用基于自主研發的Plasmonium（等離子體躍遷型）超導高非簡諧性光學諧振器陣列，實現了光子間的非線性相互作用，并進一步在此系統中構建出作用于光子的等效磁場以構造人工規范場，在國際上首次實現了光子的分數量子反?；魻枒B。量子糾錯研究是量子糾錯邁向應用的重要路徑。2012年，Reed等人在超導體系中演示了糾錯算法，能夠糾正相位翻轉錯誤和比特翻轉錯誤。2019年，清華大量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 6 學通過實驗展示了重復量子糾錯（QEC）接近一個邏輯量子位的收支平衡點。這個邏輯量子比特編碼在一個由超導電路和玻色子腔體組成的混合系統中，使用了二項式玻色子編碼。

23、2022年，中國科學技術大學團隊首次實現了表面碼的重復糾錯，在Zuchongzhi 2.1超導量子處理器上實驗演示了17個量子比特組成的距離為3的表面碼，通過執行多個連續的糾錯周期，應用校正后，顯著減少邏輯錯誤。2023年，谷歌團隊在實驗上證實了，隨著表面碼的規模提升，糾錯后量子態錯誤率能夠被有效壓制。實驗中比較了49個量子比特組成的距離為5的表面碼和17個比特組成的距離為3的表面碼，經過25輪糾錯后，錯誤率由3.0%降低值2.9%。同年，南方科技大學團隊在國際上首次利用離散變量編碼的邏輯量子比特，延長量子信息的存儲時間突破了盈虧平衡點。實驗中，通過實時重復的量子糾錯技術，延長了邏輯量子比特的

24、相干壽命達到 805 微秒，超過了該系統中不糾錯情況下最好的物理比特的相干壽命（694 微秒），即超過盈虧平衡點 16%。同年，IBM團隊提出“錯誤緩解”的技術，在不使用量子糾錯的情況下，提高大規模量子電路的精度和可靠性。通過外推法補償噪聲，實驗模擬了68比特的伊辛模型，效果顯著提升，未使用錯誤緩解技術時的結果準確度不足20%，而通過錯誤緩解的處理，可以將準確度提升至95%以上。3.1.3.產業化發展 國際上超導量子計算產業公司以IBM和谷歌為代表。長期以來，IBM一直在量子計算領域中占據著重要的地位，深入研究了這一領域的各個方面，吸引了眾多客戶與開發人員參與。IBM制定了詳細的量子路線圖，涵

25、蓋了硬件、軟件和系統基礎架構的里程碑。根據其路線圖，IBM分別于2019、2020、2021、2022、2023年發布了27、65、127、433、1121比特的超導量子計算芯片。值得注意的是，在最新發布的量子計算路線圖中，IBM已經調整了其技術路線，從注重量子比特規模提升轉到量子比特操控精度提升，預計2026年實現量子優越性。IBM非常注重產業生態建設，其發布的Qiskit是全球應用最廣泛的開源量子計算軟件框架，它允許用戶設計量子電路，模擬量子算法，并在IBM的量子計算機上運行量子程序。Qiskit提供了一套豐富的工具和庫，支持量子編程、量子信息科學教育以及量子算法的研究和開發，旨在推動量子

26、計算技術的發展和應用。IBM建立了量子計算量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 7 云平臺，在全球范圍內部署了超過20臺量子計算機，使研究人員和開發人員能夠在云端進行量子算法的測試和開發，推動量子計算技術的發展和應用。與IBM相比，谷歌更專注于超導量子計算硬件突破，致力于實現可容錯的通用量子計算。谷歌率先實現量子優越性，目前最新懸鈴木處理器包含超70個量子比特，在量子糾錯、量子算法應用等方面成果豐富。國內超導量子計算產業公司以國盾量子、中電信量子、本源量子為代表。國盾量子技術股份有限公司成立于2009年，是國家專精特新“小巨人”企業，主要從事量子保密通信產品和量子計算儀器設備的

27、研發、生產、銷售及技術服務。自2015年起局部量子計算業務，通過參與“祖沖之號”系列前沿研究，布局國產化產業鏈，發展高性能超導量子計算整機搭建及運維能力。該公司推出了超導量子計算測控系統、稀釋制冷機、低溫信號傳輸系統等核心組件，并開放了量子計算云平臺服務，接入了“祖沖之號”同款176比特超導量子計算機。中電信量子集團以“天衍”量子計算云平臺為基礎，融合了“天翼云”超算與“祖沖之二號”系列超導量子計算機算力，實現了“天翼云”超算能力和176比特超導量子計算能力的融合，是具有“量子優越性”能力的超量融合云平臺，全球訪問量已突破1000萬。同時還發布了“天衍”高性能仿真機，涵蓋全振幅仿真機、穩定子仿

28、真機、帶噪音仿真機、張量網絡仿真機、單振幅仿真機等五大主流類型?！疤煅堋备咝阅芊抡鏅C已全面接入“天衍”量子計算云平臺，面向全球用戶免費開放使用，為高校、企業和科研人員開展量子算法實驗和探索提供了高效支撐。本源量子2017年成立于合肥市高新區，團隊技術起源于中科院量子信息重點實驗室。本源量子聚焦量子計算產業生態建設，打造自主可控工程化量子計算機，圍繞量子芯片、量子計算測控一體機、量子操作系統、量子軟件、量子計算云平臺和量子計算科普教育核心業務，全棧研制開發量子計算，積極推動量子計算產業落地，聚焦生物科技、化學材料、金融分析、輪船制造、大數據等多行業領域，探索量子計算產業應用，爭搶量子計算核心專利

29、。2024年1月6日，超導量子計算機“本源悟空”成功上線云平臺，具有72個計算比特和126個耦合器比特。該量子計算機已為全球125個國家的用戶完成了超過25萬次運算任務，全球訪問次數突破1300萬次。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 8 3.2.光量子計算研究進展與產業化 3.2.1.硬件研究進展 光量子計算機的發展大致可以分為量子算法的原理演示、對特定問題超越經典計算機、有應用價值的專用量子模擬機、容錯通用量子計算機這四個階段。早期人們的研究主要集中在量子算法這一方面。人們提出了一系列的算法來證明在某些特定的問題上量子計算機相對經典計算機具有優越性，例如Shor 算法在大

30、數分解問題上實現了指數級的速度提升；Grover 算法在搜索問題上得到了的加速。但是能夠控制的量子比特數依然有限，想要利用這些算法展示量子優越性依然十分困難。隨著技術進步，可控的量子比特數量逐漸增加，同時研究人員也探索了最小化資源以實現量子優越性的方案。最近光量子計算機的發展已經到了第二個階段，可以實現超越經典計算機，實現量子優越性。專用光量子計算機主要包括玻色采樣和相干伊辛機等，可用于組合優化和圖論問題求解等專用計算問題。2017 年賀煜等人用量子點實現了四光子玻色采樣，單光子源效率 24.7%,干涉儀使用時間編碼，每個光纖環效率 83.4%,單光子探測效率 52%。2017 年王輝等人使用

31、空間編碼干涉儀，效率為 99%實現了五光子玻色采樣，同時計劃將單光子源效率提高到74%。2019 年王輝等人使用探測效率為60%82%的單光子探測器實現了20光子玻色采樣,向著量子優越性邁出了一大步。同時人們也在改進原始方案，以緩解玻色采樣成功率隨著光子數的增加指數下降的嚴重制約。Lund 等人提出了散射玻色采樣。即用2個單光子源，記錄輸出 個光子的樣本。本著同樣的精神，Aaronson 等人提出了考慮光子損失的玻色采樣。即輸入+個光子，輸出 個光子，其中 個光子被損失的玻色采樣。鐘翰森等人7 用SPDC 預報單光子源進行了散射玻色采樣實驗。盡管相對于原始方案有所改進，成功率從指數下降變為線性

32、下降，但擴展性依然存在問題。2020 年鐘翰森等人利用高斯玻色采樣方案研制的“九章”第一次在光子體系實現了量子優越性。但是經典模型也不斷發展，對這一實驗結果發出挑戰。早期實驗結果只需要和熱態、完全可分辨光子、壓縮態等經典態比較?！熬耪隆背鍪乐蟾鞣N強力的假冒模型如雨后春筍般冒出，如貪心算法、壓縮熱態、IPS 等。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 9 對實驗的規模和質量發出了更高的挑戰。2021 年“九章二號”提高了光源質量，擴大了干涉儀規模。2022年，加拿大Xanadu公司實現了216光子的“Borealis”光量子計算原型機。2023年，中科大聯合團隊發布了255光子的

33、“九章三號”光量子計算原型機，進一步提升了高斯玻色采樣速度和量子優越性。3.2.2.應用研究進展 光量子計算研究初期，中科大潘建偉團隊展示了少光子數量子計算在機器學習、質數分解和線性方程組求解中的應用。近期，潘建偉團隊在繼續發展更高質量和更強拓展性的光量子計算原型機的同時，開展了將“九章”所執行的高斯玻色采樣任務應用于圖論問題的研究探索。工作中，研究人員首次利用“九章”執行的高斯玻色采樣來加速隨機搜索算法和模擬退火算法對圖論問題的求解。研究人員在實驗中使用了超過20萬個80光子符合計數樣本，相比全球最快超級計算機使用當前最優經典算法精確模擬該實驗的速率快約1.8億倍。3.2.3.產業化發展 在

34、商業應用方面，玻色量子公司推出了其100量子比特的相干光量子伊辛機“天工量子大腦”。目前，該公司正與中國移動合作，驗證圖像渲染和算力調度優化等任務的可行性。未來，專用光量子計算機預計將在組合優化等特定領域展示出實用價值。在光量子云平臺研究方面，加拿大Xanadu公司推出了Xanadu quantum cloud，國內圖靈量子也推出圖靈SoftQubit云平臺。在通用光量子計算研究方面，法國Quandela公司專注于開發用于量子計算和量子通信的高性能單光子源，已經推出相應的單光子源產品。美國PsiQuantum量子計算公司致力于發展通用大規模的光量子計算機，已經在量子融合門等方面取得了階段性的進

35、展。在單光子探測方面，美國Quantum Opus,荷蘭Single Quantum,俄羅斯Scontel，中國賦同等在高效率單光子探測器研究方面，探測效率都達到90%以上，同時在可分辨光子數研究方面也不斷取得突破。然而，要實現通用光量子計算機，還需要突破單光子源、光量子邏輯門和光子集成等技術瓶頸。3.3.離子阱量子計算研究進展與產業化 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 10 3.3.1.硬件研究進展 量子計算現階段的主要難題是規模擴展。量子計算的規模擴展可大致分為空間和時間兩個維度，其核心目標是需要對足夠大的希爾伯特空間執行足夠多的幺正操作?？臻g上需要擴大希爾伯特空間，時

36、間上需要增加能執行的邏輯門操作數量。本章節將以規模擴展這一線索，對離子阱量子計算的研究進展做簡要概述。3.3.1.1.空間維度 空間上看，一方面可以突破qubit的二能級系統架構，使用更多能級來編碼量子信息，如qudit架構以及連續變量量子計算；另一方面需要增加量子比特的數量。不同于qubit的二能級結構，qudit使用多能級系統來編碼信息。對于相同數量的物理載體，qudit可獲得更大的信息編碼能力，因此更節約物理資源。2022年因斯布魯克大學的Blatt組和AQT公司聯合發布了具備8個離子的qudit系統，并在此系統中展示了普適量子門集；此后該研究組又進一步展示了qudit系統的直接糾纏。在

37、離子阱系統中增加量子比特數量主要由三種路徑：量子電荷耦合架構（QCCD:Quantum charged-couple device）,光量子計算網絡和單個離子阱系統中囚禁高維離子晶體。量子計算的基本元素在小規模的一維離子鏈中可以實現極高的保真度，但是如何在大規模的系統中依然維持高保真度面臨極大的困難，于是美國國家標準與技術研究院（NIST）的Wineland等人提出了QCCD架構：將單個子系統維持在較小規模，在子系統之間進行離子遷移，以實現子系統之間的信息傳遞，由此將多個子系統連接，形成大的系統。2021年，Quantinuum公司實現了QCCD所有基本要素的整合；此后Quantinuum公司

38、一直保持著量子體積的記錄，在其最新的H2系統中，全連通量子比特數量達到56，量子體積達到218，單量子比特門保真度高達99.997%，雙量子比特門保真度高達99.84%。牛津量子計算初創公司Oxford Ionics在近期實現了全微波操控的QCCD方案，其雙量子比特門保真度高達99.97%，并且即使在微波操控下也做到了120us的雙比特門時間，實現了全微波離子量子計算的重大突破。QCCD利用遷移離子來實現子系統間的信息傳遞，而光量子計算網絡則使用光子實現不同子系統之間的連接。光子由于其傳播速度以及抗干擾能力強，非常量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 11 適合進行遠距離信息傳

39、遞。QCCD只能實現同一個真空系統中、同一塊芯片上不同子系統之間的連接，而光量子網絡的距離則只受光纖衰減的限制，原則上可以實現千公里級別的連接。2020年牛津大學的Lucas組實現了兩個獨立離子阱系統之間的離子糾纏態制備,并且將不同種類離子之間的邏輯門保真度提升到99.8%，突破了容錯閾值;2023年因斯布魯克大學的Blatt組實現了分別位于兩棟樓宇的離子之間的糾纏連接，二者距離230米。2024杜克大學的Monroe組首次實現了以time-bin編碼的光子作為媒介遠程糾纏兩個離子，糾纏保真度達到了97%；該組在近期還以光子為媒介以高達250Hz的糾纏速率和94%的保真度實現了兩個離子（同一離

40、子阱中）之間的糾纏。QCCD和光量子計算網絡都可以歸屬為量子計算網絡，二者的區別是信使不同。他們的基本出發點是只能在小規模系統中實現高保真度操作。但隨著一系列理論和實驗上的突破，人們逐漸認識到，在單個大規模系統中也可以執行高保真度的操作。于是，離子阱系統的第三條擴展路徑逐步得到重視：在單個勢阱中通過囚禁高維晶體，以實現量子比特數量的快速擴張?，F在的離子阱量子計算大多著眼于一維離子鏈，其規模最多達到百比特量級，如果使用二維離子晶格，則其比特數可以輕松達到上千，甚至上萬。清華大學段路明組提出了基于局域振動模式的量子邏輯門方案，從理論上解決了在任意大規模離子晶體中實現高保真度量子邏輯門操作的問題；清

41、華大學金奇奐組設計了一體化線性保羅阱，并成功囚禁二維離子晶體，該晶體的量子操作激光不受微運動的影響；此后該組又實現了二維離子晶體的電磁誘導透明冷卻；2023年，因斯布魯克大學的Roos組在一體化阱中實現了包含105離子的二維晶格的穩定囚禁。2024年，清華大學段路明組在基于4K低溫系統的一體化阱中實現了超過500個離子的穩定囚禁，并用300個離子實現了伊辛模型的量子模擬。3.3.1.2.時間維度 時間維度上看，一方面需要增加量子比特的相干時間和門操作時間的相對比值，另一方面需要減小或者修正量子操作錯誤，以使得在相干時間內可以執行盡可能多的量子操作。在量子比特相干時間方面，清華大學金奇奐組通過磁

42、屏蔽和動態解耦等方法實現了超過1小時的相干時長。離子阱量子計算的一大缺點是雙量子比特邏輯門量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 12 耗時較長。為了加速量子邏輯門操作，Cirac和段路明等人提出了使用脈沖激光激發自旋相關動量反沖（spin-dependent kick,SDK）來實現超快邏輯門的方案,Steane等人則提出了脈沖調制（pulse shaping）的邏輯門方案。2017年馬里蘭大學的Morone組利用SDK方案實現了雙比特邏輯門，邏輯門耗時18.5s;2018年牛津大學的Lucas組采用脈沖調制方案，實現了耗時1.6s的雙比特邏輯門，保真度高達99.8%。由此，離

43、子阱系統中相干時間與門操作時間的比值達到109量級。關于如何減少量子計算的錯誤，主要有兩方面的努力，其一是提高量子操作本身的保真度，其二通過量子糾錯等方式糾正已經發生的錯誤，并通過優化量子線路使得錯誤不擴散，以實現容錯的量子計算。雖然Cirac和Zoller率先提出了在離子阱中實現受控非門（CNOT門）的方法，但該方法要求離子處于聲子?；鶓B,對環境影響較為敏感。1999年Mlmer和Srensen提出的MS糾纏門，以及2003年Leibfried在實驗上實現的光頻移門擺脫了聲子?；鶓B的束縛，使得邏輯門保真度受外部環境的影響大幅度降低。然而最初實現的糾纏門都是基于離子鏈的軸向運動模式，但后來人們

44、意識到這種方案不可擴展，因為隨著離子數的增多，軸向阱頻不可避免需要降低，從而導致離子冷卻難度加大以及加熱率增加，外界環境影響增大。2006年段路明等人提出了利用離子的橫向運動模式實現離子糾纏門的方案。為了解決橫向運動模式致密排布的問題，段路明等人還提出了最優控制的方法并且在實驗上得到了驗證：通過對激光的幅度、相位或者頻率等參數進行連續或分段調控，可以使得在邏輯門操作結束時，所有運動模式均與內態解耦合，從而確保邏輯門操作的高保真度。利用這一方法，馬里蘭離子阱組首先構建了5離子量子比特可編程量子計算機，隨后又實現了并行雙量子比特糾纏門。最近IonQ公司公布的最新一代離子阱量子計算機Forte,已實

45、現了在35離子鏈中平均單比特邏輯門保真度99.98%，平均雙比特邏輯門保真度99.6%的成果。在Quantinuum公司最新的H2系統中，全連通量子比特數量達到56，平均雙量子比特門保真度高達99.84%。量子糾錯利用多個物理比特編碼一個邏輯比特，以抵抗外界干擾；容錯量子計算通過對量子線路的優化，可以防止錯誤的擴散。在離子阱系統中，NIST的Wineland組于2004年在3離子系統中實現了對單比特相位翻轉錯誤的糾正；2011年，因斯布魯克大學的Blatt組在3離子系統中實現了多輪糾錯；2021年IonQ公司量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 13 和馬里蘭大學的Monroe

46、組在13離子系統中實現了邏輯量子比特的容錯操作；2021年Quantinuum公司實現了實時的容錯的量子糾錯；2022年因斯布魯克大學的Blatt組實現了容錯的全套通用量子比特門，這其中包含兩個邏輯比特之間的CNOT門和對通用量子計算來說至關重要的單比特T門。2022年Quantinuum公司實現了邏輯比特之間容錯的糾纏門，且邏輯比特糾纏操作的保真度高于物理比特糾纏門的保真度。2024年，Quantinuum和 Microsoft合作基于QCCD方案的離子阱芯片分別實現了7,1,3和12,2,4糾錯碼，將量子線路的錯誤率降低為物理比特的1/500和1/800，遠超盈虧點。緊接著，他們在離子量子

47、計算機中構建了基于4個邏輯量子比特的GHZ態，保真度為99.50.15%F99.70.1%，超越了盈虧平衡點，也是量子計算領域第一次高質量地實現基于邏輯比特的量子操控。3.3.2.應用研究進展 如上所述，離子阱量子計算機的硬件水平已經取得了相當大的進步，如量子體積達到220,相干時間突破一小時，量子模擬比特數規模突破300等，但量子算法的要求與硬件水平之間依然具有較大鴻溝，學術界和產業界的研究者們正共同努力，去發現適配現階段硬件性能的算法，并嘗試找到實際應用場景。接下來我們將從NISQ時代算法和FTQC時代算法兩個方面來介紹離子阱量子計算機的應用演示進展。目前在NISQ系統中應用比較廣泛的是變

48、分算法（VQA）和相關的衍生算法，包括變分量子近似算法、變分量子線性方程求解、變分量子本征求解、變分量子機器學習等，變分算法是一種利用經典優化器訓練參數化量子電路的方案，屬于一種經典-量子混合算法。近年來量子變分算法作為一個可以面向任何問題的算法框架，已經被廣泛地應用在包括量子化學、組合優化、金融投資、材料計算、機器學習在內的眾多領域中。2020年，Duke大學和IONQ的研究團隊在通用離子量子計算機中，用變分量子本征解(VQE)方法較為精確的估計出水分子的基態能量，同時他們也提出了應用于離子量子計算的量子化學算法框架。在實現該算法的過程中，共有11個量子比特參與計算，最高進行了178次雙比特

49、邏輯門操作；在沒有任何誤差緩解技術時，實驗結果的系統誤差和統計誤差與化學精度相當，展現出離子量子計算在量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 14 化學計算場景中的巨大潛力。在金融領域方面，Sanz-Fern ndez 等人利用Innsbruck團隊的離子量子計算機演示了五種資產的投資組合優化定價，實驗結果證明在同樣的計算成本下量子計算產生的統計誤差比經典算法給出的要更小。Zhu，D等人提出了基于最大量子糾纏態的量子算法，并應用于金融風險管理和衍生品定價中，經過IONQ公司離子量子計算機運行驗證，其量子計算給出的風險預測結果優于經典計算。在生物制藥方面，Quantinuum利用離

50、子量子計算機實現了的肽結合分類，是蛋白質藥物設計中的關鍵任務，經過誤差緩解優化后量子計算結果和經典AI算法給出的結果性能相當，開創了量子計算在生物制藥領域的又一新的方向。在機器學習方向，IONQ在具有11個量子比特的離子量子計算機上演示了，如何利用基于量子最近質心分類器算法實現手寫字體的分類，并且實現高達100%的8維合成數據準確性。在NISQ時代，通過運行量子變分算法實現量子計算機的應用是一種常見的思路，因此量子計算的研究者們也持續在對量子計算的實驗技術和算法理論進行優化。實驗技術方面，C.Monroe等人在具有40個量子比特的離子量子計算系統中，實現了一種低深度量子近似優化算法(QAOA)

51、，估計了ising模型的基態，是目前離子量子計算路線實現的最大規模的量子變分算法，并指出隨著規模的擴大，算法性能并不會顯著下降。在算法理論方面，清華大學段路明研究團隊提出了一種為離子量子計算系統硬件而量身定制的高效量子變分算法ansatz，放棄傳統的兩比特門，利用了所有離子之間可編程的單量子比特旋轉和全局自旋-自旋相互作用，讓量子變分算法在離子量子計算系統中更易實現，且更為高效，為近期離子量子計算機的應用提供了強有力的工具。1994年，Peter Shor在理論上提出了利用量子計算實現質因數分解和求解離散對數，其算法復雜度相比于經典計算實現了指數加速，這也意味著量子計算機有能力幫助人類實現RS

52、A密鑰，乃至更多NP-hard問題。此后，大量的理論工作者涌入量子計算和量子算法的研究之中。目前看來，大部分被證明具有加速性或能體現量子優勢的理論算法均需要通用容錯量子計算來實現。如需要有效解決諸如整數因子分解和非結構化數據庫搜索此類的問題，則需要數百萬量子比特，且需要量子邏輯門錯誤率低，相干時間長。Preskill將含噪中等量子(NISQ)計算機定義為大規模容錯量子計算機(FTQC)道路上的中間一環。因此，在探索NISQ量子量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 15 計算機在近期的應用外，發展量子糾錯技術和基于邏輯量子比特的算法始終是研究者最為關心的課題。近期，離子量子計算在

53、該方向上也取得了眾多突破性進展。其中最為引人矚目的便是Quantinuum在離子量子計算中實現的量子糾錯相關的成果。2024年4月，Quantinuum和 Microsoft合作發布了量子糾錯的最新進展，他們基于QCCD方案的離子阱芯片分別實現了7,1,3和12,2,4糾錯碼，將量子線路的錯誤率降低為原先物理比特的1/500和1/800，遠超盈虧點，邏輯比特之間的量子邏輯門操作的錯誤率最低達到10-8，是邁向通用容錯量子計算的重要里程碑。緊接著，他們在離子 量 子 計 算 機 中 構 建 了 基 于 4 個 邏 輯 量 子 比 特 的 GHZ 態，保 真 度 為99.50.15%F99.70.

54、1%，超越了盈虧平衡點，也是量子計算領域第一次高質量地實現基于邏輯比特的量子操控。除此之外，各類優化量子糾錯的技術方案也在發展中，例如Simon Burton等人提出了利用拓撲物理學的數學技術融入糾錯碼中，通過genons編制的方案，可以提高糾錯編碼的效率，使用更少物理量子比特構建邏輯量子比特。除此之外，Quantinuum在離子量子計算機中將量子態隱形傳態通常用于大規模容錯量子計算機的設計中，首次演示實現了量子糾錯碼容錯狀態隱形傳輸電路，過程保真度高達0.989 0.002，為離子邏輯量子比特的規?；l展提出了一條可行的道路。3.3.3.產業化發展 目前離子阱量子計算公司主要有美國的IonQ

55、、Quantinuum,歐洲的AQT、Infineon、Oxford Ionics、Universal Quantum,中國的華翊量子、幺正量子、啟科量子、國儀量子等。其中，成績最為突出的是Quantinuum和IonQ兩家公司。IonQ成立于2015年，于2021年成為全球首家上市的純量子計算公司，目前已發布三代量子計算機，包括具備9個算法量子比特的Harmony、20個算法量子比特的Aria、和35個算法量子比特的Forte。IonQ的商業應用主要分布在量子化學、量子機器學習等領域。例如，2021年IonQ與1QBit和Dow合作研究了電子軌道模擬算法，模擬了10個氫原子組成的環形分子，將

56、20量子比特的系統分解為10個2比特問題，并在IonQ的離子阱量子計算機上進行了實驗驗證，顯示了利用NISQ機器去模擬更大規模分子的潛力；2022年IonQ與現代汽車宣布合作開發新型變分量子算法，量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 16 用以研究電池化學反應中涉及的鋰化合物及其化學反應，并將量子機器學習應用到圖像識別和三維物體檢測，以服務于自動駕駛；2023年，Zhu D.等人研究了如何在量子計算機上應用量子電路玻恩機（Quantum circuit Born machine）模擬3變量和4變量copulas,并探討了這種方法的可擴展性。他們在IonQ的離子阱量子計算機上將該

57、方法應用到風險預測等場景中，訓練結果顯示，其計算精度與經典計算相當甚至更優。Quantinuum是由Honeywell quantum solutions和Cambridge quantum computing合并成立，其硬件性能和配套軟件水平均處于世界前列。迄今為止，Quantinuum已經發布了2代量子計算機，包括具有20比特的H1,其平均雙比特門保真度已經突破99.9%，其量子體積已經達到220，均是世界紀錄；和具有56比特的H2,其平均雙比特門保真度達到99.8%，量子體積218?；趦灝惖挠布阅?，Quantinuum和合作者們近期在量子糾纏和容錯量子計算方面取得了重大進展，突破了量

58、子糾錯盈虧點，其邏輯量子比特的操作錯誤率遠低于物理比特，并且制備了四邏輯比特的GHZ態，其保真度介于99.5%至99.7%之間，超過相應物理比特的保真度，是量子計算領域第一次高質量地實現基于邏輯比特的量子操控。除此之外，Quantinuum還發布了首個基于量子計算機的密鑰生成平臺Quantum origin以及量子計算化學平臺Quantum InQuanto。Quantum origin的核心是利用量子計算機產生真隨機數，它支持現有的密鑰體系（如RSA、AES等），也支持后量子時代的加密算法，其合作對象包括PrueVPN、Fujitsu等。InQuanto是量子計算化學軟件平臺，繼承了VQE等

59、各類算法，已經產生相當豐富的應用案例。例如2023年Quantinuum與空客和寶馬合作，開發了一種混合量子經典工作流程，用于研究氫燃料電池中的電催化氧化還原反應，其真機結果顯示在含鈷催化劑中強關聯組分的重要性，預示著這將是體現量子計算機優勢的一個應用場景；2024年，Quantinuum利用離子阱量子計算機研究了肽段的結合分類問題，這是蛋白質藥物設計中的關鍵任務，他們構建了參數化量子電路的量子模型來執行肽段二元分類問題，通過誤差緩解后量子計算結果與經典AI算法給出的結果性能相當，是量子計算應用于治療蛋白質設計關鍵任務的首個概念驗證應用。3.4.中性原子量子計算研究進展與產業化 量子科技產學研

60、創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 17 伴隨著激光操控原子技術的進步，原子量子計算機的硬件方面取得了一系列重要突破，成為了近期發展最為迅速的量子計算硬件系統之一，吸引了國內外眾多高校和科研機構開展相關的研究工作，如美國哈佛大學、美國密歇根大學、美國芝加哥大學，及國內的中科院精密測量研究院、中國科學技術大學、清華大學等。3.4.1.硬件研究進展 原子量子計算的關鍵指標不斷突破，在量子比特初始化方面，通過成熟的光泵技術，原子可被制備到|0態或|1態，效率超過99.9%。由于相同種類的原子能級結構一致，采用同樣的光泵光可同時實現陣列中所有原子的態初始化。在量子比特相干性方面，DiVincenz

61、o提出實現量子糾錯需要量子比特的相干時間達到基本量子門操作時間的104倍以上。這一指標已經達到107，超過了目前大多數量子計算的候選體系。在邏輯門方面，中性原子體系可以實現單量子比特門和雙量子比特門操作（例如受控非門）。中科院精測院詹明生組實現了中性原子單比特量子門的最高平均保真度，達約99.995%。美國Lukin團隊和法國Browaeys 團隊發展了原子陣列確定性制備技術，將原子陣列的規模提升到200個以上；美國Saffman團隊發展了基于聲光偏轉器的二維原子量子比特陣列中單比特門、兩比特門獨立尋址技術，實現了包含6個量子比特的量子線路演示。中科院精測院詹明生團隊利用“原子自旋與原子相對運

62、動波函數耦合”全新方法，實現了單個超冷分子的相干合成，展示了對異核原子內部和外部自由度的完全控制。在兩比特門操控方面，中科院精測院詹明生組在2022年基于非共振單脈沖調制方法將兩比特受控位相門保真度提高到了0.98。之后半年，美國哈佛大學Lukin教授團隊同樣基于單脈沖方法，將兩比特門操控保真度提高到0.995，達到了容錯閾值要求。開發并展示出了原子體系的獨特優勢，如：法國Browaeys 團隊利用光鑷陣列制備出了3維排列的原子量子比特陣列，美國Lukin團隊利用移動光鑷實現了可控的量子比特連接等。3.4.2.應用研究進展 應用研究方面，不斷開拓原子量子計算的應用范圍，在組合優化問題和量子量子

63、科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 18 模擬領域都取得多項進展。在組合優化問題領域，從問題出發的角度，在較小的原子規模上，韓國的 Ahn小組演示了最大獨立集問題，整數分解問題，3-SAT 問題和 QUBO 問題的求解，在較大的原子規模上，美國的 Lukin 小組展示了多達 289 個原子系統的最大獨立集問題求解。從解決問題的角度，由于原子系統的連接性有限，為了解決在求解優化問題當中的遠程相互作用，有許多研究小組提出了相應的解決方法?；贒wave 的原子線方案，韓國的 Ahn 小組提出了里德堡原子線方案，在不需要本地尋址的情況下可以求解非平面或者高度圖的最大獨立集問題。中國復旦

64、大學的李曉鵬團隊提出一種 3 維編碼的方法可以用來求解 Ising/QuBo 問題。美國的Lukin 小組提出了一種通用的編程架構可以用來在里德堡原子系統中求解最大獨立集問題，QUBO 問題和整數分解問題。奧地利因斯布魯克大學的 Lechner 小組基于 LechnerHaukeZoller(LHZ)模型提出了宇稱編碼方法，同樣可以將遠程相互作用轉化為局域場作用。在量子模擬領域，美國 Lukin 團隊在里德堡原子陣列中觀測到了量子多體疤痕現象，揭示了“遍歷性的弱破壞（Weak ergodicity breaking）”這一新的物理現象，并利用籠目結構排列的單原子陣列探測自旋液體；法國 Brow

65、aeys 團隊研究了接近經典計算機模擬極限的二維自旋模型從順磁到反鐵磁的相變規律等；美國Manuel 團隊制備了高糾纏熵狀態的 60 原子的量子態，并對其進行量子保真度標定。他們提供了一種新的用于評估模擬和數字量子設備在超經典精確狀態下產生糾纏的方法，并展示了量子系統和經典系統之間不斷發展的鴻溝。3.4.3.產業化發展 目前國際上已有6家初創公司以原子量子計算為題材，獲得了千萬量級的融資，正在研發基于原子的量子比特處理器，包括：美國的QuEra公司、ColdQuanta公司、AtomComputing公司、法國的PASQAL公司、中國的中科酷原公司和德國的planqc公司，其中QuEra公司推

66、出了提供線上服務的Aquila原子量子處理器，提供哈密頓量的模擬服務。Atom Computing公司在其100+量子比特的Phoenix量子計算機上，創下了10萬倍的相干時間新紀錄。Phoenix的壽命T2為407秒，是當量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 19 時商業平臺上有史以來最長的相干時間，而弛豫時間T1幾乎是無限的。法國的PASQAL公司利用中性原子模擬量子計算在藥物發現中進行溶劑構型預測。3.5.量子計算性能評估研究進展 量子計算機性能評估是量子計算機技術發展的重要組成部分。只有建立起科學合理的評估指標和評估方法，才能更好地推動量子計算機技術的發展和應用。量子計

67、算性能評估還處于起步階段。國際上，2021年，美國桑迪亞國家實驗室推出了量子科學計算開放用戶試驗平臺（QSCOUT），其測試床Testbed基于離子阱量子比特系統，旨在評估近期量子硬件在科學計算應用中的潛力，為美國能源部及其高級科學計算研究計劃服務。與商業可用平臺類似，它提供了量子硬件，研究人員可以使用這些硬件執行量子算法，研究量子系統特有的噪聲特性，并測試將來對更大更強系統有用的新思路。然而，與大多數其他量子計算試驗平臺不同，QSCOUT允許量子電路和低級脈沖控制訪問，以研究新的編程和優化模式。同年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）推出量子基準測試項目（Quantum Benchmark

68、ing），旨在大規模定量評估量子計算算法和應用的性能。該項目的目標是為大型量子計算機創建新的度量標準，并通過開發必要的計算機硬件來測試這些度量標準，以衡量基準性能，以全面評估量子計算機可能在哪些潛在應用中為重要問題提供比傳統計算機更有意義的改進。而國內在相關方向的研究與探索較為滯后，還沒有公開報道的成規模項目。2022年，中國信通院總結了現有的測評進展，梳理了測評技術架構，從縱向和橫向兩個維度對重點基準測評體系進行梳理和分類?？v向維度從硬件-軟件-應用的角度劃分5個層次，包含量子比特、邏輯門、量子電路、系統和應用算法等；橫向維度從規模、質量、速度等3方面進行劃分?？傮w架構如下圖所示。量子科技產

69、學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 20 圖 1 中國信通院提出的量子計算基準測評體系架構 4.超導量子計算體系 4.1.超導量子計算概述 4.1.1.超導量子計算的基本原理 某些材料冷卻到極低溫后，材料中的自由電子形成庫伯電子對，可無阻地移動，電阻為零，這種狀態被稱為超導態。在超導態下，自由電子形成的庫伯電子對被凝固在基態，使得材料表現出宏觀量子特性，如磁通量子化。用超導材料制備的電感電容等非耗散器件構成的LC諧振電路，雖然尺寸可以達到厘米量級的宏觀尺寸，在極低溫和很好的屏蔽環境下，其行為和高品質的光學腔類似，是一個諧振子量子系統，可以應用于量子信息處理。當兩個超導材料距離很近，被常

70、規導體或絕緣材料隔離開時，兩個超導材料中的庫伯電子對會發生關聯，產生約瑟夫森效應，超導電流可以無阻地穿過常規導體或絕緣體構成隔離層。利用約瑟夫森效應制成的器件叫約瑟夫結，是單磁通量子（SFQ）超導電子學和超導量子比特的最核心器件。約瑟夫森結的電學特性等效于一個電感強度隨著流過的電流大小而變化的非線性電感。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 21 構建量子比特需要一個二能級的物理系統，這個量子系統需要方便實現調控和讀取，有很高的量子相干性能，具有很好的設計靈活性，能夠實現大規模拓展。利用超導材料制備的電感電容等非耗散器件構成的LC諧振子量子系統滿足方便實現調控和讀取，有較長的量

71、子相干時間，具有很高的設計靈活性，易于實現規模拓展等構建量子比特所需的要求，但其所有相鄰能級等間距，不能當作一個二能級的物理系統，所以不能單獨作為量子比特。如果將LC諧振子電路中的電感器件用約瑟夫森結替代，即LC諧振子中的電感為非線性電感，構成一個非線性LC諧振子電路，系統的能級不再是等間距的，就可以實現對每個能級單獨尋址。在極低溫下，我們可以將非線性LC諧振子量子系統的最低兩個能級獨立出來，進行量子調控和讀取，構建一個超導量子比特?；陔娐返奶攸c使得超導量子比特在設計上有非常高的靈活性，在超導量子計算發展過程中出現了多種類型的超導量子比特，基礎的比特類型包括電荷量子比特、磁通量子比特和相位量

72、子比特，還有基于基礎類型演化出的Quantronium比特、Transmon比特以及Fluxonium比特等。超導量子比特設計上需要兼顧相干性能、調控靈活性、可擴展性等多方面。獲得調控靈活性一般需要引入更復雜的控制線路，這往往會引入更多的噪聲源導致比特相干性能下降，Fluxonium比特等復雜的比特結構設計能夠顯著提升比特相干性能，但對可擴展性不友好。目前在大規?？赏卣钩瑢Я孔犹幚砥魃?，比特類型基本收斂到Transmon比特這種在相干性能、調控靈活性、可擴展性等方面比較均衡的設計上。自1999年日本NEC的Y.Nakamura 和 J.S.Tsai第一次在電荷超導量子比特上演示了量子相干操控以

73、來，經過約二十年的發展，超導量子計算已經從簡單幾個比特相干調控和小規模算法原理性演示，發展到可以制備集成上百個高精度量子比特的中小規模量子處理器，演示了數十比特的量子糾纏和量子模擬，實現了量子優越性，在通向容錯量子計算的過程中，量子糾錯技術也在近年取得了一系列重要進展。當前，超導量子計算不再僅僅局限于實驗室的基礎研究，產業化也在快速發展，逐漸形成基礎儀器設備、量子計算整機和量子計算算力服務三個層次為一體的量子計算產業生態。超導量子計算下一步的核心目標是在提升比特操控保真度的同時不斷拓展集成的比特數量，通過可擴展的糾錯算法實現邏輯量子比特，并在此基礎上解決量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估

74、基準研究報告 22 大規模拓展的關鍵技術，最終實現容錯通用量子計算機。目前離實現容錯通用量子計算機還比較遙遠，在NISQ量子計算硬件系統上，探索有實用價值的應用也是一個重要的研究方向。4.1.2.超導量子計算的優劣勢分析 超導量子計算優勢：超導量子計算優勢：極高的設計自由度 超導量子比特本質上是一個電路，因此在結構和參數上有非常高的設計自由度，可以靈活嘗試各種結構設計和參數設計來改善比特的性能、可調控度和可拓展性。兼容半導體芯片工藝 超導量子處理器的設計仿真可以通過半導體芯片設計仿真工具完成，制備采用薄膜生長、光刻或電子束圖形定義、刻蝕等成熟CMOS工藝，在大規模拓展上非常有優勢。調控采用微波

75、電子學設備 超導量子比特能級差通常對應頻率約為5GHz，調控用微波電子學設備實現。微波電子學設備技術成熟且成本低廉，很容易實現大規模集成和定制化功能。并行操作 基于電路的特點使得每一個超導量子比特都可以設計獨立的控制線路，實現對所有比特全并行操作。量子門時間短 超導量子比特可以快速實現量子門操作，單比特門和兩比特門都可以在30納秒內實現，甚至可以短于10納秒。超導量子計算劣勢：超導量子計算劣勢：工作在極低溫環境 超導量子比特能級差對應250mK左右的熱擾動，工作溫度需要250mK，一般工作溫度低于30mK。穩定維持如此低的溫度需要昂貴的制冷設備，目前主要采用稀釋制冷技術。未來隨著量子處理器規模

76、的拓展，對樣品空間和制冷量的要求越來越高，研發大空間大制冷功率的稀釋制冷技術是一個必須突破的關鍵技術。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 23 噪聲擾動情況復雜 超導量子比特為宏觀尺寸大小，且通過若干控制和讀取線路和外界耦合，導致超導量子比特易受到環境中各種噪聲源影響，例如電荷噪聲、磁通噪聲、微波控制線噪聲等，量子相干時間相對天然量子系統更短，各種噪聲擾動對實現高精度的量子門操作是很大的挑戰。不是理想二能級系統 超導量子比特是一個多能級系統，最低的兩個能級基矢張成的二能級子空間構成計算空間，高保真度的量子計算過程必須保證高能級不被激發。在Transmon比特中，高能級與計算空

77、間的能量差僅約4%，避免態泄露是操作中的一大挑戰。一致性差 超導量子比特是通過微納加工技術人工制備的量子系統，其性能和參數對加工工藝和流程很敏感，無法做到完全一致，一般需要加入可調電路對比特頻率、耦合強度等關鍵參數進行實時調節，這會增加結構和控制復雜度，同時也可能對比特相干性能造成影響，從而增加量子計算機的校準和控制難度，并可能限制量子比特數量的進一步擴展。4.2.模塊分類與技術指標 和其他復雜系統一樣，超導量子計算機也是由多個相對獨立的子模塊組成。這些子模塊在底層技術上差別比較大，比如有的屬于芯片技術，有的屬于低溫制冷技術，有的是基于電子學技術，有的是基于軟件技術，一般是在一個大的需求框架下

78、獨立研發，各個模塊甚至可能由不同的供應商提供。因此對各個子模塊單獨提出相應功能和性能指標，提出合理的接口規范是很有必要的。4.2.1.模塊分類 超導量子計算機系統可分三個子系統：量子處理器、低溫低噪聲平臺和測控系統。如下圖所示：量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 24 圖 2 超導量子計算系統模塊示意圖 4.2.2.量子處理器 量子處理器是超導量子計算機的核心部件，是實現量子信息處理的功能單元。量子處理器包括量子比特、耦合器、讀取組件、控制線路、量子放大器等。各個組件可能加工在同一個量子芯片上，也可能分布在多個量子芯片上再通過倒裝焊等工藝封裝成一個處理器，有的組件比如讀取信號

79、的量子放大器還可能封裝在獨立的樣品盒中。量子處理器的最重要構成組件是量子比特，每個量子比特可以編碼信息|0和|1的任意疊加態。比特通過芯片上控制線路扇出連接到低溫平臺的控制線纜組件，再通過加精確控制幅度、相位和時序的微波脈沖來實現比特的激發和旋轉操作，部分比特類型還有快速偏置控制線路，通過快速偏置脈沖實現比特頻率的動態調節。以上控制脈沖通過電容或電感的方式耦合到比特。多個量子比特之間通過耦合實現量子糾纏操作，由于單比特邏輯門和兩比特邏輯門可以組合成任意多比特門，超導量子計算中一般只考慮兩個比特之間的耦合。耦合可以通過比特之間的直接電感或者電容實現，也可以通過引入額外的耦量子科技產學研創新聯盟

80、量子計算性能評估基準研究報告 25 合器件實現，后者通常具有強度可調，操控靈活度高的優點，代價是器件更復雜，需要引入更多的控制線路。一個比特可以和多少個比特直接耦合叫做連通性，連通性越高，量子線路編譯成原生量子門所需要的門數量越少，運行量子算法的效率越高。比特量子態的讀取一般采用色散讀取方式，每一個比特和一個特定頻率的微波讀取腔色散耦合，該腔通常為平面微納加工工藝制備的共面波導腔，比特處在|0和|1會體現為微波讀取腔頻率的不同移動量，通過向讀取腔加探測微波脈沖并探測反射或透射的微波信號，讀取腔頻率的不同移動量會反映到微波信號的相位上，通過ADC采樣和解模等后期數據處理方法可以判斷量子比特處在|

81、0還是|1態。為保證足夠強的讀取信號，在盡可能短的時間內完成讀取，比特和讀取腔之間的耦合通常比較強，這也會導致比特通過讀取通道和外界噪聲源發生很強的耦合降低比特相干性能，為避免這一點，讀取腔和外界之間還需要加入窄帶濾波器件，僅容許讀取信號頻率附近很窄帶寬的信號傳輸，抑制比特和外界的耦合。比特讀取信號強度為單光子量級，如此微弱的信號需進行多級放大，否則從數十mK溫級直接傳輸到更高溫級會被噪聲淹沒。超導參量放大器是放大讀取信號普遍采用的放大器，噪聲水平可達到單光子水平，帶寬和飽和功率可滿足多達十個以上量子比特同時讀取。超導參量放大器和超導量子比特一樣，同樣基于超導電路，在設計和工藝上和超導量子處理

82、器有很好的兼容性。比特數 比特數量是量子處理器的最基礎指標。比特數量N限制了量子計算機最大能夠用來編碼信息的空間大?。?N），決定能夠求解問題的最大規模。目前最大規模的量子處理器比特數已經達到數百比特。比特相干時間 比特相干時間表征比特存儲量子信息的壽命。比特相干時間用兩個典型時間尺度T1，T表示。T1是能量弛豫時間，表示比特從激發態|1，經過時間T1后，有1/e的概率弛豫到|0態。T是相位弛豫時間，表示經過時間T后，比特相位信息有1/e的概率丟失。e是自然對數。比特相干時間越長，量子處理器能夠進行量子信息處理的時間越長，因此是量子處理器的重要指標。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準

83、研究報告 26 相位退相干通常由低頻噪聲擾動引起，可以通過自旋回波（spin echo）等手段進行緩解，并且大部分量子線路的操作有一定的隨機性，相當于自帶自旋回波效應，對相位退相干敏感度較低。此外相位退相干性能更多是反映低溫平臺與測控系統的噪聲水平，可以通過優化低溫平臺與測控系統得到改善。而T1主要反映的是量子處理器和比特本身性能，而且能量弛豫往往是不可逆，因此，從處理性能的角度看，T1相對T更重要。目前，多比特超導量子處理器的典型T1值為數十微秒，最高可以做到數百微秒。此外，在超導量子芯片中，雙能級系統（Two-Level Systems）也是一種常見的噪聲源。這些系統是由超導電路和周圍材料

84、中的缺陷引起的，當它們與比特能級差相近時，可以與量子比特發生相互作用，導致退相干，所以在設計和操作超導量子芯片時，管理和減少TLS的影響是至關重要的。比特連通性 實現大多數的多比特量子算法必須使比特之間產生糾纏，產生糾纏的效率直接決定算法的效率。決定產生糾纏的效率的一個重要指標是量子處理器比特間的連通性，即一個比特可以直接和多少個比特直接產生糾纏。比特連通性指標是由量子處理器的物理架構決定，值應該至少為1，否則比特無法和任何比特產生糾纏。超導量子處理器基于平面印刷工藝，比特一般只能和臨近比特直接耦合，常見的連通性一般為2-4，采用盡可能高的連通性架構將大大提高量子算法和應用的運行效率。在量子糾

85、錯中，更高的連通性也可以使比特所需總數量降低?？刹倏匦?每個比特均可控制；所有比特可支持并行操控，微波控制串擾 -30dB,平均 -40dB；偏置控制串擾 -30dB,平均 態熱激發率標定，典型值為50mK，電子溫度越低，說明系統性能越好。制冷功率：100mK制冷功率，即在溫度為100mK時的制冷功率，典型值400W。降溫時間：從室溫（300K）降溫至工作溫度（10mK）所需時長，典型值30小時。整機功率：支持整機運行所需電功率，典型值32kW。持續運行時間：極低溫平臺可持續維持極低溫運行的時長，典型值1年。4.2.3.2.屏蔽組件 量子信息極其脆弱，除了維持比特在極低溫環境外，還需要對環境中

86、的各種噪聲源進行細致的屏蔽才能對量子信息起到有效的保護。屏蔽主要包括機械震動屏蔽和電磁屏蔽。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 29 震動屏蔽：震動需要制冷機本身震度足夠低，結構上需要將震動組件如泵組、脈沖管制冷機冷頭等震動源的震動和實驗平臺做良好隔離。實驗平臺和外界震動也需要有對應的隔離措施，常用的方式有被動減震比如增加大配重增加大阻尼，通以及使用主動減震系統消除震動等方式。剩磁屏蔽：剩磁對超導量子處理器的性能有很大影響，剩磁會在超導材料中形成的磁通釘扎，這會導致比特和耦合器偏離頻率頂點，也會形成噪聲源影響比特性能。低溫低噪聲平臺需要配備多層室溫和低溫磁屏蔽層屏蔽空間剩磁，

87、為量子處理器提供一個接近無磁的環境。指標：量子處理器裝配位置剩磁，典型值20nT。4.2.3.3.微波傳輸組件 超導量子處理器工作在數十mK溫區，而目前主流的控制設備均基于室溫電子學技術，因此需要將所有控制設備的輸出信號從室溫傳遞到極低溫，將極低溫的讀取測量信號傳遞到室溫設備進行數據采集分析，這涉及到多通道高速微波脈沖和信號跨越巨大溫差進行高保真度的傳輸。微波傳輸組件通過控制線纜，衰減器、濾波器、低溫放大器、環形器等微波器件在極低溫下進行高密度集成實現。主要指標參數有：控制電纜數量：控制電纜數量決定系統可控制比特和耦合器的數量，典型值200；讀取電纜組數：一組讀取電纜組包括讀取脈沖輸入通道，讀

88、取信號輸出通道，量子放大器控制通道等多個通道，讀取電纜組數決定系統的讀取通道數量，通常一組讀取可通過頻分復用實現對多個比特的讀取，讀取電纜組數典型值10；脈沖傳輸畸變：脈沖從室溫設備通過多級溫區和多個微波器件傳輸到極低溫區的量子處理器，有可能發生畸變，控制脈沖的畸變會導致比特的實際操控偏離目標設定，表現為保真度下降，因此要求傳輸系統的脈沖傳輸畸變盡可能低。脈沖傳輸畸變通常用方波殘余拖尾大小進行刻畫：用指數衰減模型近似描述方波殘余拖尾，指數衰減的幅度相對方波幅度比值為畸變幅度（），衰減時間常數為畸變長度（），典型值1%，典型值500ns。除盡量優化硬件外，脈沖傳輸畸變需要在控制層進行補償修正。量

89、子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 30 微波脈沖反射：微波控制脈沖的反射將導致單比特門保真度的下降，傳輸系統保證足夠低的微波脈沖反射也是很重要的指標。4.2.4.測控系統 測控系統是超導量子計算機的重要組成部分，負責生成和發送控制信號，操控量子比特，并讀取量子比特的狀態。測控系統的性能直接影響量子比特的操控精度和讀取保真度，以及量子算法的執行效率。測控系統分為硬件和軟件兩部分。測控硬件系統主要包括高速DAC模擬控制脈沖生成器、微波源、微波調制混頻器、高速ADC信號采集器、信號解模分析器、反饋控制器等電子學設備。測控硬件系統提供量子調控所需的高速高精度電脈沖并對量子態讀取信號進

90、行放大、采集、解模并做量子態判別，實現反饋控制流程。測控硬件系統主要指標有：控制波形脈沖DAC采樣率?？刂撇ㄐ蚊}沖輸出帶寬?？刂撇ㄐ蚊}沖DAC幅度精度?？刂撇ㄐ蚊}沖輸出幅度穩定性：24小時內，幅度波動小于500ppm（峰峰值）。讀取數據采集ADC采樣率。讀取采集信號帶寬。讀取數據采集ADC幅度精度。通道同步：多通道同步控制，通道間時同步偏差小于1納秒。量子反饋延時。典型值1微秒。通道數量，典型值200。測控系統軟件操控測控硬件系統實現量子調控，管理系統所有軟硬件資源，實現量子處理器標定和校準，對底層復雜硬件操作進行抽象封裝，為上層量子編程提供標準化接口，將上層任務的量線路解析成硬件控制指令和數

91、據，調度所有硬件協同執行量子任務。測控軟件系統主要指標有：控制規模：可控制系統規模，典型值100比特的超導量子處理器。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 31 軟件延時：量子程序運行流程中，除硬件運行時間外，軟件加載配置，編譯解析量子線路，處理數據等步驟消耗的時間。軟件延時和運行的量子線路規模有關。在量子計算的各子模塊中，測控系統的進化速度最快。量子處理器規模在未來五年內很有可能突破一千比特，將每個比特的控制線纜從極低溫引到室溫電子測控設備的現有方案將不再適用，需要將測控系統轉移到低溫，并由分離設備機箱集成變成芯片級集成方案。第一步的方案是利用低溫CMOS技術在低溫平臺K級集

92、成測控系統，這種方案能夠支持到上萬比特系統。目前這種方案已經得到小規模驗證。更進一步，利用超導電子學技術，實現測控電子學系統在更低溫級甚至實現和量子處理器的原位封裝，是超導量子計算走向更大規模的終極測控解決方案。目前這種方案已經得到小規模驗證。4.2.5.模塊指標小結 超導量子計算體系包括量子處理器、低溫低噪聲平臺和測控系統。這些系統通過多種技術和方法，實現對量子比特的制備、操控和讀出。模塊指標匯總如下表所示。表格 1 超導量子計算體系模塊指標小結 模塊模塊 指標指標 數值及描述數值及描述 量子處理器 比特數 目前最大規模的量子處理器比特數已經達到數百比特 比特相干時間 表征比特存儲量子信息的

93、壽命，比特相干時間越長，量子處理器能夠進行量子信息處理的時間越長。典型值為數十微秒，最高可以做到數百微秒 比特連通性 表征一個比特可以直接和多少個比特直接產生糾纏。常見的連通性一般為2-4 可操控性 操 控 串 擾-30dB；比 特 頻 率 調 節 范 圍35GHz；耦合強度調節范圍-305MHz；并行讀取通道數典型值10 器件良品率 表征正常工作比特數占設計比特數的比例。典型值 98%參數一致性 含比特頻率偏離、非諧性偏離、耦合強度偏離、控制線路耦合強度偏離、讀取頻率偏離、讀取耦合強度偏離、讀取腔衰減偏離 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 32 耐久性 量子處理器能承受的

94、冷熱循環的最低次數 量子放大器性能 增益1520dB；帶寬0.31GHz；飽和功率-110dBm；頻率范圍47GHz 低溫低噪聲平臺 最低溫度 典型值10mK 工作溫度 典型值30mK 芯片電子溫度 典型值50mK 制冷功率 400W10mK 持續運行時間 典型值1年 震動屏蔽 主動減震 剩磁屏蔽 20nT 控制電纜數 典型值200 讀取電纜數 典型值10 脈沖傳輸畸變 指數衰減的幅度相對方波幅度比值為畸變幅度（），衰減時間常數為畸變長度（），典型值1%，典型值500ns 降溫時間 典型值30小時 整機功率 典型值32kW 微波脈沖反射/測控系統 DAC采樣率/DAC幅度精度/控制脈沖輸出帶寬

95、/控制脈沖幅度穩定性 95%。(5)高收集效率:輻射光子應該以高效率提取到單一空間模式或者單模光纖，典型的收集效率約為90%。對于糾纏光源，還應具有高的糾纏保真度:與理想的貝爾態具有高的重合度。這可以通過糾纏保真度關聯測量或者進行量子態層析獲得，典型值為99%。5.2.3.光量子線路模塊指標 光量子線路網絡目前主要包括兩條路徑，早期的光量子計算主要基于自由空間的光學器件，光子在晶體和自由空間中的損耗都很低，但此方案的可擴展性較差。大規模擴展需要將光學元件集成到光學芯片上，但目前的效率還需提升。相關研究整體上處于起步階段。主要指標包括：（1）光學端到端透過率：光功率(強度)從入射到出射的比值。目

96、前在光量子芯片上的透過率的典型值為50%；（2）可編程性：可以按照特定的輸入矩陣實現相應的量子變換矩陣。這個指標可以測量保真度得到，對于10個模式左右的干涉線路的典型值為95%。（3）相位穩定性：這和上述的可編程性類似，主要關注其長時間的實現目標矩陣的變化，也可以通過測量保真度獲取。除此之外，還應關注光量子線路的模式數、可完整連通性等指標。5.2.4.單光子探測器模塊指標 單光子探測器在光量子計算中用于評估其性能的主要指標包括:(1)探測效率:探測到的光響應計數和入射光子數的比值,這是最重要的指標，其可以采用標準光源進行標定，理想情況為100%，目前對于常用的1550 nm波段的探測效率約量子

97、科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 38 90%。(2)暗計數：系統在沒有光入射情況下自發產生和光子響應完全無法區分的計數，典型取值為100 Hz。(3)時間抖動：指信號脈沖到達的時間和理想脈沖到達時刻的偏差。這可以通過示波器或者快電子學設備測試，典型取值為100皮秒。(4)計數率/死時間：計數率表示光子脈沖最高重復頻率，而死時間是指探測器接收到一個單光子產生電響應脈沖后,無法再進行探測的時間。目前計數率約為1至100 MHz，死時間典型值為10 ns至200 ns不等。另外對于單光子探測器還存在其他的一些常見的性能指標包括:光子數分辨能力、響應波長范圍、工作溫度等。5.2.5.

98、模塊指標小結 光量子計算的三大模塊量子光源、光量子線路模塊和光子探測器模塊各自有其關鍵性能指標。量子光源需具備高單光子生成效率、高純度、高合同性、高系統效率、高速的光子生成速率和穩定的糾纏光子對生成效率。光量子線路模塊需要具備高透射率和反射率的分束器、高精度的相位移器、穩定的干涉儀以及低光子損失率。光子探測器模塊需具備高探測效率、低暗計數率、高時間分辨率、強光子數分辨能力和低死時間。這些指標共同決定了光量子計算系統的性能和應用前景。表格 2 光量子計算模塊指標匯總 模塊模塊 指標指標 定義定義 理想指標理想指標 量子光量子光源源 單光子生成量子效率 每次激發產生單光子的概率 理想指標為：接近

99、100%當前水平為：50%90%純度 生成的光子態接近理想單光子態的程度，一般用二階關聯函數表示 理想指標為：接近 0%當前水平為：平均 1%左右，單項指標可以做到 0.01%系統效率 從光源到檢測器整個系統中傳輸和探測光子的效率 理想指標為：接近 100%當前水平為：10%30%，國際最佳值 70%光子生成速率 每秒生成單光子的數量 理想指標為：10GHz/s 當前水平為：1MHz/s1GHz/s 光子全同性 不同光子源生成的光子之間的相似程度 理想指標為：接近 100%當前水平為：90%量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 39 糾纏光子對生成效率 每次激發產生糾纏光子對的

100、概率 理想指標為：接近 100%當前水平為：30%80%糾纏保真度 每次激發產生糾纏光子對的糾纏度 理想指標為：接近 100%當前水平為：95%波長 光子源產生光子的波長 理想指標為：可見光或近紅外 當前水平為：400700 nm（可見光），7001550 nm（近紅外）光量子光量子線路模線路模塊塊 分束器透射率和反射率 分束器的透射率和反射率的可控性 理想指標為：高度可控 當前水平為：50:50 或根據需求調整 相位移器精度 相位移器調節光子相位的精確程度 理想指標為：接近 0 漂移 當前水平為：約 0.01 至 0.1 度 干涉儀的穩定性 干涉儀在長時間操作中的相位穩定性 理想指標為：接近

101、 0 漂移 當前水平為：漂移1nm/h 光子的模式數 干涉儀中允許的獨立光模式的數量 理想指標為：10000 當前水平為：144 連通性 不同光量子比特或光學模式之間的連接和相互作用能力 理想指標為：完全連通 當前水平為：可區分為不能連通，部分連通，完全連通 光子損失率 光子在光量子線路中的損失比例 理想指標為：90%光子探光子探測器模測器模塊塊 探測效率 探測器成功檢測到單光子的概率 理想指標為：接近 100%當前水平為：超導納米線單光子探測器（SNSPD）可達 90%暗計數率 探測器在無光子輸入時產生的假信號率 理想指標為：0 當前水平為：0.110000 時間分辨率 探測器分辨光子到達時

102、間的精度 理想指標為：1ps 當前水平為：幾十皮秒 光子數分辨能力 探測器區分不同數量光子的能力 理想指標為：準確分辨多個光子事件 當前水平為：1 個到 10 個不等 探測器死時間 探測器在一次探測后恢復到可探測狀態所需的時間 理想指標為：0 當前水平為：10 ns200 ns 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 40 6.離子阱量子計算體系 6.1.離子阱量子計算概述 離子阱系統是最有希望實現通用量子計算的平臺之一。自1995年Cirac和Zoller提出用離子阱實現量子計算以來，量子計算的所有基本元素都已在該系統中得到了原理性的驗證并且在多方面取得了領先的成果。離子阱系統

103、始于上世紀50年代，主要由德美兩國物理學家Wolfgang Paul和Hans Dehmelt發明和發展。前者利用射頻振蕩電場和直流靜電場囚禁帶電粒子，開發出了線性保羅阱,后者利用直流靜電場和靜磁場囚禁帶電粒子，開發出了彭寧阱。1995年，Cirac 和Zoller提出了首個量子計算的實驗方案：利用線性保羅阱囚禁線性離子鏈并利用激光操作離子實現量子計算。該方案開啟了離子阱量子計算新領域的同時也激發了其他可行的量子計算平臺的提出。接下來，我們將首先介紹離子阱的基本原理，主要包括量子比特的編碼方式、量子計算的過程等；然后介紹離子阱量子計算的研究進展；最后討論離子阱量子計算的優劣。6.1.1.離子量

104、子計算的基本原理 量子比特是一個二能級系統，在離子阱系統中就是離子的一對內部能級，通常有三種類型的量子比特：一是超精細量子比特（hyperfine qubit）。二能級選取為離子基態能級的兩個超精細結構能級上磁量子數為零的兩個子能級；其頻率在微波范圍；其優點是量子比特壽命無窮長；且量子比特受外接磁場影響小，相干時間長，可達秒量級。二是光量子比特(optical qubit）。一個能級處于基態能級，另一個能級處于亞穩態能級；其頻率在光學波段；其優點是操作激光通常處于可見光或者紅外光波段。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 41 三是塞曼量子比特（Zeeman qubit）。兩個

105、能級選取為基態能級的同一超精細能級上的兩個塞曼子能級；其頻率在射頻波段；其優點是量子比特壽命無窮長；且用于量子操作的拉曼激光頻率差在射頻波段，容易制備。離子阱量子計算流程主要包括電離和俘獲、冷卻、初態制備、邏輯門操作、狀態探測等步驟。6.1.1.1.電離和俘獲 利用激光剝離中性原子的最外層電子，可以獲得帶電離子。本領域通常利用二級電離實現同位素篩選，以提升電離和俘獲離子的純度：使用一束激光將原子從基態激發到中間態，再用另一束激光從中間態激發到完全電離的狀態。帶電離子可以被電場束縛，利用射頻電場和直流電場，可以形成穩定的囚禁勢阱，實現帶電離子的囚禁。6.1.1.2.冷卻 進入囚禁區域的離子，其初

106、始速度很高，離子處于霧化狀態，無法進行精確操控。首先使用多普勒冷卻，使其冷卻結晶，形成穩定晶格。然后對離子進行亞多普勒冷卻，以降低離子溫度，使其接近運動模式的基態，以提高量子邏輯門操作的保真度。常用的亞多普勒冷卻方法主要有電磁誘導透明冷卻和邊帶冷卻。6.1.1.3.初態制備 使用光泵浦技術可以實現離子量子比特的快速、高保真度的初態制備。將量子比特二能級系統的一個能級定義為亮態，另一個能級定義為暗態。泵浦光將亮態上的離子激發到激發態，然后自發輻射回到基態，回到亮態的離子會被再次激發，而回到暗態的離子則不會，由此可將離子確定性地制備到暗態。6.1.1.4.邏輯門操作 普適量子門集包括單量子比特邏輯

107、門和雙量子比特邏輯門。在離子阱系統中，利用尋址激光照射離子，可實現單量子比特的任意幺正操作。雙量子比特邏輯門則是利用尋址激光同時照射兩個離子，實現內態與外態的耦合，通過離子晶體集體運動模式作為媒介來實現的。6.1.1.5.狀態探測 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 42 利用與態相關的自發輻射能夠實現對離子量子比特的狀態讀取。在探測激光的照射下，處于亮態的離子被反復激發到激發態能級，并自發輻射回到亮態，釋放出光子，被探測器探測，而暗態離子則不會釋放光子，由此可以分辨離子量子比特的狀態。6.1.2.離子阱量子計算的優劣勢分析 離子阱量子計算的優勢主要包括擴展成本低、全同性、全

108、連通性、高保真度的量子操作、量子比特相干時間長，其不足主要表現在邏輯門操作速度慢、尋址難度大。擴展成本低。離子阱量子計算機的測控系統復雜度不會隨著量子比特數量的增加而顯著增長，具有顯著的低成本擴展優勢。量子比特全同性。離子量子比特是離子內部的一對二能級系統，因此是天然全同的，這保證了所有量子比特有近乎相同的性質和性能，降低了系統校準的復雜度。量子比特連通性。連通性是指任意一個量子比特能和多少個量子比特直接做雙比特邏輯門。連通性越高的系統，其量子線路越容易簡化，或者說相同的任務，需要執行的邏輯門操作越少。離子阱量子計算利用離子晶體的集體振動模式作為媒介實現不同量子比特之間的耦合，而集體振動模式為

109、所有離子共享，因此任意一個離子可以和任意其它離子進行雙比特邏輯門操作。高保真度的量子操作。包括高保真度的初態制備和狀態讀取，以及單比特邏輯門和雙比特邏輯門。離子阱系統目前保持著上述量子操作的記錄。初態制備和狀態讀取保真度大于99.99%，單比特邏輯門保真度大于99.9999%，雙比特邏輯門保真度大于99.9%。量子比特相干時間。量子比特相干時間可以理解為量子比特能夠存儲信息的時間。通過磁屏蔽和動態解耦，離子阱系統已經實現了超過1小時的相干時間。邏輯門操作速度。由于操作原理的限制，離子阱在量子門速度方面存在明顯的劣勢，目前常用的雙比特邏輯門操作時間一般在百微秒量級。量子科技產學研創新聯盟 量子計

110、算性能評估基準研究報告 43 尋址難度大。目前主流的離子阱路線使用尋址激光對離子進行邏輯門操作，需要將激光聚焦到單個離子上，并且需要保持激光和離子的相對位置不發生改變。離子晶體懸浮在電極附近，機械振動、光路漂移以及電磁噪聲等因素會引起激光和離子相對位置的抖動，從而引起錯誤。在大規模離子晶體中，還面臨著晶體霧化，離子位置不可追蹤的困難。6.2.模塊分類與技術指標 6.2.1.模塊分類 離子阱量子計算機硬件可劃分為四個功能模塊：光源模塊、光控模塊、真空囚禁模塊和電控模塊，如下圖所示。圖 4 離子阱量子計算模塊示意圖 真空囚禁模塊主要由真空腔體和置于腔體內的電極組成，它提供超高真空環境和囚禁電場，是

111、離子晶體穩定存在的地方；光源模塊主要由各種激光器構成，提供離子操控所需的所有激光；光控模塊根據電控模塊發送的指令，對來自光源模塊的激光進行實時的參數調控；電控模塊一方面向光控模塊和真空囚禁模塊發送控制指令，另一方面接收來自真空囚禁模塊的探測信號。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 44 6.2.2.光源模塊 光源模塊主要由激光器構成，用于提供離子操作激光，包括：電離激光、冷卻激光、初態制備和狀態探測激光，邏輯門操作激光、回泵（repump）激光。冷卻激光又分為多普勒冷卻激光和亞多普勒冷卻冷卻激光。亞多普勒冷卻激光主要包括邊帶冷卻激光和電磁誘導透明冷卻激光。多普勒冷卻激光、初態

112、制備和狀態探測激光、電磁誘導透明冷卻激光通常來自同一臺激光器，此處簡稱為DSPAM激光器；邊帶冷卻激光和邏輯門操作激光也通常來自同一臺激光器，簡稱SQ激光器。根據實際需要，光源模塊需要對激光進行波長鎖定、線寬壓縮等，以確保輸出激光參數滿足需求。激光的主要技術指標包括功率及穩定性、激光線寬、激光模式、偏振穩定性。下面首先對這幾個指標的概念、測試方法進行簡要闡述，然后對不同功能的激光進行指標要求的總結。6.2.2.1.指標說明 激光功率及其穩定性激光功率及其穩定性 激光功率反映的是單位時間內激光光束的能量。激光功率穩定性則是一段時間內，激光功率的變化情況，可用RMS穩定性和峰峰值穩定性表征。RMS

113、穩定性是指測量時間內所有采樣功率值的均方根與功率平均值的比值，表征輸出功率偏離平均值的分散程度。峰峰值穩定性是指測量時間內功率的最大值和最小值之差與功率平均值的比值，表征的是一定時間內功率的變化范圍。激光功率可用激光功率計或者光電探測器進行測量，對一段時間內的功率采樣值進行分析可以得到功率穩定性。激光線寬激光線寬 激光線寬定義為激光光譜的半高全寬，反映的是激光頻譜純度。線寬越窄，其時間相干性越好。如果對激光頻率噪聲按白噪聲建模，那么激光譜線為洛倫茲型，此時激光相干時間和激光線寬的關系為=1。線寬測試的方法一般有兩種。第一種是自拍頻方法：將激光束和經過一段長光纖后的激光束進行拍頻，然后用頻譜分析

114、儀對拍頻信號進行頻譜分析得出拍頻量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 45 信號的線寬即可反應激光的線寬。這種方法要求光纖的長度超過激光本身的相干長度，因此適用于測試相干性較差，也即線寬在10kHz以上的激光線寬。第二種方法為雙激光拍頻法：將兩臺相似的窄線寬激光器作拍頻并對拍頻信號進行頻譜分析從而得到激光的線寬。這種方法要求兩臺激光器有相近的線寬，一般適用于測試10kHz以下的窄線寬激光器，甚至是10Hz以下的超窄線寬激光器。激光模式激光模式 激光模式即激光強度在激光傳播方向（縱向）的垂直方向上（橫向）的空間分布。離子阱實驗要求激光模式為高斯基模，即激光強度在空間上呈高斯函數型

115、分布I(x,y)e2(2+2)2。實際情況下，激光光斑往往達不到高斯型，一般可以用光束質量因子M2來衡量光斑有多接近高斯基模。M2定義為激光束腰半徑和光束遠場發散角的乘積與理想高斯基模光束束腰半徑和發散角乘積的比值。M2可用光束輪廓分析儀進行測量。偏振純度偏振純度 激光偏振表征激光中電場的振蕩方向，它影響各種光學器件的效率、離子躍遷強度等，因此是非常重要的指標。激光器出光一般是線偏振，偏振純度是指其它雜散偏振分量的光強與主偏振光強之間的比值，通常以偏振消光比來表示。激光偏振態以及偏振消光比可以通過偏振分析儀進行直接測量，也可以利用高消光比的偏振分束器和波片進行測量。6.2.2.2.性能指標典型

116、值 下表展示離子阱量子計算對各種功能激光的參數要求。此表以功能激光進行分類，不以激光器分類，如上所述，不同功能激光可能來自同一激光器。表格 3 離子阱量子計算對各種功能激光的指標需求 激光種類激光種類 輸出功率輸出功率（mW）PP功率穩功率穩定性定性 線寬線寬 光束質量光束質量因子因子 偏振消光偏振消光比比(dB)電離激光 10 5%1MHz 22 多普勒冷卻激光 2 1%1MHz 22 電磁誘導透明冷卻激光 5 0.5%1MHz 22 邊帶冷卻激光 200 0.5%1kHz 22 初態制備與狀態探測激光 2 0.5%1MHz 22 邏輯門操作激光 1000 0.1%100Hz 22 回泵激光

117、 5 5%1MHz 22 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 46 6.2.3.光控模塊 光控模塊接收來自光源模塊的激光，對激光參數進行調控，然后將激光傳輸到真空囚禁模塊，以對離子量子比特執行操控。參數調控分靜態調控和動態調控。靜態調控包括對激光分束和合束、光斑大小調整、傳播方向調整等；動態調控參數包括功率、頻率、相位、傳播方向等。靜態調整主要通過反射鏡、偏振分束器、非偏振分束器、波片、透鏡等光學元件實現；動態調整，可利用聲光調制器（AOM）對激光功率、頻率和相位進行快速調節；利用電光調制器（EOM）施加頻率邊帶；利用聲光偏轉器（AOD）對傳播方向進行快速調節；利用機械開關對

118、激光進行慢速的通斷控制。與光源模塊相對應，光控模塊可分為電離光模塊、DSPAM光模塊、SQ光模塊、回泵光模塊。接下來先對各模塊的主要指標進行解釋，然后對各個子模塊的主要功能進行簡述，并指出其主要指標要求。6.2.3.1.指標說明 激光功率調節范圍。指激光功率可以變化的范圍，通常利用聲光調制器對激光功率進行快速調節，可以利用功率計直接測量。激光頻率、相位調節范圍。通常利用聲光調制器對激光頻率和相位進行快速調節。聲光調制器的射頻場的頻率和相位直接決定了激光頻率和相位。參數切換時間。指功率、頻率、相位完全切換的最小時間單位，聲光晶體中的聲速是其主要限制?？赏ㄟ^光電探測器探測功率的變化曲線來直接測量。

119、光斑大小。通常用高斯半徑來描述，指激光功率下降到光斑中心處功率1/e2的距離。對于較大的光斑（半徑10m），可通過光束質量分析儀直接測量；對于微米量級的光斑，可通過刀片法切割光斑，或者離子感受到的光強隨距離變化關系來測量。光強調節范圍。光強又叫光功率密度，等于光功率除以光斑面積。通常用飽和吸收光強（Is）的倍數來描述。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 47 傳播角度調節范圍。僅對于尋址激光而言。尋址激光是指光斑大小只覆蓋單個離子的激光。在量子計算過程中的不同階段，需要對不同的離子執行邏輯門操作，由此要求尋址邏輯門操作激光的傳播方向可以實時調控。通常利用聲光偏轉器（AOD）來

120、調節尋址激光的傳播角度，以實現對全離子晶體的掃描。6.2.3.2.電離光模塊 電離光模塊用于對電離光進行慢速的開關控制，并對激光大小進行靜態調整并輸出到真空囚禁模塊中。其主要參數指標要求包括：開關時間：小于50ms；輸出功率：大于500W；光束質量因子：小于1.5；光斑大?。和ǔＧ闆r，高斯半徑高斯半徑 100m 100m 6.2.3.3.DSPAM 光模塊 DSPAM光模塊將來自DSPAM激光器的激光進行分束調控，輸出用于多普勒冷卻、初態制備和狀態探測、電磁誘導透明冷卻的激光。對這些激光進行快速的開關控制、功率調節和頻率調節，并對光斑進行靜態調整，輸出到真空囚禁模塊。其各路輸出激光主要參數指標

121、要求如下表所示。表格 4 DSPAM 光模塊指標要求 激光名稱激光名稱 光強調節范光強調節范圍（圍（）頻率調節范頻率調節范圍圍(MHz)相位調節相位調節范圍范圍()PP功功率波動率波動 參數切換參數切換時間時間()偏振消光偏振消光比比(dB)光斑大光斑大小小 多普勒冷卻激光 05 40 0360 1%22 全覆蓋 電磁誘導透明冷卻激光 010 40 0360 0.5%22 全覆蓋 初態制備激光 05 40 0360 1%22 全覆蓋 狀態探測激光 05 40 0360 0.5%22 全覆蓋 6.2.3.4.SQ 光模塊 SQ光模塊將來自SQ激光器的激光進行分束調控，輸出邊帶冷卻激光和邏輯門操作

122、激光。邊帶冷卻激光一般是全局激光，覆蓋整個離子晶體；邏輯門操作激量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 48 光是尋址激光，光斑大小只覆蓋單個離子。以下表格對兩種激光的相關指標要求進行總結。表格 5 SQ 光模塊指標要求 激光名稱激光名稱 光功率調光功率調節范圍節范圍（mW）頻率調頻率調節范圍節范圍(MHz)相位調相位調節范圍節范圍()PP功功率波動率波動 參數切參數切換時間換時間()偏振消偏振消光比光比(dB)光束光束質量質量因子因子 角度角度調節調節范圍范圍 光斑大小光斑大小 邊帶冷卻激光 020 40 0360 0.5%22 全覆蓋 邏輯門操作激光 0100 40 0360

123、 0.1%22 1.5 全掃描 僅覆蓋單個離子 6.2.3.5.回泵光模塊 回泵光模塊將來自回泵激光器的激光進行分束調控，輸出用于回泵的激光?；乇霉獾膮狄笕缦卤?。表格 6 回泵光模塊指標要求 激光名稱激光名稱 光功率調光功率調節范圍節范圍（mW）頻率調節頻率調節范圍范圍(MHz)相位調相位調節范圍節范圍()PP功率功率波動波動 參數切參數切換時間換時間()偏振消光比偏振消光比(dB)光斑大光斑大小小 回泵激光 01 20 0360 5%22 全覆蓋 6.2.4.電控模塊 電控模塊包括時序控制機箱和靜態輸出機箱。時序控制機箱用于產生隨時間變化的控制信號，包括射頻信號、TTL信號，輸出到光控模

124、塊中聲光調制器、電光調制器等器件，用于對激光參數進行實時調控。靜態輸出機箱主要輸出兩種信號到真空囚禁模塊，其一是直流信號，施加到線性保羅阱的直流電極上；其二是射頻信號，施加到線性保羅阱的射頻電極上。上述直流信號和射頻信號共同作用，產生三維囚禁勢阱，實現對離子量子比特的穩定囚禁。6.2.4.1.時序控制機箱 時序控制機箱主要用于產生隨時間變化的控制信號，用于對激光參數進行實時調控，以實現對離子量子比特的實時操控。主要包括射頻輸出模塊（DDS），數字輸入/輸出模塊(DIO)。射頻輸出模塊（DDS）輸出多路射頻信號，用于驅動光控模塊中的聲光調制器或電光調制器，射頻信號幅度、相位、頻率可實時調控。量子

125、科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 49 數字輸入/輸出模塊一方面可以用來輸出數字信號，可用于對部分射頻信號進行開關控制、對系統中的分立設備進行同步等；另一方面可以用來采集數字信號，用于少量離子狀態的探測。射頻信號功率范圍及功率穩定性 離子阱量子計算機通過聲光調制器來調制激光參數。施加于聲光調制器上的射頻信號的功率決定激光功率，因此射頻信號功率范圍決定了激光功率的可調范圍，射頻信號功率穩定性決定了激光功率穩定性。射頻功率穩定性可用RMS穩定性和峰峰值穩定性表征。RMS穩定性是指測量時間內所有采樣功率值的均方根與功率平均值的比值，表征輸出功率偏離平均值的分散程度。峰峰值穩定性是指測

126、量時間內功率的最大值和最小值之差與功率平均值的比值，表征的是一定時間內功率的變化范圍。射頻信號功率可通過射頻功率計直接測量，典型值為10dbm 20dBm。通過對一定時間段內的功率測量值進行分析，可以得到射頻信號功率穩定性。射頻功率RMS穩定性典型值為的0.1%，峰峰值穩定性典型值為0.5%。射頻信號頻率范圍及頻率穩定性 離子阱系統中的射頻信號主要用于驅動電光調制器以及聲光調制器，驅動聲光調制器時其典型頻率范圍為1MHz-1GHz，驅動電光調制器或其他設備時其典型頻率范圍為1MHz-20GHz。當所需頻率范圍較低時（400MHz），射頻信號可以由時序控制機箱中數字頻率合成器（DDS）產生，可以

127、快速進行幅度、頻率與相位切換，當頻率范圍較高時，需要特定的專用設備來產生。時序控制機箱的射頻信號頻率范圍典型值為1-400MHz，頻率穩定性主要取決于外部時鐘輸入，通常使用頻率波動值與中心頻率的比值來表征，典型值為5 1011。射頻信號隔離度 射頻信號隔離度是指多路射頻信號輸出之間的串擾程度。其測量方法為：打開一路射頻信號，用頻譜儀或者射頻功率計測量其余處于關閉狀態的通道的輸出信號強度，后者與前者的比值定義為隔離度，其典型值是-70dBc。射頻信號切換速度 離子阱量子計算機通過聲光調制器、電光調制器來調制激光的頻率、功率、相位等信息，這種調制是通過快速改變施加于聲光調制器、電光調制器的射頻信量

128、子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 50 號來實現的，因此射頻信號的切換速度決定了操控的時間精度。射頻信號的切換速度是指射頻信號的功率、頻率、相位發生改變的最小時間?？梢酝ㄟ^示波器直接觀察切換速度。該指標典型值為10100ns。射頻信號相位噪聲 射頻信號的相位穩定性可以通過相位噪聲來表征，相位噪聲典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。數字信號寬度 電控系統中能同步控制的數字信號的位數為數字信號的寬度，在離子阱系統中需要時序控制機箱通過數字信號來操控外部設備，數字信號的寬度越多所能操控的外設也越豐富。數字信號的位數需要根據系統外設的需求靈活選取，典型值為8-12

129、8位。數字信號開關速度 電控系統的數字信號的開關速度決定了電控系統在與外部器件交互時的精度，表征數字信號開關速度有兩個重要參數：最小脈寬與最小調節精度。其中最小脈寬指數字信號由低電平到高電平再到低電平的最短時間，受限于系統的帶寬，其典型值通常為5ns-20ns。最小調節精度指的是數字信號在時間定位上的精度，取決于電控系統芯片的運行頻率，對于離子阱系統來說，其典型值為1ns-10ns。6.2.4.2.靜態輸出機箱 靜態輸出機箱主要用于產生幅值和頻率不隨時間變化的射頻信號和幅值不隨時間變化的直流信號，輸出到真空囚禁模塊的射頻電極和直流電極上，以產生穩定囚禁勢阱。直流信號精度及穩定度 直流信號精度是

130、指輸出直流電壓信號的最小可調值，由數模轉換器（DAC）位數決定，它影響了離子阱系統對離子平衡位置的調控精度,典型取值為16位-20位。直流電壓穩定度分為短時穩定性和長時穩定性。短時穩定性也稱為電壓噪聲，可通過頻譜儀測量DC電壓的頻譜特性，典型值為頻率0-1MHz范圍內，噪聲的功率譜-80dBm。長時穩定性可通過高精度萬用表長時間測量電壓值，通過記錄一量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 51 段時間內的峰峰值以及標準差相對于其輸出平均值的比值來表征，峰峰值穩定性典型取值為10 ppm，標準差穩定性典型取值為1 ppm。射頻信號功率范圍及穩定度 射頻信號施加于保羅阱的射頻電極上，

131、用于產生徑向束縛勢，射頻信號功率決定了離子感受到的勢阱深度，射頻信號功率穩定性直接影響了囚禁勢的穩定性。射頻功率穩定性可用RMS穩定性和峰峰值穩定性表征。RMS穩定性是指測量時間內所有采樣功率值的均方根與功率平均值的比值，表征輸出功率偏離平均值的分散程度。峰峰值穩定性是指測量時間內功率的最大值和最小值之差與功率平均值的比值，表征的是一定時間內功率的變化范圍。射頻信號功率可用射頻功率計直接測量，也可利用取樣電容測量施加在射頻電極上的射頻信號的電壓，其典型值為200-1000V。通過對一定時間的測量值進行分析，可以得到射頻信號功率穩定性。其典型值是RMS穩定性0.01%-0.1%，峰峰值穩定性0.

132、03%-0.1%。射頻信號頻率范圍及頻率穩定度 線性保羅阱的囚禁勢阱深度還受射頻信號的頻率決定，其頻率穩定性對囚禁勢的穩定性也有直接的影響?？衫妙l譜儀直接測量射頻信號的頻率和頻率穩定性。頻率范圍通常是1050MHz，頻率穩定度用頻率波動值與中心頻率的比值表征，其典型值為5 1011。射頻信號相位噪聲 射頻信號的相位噪聲直接影響離子的聲子模式，相位噪聲是指在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化，可以通過相噪測量儀直接測量或者頻譜儀間接測量，典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。6.2.5.真空囚禁模塊 真空囚禁模塊是穩定囚禁離子晶體的地方，是離子阱量子計算機的核心

133、。包括真空腔體和置于腔體內的電極，真空腔體提供超高真空環境，以減少外界環境對離子晶體的影響，電極包括直流電極和交流電極，通過交流電場和直流電場產生囚禁勢場，以囚禁離子晶體。其主要指標如下。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 52 真空度。反應真空室內氣體密度，由真空計直接讀出，通常要求真空度小于5 1012.離子數。指穩定囚禁的離子晶體所包含的離子數量。目前在單個離子阱系統中穩定囚禁的離子數已達到500。晶格穩定時間。指離子形成穩定晶格的持續時間。只有形成穩定晶格，才能對離子進行定位和精確操控。晶格穩定時間反映了真空囚禁模塊中真空度和電磁噪聲的程度。晶格穩定時間通常和離子數有

134、關，目前已知記錄中，華翊量子已實現37離子晶體超過2.5小時的穩定囚禁。Dark lifetime。指關閉冷卻光的情況下的晶格穩定時間。在量子計算過程中，冷卻光不會一直存在，因此Dark lifetime更有價值。Dark lifetime受真空度以及電磁噪聲的影響，原則上，離子數越多，dark lifetime越短。目前典型值是在37離子晶格中，dark lifetime大于1s。加熱率。指離子晶體的聲子數隨時間的變化量。該指標會影響邏輯門操作的保真度。典型值是小于20聲子每秒。量子比特相干時間?？坍嬃孔颖忍啬艽鎯π畔⒌臅r間。離子系統中典型時間是秒量級，現有記錄是1小時。振動幅度。特指離子阱

135、系統的電極與操控光路之間的相對抖動幅度，它反映了操控激光和離子之間的相對穩定程度?？赏ㄟ^MZ干涉儀測量與電極安裝架固連的鏡子和固定光學元件的光學平臺之間的相對抖動幅度來測量，其典型值是40nm。成像系統分辨率和成像范圍。離子阱系統使用光學物鏡搜集離子晶體的熒光來實現狀態探測。成像系統分辨率是指能夠分辨的最小離子間隔，當兩個離子間隔小于分辨率時，成像系統無法對其區分，典型值是3m。成像能力是指在保證分辨率的情況下，最多能對多大范圍的離子晶體進行成像，與物鏡的視野直接相關，典型值是300 m。6.2.6.模塊指標小結 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 53 離子阱量子計算機主要

136、分為光源模塊、光控模塊、電控模塊和真空囚禁模塊。光源模塊主要由激光器組成，負責產生操控離子的激光；光控模塊對來自光源模塊的激光進行頻率、幅度、相位等參數調控，將調控后的激光輸送到真空囚禁模塊，用于對離子進行操控。電控模塊負責輸出射頻電場和直流電場，一方面輸出至真空囚禁模塊，用于產生穩定的囚禁勢阱，另一方面輸出至光控和光源模塊，用于驅動對激光的參數調控器件。各模塊的典型指標匯總如下。表格 7 離子阱量子計算模塊指標小結 模塊模塊 指標指標 數值及描述數值及描述 光源模塊 輸出功率（mW）電離激光10mW；多普勒冷卻激光2mW 電磁誘導透明冷卻激光5mW 邊帶冷卻激光200mW 初態制備與狀態探測

137、激光2mW 邏輯門操作激光1000mW 回泵激光5mW PP功率穩定性 電離激光5%多普勒冷卻激光1%電磁誘導透明冷卻激光0.5%邊帶冷卻激光0.5%初態制備與狀態探測激光0.5%邏輯門操作激光0.1%回泵激光5%線寬 電離激光1MHz 多普勒冷卻激光1MHz 電磁誘導透明冷卻激光1MHz 邊帶冷卻激光1kHz 初態制備與狀態探測激光1MHz 邏輯門操作激光100MHz 回泵激光1MHz 光束質量因子 電離激光1.5 多普勒冷卻激光1.5 電磁誘導透明冷卻激光1.5 邊帶冷卻激光1.5 初態制備與狀態探測激光1.5 邏輯門操作激光1.2 回泵激光1.5 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估

138、基準研究報告 54 光強調節范圍 多普勒冷卻激光05 Is 電磁誘導透明冷卻激光010 Is 初態制備激光05 Is 狀態探測激光05 Is 頻率調節范圍 多普勒冷卻激光40MHz 電磁誘導透明冷卻激光40MHz 初態制備激光40MHz 狀態探測激光40MHz 相位調節范圍 多普勒冷卻激光02 電磁誘導透明冷卻激光02 初態制備激光02 狀態探測激光02 參數切換時間 多普勒冷卻激光0.1s 電磁誘導透明冷卻激光0.1s 初態制備激光0.1s 狀態探測激光22dB 光控模塊 光功率調節范圍 邊帶冷卻激光020mW 邏輯門操作激光0100mW 回泵激光01mW 頻率調節范圍 邊帶冷卻激光40MH

139、z 邏輯門操作激光40MHz 回泵激光20MHz 相位調節范圍 邊帶冷卻激光02 邏輯門操作激光02 回泵激光02 PP功率穩定性 邊帶冷卻激光0.5%邏輯門操作激光0.1%回泵激光5%參數切換時間 邊帶冷卻激光0.1s 邏輯門操作激光0.1s 回泵激光22dB 邏輯門操作激光22dB 回泵激光22dB 光束質量因子 邏輯門操作激光1.5 角度調節范圍 邏輯門操作激光要求全掃描 光斑大小 邊帶冷卻激光要求全覆蓋 邏輯門操作激光僅覆蓋單個例子 回泵激光要求全覆蓋 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 55 電控模塊 射頻信號功率范圍 時序控制機箱-1020dBm 靜態輸出機箱20

140、01000V 射頻信號功率穩定性 時序控制機箱0.5%靜態輸出機箱0.030.1%射頻信號頻率范圍 時序控制機箱0400MHz 靜態輸出機箱160MHz 射頻信號頻率穩定性PP 時序控制機箱510-11 靜態輸出機箱510-11 射頻信號相位噪聲 時 序 控 制 機 箱-90dBc10Hz，-110dBc100Hz 靜 態 輸 出 機 箱-90dBc10Hz，-110dBc100Hz 射頻信號隔離度 時序控制機箱-70dBc 射頻信號切換時間 時序控制機箱10100ns 數字信號寬度 時序控制機箱812位 數字信號切換時間 時序控制機箱110ns 直流信號電壓范圍 靜態輸出機箱-2020V 直

141、流信號精度 靜態輸出機箱1620位 直流信號穩定性PP 靜態輸出機箱10ppm 真空囚禁模塊 真空度 2h30離子 Dark lifetime 1s 加熱率 200ms 震動幅度 0的正半軸區域時，=1磁子能級向下劈裂，由于激光頻率是紅失諧的，故原子將更多的吸收的光子(激光頻率更接近共振頻率)，原子感受到指向中心的光壓力；同理原子在x0時，力指向梯度的反方向，即指向光強弱的方向；當失諧 0時，力指向光強更強的方向。因此利用強聚焦紅失諧的光偶極阱可以將原子囚禁在光強最強的焦點附近，根據“碰撞阻塞原理”，當偶極阱束腰小于等于4微米時，阱中最多只能有一個原子。將這樣的偶極阱焦點與前述的冷原子團重合，

142、即可俘獲單個原子。7.1.1.3.初態制備 捕獲單個原子后接下來就是高效率的進行量子比特的初始化，將銣87原子的基 態 超 精 細 磁 子 能 級 編 碼 為 量 子 比 特 的|0=|51 2,F=1,=0 和|1=|51 2,F=2,=0。量子比特的初態制備指的就是高效率的將原子制備到|0態的過程，也可稱之為光泵(pumping)過程。光泵，也可稱為光抽運，利用光的頻率和偏振特性在特殊的選擇定則下操作原子能級布局。最終的結果會導致原子處在某些特定能級上，這些能級上的原子不與光相互作用，形成“暗態”(dark state)，其他能級上的原子不斷被抽運到暗態上保存下來。在實驗上利用光泵光和回泵

143、光的共同作用，將原子高效率的抽運到|0態上，達到初始化的目的。量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 58 7.1.1.4.邏輯門操作 任何通用的量子邏輯門都可以分解為一些列單比特門和兩比特門。在中性原子體系中，單比特門操作一般利用與0態和1態能級共振的微波或者一對拉曼光進行操控，通過控制作用的時間和相位可以控制量子態的布局和相位。中性原子兩比特糾纏門的實現方案主要有三種：一種是將與原子糾纏的光子進行貝爾態測量來制備糾纏的原子，該方法產生糾纏的過程不可控且效率低；第二種是基于原子間的受控冷碰撞，該方法受限于原子的冷卻效率和原子間距的精確控制，進一步提高保真度有很大挑戰；第三種則是

144、基于原子間的里德堡態偶極-偶極相互作用實現兩比特糾纏，該方法對原子熱運動并不敏感，而且門操控的時間在微秒量級，是目前最適合中性原子體系的兩比特門方案。7.1.1.5.內態探測與讀出 中性原子量子計算中對于量子態的探測常用的方法是熒光探測法。在探測原子內態之前用一束共振激光將處于1態的原子加熱從而在阱中損失掉，對于0態的原子無影響。然后施加探測光誘導原子發光，根據收集到的自發輻射熒光來判斷原子所處的狀態，從而達到內態讀出的目的。7.1.2.中性原子量子計算優劣勢分析 中性原子量子計算優勢：(1)良好的可擴展性：中性原子體系單個量子比特是囚禁在單個偶極阱中的，通過對偶極阱進行擴展可以輕易實現量子比

145、特的擴展。目前主要有兩種方式對偶極阱進行擴展：一種是利用調制器件對偶極光進行相位調制，使一束偶極光經過強聚焦后在焦平面處形成多個焦點，每一個焦點代表一個偶極阱，用于囚禁一個量子比特。利用這種方法目前已經實現比特數目多達約1200的二維量子比特陣列和二維異核量子比特陣列，以及三維的量子比特陣列。另外一種是利用多芯光纖的方案，每一根光纖內合束有偶極光、拉曼光和激發光，纖芯數目可達幾十甚至上百，這種方法可以便捷地形成幾十到上百的偶極阱陣列。并且由于每根光纖內合束有獨立的拉曼光和激發光，因此可以做到量子比特之間完全獨立可控，實現多比特之間的并行尋址，達到全編程量子計算要求。量子科技產學研創新聯盟 量子

146、計算性能評估基準研究報告 59(2)量子比特的全同性：中性原子量子比特使用的是原子內部的一對二能級系統，物理性質保證了同種量子比特的性質天然全同。因此在制備和操控量子比特時不需要考慮比特之間的差異，降低了系統的復雜度。(3)較長的相干時間：中性原子量子比特一般是編碼在堿金屬原子基態鐘躍遷能級上，量子比特的相干時間主要受限于偶極阱的差分光頻移引起的非均勻退相。利用魔幻光強阱技術，可以降低差分光頻移對阱深的敏感性，使量子比特的相干時間得到極大延長。目前已經實現將量子比特相干時間從幾毫秒延長到秒量級。同樣得益于魔幻光強阱技術，中性原子體系目前實現了量子比特在不同偶極阱之間的相干轉移，轉移前后量子比特

147、的相干性不變。這種方案可以實現量子比特之間的按需連接，充分發揮多比特數目的優勢。(4)可控的相互作用：相互作用的強度不僅決定了兩比特相位門的操作時間,而且大小的控制對于減少量子算法執行過程中的退相,提高操作的保真度具有重要的作用.基于里德堡態原子的偶極-偶極相互作用是一個長程的、強度比基態相互作用大12個量級的相互作用。由此可以將兩比特邏輯門的操控時間控制到微秒以內,而且該作用可以通過相干激發到里德伯態或從里德伯態相干退激發進行開關,也可以通過電場、磁場和原子的空間排列來調整大小。中性原子量子計算劣勢：(1)量子比特易丟失：囚禁在偶極阱中的量子比特由于加熱和背景氣體碰撞的影響，可能會飛出阱外造

148、成原子損失。這種損失會導致誤差出現，并且每次需要重新裝載原子。(2)大規模量子比特間的連接度：目前中性原子量子比特之間的相互作用主要是近鄰原子間的里德堡相互作用，一般這種作用的有效范圍在10微米以內。當量子比特陣列的尺度達到百微米甚至更大時，量子比特之間的相互作用只在局部范圍內有效，導致量子比特之間的連接度較低。7.2.模塊分類與技術指標 7.2.1.模塊分類 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 60 中性原子量子計算機的硬件按功能可劃分為四個主要系統：激光光源系統、激光調制系統、核心物理系統和控制系統。激光光源系統主要由各種波長的種子激光器構成，用于提供中性原子量子計算所需

149、的冷卻、囚禁、態制備、門操控、探測等所需的光源。激光調制系統主要由各種功能的光路模塊組成，包括激光功率調制、激光頻率調制以及激光分束、合束等光路，用于接收種子光源的激光然后輸出到主系統。核心物理系統主要由真空腔體和真空系統附近光路組成，用于冷卻、囚禁和操控量子比特?？刂葡到y則是輸出各種控制信號到激光調制系統以及真空系統，用于操控量子比特，同時接收真空系統輸出的信號，讀出量子比特狀態。圖 5 中性原子量子計算的概念架構 7.2.2.激光光源系統 激光光源系統主要由不同功能的種子激光器構成，這些光源包括：冷卻光、回泵光、光泵光、偶極光、拉曼光、里德堡激發光等，以及部分激發功率放大器。同時激光光源系

150、統還包含對激光頻率進行鎖定、壓窄線寬的功能模塊。例如通過飽和吸收譜光路實現對冷卻光、回泵光、光泵光的頻率鎖定，利用PDH穩頻方法實現對里德堡激發光的頻率鎖定和線寬壓窄。激光的主要指標包括光功率、功率穩定性、激光線寬、偏振消光比。激光功率及功率穩定性 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 61 激光功率反映的是單位時間內激光光束的能量。激光功率穩定性則是一段時間內，激光功率的變化情況，可用峰峰值穩定性表征。峰峰值穩定性是指測量時間內功率的最大值和最小值之差與功率平均值的比值，代表了一定時間內功率的變化范圍。中性原子體系核心系統中所用的冷卻光、回泵光的功率一般在幾毫瓦量級，光泵光功

151、率在幾十微瓦量級，功率穩定性在3%以內。單個偶極阱的功率一般在幾毫瓦左右，功率穩定性在1%以內。里德堡激發光的功率在瓦量級，功率穩定性在1%以內。激光線寬 激光線寬定義為激光光源發射光譜的半高全寬，即達到峰值一半高度所對應的頻譜寬度。激光線寬越窄，表示其相干性越好。激光譜線的線型為洛倫茲型，此時激光相干時間和激光線寬的關系為=1。線寬測試的方法一般有兩種。第一種是延時自拍頻法：將激光束一分為二，一部分經過移頻器件，另外一部分經過長距離的延時光纖，然后將兩部分合束拍頻。用頻譜分析儀對拍頻信號進行頻譜分析得出拍頻信號的線寬即可反應激光的線寬。第二種方法為雙激光拍頻法：將兩臺相似的窄線寬激光器直接拍

152、頻并對拍頻信號進行頻譜分析從而得到激光的線寬。這種方法要求兩臺激光器有相近的線寬。中性原子體系所需的冷卻光、回泵光、光泵光的線寬一般要求小于1MHz，里德堡激發光的線寬一般要求小于1KHz。偏振消光比 偏振消光比代表激光器輸出偏振的純度，可用其它雜散偏振分量的光強與主偏振光強之間的比值來表征。激光器輸出激光的偏振一般為線偏光，可通過格蘭泰勒棱鏡進行偏振提純，配和不同波片進行偏振調節。中性原子體系中激光與量子比特相互作用時均需要考慮激光的偏振，對于冷卻光、回泵光、偶極光、里德堡激發光等偏振消光比一般要求大于1000：1，對于光泵光的偏振消光比一般要求大于5000：1。7.2.3.激光調制系統 量

153、子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 62 激光調制系統主要負責將種子激光器產生的激光進行一系列調制處理，包括頻率調制、相位調制和幅度調制等。這些經過調制的激光束隨后被分束或合束，并最終傳送到核心物理系統中，以實現對量子比特的精準操控。7.2.3.1.指標說明 激光幅度調制 激光的幅度調制一般通過聲光調制器或光纖EOM實現，調制范圍從0到100%，方形激光脈沖的上升沿一般在ns量級?？赏ㄟ^調制射頻驅動源的幅度來實現對激光幅度的調制。激光頻率調制 激光的頻率調制一般通過聲光調制器或光纖EOM實現，調制范圍從幾十MHz到幾GHz不等。頻率調制范圍主要由調制器的射頻驅動源決定。7.2.

154、4.核心物理系統 核心物理系統主要由真空系統和周圍的光路組成。中性原子量子比特是在高真空環境的真空腔體內部制備的，真空系統周圍主要搭建有磁光阱光機系統和偶極光光路以及態制備和里德堡激發光路。這些圍繞真空系統搭建的光路接收來自激光調制系統輸出的激光，經過指向調節、偏振調節和光斑大小控制之后入射到真空腔體內部，實現對量子比特的控制。7.2.4.1.指標說明 真空度 真空度反應了真空腔體內部氣體的稀薄程度，一般由與真空系統相連的離子泵讀出。真空度越高，原子量子比特受背景氣體碰撞的幾率越低，壽命越高。一般要求真空系統的真空度小于5*10-8Pa。偶極阱束腰 單個量子比特是囚禁在單個偶極阱中的，偶極阱的

155、束腰越小，原子在阱中的位置不確定性越小，同時對偶極光功率的需求越低。一般要求偶極阱束腰小于1微米左右。偶極阱陣列強度均勻性 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 63 通過制備偶極阱陣列裝載單原子可以實現量子比特的快速擴展。一般偶極阱陣列是通過空間光調制器對激光的相位進行調制，然后經過強聚焦透鏡聚焦后形成光斑陣列。由于激光在傳播過程中會經過多種光學器件而導致波前畸變，并且空間光調制器在不同角度上的衍射效率不同，最終形成的偶極阱陣列強度不均勻。通過進行像差補償、衍射效率補償以及幅度反饋算法優化后，一般偶極阱陣列強度的均勻性大于95%。原子陣列確定性重排成功率和重排后填充率 由于單

156、個偶極阱裝載原子的幾率在50%左右，因此向偶極阱陣列進行原子隨機裝載時原子的排布是隨機的。后面必須進行原子的確定性重排，一般利用聲光偏轉器控制更深的移動阱，根據計算得到的轉移路徑，將隨機排列的原子重新排列為設定的目標樣式。一般原子陣列確定性重排成功率在80%左右。重排后的填充率一般在98%以上。7.2.5.控制系統 控制系統主要包含主動的時序控制機箱和程序以及接收控制信號的靜態輸出機箱。時序控制機箱主要輸出隨時間變化的AO/DO信號，用于控制激光強度、激光頻率、磁場強度等。靜態輸出機箱主要輸出射頻信號用于控制聲光調制器、聲光偏轉器，輸出直流信號用于控制磁場強度等，同時接收時序控制機箱輸出的控制

157、信號。7.2.5.1.指標說明 射頻信號頻率范圍 中性原子系統中用到的射頻信號主要用于驅動電光調制器、聲光調制器、聲光偏轉器以及光纖EOM等。驅動普通電光調制器時典型頻率范圍為1MHz-20MHz，驅動聲光調制器時其典型頻率范圍為60MHz-200MHz，驅動光纖EOM時其典型頻率范圍為1GHz-10GHz。當所需頻率范圍較低時（200MHz），射頻信號可以由時序控制機箱中數字頻率合成器（DDS）產生，可以快速進行幅度、頻率與相位切換，當頻率范圍較高時，需要特定信號源來產生。時序控制機箱的射頻信號頻率穩定性主要取決于外部時鐘輸入，通常使用頻率波動值與中心頻率的比值來表征，典型值為5 1011。

158、量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 64 射頻信號隔離度 射頻信號隔離度是指多路射頻信號輸出之間的串擾程度。其測量方法為：打開一路射頻信號，用頻譜儀或者射頻功率計測量其余處于關閉狀態的通道的輸出信號強度，后者與前者的比值定義為隔離度，其典型值是-70dBc。射頻信號相位噪聲 射頻信號的相位穩定性可以通過相位噪聲來表征，相位噪聲典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。數字信號開關速度 數字信號的開關速度決定了電控系統在與外部器件交互時的精度，表征數字信號開關速度有兩個重要參數：最小脈寬與最小調節精度。其中最小脈寬指數字信號由低電平到高電平再到低電平的最短時間，受

159、限于系統的帶寬，其典型值通常為5ns-20ns。最小調節精度指的是數字信號在時間定位上的精度，取決于電控系統芯片的運行頻率，對于中性原子量子計算，其典型值為10ns左右。直流電源 直流電源通常用于給MOT線圈和補償線圈提供電流，用于產生不同大小的磁場。一般要求電流源的分辨率為10，精度為100，24小時電流漂移小于10。7.2.6.模塊指標小結 中性原子量子計算體系包括激光光源系統、激光調制系統、核心物理系統和控制系統。這些系統通過多種技術和方法，實現對量子比特的制備、操控和讀出。核心指標包括激光功率及其穩定性、激光線寬、偏振消光比、真空度、偶極阱的束腰和均勻性等。此外，射頻信號的頻率范圍、隔

160、離度、相位噪聲，以及數字信號的開關速度和直流電源的精度也至關重要。表格 8 中性原子量子計算模塊指標小結 模塊模塊 指標指標 數值及描述數值及描述 激光光源系統 激光功率及功率穩定性 冷卻光、回泵光功率：幾毫瓦；光泵光功率：幾十微瓦，穩定性：3%以內；偶極阱功率：幾毫瓦/單個阱，穩定性：1%以內；里德堡激發光功率：瓦量級，穩定性：1%以內 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 65 激光線寬 冷卻光、回泵光、光泵光：1MHz；里德堡激發光：1000:1；光泵光：5000:1 激光調制系統 激光幅度調制 調制范圍：0到100%，上升沿：ns量級 激光頻率調制 調制范圍：幾十MHz

161、到幾GHz 核心物理系統 真空度 510-8 Pa 偶極阱束腰 95%原子陣列確定性 重排成功率 80%左右 控制系統 射頻信號頻率范圍 1MHz-20MHz（電光調制器）；60MHz-200MHz（聲光調制器）；1GHz-10GHz（光纖EOM）射頻信號隔離度-70dBc 射頻信號相位噪聲-90dbc10Hz，-110dbc100Hz 數字信號開關速度 最小脈寬：5ns-20ns；最小調節精度：10ns 直流電源 電流分辨率：10A；精度：100A；24小時電流漂移：1 2J.Physical Review Letters,2022,129(13):130501.49.Harty T P,A

162、llcock D T C,Ballance C J,et al.High-fidelity preparation,gates,memory,and readout of a trapped-ion quantum bitJ.Physical review letters,2014,113(22):220501.50.Gaebler J P,Tan T R,Lin Y,et al.High-fidelity universal gate set for be 9+ion qubitsJ.Physical review letters,2016,117(6):060505.51.Ballance

163、 C J,Harty T P,Linke N M,et al.High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubitsJ.Physical review letters,2016,117(6):060504.52.Nielsen,M.A.and I.L.Chuang,Quantum Computation and Quantum Information.Cambridge University Press,2000 53.Knill E,Leibfried D,Reichle R,et al.Randomized

164、benchmarking of quantum gatesJ.Physical Review A,2008,77(1):012307.54.Erhard A,Wallman J J,Postler L,et al.Characterizing large-scale quantum computers via cycle benchmarkingJ.Nature communications,2019,10(1):5347.55.Cross A W,Bishop L S,Sheldon S,et al.Validating quantum computers using randomized

165、model circuitsJ.Physical Review A,2019,100(3):032328.56.Proctor T,Rudinger K,Young K,et al.Measuring the capabilities of quantum computersJ.Nature Physics,2022,18(1):75-79.57.Wack A,Paik H,Javadi-Abhari A,et al.Quality,speed,and scale:three key attributes to measure the performance of near-term quan

166、tum computersJ.arXiv preprint arXiv:2110.14108,2021.58.Mesman K,Al-Ars Z,M ller M.QPack:Quantum Approximate Optimization Algorithms as universal 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 80 benchmark for quantum computersJ.arXiv preprint arXiv:2103.17193,2021.59.Karamlou A H,Simon W A,Katabarwa A,et al.Analyzing t

167、he performance of variational quantum factoring on a superconducting quantum processorJ.npj Quantum Information,2021,7(1):156.60.McCaskey A J,Parks Z P,Jakowski J,et al.Quantum chemistry as a benchmark for near-term quantum computersJ.npj Quantum Information,2019,5(1):99.61.Mills D,Sivarajah S,Schol

168、ten T L,et al.Application-motivated,holistic benchmarking of a full quantum computing stackJ.Quantum,2021,5:415.62.Lubinski T,Johri S,Varosy P,et al.Application-oriented performance benchmarks for quantum computingJ.IEEE Transactions on Quantum Engineering,2023.63.A.Barone and G.Paterno.Physics and

169、Applications of the Josephson Effect.John Wiley and Sons,1982.64.M.Devoret,A.Wallraff,and J.Martinis.Superconducting qubits:A short review.arXiv:cond-mat/0411174v1 cond-mat.mes-hall,2004.65.M.H.Devoret and J.M.Martinis.Implementing qubits with superconducting integrated circuits.Quantum Information

170、Processing,3:163203,2004.66.G.Wendin and V.Shumeiko.Superconducting Quantum Circuits,Qubits and Computing(prepared for Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology).Cambridge University Press,2006.67.D.Vion,A.Aassime,A.Cottet,P.Joyez,H.Pothier,C.Urbina,D.Esteve,and M.H.Devoret,Science 29

171、6,886(2002).68.E.Collin,G.Ithier,A.Aassime,P.Joyez,D.Vion,and D.Esteve,Phys.Rev.Lett.93,157005(2004).69.J.Koch,T.M.Yu,J.Gambetta,A.A.Houck,D.I.Schuster,J.Majer,A.Blais,M.H.Devoret,S.M.Girvin,and R.J.Schoelkopf,Phys.Rev.A 76,042319(2007).70.L.B.Nguyen,Y.-H.Lin,A.Somoroff,R.Mencia,N.Grabon,and V.E.Man

172、ucharyan,Phys.Rev.X 9,041041(2019).71.Y.Nakamura,Yu.A Pashkin,and J.S.Tsai,Nature 398,786(1999).72.Y.Nakamura,Yu.A Pashkin,O.Astafiev,and J.S.Tsai,Nature 425,941(2003).73.Erik Lucero,R.Barends,Y.Chen,J.Kelly,M.Mariantoni,A.Megrant,P.OMalley,D.Sank,A.Vainsencher,J.Wenner,T.White,Y.Yin,A.N.Cleland,and

173、 John M.Martinis.Computing prime factors with a Josephson phase qubit quantum processor.Nature Physics,8,719(2012).74.DiCarlo,L.et al.Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor.Nature 460,240244(2009).75.M.Gong,M.-C.Chen,Y.Zheng,S.Wang,C.Zha,H.Deng,Z.Yan,H.Rong,Y.

174、Wu,S.Li,F.Chen,Y.Zhao,F.Liang,J.Lin,Y.Xu,C.Guo,L.Sun,A.D.Castellano,H.Wang,C.Peng et al.,Genuine 12-Qubit Entanglement on a Superconducting Quantum Processor,Phys.Rev.Lett.122,110501(2019).76.Song,C.et al.Generation of multicomponent atomic schr dinger cat states of up to 20 qubits.Science 365,57457

175、7(2019).77.M.Gong,S.Wang,C.Zha,M.-C.Chen,H.-L.Huang,Y.Wu,Q.Zhu,Y.Zhao,S.Li,S.Guo,H.Qian,Y.Ye,F.Chen,C.Ying,J.Yu,D.Fan,D.Wu,H.Su,H.Deng,H.Rong et al.,Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor,Science 372,948(2021).78.Arute,F.et al.Quantum supremacy using a pro

176、grammable superconducting processor.Nature 574,505510(2019).79.Wu,Y.et al.Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor.Physical review letters 127,180501(2021).80.Zhu,Q.et al.Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling.Science Bul

177、letin(2021).量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 81 81.C.K.Andersen,A.Remm,S.Lazar,S.Krinner,N.Lacroix,G.J.Norris,M.Gabureac,C.Eichler,and A.Wallraff,Nat.Phys.16,875(2020).82.G.Q.AI,Nature 595,383(2021).83.A.Erhard,H.P.Nautrup,M.Meth,L.Postler,R.Stricker,M.Stadler,V.Negnevitsky,M.Ringbauer,P.Schindler,H.J.Bri

178、egel et al.,Nature(London)589,220(2021).84.J.F.Marques,B.M.Varbanov,M.S.Moreira,H.Ali,N.Muthusubramanian,C.Zachariadis,F.Battistel,M.Beekman,N.Haider,W.Vlothuizen,A.Bruno,B.M.Terhal,and L.DiCarlo,Nat.Phys.18,80(2021).85.S.Krinner,N.Lacroix,A.Remm,A.Di Paolo,E.Genois,C.Leroux,C.Hellings,S.Lazar,F.Swi

179、adek,J.Herrmann,et al.,Nature 605,669(2022).86.Y.Zhao,Y.Ye,H.-L.Huang,Y.Zhang,D.Wu,H.Guan,Q.Zhu,Z.Wei,T.He,S.Cao,F.Chen,et al.,Phys.Rev.Lett.129,030501(2022).87.R.Acharya et al.,Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit,Nature(London)614,676(2023).88.Ofek,N.et al.Extending t

180、he lifetime of a quantum bit with error correction in superconducting circuits.Nature 536,441445(2016).89.Sivak,V.V.et al.Real-time quantum error correction beyond break-even.Nature https:/doi.org/10.1038/s41586-023-05782-6(2023).90.Ni,Z.,Li,S.,Deng,X.et al.Beating the break-even point with a discre

181、te-variable-encoded logical qubit.Nature 616,5660(2023).91.Xue,X.,Patra,B.,van Dijk,J.P.G.et al.CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits.Nature 593,205210(2021).92.R.McDermott and M.G.Vavilov,Accurate Qubit Control with Single Flux Quantum Pulses,Phys.Rev.Appl.2,014007(2014).93.E.Leo

182、nard,Jr.,M.A.Beck,J.Nelson,B.G.Christensen,T.Thorbeck,C.Howington,A.Opremcak,I.V.Pechenezhskiy,K.Dodge,N.P.Dupuis,M.D.Hutchings,J.Ku,F.Schlenker,J.Suttle,C.Wilen,S.Zhu,M.G.Vavilov,B.L.T.Plourde,and R.McDermott,Digital Coherent Control of a Superconducting Qubit,Phys.Rev.Appl.11,014009(2014).94.qScor

183、e.Available online:https:/ 95.New Cambridge Quantum Algorithm Sets a Benchmark in Performance and Effectively Outperforms Existing Methods.Available online:https:/ al.A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions.Nature 630,613618(2024).97.Postler,L.,Heuen,S.,Pogore

184、lov,I.et al.Demonstration of fault-tolerant universal quantum gate operations.Nature 605,675680(2022).98.Swayne,Matt(2024-04-16).Three Nines Surpassed:Quantinuum Notches Milestones For Hardware Fidelity And Quantum Volume.The Quantum Insider.Retrieved 2024-05-13 99.張萌，賴俊森，張海懿，趙鑫，量子計算基準測評技術進展及趨勢，信息通信

185、技術與政策，2022,48(7):44-51.100.C.Eichler,C.Lang,J.M.Fink,J.Govenius,S.Filipp,and A.Wallraff.Observation of Entanglement between Itinerant Microwave Photons and a Superconducting Qubit.Phys.Rev.Lett.109,240501(2012).101.Kurpiers,P.,Magnard,P.,Walter,T.et al.Deterministic quantum state transfer and remote

186、 entanglement using microwave photons.Nature 558,264267(2018).102.Axline,C.J.,Burkhart,L.D.,Pfaff,W.et al.On-demand quantum state transfer and entanglement 量子科技產學研創新聯盟 量子計算性能評估基準研究報告 82 between remote microwave cavity memories.Nature Phys 14,705710(2018).103.P.Magnard,S.Storz,P.Kurpiers,J.Sch r,F.Ma

187、rxer,J.L tolf,T.Walter,J.-C.Besse,M.Gabureac,K.Reuer,A.Akin,B.Royer,A.Blais,and A.Wallraff.Microwave Quantum Link between Superconducting Circuits Housed in Spatially Separated Cryogenic Systems.Phys.Rev.Lett.125,260502(2020).104.Zhong,Y.,Chang,HS.,Bienfait,A.et al.Deterministic multi-qubit entangle

188、ment in a quantum network.Nature 590,571575(2021).105.Niu,J.,Zhang,L.,Liu,Y.et al.Low-loss interconnects for modular superconducting quantum processors.Nat Electron 6,235241(2023).106.S.Cao,B.Wu,F.Chen,et al.Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits,Nature 619,738742(2023).1

189、07.S.Martiel,T.Ayral,and C.Allouche,Benchmarking Quantum Coprocessors in an Application-Centric,Hardware-Agnostic,and Scalable Way,IEEE Transactions on Quantum Engineering 2,3102011(2021).108.Y.Dong,and L.Lin,Random circuit block-encoded matrix and a proposal of quantum LINPACK benchmark,Phys.Rev.A 103,062412(2021).109.https:/