NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）評(píng)估這些量子計(jì)算機(jī)的性能，成為了一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目錄前言 1縮略語(yǔ) 2量子計(jì)算研究進(jìn)展 2超導(dǎo)量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 3光量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 8離子阱量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 9中性原子量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 16量子計(jì)算性能評(píng)估研究進(jìn)展 19超導(dǎo)量子計(jì)算體系 20超導(dǎo)量子計(jì)算概述 20超導(dǎo)量子計(jì)算的基本原理 20超導(dǎo)量子計(jì)算的優(yōu)劣勢(shì)分析 22模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo) 23模塊分類(lèi) 23量子處理器 24低溫低噪聲平臺(tái) 27測(cè)控系統(tǒng) 30模塊指標(biāo)小結(jié) 31光量子計(jì)算體系 32光量子計(jì)算概述 32光量子計(jì)算的基本原理 32光量子計(jì)算的優(yōu)劣勢(shì)分析 34模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo) 36模塊分類(lèi) 36量子光源模塊指標(biāo) 36光量子線(xiàn)路模塊指標(biāo) 37單光子探測(cè)器模塊指標(biāo) 37模塊指標(biāo)小結(jié) 38離子阱量子計(jì)算體系 40離子阱量子計(jì)算概述 40離子量子計(jì)算的基本原理 40離子阱量子計(jì)算的優(yōu)劣勢(shì)分析 42模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo) 43模塊分類(lèi) 43光源模塊 44光控模塊 46電控模塊 48真空囚禁模塊 51模塊指標(biāo)小結(jié) 52中性原子量子計(jì)算體系 55中性原子量子計(jì)算概述 55中性原子量子計(jì)算的基本原理 56中性原子量子計(jì)算優(yōu)劣勢(shì)分析 58模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo) 59模塊分類(lèi) 59激光光源系統(tǒng) 60激光調(diào)制系統(tǒng) 61核心物理系統(tǒng) 62控制系統(tǒng) 63模塊指標(biāo)小結(jié) 64不同體系量子計(jì)算評(píng)估技術(shù) 65基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo) 65綜合性能指標(biāo) 69應(yīng)用性能指標(biāo) 72總結(jié)與展望 76主要研究結(jié)論 76未來(lái)工作建議 76參考文獻(xiàn) 77前言NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）卻是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。盡管性能評(píng)估對(duì)于指導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化計(jì)算技術(shù)的健康發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。同維度來(lái)評(píng)估和比較量子計(jì)算機(jī)的性能。這種多維度的評(píng)估方法能夠更全面地反映量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際性能，為量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化提供指導(dǎo)。本研究報(bào)告共分為9章，相關(guān)章節(jié)內(nèi)容安排如下：第1章：前言。介紹了本報(bào)告研究的背景以及主要研究?jī)?nèi)容。第2章：縮略語(yǔ)。第3章：對(duì)量子計(jì)算的基本概念、原理及不同物理體系下量子計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。第4章：超導(dǎo)量子計(jì)算體系。分析超導(dǎo)量子計(jì)算的架構(gòu)和模塊組成，研究模塊級(jí)指標(biāo)。第5章：光量子計(jì)算體系。分析光量子計(jì)算的架構(gòu)和模塊組成，研究模塊級(jí)指標(biāo)。第6章：離子阱量子計(jì)算體系。分析離子阱量子計(jì)算的架構(gòu)和模塊組成，研究模塊級(jí)指標(biāo)。第7研究模塊級(jí)指標(biāo)。第8章：不同體系量子計(jì)算評(píng)估技術(shù)。研究不同體系量子計(jì)算機(jī)之間比較的共性技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法。第9章：總結(jié)與展望。總結(jié)本報(bào)告研究的主要觀點(diǎn)與結(jié)論，以及對(duì)于未來(lái)工作提出建議。縮略語(yǔ)下列縮略語(yǔ)適用于本研究報(bào)告。QC：量子計(jì)算（QuantumComputing）SQC：超導(dǎo)量子計(jì)算（SuperconductingQuantumComputing）OQC：光量子計(jì)算（OpticalQuantumComputing）ITQS：離子阱量子計(jì)算（Ion-TrapQuantumComputing）SFQ：?jiǎn)未磐孔樱⊿uperconductingFluxQuantum）NISQ：含噪聲的中等規(guī)模量子（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）TSP：旅行商問(wèn)題（TravelingSalesmanProblem）VQE：變分量子本征求解器（VariationalQuantumEigensolver）F-VQE：可行的變分量子本征求解器（FeasibleVariationalQuantumEigensolver）量子計(jì)算研究進(jìn)展的經(jīng)典計(jì)算有著本質(zhì)的區(qū)別，主要體現(xiàn)在量子比特（qubits）0和1任務(wù)時(shí)展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。新材料的性質(zhì)，幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)具有特定性能的新材料。超導(dǎo)量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化超導(dǎo)量子比特主要基于約瑟夫森結(jié)，最早由日本的Nakamura等人于1999年合狀態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)觀察到了超導(dǎo)兩能級(jí)系統(tǒng)與單個(gè)微波光子的相干相互作用。2006年，Steffen等人實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量完成超導(dǎo)量子比特的量子態(tài)層析。2016年，IBM公司首次在網(wǎng)絡(luò)上云端上線(xiàn)5比特量子計(jì)算機(jī)。同年，來(lái)自Google公司的Martinis小組發(fā)文宣布使用9比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng)成功仿真了一個(gè)氫原子。次年2017IBM分別宣稱(chēng)將一個(gè)超導(dǎo)量子芯片所集成的比特?cái)?shù)提升到了17了l0201812比特真實(shí)糾纏實(shí)驗(yàn)以及12CES(InternationalConsumerElectronicsShow)展會(huì)上，英特爾公司展示了49比特的超導(dǎo)量子芯片。谷歌緊隨其后于2018年3月份發(fā)布了名為Brislecone的722019200秒左右的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了100萬(wàn)個(gè)樣本，而當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)大約需要1萬(wàn)年的時(shí)間才能完成這一任務(wù)。雖然隨后經(jīng)典模擬算法的改進(jìn)，谷歌的量子優(yōu)越性不斷受到挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，但這是超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑。2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)“量子隨機(jī)線(xiàn)路取樣”“祖沖之二號(hào)”處理的量子隨機(jī)線(xiàn)路取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開(kāi)報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)（“懸鈴木”處理“量子隨機(jī)線(xiàn)路取樣”問(wèn)題比經(jīng)典超算快2個(gè)數(shù)量級(jí)），這一成果是我國(guó)繼光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑，使得我國(guó)成為目前唯一同時(shí)在兩種物理體系都達(dá)到這一里程碑的國(guó)家。2018年借助超導(dǎo)量子比80cm的比特之間實(shí)現(xiàn)了80%保真度的態(tài)傳輸和糾纏態(tài)制2020年，Wallraff等人將兩個(gè)相距5米的稀釋制冷機(jī)改造并將低溫區(qū)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了在不同制冷機(jī)的兩個(gè)芯片之間實(shí)現(xiàn)了85%2021年來(lái)自芝加哥大學(xué)的Cleland和鐘有鵬等人用1米長(zhǎng)的鈮鈦線(xiàn)將兩個(gè)獨(dú)立封裝的超導(dǎo)量子芯片連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)了三比特2023年來(lái)自南方科技大學(xué)的鐘有鵬課題組將夸芯片態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑忍嵘?9%以上，達(dá)到了單芯片水平，并實(shí)現(xiàn)了跨3個(gè)芯片的的12比特可用資源規(guī)模。2009DiCarlo等人通過(guò)兩比特超導(dǎo)處理器演示了Grover搜索算法和Deutsch-Jozsa量子算法。同年，等人制備了915的質(zhì)因數(shù)分解。2020年，谷歌成功用126-10果為40.2（隙2022大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式展26成的一維鏈，在約240層量子線(xiàn)路演化過(guò)程中觀測(cè)到時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性只在系統(tǒng)邊（鏈的兩端2023團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了51特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至512024VQE算法擴(kuò)展到了12級(jí)的誤差抑制。同年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)利用基于自主研發(fā)的工規(guī)范場(chǎng)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。201220192022Zuchongzhi2.1超導(dǎo)量子處理器上實(shí)驗(yàn)演示了17個(gè)量子比特組成的距離為320233的表面碼，經(jīng)過(guò)25輪糾錯(cuò)后，錯(cuò)誤率由3.0%降低值2.9%。同年，805微秒，超過(guò)了該系統(tǒng)中不糾錯(cuò)情況下最好（694微秒16%團(tuán)隊(duì)提出“錯(cuò)誤緩解”68國(guó)際上超導(dǎo)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)公司以IBM一直在IBM分別于20192020202120222023年發(fā)布了276512743311212026IBM非常注重產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，其發(fā)布的Qiskit是全球應(yīng)用最廣泛的開(kāi)源量子計(jì)算軟件框架，它IBMQiskit提供了一套豐富的工具和庫(kù)，支持量子編程、量子信息科學(xué)教育以及量子IBM建立了量子計(jì)算20在云端進(jìn)行量子算法的測(cè)試和開(kāi)發(fā)，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。與IBM70比特，在量子糾錯(cuò)、量子算法應(yīng)用等方面成果豐富。盾量子技術(shù)股份有限公司成立于20092015云平臺(tái)服務(wù)，接入了“祖沖之號(hào)”同款176比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。176全球訪(fǎng)問(wèn)量已突破1000本源量子20172024年1月6光量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化某些特定的問(wèn)題上量子計(jì)算機(jī)相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有優(yōu)越性，例如Shor數(shù)分解問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的速度提升；Grover算法在搜索問(wèn)題上得到了的加二個(gè)階段，可以實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。2017單光子源效率～24.7%,干涉儀使用時(shí)間編碼，每個(gè)光纖環(huán)效率～83.4%,單光子探測(cè)效率～52%。2017年王輝等人使用空間編碼干涉儀，效率為～99%實(shí)現(xiàn)了五光子玻色采樣，同時(shí)計(jì)劃將單光子源效率提高到74%。2019年王輝等人使用探測(cè)效率為60%～82%的單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了20光子玻色采樣,向著量子優(yōu)越Lund等人提出了散射玻色采樣。即用??2個(gè)單光子源，記錄輸出??個(gè)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(gè)光子，輸出??個(gè)光子，其中??個(gè)光子被損失的玻色采樣。鐘翰森等人[7]用SPDC改進(jìn)，成功率從指數(shù)下降變?yōu)榫€(xiàn)性下降，但擴(kuò)展性依然存在問(wèn)題。2020IPS20212022Xanadu公司實(shí)現(xiàn)了216量子計(jì)算原型機(jī)。2023年，中科大聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)布了255光子的“九章三號(hào)”光量子計(jì)算原型機(jī)，進(jìn)一步提升了高斯玻色采樣速度和量子優(yōu)越性。人員在實(shí)驗(yàn)中使用了超過(guò)20萬(wàn)個(gè)80使用當(dāng)前最優(yōu)經(jīng)典算法精確模擬該實(shí)驗(yàn)的速率快約1.8億倍。在商業(yè)應(yīng)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(jī)域展示出實(shí)用價(jià)值。在光量子云平臺(tái)研究方面，加拿大Xanadu公司推出了Xanaduquantumcloud，國(guó)內(nèi)圖靈量子也推出圖靈SoftQubit云平臺(tái)。Quandela公司專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)用于量子計(jì)算和PsiQuantum量QuantumOpus,荷蘭SingleQuantum,俄羅斯離子阱量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化空間維度qubitqudit不同于qubit2022年因斯布魯克大學(xué)的Blatt組和AQT公司聯(lián)合發(fā)布了具備8個(gè)離子的qudit系統(tǒng)，并在此qudit在離子阱系統(tǒng)中增加量子比特?cái)?shù)量主要由三種路徑：量子電荷耦合架構(gòu)（QCCD:Quantumcharged-coupledevice）,光量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和單個(gè)離子阱系統(tǒng)中囚禁高維離子晶體。的Wineland等人提出了QCCD2021年，Quantinuum公司實(shí)現(xiàn)了QCCDQuantinuumH299.84%Oxford在近期實(shí)現(xiàn)了全微波操控的QCCD且即使在微波操控下也做到了120us算的重大突破。QCCDQCCD2020年牛津大學(xué)的Lucas組實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立離子阱系統(tǒng)之間的離子糾纏態(tài)制備,并且將不同種類(lèi)離子之間的邏輯門(mén)保真度提升到99.8%，突破了容錯(cuò)閾值;2023年因斯布魯克大學(xué)的Blatt組實(shí)現(xiàn)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(xué)的Monroe組首次實(shí)現(xiàn)了以time-bin編碼的光子作為媒介遠(yuǎn)程糾纏兩個(gè)離子，糾纏保真度達(dá)到了近期還以光子為媒介以高達(dá)250Hz的糾纏速率和94%的保真度實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)離子（同一離子阱中）之間的糾纏。QCCDRoos中實(shí)現(xiàn)了包含105離子的二維晶格的穩(wěn)定囚禁。2024年，清華大學(xué)段路明組在基于4K低溫系統(tǒng)的一體化阱中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)500個(gè)離子的穩(wěn)定囚禁，并用300個(gè)離子實(shí)現(xiàn)了伊辛模型的量子模擬。時(shí)間維度可能多的量子操作。實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1小時(shí)的相干時(shí)長(zhǎng)。離子阱量子計(jì)算的一大缺點(diǎn)是雙量子比特邏輯門(mén)和段路明等人提出了使用脈沖激光激（spin-dependentkick,來(lái)實(shí)現(xiàn)超快邏輯門(mén)的方案,Steane等人則提出了脈沖調(diào)制（pulseshaping）的邏輯門(mén)方案。2017年馬里蘭大學(xué)的Morone組利用SDK方案實(shí)現(xiàn)了雙比特邏輯門(mén)，邏輯門(mén)耗時(shí)18.5μs;2018年牛津大學(xué)的Lucas組采用脈沖調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了耗時(shí)1.6μs的雙比特邏輯門(mén)，保真度高達(dá)99.8%。由此，離子阱系統(tǒng)中相干時(shí)間與門(mén)操作時(shí)間的比值達(dá)到109量級(jí)。線(xiàn)路使得錯(cuò)誤不擴(kuò)散，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的量子計(jì)算。雖然Cirac和Zoller（CNOT門(mén)的方法，但該方法要求離子處于聲子模基態(tài),對(duì)環(huán)境影響較為敏感。1999年M?lmer和S?rensen提出的MS糾纏門(mén)，以及2003年Leibfried在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的光頻移門(mén)擺脫2006一方法，馬里蘭離子阱組首先構(gòu)建了5離子量子比特可編程量子計(jì)算機(jī)，隨后又IonQForte,已實(shí)現(xiàn)了在35離子鏈中平均單比特邏輯門(mén)保真度門(mén)保真度99.6%Quantinuum公司最新的H2計(jì)算通過(guò)對(duì)量子線(xiàn)路的優(yōu)化，可以防止錯(cuò)誤的擴(kuò)散。在離子阱系統(tǒng)中，NIST的Wineland組于2004年在3離子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)單比特相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的糾正；2011年，因斯布魯克大學(xué)的Blatt組在3離子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多輪糾錯(cuò)；2021年IonQ公司和馬里蘭大學(xué)的Monroe組在13離子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特的容錯(cuò)操作；2021年Quantinuum公司實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的容錯(cuò)的量子糾錯(cuò)；年因斯布魯克大學(xué)的Blatt組實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)的全套通用量子比特門(mén)，這其中包含兩個(gè)邏輯比特之間的CNOT門(mén)和對(duì)通用量子計(jì)算來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的單比特T門(mén)。2022年Quantinuum公司2024Microsoft合作基于QCCD方案的離子阱芯片分別實(shí)現(xiàn)了[7,1,3]和[12,2,4]4個(gè)邏輯量子比特的GHZ態(tài)，保真度為99.5±0.15%≤F≤99.7±0.1%也是量子計(jì)算領(lǐng)域第一次高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)基于邏輯比特的量子操控。體積達(dá)到220,300將從NISQ時(shí)代算法和FTQC時(shí)代算法兩個(gè)方面來(lái)介紹離子阱量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用演示進(jìn)展。目前在NSQ（A一種經(jīng)典-量子混合算法。2020年，Duke大學(xué)和IONQ量子本征解(VQE)11子比特參與計(jì)算，最高進(jìn)行了178次雙比特邏輯門(mén)操作；在沒(méi)有任何誤差緩解技化學(xué)計(jì)算場(chǎng)景中的巨大潛力。在金融領(lǐng)域方面，等人利用Innsbruck證明在同樣的計(jì)算成本下量子計(jì)算產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)誤差比經(jīng)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(tài)的量子算法，并應(yīng)用于金融風(fēng)險(xiǎn)管理和衍生品定價(jià)中，經(jīng)過(guò)IONQ公司離子量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，其量子計(jì)算給出的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算。在生物制藥方面，Quantinuum利用離子量子計(jì)算機(jī)在NISQ時(shí)代，通過(guò)運(yùn)行量子變分算法實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用是一種常見(jiàn)的Monroe等人在具有40個(gè)量子比特的離子量子計(jì)算系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了一種低深度量子近似優(yōu)化算法(QAOA)，估計(jì)了ising模型的基態(tài)，是目ansatz，放棄傳統(tǒng)的兩比特門(mén)，利用了所有離子之間可編程的單量子比特旋轉(zhuǎn)和全局自旋-自旋相互1994年，PeterShor在理論上提出了利用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)質(zhì)因數(shù)分解和求解離有能力幫助人類(lèi)實(shí)現(xiàn)RSANP-hard要量子邏輯門(mén)錯(cuò)誤率低，相干時(shí)間長(zhǎng)。Preskill將含噪中等量子(NISQ)計(jì)算機(jī)定義為大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)(FTQC)道路上的中間一環(huán)。因此，在探索NISQ量子究者最為關(guān)心的課題。2024年4Quantinuum和Microsoft合作發(fā)布了量子糾錯(cuò)的最新進(jìn)展，他們基于QCCD方案的離子阱芯片分別實(shí)現(xiàn)了[7,1,3]和[12,2,4]子量子計(jì)算機(jī)中構(gòu)建了基于4個(gè)邏輯量子比特的GHZ態(tài)，保真度為99.5±0.15%≤F≤99.7±0.1%，超越了盈虧平衡點(diǎn)，也是量子計(jì)算領(lǐng)域第一次高質(zhì)量SimonBurton通過(guò)genonsQuantinuum在離子量子計(jì)算機(jī)中將量子態(tài)隱形傳態(tài)目前離子阱量子計(jì)算公司主要有美國(guó)的IonQ、Quantinuum,歐洲的AQT、InfineonOxfordIonicsUniversalQuantum,Quantinuum和IonQIonQ成立于201520219個(gè)算法量子比特的Harmony20個(gè)算法量子比特的Aria、和35個(gè)算法量子比特的ForteIonQ2比特問(wèn)題，并在IonQ的離子阱量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，顯示了利用NISQ機(jī)器去模擬更大規(guī)模分子的潛力；2022年IonQD.等人研究了如（QuantumcircuitBornmachine）模擬3變量和4變量copulas,IonQ的離子阱量子Quantinuum是由Honeywellquantumsolutions和Cambridgequantumcomputing合并成立，其硬件性能和配套軟件水平均處于世界前列。迄已經(jīng)發(fā)布了220比特的H1,其平均雙比特門(mén)保真度已經(jīng)突破99.8%，量子體積218。基于優(yōu)異的硬件和合作者們近期在量子糾纏和容錯(cuò)量子計(jì)算方面取得了重大進(jìn)GHZ態(tài)，其保真度介于99.5%至99.7%之間，超過(guò)相應(yīng)物理比特的保真度，是量子計(jì)算領(lǐng)域第一次高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)基于邏輯比特的量子操控。除此之外，Quantinuum還發(fā)布了首個(gè)基于量子計(jì)算機(jī)的密鑰生成平臺(tái)Quantumorigin以及量子計(jì)算化學(xué)平臺(tái)QuantumInQuantoQuantumorigin的核心是利用（如RSAAES等PrueVPNFujitsuInQuanto是量子計(jì)算化學(xué)軟件平臺(tái)，繼承了VQE等各類(lèi)算法，已經(jīng)產(chǎn)生相當(dāng)豐富的應(yīng)用案例。例如2023年QuantinuumQuantinuumAI中性原子量子計(jì)算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化等。|0?態(tài)或|1?99.9%本量子門(mén)操作時(shí)間的104（例如受控非門(mén)99.995%。美國(guó)Lukin團(tuán)隊(duì)和法國(guó)Browaeys團(tuán)隊(duì)發(fā)展了原子陣列確定性制備技術(shù)，將原子陣列的規(guī)模提升到200個(gè)以上；美國(guó)Saffman團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于聲光偏轉(zhuǎn)器的二維原子量子比特陣列中單比特門(mén)、兩比特門(mén)獨(dú)立尋址技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包含6個(gè)量子比特的量子線(xiàn)路演示。中科院精測(cè)院詹明生團(tuán)隊(duì)利用“原子自旋與原子相對(duì)運(yùn)動(dòng)波函數(shù)耦合”2022受控位相門(mén)保真度提高到了0.98Lukin教授團(tuán)隊(duì)同樣基于單脈沖方法，將兩比特門(mén)操控保真度提高到0.995，達(dá)到了容錯(cuò)閾值要求。開(kāi)發(fā)并展示出了原子體系的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如：法國(guó)Browaeys團(tuán)隊(duì)利用光鑷陣列制備出了3Lukin控的量子比特連接等。應(yīng)用研究方面，不斷開(kāi)拓原子量子計(jì)算的應(yīng)用范圍，在組合優(yōu)化問(wèn)題和量子模擬領(lǐng)域都取得多項(xiàng)進(jìn)展。AhnQUBO問(wèn)題的求解，Lukin289個(gè)原子系統(tǒng)的最大獨(dú)立優(yōu)化問(wèn)題當(dāng)中的遠(yuǎn)程相互作用，有許多研究小組提出了相應(yīng)的解決方法。基于DwaveAhn小組提出了里德堡原子線(xiàn)方案，在不需要本李曉鵬團(tuán)隊(duì)提出一種3維編碼的方法可以用來(lái)求解Ising/QuBo問(wèn)題。美國(guó)的Lukin小組提出了一種通用的編程架構(gòu)可以用來(lái)在里德堡原子系統(tǒng)中求解最大獨(dú)Lechner小組Lechner–Hauke–Zoller(LHZ)模型提出了宇稱(chēng)編碼方法，同樣可以將遠(yuǎn)程相互作用轉(zhuǎn)化為局域場(chǎng)作用。Lukin（kegodicitybrkingBrowaeysManuel60糾纏的方法，并展示了量子系統(tǒng)和經(jīng)典系統(tǒng)之間不斷發(fā)展的鴻溝。目前國(guó)際上已有6家初創(chuàng)公司以原子量子計(jì)算為題材，獲得了千萬(wàn)量級(jí)的融QuEraColdQuantaAtomComputingPASQALQuEra公司推出了提供線(xiàn)上服務(wù)的AquilaComputing公司在其100+量子比特的Phoenix量子10Phoenix的壽命T2為40±7時(shí)商業(yè)平臺(tái)上有史以來(lái)最長(zhǎng)的相干時(shí)間，而弛豫時(shí)間T1幾乎是無(wú)限的。法國(guó)的PASQAL公司利用中性原子模擬量子計(jì)算在藥物發(fā)現(xiàn)中進(jìn)行溶劑構(gòu)型預(yù)測(cè)。量子計(jì)算性能評(píng)估研究進(jìn)展其測(cè)試床Testbed基于離子阱QSCOUT美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）推出量子基準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目（Quantum2022-軟件-用的角度劃分5橫向維度從規(guī)模、質(zhì)量、速度等3方面進(jìn)行劃分。總體架構(gòu)如下圖所示。圖1中國(guó)信通院提出的量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)體系架構(gòu)超導(dǎo)量子計(jì)算體系超導(dǎo)量子計(jì)算概述對(duì)被凝固在基態(tài)，使得材料表現(xiàn)出宏觀量子特性，如磁通量子化。用超導(dǎo)材料制備的電感電容等非耗散器件構(gòu)成的LC學(xué)腔類(lèi)似，是一個(gè)諧振子量子系統(tǒng)，可以應(yīng)用于量子信息處理。量子（SFQ）超導(dǎo)電子學(xué)和超導(dǎo)量子比特的最核心器件。約瑟夫森結(jié)的電學(xué)特性等效于一個(gè)電感強(qiáng)度隨著流過(guò)的電流大小而變化的非線(xiàn)性電感。利用超導(dǎo)材料制備的電感電容等非耗散器件構(gòu)成的LC諧振子量子系統(tǒng)滿(mǎn)足方便LCLCLCLC子調(diào)控和讀取，構(gòu)建一個(gè)超導(dǎo)量子比特。比特、磁通量子比特和相位量子比特，還有基于基礎(chǔ)類(lèi)型演化出的Quantronium比特、Transmon比特以及Fluxonium比特等。超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)上需要兼顧相干控制線(xiàn)路，這往往會(huì)引入更多的噪聲源導(dǎo)致比特相干性能下降，F(xiàn)luxoniumTransmon干性能、調(diào)控靈活性、可擴(kuò)展性等方面比較均衡的設(shè)計(jì)上。自1999年日本NEC的Y.Nakamura和J.S.Tsai第一次在電荷超導(dǎo)量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算下一步的核心目標(biāo)是在提升比特操控保真度的同時(shí)不斷拓展集成的比特?cái)?shù)量，通過(guò)可擴(kuò)展的糾錯(cuò)算法實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特，并在此基礎(chǔ)上解決超導(dǎo)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)：極高的設(shè)計(jì)自由度展性。兼容半導(dǎo)體芯片工藝CMOS非常有優(yōu)勢(shì)。調(diào)控采用微波電子學(xué)設(shè)備超導(dǎo)量子比特能級(jí)差通常對(duì)應(yīng)頻率約為5GHz，調(diào)控用微波電子學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。微波電子學(xué)設(shè)備技術(shù)成熟且成本低廉，很容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成和定制化功能。并行操作對(duì)所有比特全并行操作。量子門(mén)時(shí)間短30秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)，甚至可以短于10納秒。超導(dǎo)量子計(jì)算劣勢(shì)：工作在極低溫環(huán)境超導(dǎo)量子比特能級(jí)差對(duì)應(yīng)250mK般工作溫度低于30mK。穩(wěn)定維持如此低的溫度需要昂貴的制冷設(shè)備，目前主要噪聲擾動(dòng)情況復(fù)雜度的量子門(mén)操作是很大的挑戰(zhàn)。不是理想二能級(jí)系統(tǒng)一致性差模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo)模塊分類(lèi)系統(tǒng)。如下圖所示：圖2超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)模塊示意圖量子處理器的最重要構(gòu)成組件是量子比特，每個(gè)量子比特可以編碼信息|0>和|1>的任意疊加態(tài)。比特通過(guò)芯片上控制線(xiàn)路扇出連接到低溫平臺(tái)的控制線(xiàn)纜動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。以上控制脈沖通過(guò)電容或電感的方式耦合到比特。率越高。|0>和|1>位上，通過(guò)ADC采樣和解模等后期數(shù)據(jù)處理方法可以判斷量子比特處在|0>還是|1>數(shù)十mK導(dǎo)電路，在設(shè)計(jì)和工藝上和超導(dǎo)量子處理器有很好的兼容性。比特?cái)?shù)N比特相干時(shí)間尺度T1T1TφTφe信息處理的時(shí)間越長(zhǎng)，因此是量子處理器的重要指標(biāo)。（spinT1相對(duì)TφT1微秒，最高可以做到數(shù)百微秒。（Two-Level導(dǎo)量子芯片時(shí)，管理和減少TLS的影響是至關(guān)重要的。比特連通性量子處理器的物理架構(gòu)決定，值應(yīng)該至少為1，否則比特?zé)o法和任何比特產(chǎn)生糾見(jiàn)的連通性一般為2-4，采用盡可能高的連通性架構(gòu)將大大提高量子算法和應(yīng)用的運(yùn)行效率。在量子糾錯(cuò)中，更高的連通性也可以使比特所需總數(shù)量降低。可操控性每個(gè)比特均可控制；所有比特可支持并行操控，微波控制串?dāng)_<-30dB,平均<-40dB；偏置控制串?dāng)_<-30dB,平均<-40dB；每個(gè)比特均可進(jìn)行讀取；比特頻率可調(diào)節(jié)范圍，典型值為3GHz到5GHz；量子耦合強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍，典型值為+5MHz到-30MHz；器件良品率良品率為可正常工作比特?cái)?shù)和設(shè)計(jì)比特?cái)?shù)的比值。目前業(yè)界100比特規(guī)模超導(dǎo)量子處理器良品率可達(dá)≥98%。參數(shù)一致性性能的重要指標(biāo)。主要由以下幾方面的指標(biāo)：（最高信號(hào)變?nèi)醯龋环侵C性偏離設(shè)計(jì)值的大小；量子耦合強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍一致性。偏離較大將導(dǎo)致多比特量子調(diào)控困難；精度下降；讀取頻率偏離設(shè)計(jì)值的大小。偏離較大將導(dǎo)致讀取困難；干性能造成影響；讀取腔光子數(shù)衰減速率。偏離較大將導(dǎo)致讀取速度變慢；耐久性（小于等于20mK）,再升溫到室溫為一次冷熱循環(huán)，這個(gè)過(guò)程可能導(dǎo)致量子處理器結(jié)構(gòu)損壞。量子放大器性能量子放大器是決定讀取信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，包含以下關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)：增益：量子放大器對(duì)比特讀取信號(hào)的放大的增益，典型值為15dB到20dB特讀取信號(hào)通道數(shù)越多，典型值為300MHz-1GHz。信號(hào)數(shù)越多，典型值:飽和功率≥-110dBm;放大頻率范圍：可放大的信號(hào)頻率范圍，典型值為4GHz到7GHz；此外超導(dǎo)量子比特的激發(fā)能量對(duì)應(yīng)到熱擾動(dòng)的溫度約為件。制冷機(jī)目前，能夠穩(wěn)定提供數(shù)十mK極低溫的制冷機(jī)只有稀釋制冷機(jī)。對(duì)制冷機(jī)的指標(biāo)參數(shù)如下：最低溫度：制冷機(jī)可達(dá)到的最低溫度，典型值≤10mK；（深度量子線(xiàn)路）時(shí)的穩(wěn)定溫度，典型值≤30mK；要標(biāo)定處理器芯片的電子溫度。處理器芯片的電子溫度可以通過(guò)比特的|1>態(tài)熱激發(fā)率標(biāo)定，典型值為50mK，電子溫度越低，說(shuō)明系統(tǒng)性能越好。制冷功率：100mK制冷功率，，即在溫度為100mK時(shí)的制冷功率，典型值400μW。降溫時(shí)間：從室溫（300K）降溫至工作溫度（10mK）所需時(shí)長(zhǎng)，典型值≤30小時(shí)。整機(jī)功率：支持整機(jī)運(yùn)行所需電功率，典型值≤32kW。持續(xù)運(yùn)行時(shí)間：極低溫平臺(tái)可持續(xù)維持極低溫運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)，典型值＞1年。屏蔽組件屏蔽和電磁屏蔽。通以及使用主動(dòng)減震系統(tǒng)消除震動(dòng)等方式。20nT。微波傳輸組件超導(dǎo)量子處理器工作在數(shù)十mK溫區(qū)，而目前主流的控制設(shè)備均基于室溫電主要指標(biāo)參數(shù)有：控制電纜數(shù)量：控制電纜數(shù)量決定系統(tǒng)可控制比特和耦合器的數(shù)量，典型值＞200；余拖尾，指數(shù)衰減的幅度相對(duì)方波幅度比值為畸變幅度（α）典型值＜500ns畸變需要在控制層進(jìn)行補(bǔ)償修正。統(tǒng)保證足夠低的微波脈沖反射也是很重要的指標(biāo)。測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控硬件系統(tǒng)主要包括高速DACADC采集、解模并做量子態(tài)判別，實(shí)現(xiàn)反饋控制流程。測(cè)控硬件系統(tǒng)主要指標(biāo)有：控制波形脈沖DAC采樣率。控制波形脈沖輸出帶寬。控制波形脈沖DAC幅度精度。值）。讀取數(shù)據(jù)采集ADC采樣率。讀取采集信號(hào)帶寬。讀取數(shù)據(jù)采集ADC幅度精度。通道同步：多通道同步控制，通道間時(shí)同步偏差小于1納秒。量子反饋延時(shí)。典型值＜1微秒。通道數(shù)量，典型值＞200。測(cè)控軟件系統(tǒng)主要指標(biāo)有：控制規(guī)模：可控制系統(tǒng)規(guī)模，典型值≥100比特的超導(dǎo)量子處理器。軟件延時(shí)：量子程序運(yùn)行流程中，除硬件運(yùn)行時(shí)間外，軟件加載配置，CMOSK決方案。目前這種方案已經(jīng)得到小規(guī)模驗(yàn)證。表所示。表格1超導(dǎo)量子計(jì)算體系模塊指標(biāo)小結(jié)模塊指標(biāo)數(shù)值及描述量子處理器比特?cái)?shù)目前最大規(guī)模的量子處理器比特?cái)?shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)百比特比特相干時(shí)間做到數(shù)百微秒比特連通性表征一個(gè)比特可以直接和多少個(gè)比特直接產(chǎn)生糾纏。常見(jiàn)的連通性一般為2-4可操控性操控串?dāng)_<-30dB；比特頻率調(diào)節(jié)范圍3~5GHz；耦合強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍-30~5MHz；并行讀取通道數(shù)典型值10器件良品率表征正常工作比特?cái)?shù)占設(shè)計(jì)比特?cái)?shù)的比例。典型值≥98%參數(shù)一致性耐久性量子處理器能承受的冷熱循環(huán)的最低次數(shù)量子放大器性能增益15~20dB；帶寬-110dBm；頻率范圍4~7GHz低溫低噪聲平臺(tái)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400μW@10mK持續(xù)運(yùn)行時(shí)間典型值＞1年震動(dòng)屏蔽主動(dòng)減震剩磁屏蔽<20nT控制電纜數(shù)典型值＞200讀取電纜數(shù)典型值＞10脈沖傳輸畸變指數(shù)衰減的幅度相對(duì)方波幅度比值為畸變?chǔ)恋湫椭担?%，τ典型值＜500ns降溫時(shí)間典型值≤30小時(shí)整機(jī)功率典型值≤32kW微波脈沖反射/測(cè)控系統(tǒng)DAC采樣率/DAC幅度精度/控制脈沖輸出帶寬/控制脈沖幅度穩(wěn)定性<500ppm@24小時(shí)ADC采樣率/ADC幅度精度/讀取采集信號(hào)帶寬/通道同步典型值＜1ns反饋延時(shí)典型值＜1μs通道數(shù)典型值＞200軟件控制規(guī)模典型值≥100比特軟件延時(shí)據(jù)等步驟消耗的時(shí)間光量子計(jì)算體系光量子計(jì)算概述算可分為專(zhuān)用和通用的量子計(jì)算模型，光學(xué)通用量子計(jì)算主流方案主要包括：KLMKnill、Laflamme和Milburn在2000提出的KLM方案或者它的改進(jìn)方案；基于測(cè)量的量子Raussendorf和Briegel在2001年18%,雖然通過(guò)注入八78%KielingRudolph和Eisert在2007“星形”簇態(tài)放置在規(guī)則排布的晶格G的節(jié)點(diǎn)處，然后通過(guò)使用雙光子融合門(mén)操作對(duì)這些小的簇態(tài)進(jìn)行連接。如果融合門(mén)的成功率超過(guò)晶格G（或“彈道型(1)專(zhuān)用量子計(jì)算模型,主要包括玻色采樣以及為特定專(zhuān)用模型構(gòu)建的光量子模擬器。(3)為光學(xué)量子處理器提供支撐的光學(xué)量子器件。光量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)：低噪聲特性噪聲特性。雜的量子計(jì)算和量子通信。高速數(shù)據(jù)傳輸光速傳輸。光子在光纖和自由空間中以光速傳播，使得數(shù)據(jù)傳輸速度極快，適合大規(guī)模并行計(jì)算和快速通信。量子通信網(wǎng)絡(luò)。易于集成與擴(kuò)展光子集成電路。光子集成電路（PIC）技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，可以在芯片上集成大量的光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成和擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和功能增強(qiáng)。高效糾纏和量子態(tài)操控。子計(jì)算提供了基礎(chǔ)資源。精確操控，滿(mǎn)足復(fù)雜量子算法的需求。成熟的光通信技術(shù)相結(jié)合。本和難度。光量子計(jì)算劣勢(shì)：光子損失的衰減和計(jì)算誤差。（如進(jìn)一步提升，以減少測(cè)量過(guò)程中的光子損失。相位噪聲和干涉穩(wěn)定性退相干，影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。干涉穩(wěn)定性：干涉儀器件需要高穩(wěn)定性，以保證量子態(tài)的精確操控和測(cè)量，但實(shí)際操作中干涉穩(wěn)定性容易受到環(huán)境影響。單光子源的效率和純度換技術(shù)雖然在不斷進(jìn)步，但在生成高質(zhì)量單光子方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。效率單光子源以滿(mǎn)足大規(guī)模量子計(jì)算的需求。大規(guī)模集成的復(fù)雜性光學(xué)元件數(shù)量龐大，增加了集成和制造的復(fù)雜性。制精度。量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)計(jì)算目前的糾錯(cuò)碼在光子損失和相位噪聲環(huán)境下的表現(xiàn)尚需優(yōu)化。復(fù)雜性和成本。模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo)模塊分類(lèi)信息的處理以及特定的量子邏輯操作。光量子干涉網(wǎng)絡(luò)目前主要的實(shí)現(xiàn)途徑包144確定性的光子-光子耦合是對(duì)于實(shí)現(xiàn)確定性糾纏邏輯操作是最重要的，主要實(shí)現(xiàn)---率~40%,主要目標(biāo)是超過(guò)容錯(cuò)閾值的高保真度和效率的糾纏操作；對(duì)于光量子子數(shù)可分辨的單光子測(cè)量、單光子閾值探測(cè)器、陣列型單光子探測(cè)器陣列等。圖3光量子計(jì)算模塊示意圖量子效率:(2)確定性生成:激發(fā)后，光源應(yīng)該以按鈕方式確定性地發(fā)射一個(gè)光子，這可以通過(guò)測(cè)量效率獲50%(3)高純度:HBT干涉測(cè)試0g(0)=1%-3%(4)高不可區(qū)分性:HOM>95%(5)率:約為90%:重合度。這可以通過(guò)糾纏保真度關(guān)聯(lián)測(cè)量或者進(jìn)行量子態(tài)層析獲得，典型值為99%。關(guān)研究整體上處于起步階段。主要指標(biāo)包括：（1）光學(xué)端到端透過(guò)率：光功率量保真度得到，對(duì)于10個(gè)模式左右的干涉線(xiàn)路的典型值為95%。（3）相位穩(wěn)定性等指標(biāo)。單光子探測(cè)器在光量子計(jì)算中用于評(píng)估其性能的主要指標(biāo)包括:(1)探測(cè)效率:探測(cè)到的光響應(yīng)計(jì)數(shù)和入射光子數(shù)的比值,1550nm波段的探測(cè)效率約90%(2)100Hz(3)100皮秒。(4)計(jì)數(shù)率/死時(shí)間：計(jì)數(shù)率表示光子脈沖最高重復(fù)頻率，而死時(shí)間是指探測(cè)器接收到一個(gè)單光子產(chǎn)生電響應(yīng)脈沖后,無(wú)法再進(jìn)行探測(cè)的時(shí)間。目前計(jì)數(shù)率約為1至100MHz，死時(shí)間典型值為10ns至200ns不等。另外對(duì)于單光子探測(cè)器還存在其他的一些常見(jiàn)的性能指標(biāo)包括:光量子計(jì)算的三大模塊——量子光源、光量子線(xiàn)路模塊和光子探測(cè)器模塊—能和應(yīng)用前景。表格2光量子計(jì)算模塊指標(biāo)匯總模塊指標(biāo)定義理想指標(biāo)量子光源單光子生成量子效率每次激發(fā)產(chǎn)生單光子的概率理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：50%~90%純度生成的光子態(tài)接近理想單光子態(tài)的程度，一般用二階關(guān)聯(lián)函數(shù)表示理想指標(biāo)為：接近0%當(dāng)前水平為：平均1%左右，單項(xiàng)指標(biāo)可以做到0.01%系統(tǒng)效率從光源到檢測(cè)器整個(gè)系統(tǒng)中傳輸和探測(cè)光子的效率理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：10%~30%，國(guó)際最佳值70%光子生成速率每秒生成單光子的數(shù)量理想指標(biāo)為：≥10GHz/s當(dāng)前水平為：1MHz/s~1GHz/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(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：>90%糾纏光子對(duì)生成效率每次激發(fā)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的概率理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：30%~80%糾纏保真度每次激發(fā)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的糾纏度理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：>95%波長(zhǎng)光子源產(chǎn)生光子的波長(zhǎng)400~700nm（光），700~1550nm（）光量子線(xiàn)路模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(biāo)為：高度可控當(dāng)前水平為：50:50或根據(jù)需求調(diào)整相位移器精度相位移器調(diào)節(jié)光子相位的精確程度理想指標(biāo)為：接近0漂移當(dāng)前水平為：約0.01至0.1度干涉儀的穩(wěn)定性干涉儀在長(zhǎng)時(shí)間操作中的相位穩(wěn)定性理想指標(biāo)為：接近0漂移當(dāng)前水平為：漂移<1nm/h光子的模式數(shù)干涉儀中允許的獨(dú)立光模式的數(shù)量理想指標(biāo)為：＞10000當(dāng)前水平為：144連通性不同光量子比特或光學(xué)模式之間的連接和相互作用能力理想指標(biāo)為：完全連通當(dāng)前水平為：可區(qū)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(xiàn)路中的損失比例理想指標(biāo)為：<1%當(dāng)前水平為：根據(jù)線(xiàn)路規(guī)模從百分之十到百分之幾十不等光子邏輯門(mén)成功概率和保真度利用光子執(zhí)行CNOT門(mén)、CZ門(mén)、Hadamard門(mén)的成功概率和保真度理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：光子-光子邏輯門(mén)效率約40%，保真度>90%光子探測(cè)器模塊探測(cè)效率探測(cè)器成功檢測(cè)到單光子的概率理想指標(biāo)為：接近100%當(dāng)前水平為：超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器（SNSPD）可達(dá)90%暗計(jì)數(shù)率探測(cè)器在無(wú)光子輸入時(shí)產(chǎn)生的假信號(hào)率理想指標(biāo)為：0當(dāng)前水平為：0.1~10000時(shí)間分辨率探測(cè)器分辨光子到達(dá)時(shí)間的精度理想指標(biāo)為：＜1ps當(dāng)前水平為：幾十皮秒光子數(shù)分辨能力探測(cè)器區(qū)分不同數(shù)量光子的能力理想指標(biāo)為：準(zhǔn)確分辨多個(gè)光子事件當(dāng)前水平為：1個(gè)到10個(gè)不等探測(cè)器死時(shí)間探測(cè)器在一次探測(cè)后恢復(fù)到可探測(cè)狀態(tài)所需的時(shí)間理想指標(biāo)為：0當(dāng)前水平為：10ns~200ns離子阱量子計(jì)算體系離子阱量子計(jì)算概述離子阱系統(tǒng)是最有希望實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的平臺(tái)之一。自1995年Cirac和Zoller提出用離子阱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算以來(lái)，量子計(jì)算的所有基本元素都已在該系統(tǒng)50WolfgangPaul和HansDehmelt,后者利1995和Zoller可行的量子計(jì)算平臺(tái)的提出。常有三種類(lèi)型的量子比特：（hyperfine二是光量子比特(opticalqubit）波段。三是塞曼量子比特（Zeemanqubit）。兩個(gè)能級(jí)選取為基態(tài)能級(jí)的同一超精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(jì)算流程主要包括電離和俘獲、冷卻、初態(tài)制備、邏輯門(mén)操作、狀態(tài)探測(cè)等步驟。電離和俘獲從基態(tài)激發(fā)到中間態(tài)，再用另一束激光從中間態(tài)激發(fā)到完全電離的狀態(tài)。勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)帶電離子的囚禁。冷卻作的保真度。常用的亞多普勒冷卻方法主要有電磁誘導(dǎo)透明冷卻和邊帶冷卻。初態(tài)制備發(fā)，而回到暗態(tài)的離子則不會(huì)，由此可將離子確定性地制備到暗態(tài)。邏輯門(mén)操作狀態(tài)探測(cè)比特的狀態(tài)。難度大。擴(kuò)展成本低。離子阱量子計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜度不會(huì)隨著量子比特量的增加而顯著增長(zhǎng)，具有顯著的低成本擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。量子比特全同性。離子量子比特是離子內(nèi)部的一對(duì)二能級(jí)系統(tǒng)，因此系統(tǒng)校準(zhǔn)的復(fù)雜度。量子比特連通性。連通性是指任意一個(gè)量子比特能和多少個(gè)量子比特比特邏輯門(mén)操作。高保真度的量子操作。包括高保真度的初態(tài)制備和狀態(tài)讀取，以及單比初態(tài)制備和狀態(tài)讀取保真度大于99.99%，單比特邏輯門(mén)保真度大于99.9999%，雙比特邏輯門(mén)保真度大于99.9%。量子比特相干時(shí)間。量子比特相干時(shí)間可以理解為量子比特能夠存儲(chǔ)1相干時(shí)間。邏輯門(mén)操作速度。由于操作原理的限制，離子阱在量子門(mén)速度方面存明顯的劣勢(shì)，目前常用的雙比特邏輯門(mén)操作時(shí)間一般在百微秒量級(jí)。尋址難度大。目前主流的離子阱路線(xiàn)使用尋址激光對(duì)離子進(jìn)行邏輯門(mén)規(guī)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。模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo)模塊分類(lèi)囚禁模塊和電控模塊，如下圖所示。圖4離子阱量子計(jì)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(nèi)的電極組成，它提供超高真空環(huán)光源模塊探測(cè)激光、電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光通常來(lái)自同一臺(tái)激光器，此處簡(jiǎn)稱(chēng)為激光器；邊帶冷卻激光和邏輯門(mén)操作激光也通常來(lái)自同一臺(tái)激光器，簡(jiǎn)稱(chēng)SQ激光器。出激光參數(shù)滿(mǎn)足需求。進(jìn)行指標(biāo)要求的總結(jié)。指標(biāo)說(shuō)明激光功率及其穩(wěn)定性RMSRMS與功率平均值的比值，表征的是一定時(shí)間內(nèi)功率的變化范圍。樣值進(jìn)行分析可以得到功率穩(wěn)定性。激光線(xiàn)寬激光線(xiàn)寬定義為激光光譜的半高全寬，反映的是激光頻譜純度。線(xiàn)寬越窄，其時(shí)間相干性越好。如果對(duì)激光頻率噪聲按白噪聲建模，那么激光譜線(xiàn)為洛倫茲型，此時(shí)激光相干時(shí)間τ和激光線(xiàn)寬Δν的關(guān)系為τ=1。πΔν10kHz測(cè)試10kHz以下的窄線(xiàn)寬激光器，甚至是10Hz以下的超窄線(xiàn)寬激光器。?激光模式（縱向（橫向分布I(x,y)∝e?

2(??2+??2)??2 光束質(zhì)量因子M2來(lái)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(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積與理想高斯基模光束束腰半徑和發(fā)散角乘積的比值。M2可用光束輪廓分析儀進(jìn)行測(cè)量。偏振純度比的偏振分束器和波片進(jìn)行測(cè)量。性能指標(biāo)典型值分類(lèi)，不以激光器分類(lèi)，如上所述，不同功能激光可能來(lái)自同一激光器。表格3離子阱量子計(jì)算對(duì)各種功能激光的指標(biāo)需求激光種類(lèi)輸出功率（mW）PP功率穩(wěn)定性線(xiàn)寬光束質(zhì)量因子偏振消光比(dB)電離激光~10<5%~1MHz<1.5>22多普勒冷卻激光~2<1%~1MHz<1.5>22電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光~5<0.5%~1MHz<1.5>22邊帶冷卻激光~200<0.5%<1kHz<1.5>22初態(tài)制備與狀態(tài)探測(cè)激光~2<0.5%~1MHz<1.5>22邏輯門(mén)操作激光~1000<0.1%<100Hz<1.2>22回泵激光~5<5%~1MHz<1.5>22光控模塊施加頻率邊帶；光模塊、SQ光模主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)述，并指出其主要指標(biāo)要求。指標(biāo)說(shuō)明光功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可以利用功率計(jì)直接測(cè)量。調(diào)節(jié)。聲光調(diào)制器的射頻場(chǎng)的頻率和相位直接決定了激光頻率和相位。1/e2（半徑10μ離變化關(guān)系來(lái)測(cè)量。和吸收光強(qiáng)（Is）的倍數(shù)來(lái)描述。描。電離光模塊并輸出到真空囚禁模塊中。其主要參數(shù)指標(biāo)要求包括：開(kāi)關(guān)時(shí)間：小于50ms；500μW；光束質(zhì)量因子：小于1.5；光斑大小：通常情況，高斯半徑×高斯半徑≈100μm×100μmDSPAM光模塊光模塊將來(lái)自其各路輸出激光主要參數(shù)指標(biāo)要求如下表所示。表格4DSPAM光模塊指標(biāo)要求激光名稱(chēng)光強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍（????）頻率調(diào)節(jié)范圍(MHz)相位調(diào)節(jié)(°)PP功率波動(dòng)參數(shù)切換偏振消光比(dB)光斑大小多普勒冷卻激光0~5±400~360<1%<0.1>22全覆蓋電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光0~10±400~360<0.5%<0.1>22全覆蓋初態(tài)制備激光0~5±400~360<1%<0.1>22全覆蓋狀態(tài)探測(cè)激光0~5±400~360<0.5%<0.1>22全覆蓋SQ光模塊SQ光模塊將來(lái)自SQ進(jìn)行總結(jié)。表格5SQ光模塊指標(biāo)要求激光名稱(chēng)節(jié)范圍（mW）(MHz)相位調(diào)節(jié)范圍(°)PP功率波動(dòng)參數(shù)切換時(shí)間(????)光比(dB)光束角度光斑大小邊帶冷卻激光0~20±400~360<0.5%<0.1>22全覆蓋邏輯門(mén)操作激光0~100±400~360<0.1%<0.1>22<1.5全掃描僅覆蓋單個(gè)離子回泵光模塊回泵光模塊將來(lái)自回泵激光器的激光進(jìn)行分束調(diào)控，輸出用于回泵的激光。回泵光的參數(shù)要求如下表。表格6回泵光模塊指標(biāo)要求激光名稱(chēng)節(jié)范圍（mW）范圍(MHz)相位調(diào)節(jié)范圍(°)PP功率波動(dòng)參數(shù)切換時(shí)間(????)偏振消光比(dB)光斑大小回泵激光0~1±200~360<5%<0.1>22全覆蓋電控模塊TTL產(chǎn)生三維囚禁勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子量子比特的穩(wěn)定囚禁。時(shí)序控制機(jī)箱時(shí)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子量子比特的實(shí)時(shí)操控。主要包括射頻輸出模塊（S/輸出模塊(DIO)（DDS）數(shù)字輸入/輸出模塊一方面可以用來(lái)輸出數(shù)字信號(hào)，可用于對(duì)部分射頻信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制、對(duì)系統(tǒng)中的分立設(shè)備進(jìn)行同步等；另一方面可以用來(lái)采集數(shù)字信號(hào)，用于少量離子狀態(tài)的探測(cè)。射頻信號(hào)功率范圍及功率穩(wěn)定性RMS性和峰峰值穩(wěn)定性表征。RMS穩(wěn)定性是指測(cè)量時(shí)間內(nèi)所有采樣功率值的均方根內(nèi)功率的變化范圍。射頻信號(hào)功率可通過(guò)射頻功率計(jì)直接測(cè)量，典型值為?10dbm~20dBm。射頻功率RMS0.1%，峰峰值穩(wěn)定性典型值為0.5%。射頻信號(hào)頻率范圍及頻率穩(wěn)定性光調(diào)制器時(shí)其典型頻率范圍為1MHz-1GHz，驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器或其他設(shè)備時(shí)其典型頻率范圍為1MHz-20GHz頻信號(hào)頻率范圍典型值為1-400MHz常使用頻率波動(dòng)值與中心頻率的比值來(lái)表征，典型值為510?11。射頻信號(hào)隔離度信號(hào)強(qiáng)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(hào)切換速度離子阱量子計(jì)算機(jī)通過(guò)聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器來(lái)調(diào)制激光的頻率、功率、相位等信息，這種調(diào)制是通過(guò)快速改變施加于聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器的射頻信接觀察切換速度。該指標(biāo)典型值為10~100ns。射頻信號(hào)相位噪聲射頻信號(hào)的相位穩(wěn)定性可以通過(guò)相位噪聲來(lái)表征，相位噪聲典型值是-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。數(shù)字信號(hào)寬度為8-128位。數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)速度電控系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)的開(kāi)關(guān)速度決定了電控系統(tǒng)在與外部器件交互時(shí)的精其典型值通常為5ns-20ns。最小調(diào)節(jié)精度指的是數(shù)字信號(hào)在時(shí)間定位上的精度，取決于電控系統(tǒng)芯片的運(yùn)行頻率，對(duì)于離子阱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其典型值為1ns-10ns。靜態(tài)輸出機(jī)箱靜態(tài)輸出機(jī)箱主要用于產(chǎn)生幅值和頻率不隨時(shí)間變化的射頻信號(hào)和幅值不直流信號(hào)精度及穩(wěn)定度位數(shù)決定，它影響了離子阱系統(tǒng)對(duì)離子平衡位置的調(diào)控精度,典型取值為16位位。可通過(guò)頻譜儀測(cè)量DC0-1MHz典型取值為10ppm，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定性典型取值為1ppm。? 射頻信號(hào)功率范圍及穩(wěn)定度射頻功率穩(wěn)定性可用RMS穩(wěn)定性和峰峰值穩(wěn)定性表征。RMS穩(wěn)定性是指測(cè)平均值的比值，表征的是一定時(shí)間內(nèi)功率的變化范圍。電極上的射頻信號(hào)的電壓，其典型值為200-1000V。值是RMS穩(wěn)定性0.01%-0.1%，峰峰值穩(wěn)定性0.03%-0.1%。射頻信號(hào)頻率范圍及頻率穩(wěn)定度征，其典型值為510?11。射頻信號(hào)相位噪聲頻譜儀間接測(cè)量，典型值是-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。生囚禁勢(shì)場(chǎng)，以囚禁離子晶體。其主要指標(biāo)如下。5×10?12????????.中穩(wěn)定囚禁的離子數(shù)已達(dá)到500。量子已實(shí)現(xiàn)37離子晶體超過(guò)2.5小時(shí)的穩(wěn)定囚禁。Darklifetime冷卻光不會(huì)一直存在，因此Darklifetime更有價(jià)值。Darklifetime受真空度以lifetime在37離子晶格中，darklifetime大于1s。保真度。典型值是小于20聲子每秒。是秒量級(jí)，現(xiàn)有記錄是1小時(shí)。了操控激光和離子之間的相對(duì)穩(wěn)定程度。可通過(guò)MZ干涉儀測(cè)量與電極安裝型值是±40nm。3μm的視野直接相關(guān)，典型值是±300μm。用于驅(qū)動(dòng)對(duì)激光的參數(shù)調(diào)控器件。各模塊的典型指標(biāo)匯總?cè)缦隆１砀?離子阱量子計(jì)算模塊指標(biāo)小結(jié)模塊指標(biāo)數(shù)值及描述電離激光~10mW；多普勒冷卻激光~2mW電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光~5mW輸出功率（mW）邊帶冷卻激光~200mW初態(tài)制備與狀態(tài)探測(cè)激光~2mW邏輯門(mén)操作激光~1000mW回泵激光~5mW電離激光<5%多普勒冷卻激光<1%電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光<0.5%PP功率穩(wěn)定性邊帶冷卻激光<0.5%初態(tài)制備與狀態(tài)探測(cè)激光<0.5%邏輯門(mén)操作激光<0.1%光源模塊回泵激光<5%電離激光~1MHz多普勒冷卻激光~1MHz電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光~1MHz線(xiàn)寬邊帶冷卻激光<1kHz初態(tài)制備與狀態(tài)探測(cè)激光~1MHz邏輯門(mén)操作激光<100MHz回泵激光~1MHz電離激光<1.5多普勒冷卻激光<1.5電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光<1.5光束質(zhì)量因子邊帶冷卻激光<1.5初態(tài)制備與狀態(tài)探測(cè)激光<1.5邏輯門(mén)操作激光<1.2回泵激光<1.5光強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍多普勒冷卻激光0~5Is電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光0~10Is初態(tài)制備激光0~5Is狀態(tài)探測(cè)激光0~5Is頻率調(diào)節(jié)范圍多普勒冷卻激光±40MHz初態(tài)制備激光±40MHz狀態(tài)探測(cè)激光±40MHz相位調(diào)節(jié)范圍多普勒冷卻激光0~2π電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光初態(tài)制備激光0~2π狀態(tài)探測(cè)激光0~2π參數(shù)切換時(shí)間多普勒冷卻激光<0.1μs電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光初態(tài)制備激光<0.1μs<0.1μs光斑大小斑大小要求全覆蓋偏振消光比>22dB光控模塊光功率調(diào)節(jié)范圍邊帶冷卻激光0~20mW邏輯門(mén)操作激光0~100mW回泵激光0~1mW頻率調(diào)節(jié)范圍邊帶冷卻激光±40MHz回泵激光±20MHz相位調(diào)節(jié)范圍邊帶冷卻激光0~2π邏輯門(mén)操作激光回泵激光0~2πPP功率穩(wěn)定性邊帶冷卻激光<0.5%邏輯門(mén)操作激光回泵激光<5%參數(shù)切換時(shí)間邊帶冷卻激光<0.1μs邏輯門(mén)操作激光回泵激光<0.1μs偏振消光比邊帶冷卻激光>22dB邏輯門(mén)操作激光回泵激光>22dB光束質(zhì)量因子邏輯門(mén)操作激光<1.5角度調(diào)節(jié)范圍邏輯門(mén)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(mén)操作激光僅覆蓋單個(gè)例子回泵激光要求全覆蓋電控模塊射頻信號(hào)功率范圍時(shí)序控制機(jī)箱-10~20dBm靜態(tài)輸出機(jī)箱200~1000V射頻信號(hào)功率穩(wěn)定性時(shí)序控制機(jī)箱0.5%靜態(tài)輸出機(jī)箱0.03~0.1%射頻信號(hào)頻率范圍時(shí)序控制機(jī)箱0~400MHz靜態(tài)輸出機(jī)箱1~60MHz射頻信號(hào)頻率穩(wěn)定性PP時(shí)序控制機(jī)箱5×10-11靜態(tài)輸出機(jī)箱5×10-11射頻信號(hào)相位噪聲時(shí)序控制機(jī)箱-90dBc@10Hz110dBc@100Hz靜態(tài)輸出機(jī)箱-90dBc@10Hz110dBc@100Hz射頻信號(hào)隔離度時(shí)序控制機(jī)箱-70dBc射頻信號(hào)切換時(shí)間時(shí)序控制機(jī)箱10~100ns數(shù)字信號(hào)寬度時(shí)序控制機(jī)箱8~12位數(shù)字信號(hào)切換時(shí)間時(shí)序控制機(jī)箱1~10ns直流信號(hào)電壓范圍靜態(tài)輸出機(jī)箱-20~20V直流信號(hào)精度靜態(tài)輸出機(jī)箱16~20位直流信號(hào)穩(wěn)定性PP靜態(tài)輸出機(jī)箱10ppm真空囚禁模塊真空度<5×10-12mBar離子數(shù)30~100晶格穩(wěn)定時(shí)間>2h@30離子Darklifetime>1s加熱率<50phonon/s量子比特相干時(shí)間>200ms震動(dòng)幅度<±50nm成像分辨率3μm成像視野范圍±300μm中性原子量子計(jì)算體系中性原子量子計(jì)算概述將原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)的兩個(gè)磁子能級(jí)編碼為一個(gè)量子比特的0態(tài)和1,目前中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出了數(shù)字式量子計(jì)算和模擬式量子計(jì)（如銣原子和銫原子磁子能級(jí)作為一個(gè)量子比特的0態(tài)和1態(tài)。例如將銣87原子的|5??1?2,F=1,????=0?編碼為|0?|5??1?2,F=2,????=0?編碼為|1?特點(diǎn)。中性原子量子計(jì)算的過(guò)程中，通常需要經(jīng)過(guò)以下關(guān)鍵步驟：冷原子團(tuán)制備、單原子俘獲、初態(tài)制備、邏輯門(mén)操作、內(nèi)存探測(cè)與讀出。冷原子團(tuán)制備過(guò)程是利用磁光阱(Magneto-opticaltrap,MOT)系統(tǒng)完成。磁光阱通過(guò)一對(duì)反亥姆霍茲線(xiàn)圈形成中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的四級(jí)磁場(chǎng)，在正交的三個(gè)方向上施加三對(duì)圓偏振冷卻光，并且磁場(chǎng)的零點(diǎn)和光場(chǎng)的交點(diǎn)是重合的。原子能級(jí)在梯度磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生塞曼劈裂，越遠(yuǎn)離中心位置能級(jí)劈裂越大，三對(duì)冷卻光的頻率相對(duì)于無(wú)塞曼劈裂下的躍遷頻率是紅失諧的。以某一維的情況x>0的正半軸區(qū)域時(shí)，????=?1磁子能級(jí)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x<0更容易吸收??+單原子俘獲一般是通過(guò)強(qiáng)聚焦的偶極阱實(shí)現(xiàn)的。失諧δ=ω?ωa>0時(shí)，力指向梯度的反方向，即指向光強(qiáng)弱的方向；當(dāng)失諧??<0在光強(qiáng)最強(qiáng)的焦點(diǎn)附近，根據(jù)“碰撞阻塞原理”，當(dāng)偶極阱束腰小于等于4微米可俘獲單個(gè)原子。初態(tài)制備捕獲單個(gè)原子后接下來(lái)就是高效率的進(jìn)行量子比特的初始化將銣87原子基態(tài)超精細(xì)磁子能級(jí)編碼為量子比特的 |0?=|5??1?2,F=1,????=0?和|1?=|5??1?2,F=2,????=0?。量子比特的初態(tài)制備指的就是高效率的將原子制備到|0?態(tài)的過(guò)程，也可稱(chēng)之為光泵(pumping)過(guò)程。不與光相互作用，形成“暗態(tài)”(darkstate)到|0?態(tài)上，達(dá)到初始化的目的。邏輯門(mén)操作0態(tài)和1行操控，通過(guò)控制作用的時(shí)間和相位可以控制量子態(tài)的布局和相位。-偶極相互作用實(shí)現(xiàn)兩比特糾纏，該方法對(duì)原子熱運(yùn)動(dòng)并不敏感，而且門(mén)操控的時(shí)間在微秒量級(jí)，是目前最適合中性原子體系的兩比特門(mén)方案。內(nèi)態(tài)探測(cè)與讀出子內(nèi)態(tài)之前用一束共振激光將處于10原子所處的狀態(tài)，從而達(dá)到內(nèi)態(tài)讀出的目的。中性原子量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)：良好的可擴(kuò)展性：中性原子體系單個(gè)量子比特是囚禁在單個(gè)偶極阱中的，子比特時(shí)不需要考慮比特之間的差異，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。的優(yōu)勢(shì)。可控的相互作用：相互作用的強(qiáng)度不僅決定了兩比特相位門(mén)的操作時(shí)間,而且大小的控制對(duì)于減少量子算法執(zhí)行過(guò)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(tài)原子的偶極-偶極相互作用是一個(gè)長(zhǎng)程的、強(qiáng)度比基態(tài)相互作用大12,而且該作用可以通過(guò)相干激發(fā)到里德伯態(tài)或從里德伯態(tài)相干退激發(fā)進(jìn)行開(kāi)關(guān),也可以通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和原子的空間排列來(lái)調(diào)整大小。中性原子量子計(jì)算劣勢(shì)：次需要重新裝載原子。10模塊分類(lèi)與技術(shù)指標(biāo)模塊分類(lèi)中性原子量子計(jì)算機(jī)的硬件按功能可劃分為四個(gè)主要系統(tǒng)：激光光源系統(tǒng)、激光調(diào)制系統(tǒng)、核心物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。圖5中性原子量子計(jì)算的概念架構(gòu)PDH穩(wěn)頻方法實(shí)現(xiàn)對(duì)里德堡激發(fā)光的頻率鎖定和線(xiàn)寬壓窄。激光的主要指標(biāo)包括光功率、功率穩(wěn)定性、激光線(xiàn)寬、偏振消光比。激光功率及功率穩(wěn)定性變化范圍。光泵光功率在幾十微瓦量級(jí)，功率穩(wěn)定性在3%以?xún)?nèi)。單個(gè)偶極阱的功率一般在1%激光線(xiàn)寬激光線(xiàn)寬定義為激光光源發(fā)射光譜的半高全寬，即達(dá)到峰值一半高度所對(duì)應(yīng)的頻譜寬度。激光線(xiàn)寬越窄，表示其相干性越好。激光譜線(xiàn)的線(xiàn)型為洛倫茲型，此時(shí)激光相干時(shí)間τ和激光線(xiàn)寬Δν的關(guān)系為τ=1。πΔν中性原子體系所需的冷卻光、回泵光、光泵光的線(xiàn)寬一般要求小于1MHz，里德堡激發(fā)光的線(xiàn)寬一般要求小于1KHz。偏振消光比泰勒棱鏡進(jìn)行偏振提純，配和不同波片進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)。卻光、回泵光、偶極光、里德堡激發(fā)光等偏振消光比一般要求大于1000：1于光泵光的偏振消光比一般要求大于5000：1。激光調(diào)制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將種子激光器產(chǎn)生的激光進(jìn)行一系列調(diào)制處理，包括頻率調(diào)制、相位調(diào)制和幅度調(diào)制等。這些經(jīng)過(guò)調(diào)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(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的精準(zhǔn)操控。指標(biāo)說(shuō)明激光幅度調(diào)制激光的幅度調(diào)制一般通過(guò)聲光調(diào)制器或光纖EOM0到方形激光脈沖的上升沿一般在ns激光頻率調(diào)制激光的頻率調(diào)制一般通過(guò)聲光調(diào)制器或光纖EOM實(shí)現(xiàn)，調(diào)制范圍從幾十MHz到幾GHz不等。頻率調(diào)制范圍主要由調(diào)制器的射頻驅(qū)動(dòng)源決定。真空腔體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的控制。指標(biāo)說(shuō)明真空度般要求真空系統(tǒng)的真空度小于5*10^-8Pa。偶極阱束腰位置不確定性越小，同時(shí)對(duì)偶極光功率的需求越低。一般要求偶極阱束腰小于微米左右。偶極阱陣列強(qiáng)度均勻性原子陣列確定性重排成功率和重排后填充率由于單個(gè)偶極阱裝載原子的幾率在50%80%充率一般在98%以上。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要包含主動(dòng)的時(shí)序控制機(jī)箱和程序以及接收控制信號(hào)的靜態(tài)輸AO/DO指標(biāo)說(shuō)明射頻信號(hào)頻率范圍光偏轉(zhuǎn)器以及光纖EOM等。驅(qū)動(dòng)普通電光調(diào)制器時(shí)典型頻率范圍為1MHz-EOM時(shí)1GHz-10GHz（<200MHz），射頻信比值來(lái)表征，典型值為510?11。射頻信號(hào)隔離度信號(hào)強(qiáng)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(hào)相位噪聲射頻信號(hào)的相位穩(wěn)定性可以通過(guò)相位噪聲來(lái)表征，相位噪聲典型值是-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)速度常為5ns-20ns系統(tǒng)芯片的運(yùn)行頻率，對(duì)于中性原子量子計(jì)算，其典型值為10ns左右。直流電源直流電源通常用于給MOT線(xiàn)圈和補(bǔ)償線(xiàn)圈提供電流，用于產(chǎn)生不同大小的10????。號(hào)的開(kāi)關(guān)速度和直流電源的精度也至關(guān)重要。表格8中性原子量子計(jì)算模塊指標(biāo)小結(jié)模塊指標(biāo)數(shù)值及描述激光光源系統(tǒng)激光功率及功率穩(wěn)定性冷卻光、回泵光功率：幾毫瓦；光泵光功率：幾十微瓦，穩(wěn)定性：3%以?xún)?nèi)；偶極阱功率：幾毫瓦/單個(gè)阱，穩(wěn)定性：1%以?xún)?nèi)；里德堡激發(fā)光功率：瓦量級(jí)，穩(wěn)定性：1%以?xún)?nèi)激光線(xiàn)寬冷卻光、回泵光、光泵光：激光線(xiàn)寬冷卻光、回泵光、光泵光：<1MHz；里德堡激發(fā)光：<1KHz偏振消光比10001光泵光：>5000:1激光調(diào)制系統(tǒng)激光幅度調(diào)制調(diào)制范圍：0到100%，上升沿：ns量級(jí)激光頻率調(diào)制調(diào)制范圍：幾十MHz到幾GHz核心物理系統(tǒng)真空度<5×10^-8Pa偶極阱束腰<1微米偶極阱陣列強(qiáng)度均勻性高均勻性，>95%原子陣列確定性重排成功率80%左右控制系統(tǒng)射頻信號(hào)頻率范圍1MHz-20MHz（電光調(diào)制器）；60MHz-200MHz（聲光調(diào)制器）；1GHz-10GHz（光纖EOM）射頻信號(hào)隔離度-70dBc射頻信號(hào)相位噪聲-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)速度最小脈寬：5ns-20ns；最小調(diào)節(jié)精度：10ns直流電源電流分辨率：10μA；精度：±100μA；24小時(shí)電流漂移：<10μA不同體系量子計(jì)算評(píng)估技術(shù)（本報(bào)告中主要是指基于門(mén)線(xiàn)路型的量子計(jì)算機(jī)可以從基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)也是建立上層軟件和應(yīng)用生態(tài)的基礎(chǔ)。表格9基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)匯總表序號(hào)指標(biāo)含義1量子比特?cái)?shù)目量子計(jì)算機(jī)包含的量子比特的數(shù)目2量子比特能量弛豫時(shí)間量子比特從激發(fā)態(tài)弛豫到基態(tài)的概率為1/e對(duì)應(yīng)的時(shí)間3量子比特退相干時(shí)間量子比特的相位弛豫到完全混亂的概率為1/e對(duì)應(yīng)的時(shí)間4量子比特連通性量子比特與其它比特連通的數(shù)目5單比特門(mén)時(shí)長(zhǎng)執(zhí)行單比特門(mén)操作所需的時(shí)間6單比特門(mén)保真度量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行單比特門(mén)操作的保真度7兩比特門(mén)時(shí)長(zhǎng)執(zhí)行兩比特門(mén)操作所需的時(shí)間8兩比特門(mén)保真度量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行兩比特門(mén)操作的保真度，一般選擇CNOT門(mén)或CZ門(mén)9量子態(tài)制備時(shí)長(zhǎng)量子比特制備在初態(tài)所需的時(shí)間10量子態(tài)制備保真度量子計(jì)算機(jī)制備初始量子態(tài)的保真度11量子態(tài)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)測(cè)量量子比特狀態(tài)所需的時(shí)間12量子態(tài)測(cè)量保真度量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子態(tài)測(cè)量的保真度13最大可執(zhí)行線(xiàn)路深度量子計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的最大線(xiàn)路深度2019年10月，谷歌推出懸鈴木超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，率先宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。2021年102024年102024年12月10105比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片柳木號(hào)2024年12月17（2.0科大祖沖之號(hào)2.1、谷歌懸鈴木號(hào)升級(jí)版、谷歌柳木號(hào)、中科大祖沖之號(hào)3.0），相關(guān)基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如下表所示。表格10不同超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)部分基礎(chǔ)測(cè)控性能指標(biāo)對(duì)比基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)谷歌懸鈴木號(hào)中科大祖沖之號(hào)中科大祖沖之號(hào)谷歌懸鈴木號(hào)（升級(jí)版1）谷歌懸鈴木號(hào)（升級(jí)版2）谷歌柳木號(hào)中科大祖沖之號(hào)時(shí)間2019年10月2021年10月2022年02月2024年10月2024年10月2024年12月10日2024年12月17日量子比特?cái)?shù)目5356607067105105單比特門(mén)保真度99.84%99.86%99.84%99.9%99.9%99.964%99.90%兩比特門(mén)保真度99.38%99.41%99.40%99.72%99.72%99.86%99.62%讀取保真度96.20%95.50%97.70%98.7%98.7%99.23%99.18%線(xiàn)路深度20202424324032圖中雷達(dá)圖的最大值和最小值選擇為能清晰展現(xiàn)三者區(qū)別。圖6不同超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)部分基礎(chǔ)測(cè)控性能比較較。相關(guān)指標(biāo)匯總?cè)缦卤硭尽１砀?1適用于玻色采樣光量子計(jì)算機(jī)的專(zhuān)用基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)序號(hào)指標(biāo)含義1最大響應(yīng)光子數(shù)一次采樣，光子同時(shí)到達(dá)探測(cè)器后響應(yīng)數(shù)的最大值2模式數(shù)干涉儀編碼的出口個(gè)數(shù)3光子數(shù)分辨能力當(dāng)同時(shí)有多個(gè)光子到達(dá)一個(gè)出口時(shí)對(duì)光子數(shù)目的分辨能力4壓縮量壓縮光源的壓縮程度5系統(tǒng)效率從壓縮光的產(chǎn)生到最后探測(cè)的整個(gè)系統(tǒng)效率，用以刻畫(huà)這個(gè)過(guò)程中光子丟失的概率科大九章三號(hào)，Xanadu北極星相關(guān)基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如下表所示。表格12不同光量子計(jì)算機(jī)部分基礎(chǔ)測(cè)控性能指標(biāo)對(duì)比基礎(chǔ)測(cè)控指標(biāo)九章九章二號(hào)北極星九章三號(hào)最大響應(yīng)光子數(shù)76113219255模式數(shù)1001442161152光子數(shù)分辨能力11138壓縮量1.35-1.841.34-1.811.11.49-1.66系統(tǒng)效率0.2830.4760.3240.424用與最大值的比值。部分項(xiàng)目使用比值的對(duì)數(shù)。圖7不同光量子計(jì)算機(jī)部分基礎(chǔ)測(cè)控性能比較綜合性能指標(biāo)（QuantumVolume）（AlgorithmicQubits）（MaximumGenuineEntanglementCircuit（Mirroring和layeroperationspersecond）、rQOPS（reliableQuantumOperandsPerSecond）等。量子體積（QuantumVolume）（Quantum是由IBM公司提出的綜合衡量量子計(jì)算機(jī)性能k量子比特并且具備k2??（Harr隨機(jī)從SU(4)幺正群中選525=32。目前，Quantinuum公司的離子阱量子計(jì)算機(jī)H1實(shí)現(xiàn)了220的量子體積。盡管量子算法量子比特?cái)?shù)（AlgorithmicQubits）算法量子比特?cái)?shù)是IonQ閾值的前提下最多含有n個(gè)能夠運(yùn)行典型量子線(xiàn)路的量子比特，那么其算法量子比特?cái)?shù)為n，其中典型量子線(xiàn)路定義為含有n2個(gè)CNOT門(mén)的量子線(xiàn)路。IonQ公司2023年發(fā)布的Forte系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)35算法量子比特。最大糾纏比特?cái)?shù)（MaximumGenuineEntanglementQbits）子比特?cái)?shù)目，其產(chǎn)生的糾纏態(tài)的保真度應(yīng)超過(guò)0.5。通常可產(chǎn)生GHZ態(tài)或圖態(tài)（ClusterState）用于糾纏驗(yàn)證。隨機(jī)線(xiàn)路采樣測(cè)試（RandomCircuitSampling）（通常是所有量子比特都處于基態(tài)的態(tài)（如HadamardPauli-X門(mén)等采樣過(guò)程，因?yàn)樗璧馁Y源會(huì)隨著量子比特?cái)?shù)量的增加而指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而XEB（Linear-Cross-Entropy這一物理量用來(lái)衡量隨機(jī)線(xiàn)路采樣任務(wù)執(zhí)行同時(shí)這一指標(biāo)可以通過(guò)RCS（Quantum鏡像基準(zhǔn)測(cè)試（MirroringBenchmarks）該性能指標(biāo)是Proctor表現(xiàn)的誤差指標(biāo)不能精確衡量量子計(jì)算機(jī)在一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題上的性能[56]，因此他12果表明量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)行現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的量子線(xiàn)路時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤和做標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試線(xiàn)路時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤非常不同，這也驗(yàn)證了開(kāi)頭的觀點(diǎn)。CLOPs（CircuitLayerOperationsperSecond）這個(gè)指標(biāo)類(lèi)似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能衡量指標(biāo)目所運(yùn)行的量子線(xiàn)路的層數(shù)[57]。由于量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行一個(gè)量子線(xiàn)路實(shí)質(zhì)上還包含的速度。每秒可靠的量子操作數(shù)（reliableQuantumOperandsPerSecond，rQOPS）微軟提出的衡量量子計(jì)算機(jī)性能的新指標(biāo)rQOPSrQOPS量子超級(jí)計(jì)算機(jī)至少需要一百萬(wàn)個(gè)rQOPS，而現(xiàn)今NISQ時(shí)代下的硬件的rQOPS值都為零。應(yīng)用性能指標(biāo)望產(chǎn)生巨大價(jià)值。最基礎(chǔ)的無(wú)約束的二階二值優(yōu)化問(wèn)題（QUBO，Quadraticunconstrainedbinaryoptimiztion）、高階無(wú)約束二值優(yōu)化問(wèn)題（high-orderunconstrainedbinary常使用的TTS（TimeToSolution）TTS是同時(shí)考慮了求解所花費(fèi)的最終反映到TTS結(jié)果上去。以指定分子數(shù)據(jù)集以及算法如變分量子本征求解VQE或者量子相位估計(jì)值的案例也可以直接比較所得到能量的高低。量子機(jī)器學(xué)習(xí)在如今AIAI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)集。本報(bào)告建議的應(yīng)用性能指標(biāo)包括：QPack、變分量子數(shù)因子分解（VQF）、QPackQPack題、支配集（DominatingSet）（TSP）。Mesman等人主（QAOA）能。MQLibMQLibQPack95Max-cutQUBOTTS作為性能指標(biāo)。變分量子數(shù)因子分解（VariationalQuantumFactoring）Zapata（如QAOA和VQE能量和低激發(fā)態(tài)能量。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的基準(zhǔn)測(cè)試Daniel用于VQE（RandomBinomialGraph（HadamardGate）|0?/|1?基底上的狀態(tài)；3.正方加而線(xiàn)性增長(zhǎng)。Daniel等人還進(jìn)一步考察了以下三個(gè)指標(biāo)：HeavyOutputGeneration（Cross-EntropyL1（L1-norm面向應(yīng)用的性能基準(zhǔn)測(cè)試Thomas等人提出了面向量子計(jì)算應(yīng)用的性能基準(zhǔn)測(cè)試開(kāi)源套件，包含多種典型算法或小規(guī)模應(yīng)用程序，如簡(jiǎn)單的基于OracleGrover的多樣性，能夠通過(guò)這些基準(zhǔn)測(cè)試的量子計(jì)算機(jī)性能將相當(dāng)出色。Q-ScoreAtosQ-ScoreMaxCut組合優(yōu)化問(wèn)題。F-VQEF-VQEVQE（VariationalQuantumEigensolver）的一種改進(jìn)形式，專(zhuān)NISQVQE算法是一種混合量子-F-VQEVQE同時(shí)，減少對(duì)量子硬件資源的需求。LINPACK類(lèi)似于用于測(cè)量傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的LINPACKLINPACKLINPACKHermitianRAndomCircuitBlock-EncodedMatrix（H-RACBEM）（QSVT）實(shí)現(xiàn)的。QASMBechQASMBenchOpenQASMNISQNISQNISQ益的衡量。/良/中/差//良/中/表格13應(yīng)用性能指標(biāo)匯總表序號(hào)應(yīng)用性能指標(biāo)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)光量子計(jì)算機(jī)離子阱量子計(jì)算機(jī)中性原子量子計(jì)算機(jī)1QPack√√√√2MQLib√√√√3VQF√√√√4應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的基準(zhǔn)測(cè)試√√√√5面向應(yīng)用的性能基準(zhǔn)測(cè)試√√√√6Q-Score√√√√7F-VQE√√√√8量子LINPACK√√√√9QASMBech√√√√總結(jié)與展望主要研究結(jié)論為了評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的性能，本報(bào)告首先調(diào)研了不同體系的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)注量子計(jì)算機(jī)的硬件性能和操作精度；綜合性能則評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的整體性能；應(yīng)用性能則側(cè)重于量子計(jì)算機(jī)在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)的表現(xiàn)。本報(bào)告對(duì)量子計(jì)算機(jī)性能的評(píng)估進(jìn)行了深入調(diào)研，涵蓋了不同體系的量子等各類(lèi)物理實(shí)現(xiàn)方式。我們從硬件角度探討了這些量子計(jì)算機(jī)的模塊指標(biāo)和系應(yīng)用性能三個(gè)層面對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了全面評(píng)估。基礎(chǔ)測(cè)控側(cè)重于量子計(jì)算機(jī)性能則重點(diǎn)分析了量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際問(wèn)題解決中的表現(xiàn)。未來(lái)工作建議展望未來(lái)，我們建議首先開(kāi)展針對(duì)不同體系量子計(jì)算機(jī)的性能要求和測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化研究。這將為量子計(jì)算機(jī)的評(píng)估和比較提供基礎(chǔ)框架和參考標(biāo)準(zhǔn)。隨著量子計(jì)算機(jī)性能的持續(xù)提升，我們還可以推進(jìn)不同體系量子計(jì)算機(jī)通用性能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化研究，以建立更為全面和統(tǒng)一的性能評(píng)估體系。估指標(biāo)，以衡量該量子計(jì)算機(jī)的糾錯(cuò)后和實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的潛力。以開(kāi)展針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)景的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)性能評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化研究。這將有助于推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，滿(mǎn)足特定行業(yè)和應(yīng)用對(duì)量子計(jì)算性能的特定需求。性能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化體系，為量子計(jì)算技術(shù)的健康發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供有力的支用和產(chǎn)業(yè)化提供重要的指導(dǎo)和保障。參考文獻(xiàn)[1].CiracJI,ZollerP.Quantumcomputationswithcoldtrappedions[J].Physicalreviewletters,1995,74(20):4091.[2].LeibfriedD,BlattR,MonroeC,etal.Quantumdynamicsofsingletrappedions[J].ReviewsofModernPhysics,2003,75(1):281.[3].ImajoH,UrabeS,HayasakaK,etal.LasercoolingofasmallnumberofBe+ionsinapenningtrap[J].AppliedPhysicsB,1993,57:141-144.[4].WinelandDJ,DrullingerRE,WallsFL.Radiation-pressurecoolingofboundresonantabsorbers[J].PhysicalReviewLetters,1978,40(25):1639.[5].NeuhauserW,HohenstattM,ToschekP,etal.Optical-sidebandcoolingofvisibleatomcloudconfinedinparabolicwell[J].PhysicalReviewLetters,1978,41(4):233.[6].MorigiG,EschnerJ,K