光量子计算技术产业研究报告

光量子计算技术产业研究报告 量子信息网络产业联盟 2025年3月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议等，均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络产业联盟所有 （注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 量子信息网络产业联盟联系电话：010-62300592 邮箱：qiia@caict.ac.cn 编制说明 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，有望在解决计算复杂问题过程中提供指数级加速。目前，多条量子计算技术路线并行发展，其中光量子计算是以光子作为量子比特进行计算，通过对光子进行量子操控及测量来完成计算，具有光量子比特相干时间长、易实现高保真度单比特操作、无需真空或低温环境等优势。 现阶段光量子计算仍处于实验室研发的早期阶段，核心参与者正在逐渐增多，科技攻关持续推进，应用探索广泛开展，市场活跃度呈现增长态势，产业培育方兴未艾，未来将有更多企业与研究机构加入。联盟组织研究编写了《光量子技术产业研究报告》，针对光量子计算领域发展原理分类、关键技术类型、应用探索情况、产业培育现状等进行跟踪研判，并对光量子计算领域发展趋势前景进行展望，供业界参考。 编制单位：中国信息通信研究院、中国科学技术大学、中国计量大学、山西大学、上海图灵智算量子科技有限公司、北京玻色量子科技有限公司、正则量子（北京）技术有限公司、浙江九州量子信息技术股份有限公司、合肥硅臻芯片技术有限公司、中电信量子信息科技集团有限公司。 研究报告编写组成员：王敬、赖俊森、张萌、何玉明、谭爱红、苏晓龙、赵翔、李洋、袁为、刘若辰、黄蕾蕾、钱懿、丁禹阳、陈洁。 前言 近年来，光量子计算领域逐渐引起政、企、研、用等多方重视，全球多个国家纷纷通过制定发展战略和项目规划，加大投融资等措施支持以光量子计算为代表的多条量子计算路线的科研及产业发展，支持力度不断加大，科技创新保持快速发展，应用探索持续开展，产业生态逐步构建。 本报告对光量子计算总体发展现状、关键技术、应用探索和产业生态等进行分析探讨，展望光量子计算领域发展趋势。 本研究报告共分为五章，相关章节内容安排如下： 第一章：光量子计算领域概况。介绍光量子计算的概念原理分类、发展现状等。 第二章：光量子计算关键技术。介绍光量子计算领域关键技术方案与进展。 第三章：光量子计算应用探索。介绍光量子计算领域应用探索方向与现状。 第四章：光量子计算产业现状。介绍光量子计算领域产业生态培育情况。 第五章：光量子计算发展趋势展望。总结并研判光量子计算领域发展趋势与前景。 目录 一、光量子计算概述1 (一)光量子计算概念与优势1 (二)光量子计算分类2 (三)光量子计算发展现状8 二、光量子计算技术实现方案9 (一)通用光量子计算9 (二)专用光量子计算23 三、光量子计算产业现状41 (一)光量子计算产业生态总体介绍41 (二)国外企业概况43 (三)国内企业概况49 四、光量子计算应用探索52 (一)化工领域应用探索52 (二)能源领域应用探索55 (三)通信领域应用探索56 (四)金融领域应用探索58 (五)科研领域应用探索59 五、光量子计算领域发展趋势展望61 图目录 图1二维簇态上通过测量量子比特执行量子计算过程14 图2由五个量子比特构成的一维链簇态来实现单比特旋转门15 图3在簇态上实现的最CNOT门16 图4使用概率预告门来制备簇态示意图17 图5使用RHG晶格可以实现通用容错的MBQC18 图6MBQC的关键器件19 图7量子基准测试电路20 图8玻色采样示意图26 图9“九章一号”原理图32 图10“九章二号”的玻色采样速率与先前工作的对比33 图11单量子设备玻色子采样实验装置示意图33 图12一维伊辛自旋链模型39 图13空间和光纤环混合架构的相干伊辛机装置图40 图14光量子计算产业视图41 表目录 表1量子信息处理中qubits和qumodes的比较6 表2离散变量和连续变量量子逻辑门的比较7 一、光量子计算概述 (一)光量子计算概念与优势 量子计算是一种利用量子系统的特性来执行计算的计算范式。量子系统中体现的信息遵循量子力学的规则。使用量子计算，可以更高效地求解特定的计算困难或复杂的问题，超过经典计算设备的能力。 量子计算的技术路线目前尚未收敛。构成量子比特的物理系统目前有很多类型，可以基于天然的二能级系统如捕获离子、中性原子等，也可以基于人工的二能级系统，如超导量子电路等。对光子的研究催生了量子力学，因此，学界对光子的量子效应研究也更为深入、透彻，利用光子来进行量子计算也成为了一个自然的选择。基于光子构建量子比特，并利用光子的量子效应进行计算的系 统，可通称为光量子计算。目前光量子计算系统是未来大规模通用量子计算机的有力竞争者之一。通常认为，光量子计算具有以下优势： 1）可在室温下运行：量子叠加、干涉、纠缠等特征量子现象可以在室温中观察到并设计成光量子现象。因此光子量子计算系统不需要低温超导环境，可在室温下运行。也无需大容量的稀释冰箱或超高真空设施。因此，与其他技术路线相比，光量子计算路线在能耗和运营成本方面优于以超导为代表的需要超低温环境的其他技术 路线，这也从侧面表明光量子技术路线的应用领域可能更加宽广。 2）抗干扰能力强、相干时间长：光子几乎不与其他微观粒子相互作用，与周边环境的相互作用也非常微弱，从而保持了整个量子计算过程中所需的相干性。因此光子量子计算可以保持比超导量子计算和几乎所有其他技术路线更长的相干时间、具有更强的抗噪声干扰能力。 3）便于构建量子网络：光量子可以实现长距离纠缠。如果未来需要构建一个量子计算机网络，则利用光子作为量子信息的载体对于连接性和模块化具有重要意义。同时，光子作为现有互联网络的信息载体的技术也相对较为成熟。 4）工程化技术较为成熟：光子学及光电信息的生产工艺、流程技术相对成熟，光量子计算器件可在现有半导体和光通信设备产线基础上进行升级量产，这大幅降低了光量子计算的商业化门槛。 光量子计算的缺点在于：光子之间以及光子与环境之间几乎不会相互作用，因此对于光子量子计算机而言，逻辑操作和可编程通用系统的实现难度较大。 综上所述，光量子计算近几年发展迅速，市场空间潜力巨大，国内外有众多企业投身在此方面的研究中。 (二)光量子计算分类 量子信息科学根据所采用的量子系统本征态具有分离谱或是连 续谱结构，划分为连续变量（continuousvariables,CV）与离散变量 （discretevariables,DV）两类。连续变量编码在无限维希尔伯特空间，而离散变量编码则在有限维希尔伯特空间。基于DV和CV系统的光量子信息处理各有优缺点，正处于并行发展的阶段。 1.连续变量光量子计算 基于连续变量的量子计算利用无限维希尔伯特空间中的量子态表示量子信息，这个无限维希尔伯特空间为量子计算提供了连续变量独有的计算模型。基于连续变量量子计算的核心挑战是实现一组通用的连续变量量子逻辑门，它们的组合可以对光学量子态进行任意的幺正变换。 基于光场的连续变量量子信息处理系统通常将信息编码到光场的正交分量，通过对其进行操控和测量，实现量子信息处理。光场的正交振幅和正交位相分量可以通过平衡零拍探测系统进行测量。连续 q 变量量子计算通常使用q̂的本征基[|s〉]作为计算基（q̂为电磁场量 s∈R 子化后的正交分量算符），并张成一个无限维希尔伯特空间。 量子逻辑门是实现量子计算的核心。连续变量量子逻辑门根据哈密顿量的不同，可分为高斯量子逻辑门和非高斯量子逻辑门。高斯量子逻辑门将输入的高斯态变换为另一个高斯态，例如平移操作、压缩操作、旋转操作、可控X操作、可控相位操作等。光学实验中，CZ门和CX门可以用线性光学和辅助压缩真空态实现。然而由于有限的 压缩，辅助压缩真空态会引入额外的误差。因此，通常使用分束器操作作为双模门。需要注意，高斯门的组合可以在Heisenberg表像中生成任何正交分量线性变换的高斯门。但是，这些门只提供高斯运算，因此不足以生成任意的幺正门。 非高斯量子逻辑门对应于离散量子计算所需要的非Clifford门。与qubit的Gottesman-Knill定理相应，研究表明，如果初始态、门和测量均为高斯的，则连续变量量子计算不能超过经典计算机。而在任意高斯操作的基础上，至少增加一个非高斯操作，即可实现通用量子 t̂n 计算。典型的非高斯门为幺正Ûn(t)=einq，自然数n≥3，t非线性相 互作用强度。幺正Û3(t)被称为立方相位门。经证明，任意幺正算子可以由高斯门和Û3(t)构成。量子计算的通用性，即由通用门集构成 的哈密顿量，可以以任意精度地逼近Ĥ。通用门集可以由一组有限的高斯门和一个非高斯门实现。 在光学系统中，很难实现三阶或更高阶的正交算子的哈密顿量。 Gottesman、Kitaev和Preskill提出了基于测量的立方相门的实现方案。方案中，将立方相位态作为一种实现立方相门的资源，其中理想的立 3 γ 方相位态定义为|γ〉=V̂(γ)|0〉p�∫dsei3s |s〉q。通过压缩真空态、分 束器耦合、位移操作和依赖于光子计数测量结果的自适应压缩操作可以近似制备态|γ〉。然而，使用该方案制备立方相门要求高的压缩度。因此，为了实验的可行性，使用叠加的Fock态来近似立方相位态。 在连续变量量子纠错中,玻色子码是常用的一种纠错码。玻色子 码将离散的量子信息编码到玻色子模式，它能够纠正由于环境损耗引入的误差,从而保护量子信息。连续变量量子纠错码有多种玻色子码,包括九波包编码、五波包编码、GKP（Gottesman-Kitaev-Preskill）码、纠缠辅助编码和量子擦除方案等。研究表明高斯误差是不能通过纯高斯操作来实现量子纠错。然而对于非高斯类型的误差，可以利用分束器网络的结构对输入模式进行编码，通过耦合适当的辅助模式来实现纠错。 实现大规模量子计算机需要硬件平台能够同时实现通用性、可扩展性和具有容错能力。作为满足这些要求的可行途径之一，基于光学系统的连续变量量子计算，近年来因其独特的优势和方法而受到越来越多的关注，经过多年的发展，已经实现了大尺度cluster态的实验制备和一系列高斯量子逻辑门，展现了连续变量量子计算的可行性。然而，面向可实用的大规模量子计算，仍有诸多挑战性问题需要解决，例如通用性、可扩展性以及容错性等方面。综上所述,连续变量光量子计算以其独特的优势为实现可扩展、通用和容错的量子计算机提供了一条可行途径，具有较为广阔的发展前景。 2.离散变量光量子计算 量子计算的主流方法是利用量子比特作为基本的量子信息单元，并将量子信息编码为两能级物理系统。在光子量子信息处理中，量子比特的信息通常编码在单个光子的几种自由度中，例如偏振、传播方 向（路径）等。基于离散变量的光量子计算，通常使用一个或多个模态属性（例如偏振）表示，这些属性从有限集合中取不同的值，通过对这些模态属性进行操作处理，最后进行测量。 2 基于离散变量的量子计算是基于一系列对量子比特(qubits)进行幺正变换的量子逻辑门（例如，X、Y、Z门，相位门，Hadamard门，CNOT门等），由这些量子逻辑门组成不同的网络执行不同的量子计算任务。在离散变量量子计算中，基本信息单元是qubits，量子态被写入正交向量的叠加[|j〉]用于对应不同的特征态，将其作为计算基矢实现量子信息处理，也即|𝜓〉=∑�𝑐�|𝑗〉，其中j是一个整数，用作有限集[|j〉]中向量的标签，𝑐�是复系数。系数𝑐�经过归一化，∑𝑖|