量子計算性能評估基準(zhǔn)研究報告 202412

1.前言 12.縮略語 23.量子計算研究進(jìn)展 23.1.超導(dǎo)量子計算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 33.2.光量子計算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 83.3.離子阱量子計算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 93.4.中性原子量子計算研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化 3.5.量子計算性能評估研究進(jìn)展 4.超導(dǎo)量子計算體系 204.1.超導(dǎo)量子計算概述 204.1.1.超導(dǎo)量子計算的基本原理 204.1.2.超導(dǎo)量子計算的優(yōu)劣勢分析 224.2.模塊分類與技術(shù)指標(biāo) 234.2.1.模塊分類 234.2.2.量子處理器 244.2.3.低溫低噪聲平臺 274.2.4.測控系統(tǒng) 304.2.5.模塊指標(biāo)小結(jié) 315.光量子計算體系 325.1.光量子計算概述 325.1.1.光量子計算的基本原理 325.1.2.光量子計算的優(yōu)劣勢分析 345.2.模塊分類與技術(shù)指標(biāo) 365.2.1.模塊分類 365.2.2.量子光源模塊指標(biāo) 365.2.3.光量子線路模塊指標(biāo) 375.2.4.單光子探測器模塊指標(biāo) 375.2.5.模塊指標(biāo)小結(jié) 386.離子阱量子計算體系 406.1.離子阱量子計算概述 406.1.1.離子量子計算的基本原理 406.1.2.離子阱量子計算的優(yōu)劣勢分析 426.2.模塊分類與技術(shù)指標(biāo) 436.2.1.模塊分類 436.2.2.光源模塊 446.2.3.光控模塊 466.2.4.電控模塊 486.2.5.真空囚禁模塊 516.2.6.模塊指標(biāo)小結(jié) 527.中性原子量子計算體系 557.1.中性原子量子計算概述 557.1.1.中性原子量子計算的基本原理 567.1.2.中性原子量子計算優(yōu)劣勢分析 587.2.模塊分類與技術(shù)指標(biāo) 597.2.1.模塊分類 597.2.2.激光光源系統(tǒng) 7.2.3.激光調(diào)制系統(tǒng) 7.2.4.核心物理系統(tǒng) 7.2.5.控制系統(tǒng) 7.2.6.模塊指標(biāo)小結(jié) 8.不同體系量子計算評估技術(shù) 658.1.基礎(chǔ)測控指標(biāo) 658.2.綜合性能指標(biāo) 698.3.應(yīng)用性能指標(biāo) 729.總結(jié)與展望 769.1.主要研究結(jié)論 769.2.未來工作建議 7610.參考文獻(xiàn) 77量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性1卻是一項極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。盡管性能評估對于指導(dǎo)量子計算技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化同維度來評估和比較量子計算機(jī)的性能。這種多維度的評估方法能夠更全面地第3章：對量子計算的基本概念、原理及不同物理體系下量子計算機(jī)硬件的第4章：超導(dǎo)量子計算體系。分析超導(dǎo)量子計算的架構(gòu)和模塊組成，研究模量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性2第5章：光量子計算體系。分析光量子計算的架構(gòu)和模塊組成，研究模塊級第6章：離子阱量子計算體系。分析離子阱量子計算的架構(gòu)和模塊組成，研第8章：不同體系量子計算評估技術(shù)。研究不同體系量子計算機(jī)之間比較的第9章：總結(jié)與展望?？偨Y(jié)本報告研究的主要觀點與結(jié)論，以及對于未來工2.縮略語SFQ：單磁通量子（Superconduct3.量子計算研究進(jìn)展量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性3的經(jīng)典計算有著本質(zhì)的區(qū)別，主要體現(xiàn)在量子比特（qubits）的使用上。量子比超導(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年展性而受到廣泛關(guān)注。2004年，Wallraff等人展示了在固態(tài)系統(tǒng)中可以實現(xiàn)強(qiáng)耦合狀態(tài)，并且實驗觀察到了超導(dǎo)兩能級系統(tǒng)與單個微波光子的相干相互作用。2006年，Steffen等人實現(xiàn)了單次測量完成超導(dǎo)量子比特的量子態(tài)層析。20IBM公司首次在網(wǎng)絡(luò)上云端上線5比特量子計算機(jī)。同年，來自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)成功仿真了一個氫原子。次年量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性4展會上，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月性實驗，利用53個量子比特進(jìn)行了隨機(jī)線路采樣實驗，量子處理器在200秒左右的時間內(nèi)從量子電路中采集了100萬個樣本，而當(dāng)時最強(qiáng)大的超級計算機(jī)大約需要1萬年的時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)量子計算發(fā)展中的一個重要里程碑。2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之二機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機(jī)快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級（“懸鈴木”處理“量子隨機(jī)線路取樣”問題比經(jīng)典超算快2個數(shù)量級），這一成果是我國繼光量子計算原型機(jī)“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達(dá)到“量子計算優(yōu)越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時在兩種物理體系都達(dá)到這一將多個芯片互聯(lián)起來。2012年，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Wallraff等人成功將大學(xué)的Schoelkopf等人在兩個獨立的超導(dǎo)腔量子儲存器之間實現(xiàn)了量子態(tài)，態(tài)傳輸速率大于損失速率，使建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)成為可能。2020年，Wallraff等人將兩個相距5米的稀釋制冷機(jī)改造并將低溫區(qū)連接起來，實現(xiàn)了在不同制冷機(jī)的兩個芯人用1米長的鈮鈦線將兩個獨立封裝的超導(dǎo)量子芯片連接起來，并實現(xiàn)了三比特的保真度提升到99%以上，達(dá)到了單芯片水平，并實現(xiàn)了跨3個芯片的的12比特量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性52009年，DiCarlo等人通過兩比特超導(dǎo)處理器演示了Grover搜索算法和中3比特演示了Shor算法，實現(xiàn)了對于15的質(zhì)因數(shù)分解。2020年，谷歌成功用12大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式展成的一維鏈，在約240層量子線路演化過程中觀測到時間平移對稱性只在系統(tǒng)邊級的誤差抑制。同年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊利用基于自主研發(fā)的量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性6夠被有效壓制。實驗中比較了49個量子比特組成的距離為5的表面碼和17個比特組成的距離為3的表面碼，經(jīng)過25輪糾錯后，錯誤率由3.0%降低值2.9%。同年，了邏輯量子比特的相干壽命達(dá)到805微秒，超過了該系統(tǒng)中不糾錯情況下最好產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，其發(fā)布的Qiskit是全球應(yīng)用最廣泛的開源量子計算軟件框架，它Qiskit提供了一套豐富的工具和庫，支持量子編程、量子信息科學(xué)教育以及量子量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性7與“祖沖之二號”系列超導(dǎo)量子計算機(jī)算力，實現(xiàn)了“天翼云”超算能力和176機(jī)“本源悟空”成功上線云平臺，具有72個計算比特和126個耦合器比特。該量子計算機(jī)已為全球125個國家的用戶完成了超過25萬次運算任務(wù)，全球訪問次數(shù)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性8某些特定的問題上量子計算機(jī)相對經(jīng)典計算機(jī)具有優(yōu)越性，例如Shor算法在大數(shù)分解問題上實現(xiàn)了指數(shù)級的速度提升；Grover算法在搜索問題上得到了的加五光子玻色采樣，同時計劃將單光子源效率提高到74%。2019年王輝等人使用Lund等人提出了散射玻色采樣。即用n2個單光子源，記錄輸出n個光子的樣本。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n+k個光子，輸出n個光子，其中k個光子被損失改進(jìn)，成功率從指數(shù)下降變?yōu)榫€性下降，但2020年鐘翰森等人利用高斯玻色采樣方案研制的“九章”第一次在光子體量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性9量子計算原型機(jī)。2023年，中科大聯(lián)合團(tuán)隊發(fā)布了255光子的“九章三號”光量在商業(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)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性斯布魯克大學(xué)的Blatt組和AQT公司聯(lián)合發(fā)布了具備8個離子的qudit系統(tǒng)，并在此在離子阱系統(tǒng)中增加量子比特數(shù)量主要由三種路徑：量子電荷耦合架構(gòu)（QCCD:Quantumcharged-coupledevice）,光量子計算網(wǎng)絡(luò)和單個離子阱系且即使在微波操控下也做到了120us的雙比特門時間，實現(xiàn)了全微波離子量子計量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性實現(xiàn)千公里級別的連接。2020年牛津大學(xué)的Lucas組實現(xiàn)了兩個獨立離子阱系統(tǒng)之間的離子糾纏態(tài)制備,并且將不同種類離子之間的邏輯門保真度提升到99.8%，突破了容錯閾值;2023年因斯布魯克大學(xué)的Blatt組實現(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組首次實現(xiàn)了以近期還以光子為媒介以高達(dá)250Hz的糾纏速率和94%的保真度實現(xiàn)了兩個離子中實現(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)的一體化阱中實現(xiàn)了超過500個離子的穩(wěn)定囚禁，并用300個離子實現(xiàn)了超過1小時的相干時長。離子阱量子計算的一大缺點是雙量子比特邏輯門量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性等人則提出了脈沖調(diào)制（pulseshaping）的邏輯門方案。2017年馬里蘭大學(xué)的Morone組利用SDK方案實現(xiàn)了雙比特邏輯門，邏輯門耗時18.5μs;2018年牛津大學(xué)的Lucas組采用脈沖調(diào)制方案，實現(xiàn)了耗時1.6μs的雙比特邏輯門，保真但該方法要求離子處于聲子?；鶓B(tài),對環(huán)境影響較為敏感。1999年M?lmer和S?rensen提出的MS糾纏門，以及2003年Leibfried在實驗上實現(xiàn)的光頻移門擺脫一方法，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算機(jī)，隨后又量達(dá)到56，平均雙量子比特門保真度高達(dá)99.計算通過對量子線路的優(yōu)化，可以防止錯誤的擴(kuò)散。在離子阱系統(tǒng)中，NIST的Wineland組于2004年在3離子系統(tǒng)中實現(xiàn)了對單比特相位翻轉(zhuǎn)錯誤的糾正；2011年，因斯布魯克大學(xué)的Blatt組在3離子系統(tǒng)中實現(xiàn)了多輪糾錯；2021年IonQ公司量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性和馬里蘭大學(xué)的Monroe組在13離子系統(tǒng)中實現(xiàn)了邏輯量子比特的容錯操作；Blatt組實現(xiàn)了容錯的全套通用量子比特門，這其中包含兩個邏輯比特之間的CNOT門和對通用量子計算來說至關(guān)重要的單比特T門。2022年Quantinuum公司輯量子比特的GHZ態(tài)，保真度為99.5±0.1將從NISQ時代算法和FTQC時代算法兩個方面來介紹離子阱量子計算機(jī)的應(yīng)用子比特參與計算，最高進(jìn)行了178次雙比特邏輯門操作；在沒有任何誤差緩解技量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性化學(xué)計算場景中的巨大潛力。在金融領(lǐng)域方面，Sanz-Fernández等人利用證明在同樣的計算成本下量子計算產(chǎn)生的統(tǒng)計誤差比經(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)險管理和衍生品定價中，經(jīng)過IONQ公司離子量子計算機(jī)運行驗證，其量子計算給出的風(fēng)險預(yù)測結(jié)果優(yōu)于經(jīng)典計算。在生物制藥方面，Quantinuum利用離子量子計算機(jī)的又一新的方向。在機(jī)器學(xué)習(xí)方向，IONQ在具有11個量子比特的離子量子計算在NISQ時代，通過運行量子變分算法實現(xiàn)量子計算機(jī)的應(yīng)用是一種常見的優(yōu)化。實驗技術(shù)方面，C.Monroe等人在具有40個量子比特的離子量子計算系統(tǒng)中，實現(xiàn)了一種低深度量子近似優(yōu)化算法(QAOA)，估計了ising模型的基態(tài)，是種為離子量子計算系統(tǒng)硬件而量身定制的高效量子變分算法ansatz，放棄傳統(tǒng)的兩比特門，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算實現(xiàn)質(zhì)因數(shù)分解和求解離要量子邏輯門錯誤率低，相干時間長。Preskill將含噪中等量子(NISQ)計算機(jī)定義為大規(guī)模容錯量子計算機(jī)(FTQC)道路上的中間一環(huán)。因此，在探索NISQ量子量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性Quantinuum和Microsoft合作發(fā)布了量子糾錯的最新進(jìn)展，他們基于QCCD方案先物理比特的1/500和1/800，遠(yuǎn)超盈虧點，邏輯比特之間的量子邏輯門操作的錯誤率最低達(dá)到10-8，是邁向通用容錯量子計算的重要邏輯量子比特。除此之外，Quantinuum在離子量子計算機(jī)中將量子態(tài)隱形傳態(tài)習(xí)等領(lǐng)域。例如，2021年IonQ與1QBit和Dow合作研究了電子軌道模擬算法，模擬了10個氫原子組成的環(huán)形分子，將20量子比特的系統(tǒng)分解為10個2比特問題，并在IonQ的離子阱量子計算機(jī)上進(jìn)行了實驗驗證，顯示了利用NISQ機(jī)器去模擬量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性quantumcomputing合并成立，56比特的H2,其平均雙比特門保真度達(dá)到99.8%，量子體積218。基于優(yōu)異的硬件且制備了四邏輯比特的GHZ態(tài)，其保真度介于99.5%至99.7%之間，超過相應(yīng)物理除此之外，Quantinuum還發(fā)布了首個基于量子計算機(jī)的密鑰生成平臺Quantum算化學(xué)軟件平臺，繼承了VQE等各類算法，已經(jīng)產(chǎn)生相當(dāng)豐富的應(yīng)用案例。例如量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性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個以上；美國Saffman團(tuán)隊發(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、兩比特門獨立尋址技術(shù)，實現(xiàn)了包含6個量子比特的量子線路演示。中科院精測院詹優(yōu)化問題當(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?；诶顣赠i團(tuán)隊提出一種3維編碼的方法可以用來求解Ising/QuBo問題。美國的Lukin小組提出了一種通用的編程架構(gòu)可以用來在基于Lechner–Hauke–Zoller(LHZ)模型提公司、AtomComputing公司、供哈密頓量的模擬服務(wù)。AtomComputing公司在其100+量子比特的Phoenix量子量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性時商業(yè)平臺上有史以來最長的相干時間，而弛豫時間T1幾乎是無限的。法國的PASQAL公司利用中性原子模擬量子計算在藥物發(fā)現(xiàn)中進(jìn)行溶美國國防高級研究計劃局（DARPA）推出量子基準(zhǔn)測試項目（Quantum），量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性圖1中國信通院提出的量子計算基準(zhǔn)測評體系架構(gòu)4.超導(dǎo)量子計算體系對被凝固在基態(tài)，使得材料表現(xiàn)出宏觀量子量子（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)滿足方便比特、磁通量子比特和相位量子比特，還有基于基礎(chǔ)類型演化出的Quantronium比特、Transmon比特以及Fluxonium比特等。超導(dǎo)量子比特設(shè)計上需要兼顧相干控制線路，這往往會引入更多的噪聲源導(dǎo)致比特相干性能下降，F(xiàn)luxonium比特超導(dǎo)量子計算下一步的核心目標(biāo)是在提升比特操控保真度的同時不斷拓展量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性子計算機(jī)還比較遙遠(yuǎn)，在NISQ量子計算硬件系統(tǒng)上，探索有實用價值的應(yīng)用也般工作溫度低于30mK。穩(wěn)定維持如此低的溫量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性圖2超導(dǎo)量子計算系統(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，每個量子比特可以編碼信息|0>和|1>的任意疊加態(tài)。比特通過芯片上控制線路扇出連接到低溫平臺的控制線纜量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性|0>和|1>會體現(xiàn)為微波讀取腔頻率的不同移動量，通過向讀取腔加探測微波脈沖位上，通過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>還是數(shù)十mK溫級直接傳輸?shù)礁邷丶墪辉肼曆蜎]。超導(dǎo)參量放大器是放大讀取信量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算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)用量子耦合強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍，典型值為+5MHz量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性理器從室溫冷卻到工作溫度（小于等于20mK）,再升溫到室溫為一次冷熱循環(huán)，增益：量子放大器對比特讀取信號的放大的增益，典型值為1放大頻率范圍：可放大的信號頻率范圍，典型值為4G量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性要標(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比特的|1>態(tài)熱制冷功率：100mK制冷功率，，即在溫度為100mK時的制冷功率，典型值量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性4.2.3.3.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>200；一組讀取可通過頻分復(fù)用實現(xiàn)對多個比特的讀取，讀取電纜余拖尾，指數(shù)衰減的幅度相對方波幅度比值為畸變幅度(α),衰減時間常數(shù)為量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性l軟件延時：量子程序運行流程中，除硬件運行時間外，軟件加載配置，箱集成變成芯片級集成方案。第一步的方案是利用低溫CMO表格1超導(dǎo)量子計算體系模塊指標(biāo)小結(jié)目前最大規(guī)模的量子處理器比特數(shù)已經(jīng)達(dá)表征一個比特可以直接和多少個比特直接量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性指數(shù)衰減的幅度相對方波幅度比值為畸變幅度(α),衰減時間常數(shù)為畸變長度(τ),///////5.光量子計算體系量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性算可分為專用和通用的量子計算模型，光學(xué)通用量子計算主流方案主要包括：Laflamme和Milburn在2000提出的KLM方案或子比特的局部測量來進(jìn)行計算步驟。它起源于Raussendorf和Briegel在2001碼的糾纏模式數(shù)超過30000個；這個模型最大的難點在于制備高保真度的糾纏態(tài)以及實現(xiàn)反饋測量。另外，由于使用線性光學(xué)干涉實現(xiàn)將小的糾纏態(tài)融合成更大的簇態(tài)是概率性的，如基于線性光學(xué)的貝爾態(tài)測量的成功率為50%,雖然通過和Eisert在2007年提出了基于簇態(tài)的逾滲小規(guī)模的“星形”簇態(tài)放置在規(guī)則排布的晶格G的節(jié)點處，然后通過使合門操作對這些小的簇態(tài)進(jìn)行連接。如果融合門的成功率超過晶格G的逾滲閾量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性主要包括玻色采樣以及為特定專用模型構(gòu)建的光量子模擬器。(3)為光學(xué)量子處光子集成電路。光子集成電路（PIC）技術(shù)已經(jīng)相對成量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性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)目前主要的實現(xiàn)途徑包確定性的光子-光子耦合是對于實現(xiàn)確定性糾纏邏輯操作是最重要的，主要實現(xiàn)率~40%,主要目標(biāo)是超過容錯閾值的高保真度和效率的糾纏操作；對于光量子圖3光量子計算模塊示意圖激發(fā)后，光源應(yīng)該以按鈕方式確定性地發(fā)射一個光子，這可以通過測量效率獲兩個或更多光子的事件，對于這一指標(biāo)可以通過HBT干涉測試0延時時刻的二階重合度。這可以通過糾纏保真度關(guān)聯(lián)測量或者進(jìn)行量子態(tài)層析獲得，典型值為關(guān)研究整體上處于起步階段。主要指標(biāo)包括1）光學(xué)端到端透過率：光功率量保真度得到，對于10個模式左右的干涉線路的典型值為95%。（3）相位穩(wěn)定單光子探測器在光量子計算中用于評估其性能的主要指標(biāo)包括:(1)探測效量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性時刻的偏差。這可以通過示波器或者快電子學(xué)設(shè)備測試，典型取值為100皮秒。(4)計數(shù)率/死時間：計數(shù)率表示光子脈沖最高重復(fù)頻率，而死時間是指探測器接收到一個單光子產(chǎn)生電響應(yīng)脈沖后,無法再進(jìn)行探測的時間。目前計數(shù)率約為1至100MHz，死時間典型值為10ns至200ns不等。另外對于單光子探測表格2光量子計算模塊指標(biāo)匯總率量量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性長），整度數(shù)理想指標(biāo)為10000理想指標(biāo)為1ps件間當(dāng)前水平為：10ns~200ns量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性6.離子阱量子計算體系離子阱系統(tǒng)是最有希望實現(xiàn)通用量子計算的平臺之一。自1995年Cirac和Zoller提出用離子阱實現(xiàn)量子計算以來，量子計算的所有基本元素都已在該系統(tǒng)者利用射頻振蕩電場和直流靜電場囚禁帶電粒子，開發(fā)出了線性保羅阱,后者利二是光量子比特(opticalqubit）。一個能級處于基態(tài)能級，另一個能級處于量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性三是塞曼量子比特（Zeemanqubit）。量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性l擴(kuò)展成本低。離子阱量子計算機(jī)的測控系統(tǒng)復(fù)雜度不會隨著量子比特數(shù)l量子比特全同性。離子量子比特是離子內(nèi)部的一對二能級系統(tǒng)，因此是天然全同的，這保證了所有量子比特有近乎相同的性質(zhì)和性能，降低了l量子比特連通性。連通性是指任意一個量子比特能和多少個量子比特直接做雙比特邏輯門。連通性越高的系統(tǒng)，其量子線路越容易簡化，或者說相同的任務(wù)，需要執(zhí)行的邏輯門操作越少。離子阱量子計算利用離子晶體的集體振動模式作為媒介實現(xiàn)不同量子比特之間的耦合，而集體振動模式為所有離子共享，因此任意一個離子可以和任意其它離子進(jìn)行雙l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%，單比特邏輯門保真度大于l量子比特相干時間。量子比特相干時間可以理解為量子比特能夠存儲信l邏輯門操作速度。由于操作原理的限制，離子阱在量子門速度方面存在量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性l尋址難度大。目前主流的離子阱路線使用尋址激光對離子進(jìn)行邏輯門操作，需要將激光聚焦到單個離子上，并且需要保持激光和離子的相對位置不發(fā)生改變。離子晶體懸浮在電極附近，機(jī)械振動、光路漂移以及電磁噪聲等因素會引起激光和離子相對位置的抖動，從而引起錯誤。在大量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性探測激光、電磁誘導(dǎo)透明冷卻激光通常來自同一臺激光器，此處簡稱為DSPAM激光器；邊帶冷卻激光和邏輯門操作激光也通常來自同一臺激光器，簡稱SQ激量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性2(x2+y2)光束質(zhì)量因子M2來衡量光斑有多接近高斯基模。M2定義遠(yuǎn)場發(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6.2.2.2.性能指標(biāo)典型值分類，不以激光器分類，如上所述，不同功表格3離子阱量子計算對各種功能激光的指標(biāo)需求<0.5%<0.5%<0.5%<0.1%量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性的聲速是其主要限制。可通過光電探測器探測功率的變化曲線來直接測量。量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性表格4DSPAM光模塊指標(biāo)要求時間(μs)<0.5%SQ光模塊將來自SQ激光器的激光進(jìn)行分束調(diào)控，輸出邊帶冷卻激量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性表格5SQ光模塊指標(biāo)要求節(jié)范圍(MHz)(μS)(dB)邊帶冷卻激光<0.5%邏輯門操作<0.1%描表格6回泵光模塊指標(biāo)要求節(jié)范圍(μS)時調(diào)控，以實現(xiàn)對離子量子比特的實時操控。主要包括射頻輸出模塊（DDS量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性數(shù)字輸入/輸出模塊一方面可以用來輸出數(shù)字信號，可用于對部分射頻信號進(jìn)行性和峰峰值穩(wěn)定性表征。RMS穩(wěn)定性是指測量時間內(nèi)所有采樣功率值的均方根射頻信號功率可通過射頻功率計直接測量，典型值為?10dbm~20dBm。光調(diào)制器時其典型頻率范圍為1MHz-1GHz，驅(qū)動電光調(diào)制器或其他設(shè)備時其典頻信號頻率范圍典型值為1-400MHz，頻率穩(wěn)定性主要取決于外部時鐘輸入，通信號強(qiáng)度，后者與前者的比值定義為隔離度，其典量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性射頻信號的相位穩(wěn)定性可以通過相位噪聲來表征，相位噪聲典型值是-電控系統(tǒng)的數(shù)字信號的開關(guān)速度決定了電控系統(tǒng)在與外部器件交互時的精其典型值通常為5ns-20ns。最小調(diào)節(jié)精度指的是數(shù)字信號在時間定位上的精度，取決于電控系統(tǒng)芯片的運行頻率，對于離子阱系統(tǒng)來說，其典型值為1ns-10ns。靜態(tài)輸出機(jī)箱主要用于產(chǎn)生幅值和頻率不隨時間變化的射頻信號和幅值不位數(shù)決定，它影響了離子阱系統(tǒng)對離子平衡位置的調(diào)控精度,典型取值為16位量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性典型取值為10ppm，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定性典型取值為1ppm。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)定性是指測值是RMS穩(wěn)定性0.01%-0.1%，峰峰值穩(wěn)定量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性冷卻光不會一直存在，因此Darklifetime更有價值了操控激光和離子之間的相對穩(wěn)定程度?？赏ㄟ^MZ干涉儀測量與電極安裝量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性表格7離子阱量子計算模塊指標(biāo)小結(jié)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性7.中性原子量子計算體系量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性目前中性原子量子計算領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出了數(shù)字式量子計算和模擬式量子計磁子能級作為一個量子比特的0態(tài)和1態(tài)。例如將銣87原子的I5S1/2量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性原子的躍遷頻率隨空間位置變化。當(dāng)原子處在x>0的正半軸區(qū)域時，m失諧δ=ω?ωa>0時，力指向梯度的反方向，即指向光強(qiáng)弱的方向；當(dāng)失諧δ<0在光強(qiáng)最強(qiáng)的焦點附近，根據(jù)“碰撞阻塞原理”，當(dāng)偶極阱束腰小于等于4微米|1?=|5S1?2,F=2,mF=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不與光相互作用，形成“暗態(tài)”(dark量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性-偶極相互作用實現(xiàn)兩比特糾纏，該方法對原子熱運動并不敏感，而且門操控的(1)良好的可擴(kuò)展性：中性原子體系單個量子比特是囚禁在單個偶極阱中的，特陣列。另外一種是利用多芯光纖的方案，每一根光纖內(nèi)合束有偶極光、量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性(4)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的操作時間,而且大小的控制對于減少量子算法執(zhí)行過程中的退相,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長程的、操控時間控制到微秒以內(nèi),而且該作用可以通過相干激發(fā)到里德伯態(tài)或從里德伯態(tài)相干退激發(fā)進(jìn)行開關(guān),也可以通過電場、磁場和原子的空間排列量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性圖5中性原子量子計算的概念架構(gòu)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性光泵光功率在幾十微瓦量級，功率穩(wěn)定性在3%以內(nèi)。單個偶極阱的功率一般在卻光、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量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性激光的頻率調(diào)制一般通過聲光調(diào)制器或光纖EOM實現(xiàn)，調(diào)制范圍從幾十位置不確定性越小，同時對偶極光功率的需求越低。一般要求偶極阱束腰小于1量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性控制系統(tǒng)主要包含主動的時序控制機(jī)箱和程序以及接收控制信號的靜態(tài)輸光偏轉(zhuǎn)器以及光纖EOM等。驅(qū)動普通電光調(diào)制器時典型頻率范圍為1MHz-），量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性信號強(qiáng)度，后者與前者的比值定義為隔離度，其典射頻信號的相位穩(wěn)定性可以通過相位噪聲來表征，相位噪聲典型值是-直流電源通常用于給MOT線圈和補(bǔ)償線圈提供電流，用于產(chǎn)生不同大小的表格8中性原子量子計算模塊指標(biāo)小結(jié)性性）；8.不同體系量子計算評估技術(shù)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性表格9基礎(chǔ)測控指標(biāo)匯總表12量子比特從激發(fā)態(tài)弛豫到基態(tài)的概率為3量子比特的相位弛豫到完全混亂的概率45678量子計算機(jī)執(zhí)行兩比特門操作的保真9量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性科大祖沖之號2.1、谷歌懸鈴木號升級版、谷歌柳木號、中科大祖沖之號3.0表格10不同超導(dǎo)量子計算機(jī)部分基礎(chǔ)測控性能指標(biāo)對比月量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性圖6不同超導(dǎo)量子計算機(jī)部分基礎(chǔ)測控性能比較表格11適用于玻色采樣光量子計算機(jī)的專用基礎(chǔ)測控指標(biāo)12345量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性表格12不同光量子計算機(jī)部分基礎(chǔ)測控性能指標(biāo)對比118圖7不同光量子計算機(jī)部分基礎(chǔ)測控性能比較量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性operationspersecond）、rQOPS（reliableQuantumOpe目前，Quantinuum公司的離子阱量子計算機(jī)H1實現(xiàn)了220的量子體積。盡管量子閾值的前提下最多含有n個能夠運行典型量子線路的量子比特，那么其算法量子比特數(shù)為n，其中典型量子線路定義為含有n2個CNOT門的量子線路。IonQ公司l最大糾纏比特數(shù)（MaximumGenuine子比特數(shù)目，其產(chǎn)生的糾纏態(tài)的保真度應(yīng)超過0.5。通?？僧a(chǎn)生GHZ態(tài)或圖態(tài)量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性采樣過程，因為所需的資源會隨著量子比特數(shù)量的增加而指數(shù)級增長。而XEB表現(xiàn)的誤差指標(biāo)不能精確衡量量子計算機(jī)在一些現(xiàn)實問題上的性能[56]，因此他果表明量子計算機(jī)在運行現(xiàn)實問題的量子線路時出現(xiàn)的錯誤和做標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)基lCLOPs（CircuitLayer所運行的量子線路的層數(shù)[57]。由于量子計算機(jī)運行一個量子線路實質(zhì)上還包含量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性量子超級計算機(jī)至少需要一百萬個rQOPS，而現(xiàn)今NISQ時代下的硬件的rQOPS最基礎(chǔ)的無約束的二階二值優(yōu)化問題（QUBO，Quadraticunconstrainedbinary常使用的TTS（TimeToSolution量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性本報告建議的應(yīng)用性能指標(biāo)包括：QPack、變分量子數(shù)因子分解（VQF）、題、支配集（DominatingSet）問題l變分量子數(shù)因子分解（Variatio量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性門（HadamardGate最后測量量子比特在|0,/|1,基底上的狀態(tài)；3.正方加而線性增長。Daniel等人還進(jìn)一步考察了以下三個指標(biāo)：HeavyOutputThomas等人提出了面向量子計算應(yīng)用的性能基準(zhǔn)測試開源套件，包含多種典型算法或小規(guī)模應(yīng)用程序，如簡單的基于Oracle的算法、量子傅里葉變量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟量子計算性計算應(yīng)用中的性能。量子LINPACK基準(zhǔn)測試解決了一個條性系統(tǒng)問題，這是通過HermitianRAndomCircuitBlock-EncodedMatrix（H-獲取更多關(guān)于執(zhí)行效率、對NISQ錯誤的敏感性以及機(jī)器特定優(yōu)化的表格13應(yīng)用性能指標(biāo)匯總表1QPack√√√√2MQLib√√√√3VQF√√√√4應(yīng)用驅(qū)動的基準(zhǔn)測試√√√√5面向應(yīng)用的性能基準(zhǔn)測試√√√√6Q-Score√√√√7F-VQE√√√√量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟