光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023年）

(2023版權(quán)聲明 算的需求呈指數(shù)級增長?，F(xiàn)有馮?諾依曼架構(gòu)下的傳統(tǒng)電子信號處理一、光計算發(fā)展背 (一)研究背 (二)概念與分 (三)發(fā)展歷 二、光經(jīng)典計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài) (一)光電混合架構(gòu)為主，專用光計算異軍突 (二)三大趨勢持續(xù)演進，體系化發(fā)展有望加 (三)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度偏低，產(chǎn)業(yè)集群地域較集 (四)產(chǎn)學研持續(xù)一體化，三階段推進市場應(yīng) (五)技術(shù)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)仍存，國內(nèi)外進度基本持 三、光量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài) (一)分層式架構(gòu)為主流，兩技術(shù)路線并行發(fā) (二)遵循三步發(fā)展規(guī)劃，芯片集成是發(fā)展方 (三)硬件軟件持續(xù)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈仍需完 (四)多國積極布局規(guī)劃，政策及資金支持加 (五)當前我國局部領(lǐng)先，未來發(fā)展仍面臨挑 四、總結(jié)與建 (一)光計算多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣 (二)光計算仍處發(fā)展的初級階 (三)光計算預計將分三階段推 (四)技術(shù)攻關(guān)協(xié)同產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā) 參考文 圖目錄圖目錄圖1全球算力規(guī)模與算力增 圖2光計算與電計算的性能對 圖3光計算分 圖4光經(jīng)典計算與光量子計算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對 圖5光計算發(fā)展歷 圖6光經(jīng)典計算技術(shù)框 圖7光電混合計算架 圖8光經(jīng)典計算產(chǎn)業(yè) 圖9光經(jīng)典計算產(chǎn)業(yè)視 圖10光量子計算技術(shù)框 圖11邏輯門光量子計算發(fā)展歷 圖12相干伊辛機發(fā)展歷 圖13邏輯門光量子計算原理示意 圖14相干伊辛機實裝置示意 圖15邏輯門光量子計算發(fā)展階段三步 圖16芯片集成光量子計算示意 圖17光量子計算產(chǎn)業(yè)視 圖18光量子計算軟件示意 表目錄表目錄表1全球光經(jīng)典計算企業(yè)及產(chǎn)品情 表2全球光量子計算企業(yè)及產(chǎn)品情 表3全球各國涉及光量子的項目規(guī)劃不完全統(tǒng) 光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023年 中國信息通信研究院《中國算力發(fā)展指數(shù)白皮書（2023中國信息通信研究院《中國算力發(fā)展指數(shù)白皮書（2023年全球算力規(guī)模不斷擴大，下游應(yīng)用市場算力需求增長強勁。據(jù)20232022年全球計算設(shè)備算906EFlops47%1（。伴隨萬物感知、IDC預測數(shù)據(jù)，2025年全球40080ZB，且超過一半50%的速度增長。OpenAI數(shù)據(jù)指出，2012年之20123~4圖1 光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023年 李潔,李潔,王月.算力基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀,趨勢和對策建議[J].信息通信技術(shù)與政策20303800基于馮?20年中，硬件的算力9DRAM30IntelGHz為應(yīng)對萬物智能時代海量應(yīng)用創(chuàng)新和重大技術(shù)革新對算力供給的百 光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023年 來源：LightmatterHotChips圖21LightmatterHotchips會議報告《SiliconPhotonicsforArtificialIntelligenceAcceleration》（DARA2022年42500術(shù)。歐洲方面，歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計劃資助的項目之一過程結(jié)合起來的混合計算系統(tǒng)。20229月，德國航空航天中心啟5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心等建設(shè)，推動算力產(chǎn)業(yè)生態(tài)日漸完善AI加速計算芯片成為重要內(nèi)容，包括光電混合AI加速計算芯片、量子計算、基于固態(tài)微腔光電子芯片、光學神經(jīng)擬態(tài)計算系統(tǒng)和PB級超低功耗納米光存儲等技術(shù)的研發(fā)。中央網(wǎng)絡(luò)安（圖3

（圖1）光發(fā)射（MZI圖4光計算按照所處理的數(shù)據(jù)形態(tài)可分為通用的數(shù)字光計算和專用光計算的發(fā)展歷程大致可分為三個階段[2]：如5，第一個階段204080圖5

6070全息存儲等。1990AT&T貝爾實驗室宣布研制成功了一臺21世紀初，由于光計算所具備的超高的計算速圖6光經(jīng)典計算技術(shù)框架

電子單元與光計算單元兩個部分[3]（圖1A2課題《光計算關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究》,圖7

Sanac光邏輯門所依賴的非線性材料和結(jié)構(gòu)不可避免地為器件的設(shè)計和制（大多數(shù)關(guān)于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結(jié)電[]從二2x2MZI陣列提供矩陣?矢量積實TensorFlow、PyTorchAPI被大廠軟件工具調(diào)用，I/O給產(chǎn)業(yè)鏈下游的企業(yè)客戶，實現(xiàn)在各行業(yè)領(lǐng)域的算力應(yīng)用（圖圖8

企業(yè)包括：Lightmatter、LuminousComputing、FathomComputing（表。美企業(yè)技術(shù)多沿襲自高校，以上代表性初創(chuàng)企業(yè)技術(shù)都來源于麻省理工學院等。歐洲方面，英國的Optalysys沿襲劍橋大學研10家較為典型的初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)形成以光計算為核心的主營AI構(gòu)建并商業(yè)化基礎(chǔ)模型；二是光計算業(yè)務(wù)積品，為傳統(tǒng)電計算提供光學協(xié)處理加速。LightmatterAIFT:X2000光學處理器主要的應(yīng)用場景包括無人駕駛、醫(yī)學圖像分析LuminousComputing的重點從光計算向芯片間光互連表1AI202120222022AIFT:X2019Jean202120182018和T如微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統(tǒng)M，用于加M則基于M于初創(chuàng)公司，如孵化于IT的iatter和孵化于巴黎高師的ihonFPA或SIC相結(jié)如23年6月，gtatter14億美元的C輪融資，7月ptlss宣布籌集了10萬英鎊的A（圖。圖98各大高校以及微軟和IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭在光計算領(lǐng)域成果的發(fā)布，光計算技術(shù)的認可度逐步提升。5年時間里，全球范圍內(nèi)布局光計算的也日益頻繁，DeepTech科技創(chuàng)新周先進計算論壇、光電集成芯片立2019年分析師大會上8分層體系架構(gòu)，并逐層攻破。其技術(shù)框架如10所示，可大致分為圖10

用光量子計算平臺，發(fā)展歷程如11所示。非邏輯門光量子計算主要用于解決特定優(yōu)化問題，是專用光量子平臺，如相干伊辛機Machine，CIM11圖12

計算。圖13是邏輯門光量子計算原理示意圖，計算過程包括三個步6月推出的Borealis216個光子的高斯玻色采樣實驗[8]。圖13以CIM為代表的非邏輯門光量子計算平臺不具備通用量子門集，CIM是利用量子失協(xié)作為計算資源的耗散式量子計算機。圖14是CIM裝置示意圖，CIM基于相互耦合的光學參量振蕩器網(wǎng)絡(luò)，通過以光纖中的激光脈沖相位（0態(tài)和π態(tài)）作為量子比特進行CIM適于形成超大規(guī)模的量CIMCIMCIM發(fā)展迅速，取得許多階段性突破。20219NTT基礎(chǔ)研究實驗室發(fā)布100,512Ising自旋量子比特的CIM[9]。202211月，中科院光電研究所及中科院半導體所等幾個25600CIM[10]。2023年5100量子比特的國內(nèi)首臺相干光量子計算圖14現(xiàn)階段，CIM與邏輯門光量子計算平臺相比，量子比特數(shù)占優(yōu)，CIM已實現(xiàn)數(shù)萬個自旋量子比特，CIM在量子比特CIM更早進入落地商用。圖15所示。光量子計算的第一階段主要任務(wù)是驗證光量子計算能在有限的相干時間內(nèi)執(zhí)行不完美操作，在具體執(zhí)行時，會與經(jīng)典計圖15現(xiàn)芯片集成式光量子計算，如圖16所示。圖1620234月，2500入。光量子計算產(chǎn)業(yè)視圖如17所示，包括底層組件支撐系統(tǒng)、光圖17PhotonicInc、WavePhotonics等（表2）表2201620162022202120212022Photonic20162019msGlobal201420172019202120212016芯片。美國PsiQGlobalFoundries合作研發(fā)Xanadu與GlobalFoundries如圖18（I光量子處理器可以識別并執(zhí)行的物理指令來控制光量子操作時序等底層信息。IR-R向用戶提供光量子軟件開發(fā)工具包和光量子計算云平臺進而為用戶圖182018年，全球首款專用光量子計算軟件FeynmanPAQS由上海交大金賢敏教授團隊自主研發(fā)成功并發(fā)布。FeynmanPAQS作為光量子芯片設(shè)計輔助TuringQGen1形成Xanadu推出了XanaduQuantumCloud(XQC)StrawberryFields應(yīng)用程序庫，使企業(yè)和研究人XanaduQuantumComputingInc.（QCI）20225月收購了光量子計算硬件公司算為代表的多條量子計算路線的科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如表3所示。表3國家/2022201320222023（企業(yè)合作類，5000元20222023（11元2022（2500PsiQ和格芯20222014（40002023《量子科學技術(shù)（光·量子技術(shù)）2017LEAP2018（億日元2021《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略（最終報告202020222023量子無晶圓廠202220233年開始實施的英國國家量子技術(shù)計劃建立了量子通信中心和量子計算22T牽頭，聯(lián)合4222年412020年確定光量子設(shè)備組件的優(yōu)睞光量子計算發(fā)展。美國政府在2022年向格芯(GlobalFoundries)及2014年提出的量子光子學傳感與安全研發(fā)計劃，重點推進科學研究202314000Xanadu。2015500015年前建立了量子技術(shù)中心，并提出了國家量子工程計劃，為Xanadu。202236μs內(nèi)探測了216個光子序列BorealisBorealis。2013年首創(chuàng)量子點源方面，20236月，中科大郭光燦院士團隊基于自發(fā)四波混頻過程202011月推出的基于氮化鈮材料的SNSPD，其探測效率98%；20228（IEC）牽頭制定的首控[12]。國外光量子集成芯片研發(fā)團隊較為有代表性的是PsiQuantum和XanaduGlobalFoundries202232023年底準備就緒。大以及歐洲等地，實力較為突出的當屬加拿大的Xanadu和美國的PsiQuantum。Xanadu已推出多款硬件、軟件以及模擬器產(chǎn)品；PsiQuantum201610031.5億美元。我國的光量子科技公司有圖件產(chǎn)品推出（2，彰顯了一定的企業(yè)實力。ISO/IECJTC1、IEEE、ITU-T和國內(nèi)標準組織TC578主要開展術(shù)語定義類標準研究，IECTC90則從事光量子器件方面的標準研制。多國家的共識。2022PASQAL宣布與化學公Optalysys光2017年展示了其李修建,賈輝,楊俊波等.光計算技術(shù)基礎(chǔ)PierreAmbs,OpticalComputing:A60-YearAdventure,AdvancesinOpticalTechnologies2010,372652(2010).ZhipingZhou,PengfeiXu,XiaowenDong.ComputingonSiliconPhotonicPlatform.ChineseJournalofLasers47,060001(2020).方中勤.全光邏輯門關(guān)鍵技術(shù)研究.北京郵電大學WuJ,LinX,GuoY,etal.AnalogOpticalComputingforArtificialIntelligence.Engineering10,133-145(2022).龍運.基于硅基光子器件的光子信息處理.華中科技大學曦智科技.大規(guī)模光電集成賦能智能算力網(wǎng)絡(luò)白皮書Madsen,L.S.,Laudenbach,F.,Askarani,M.F.etal.Quantumcomputationaladvantagewithaprogrammablephotonicprocessor.Nature606,75–81(2022).ToshimoriHonjoetal.,100,000-spincoherentIsingAdv.7,eabh0952Cen,Q.,Ding,H.,Hao,T.etal.Large-scalecoherentIsingmachinebasedonoptoelectronicparametricoscillator.LightSciA