量子计算技术研究进展如何？

量子计算技术研究有序推进，依旧面临多重挑战。、

1.多技术路线竞相争鸣，短期难以形成方案聚焦

量子计算目前呈现多种硬件技术路线并行发展的态势。目前不 同技术路线可以归纳为两类，一类是以超导路线、硅半导体路线为 代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱路线、中性原子路线、光 量子路线为代表的天然粒子路线。前者在扩展性等方面占据优势， 但在逻辑门保真度、量子比特控制等指标提升方面对加工工艺条件 的依赖性较高。后者具有比特全同性和高逻辑门精度等优势，但实 现更大规模的系统将会面临困难。近年来，多条技术路线量子比特 规模、质量、退相干时间等关键指标持续优化，技术水平稳步提升， 依旧保持多元化和竞争性的发展格局，路线收敛呈现出较大不确定 性，短期内难以形成方案聚焦。

超导技术路线基于超导约瑟夫森结构造二能级系统，具有扩展 性好、易操控和集成电路工艺兼容等优势，是关注度最高、发展较 为迅速的技术路线之一。近年来，超导量子计算原型机研制不断取 得新成果，2023 年年底，IBM 推出 1121 量子比特超导量子处理器 Condor 以及 133 量子比特超导量子处理器 Heron5 。2024 年，中科院 研发 504 比特超导量子计算芯片“骁鸿”6 。北京量子院联合团队实现 五块百比特规模量子芯片和经典计算资源融合，总量子比特数达到5907 。本源量子上线 72 位超导量子比特芯片“悟空芯”8 。基于超导路 线的科研成果层出不穷，深圳量子院联合团队基于分布式超导量子 处理器，验证了使用分布式量子处理器模拟拓扑相位的可行性 9 。 Terra Quantum 宣布基于扭曲铜酸盐范德华异质结构实现 Flowermon 型超导量子比特 10。清华大学联合团队在超导量子处理器上模拟斐 波那契任意子编织，实验结果所得的斐波那契任意子量子维度十分 接近理论的黄金分割率 1.61811。总体而言，超导量子计算路线在比 特规模、质量等技术指标突破较为迅猛，仍然是最受瞩目的量子计 算技术路线之一。

离子阱技术路线以囚禁在射频电场中离子的超精细或塞曼能级 作为量子比特载体，通过激光或微波进行相干操控，离子阱量子比 特的全连接性使其在操控精度、相干时间等方面具有优势。近年来 囚禁离子数量、逻辑门操控保真度等关键指标持续提升，工程技术 研究不断深入。2023 年底，清华大学联合团队利用离子阱系统展示 了多种量子误差缓解技术对复杂量子线路进行误差消除的能力 12。 2024 年，Quantinuum 离子阱原型机 Model H1 中单/双量子比特逻辑 门保真度分别达到 99.9979%和 99.914%，量子体积达到 104857613， 并推出了 56位量子比特离子阱原型机 Model H2-1，单/双量子比特逻辑门保真度分别达到 99.997%和 99.87%14。清华大学实现 512 离子二 维阵列的稳定囚禁冷却以及 300 离子量子比特的量子模拟计算 15。 Oxford Ionics 将离子阱技术与硅芯片技术相结合，推出具有更优扩展 性和更低噪声特性的新型电子量子比特控制技术 16。离子阱量子计 算路线面临量子比特大规模扩展、高集成度测控以及模块化互联等 瓶颈挑战，未来在路线竞争中能否脱颖而出仍待进一步追踪。

中性原子技术路线使用光镊或光晶格进行原子的囚禁，激光激 发原子里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化，在相干时间、操 控精度以及可扩展性方面占据一定优势。近年来在比特规模扩展和 基于中性原子路线的科研成果颇多。2024 年，德国达姆施塔特工业 大学发布 1305 个单原子量子比特阵列操控实验成果 17。Infleqtion 发 布原子量子计算路线图，计划 2024 年推出 1600 个量子比特原型机 18。英国国家量子计算中心与美国 QuEra、Infleqtion 等公司签订商业 合同，部署中性原子量子计算原型机并建设测试平台 19。Pasqal 宣布 在 2080 个陷阱位中成功捕获约 1110 个原子 20。近期中性原子路线研 究与实验等方面表现颇为亮眼，未来有望在量子模拟应用等方面产 生突破，在多技术路线竞争中迅速崛起。

光量子技术路线利用光子的多个自由度进行编码，优点在于相干时间长、室温运行以及测控相对简单，可分为逻辑门型光量子计 算和专用光量子计算两类。2024 年，玻色量子发布 550 量子比特相 干光量子相干伊辛机“天工量子大脑 550W”21。荷兰 QuiX Quantum在 光量子芯片上演示了 GHZ 态的生成 22，验证了基于集成光子技术有 望开发出大规模可扩展的光量子计算机。未来，逻辑门型光量子计 算样机研发需要在加强光子间相互作用、构建双比特逻辑门以及大 规模集成光子技术等方面集中攻关，专用光量子计算则有望在求解 组合优化等专用实用化问题中展示优势。

硅半导体技术路线使用量子点中囚禁的单电子或空穴作为量子 比特，通过电脉冲实现量子比特操控和耦合，优势体现在与成熟 CMOS 工艺技术兼容等方面。2024 年，Intel 利用 CMOS 制造技术研 发硅半导体量子计算芯片新型制造与测试工艺，基于该技术制造的 自旋量子芯片中量子比特的栅极保真度达到 99.9%23。日本理化研究 所基于硅量子点中两个电子自旋之间发生的自旋封锁现象，实现了 量子比特的高速高精度读出 24。硅半导体路线受限于同位素材料加 工以及栅极间串扰等因素影响，规模扩展性和操控精度等指标的突 破仍面临诸多挑战，在多元路线竞争中优势尚不明确。

量子计算多种技术路线基础科研和工程化成果不断涌现，评估 路线演进趋势和分析比较关键性能指标，有助于直观分析不同技术路线优劣势。图 10 展示了五种主流技术路线关键指标的对比情况， 可以看出，由于量子计算目前处于早期发展阶段，各技术路线的关 键指标发展水平不可避免地呈现参差不一的状态。超导路线的比特 数量、逻辑门保真度等指标提升迅速，其他指标发展也保持相对平 衡；离子阱路线在逻辑门保真度和相干时间指标上表现突出，但比 特数量扩展等方面依旧面临瓶颈挑战；中性原子路线在比特数量、 门保真度和相干时间等指标上持续取得进展；光量子路线完成量子 优越性验证，但与硅半导体路线类似，目前在比特数量、逻辑门保 真度和相干时间等指标方面尚未显露明显优势。

总的来说，多条硬件路线的技术突破难度和发展应用前景存在 差异，各有优劣势，目前仍处于并行发展阶段，何种体系最优尚无 明确定论。当前量子计算原型机的性能水平距离实现大规模可容错 通用量子计算依旧存在较大差距，技术攻关的核心要素是高精度扩 展量子计算原型机比特规模，这意味着量子比特的设计、制造和调 控等方面均面临巨大挑战，未来仍需学术界和工程界协同努力攻关。

2.量子纠错研究不断深入，实用化差距依旧明显

量子纠错用于保护量子比特免受噪声等干扰，是使量子计算机 能够真正发挥其巨大潜力的重要环节之一。量子纠错方案的基本思 路是使用冗余的量子比特来检测和纠正量子比特中的错误，从而恢 复出原始的量子态。这些冗余的量子比特也即量子纠错码，其作用 在于即使在环境噪声和干扰很强的情况下，仍能够保证量子计算的 正确性。 相较于经典纠错码，量子纠错码的构建更为复杂，这是由量子 系统本身特性导致的，例如量子态的不可克隆性会限制非正交未知 量子态的精确复制，因此量子纠错码无法利用简单的复制操作来增 加冗余。自从量子纠错概念被提出，目前已出现了多种采用不同原 理实现的量子纠错编码方案，其中表面码作为一种二能级编码方式， 具有扩展性好、仅需近邻物理比特相互作用、容错阈值高以及多路 线适用等优点，因此受到业界广泛关注。

随着量子计算硬件水平的不断提升，量子纠错研究具备了更好 的物理基础，研究持续深入并取得诸多新进展。2024 年 ，Alice&Bob 公司联合团队提出基于玻色子猫态量子比特和量子低密 度奇偶校验码的纠错编码方案，基于 1500 个物理量子比特编码实现 100 个高可靠性的逻辑量子比特（错误率<10−8）26。清华大学联合 团队提出基于玻色编码的纠错方案，并将其应用到多个逻辑量子比 特从而实现纠缠保护，使纠缠逻辑量子比特的相干时间提高了 45%， 并首次在实验上利用逻辑量子比特证明贝尔不等式 27。IBM 提出基 于量子低密度奇偶校验码的纠错方案，方案实现了 0.7%误差阈值， 当假设物理错误率为 0.1%时，使用 288 个物理量子比特可保护 12 个 逻辑量子比特 28。Quantinuum 联合团队利用 30 个物理量子比特构建 4个逻辑量子比特，逻辑量子比特纠缠时的错误率降至10−5，相较于 纠缠物理量子比特8 × 10−3的错误率降低了近 800 倍 29。

随着近年来量子计算硬件性能和纠错相关控制技术的迅速发展， 量子纠错科研与实验验证持续深入并取得较多进展，但当前逻辑量 子比特的最低错误率距离量子计算实用化要求依旧存在很大差距， 未来需要在以下多个方面开展攻关：研究基于高维度量子资源带来 的冗余实现量子纠错，探索分布式量子纠错架构，实现从原理上免 疫特定噪声的量子系统操控，搭建切合实用化需求的量子纠错方案 评价体系，探究容错量子逻辑门的相关操作等等。综上所述，实用 化量子纠错已经成为业界的重点研究和攻关方向之一，基于量子纠 错构建逻辑量子比特将是下一个重要里程碑，为实现这一目标，未来仍需开展持续研究攻关。

3.量子计算软件持续多元发展，成熟度有待提升

量子计算软件为开发者提供使用量子计算硬件和运行量子算法 的必要工具，正处于快速发展阶段。量子计算软件作为一种结构化 的工具集合，需依据量子计算原理进行开发设计，为不同技术路线 提供应用开发能力、编译能力、硬件测控能力和 EDA 设计开发能力 等，业界在多个方向展开布局，体系架构已逐渐形成，如图 11 所示。 其中应用软件匹配不同行业诉求并进行需求映射，编译软件是实现 软件开发功能的基础，测控软件为量子计算机正常高效运行提供支 撑保障，EDA 软件则是提升量子计算硬件研发与制造工程化水平的 关键，不同量子计算软件的功能各具特色，在用户使用过程中各司 其职。

应用软件提供创建和操作量子程序的工具集，包括算法库、开 发组件和调试优化工具等，支持开发者设计和实现各类复杂的量子 程序并获得执行结果。2024 年，Quantinuum 发布量子自然语言处理 软件“lambeq”0.4.0 版本，改进可用性的同时提升字符串图处理速度 30。HQS 向莱布尼茨超级计算中心交付量子模拟仿真软件“HQS Noise App”，可用于模拟运行量子力学系统 31。微软 Azure Quantum Elements 软件推出生成化学和密度泛函理论加速两项新功能，助力 用户开展化学和材料科学研究 32。未来应用开发软件需要扩展应用 场景研究，丰富计算问题类型，提升算法运行效率，提高跨硬件后 端的支撑能力。

编译软件规范量子编程边界并实现量子程序的正确编译和执行， 同时提供成套的语法规则用以协调和约束编译操作。2023 年底，英 伟达发布量子电路模拟软件 cuQuantum 23.10 版本，更新 API 功能并 提供英伟达 Grace Hopper 系统的支持 33。2024 年，IBM 推出更新版 Qiskit 软件，提升了量子硬件电路优化速度和存储资源占用量等性能 34。Intel 发布量子软件开发工具包 1.1 版本 35。Quantum Circuits 推出 集成式量子软件用于在算法运行中实时管理量子比特错误检测 36。 编译软件未来需要在持续更新迭代的基础上，提升软硬件协同编译能力，完善调度、优化和调试等核心功能。

测控软件主要用于量子计算硬件的控制、处理和运算，支持测 量结果反馈以及芯片校准等功能。2024 年，是德科技将 Q-CTRL 的 Boulder Opal 硬件优化和自动化功能集成到其量子控制系统中，以提 供更优的量子处理器表征和优化功能37。QuantrolOx发布量子比特自 动化控制软件平台 Quantum Edge，支持量子芯片监控、工作流程自 动化和数据可视化 38。测控软件面临的挑战主要体现在量子纠错支 持能力、物理比特和逻辑比特映射能力、自动化和流程化等方面。 EDA 软件可提供量子计算芯片的芯片设计、优化布局、仿真验 证、制造测试等功能。2024 年，是德科技推出面向超导量子处理器 设计的 EDA仿真工具 QuantumPro，可实现电路原理图设计、布局构 建、电磁分析、非线性电路仿真和量子参数提取等功能 39。EDA 软 件未来需要在功能完整性、仿真效率与准确性、优化效果等方面持 续完善，从而实现提升量子芯片设计效率和质量的目标。

由于当前量子计算机硬件技术路线尚未最终确定、通用体系架 构并未完全统一等原因，目前量子计算软件处于开发设计与生态构 建的初期阶段，呈现多元化和差异化的发展态势，不同类型软件功 能各异，但在技术成熟度、稳定性和用户体验等方面均远不及经典 软件完善。随着硬件能力的提升和算法的改进，未来量子计算软件需在量子编程语言、算法库、量子中间表示、硬件接口和优化等关 键环节持续推进，为后续实现更高效可靠的量子计算应用奠定基础。

4.支撑保障系统愈加重要，指标亟待进一步提高

量子态信息易受到复杂环境噪声干扰和量子系统内部非理想特 性等因素的影响而被破坏，因此量子计算机的运行需要极其苛刻的 环境支撑系统，以及高精度的测控系统进行环境保障和测控支持。 量子计算支撑保障系统是技术研究和样机工程研发的重要组成部分 和核心控制要素，主要包括环境设备、测控系统、关键设备组件等 部分，不同部分面临瓶颈挑战存在差异。

环境设备是保障量子计算机稳定运行的必要支撑部分和基础设 施，主要包括超大功率稀释制冷机、GM 脉管制冷机、超高真空腔 及泵组等。2024 年，Bluefors 推出超紧凑版 LD 稀释制冷系统 40。近 年来我国在稀释制冷机等设备方面也取得颇多成果，国盾量子 ezQfridge 稀释制冷机完成交付测试 41，本源量子推出自研的本源 SL1000 稀释制冷机 42。运行不同技术路线的量子计算机所需的环境 设备有所区别，未来仍需在技术水平、核心指标、设备工程化、小 型化、集成化等方面突破技术瓶颈，以支持量子计算机比特数量的 大规模扩展。 精确的量子控制技术和高效的读出技术，对于实现可靠的单量子比特操作、多量子比特逻辑门操作、量子态高保真度读出等量子 操作至关重要。量子计算测控系统大致可分为低温电子学测控系统 和光学测控系统两类，前者通过低温微波技术对超导、硅半导体等 路线的量子比特进行操控，后者则利用光学信号囚禁或激发天然粒 子来实现离子阱、中性原子、光量子等路线的量子比特操控。2024 年，Intel推出 mk级低温量子控制芯片“Pando Tree”43。苏黎世仪器推 出 SHFSG+、SHFQC+和 SHFQA+等三款产品用于实现高保真度的量 子比特控制和读出 44。Oxford Ionics 基于新型嵌入式策略，推出了新 型电子量子比特控制技术 45。量子计算测控系统需要在提升测控精 度和效率的基础上，持续增强稳定性、集成度、灵活性和可扩展性， 才有望在未来量子计算实际应用中实现对量子比特的精确操控。

量子计算机的研发离不开与之相关的关键设备组件的研制与攻 关。按照设备组件的应用领域大致可以分为两类，分别是量子计算 研制不可或缺的特性化设备组件，以及量子计算与光电子、半导体 等领域通用型设备组件。特性化设备组件主要包括高性能示波器、 低温电子学器件、多通道声光调制器和特种线缆等，通用型设备组 件主要包括分子束外延设备、电子束曝光设备、高品质光学镜片、 CMOS/CCD 相机等。2024 年，QuantWare 推出其下一代超低噪声量 子放大器“Crescendo S J-TWPA” 46。Quantum Machines 将其产品bserve 与滨松公司高速 ORCA -Quest 相机进行集成，从而为冷原子 和俘获离子量子比特提供超快速相机读出功能 47。中科院上海微系 统所实现最大计数率 5GHz、光子数分辨率 61 的超高速、光子数可 分辨光量子探测器 48。未来随着量子计算原型机比特规模的不断提 升，关键设备组件的核心指标需进一步优化，与此同时还需强化设 备组件的性能验证能力，以满足量子计算机工程化发展的更高需求。 量子计算所需的极端环境条件对仪器设备的精度、灵敏度、稳 定性等指标提出了极为苛刻的要求，未来量子计算支撑保障系统发 展仍面临瓶颈挑战。一方面由于量子计算处于发展早期阶段、技术 路线尚未收敛等原因，导致支撑保障系统呈现分散化、碎片化的发 展特点，这使得上游供应商难以集中有效地配置资源进而开展核心 技术攻关，明确行业分工、打造量子计算支撑保障领域的“专精特新” 企业可能是一条有效的发展路径。另一方面随着量子计算技术发展 和原型机研制水平不断进步，未来对于支撑保障系统的性能指标提 出了更苛刻的要求，这亟需业界不断攻关推动核心系统、设备、组 件的关键性能指标提升。随着业界在量子计算支撑保障系统领域的 持续投入和不断创新，相关技术产品的发展将为未来量子计算的大 规模应用铺平道路。