通信行业动态报告：量子计算光量子技术路线进展加速，未来大有可为

光量子是量子计算重要的技术路线之一，具有独特的竞争优势：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，在理论上能在特定领域实现指数级加速，因而是未来计算能力跨越式发展的重要方向。量子计算技术路线众多，当前多种技术路线并行发展尚无收敛趋势。可分为两大类，一是基于微观结构形成分立能级系统的“人造粒子”路线，如超导和硅半导体，二是直接操控微观粒子的天然粒子路线，如量子阱、光量子和中性原子。其中，光量子是重要的技术路线之一，其是基于量子叠加态和纠缠态原理，通过非线性光学效应产生纠缠光子对，再利用线性光学元件对光子进行操控以实现量子逻辑运算。相较于其他路线，光量子具备独特竞争优势。其支持室温工作，相干时间长，同时光子可以实现长距离纠缠，适合构建分布式量子计算网络。并且，光量子计算可以与现有的光纤通信基础设施兼容，不需要信号的转换就能够进行扩展。 光量子技术路线研究热度高，产业生态正逐步形成：根据中国信通院统计，截至2023年9月，量子计算硬件技术路线的专利申请数量方面，超导路线居首，占比达51%，光量子路线排名第二，占比达21%。根据量子信息网络产业联盟的划分，光量子计算产业包括底层支撑系统、光量子计算原型机、软件和应用服务等四个关键环节。光量子厂商发展模式大致可分为两类，一类是遵循软硬件协同的全栈式发展路线，代表厂商包括Xanadu、PsiQuantum、Quandela、图灵量子、玻色量子等，另一类是重点发展硬件处理器的设计封装。 当前国内外研究持续推进，光量子技术路线发展迎来加速：今年以来，以Xanadu、PsiQuantum等为代表的海外头部厂商在光量子技术路线上的进展显著。Xanadu方面，2025年1月宣布推出世界上第一台可扩展、网络化和模块化的量子计算机——Aurora。整体架构上Aurora包含四个独立的服务器机架，由模块化的光子芯片与光纤网络构成，包含35个光子芯片和13公里长的光纤。 展望未来，Xanadu计划于2029年建立量子数据中心，预计将部署数千台服务器，包含100万个量子比特。PsiQuantum方面，2025年2月，宣布推出专光量子计算芯片组Omega。国内方面，2023年10月，我国成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。此外，光量子计算设备领域的重要厂商玻色量子在2024年4月发布了其新一代550计算量子比特的相干光量子计算机——“天工量子大脑550W”。 投资建议：不仅仅是光量子技术路线，当前量子计算领域呈现多种技术路线并行发展趋势。我们认为，量子计算未来或有望颠覆经典计算架构成为解决AI算力瓶颈的颠覆性力量，建议持续聚焦量子计算领域的创新进展并建议关注国盾量子—量子计算机、禾信仪器—稀释制冷机等量子计算核心标的。同时，也建议关注电科网安、吉大正元、格尔软件、国芯科技、浙江东方、亨通光电、光迅科技等量子加密通信标的。 风险提示：量子计算整体发展不及预期，光量子技术路线发展不及预期，行业竞争加剧。 1量子计算领域，光量子是重要的技术路线之一 1.1量子计算技术路线众多，光量子路线其具备独特的竞争优势 量子计算与量子通信、量子精密测量，共同构成量子信息技术的三大领域。量子信息技术是通过调控和观测亚原子尺度的微观物理系统，利用量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等量子物理学现象，实现信息的感知、计算和传输。其中，量子计算的关注度正持续提升。当前传统半导体芯片的性能提升正逼近物理极限，而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，在理论上能在特定领域（如人工智能、量子模拟、密码学等）实现指数级加速，因而是未来计算能力跨越式发展的重要方向。 图1：量子计算发展生命周期示意图 当前，量子计算领域呈现多种技术路线并行发展阶段，尚无融合收敛趋势。其中，光量子是重要的技术路线之一。目前量子计算硬件的主要技术路线包括了：超导、光量子、离子阱、中性原子、硅半导体等。简单可划分为两大类，一是基于微观结构形成分立能级系统的“人造粒子”路线，如超导和硅半导体，二是直接操控微观粒子的天然粒子路线，如量子阱、光量子和中性原子。根据中国信通院的描述：1.光量子：利用光子作为信息载体，通过操控光子的量子态（如偏振、路线等）来编码量子比特，并执行计算任务。具体实现方式上，是基于量子叠加态和纠缠态原理，通过非线性光学效应产生纠缠光子对，再利用线性光学元件对光子进行操控，以实现量子逻辑运算。其可支持室温工作、相干时间长、操控简单。根据是否支持逻辑门和量子纠错等操作，可以进一步分为逻辑门型光量子计算和非逻辑门型光量子计算两类，前者是未来实现通用量子计算的发展方向，而非逻辑门型光量子计算，如玻色采样和相干伊辛系统等，可用于组合优化和图论问题求解等专用计算问题。 2.超导：基于超导约瑟夫森结形成二能级系统，在系统扩展性、操控速度、集成电路工艺兼容等方面有优势，近年来物理比特数量、逻辑门保真度等关键技术指标持续提升，是业界重点关注的技术路线。 3.离子阱：利用电荷与磁场间的交互作用力约束带电粒子，构建二能级系统。具有操控精度高、相干时间长、全连接性等优势，伴随囚禁离子数量、逻辑门保真度等关键指标不断提升，当前保持较强竞争力。 4.中性原子：利用光镊或光晶格捕获并囚禁原子，激光激发原子里德堡态实现逻辑门操作，在可扩展性、相干时间、操控精度等方面具有优势。 5.硅半导体：控制硅基衬底量子点中束缚电子或原子核的自旋量子态构建量子比特，具有与现代半导体先进制程工艺兼容等优势。 相较于其他技术路线，光量子路线具备独特的竞争优势。相较于超导等技术路线，光子的量子效应在室温下就能够实现，不需要低温冷却系统从而降低了运营成本。其次，光子与其他微观粒子的相互作用极弱，因而在量子计算过程中能保持较长的相干时间，减少环境噪声对量子态的干扰。再者，光子可以实现长距离纠缠，适合构建分布式量子计算网络。并且，光量子计算可以与现有的光纤通信基础设施兼容，不需要信号的转换就能够进行扩展。光量子路径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。 表1：量子计算各技术路线的优劣势 1.2光量子技术路线研究热度高，产业生态正逐步形成 光量子技术路线研究热度高，专利数量可观。根据中国信通院发布的《量子信息技术发展与应用研究报告（2023）》，截至2023年9月，在量子计算硬件技术路线的专利申请数量来看，超导路线保持领跑，其专利数量最多，占比达51%，光量子路线排名第二，专利数量占比达到了21%，中性原子、离子阱、硅半导体占比分别为14%、7%、7%。 图2：量子计算领域，各技术路线的专利数量占比（截至2023年9月） 当前全球光量子计算仍处于发展初期，相关产业生态正在开始逐步形成。根据量子信息网络产业联盟的划分，光量子计算产业包括底层支撑系统、光量子计算原型机、软件和应用服务等四个关键环节。当前光量子计算硬件设备供应商合软件开发商主要以国际公司为主，主要集中在美国、加拿大及欧洲等地，以加拿大的Xanadu和美国的PsiQuantum为代表，此外国内厂商也开始在产业生态中占据一席之地。光量子厂商发展模式大致可分为两类，一类是遵循软硬件协同的全栈式发展路线，代表厂商包括Xanadu、PsiQuantum、Quandela、图灵量子、玻色量子等，另一类是重点发展硬件处理器的设计封装，如Photonic InC、Wave Photonics等厂商。光量子软件方面，根据功能不同可大致分为光量子计算编译软件和光量子计算应用开发软件两大类，当前也整体处于架构探索和迭代发展的起步阶段。 图3：光量子计算产业各环节主要参与厂商 2当前国内外研究持续推进，光量子技术路线发展迎来加速 今年以来，以Xanadu、PsiQuantum等为代表的海外头部厂商在光量子技术路线上的进展显著。 2025年1月，海外头部厂商Xanadu宣布推出世界上第一台可扩展、网络化和模块化的量子计算机——Aurora。Xanadu将相关研究成果《Scaling and networking a modularphotonic quantum computer》发表于顶级期刊《Nature》上。对于Aurora模块化、网络化、可扩展的特点，其中模块化指的是Aurora由独立的服务器机架构成，可视作是独立的量子计算机，可扩展突出的是这种模块化设计使得后续扩展只需增加芯片数量，无需重构整体架构。网络化指的是Aurora中不同机柜之间是通过光纤实现连接并可支持扩展。展望未来，Xanadu计划于2029年建立量子数据中心，预计将部署数千台服务器，包含100万个量子比特。 图4：Aurora的机柜间采用光纤进行连接并支持无限扩展 整体架构上，Aurora包含四个独立的服务器机架，由模块化的光子芯片与光纤网络构成，包含35个光子芯片和13公里长的光纤。分为光源、精炼器、量子处理单元（QPU）三大模块，都在不同的光子集成电路（PIC）芯片上实现，这些芯片通过定制光纤延迟线模块互联，确保相位与偏振稳定性。具体来看，光源模块由42个GBS单元组成，精炼器由6个基于薄膜铌酸锂材料的光子集成电路（PIC）组成，每个PIC包含一个二叉树结构的自适应分束器网络，QPU模块由5个基于硅光子芯片的单元组成，每个单元能够处理12个量子模式。 Aurora的工作流程大致分为三个阶段： 1）高斯玻色子采样（GBS）阶段：首先通过高斯玻色采样（GBS）设备生成预报初始非高斯态，非高斯态是光子数分辨（PNR）探测器检测特定模式的光子数所触发的。输出状态通过光纤延迟线缓冲，等待后续处理。 2）精炼（Refinery）阶段：这些非高斯态被送入“精炼器”（refinery），通过多路复用和繁殖操作，生成高质量的GKP态。精炼器利用自适应分束器和零差检测器，将多个输入态选择性地合并，生成纠缠的GKP贝尔对。 3）量子处理单元（QPU）阶段：这些贝尔对被送入量子处理单元（QPU），通过静态分束器和零差检测器，将它们编织成时空簇态。通过在每个时间步长对簇态的每个节点进行测量，并将测量结果反馈到经典解码器，系统能够实时调整后续测量的基，从而实现容错量子计算。 图5：Xanadu的Aurora系统和主要模块示意图 图6：Xanadu公司目前的投资方 2025年2月，海外头部厂商PsiQuantum宣布推出光量子计算芯片组Omega。PsiQuantum将相关成果《A manufacturable platform for photonic quantum computing》发表于顶级期刊《Nature》上。该芯片组专门为大规模的百万量子比特量子计算机设计。该芯片组由PsiQuantum设计，芯片制造商GlobalFoundries制造，该芯片组可以实现99.98%的单量子比特状态制备和测量保真度，99.5%的双光子干涉可见度，以及99.72%的芯片间量子态传输保真度。 整体结构上，关键模块包括光子源、光子检测、干涉仪和滤波器等部分。值得一提的是，PsiQuantum多年来持续聚焦使用半导体标准制造工艺在硅芯片上构建量子计算机的关键部件。2021年，PsiQuantum即宣布与美国晶圆厂商GlobalFoundries深度合作，共同完成基于硅光子的集成量子系统的研发。 图7：Omega的结构示意图 图8：PsiQuantum的政府合作伙伴及投资者 国内方面，2023年10月，我国成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。该项工作由中国科大的潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作完成。前期分别于2020年和2021年，中国科大团队