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1、 光量子計算技術產業研究報告光量子計算技術產業研究報告 量子信息網絡產業聯盟 2025 年 3 月 聲 明 本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數據、觀點、建議等，均不構成投資或法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內容的知識產權歸量子信息網絡產業聯盟所有（注明是引自其他方的內容除外），并受法律保護。如需轉載需聯系本聯盟并獲得授權許可。未經授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內容以發布、轉載、匯編、轉讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內容通過網絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內相關描述及相關數據圖表。違反上述聲明者，本聯盟將追究其相關法律責任。量子信息網絡產

2、業聯盟 聯系電話：010-62300592 郵箱： 編 制 說 明 量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現并行計算，有望在解決計算復雜問題過程中提供指數級加速。目前，多條量子計算技術路線并行發展，其中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操控及測量來完成計算，具有光量子比特相干時間長、易實現高保真度單比特操作、無需真空或低溫環境等優勢?，F階段光量子計算仍處于實驗室研發的早期階段，核心參與者正在逐漸增多，科技攻關持續推進，應用探索廣泛開展，市場活躍度呈現增長態勢，產業培育方興未艾，未來將有更多企業與研究機構加入。聯盟組織研究編寫了光量子技術產業研究報告，針

3、對光量子計算領域發展原理分類、關鍵技術類型、應用探索情況、產業培育現狀等進行跟蹤研判，并對光量子計算領域發展趨勢前景進行展望，供業界參考。編制編制單位：單位：中國信息通信研究院、中國科學技術大學、中國計量大學、山西大學、上海圖靈智算量子科技有限公司、北京玻色量子科技有限公司、正則量子（北京）技術有限公司、浙江九州量子信息技術股份有限公司、合肥硅臻芯片技術有限公司、中電信量子信息科技集團有限公司。研究報告研究報告編寫組成員：編寫組成員：王敬、賴俊森、張萌、何玉明、譚愛紅、蘇曉龍、趙翔、李洋、袁為、劉若辰、黃蕾蕾、錢懿、丁禹陽、陳潔。前 言 近年來，光量子計算領域逐漸引起政、企、研、用等多方重視，

4、全球多個國家紛紛通過制定發展戰略和項目規劃，加大投融資等措施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，支持力度不斷加大，科技創新保持快速發展，應用探索持續開展，產業生態逐步構建。本報告對光量子計算總體發展現狀、關鍵技術、應用探索和產業生態等進行分析探討，展望光量子計算領域發展趨勢。本研究報告共分為五章，相關章節內容安排如下：第一章：光量子計算領域概況。介紹光量子計算的概念原理分類、發展現狀等。第二章：光量子計算關鍵技術。介紹光量子計算領域關鍵技術方案與進展。第三章：光量子計算應用探索。介紹光量子計算領域應用探索方向與現狀。第四章：光量子計算產業現狀。介紹光量子計算領域產業生態培

5、育情況。第五章：光量子計算發展趨勢展望?？偨Y并研判光量子計算領域發展趨勢與前景。目 錄 一、光量子計算概述.1(一)光量子計算概念與優勢.1(二)光量子計算分類.2(三)光量子計算發展現狀.8 二、光量子計算技術實現方案.9(一)通用光量子計算.9(二)專用光量子計算.23 三、光量子計算產業現狀.41(一)光量子計算產業生態總體介紹.41(二)國外企業概況.43(三)國內企業概況.49 四、光量子計算應用探索.52(一)化工領域應用探索.52(二)能源領域應用探索.55(三)通信領域應用探索.56(四)金融領域應用探索.58(五)科研領域應用探索.59 五、光量子計算領域發展趨勢展望.61

6、圖圖 目目 錄錄 圖 1 二維簇態上通過測量量子比特執行量子計算過程.14 圖 2 由五個量子比特構成的一維鏈簇態來實現單比特旋轉門.15 圖 3 在簇態上實現的最 CNOT 門.16 圖 4 使用概率預告門來制備簇態示意圖.17 圖 5 使用 RHG 晶格可以實現通用容錯的 MBQC.18 圖 6 MBQC 的關鍵器件.19 圖 7 量子基準測試電路.20 圖 8 玻色采樣示意圖.26 圖 9“九章一號”原理圖.32 圖 10“九章二號”的玻色采樣速率與先前工作的對比.33 圖 11 單量子設備玻色子采樣實驗裝置示意圖.33 圖 12 一維伊辛自旋鏈模型.39 圖 13 空間和光纖環混合架構

7、的相干伊辛機裝置圖.40 圖 14 光量子計算產業視圖.41 表表 目目 錄錄 表 1 量子信息處理中 qubits 和 qumodes 的比較.6 表 2 離散變量和連續變量量子邏輯門的比較.7 光量子計算技術產業研究報告 1 一、光量子計算概述(一一)光量子計算光量子計算概念與優勢概念與優勢 量子計算是一種利用量子系統的特性來執行計算的計算范式。量子系統中體現的信息遵循量子力學的規則。使用量子計算，可以更高效地求解特定的計算困難或復雜的問題，超過經典計算設備的能力。量子計算的技術路線目前尚未收斂。構成量子比特的物理系統目前有很多類型，可以基于天然的二能級系統如捕獲離子、中性原子等，也可以基

8、于人工的二能級系統，如超導量子電路等。對光子的研究催生了量子力學，因此，學界對光子的量子效應研究也更為深入、透徹，利用光子來進行量子計算也成為了一個自然的選擇?；诠庾訕嫿孔颖忍?，并利用光子的量子效應進行計算的系統，可通稱為光量子計算。目前光量子計算系統是未來大規模通用量子計算機的有力競爭者之一。通常認為，光量子計算具有以下優勢：1）可在室溫下運行：量子疊加、干涉、糾纏等特征量子現象可以在室溫中觀察到并設計成光量子現象。因此光子量子計算系統不需要低溫超導環境，可在室溫下運行。也無需大容量的稀釋冰箱或超高真空設施。因此，與其他技術路線相比，光量子計算路線在能耗和運營成本方面優于以超導為代表的需

9、要超低溫環境的其他技術光量子計算技術產業研究報告 2 路線，這也從側面表明光量子技術路線的應用領域可能更加寬廣。2）抗干擾能力強、相干時間長：光子幾乎不與其他微觀粒子相互作用，與周邊環境的相互作用也非常微弱，從而保持了整個量子計算過程中所需的相干性。因此光子量子計算可以保持比超導量子計算和幾乎所有其他技術路線更長的相干時間、具有更強的抗噪聲干擾能力。3）便于構建量子網絡：光量子可以實現長距離糾纏。如果未來需要構建一個量子計算機網絡，則利用光子作為量子信息的載體對于連接性和模塊化具有重要意義。同時，光子作為現有互聯網絡的信息載體的技術也相對較為成熟。4）工程化技術較為成熟：光子學及光電信息的生產

10、工藝、流程技術相對成熟，光量子計算器件可在現有半導體和光通信設備產線基礎上進行升級量產，這大幅降低了光量子計算的商業化門檻。光量子計算的缺點在于：光子之間以及光子與環境之間幾乎不會相互作用，因此對于光子量子計算機而言，邏輯操作和可編程通用系統的實現難度較大。綜上所述，光量子計算近幾年發展迅速，市場空間潛力巨大，國內外有眾多企業投身在此方面的研究中。(二二)光量子計算分類光量子計算分類 量子信息科學根據所采用的量子系統本征態具有分離譜或是連光量子計算技術產業研究報告 3 續譜結構，劃分為連續變量（continuous variables,CV）與離散變量（discrete variables,D

11、V）兩類。連續變量編碼在無限維希爾伯特空間，而離散變量編碼則在有限維希爾伯特空間?；?DV 和 CV 系統的光量子信息處理各有優缺點，正處于并行發展的階段。1.連續變量連續變量光光量子計算量子計算 基于連續變量的量子計算利用無限維希爾伯特空間中的量子態表示量子信息，這個無限維希爾伯特空間為量子計算提供了連續變量獨有的計算模型?；谶B續變量量子計算的核心挑戰是實現一組通用的連續變量量子邏輯門，它們的組合可以對光學量子態進行任意的幺正變換?；诠鈭龅倪B續變量量子信息處理系統通常將信息編碼到光場的正交分量，通過對其進行操控和測量，實現量子信息處理。光場的正交振幅和正交位相分量可以通過平衡零拍探測系

12、統進行測量。連續變量量子計算通常使用q 的本征基|sqsR作為計算基（q 為電磁場量子化后的正交分量算符），并張成一個無限維希爾伯特空間。量子邏輯門是實現量子計算的核心。連續變量量子邏輯門根據哈密頓量的不同，可分為高斯量子邏輯門和非高斯量子邏輯門。高斯量子邏輯門將輸入的高斯態變換為另一個高斯態，例如平移操作、壓縮操作、旋轉操作、可控 X 操作、可控相位操作等。光學實驗中，CZ門和 CX 門可以用線性光學和輔助壓縮真空態實現。然而由于有限的光量子計算技術產業研究報告 4 壓縮，輔助壓縮真空態會引入額外的誤差。因此，通常使用分束器操作作為雙模門。需要注意，高斯門的組合可以在 Heisenberg

13、表像中生成任何正交分量線性變換的高斯門。但是，這些門只提供高斯運算，因此不足以生成任意的幺正門。非高斯量子邏輯門對應于離散量子計算所需要的非 Clifford 門。與 qubit 的 Gottesman-Knill 定理相應，研究表明，如果初始態、門和測量均為高斯的，則連續變量量子計算不能超過經典計算機。而在任意高斯操作的基礎上，至少增加一個非高斯操作，即可實現通用量子計算。典型的非高斯門為幺正Un(t)=eitnq n，自然數 n3，t 非線性相互作用強度。幺正U3(t)被稱為立方相位門。經證明，任意幺正算子可以由高斯門和U3(t)構成。量子計算的通用性，即由通用門集構成的哈密頓量，可以以任

14、意精度地逼近H。通用門集可以由一組有限的高斯門和一個非高斯門實現。在光學系統中，很難實現三階或更高階的正交算子的哈密頓量。Gottesman、Kitaev 和 Preskill 提出了基于測量的立方相門的實現方案。方案中，將立方相位態作為一種實現立方相門的資源，其中理想的立方相位態定義為|=V()|0p dsei3s3|sq。通過壓縮真空態、分束器耦合、位移操作和依賴于光子計數測量結果的自適應壓縮操作可以近似制備態|。然而，使用該方案制備立方相門要求高的壓縮度。因此，為了實驗的可行性，使用疊加的 Fock 態來近似立方相位態。在連續變量量子糾錯中,玻色子碼是常用的一種糾錯碼。玻色子光量子計算技

15、術產業研究報告 5 碼將離散的量子信息編碼到玻色子模式，它能夠糾正由于環境損耗引入的誤差,從而保護量子信息。連續變量量子糾錯碼有多種玻色子碼,包括九波包編碼、五波包編碼、GKP（Gottesman-Kitaev-Preskill）碼、糾纏輔助編碼和量子擦除方案等。研究表明高斯誤差是不能通過純高斯操作來實現量子糾錯。然而對于非高斯類型的誤差，可以利用分束器網絡的結構對輸入模式進行編碼，通過耦合適當的輔助模式來實現糾錯。實現大規模量子計算機需要硬件平臺能夠同時實現通用性、可擴展性和具有容錯能力。作為滿足這些要求的可行途徑之一，基于光學系統的連續變量量子計算，近年來因其獨特的優勢和方法而受到越來越多

16、的關注，經過多年的發展，已經實現了大尺度 cluster 態的實驗制備和一系列高斯量子邏輯門，展現了連續變量量子計算的可行性。然而，面向可實用的大規模量子計算，仍有諸多挑戰性問題需要解決，例如通用性、可擴展性以及容錯性等方面。綜上所述,連續變量光量子計算以其獨特的優勢為實現可擴展、通用和容錯的量子計算機提供了一條可行途徑，具有較為廣闊的發展前景。2.離散離散變量光量子計算變量光量子計算 量子計算的主流方法是利用量子比特作為基本的量子信息單元，并將量子信息編碼為兩能級物理系統。在光子量子信息處理中，量子比特的信息通常編碼在單個光子的幾種自由度中，例如偏振、傳播方光量子計算技術產業研究報告 6 向

17、（路徑）等?；陔x散變量的光量子計算，通常使用一個或多個模態屬性（例如偏振）表示，這些屬性從有限集合中取不同的值，通過對這些模態屬性進行操作處理，最后進行測量?；陔x散變量的量子計算是基于一系列對量子比特(qubits)進行幺正變換的量子邏輯門（例如，X、Y、Z 門，相位門，Hadamard 門，CNOT 門等），由這些量子邏輯門組成不同的網絡執行不同的量子計算任務。在離散變量量子計算中，基本信息單元是 qubits，量子態被寫入正交向量的疊加|j用于對應不同的特征態，將其作為計算基矢實現量子信息處理，也即|=|，其中 j 是一個整數，用作有限集|j中向量的標簽，是復系數。系數經過歸一化，|2

18、=1。以偏振這一屬性作為 qubit 為例，集合|j中的變量數量是 2，這兩個向量的疊加可用于描述所有可能的偏振態。采用其他光子屬性用于描述 qubits 也是類似的。對比前文連續變量光量子計算來看，表 1 總結了量子信息處理中量子比特(qubits)和量子模式（qumodes）的比較，其中 qumodes 是qubits 的 CV 等價。表 1 量子信息處理中 qubits 和 qumodes 的比較 光量子計算技術產業研究報告 7 離散變量光量子計算同樣需要實現量子邏輯門，對比前文連續變量光量子計算來看，表 2 總結了離散變量和連續變量量子邏輯門的比較。表 2 離散變量和連續變量量子邏輯門

19、的比較 二項式編碼是一種典型的離散變量編碼方案。它利用量子諧振子中相互正交且離散的?？藨B的疊加態作為邏輯比特的基矢，因此具有天然的嚴格正交特性。同時這種編碼方案天然地兼容于可糾錯邏輯門操作和邏輯態傳輸等，因此在容錯量子計算中具有重要的應用前景。2023 年，南方科技大學在玻色模式中實現了基于離散變量的二項式光量子計算技術產業研究報告 8 編碼的邏輯量子比特，突破量子糾錯盈虧平衡點，延長量子比特壽命約 16%，該成果具有里程碑式的重要意義。目前基于 CV 和 DV 的光量子計算均已通過實驗實現，各自面臨瓶頸挑戰。近年來，結合 CV 和 DV 這兩種方法技術方面的研究持續推進，這種混合方法可以客服

20、單一方法的局限性，利用兩種技術方案的優勢，同時引入量子糾錯等操作，從而實現可擴展的光子通用量子計算。(三三)光量子計算發展現狀光量子計算發展現狀 光量子計算目前正處于快速發展的階段，雖距離完全實用化還有一段距離，但已經取得了一些重要進展。量子計算原型機的研制方面，中國科學技術大學的研究團隊成功構建了 255 個光子的量子計算原型機“九章三號”，在處理高斯玻色取樣的速度上比上一代“九章二號”快一百萬倍，比全球最快的超級計算機快上一億億倍。量子計算優越性的實現方面，通過特定的量子算法，如玻色采樣，量子計算機已經在某些特定問題上展示了超越經典計算機的計算能力。例如，“九章三號”在處理高斯玻色取樣問題

21、上的速度遠超現有最快的超級計算機。光量子計算芯片技術方面，光量子計算芯片技術采用傳統的微納加工工藝在單個芯片上集成大量的光量子器件來實現量子計算過程。光量子計算技術產業研究報告 9 該技術具有高集成度、高精確度、高穩定性等優勢，是實現大規?？蓪嵱没孔佑嬎銠C非常有潛力的途徑。集成光量子計算方面，研究者們已經實現了多量子比特的糾纏態，并探索了基于測量的量子計算架構。例如，北京大學的團隊在硅基集成光量子芯片上實現了八量子比特簇態量子計算模型機，驗證了量子糾錯編碼對量子計算性能的提升具有重要作用。量子行走的模擬與應用方面，量子行走作為模擬量子計算問題的一個重要方向，已經在多個平臺上實現，包括傳統光學

22、平臺、光纖平臺以及集成光量子平臺。集成光量子技術的發展使得量子行走實驗邁向了集成化、小型化的階段。綜上所述，光量子計算正在逐步從理論研究走向實際應用，隨著技術的不斷進步和實驗規模的擴大，未來有望在多個領域發揮重要作用。二、光量子計算技術實現方案(一一)通用通用光量子計算光量子計算 1.KLM 線路模型線路模型 基于線性光學的量子線路模型通常指 Knill、Laflamme 和 Milburn 在 2000 年提出的 KLM 方案或者它的改進方案，該線路模型是基于光子的量子態進行計算的一種理論框架。該方案是最接近經典計算的模型，其原理是通過初始態制備、邏輯門操作以及量子測量實光量子計算技術產業研

23、究報告 10 現通用的量子計算，這個模型利用線性光學元件（如分束器、相位移器）、單光子源和單光子探測器，實現量子計算。其中主要步驟包括：1）量子態編碼：光子的量子態可以通過其不同的自由度進行編碼，例如偏振、路徑、時間、頻率等。其中可以通過雙軌編碼將量子信息編碼在兩個光路上，利用光子的存在與否表示量子比特的 0 和 1。2）光量子態調控：通過利用分束器（Beam Splitter,BS）和相位移器（Phase Shifter,PS）對光子進行干涉和相位調制，控制光子的路徑和量子態。通過干涉儀：例如 Mach-Zehnder 干涉儀，通過分束和相位調制實現復雜的量子態調控。3）光量子態測量：使用單

24、光子探測器（Single-Photon Detector,SPD）進行光子測量，讀取光量子態信息。也可以通過能夠分辨光子數目的探測器，提供更豐富的量子信息測量。技術方案和實現原理方面，核心硬件架構包括量子光源、光量子線路、單光子探測器。量子光源主要用于制備特定初始態，常見類型有確定性的單光子源、壓縮真空態光源、糾纏光子對光源等。目前單光子源通過半導體量子點或參量下轉換過程生成單光子。半導體量子點在激光的激發下會像原子一樣輻射單個光子，是實現確定性的可擴展單光子源的重要途徑。糾纏光源可以通過參量下轉換或量子點產生糾纏光子對，這些糾纏光子對是量子計算的基礎。光量子線路主要用于實現量子信息的處理以及

25、特定的量子邏輯操作。利用線性光學元件和測量反饋實現量子邏輯門操作，典型的邏輯門包括 CNOT 門和 CZ光量子計算技術產業研究報告 11 門。通過光子干涉和路徑選擇實現邏輯門操作，包括使用Hong-Ou-Mandel 干涉實現光子之間的糾纏操作。光量子干涉網絡目前主要的實現途徑包括微光學、時間編碼干涉環、集成光學芯片等。光子探測主要是通過高效單光子探測器對光子進行測量，讀取光量子態信息?？梢酝ㄟ^光子數分辨探測器通過區分多個光子的存在，實現更復雜的量子態測量。主要器件包括單光子源器件、光學干涉器件、光子探測器等，其中半導體量子點和參量下轉換器件是常見的單光子源，具有高純度、高亮度和高穩定性。近年

26、發展包括具有片上可集成的量子光源器件。在 光 學 干 涉 器 件 方 面，主 要 有Mach-Zehnder干 涉 儀 和Hong-Ou-Mandel 干涉儀等關鍵的光學器件，用于實現光子干涉和糾纏。這些干涉儀需要保證精確的相位控制和高穩定性，以確保干涉效果。在單光子探測器方面，目前超導單光子探測器正在獲得越來越廣泛的應用。這主要包括光子數可分辨的單光子測量、單光子閾值探測器、陣列型單光子探測器陣列，光子數分辨探測器等。近年來業界取得諸多進展，體現在多個方面。在量子光源研究尤其是高效、低噪聲的單光子源方面，例如量子點和基于非線性光學的單光子源。其中半導體量子點單光子源被認為是最有可能實現理想單

27、光子源的研究對象，目前國際最優單光子源的系統效率已經實現了70%以上。這些光子源的性能提高為光量子計算提供了可靠的基礎。在量子邏輯門實現方面，確定性的光子-光子耦合是對于實現確定性光量子計算技術產業研究報告 12 糾纏邏輯操作是最重要的，主要實現方法包括電磁感應透明、原子-腔、原子-原子作用等，目前光子-光子比特作用效率約為 40%,主要目標是超過容錯閾值的高保真度和效率的糾纏操作，實驗上已經驗證了多種光量子邏輯門的實現，如 CNOT 門和 CZ 門。還需要通過優化光學器件和反饋控制，提高邏輯門操作的精度和穩定性。通過引入量子糾錯碼和容錯計算技術，顯著提高了光量子計算的可靠性。目前實現上原理上

28、驗證了通過增加冗余光子和多次測量，可以實現較高的容錯率。在單光子探測研究方面，閾值探測的效率已經實現 90%以上，光子數可分辨探測方面已經實現 100 光子的可分辨探測技術。目前基于 KLM 線路模型的光量子計算方案的主要挑戰主要包括：（1）高效率高品質單光子源的實現，盡管目前單光子源的系統效率和品質已經達到了較好的水平，但是距離實現可容錯的量子計算還有一定差距；（2）確定性光量子邏輯門的實現。相比于其他系統，由于光子與光子間的相互作用弱，需要引入光子腔強相互作用等方式來實現更高效率的光量子邏輯門，目前這一方面還是光量子計算方面的重要技術挑戰；（3）光子損失和探測效率。光子損失是光量子計算的主

29、要挑戰之一。需要高效的光子傳輸和探測技術，以減少光子損失。單光子探測器的效率和暗計數率直接影響量子計算的性能。需要進一步提高探測效率和降低噪聲；（4）光相位噪聲和干涉穩定性。光量子計算依賴于精確的相位控制。相位噪聲和干涉穩定性是需要克服的關鍵問題。引外還需要高穩定性的光學器件和精確的相位控制技術，以保光量子計算技術產業研究報告 13 證干涉效果和計算精度；（5）誤差糾正和容錯計算方法。如何通過量子糾錯碼提高計算可靠性，進一步實現高效的誤差糾正和容錯計算仍需進一步研究。引外還需要開發新的糾錯碼和容錯計算方案，以適應光量子計算的特殊需求。2.基于簇態基于簇態-測量的方案測量的方案 量子計算的標準線

30、路模型（Circuit Model）涉及將量子比特初始化為特定狀態，并根據特定算法執行一系列的單比特及雙比特門操作。計算結果通常在特定的計算基上通過測量量子比特得到。與之相對的，基于測量的量子計算（Measurement-based quantum computation，MBQC）模型則通過對高度糾纏的多體量子態（即簇態）進行一系列單量子比特測量來實現計算。圖 1 描述了在二維簇態上通過測量量子比特來執行量子計算的過程。其中，圓圈代表在 Pauli-Z 基上的測量，垂直箭頭代表在 Pauli-X 基上的測量，而傾斜箭頭則指向 x-y平面上某一特定基的測量。圖中每一行代表一個邏輯比特，圓圈的位

31、置表明相關量子比特已從簇態中移除。若不同行之間保留有量子比特連接，說明存在雙比特門的作用。此外，橫軸顯示了量子信息如何隨著單比特測量從左向右傳遞。光量子計算技術產業研究報告 14 圖 1 二維簇態上通過測量量子比特執行量子計算過程 MBQC 和 Circuit Model 是完全等價的。在 MBQC 中，所執行的酉操作由單比特測量的本征基決定。通過將二維簇態擴展至三維，此模型還能支持通用的容錯量子計算。由于單量子比特測量逐漸減少了簇態的糾纏，因此 MBQC 也被稱為單向量子計算（One-Way Quantum Computation）?；诖貞B-測量的光量子計算技術方案如下：1）簇態(Clus

32、ter States)簇態是基于測量的量子計算的前提條件，它是一類糾纏的多量子比特態，可以通過無向圖G=(V,E)表示，其中頂點V表示量子比特，邊E表示它們之間的糾纏。相關的量子態表示如下：|=C(i,j)EZij|+n （1）其中，n是量子比特的數量，CZij是量子比特i和j之間的受控-Z 門，|+=12(|0+|1)是 Pauli-X 算符的+1 本征態。簇態是具有一些附加條件的圖態的一個子集。2）用測量傳遞和改變信息（1）MBQC 中的單比特門 光量子計算技術產業研究報告 15 在 MBQC 模型中，每個單量子比特的旋轉門 UR SU(2)可以用歐拉角來分解，表達式為：UR(,)=UX(

33、)UZ()UX()（2）其中 UX 和 UZ 分別表示繞 Pauli-X 軸和 Pauli-Z 軸的旋轉。這種單比特旋轉可以通過測量由五個量子比特構成的一維鏈簇態來實現。圖 2 展示了這樣的一個鏈簇態用于實現單比特旋轉門。圖 2 由五個量子比特構成的一維鏈簇態來實現單比特旋轉門 首先，輸入量子態|in 被置于量子比特 1 上。隨后，從量子比特 1 到 4，每個量子比特都在特定的測量基 Bj(j)上進行測量，具體形式為：Bj(j)|0+eij|12,|0eij|12 （3）測量角度按以下規則設定：1=0;2=(1)s1+1;3=(1)s2;4=(1)s1+s3 （4）這里 s1,s2,s3,s4

34、 是對應的測量結果。最終，在量子比特 5 上得到輸出量子態|out=Ug|in。該輸出量子態相當于通過酉操作Ug=UUR實現，其中 U=Xs2+s4Zs1+s3 描述了根據測量結果所需的糾正操作。在 MBQC 中，有兩個關鍵點需要特別注意：光量子計算技術產業研究報告 16 a)信息傳遞：在 MBQC 框架中，信息是從輸入量子比特順序地傳遞至輸出量子比特。這種信息流是通過測量過程中的量子態演化和糾纏來實現的，而不是通過傳統的門操作。b)投影測量基的選擇：當前時刻的投影測量基不是隨機選擇的，而是由之前的測量結果和所需實現的量子門的旋轉角共同決定。這種依賴于歷史測量結果的調整機制，使得即使測量本身具

35、有隨機性，整個計算過程仍然可以保持確定性。這兩點確保了盡管 MBQC 是基于測量的，其計算過程卻具有高度的可控性和確定性。這種特性對于實現精確的量子算法至關重要。（2）MBQC 中的 CNOT 門 在 MBQC 中，為了實現一組完備的通用量子門，至少需要一個有效的兩量子比特門。圖 3 展示了可在簇態上實現 CNOT 的兩種方式。在圖 3（a）中輸入量子比特tin及其鄰近量子比特在 Pauli-X 基上測量，從而在控制量子比特c和輸出量子比特tout之間實現一個 CNOT?；趩伪忍亻T和雙比特門，可以創建一個如圖 1 所示的復合線路，僅通過在事先制備好的簇態上進行單比特測量來執行各種復雜的量子算

36、法。圖 3 在簇態上實現的最 CNOT 門 光量子計算技術產業研究報告 17 3）使用概率預告門制備簇態 簇態的制備是一個與計算過程獨立的環節，就如同空白紙張的生產與書本文字內容的創作是分開進行的。在光量子計算平臺上，單量子比特門可以被輕松實現。雖然雙量子比特門可能會有一定的失敗概率，但其預告性質使操作是否成功能夠及時被知曉，這對簇態的制備已經足夠。值得注意的是，不需要一次性完成所有糾纏的準備。就像在打印機中邊打印已有的文本邊繼續添加紙張一樣，可以在對簇態的一端進行測量的同時繼續擴展簇態。如圖 4 所示，藍色的量子比特處于簇態，連線表示它們之間的糾纏?；疑牧孔颖忍匾驯粶y量，糾纏關系因此被破壞

37、并從簇態中移除。同時，新的綠色量子比特通過糾纏加入到簇態中。圖 4 使用概率預告門來制備簇態示意圖 4）容錯（Fault Tolerance）為了應對量子計算過程中可能且不可避免出現的錯誤，需要采用某種錯誤糾正策略。錯誤糾正通過檢測錯誤并盡量減少信息損失來重建邏輯數據。在 MBQC 中，實現通用量子計算只需二維簇態，而實光量子計算技術產業研究報告 18 施量子錯誤糾正則至少需要三維簇態。糾錯碼定義了簇態的結構。與表面碼相關的簇態被稱為 RHG 晶格。計算和錯誤糾正通過對單個量子比特進行測量來實現，如圖 5 所示。在每個時間步驟中，會測量晶格上一層的所有量子比特。這些測量得到的二進制結果將決定未

38、來測量的基準，而晶格的最后一層則包含了計算的編碼結果，也可通過測量得到。圖 5 使用 RHG 晶格可以實現通用容錯的 MBQC MBQC 的物理實現需要具備兩個關鍵技術：首先，構建具有高度持久糾纏的大規模簇態；其次，能在指定的本征基上對簇態中的單個量子比特進行投影測量，并實施前饋控制。MBQC 模型已在超導、離子阱以及光量子等平臺上得到實現。特別是在光量子系統中，由于其出色的可擴展性，非常適合進行 MBQC。加拿大 Xanadu 公司通過將量子比特嵌入光的連續變量中，成功構建了基于 GKP 光量子比特的簇態。美國 PsiQuantum 公司則采用光的離散變量直接編碼量子比特，構建了基于 Dua

39、l-Rail 光量子比特的光量子計算技術產業研究報告 19 簇態。Xanadu 的方法標志著 MBQC 在連續變量量子計算領域的擴展，而 PsiQuantum 的方法的顯著特點是基于雙比特融合測量實現通用容錯量子計算（Fusion-based quantum computation，FBQC）。關鍵器件和進展方面，在光量子系統中，實現 MBQC 的核心器件包括光子源、濾波網絡、干涉儀和探測器，如圖 6 所示。圖 6 MBQC 的關鍵器件 1）光子源：構建糾纏資源態及糾錯碼的過程中，光量子計算機需消耗大量單光子。這些單光子必須具備高效率、明確的時間定義、高重復率，同時需保持光譜的純凈性和不可區分

40、性。常見的技術方案包括采用脈沖激光泵浦的自發四波混頻（SFWM）和自發參量下轉換（SPDC）。2）光子檢測：光量子計算依賴于通過檢測關聯光子來確定量子態的形成。為了實現容錯，需要接近單位效率的單光子檢測。目前，超導納米線單光子探測器是效率最高的方案。3）干涉儀和濾波器：干涉儀是集成光子量子計算中的關鍵部件，它能夠實現量子比特狀態的改變和投影、資源態的生成以及融合測量。常用的設備包括方向耦合器、交叉和環形結構。PsiQuantum 公司對一系列單片集成的基于硅光子的模塊進行了基準測試，這些模塊用于生成、操縱、網絡連接和檢測光子量子比特。光量子計算技術產業研究報告 20 結果顯示，雙軌光子量子比特

41、的狀態準備和測量保真度達到了 99.98%0.01%；來自獨立光子源的 Hong-Ou-Mandel 量子干涉的可見度為99.50%0.25%；兩量子比特的融合操作保真度為 99.22%0.12%；以及芯片到芯片的量子比特互連保真度為 99.72%0.04%。如圖 7所示，這些電路可以通過示意圖中紅色標示的熱相移器進行重新配置。電路示意圖包括：a,單量子比特態的準備和測量；b,點對點量子比特網絡；c,兩光子量子（HOM）干涉；d,兩量子比特融合測量；e,SPAM（狀態準備和測量）保真度；f,HOM 干涉；g,芯片到芯片量子比特互連通道的 Pauli 轉移矩陣；h,融合后兩量子比特的密度矩陣（灰

42、色條表示數值低于 0.01 的閾值）。圖 7 量子基準測試電路 當前的基于簇態-測量的光子量子計算技術面臨多重挑戰，尚未達到實用階段。關鍵問題包括：硅波導的高損耗、光子源調節復雜且耗電、以及必須的高速光開關等方面。此外，盡管最近出現的集成單光子探測器具有變革性，但它們缺少對低光子數的分辨能力，這對于實現高效的量子計算至關重要。針對這些問題，未來的研究需要集中光量子計算技術產業研究報告 21 在降低波導損耗、提高探測器效率和優化高速電光開關技術上，以推動光量子計算向實用化發展。3.逾滲逾滲(Percolation)量子計算量子計算 逾滲(Percolation)量子計算是基于測量的量子計算（MB

43、QC）的一種實現方法，其核心思想是通過創建一個高度糾纏的資源態，并通過單量子比特測量來模擬量子計算。具體而言，逾滲量子計算利用了逾滲理論來創建可擴展的糾纏態，通過概率性的融合門操作將小規模的糾纏態合并成更大的糾纏態，從而實現量子計算。實現逾滲量子計算方案的具體步驟如下：1）糾纏態制備：通過參量下轉換方式或是類原子系統生成小規模的糾纏態（例如 GHZ 態和線性簇態）。2）融合門操作：使用集成的線性光學電路中的融合門操作（Fusion Gates）將這些小糾纏態概率性地糾纏在一起。融合門通過干涉和測量技術來實現小糾纏態的合并。3）逾滲過程：逾滲理論是一種統計物理學理論，主要研究隨機介質中流體的傳輸

44、行為。在量子計算中，逾滲理論用于研究如何通過概率性的融合操作將小規模糾纏態合并成大規模糾纏態，形成一個可擴展的量子計算系統。具體來說，逾滲理論通常使用格子模型來描述。在量子計算中，格子上的節點代表糾纏態，邊表示糾纏態之間的融合操作。關鍵概念是逾滲閾值，即在給定概率下，形成無限大簇態的最光量子計算技術產業研究報告 22 小概率。對于量子計算，這意味著我們需要找到在一定成功率的融合操作下，糾纏態能夠形成一個大規模網絡的條件。通過該理論幫助我們理解在什么條件下這些小糾纏態能夠連接成一個大規模的、高度糾纏的網絡，從而實現量子計算的可擴展性。在某些條件下，這些概率性的操作能夠通過逾滲過程形成可擴展的高度

45、糾纏態。4）測量操作：逾滲量子計算是基于測量的一種量子計算方式，量子計算的執行依賴于對預先生成的糾纏態進行測量，通過選擇性地測量糾纏態的不同部分，可以實現特定的量子邏輯操作和計算任務。根據計算任務的需要，對資源態的特定量子比特進行選擇性測量。測量的基是根據量子算法和具體的計算步驟來選擇的，例如 X 基、Y基或 Z 基測量。測量結果用于確定后續的計算步驟。通過測量結果的反饋調整剩余量子比特的狀態，模擬邏輯門操作。所有計算步驟完成后，通過最終測量得到計算結果。測量得到的結果代表了量子計算的輸出。實現逾滲量子計算的關鍵器件包括：1）糾纏態部分：主要用于生成小規模糾纏態的器件，包括非線性光學晶體等；2

46、）光學線路部分：包括塊狀和集成的線性光學電路等，用于實現融合門操作；3）測量設備：主要包括單光子探測器等，用于對生成的糾纏態進行測量，從而實現量子計算。光量子計算技術產業研究報告 23 逾滲量子計算的研究進展目前主要在理論和實驗等方面，在逾滲量子計算中，融合門操作是實現小糾纏態合并為大糾纏態的關鍵，目前主要有兩種主要的融合門類型：Type-I 融合門和 Type-II 融合門。動態 Type-I 融合門的成功率為 50%。相比之下，動態 Type-II 融合門的成功率顯著提高，達到了 75%。這一改進使得 Type-II 融合門在實際應用中更加實用和高效。目前相關實驗上已經演示了 57.9%成

47、功率的量子整合門。逾滲量子計算的研究挑戰主要包括：（1）協議和實現方面，光子損失是一個重要因素，盡管目前的協議有一定的容忍度，但光子損失仍然是影響系統性能的一個重要因素。如何進一步提高系統對光子損失的容忍度是一個關鍵挑戰；（2）在融合門的成功率方面，盡管動態Type-II 融合門的成功率有所提高，但在實際操作中，融合門的成功率仍需要進一步提升；（3）在實驗實現方面，實驗系統的復雜性，包括大規模的線性光學電路和高保真度糾纏態的制備都增加了系統實現的難度，特別是在大規模集成和實際應用方面；（4）量子計算依賴于高精度的測量操作，測量誤差可能會影響計算結果的準確性。因此，如何提高測量精度也是一個重要的

48、研究方向。(二二)專用光量子計算專用光量子計算 1.玻色采樣玻色采樣 隨著量子信息技術的飛速發展，量子計算作為下一代計算技術光量子計算技術產業研究報告 24 的前沿，正逐步從理論走向實驗驗證。其中，玻色采樣（Boson Sampling）作為一種展示量子計算優越性的重要途徑，受到了廣泛關注。玻色采樣問題可以被形象地比喻為量子世界的高爾頓板實驗，但與高爾頓板問題相比，玻色采樣問題要復雜得多。因為光子在分束器節點處的行為不僅是隨機的概率問題，而且是一個復雜的概率問題，這個概率與分束器的參數和光子的相位有關。理論上，n 光子玻色采樣的分布概率正比于 n 維矩陣積和式的模方，這對經典算法來說是#P-c

49、omplete 困難問題，隨著光子數的增加，求解步數呈指數增長。對于這樣的復雜問題，量子計算機在中小規模下就可能勝過傳統超級計算機，因此，玻色采樣問題成為驗證量子計算優越性的一個重要方向。1)玻色采樣玻色采樣 2013 年 Aaronson 提出了玻色采樣的概念。將單光子打入線性干涉儀中，然后在出口處進行符合探測得到樣本。這個過程可以用干涉儀變換矩陣來刻畫。代表光子從第個入口進入，從第個出口出來的概率幅。樣本的概率分布由輸入輸出和其對應的采樣矩陣的積和式決定。而復數積和式的計算對于經典計算機來說是十分困難的。標準玻色采樣具體過程如下：向線性光學網絡的每個入口中同時分別打入,=1,個光子，=1=

50、，得到出口處每個出光量子計算技術產業研究報告 25 口光子數,=1,，=1=的樣本。輸入態記作|I=|12 （5）輸出態記作|O=|12 （6）得到這種結果的概率為,=|2=|(,)|21!2!1!2!（7）其中,是將的第行復制次,第列復制次得到,(,)是矩陣,的積和式。忽略行列式中的奇偶符號,就可以得到積和式(Permanent)()=,()=1 （8）計算 0 1 矩陣積和式的復雜性類是#P-complete。同時，對于經典計算機而言，即使是近似計算積和式也是十分困難的，當時人們認為如果能夠實現 50 光子的玻色采樣便能超越最快的超算。因此，玻色采樣具有演示量子優越性的潛能。一般令 0,1

51、,0,1,也就是說光源采用單光子源，探測器可以使用閾值探測器，不需要光子數可分辨探測器，只需要挑選總輸出光子數等于總輸入光子數的事例即可。那么 ,=|2=|(,)|2 （9）其中,是從光學網絡幺正變換矩陣挑出=1,=1 的項并按原始相對位置擺放得到的矩陣。光量子計算技術產業研究報告 26 標準玻色采樣系統的關鍵器件：主要分為單光子源、線性干涉儀、單光子探測器三個部分。高質量的單光子源是實現單光子玻色采樣的基礎。常見的單光子源包括基于非線性晶體的自發參量下轉換（SPDC）源、集成片上源以及半導體量子點源等。上述器件需滿足確定性產生、高純度、高全同性等要求。線性干涉儀由多個分束器和反射鏡組成的復雜

52、光學網絡，用于實現光子間的干涉。常見的干涉儀結構包括多端口波導電路、微光學干涉儀等。單光子探測器用于檢測輸出端口的光子數，常用的探測器有雪崩光電二極管（APD）和超導納米線單光子探測器（SNSPD）等。由于要求輸入光子數等于輸出光子數，采樣成功率隨著光子數的增加指數降低,即=。上訴幾種關鍵器件均會影響效率。圖 8 玻色采樣示意圖 實現單光子源一般分為兩類。一類是量子點產生的真正的單光子源，每一個脈沖要么激發出一個單光子，要么就不產生光子。另一類是利用自發參量下轉換（SPDC）產生的光子對作為預報單光子光量子計算技術產業研究報告 27 源。當滿足相位匹配條件時，一個頻率為1=2+3 的泵浦光光子

53、在非線性晶體中發生SPDC時將會產生頻率分別為2,3的一對參量光。當探測到其中一個光子時即說明一定產生了另一個光子。為了壓制產生多對光子的情況，這種預報單光子源產生光子的概率不會很高,難以實現高光子數的標準玻色采樣。因此玻色采樣主要使用量子點單光子源為主要光源。干涉儀也分為兩類，一類是時間編碼，另一類是空間編碼。時間編碼干涉儀對于硬件較為友好，但是由于光子需要反復經過光纖環，其效率指數下降?？臻g編碼對于硬件要求較高，但是效率較高。假設每個單光子源產生單個光子的概率為,干涉儀的效率為1,探測器的效率為2，則光子玻色采樣的成功率為=(12)。玻色采樣方面的研究重點也即提升單光子源的質量，降低干涉儀

54、的損耗和提高探測器的探測效率。自玻色采樣提出以來，全球多個研究團隊陸續進行了實驗驗證。2013 年，四個研究小組同時實現了 3 光子的原理驗證實驗。實驗大致過程是使單光子源不斷發出單光子，經過一個多模式干涉儀，最后在各個出口用探測器探測。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%光量子計算技術產業研究報告 28 82%的單光子探測器實現了

55、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。2014 年 Lund 等人提出了散射玻色采樣。即用2個預報單光子源，記錄輸出個光子的樣本。類似的，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。2018 年鐘翰森等人用 SPDC 預報單光子源進行了散射玻色采樣實驗。盡管這相對于原始方案有了一定的改進，成功率從指數下降變成了下降，但其擴展性依然存在問題。盡管單光子玻色采樣在實驗上取得了顯著進展，但由于技術限制，單光子源難以實現，干涉網絡性能有待提升，這些

56、因素限制了玻色采樣的高效大規模實現。面臨挑戰主要包括：高品質單光子源的制備與穩定性問題；大型干涉儀的連通性、波包重疊和相位穩定性問題；高效單光子探測器的研發與應用；輸出結果的驗證與性能基準測試等問題。2)高斯玻色采樣高斯玻色采樣 2017 年 Hamilton 等人提出了能夠充分利用 SPDC 特性，將單模壓縮態(SMSS)作為非經典光源的高斯玻色采樣(Gaussian Boson Sampling)。2018 年，Quesada 等人簡化了該方案，通過閾值探測的方法，使輸出分布與 Torontonian 矩陣函數有關。對經典算法來說，光量子計算技術產業研究報告 29 計算這個函數同樣是#P

57、困難的問題，但對于光學量子計算機來說，只需構建相應系統，采樣過程即可自然完成，無需指數級的時間模擬，從而體現出量子計算的優越性。高斯玻色采樣與單光子玻色采樣不同，高斯玻色采樣使用處于壓縮態的光子作為輸入光源，而非單個光子。壓縮態光子具有高斯分布的振幅和相位，通過線性光學網絡后，其輸出分布同樣可以通過測量得到。高斯玻色采樣利用的是壓縮態光子的量子特性，而非單光子的粒子性，從而在實驗上具有更高的效率和穩定性。高斯玻色采樣實驗的結構和標準玻色采樣相似，只是將量子光源從單光子源換成了單模壓縮態。與標準玻色采樣不同的是光源的相位也會影響到最后的采樣結果。因此實驗中需要進行鎖相。原理和實驗框架如下：向個端

58、口的干涉儀輸入高斯態，輸出得到特定模式 的概率為 ()=1!det()(21),(2)=1 （10）更緊湊的表達式為 ()=|12()/!（11）其中 =+2/2 （12）=12,=（13）這里取遍,，并且假設=0。!=1!2!（14）光量子計算技術產業研究報告 30 =(00)2 1 （15）為的子矩陣。對于每個輸出口只有 0 或 1 個光子的情況，若第的出口光子數不為 0，則是抽出的第,+行和列，最后得到的交叉項即為。一般情況則與標準玻色采樣相似，通過復制對應行列相應次數得到采樣矩陣。積和式可以認為是 Hafnian 的一種特例：()=(00)（16）SMSS 用下列矩陣描述：=(=1co

59、sh=1sinh=1sinh=1cosh)（17）那么干涉儀輸出態的協方差矩陣就由干涉儀的變換矩陣和單模壓縮態矩陣決定：=12(00)(00)（18）=（19）=(=1tanh)（20）對于每個輸出口只有 0 或 1 個光子的情況：()=|1/2|Haf()|2 （21）由于光子數可分辨探測器較難獲得，一般使用閾值探測器，即只能區分有無光子到達的探測器。此時計數率分布便發生了變化。其概率分布為：()=Tor（）det()（22）光量子計算技術產業研究報告 31 =(1)（23）Tor()=(1)|()1()（24）此處()是=1,2,的冪集。光量子計算機在解決玻色采樣問題時，依賴于一系列關鍵器

60、件與技術。高斯玻色采樣涉及的關鍵器件主要包括以下幾種：單模壓縮態光源是核心組件，用于產生處于壓縮態的光子，這些光子具有高斯分布的振幅和相位。線性干涉儀是計算的核心，通過光子干涉效應實現量子計算操作，通常包括光波導和光子芯片，與單光子玻色采樣類似，但要求更高的穩定性和相位控制精度。高效光子數分辨探測器用于測量輸出端口的光子數分布，需要能夠分辨不同光子數的探測器，高精度的超導納米線單光子探測器（SNSPD）是常用選擇。最后，通過量子態制備與操控技術，控制光子的路徑和狀態，實現復雜的量子計算操作。通過設計復雜的光路網絡，利用光子干涉效應，模擬量子系統行為，并通過高精度探測器測量輸出光子的分布，獲得計

61、算結果。2020 年，中科大潘建偉團隊發布 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機“九章一號”。該原型機采用激光系統產生高峰值功率的飛秒脈沖，通過參量下轉換過程產生 50 路單模壓縮態，輸入到 100模式光量子干涉網絡，利用 100 個高效率超導納米線單光子探測器進行探測?！熬耪乱惶枴笨煽焖偾蠼飧咚共Ｉ蓸訂栴}，第一次在光量子體系實現了量子優越性，實驗結果表明該量子計算系統處理高光量子計算技術產業研究報告 32 斯玻色取樣問題的速度比當時最快的超級計算機 Fugaku（富岳）快一百萬億倍，即“九章一號”一分鐘完成的任務，富岳需要一億年才能完成。這一速度也等效地比 2019 年谷歌發布的

62、53 個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。需要注意的是，未來隨著經典模型的不斷發展，對這一實驗結果發出挑戰。此外，“九章一號”量子計算系統目前只能用于求解高斯玻色取樣問題，并可為“擴展丘奇-圖靈論題”的證偽提供實驗證據，但尚不能用于高斯玻色采樣以外的其他計算，目前尚無對應實際應用問題。圖 9“九章一號”原理圖 2021 年，中科大潘建偉團隊構建了 113 個光子 144 模式的量子計算原型機“九章二號”。該系統提高了光源質量，擴大了干涉儀規模，光量子比特數從76個增加到113個，并實現了相位可編程功能，完成了高斯玻色采樣任務的快速求解，進一步提升了國際上光量子操縱的技術水平，提供了量

63、子計算加速的實驗證據。光量子計算技術產業研究報告 33 圖 10“九章二號”的玻色采樣速率與先前工作的對比 圖 11 單量子設備玻色子采樣實驗裝置示意圖 2023 年，中科大潘建偉團隊構建了 255 個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息技術水平和量子計算優越性的世界紀錄?！熬耪氯枴笔褂脗喂庾訑捣直?，提高了實驗計算復雜度，能操縱 255 個光子。團隊發展了高效率和品質的量子點單光子源，并自主研發了集成 127 個分束器的具有最高透過率的光量子線路。結合高性能超導納米線單光子探測器（SNSPD），實驗證明了在容忍一定光子損失的情況下，玻色采樣仍然保持其原有的計算復雜度，并且采

64、樣速率得到指數級提升?！熬耪氯枴碧幚砀咚共Ｉ拥乃俣缺壬弦淮熬耪露枴碧嵘话偃f倍，證明了量子計算在高光量子計算技術產業研究報告 34 斯玻色采樣問題上的顯著優勢?！熬耪氯枴痹诎偃f分之一秒時間內所處理的最高復雜度的樣本，需要成果公布時最強的超級計算機“前沿”（Frontier）花費超過二百億年的時間。此外，在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，中科大團隊進一步揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯系，完成對稠密子圖和 Max-Haf 兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經典計算機精確模擬的速度快 1.8億倍。需要注意，現在仍然有更強的經典模型出現，仍需要更高質量、更大規模的實驗，

65、在實現量子優越性之后探索其在現實生活中的實際應用也是一個具有潛力的方向。2018 年，上海交通大學金賢敏團隊依托飛秒激光直寫技術制備三維光子芯片，對基于玻色采樣的量子加密算法應用進行了研究。研究團隊通過實驗證實了利用粗粒度玻色采樣實現單向加密函數這一方案的可行性，開拓了玻色采樣在量子加密算法實驗研究中的先例。這一成果不僅為探索基于玻色采樣的密碼學其他應用奠定了基礎，還為加密系統增加了安全性，有助于保護個人信息數據的完整和安全。2024 年，美國芝加哥大學的 Changhun Oh 及其研究團隊提出了一種模擬高斯玻色子采樣的經典張量網絡算法。該算法在光子損失率高時能夠顯著降低計算復雜度，使得研究

66、人員能夠利用相對有限的計算資源模擬迄今為止最大規模的高斯玻色子采樣實驗。研究提供的證據表明，該經典采樣器在模擬理想分布方面表現優于實驗，光量子計算技術產業研究報告 35 從而對實驗量子優勢的主張提出了有力質疑。綜上所述，盡管高斯玻色采樣在理論和實驗上都具有重要意義，但其大規模實現同樣面臨諸多挑戰。主要包括：（1）高壓縮參數、高光子不可分辨性和高收集效率的 SMSS 陣列的制備問題；（2）大型干涉儀的連通性、矩陣隨機性、波包重疊和相位穩定性問題；（3）高效光子數分辨探測器的研發與應用問題；（4）輸出分布的驗證與性能基準測試等問題?？傮w而言，單光子玻色采樣和高斯玻色采樣作為量子計算領域的重要研究方

67、向之一，在展示量子計算優越性方面具有重要意義。盡管光量子計算在玻色采樣領域取得了重要進展，但仍面臨諸多挑戰。光子在傳輸和干涉過程中的損耗影響計算準確性和效率，單光子探測器的效率和噪聲水平需進一步提升，以確?？煽繙y量結果。此外，實現大規模和復雜的光子網絡要求更高的系統集成度和穩定性，這對現有技術提出了極高要求?？朔@些瓶頸是推動光量子計算技術，特別是玻色采樣專用光量子計算機進一步發展的關鍵。2.量子模擬量子模擬 量子模擬器允許以可編程方式研究量子系統。在這種情況下，模擬器是專用設備，旨在提供有關特定物理問題的見解。量子模擬器與一般可編程的量子計算機并不相同，后者能夠解決更廣泛的量子問題，而量子模

68、擬器則主要用來模擬特定的物理系統，解決某一光量子計算技術產業研究報告 36 類問題。通用量子模擬器這一概念最早是由尤里馬寧(Yuri Manin)于 1980 年 和理查德費曼(Richard Feynman)于 1982 年提出。一個多粒子的量子系統可以被量子計算機模擬，使用的量子比特數量與原始系統中的粒子數量相似。這已經擴展到更大的量子系統類別。物理學中的許多重要問題，特別是低溫物理學和多體物理學，仍然知之甚少，這是由于底層量子力學非常復雜。包括超級計算機在內的傳統計算機不足以模擬只有約 30 個粒子的量子系統，因為希爾伯特空間的維數隨著粒子數量呈指數增長。需要更好的計算工具來理解和合理設

69、計材料，這些材料的特性被認為取決于數百個粒子的集體量子行為。量子模擬器提供了另一種了解這些系統特性的途徑。這些模擬器創建了感興趣的特定系統的清晰實現，從而可以精確地實現其屬性。對系統參數的精確控制和廣泛的可調性可以清楚地消除各種參數的影響。量子模擬器可以解決經典計算機難以模擬的問題，因為它們直接利用真實粒子的量子特性。特別是利用了量子力學的一種稱為疊加的性質，其中量子粒子同時處于兩種不同的狀態，例如與外部磁場對齊和反對齊。至關重要的是，模擬器還利用了稱為糾纏的第二種量子特性，甚至可以將物理上完全分離的粒子的行為關聯起來。量子模擬器已在許多實驗平臺上實現，包括超冷量子氣體、極性分子、捕獲離子、光

70、子系統、量子點和超導電路系統。其中，當光量子計算技術產業研究報告 37 今可用的光子量子技術在模擬量子化學、量子生物學和固態物理學等方面開展探索。光子量子模擬器利用了光子的獨特特性來實現高精度的量子控制和測量。光子作為量子信息的載體，具有魯棒性和移動性，可以在自由空間和波導結構中輕松移動。這使得光子量子模擬器能夠模擬復雜和非局部的多體相互作用，并具有無退相干的優勢。光子不易相互作用，這雖然增加了糾纏的難度，但也確保了系統的穩定性。光子量子模擬器在多個領域展示了其獨特的潛力，尤其是在量子化學、量子生物學和固態物理學中。此外，光子量子模擬器還在量子信息處理和量子計算方面具有重要應用。光子作為量子信

71、息的載體，具有高魯棒性和可移動性，使其在量子通信和量子網絡中表現出色。光子量子模擬器通過模擬復雜的量子網絡和多光子糾纏態，為實現大規模量子計算和安全量子通信提供了可能性。盡管光子量子模擬器具有許多優點，但也面臨一些挑戰，特別是在光子-光子相互作用弱和多光子糾纏的實現方面。單光子的受控生成也是目前光子量子模擬器規?；闹饕系K。實現獨立源發射的光子之間的量子干涉的要求，使得多光子實現獨立源發射的光子之間的量子干涉的要求通常依賴于參數下轉換過程，其中非線性晶體中的強激光脈沖產生不可區分的光子對。不幸的是，這個過程是自發的，因此在隨機時間產生光子對，這限制了可擴展性，特別是在處理多個光子對和沒有光子

72、數分辨率的標準探測器的發射時。技光量子計算技術產業研究報告 38 術上的突破，例如提高單光子源的控制精度和探測器的分辨率，將推動光子量子模擬器的規?；瘧??？傮w而言，光子量子模擬器通過其高精度的量子控制和測量能力，在量子化學、量子生物學、固態物理學以及量子信息處理等領域展示了廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步，光子量子模擬器將成為研究和理解復雜量子系統的強大工具，可能解決目前傳統計算機無法處理的重大計算挑戰，并在科學研究和技術開發中發揮越來越重要的作用，推動量子科技的進一步發展。3.相干伊辛機相干伊辛機*基于伊辛模型的相干伊辛機(Coherent Ising Machine,CIM)通過實現自

73、旋比特間的任意耦合，可以針對大規模組合優化問題快速求解，被視為一種新型的針對組合優化問題的專用光量子計算機。CIM由美國斯坦福大學的山本喜久、文凱、王哲團隊提出，目前 Stanford、MIT、Caltech、NTT Research、東京大學、以及玻色量子等多個團隊都在進行這一路線的研究。根據計算復雜度理論，很多組合優化問題可以映射為統計物理學中的自旋作用理論模型（伊辛模型）的能量最小態的搜索問題。CIM 的工作方式類似于一種包含有多個相互作用的自旋的鏈式物理系統，每個自旋的狀態只能“向上”或者“向下”，其結構如圖 12所示。這一系統傾向演化到最低能量狀態。CIM 可對這一自旋鏈進光量子計算

74、技術產業研究報告 39 行編程以映射實際問題，這樣即可通過測量系統演化的最終狀態求出對應的優化問題的解。圖 12 一維伊辛自旋鏈模型 在 CIM 中，使用了簡并光學參量振蕩（DOPO）將輸入的激光轉換成兩個相同頻率的輸出光，輸出光脈沖的相位為 0 或者，對應于自旋中的“向上”或“向下”；再將一連串的激光脈沖按時序編碼為伊辛自旋鏈。利用 FPGA 控制另外一路新的脈沖在特定的時序注入，從而實現脈沖的相互作用，構建出相干伊辛網絡，進而實現伊辛自旋鏈的基態演化和求解。CIM 雖然無法實現通用量子計算，但其優勢是能夠找到大規模復雜的伊辛問題的精確解，能應用于金融、通信、能源、醫藥、化學、人工智能等許多

75、場景，具有較高的實際價值。此外，CIM 可在室溫下運行，成本遠低于超導等技術路線，而且系統所需的設備材料，都是已經用于光通信系統的現成元件。系統允許變量間以任意的方式連接，結合編程的簡便性，使得它易于大規模商用。2014 年，4 比特的 CIM 原型機即由山本喜久教授研究團隊設計實現。2016 年，NTT 宣傳實現了多達 10000 個自旋的大規模人工自光量子計算技術產業研究報告 40 旋網絡，并證明在 2000 個節點的最大割（Max-Cut）問題上相比模擬退火（SA）等經典算法具有指數級的優勢。2021 年，相干伊辛機的計算規模進行了進一步的擴大，日本電報電信公司的 T.Honjo等實現了

76、具有 100512 個 DOPO 脈沖的相干伊辛機，其中有超過 100億個自旋與自旋間的相互作用來構成計算網絡。實驗結果表明，CIM比先進的數字計算機快約 1000 倍地提供了 100000 節點全連接圖的最大割問題的最優解。國內方面，玻色量子進一步優化了基于測量-反饋架構相干伊辛機，并完成了相干伊辛機的工程化，于 2023 年發布了 100 節點的相干伊辛機，其系統結構如圖 13 所示，后又于 2024年 4 月發布了 550 節點的相干伊辛機。圖 13 空間和光纖環混合架構的相干伊辛機裝置圖 由于相干伊辛機模型內部的連通性，使它在求解圖的最大割問題上，無論是在密集圖（邊的數量接近于節點數量

77、的平方）還是在光量子計算技術產業研究報告 41 大規模頂點的情況下，都具有很高的計算效率。針對多種組合優化問題，例如旅行商問題和信道分配問題，通信系統的優化問題，都可以實現實時快速優化。三、光量子計算產業現狀(一一)光量子計算產業生態總體介紹光量子計算產業生態總體介紹 現階段光量子計算仍處于技術研發和實驗探索的早期階段。核心參與者不多但也初具規模，科研與市場活躍度呈現增長趨勢，未來將有更多企業和科研機構加入。光量子計算產業視圖如圖 14 所示，包括底層支撐系統、光量子計算原型機、軟件和應用服務等四個關鍵環節。圖 14 光量子計算產業視圖 從全球光量子計算企業情況來看，光量子計算硬件設備供應商和

78、軟件開發商主要以國際公司為主，企業主要集中在美國、加拿大光量子計算技術產業研究報告 42 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。我國近年來成立部分光量子計算企業，在產業生態中占有一席之地，目前已有多款軟硬件產品推出。光量子企業發展模式主要分兩類，一類遵循軟硬件協同的全棧式發展路線，例如Xanadu、Quandela、圖靈量子、玻色量子等；另一類是重點發展硬件處理器的設計封裝，例如 Photonic Inc、Wave Photonics 等。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

79、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光量子計算編譯軟件和光量子計算應用開發軟件兩大類。光量子計算

80、編譯軟件位于光量子計算硬件平臺上層，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。光量子計算應用開發軟件是面向量子模擬、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光量子計算技術產業研究報告 43 發工具包和光量子計算云平臺進而為用戶提供解決方案。近年來，國內外企業均開始積極布局光量子計算軟件。2018 年，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 X

81、anadu 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 總體而言，全球光量子計算產業生態仍處于發展初期，正逐步從理論研究走向實

82、際應用，規?；瘧煤彤a業化仍有待進一步推進。未來需要鼓勵光量子計算上中下游企業共同參與、共建共擔共享，加強技術攻關、實驗驗證、應用探索等方面的合作，共同構建企業緊密協作、融通發展的產業應用生態。(二二)國外企業概況國外企業概況 1.PsiQuantum 光量子計算技術產業研究報告 44 PsiQuantum 創于硅谷，截至目前獲得的風險投資超過 12 億美元，投資者包括 Playground Global、BlackRock、C4 Ventures 以及微軟旗下的 M12 等。2021 年，PsiQuantum 與美國晶圓廠商 GlobalFoundries 合作，共同完成了基于硅光子的集成量

83、子系統的研發。雙方共同將超導光子探測器引入了 300mm 晶圓產線，這意味著量子設備的生產有可能具備規?；?、可擴展的特性，使 PsiQuantum 看到了實現百萬量子比特規模的可行路徑。2022 年，PsiQuantum 和 GlobalFoundries 獲得美國聯邦政府資助，用于量子計算機研發。PsiQuantum 與美國空軍研究實驗室也達成了合作。2023 年，DARPA 選擇 PsiQuantum 作為其公用事業規模量子計算未開發系統(US2QC)項目資助的公司之一。英國政府還為 PsiQuantum 在英國開設工廠提供了資金。2024 年，澳大利亞聯邦政府和昆士蘭州政府宣布，將在未來

84、 10 年內，以贈款、貸款和股票購買的方式，為美國光量子計算公司 PsiQuantum 提供 9.4 億澳元（約合 6.2 億美元）的資助，目標是在布里斯班建造全球第一臺可商用的容錯量子計算機。2.Xanadu Xanadu 是加拿大的量子初創企業，由 Christian Weedbrook 于 光量子計算技術產業研究報告 45 2016 年創立。Xanadu 的一直專注于開發可編程高斯玻色子采樣（GBS）設備，獲得了 DARPA 的資助，并在由 OMERS Ventures 領投的種子輪和 A 輪融資中獲得了總計 4100 萬加元（約合 3100 萬美元）的資金。2020 年，Xanadu

85、發布了利用光子技術構建容錯量子計算機的藍圖以及基于光量子路線的量子云平臺，開發人員可訪問他們使用8 量子比特或 12 量子比特的基于量子門的光量子處理芯片。2021 年，Xanadu 宣布獲得了 1 億美元 B 輪融資。2022 年，Xanadu 報道了一項玻色子采樣實驗，使用光纖環和多路復用將分束器網絡替換為單個網絡，這也使其更容易重新配置，檢測到 219 個光子并宣布獲得了比以前實驗大 5000 萬倍的加速。同年，Xanadu 宣布與比利時微電子研究中心(IMEC)合作開發下一代基于超低損耗氮化硅(SiN)波導的光量子比特。未來 Xanadu 基于光量子的方法可以在室溫下進行網絡計算，加之

86、 IMEC 研發制造中心的技術實力，具有可擴展到 100 萬個量子比特的優勢。2022 年，Xanadu 獲得 1 億美元融資，由 Georgian 領投。2023 年，Xanadu 得到了加拿大政府的大力支持。其中包括加拿大政府為國家量子戰略撥款的 3.6 億加元，以及通過聯邦戰略創新基金(SIF)投資的 4000 萬加元。2024 年，Xanadu 公司 CEO 發布聲明表示，公司目標是在今年年底或明年初再籌集 1-2 億美元。光量子計算技術產業研究報告 46 3.Quantum Source 以色列光量子計算公司 Quantum Source 成立于 2021 年，種子資金總額 2700

87、 萬美元，投資者包括戴爾科技資本等。目前該公司有 44 名員工，來自以色列大學、耶魯大學、哥倫比亞大學、麻省理工學院、加州理工學院和哈佛等名校。團隊組成涵蓋量子科學家、物理學家、數學家、芯片和系統工程師以及硅光子學專家。Quantum Source 正在開發有助于高效實現大規模容錯光子量子計算機的技術，旨在構建可擴展到數百萬量子比特的系統，并有可能在許多前沿領域加速發展。Quantum Source 采用了一種生成光子和量子門的方法，其效率比最先進的實現方法高出五個數量級。未來可能有用的領域包括藥物設計、材料開發、網絡安全以及為 AI 應用處理大型數據集。4.Sparrow Quantum 丹

88、麥量子技術公司 Sparrow Quantum 是由量子物理學和技術教授 Peter Lodahl 創立。2023 年 Sparrow Quantum 表示已籌集 410 萬歐元的種子資金，由風險投資公司 2xN 領投，LIFTT 和歐洲創新委員會(EIC)也參與其中。Sparrow Quantum 提供高效量子光生成的可擴展解決方案，其量子發射器芯片可以以超過 90%的效率沿芯片引導量子光，并通過施加受控電場來捕獲通常會降低量子點發射相干性的殘留電荷，光量子計算技術產業研究報告 47 從而實現超低噪聲環境。這些特性的結合可獲得較高保真度的單光子。Sparrow Quantum 在納米光子設計

89、和制造方面的技術積累較為雄厚且推出部分研究成果，其產品是片上、可擴展、確定性的單光子源。Sparrow Quantum 的關鍵技術是圍繞源的納米光子環境的獨特納米結構，從而能夠操縱光子發射。5.ORCA 英國量子計算公司 ORCA 成立于 2019 年，是牛津大學的衍生公司，創始人是 Ian Walmsley 教授。該公司總部位于英國倫敦，在多倫多（加拿大）、克拉科夫（波蘭）、奧斯汀和西雅圖（美國）設有辦事處，是全棧光子量子計算系統的開發商和提供商，致力于解決具有科學和經濟重要性的應用。ORCA 目的在于開發全棧光子量子計算機，開拓新的應用領域、加速創新并幫助行業轉型。目標是打造短期內創造價值

90、的量子加速器和長期內糾錯量子計算機。通過 ORCA 的模塊化光纖互連架構這一新技術與現成的、機架式電信和光纖組件相結合，ORCA 提供了一種獨特的方法來提供性能、可擴展性和可用性，以開始解決生成機器學習和優化等用例。2022 年，ORCA 完成 1500 萬美元 A 輪融資，將用于推出其近期的光子量子計算系統和軟件，為英國國防部(MoD)等組織提光量子計算技術產業研究報告 48 供支持，以開發機器學習等未來數據處理能力。這筆投資還將幫助 ORCA 繼續開發其全棧容錯解決方案，并加速其專有的量子存儲器驅動的光子量子計算系統的開發。該公司還從 Innovate UK 獲得了大量基于項目的資金，包括

91、牽頭獲得英國政府創紀錄的 1160 萬英鎊未來量子數據中心撥款。2024 年，Orca 宣布蒙大拿州立大學(MSU)購買了兩臺該公司的 PT-1 量子光子系統，這項投資由美國空軍作為 1.15 億美元應用量子核心撥款的一部分資助。6.Quandela Quandela 成立于 2017 年，總部位于法國巴黎-薩克雷（Paris-Saclay），擁有約 100 名員工，專注于為行業提供高性能的量子計算解決方案。2021 年，Quandela 從深度科技投資基金 Omnes、Bpifrance 管理的國防創新基金和量子技術專項基金 Quantonation 籌集了 1500萬歐元。2023 年，Q

92、uandela 從投資者、法國政府（通過法國 2030 計劃）和銀行合作伙伴那里獲得了超過 5000 萬歐元的資金。Quandela 還獲得了法國 2030 的支持，成為“Premire usine”項目征集的獲勝者。同年，Quandela 成功開設首家量子計算機工廠，并已向行業客戶交付兩臺量子計算機。2024 年，Quandela 為其首條高性能光量子計算機的制造試點生產線舉行了落成典禮，旨在加快部署光量子計算技術產業研究報告 49 可糾錯的量子計算機，表現出 Quandela 正在光量子計算領域進行穩步擴張和創新。Quandela 的主要產品與服務有創下世界紀錄的高性能單光子發射器（Pro

93、metheus）、首個專用于單光子計算的軟件框架（Perceval）和向全球商業客戶交付的首臺光量子計算機（MosaiQ），Quandela計劃在 2024 年之前在量子計算機上提供超過 10 個量子比特的處理能力，在 GPU 模擬器上提供 30 個量子比特，在資源估算器中提供200 多個量子比特?？傮w來看，國外光量子計算公司以光量子計算硬件設備供應及軟件開發商為主，產品類型多種多樣，涉及光量子計算機、模擬器、光量子芯片、相關設備組件、軟件云平臺等諸多方面。國外光量子計算公司發展態勢良好，前景較為廣闊。(三三)國內國內企業企業概況概況 1.玻色量子玻色量子 玻色量子由 CIM 技術方案的創始團

94、隊成員文凱博士于 2020 年11 月創立，是一家專注于光量子計算的公司。團隊成員來自斯坦福、清華、中科院等學校，且具備多年光量子信息研究和工程化經驗，其中研發人員占比超 70%，碩博占比 65%。公司已完成自建十萬顆粒潔凈度的光量子信息技術實驗室，申請發明專利數十項。玻色量子累計已完成了五輪股權融資，2023 年，玻色量子完成光量子計算技術產業研究報告 50 了億元級新一輪融資，由北京中移數字新經濟產業基金、華控基金聯合領投，盈富泰克、朝科創等機構跟投。2023 年，玻色量子發布第一代 100 量子比特相干光量子計算商用機。2024 年，玻色量子發布第二代 550 量子比特相干光量子計算商用

95、機。公司分別在蘇州、合肥、深圳等地建設光量子實驗室，面向通信、金融、交通、醫藥、軍工等多領域展開了場景驗證，深入行業合作。未來將持續專注于光量子計算機的研發和產業化。2.圖靈量子圖靈量子 圖靈量子成立于 2021 年 2 月，起源于上海交通大學集成量子信息技術研究中心，創始人是金賢敏教授，研究團隊同時在在光量子信息和光子芯片領域深耕十余年，具有深厚的技術積累和突出成果。目前已宣布完成近億元天使輪融資。圖靈量子具有三維集成光子芯片的研發能力和自主的流片技術，可以完成光芯片設計到封裝測試的全鏈條開發。2018 年，圖靈量子團隊發布 4949 的三維集成的光子芯片，并演示了真正空間二維量子行走。據悉

96、目前已有大量的量子算法內核在光量子計算芯片上得到了實現。2018 年后，圖靈量子開始布局鈮酸鋰薄膜（LNOI）光子芯片，表明其同時具有研發三維和可編程的光子芯片的能力。光量子計算技術產業研究報告 51 2023 年，圖靈量子與德國 Kipu Quantum 公司在上海簽署戰略合作協議。雙方將圍繞圖靈量子的光量子計算機、光量子教學一體機展開深度合作。2024 年，圖靈量子光量子計算編程框架 DeepQuantum 正式開源。用戶發者可基于該框架構建和模擬量子線路，設計和優化量子神經網絡。3.正則正則量子量子 正則量子成立于 2022 年 10 月，是一家硬軟算協同的全棧式光量子計算公司，蓄力應對

97、后摩爾時代算力挑戰。團隊希望從光量子核心器件入手，短期研發專用光量子計算機，中長期實現實用化通用光量子計算機。同時通過整合量子計算硬件和量子算法，實現有價值的應用量子計算云平臺，實現量子計算在銀行、物流、制藥等行業的賦能。2024 年，正則量子發布了“光脈 ZQ-QC40”光量子教學機、“極光 ZQ-QCS30”量子計算模擬平臺以及光甲系列量子+安全產品。光脈 ZQ-QC40 是一款 4 量子比特的光量子教學機，可提供十多項量子計算教學演示功能。極光 ZQ-QCS30 支持高達 30+比特的量子線路模擬，并集成了正則量子一系列的自研功能模塊。光甲系列產品融合了后量子密碼、量子密鑰分發和量子隨機

98、數生成器技術，可提供靈活的彈性加解密方案。光量子計算技術產業研究報告 52 總的來說，我國的光量子計算企業雖起步稍晚，但發展較為迅速，已在產業生態中占有一席之地，在光量子計算硬件、軟件、云平臺等方面均有布局并推出多款相應產品，彰顯了一定的企業實力整體發展態勢向好。四、光量子計算應用探索(一一)化工領域應用探索化工領域應用探索 量子化學計算旨在解決復雜化學體系中的電子結構、動力學及統計性質等問題。然而，隨著分子中原子數的增加，體系自由度的數目急劇增長，遠遠超出了經典超級計算機的計算能力。光量子計算在模擬分子結構和反應方面展現出巨大的潛力。光量子系統利用光子芯片、光學諧振腔等技術，實現了對分子電子

99、結構的精確模擬。PsiQuantum和QunaSys公司宣布共同評估容錯量子計算對工業化學計算的作用，這一合作旨在加速開發可持續材料。日本的 JSR公司作為 alpha 客戶加入了該項目，將評估量子計算能否推動在光刻膠、彈性體、塑料和試劑制造方面的進步。兩家公司將合作推進量子計算在化學工業中的應用，結合他們在量子硬件、算法開發和材料科學方面的互補優勢。PsiQuantum 將貢獻其在硅光子容錯量子計算硬件和容錯量子計算算法開發方面的專業知識。QunaSys 則為材料開發提供先進的量子算法和量子化學計算。JSR 是材料科學領域的全球領導者，其正不斷的探索現有材料的可能性和新材料的潛光量子計算技術

100、產業研究報告 53 在應用，以推進可持續的產品開發。英國石油公司和 ORCA Computing 的研究人員合作探索了使用生成對抗網絡（GAN）來訓練一種混合量子經典生成器。這種生成器能利用光子量子處理器和 GPU 來分析烷烴分子數據集，從而創建出具有特定能量的構象體。研究結果表示，該方法旨在生成一些碳氫化合物分子的低能構象，它有望為分子探索中面臨的計算障礙提供潛在的解決方案。Lanyon 等人在 2010 年利用兩個糾纏光子成功模擬了氫分子的量子態，這為量子化學的研究提供了新的途徑。隨著技術的進步，未來可以期望光子量子模擬器用于模擬更復雜的分子系統，如苯等芳香族分子。在化學反應網絡中尋找最佳

101、途徑對于闡明和設計化學過程至關重要，這類化學尋徑問題可以表述為一個約束組合優化問題，可以在給定的網絡中找到連接起始材料到目標材料的化學反應的最佳組合。東京大學的 K.Tsud 研究小組基于圖的二進制變分自編碼器獲得離散潛在向量，并使用伊辛機對其進行優化，結果表明，基于 GPU的伊辛機可以應用于基于深度學習的材料設計。北海道大學的Mizuno 等將伊辛機應用于化學路徑尋找問題，并使用貝葉斯優化方法進行參數調整，在基準測試上證明找到近似最優路徑是可行的。此外，K.Tsud 等也認為為了更好的材料性質而合成各種分子的試錯過程是類黑盒過程，使用伊辛機可以獲得較好的結果。光量子計算技術產業研究報告 54

102、 量子計算在藥物分子設計方面也取得了重要進展，通過優化分子的三維結構，找到能量最低的構型，有助于設計更高效的藥物分子。玻色量子與上海交通大學聯合研究團隊提出了網格點匹配（Grid Point Matching，GPM）和原子特征匹配（Feature Atom Matching,FAM）算法模型，以便可以通過相干伊辛機求解并證實，相干伊辛機的求解速度比經典計算機快 1000 倍，顯著提升藥物虛擬篩選效率和準確率。圖靈量子發布了四大量子 AI 制藥模塊，包括藥物分子結構設計 QuChem、藥物虛擬篩選 QuDocking 等，這些模塊結合了量子計算和人工智能技術，為生物醫藥行業提供了強大的智能算力

103、支持。華大生命科學研究院量子計算團隊與玻色量子合作，用量子計算機進行單細胞組學等相關研究。這些研究有望推動生命科學領域的快速發展，為疾病診斷、基因編輯等領域提供更加精確和高效的解決方案。針對光量子系統的特點，研究人員不斷優化量子算法，以提高量子化學模擬的效率和精度。量子相位估計算法（QPE）是解決哈密頓算子特征態和特征值問題的高效算法，被廣泛應用于量子化學計算中。Kvantify 公司推出了 BEAST-VQE 算法，通過結合自適應VQE 算法和 Amazon Braket Hybrid Jobs，實現了在含噪聲的中等規模量子（NISQ）設備上進行實用且準確的電子結構計算。這些算法和量子軟件的

104、優化，極大地推動了量子化學模擬的實際應用。當前光量子系統仍面臨穩定性和可擴展性的挑戰。高效光量子光量子計算技術產業研究報告 55 源、損耗水平以及大規模系統的集成難度等，限制了光量子系統在實際應用中的表現。另外，量子算法的優化與設計是光量子計算應用的關鍵。盡管已有一些針對光量子系統的量子算法被提出，但這些算法在實際應用中的效率和精度仍需進一步提升。此外，如何根據不同應用場景設計合適的量子算法，也是未解決的難題之一。隨著量子技術的不斷發展，光量子系統在化工領域的應用前景將更加廣闊。未來，隨著光量子系統穩定性、可擴展性的提升以及量子算法的不斷優化，光量子系統將在解決化工領域復雜實際問題和探索基本規

105、律方面發揮更加重要的作用。(二二)能源領域應用探索能源領域應用探索 量子計算具有超快的并行計算能力，可在極短時間內處理、分析能源領域的海量數據，提高建模精度，使相關業務更高效、更快、更安全，有望為能源行業帶來顛覆性影響。PsiQuantum 和三菱日聯金融集團共同宣布，將與三菱化學集團合作開展一個聯合項目，以模擬光致變色分子的激發態。這種分子具有廣泛的工業和住宅應用潛力，例如開發智能窗戶、節能數據存儲、太陽能存儲和太陽能電池以及其他光開關應用等。該聯合項目將確定在早期的容錯量子計算機上是否可以對激發態特性進行高精度估算，并將重點關注用于節能光開關應用的二芳基乙烯。該項目將使三菱化學公司能夠盡早

106、了解如何以及何時部署容錯量子計算，光量子計算技術產業研究報告 56 以支持開發可擴展和可持續的關鍵材料。PsiQuantum 與梅賽德斯-奔馳研發部合作，利用容錯光量子計算模擬了鋰離子電池中的電解質分子反應，這一研究顯著提高了電池設計的效率和準確性，從而使汽車制造商在下一代電池設計中尋求突破。Xanadu 開發了一種有望在容錯量子計算機上模擬鋰離子電池的方法，以提供對更好性能的洞察。這些模擬有能力改善材料性能，為在量子水平上進行工業模擬奠定了基礎。大眾汽車和 Xanadu 建立了一項持續多年的研究合作關系，以提高用于模擬電池材料的量子算法的性能。該聯合計劃旨在降低計算成本并加速大眾汽車采用量子

107、計算機來開發更安全、更輕、更具成本效益的電池材料，從而更好應對電池研究中的行業挑戰。量子計算技術有望加速新材料的發現和開發，為傳統石油和天然氣等能源行業帶來機遇的同時，有望助力推動勘探和可再生能源領域的發展?？傊?，隨著技術的不斷發展和應用的不斷拓展，光量子計算正以其獨特的優勢發揮愈加重要的作用，有望能源行業帶來變革。(三三)通信領域應用探索通信領域應用探索 量子計算將對通信領域帶來深刻影響，有望為網絡、機器學習和安全等領域的發展提供助力。量子組合優化、量子搜索、量子信光量子計算技術產業研究報告 57 號處理和量子機器學習有望提升網絡能力和業務質量。此外，量子計算將顛覆傳統密碼體系，以 Shor

108、 算法為代表的各種大數分解算法能夠實現通信中的密碼破譯。由于需要量子硬件具備更高位數且對硬件噪聲要求更加嚴苛，量子計算在信息通信領域的應用目前仍處于理論研究階段。東京理科大學的 Kurasawa 等將相干伊辛機應用到最大化大規模集中式無線局域網系統的吞吐量問題上，獲得了優于模擬退火算法和貪心算法的分配方案，實現了 CIM 在無線通信系統中的應用。玻色量子與中國移動研究院聯合發表了解決大規模多輸入多輸出（MIMO）的波束選擇（MBS）問題的成果，使用相干伊辛機對該問題的求解精度和速度，均優于在經典計算機上運行啟發式算法的解決方案，并獲得至少 2 個數量級以上的性能改進。T.Otsuka 等提出了

109、基于相干伊辛機的非正交多址接入技術（NOMA）系統信道分配優化算法，在計算速度和成功率這兩個評價指標上優于模擬退火、傳統的 NOMA 算法、基于深度學習算法以及窮舉搜索等常規算法。量子計算應用于通信領域未來仍面臨諸多挑戰，具體包括：量子計算機本身發展的挑戰，量子算法本身創新的挑戰，以及應用面臨的挑戰等方面。未來需要加強光量子計算在通信領域的算法研究、應用研究等，明確通信領域對光量子計算的需求，從而發掘更多實用化的應用場景。光量子計算技術產業研究報告 58 (四四)金融領域應用探索金融領域應用探索 金融領域存在大量量子計算潛在應用場景，包括金融風險管理、投資組合分析、模擬量化交易、金融市場預測等

110、。在計算復雜度理論中，金融投資組合的構造問題通常被表述為屬于非確定性 NP 難問題的二次和離散優化，光量子計算在金融領域的應用探索正在廣泛開展。Multiverse Computing 與 Xanadu 合作以擴大前者對后者開源軟件 PennyLane 的使用，將使 Multiverse 的金融服務客戶能夠更快、更輕松地開發應用程序。這些應用將增強風險建模、市場預測等領域的金融和銀行業情報。圖靈量子在金融科技領域推出量子計算應用模塊產品和商用服務系列圖靈金科，其中信用卡欺詐預判（QuFraudDetection）和投資組合優化（QuPortfolio）兩大模塊均已實現一定程度的量子算法增強。布

111、拉德利大學的 A.H.Philip 等研究人員發現了伊辛模型中自旋自由度的恒等性，可以用一個有代表性的代理來解釋金融市場中的資產價格動態。都靈理工大學的 D.Cividino 推廣了以往在單一風險資產 ABM中使用的伊辛模型至一個基于代理的金融市場的風險資產模型，并展示了良好的應用效果。光量子計算技術產業研究報告 59 東芝公司的 KOSUKE 實現了一個基于投資組合優化來確定買空/賣空的實時股票交易系統，并使用類伊辛分岔機實現了最大化瞬時預期收益。玻色量子與平安銀行聯合研究團隊基于已有的信用評分典型數據集，利用相干伊辛機計算機進行有關量子優化算法解決方案的驗證與探索，比起經典計算機大大提高了

112、計算速度，同時選出的特征集合訓練得到的模型準確率，相較經典計算所使用的模擬退火算法獲得了一定提高。玻色量子與龍盈智達聯合研究團隊探索了量子計算應用于金融投資組合場景，證明相干伊辛機在每一期的求解時間始終維持在毫秒級別，并且可以求解到更高收益、風險更低的投資策略?？傮w而言，金融市場具有極大的復雜性，并且和量子系統一樣具有隨機性，利用光量子計算來模擬金融市場的發展具有得天獨厚的優勢，但該應用目前仍處于理論研究階段。隨著量子計算的不斷發展，未來需要提升光量子計算技術成熟度和基礎設施能力，行業巨頭、監管機構和技術人員也需密切合作，以應對這些復雜性并充分發揮量子金融的潛力。(五五)科研領域應用探索科研領

113、域應用探索 量子計算為自然科學及其他領域的基礎科學研究提供了新的道路，有可能實現顯著的加速優勢，為探索自然科學性質規律、研究光量子計算技術產業研究報告 60 復雜物理機制等提供有效工具。北京大學的研究團隊提出了一種新方法，將每一根波導視為晶格中的一個原子，波導中傳播光的強度表示電子束縛在該晶格上的概率，通過新型 MZ 干涉儀實現任意兩根相鄰波導之間的耦合，代表電子在不同原子之間的躍遷。研究人員利用集成光子芯片實現了一維弗洛凱 Su-Schrieffer-Heeger（SSH）構型拓撲絕緣體的量子態演化過程的量子模擬，并通過對移相器施加不同的電壓，實驗測得的量子態演化過程分布與理論計算值相符，實

114、驗測得平均保真度達到 0.9790。中科大團隊構建新型干涉測量裝置以顯著增加測量基數目，并通過建立開放量子行走系統與受限玻爾茲曼機網絡模型之間的映射，同時開發新的梯度優化算法高效訓練神經網絡，在具有內稟高維結構的開放光量子行走系統中實現高保真度混合量子態重構。結果表明，基于神經網絡技術，僅利用相對于傳統態層析方法 50%的測量基數目，即可實現平均保真度高達 97.5%的開放光量子行走的完整混合量子態表征。軍事科學院國防科技創新研究院強曉剛研究員團隊研制的新型可編程光量子計算芯片能夠進行量子行走可編程動態模擬，實現了對量子行走演化時間、哈密頓量、粒子全同性及交換特性等要素的完全可編程調控，從而支

115、持實現多種基于量子行走模型的量子算法應用。光量子計算技術產業研究報告 61 量子計算機使得用戶可在其上運行量子算法和量子模擬，有助于深入探究量子現象與性質，更高效地開展量子計算實驗，探索量子計算的應用和潛力，為未來更廣泛地應用量子計算奠定基礎。五、光量子計算領域發展趨勢展望 量子計算已成為當今世界最具顛覆性的前沿技術之一，正逐漸形成集基礎科研、工程研發、應用探索和產業培育為一體的發展格局。光量子計算作為量子計算領域多條并行發展的技術路線之一，已完成量子優越性的驗證，因其具有相干時間長、室溫運行和測控相對簡單等優勢而受到業界廣泛關注，科研探索和原型機工程研發不斷取得新成果，化工、能源、人工智能、

116、通信、金融、科研等領域的應用探索正在廣泛開展，光量子計算企業發展保持活躍，產業生態初具雛形。需要注意的是，光量子計算領域當前發展尚不成熟，在發揮巨大潛力的進程中，仍然面臨諸多挑戰。在技術方面，當前光量子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，硬件層面包括系統規模小、雙比特光量子邏輯門構建、大規模集成光子技術等挑戰，軟件算法層面包括各類軟件系統尚不成熟和特定算法設計等問題。在應用探索方面，鑒于光量子計算技術尚不成熟的發展現狀，行業用戶存在成本和可靠性等較多顧慮，并未開始大量部署，行業滲透率明顯不足，諸多行業用戶的數據計光量子計算技術產業研究報告 62 算與處理的大量需求仍需進一步深耕，大量新型應用場景有待挖掘。在產業生態方面，當前光計算產業仍處起步階段，產業鏈條有待完善，市場與產品尚未完全定型，技術路線數量多且分散，一定程度上導致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，從事光量子計算研發的機構多為初創公司或創業團隊，面臨訂單不穩定、個性化訂單開放動力不足等問題?！緡鴥韧馇闆r的對比】總體而言，在當前及未來算力需求遠超實際算力供給能力的背景下，光量子計算采用光作為信息處理的基本載體，有望突破現有電子計算瓶頸，有望在人工智能、氣象監測、金融投資、生物醫藥等領域發揮重要作用，已成為量子計算領域的重要發展和推進方向之一。