《量子科技产学研创新联盟：2024量子计算性能评估基准研究报告（87页）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子科技产学研创新联盟：2024量子计算性能评估基准研究报告（87页）.pdf（87页珍藏版）》请在三个皮匠报告上搜索。

1、 在当前的 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代，量子计算技术正从理论研究的深谷走向实际应用的广阔天地。随着各种量子计算原型机相继问世并逐步投入市场，标志着量子计算技术进入了一个崭新的发展阶段。然而，准确评估这些量子计算机的性能，成为了一个亟待解决的关键问题。为了应对这一挑战，本报告深入调研分析了不同物理体系量子计算机的结构组成和工作原理，包括超导体系、光量子体系、离子阱体系以及中性原子体系，探讨了评估量子计算性能不可或缺的模块指标和系统指标，如量子比特的相干时间、量子门保真度等，在此基础上提出一套多维度的评估体系，从基础测控、综合性能和应用性能三个

2、层面对量子计算机进行全面而深入的评估。基础测控着重于量子计算机的硬件性能和操作精度；综合性能评估则着眼于量子计算机的整体性能；而应用性能则专注于量子计算机在解决实际问题时的表现和效能。该多维度的评估方法旨在更全面、更精准地衡量量子计算机的性能，为量子计算技术的发展和优化提供有力的指导和支持，也将有助于推动量子计算机性能评估标准的建立，促进量子计算技术的健康发展和广泛应用，为未来的科技进步和创新奠定坚实的基础。编制编制单位：单位：中国科学技术大学、科大国盾量子技术股份有限公司、华翊博奥（北京）量子科技有限公司、中科酷原科技（武汉）有限公司、中国信息通信研究院、济南量子技术研究院、中电信量子信息科

3、技集团有限公司、华为技术有限公司、武汉量子技术研究院、无锡江南计算技术研究所、中国科学院计算技术研究所、中国人民解放军国防科技大学、杭州知量科技有限公司、本源量子计算科技（合肥）股份有限公司、深圳市腾讯计算机系统有限公司、京东科技信息技术有限公司、中国电子技术标准化研究院、中国计量大学、中国人民解放军网络空间部队信息工程大学、中国电子信息产业集团有限公司、山东新一代标准化研究院有限公司、山东量子科学技术研究院有限公司 编写组编写组：朱晓波、赵勇、李东东、吴玉林、何玉明、杨嵩翔、汤彪、赵梅生、梁福田、蔡明磊、付卓、张萌、周飞、孙汉涛、邹作恒、吴泽文、吴东、李萌、吴伟、丁艳、赵勇杰、张胜誉、邬兴尧

4、、张弛、谭爱红、黄合良、王增斌、郭凯 目目 录录 1.前言前言.1 2.缩略语缩略语.2 3.量子计算研究进展量子计算研究进展.2 3.1.超导量子计算研究进展与产业化.3 3.2.光量子计算研究进展与产业化.8 3.3.离子阱量子计算研究进展与产业化.9 3.4.中性原子量子计算研究进展与产业化.16 3.5.量子计算性能评估研究进展.19 4.超导量子计算体系超导量子计算体系.20 4.1.超导量子计算概述.20 4.1.1.超导量子计算的基本原理.20 4.1.2.超导量子计算的优劣势分析.22 4.2.模块分类与技术指标.23 4.2.1.模块分类.23 4.2.2.量子处理器.24

5、4.2.3.低温低噪声平台.27 4.2.4.测控系统.30 4.2.5.模块指标小结.31 5.光量子计算体系光量子计算体系.32 5.1.光量子计算概述.32 5.1.1.光量子计算的基本原理.32 5.1.2.光量子计算的优劣势分析.34 5.2.模块分类与技术指标.36 5.2.1.模块分类.36 5.2.2.量子光源模块指标.36 5.2.3.光量子线路模块指标.37 5.2.4.单光子探测器模块指标.37 5.2.5.模块指标小结.38 6.离子阱量子计算体系离子阱量子计算体系.40 6.1.离子阱量子计算概述.40 6.1.1.离子量子计算的基本原理.40 6.1.2.离子阱量子

6、计算的优劣势分析.42 6.2.模块分类与技术指标.43 6.2.1.模块分类.43 6.2.2.光源模块.44 6.2.3.光控模块.46 6.2.4.电控模块.48 6.2.5.真空囚禁模块.51 6.2.6.模块指标小结.52 7.中性原子量子计算体系中性原子量子计算体系.55 7.1.中性原子量子计算概述.55 7.1.1.中性原子量子计算的基本原理.56 7.1.2.中性原子量子计算优劣势分析.58 7.2.模块分类与技术指标.59 7.2.1.模块分类.59 7.2.2.激光光源系统.60 7.2.3.激光调制系统.61 7.2.4.核心物理系统.62 7.2.5.控制系统.63

7、7.2.6.模块指标小结.64 8.不同体系量子计算评估技术不同体系量子计算评估技术.65 8.1.基础测控指标.65 8.2.综合性能指标.69 8.3.应用性能指标.72 9.总结与展望总结与展望.76 9.1.主要研究结论.76 9.2.未来工作建议.76 10.参考文献参考文献.77 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 1 1.前言 量子计算研究正成为全球科技领域的热点，其深远的意义在于它为解决复杂问题提供了前所未有的计算能力。量子计算机利用量子比特的叠加和纠缠特性，有望在密码学、药物设计、材料模拟、优化算法等领域实现突破，推动科学研究和技术创新。同时，量子计算的发展

8、还可能带动量子通信、量子传感等新技术的进步，为社会带来广泛的经济和产业变革。随着量子技术的不断成熟，量子计算有望在未来几十年内成为推动社会进步的重要力量，对教育、经济、产业等多个领域产生深远的影响。当前，我们正处于 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代，多种量子计算原型机相继面世，甚至开始推向市场。然而，评估这些量子计算机的性能却是一项极具挑战的任务。尽管性能评估对于指导量子计算技术的发展和优化至关重要，但目前尚未形成统一的评估标准。量子计算机的性能评估需要综合考虑量子比特的相干性、量子门保真度、系统稳定性和可扩展性等。面对量子计算机的多样性和复杂性

9、，建立一套全面、公正且可操作的评估体系，对于推动量子计算技术的健康发展和商业化应用具有重要意义。为了解决这一评估难题，我们开展了深入的调研与研究，形成了本报告。我们对不同体系的量子计算机进行了全面的调研，分析了它们的结构组成，探讨了模块指标。在此基础上，我们提出了从基础测控、综合性能和应用性能等三个不同维度来评估和比较量子计算机的性能。这种多维度的评估方法能够更全面地反映量子计算机的实际性能，为量子计算技术的发展和优化提供指导。本研究报告共分为9章，相关章节内容安排如下：第1章：前言。介绍了本报告研究的背景以及主要研究内容。第2章：缩略语。第3章：对量子计算的基本概念、原理及不同物理体系下量子

10、计算机硬件的发展现状进行简要综述。第4章：超导量子计算体系。分析超导量子计算的架构和模块组成，研究模块级指标。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 2 第5章：光量子计算体系。分析光量子计算的架构和模块组成，研究模块级指标。第6章：离子阱量子计算体系。分析离子阱量子计算的架构和模块组成，研究模块级指标。第7章：中性原子量子计算体系。分析中性原子量子计算的架构和模块组成，研究模块级指标。第8章：不同体系量子计算评估技术。研究不同体系量子计算机之间比较的共性技术指标和测试方法。第9章：总结与展望。总结本报告研究的主要观点与结论，以及对于未来工作提出建议。2.缩略语 下列缩略语适用于

11、本研究报告。QC：量子计算（Quantum Computing）SQC：超导量子计算（Superconducting Quantum Computing）OQC：光量子计算（Optical Quantum Computing）ITQS：离子阱量子计算（Ion-Trap Quantum Computing）SFQ：单磁通量子（Superconducting Flux Quantum）NISQ：含噪声的中等规模量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum）TSP：旅行商问题（Traveling Salesman Problem）VQE：变分量子本征求解器（Variatio

12、nal Quantum Eigensolver）F-VQE：可行 的 变 分量子本征求解器（Feasible Variational Quantum Eigensolver）3.量子计算研究进展 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 3 量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的新型计算模式。它与传统的经典计算有着本质的区别，主要体现在量子比特（qubits）的使用上。量子比特不同于经典计算中的二进制比特，它们可以同时处于0和1的叠加状态，这使得量子计算机能够同时处理大量数据。此外，量子比特之间可以产生量子纠缠，这是一种即使在空间上相隔很远也能保持的强相关性，使得量子计算机在

13、执行特定任务时展现出超越传统计算机的计算能力。量子计算的应用前景广阔，它在密码学、药物设计、材料科学、金融模型分析、优化问题等领域具有巨大的潜力。例如，在密码学中，量子计算机能够高效解决大数分解、离散对数和椭圆曲线等数学难题，将对现有公钥密码算法构成严重威胁，对现有的网络安全体系构成挑战。在药物设计领域，量子计算机可以模拟复杂的分子结构，加速新药的研发过程。在材料科学中，量子计算机能够模拟新材料的性质，帮助科学家发现具有特定性能的新材料。量子计算的发展现状是激动人心的，同时也充满挑战。目前，量子计算还处于原型机攻关阶段，多种技术路线并行发展。这些技术路线包括超导量子计算、离子阱量子计算、光量子

14、计算、中性原子量子计算等。每种技术都有其独特的优势和面临的挑战。每一种技术路线都有可能在特定应用场景下发挥优势，推动量子计算技术的发展，为量子计算的突破和应用提供了多样化的选择和可能性。3.1.超导量子计算研究进展与产业化 3.1.1.硬件研究进展 超导量子比特主要基于约瑟夫森结，最早由日本的Nakamura等人于1999年成功制备。同年，他们完成了对其的相干操控。超导量子比特由于其良好的可扩展性而受到广泛关注。2004年，Wallraff等人展示了在固态系统中可以实现强耦合状态，并且实验观察到了超导两能级系统与单个微波光子的相干相互作用。2006年，Steffen等人实现了单次测量完成超导量

15、子比特的量子态层析。2016年，IBM公司首次在网络上云端上线5比特量子计算机。同年，来自Google公司的Martinis小组发文宣布使用9比特的超导量子系统成功仿真了一个氢原子。次年2017年，英特尔与IBM分别宣称将一个超导量子芯片所集成的比特数提升到了17比特。同年，来自国内的中国科学技术大学潘建伟小组与阿里巴巴公司联合发布量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 4 了l0比特成熟可操控的超导量子计算机并于云端上线，这也是国内首台可通过网络访问的量子计算系统。2018年，该小组再次完成12比特真实纠缠实验以及12比特强关联量子游走实验。同年的国际CES(Internati

16、onal Consumer Electronics Show)展会上，英特尔公司展示了49比特的超导量子芯片。谷歌紧随其后于2018年3月份发布了名为Brislecone的72比特超导量子芯片。2019年，谷歌率先实现量子优越性实验，利用53个量子比特进行了随机线路采样实验，量子处理器在200秒左右的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而当时最强大的超级计算机大约需要1万年的时间才能完成这一任务。虽然随后经典模拟算法的改进，谷歌的量子优越性不断受到挑战和质疑，但这是超导量子计算发展中的一个重要里程碑。2021年，中国科学技术大学构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对

17、“量子随机线路取样”任务的快速求解。“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级（“悬铃木”处理“量子随机线路取样”问题比经典超算快2个数量级），这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑，使得我国成为目前唯一同时在两种物理体系都达到这一里程碑的国家。除了在单芯片上集成更多比特以外，另一种增加超导量子比特数量的方法是将多个芯片互联起来。2012年，来自苏黎世联邦理工学院的Wallraff等人成功将固态系统中局域的超导量子比特与传播

18、的光场耦合起来，并实现了两者的纠缠，为构建更大规模量子计算机提供了新的工具。该课题组在2018年借助超导量子比特的高能级，在两个相距80cm的比特之间实现了80%保真度的态传输和纠缠态制备，验证了利用超导量子比特构建量子网络的可行性。无独有偶，同年来自耶鲁大学的Schoelkopf等人在两个独立的超导腔量子储存器之间实现了量子态，态传输速率大于损失速率，使建立复杂网络成为可能。2020年，Wallraff等人将两个相距5米的稀释制冷机改造并将低温区连接起来，实现了在不同制冷机的两个芯片之间实现了85%保真度的态传输。2021年来自芝加哥大学的Cleland和钟有鹏等人用1米长的铌钛线将两个独立

19、封装的超导量子芯片连接起来，并实现了三比特纠缠态的跨芯片传输。2023年来自南方科技大学的钟有鹏课题组将夸芯片态传输的保真度提升到99%以上，达到了单芯片水平，并实现了跨3个芯片的的12比特量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 5 最大纠缠态制备。超导量子比特之间的跨芯片互联技术在不断发展，有望在单芯片晶圆尺寸和良率受限、串扰无法完全消除的情况下进一步提高超导量子计算的可用资源规模。3.1.2.应用研究进展 2009年，DiCarlo等人通过两比特超导处理器演示了Grover搜索算法和Deutsch-Jozsa量子算法。同年，Lucero等人制备了9比特超导量子芯片，并利用其中

20、3比特演示了Shor算法，实现了对于15的质因数分解。2020年，谷歌成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应。实验中模拟了6-10个氢原子的静态化学过程，结果与实验值几乎吻合；模拟了二氮烯的异构化的动态化学反应，计算结果为41 6毫哈特里，与实测值40.2毫哈特里（二氮烯在顺式和反式之间跃迁的能隙）有一定差异，展示了利用量子计算预测化学反应机理的潜力。2022年，浙江大学和清华大学联合团队在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式展示了一种全新的物质拓扑时间晶体。实验模拟了一条由26个超导量子比特组成的一维链，在约240层量子线路演化过程中观测到时间平移对称性只在系统边界处（链的两端）

21、被破坏的动力学现象。2023年，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，将所有量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个。在此基础上，研究团队通过结合基于测量的变分量子本征求解器，开展了对于小规模的扰动平面码的本征能量的求解，首次实现了基于测量的变分量子算法。2024年，中国科学技术大学潘建伟院士团队完成了使用噪声量子处理器解决分子电子结构相关的关键挑战。实验提升了电路深度和运行时间，通过增强系统硬件和使用误差缓解技术，克服了理论和实验的困难，并成功地将VQE算法扩展到了12个量子比特，实现了大约两个数量级的误差抑制。同年，中国科学技术大学潘

22、建伟院士团队利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。量子纠错研究是量子纠错迈向应用的重要路径。2012年，Reed等人在超导体系中演示了纠错算法，能够纠正相位翻转错误和比特翻转错误。2019年，清华大量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 6 学通过实验展示了重复量子纠错（QEC）接近一个逻辑量子位的收支平衡点。这个逻辑量子比特编码在一个由超导电路和玻色子腔体组成的混合系统中，使用了二项式玻色子编码。

23、2022年，中国科学技术大学团队首次实现了表面码的重复纠错，在Zuchongzhi 2.1超导量子处理器上实验演示了17个量子比特组成的距离为3的表面码，通过执行多个连续的纠错周期，应用校正后，显著减少逻辑错误。2023年，谷歌团队在实验上证实了，随着表面码的规模提升，纠错后量子态错误率能够被有效压制。实验中比较了49个量子比特组成的距离为5的表面码和17个比特组成的距离为3的表面码，经过25轮纠错后，错误率由3.0%降低值2.9%。同年，南方科技大学团队在国际上首次利用离散变量编码的逻辑量子比特，延长量子信息的存储时间突破了盈亏平衡点。实验中，通过实时重复的量子纠错技术，延长了逻辑量子比特的

24、相干寿命达到 805 微秒，超过了该系统中不纠错情况下最好的物理比特的相干寿命（694 微秒），即超过盈亏平衡点 16%。同年，IBM团队提出“错误缓解”的技术，在不使用量子纠错的情况下，提高大规模量子电路的精度和可靠性。通过外推法补偿噪声，实验模拟了68比特的伊辛模型，效果显著提升，未使用错误缓解技术时的结果准确度不足20%，而通过错误缓解的处理，可以将准确度提升至95%以上。3.1.3.产业化发展 国际上超导量子计算产业公司以IBM和谷歌为代表。长期以来，IBM一直在量子计算领域中占据着重要的地位，深入研究了这一领域的各个方面，吸引了众多客户与开发人员参与。IBM制定了详细的量子路线图，涵

25、盖了硬件、软件和系统基础架构的里程碑。根据其路线图，IBM分别于2019、2020、2021、2022、2023年发布了27、65、127、433、1121比特的超导量子计算芯片。值得注意的是，在最新发布的量子计算路线图中，IBM已经调整了其技术路线，从注重量子比特规模提升转到量子比特操控精度提升，预计2026年实现量子优越性。IBM非常注重产业生态建设，其发布的Qiskit是全球应用最广泛的开源量子计算软件框架，它允许用户设计量子电路，模拟量子算法，并在IBM的量子计算机上运行量子程序。Qiskit提供了一套丰富的工具和库，支持量子编程、量子信息科学教育以及量子算法的研究和开发，旨在推动量子

26、计算技术的发展和应用。IBM建立了量子计算量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 7 云平台，在全球范围内部署了超过20台量子计算机，使研究人员和开发人员能够在云端进行量子算法的测试和开发，推动量子计算技术的发展和应用。与IBM相比，谷歌更专注于超导量子计算硬件突破，致力于实现可容错的通用量子计算。谷歌率先实现量子优越性，目前最新悬铃木处理器包含超70个量子比特，在量子纠错、量子算法应用等方面成果丰富。国内超导量子计算产业公司以国盾量子、中电信量子、本源量子为代表。国盾量子技术股份有限公司成立于2009年，是国家专精特新“小巨人”企业，主要从事量子保密通信产品和量子计算仪器设备的

27、研发、生产、销售及技术服务。自2015年起局部量子计算业务，通过参与“祖冲之号”系列前沿研究，布局国产化产业链，发展高性能超导量子计算整机搭建及运维能力。该公司推出了超导量子计算测控系统、稀释制冷机、低温信号传输系统等核心组件，并开放了量子计算云平台服务，接入了“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机。中电信量子集团以“天衍”量子计算云平台为基础，融合了“天翼云”超算与“祖冲之二号”系列超导量子计算机算力，实现了“天翼云”超算能力和176比特超导量子计算能力的融合，是具有“量子优越性”能力的超量融合云平台，全球访问量已突破1000万。同时还发布了“天衍”高性能仿真机，涵盖全振幅仿真机、稳定子仿

28、真机、带噪音仿真机、张量网络仿真机、单振幅仿真机等五大主流类型。“天衍”高性能仿真机已全面接入“天衍”量子计算云平台，面向全球用户免费开放使用，为高校、企业和科研人员开展量子算法实验和探索提供了高效支撑。本源量子2017年成立于合肥市高新区，团队技术起源于中科院量子信息重点实验室。本源量子聚焦量子计算产业生态建设，打造自主可控工程化量子计算机，围绕量子芯片、量子计算测控一体机、量子操作系统、量子软件、量子计算云平台和量子计算科普教育核心业务，全栈研制开发量子计算，积极推动量子计算产业落地，聚焦生物科技、化学材料、金融分析、轮船制造、大数据等多行业领域，探索量子计算产业应用，争抢量子计算核心专利

29、。2024年1月6日，超导量子计算机“本源悟空”成功上线云平台，具有72个计算比特和126个耦合器比特。该量子计算机已为全球125个国家的用户完成了超过25万次运算任务，全球访问次数突破1300万次。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 8 3.2.光量子计算研究进展与产业化 3.2.1.硬件研究进展 光量子计算机的发展大致可以分为量子算法的原理演示、对特定问题超越经典计算机、有应用价值的专用量子模拟机、容错通用量子计算机这四个阶段。早期人们的研究主要集中在量子算法这一方面。人们提出了一系列的算法来证明在某些特定的问题上量子计算机相对经典计算机具有优越性，例如Shor 算法在大

30、数分解问题上实现了指数级的速度提升；Grover 算法在搜索问题上得到了的加速。但是能够控制的量子比特数依然有限，想要利用这些算法展示量子优越性依然十分困难。随着技术进步，可控的量子比特数量逐渐增加，同时研究人员也探索了最小化资源以实现量子优越性的方案。最近光量子计算机的发展已经到了第二个阶段，可以实现超越经典计算机，实现量子优越性。专用光量子计算机主要包括玻色采样和相干伊辛机等，可用于组合优化和图论问题求解等专用计算问题。2017 年贺煜等人用量子点实现了四光子玻色采样，单光子源效率 24.7%,干涉仪使用时间编码，每个光纤环效率 83.4%,单光子探测效率 52%。2017 年王辉等人使用

31、空间编码干涉仪，效率为 99%实现了五光子玻色采样，同时计划将单光子源效率提高到74%。2019 年王辉等人使用探测效率为60%82%的单光子探测器实现了20光子玻色采样,向着量子优越性迈出了一大步。同时人们也在改进原始方案，以缓解玻色采样成功率随着光子数的增加指数下降的严重制约。Lund 等人提出了散射玻色采样。即用2个单光子源，记录输出 个光子的样本。本着同样的精神，Aaronson 等人提出了考虑光子损失的玻色采样。即输入+个光子，输出 个光子，其中 个光子被损失的玻色采样。钟翰森等人7 用SPDC 预报单光子源进行了散射玻色采样实验。尽管相对于原始方案有所改进，成功率从指数下降变为线性

32、下降，但扩展性依然存在问题。2020 年钟翰森等人利用高斯玻色采样方案研制的“九章”第一次在光子体系实现了量子优越性。但是经典模型也不断发展，对这一实验结果发出挑战。早期实验结果只需要和热态、完全可分辨光子、压缩态等经典态比较。“九章”出世之后各种强力的假冒模型如雨后春笋般冒出，如贪心算法、压缩热态、IPS 等。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 9 对实验的规模和质量发出了更高的挑战。2021 年“九章二号”提高了光源质量，扩大了干涉仪规模。2022年，加拿大Xanadu公司实现了216光子的“Borealis”光量子计算原型机。2023年，中科大联合团队发布了255光子的

33、“九章三号”光量子计算原型机，进一步提升了高斯玻色采样速度和量子优越性。3.2.2.应用研究进展 光量子计算研究初期，中科大潘建伟团队展示了少光子数量子计算在机器学习、质数分解和线性方程组求解中的应用。近期，潘建伟团队在继续发展更高质量和更强拓展性的光量子计算原型机的同时，开展了将“九章”所执行的高斯玻色采样任务应用于图论问题的研究探索。工作中，研究人员首次利用“九章”执行的高斯玻色采样来加速随机搜索算法和模拟退火算法对图论问题的求解。研究人员在实验中使用了超过20万个80光子符合计数样本，相比全球最快超级计算机使用当前最优经典算法精确模拟该实验的速率快约1.8亿倍。3.2.3.产业化发展 在

34、商业应用方面，玻色量子公司推出了其100量子比特的相干光量子伊辛机“天工量子大脑”。目前，该公司正与中国移动合作，验证图像渲染和算力调度优化等任务的可行性。未来，专用光量子计算机预计将在组合优化等特定领域展示出实用价值。在光量子云平台研究方面，加拿大Xanadu公司推出了Xanadu quantum cloud，国内图灵量子也推出图灵SoftQubit云平台。在通用光量子计算研究方面，法国Quandela公司专注于开发用于量子计算和量子通信的高性能单光子源，已经推出相应的单光子源产品。美国PsiQuantum量子计算公司致力于发展通用大规模的光量子计算机，已经在量子融合门等方面取得了阶段性的进

35、展。在单光子探测方面，美国Quantum Opus,荷兰Single Quantum,俄罗斯Scontel，中国赋同等在高效率单光子探测器研究方面，探测效率都达到90%以上，同时在可分辨光子数研究方面也不断取得突破。然而，要实现通用光量子计算机，还需要突破单光子源、光量子逻辑门和光子集成等技术瓶颈。3.3.离子阱量子计算研究进展与产业化 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 10 3.3.1.硬件研究进展 量子计算现阶段的主要难题是规模扩展。量子计算的规模扩展可大致分为空间和时间两个维度，其核心目标是需要对足够大的希尔伯特空间执行足够多的幺正操作。空间上需要扩大希尔伯特空间，时

36、间上需要增加能执行的逻辑门操作数量。本章节将以规模扩展这一线索，对离子阱量子计算的研究进展做简要概述。3.3.1.1.空间维度 空间上看，一方面可以突破qubit的二能级系统架构，使用更多能级来编码量子信息，如qudit架构以及连续变量量子计算；另一方面需要增加量子比特的数量。不同于qubit的二能级结构，qudit使用多能级系统来编码信息。对于相同数量的物理载体，qudit可获得更大的信息编码能力，因此更节约物理资源。2022年因斯布鲁克大学的Blatt组和AQT公司联合发布了具备8个离子的qudit系统，并在此系统中展示了普适量子门集；此后该研究组又进一步展示了qudit系统的直接纠缠。在

37、离子阱系统中增加量子比特数量主要由三种路径：量子电荷耦合架构（QCCD:Quantum charged-couple device）,光量子计算网络和单个离子阱系统中囚禁高维离子晶体。量子计算的基本元素在小规模的一维离子链中可以实现极高的保真度，但是如何在大规模的系统中依然维持高保真度面临极大的困难，于是美国国家标准与技术研究院（NIST）的Wineland等人提出了QCCD架构：将单个子系统维持在较小规模，在子系统之间进行离子迁移，以实现子系统之间的信息传递，由此将多个子系统连接，形成大的系统。2021年，Quantinuum公司实现了QCCD所有基本要素的整合；此后Quantinuum公司

38、一直保持着量子体积的记录，在其最新的H2系统中，全连通量子比特数量达到56，量子体积达到218，单量子比特门保真度高达99.997%，双量子比特门保真度高达99.84%。牛津量子计算初创公司Oxford Ionics在近期实现了全微波操控的QCCD方案，其双量子比特门保真度高达99.97%，并且即使在微波操控下也做到了120us的双比特门时间，实现了全微波离子量子计算的重大突破。QCCD利用迁移离子来实现子系统间的信息传递，而光量子计算网络则使用光子实现不同子系统之间的连接。光子由于其传播速度以及抗干扰能力强，非常量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 11 适合进行远距离信息传

39、递。QCCD只能实现同一个真空系统中、同一块芯片上不同子系统之间的连接，而光量子网络的距离则只受光纤衰减的限制，原则上可以实现千公里级别的连接。2020年牛津大学的Lucas组实现了两个独立离子阱系统之间的离子纠缠态制备,并且将不同种类离子之间的逻辑门保真度提升到99.8%，突破了容错阈值;2023年因斯布鲁克大学的Blatt组实现了分别位于两栋楼宇的离子之间的纠缠连接，二者距离230米。2024杜克大学的Monroe组首次实现了以time-bin编码的光子作为媒介远程纠缠两个离子，纠缠保真度达到了97%；该组在近期还以光子为媒介以高达250Hz的纠缠速率和94%的保真度实现了两个离子（同一离

40、子阱中）之间的纠缠。QCCD和光量子计算网络都可以归属为量子计算网络，二者的区别是信使不同。他们的基本出发点是只能在小规模系统中实现高保真度操作。但随着一系列理论和实验上的突破，人们逐渐认识到，在单个大规模系统中也可以执行高保真度的操作。于是，离子阱系统的第三条扩展路径逐步得到重视：在单个势阱中通过囚禁高维晶体，以实现量子比特数量的快速扩张。现在的离子阱量子计算大多着眼于一维离子链，其规模最多达到百比特量级，如果使用二维离子晶格，则其比特数可以轻松达到上千，甚至上万。清华大学段路明组提出了基于局域振动模式的量子逻辑门方案，从理论上解决了在任意大规模离子晶体中实现高保真度量子逻辑门操作的问题；清

41、华大学金奇奂组设计了一体化线性保罗阱，并成功囚禁二维离子晶体，该晶体的量子操作激光不受微运动的影响；此后该组又实现了二维离子晶体的电磁诱导透明冷却；2023年，因斯布鲁克大学的Roos组在一体化阱中实现了包含105离子的二维晶格的稳定囚禁。2024年，清华大学段路明组在基于4K低温系统的一体化阱中实现了超过500个离子的稳定囚禁，并用300个离子实现了伊辛模型的量子模拟。3.3.1.2.时间维度 时间维度上看，一方面需要增加量子比特的相干时间和门操作时间的相对比值，另一方面需要减小或者修正量子操作错误，以使得在相干时间内可以执行尽可能多的量子操作。在量子比特相干时间方面，清华大学金奇奂组通过磁

42、屏蔽和动态解耦等方法实现了超过1小时的相干时长。离子阱量子计算的一大缺点是双量子比特逻辑门量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 12 耗时较长。为了加速量子逻辑门操作，Cirac和段路明等人提出了使用脉冲激光激发自旋相关动量反冲（spin-dependent kick,SDK）来实现超快逻辑门的方案,Steane等人则提出了脉冲调制（pulse shaping）的逻辑门方案。2017年马里兰大学的Morone组利用SDK方案实现了双比特逻辑门，逻辑门耗时18.5s;2018年牛津大学的Lucas组采用脉冲调制方案，实现了耗时1.6s的双比特逻辑门，保真度高达99.8%。由此，离

43、子阱系统中相干时间与门操作时间的比值达到109量级。关于如何减少量子计算的错误，主要有两方面的努力，其一是提高量子操作本身的保真度，其二通过量子纠错等方式纠正已经发生的错误，并通过优化量子线路使得错误不扩散，以实现容错的量子计算。虽然Cirac和Zoller率先提出了在离子阱中实现受控非门（CNOT门）的方法，但该方法要求离子处于声子模基态,对环境影响较为敏感。1999年Mlmer和Srensen提出的MS纠缠门，以及2003年Leibfried在实验上实现的光频移门摆脱了声子模基态的束缚，使得逻辑门保真度受外部环境的影响大幅度降低。然而最初实现的纠缠门都是基于离子链的轴向运动模式，但后来人们

44、意识到这种方案不可扩展，因为随着离子数的增多，轴向阱频不可避免需要降低，从而导致离子冷却难度加大以及加热率增加，外界环境影响增大。2006年段路明等人提出了利用离子的横向运动模式实现离子纠缠门的方案。为了解决横向运动模式致密排布的问题，段路明等人还提出了最优控制的方法并且在实验上得到了验证：通过对激光的幅度、相位或者频率等参数进行连续或分段调控，可以使得在逻辑门操作结束时，所有运动模式均与内态解耦合，从而确保逻辑门操作的高保真度。利用这一方法，马里兰离子阱组首先构建了5离子量子比特可编程量子计算机，随后又实现了并行双量子比特纠缠门。最近IonQ公司公布的最新一代离子阱量子计算机Forte,已实

45、现了在35离子链中平均单比特逻辑门保真度99.98%，平均双比特逻辑门保真度99.6%的成果。在Quantinuum公司最新的H2系统中，全连通量子比特数量达到56，平均双量子比特门保真度高达99.84%。量子纠错利用多个物理比特编码一个逻辑比特，以抵抗外界干扰；容错量子计算通过对量子线路的优化，可以防止错误的扩散。在离子阱系统中，NIST的Wineland组于2004年在3离子系统中实现了对单比特相位翻转错误的纠正；2011年，因斯布鲁克大学的Blatt组在3离子系统中实现了多轮纠错；2021年IonQ公司量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 13 和马里兰大学的Monroe

46、组在13离子系统中实现了逻辑量子比特的容错操作；2021年Quantinuum公司实现了实时的容错的量子纠错；2022年因斯布鲁克大学的Blatt组实现了容错的全套通用量子比特门，这其中包含两个逻辑比特之间的CNOT门和对通用量子计算来说至关重要的单比特T门。2022年Quantinuum公司实现了逻辑比特之间容错的纠缠门，且逻辑比特纠缠操作的保真度高于物理比特纠缠门的保真度。2024年，Quantinuum和 Microsoft合作基于QCCD方案的离子阱芯片分别实现了7,1,3和12,2,4纠错码，将量子线路的错误率降低为物理比特的1/500和1/800，远超盈亏点。紧接着，他们在离子量子

47、计算机中构建了基于4个逻辑量子比特的GHZ态，保真度为99.50.15%F99.70.1%，超越了盈亏平衡点，也是量子计算领域第一次高质量地实现基于逻辑比特的量子操控。3.3.2.应用研究进展 如上所述，离子阱量子计算机的硬件水平已经取得了相当大的进步，如量子体积达到220,相干时间突破一小时，量子模拟比特数规模突破300等，但量子算法的要求与硬件水平之间依然具有较大鸿沟，学术界和产业界的研究者们正共同努力，去发现适配现阶段硬件性能的算法，并尝试找到实际应用场景。接下来我们将从NISQ时代算法和FTQC时代算法两个方面来介绍离子阱量子计算机的应用演示进展。目前在NISQ系统中应用比较广泛的是变

48、分算法（VQA）和相关的衍生算法，包括变分量子近似算法、变分量子线性方程求解、变分量子本征求解、变分量子机器学习等，变分算法是一种利用经典优化器训练参数化量子电路的方案，属于一种经典-量子混合算法。近年来量子变分算法作为一个可以面向任何问题的算法框架，已经被广泛地应用在包括量子化学、组合优化、金融投资、材料计算、机器学习在内的众多领域中。2020年，Duke大学和IONQ的研究团队在通用离子量子计算机中，用变分量子本征解(VQE)方法较为精确的估计出水分子的基态能量，同时他们也提出了应用于离子量子计算的量子化学算法框架。在实现该算法的过程中，共有11个量子比特参与计算，最高进行了178次双比特

49、逻辑门操作；在没有任何误差缓解技术时，实验结果的系统误差和统计误差与化学精度相当，展现出离子量子计算在量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 14 化学计算场景中的巨大潜力。在金融领域方面，Sanz-Fern ndez 等人利用Innsbruck团队的离子量子计算机演示了五种资产的投资组合优化定价，实验结果证明在同样的计算成本下量子计算产生的统计误差比经典算法给出的要更小。Zhu，D等人提出了基于最大量子纠缠态的量子算法，并应用于金融风险管理和衍生品定价中，经过IONQ公司离子量子计算机运行验证，其量子计算给出的风险预测结果优于经典计算。在生物制药方面，Quantinuum利用离

50、子量子计算机实现了的肽结合分类，是蛋白质药物设计中的关键任务，经过误差缓解优化后量子计算结果和经典AI算法给出的结果性能相当，开创了量子计算在生物制药领域的又一新的方向。在机器学习方向，IONQ在具有11个量子比特的离子量子计算机上演示了，如何利用基于量子最近质心分类器算法实现手写字体的分类，并且实现高达100%的8维合成数据准确性。在NISQ时代，通过运行量子变分算法实现量子计算机的应用是一种常见的思路，因此量子计算的研究者们也持续在对量子计算的实验技术和算法理论进行优化。实验技术方面，C.Monroe等人在具有40个量子比特的离子量子计算系统中，实现了一种低深度量子近似优化算法(QAOA)

51、，估计了ising模型的基态，是目前离子量子计算路线实现的最大规模的量子变分算法，并指出随着规模的扩大，算法性能并不会显著下降。在算法理论方面，清华大学段路明研究团队提出了一种为离子量子计算系统硬件而量身定制的高效量子变分算法ansatz，放弃传统的两比特门，利用了所有离子之间可编程的单量子比特旋转和全局自旋-自旋相互作用，让量子变分算法在离子量子计算系统中更易实现，且更为高效，为近期离子量子计算机的应用提供了强有力的工具。1994年，Peter Shor在理论上提出了利用量子计算实现质因数分解和求解离散对数，其算法复杂度相比于经典计算实现了指数加速，这也意味着量子计算机有能力帮助人类实现RS

52、A密钥，乃至更多NP-hard问题。此后，大量的理论工作者涌入量子计算和量子算法的研究之中。目前看来，大部分被证明具有加速性或能体现量子优势的理论算法均需要通用容错量子计算来实现。如需要有效解决诸如整数因子分解和非结构化数据库搜索此类的问题，则需要数百万量子比特，且需要量子逻辑门错误率低，相干时间长。Preskill将含噪中等量子(NISQ)计算机定义为大规模容错量子计算机(FTQC)道路上的中间一环。因此，在探索NISQ量子量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 15 计算机在近期的应用外，发展量子纠错技术和基于逻辑量子比特的算法始终是研究者最为关心的课题。近期，离子量子计算在

53、该方向上也取得了众多突破性进展。其中最为引人瞩目的便是Quantinuum在离子量子计算中实现的量子纠错相关的成果。2024年4月，Quantinuum和 Microsoft合作发布了量子纠错的最新进展，他们基于QCCD方案的离子阱芯片分别实现了7,1,3和12,2,4纠错码，将量子线路的错误率降低为原先物理比特的1/500和1/800，远超盈亏点，逻辑比特之间的量子逻辑门操作的错误率最低达到10-8，是迈向通用容错量子计算的重要里程碑。紧接着，他们在离子 量 子 计 算 机 中 构 建 了 基 于 4 个 逻 辑 量 子 比 特 的 GHZ 态，保 真 度 为99.50.15%F99.70.

54、1%，超越了盈亏平衡点，也是量子计算领域第一次高质量地实现基于逻辑比特的量子操控。除此之外，各类优化量子纠错的技术方案也在发展中，例如Simon Burton等人提出了利用拓扑物理学的数学技术融入纠错码中，通过genons编制的方案，可以提高纠错编码的效率，使用更少物理量子比特构建逻辑量子比特。除此之外，Quantinuum在离子量子计算机中将量子态隐形传态通常用于大规模容错量子计算机的设计中，首次演示实现了量子纠错码容错状态隐形传输电路，过程保真度高达0.989 0.002，为离子逻辑量子比特的规模化发展提出了一条可行的道路。3.3.3.产业化发展 目前离子阱量子计算公司主要有美国的IonQ

55、、Quantinuum,欧洲的AQT、Infineon、Oxford Ionics、Universal Quantum,中国的华翊量子、幺正量子、启科量子、国仪量子等。其中，成绩最为突出的是Quantinuum和IonQ两家公司。IonQ成立于2015年，于2021年成为全球首家上市的纯量子计算公司，目前已发布三代量子计算机，包括具备9个算法量子比特的Harmony、20个算法量子比特的Aria、和35个算法量子比特的Forte。IonQ的商业应用主要分布在量子化学、量子机器学习等领域。例如，2021年IonQ与1QBit和Dow合作研究了电子轨道模拟算法，模拟了10个氢原子组成的环形分子，将

56、20量子比特的系统分解为10个2比特问题，并在IonQ的离子阱量子计算机上进行了实验验证，显示了利用NISQ机器去模拟更大规模分子的潜力；2022年IonQ与现代汽车宣布合作开发新型变分量子算法，量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 16 用以研究电池化学反应中涉及的锂化合物及其化学反应，并将量子机器学习应用到图像识别和三维物体检测，以服务于自动驾驶；2023年，Zhu D.等人研究了如何在量子计算机上应用量子电路玻恩机（Quantum circuit Born machine）模拟3变量和4变量copulas,并探讨了这种方法的可扩展性。他们在IonQ的离子阱量子计算机上将该

57、方法应用到风险预测等场景中，训练结果显示，其计算精度与经典计算相当甚至更优。Quantinuum是由Honeywell quantum solutions和Cambridge quantum computing合并成立，其硬件性能和配套软件水平均处于世界前列。迄今为止，Quantinuum已经发布了2代量子计算机，包括具有20比特的H1,其平均双比特门保真度已经突破99.9%，其量子体积已经达到220，均是世界纪录；和具有56比特的H2,其平均双比特门保真度达到99.8%，量子体积218。基于优异的硬件性能，Quantinuum和合作者们近期在量子纠缠和容错量子计算方面取得了重大进展，突破了量

58、子纠错盈亏点，其逻辑量子比特的操作错误率远低于物理比特，并且制备了四逻辑比特的GHZ态，其保真度介于99.5%至99.7%之间，超过相应物理比特的保真度，是量子计算领域第一次高质量地实现基于逻辑比特的量子操控。除此之外，Quantinuum还发布了首个基于量子计算机的密钥生成平台Quantum origin以及量子计算化学平台Quantum InQuanto。Quantum origin的核心是利用量子计算机产生真随机数，它支持现有的密钥体系（如RSA、AES等），也支持后量子时代的加密算法，其合作对象包括PrueVPN、Fujitsu等。InQuanto是量子计算化学软件平台，继承了VQE等

59、各类算法，已经产生相当丰富的应用案例。例如2023年Quantinuum与空客和宝马合作，开发了一种混合量子经典工作流程，用于研究氢燃料电池中的电催化氧化还原反应，其真机结果显示在含钴催化剂中强关联组分的重要性，预示着这将是体现量子计算机优势的一个应用场景；2024年，Quantinuum利用离子阱量子计算机研究了肽段的结合分类问题，这是蛋白质药物设计中的关键任务，他们构建了参数化量子电路的量子模型来执行肽段二元分类问题，通过误差缓解后量子计算结果与经典AI算法给出的结果性能相当，是量子计算应用于治疗蛋白质设计关键任务的首个概念验证应用。3.4.中性原子量子计算研究进展与产业化 量子科技产学研

60、创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 17 伴随着激光操控原子技术的进步，原子量子计算机的硬件方面取得了一系列重要突破，成为了近期发展最为迅速的量子计算硬件系统之一，吸引了国内外众多高校和科研机构开展相关的研究工作，如美国哈佛大学、美国密歇根大学、美国芝加哥大学，及国内的中科院精密测量研究院、中国科学技术大学、清华大学等。3.4.1.硬件研究进展 原子量子计算的关键指标不断突破，在量子比特初始化方面，通过成熟的光泵技术，原子可被制备到|0态或|1态，效率超过99.9%。由于相同种类的原子能级结构一致，采用同样的光泵光可同时实现阵列中所有原子的态初始化。在量子比特相干性方面，DiVincenz

61、o提出实现量子纠错需要量子比特的相干时间达到基本量子门操作时间的104倍以上。这一指标已经达到107，超过了目前大多数量子计算的候选体系。在逻辑门方面，中性原子体系可以实现单量子比特门和双量子比特门操作（例如受控非门）。中科院精测院詹明生组实现了中性原子单比特量子门的最高平均保真度，达约99.995%。美国Lukin团队和法国Browaeys 团队发展了原子阵列确定性制备技术，将原子阵列的规模提升到200个以上；美国Saffman团队发展了基于声光偏转器的二维原子量子比特阵列中单比特门、两比特门独立寻址技术，实现了包含6个量子比特的量子线路演示。中科院精测院詹明生团队利用“原子自旋与原子相对运

62、动波函数耦合”全新方法，实现了单个超冷分子的相干合成，展示了对异核原子内部和外部自由度的完全控制。在两比特门操控方面，中科院精测院詹明生组在2022年基于非共振单脉冲调制方法将两比特受控位相门保真度提高到了0.98。之后半年，美国哈佛大学Lukin教授团队同样基于单脉冲方法，将两比特门操控保真度提高到0.995，达到了容错阈值要求。开发并展示出了原子体系的独特优势，如：法国Browaeys 团队利用光镊阵列制备出了3维排列的原子量子比特阵列，美国Lukin团队利用移动光镊实现了可控的量子比特连接等。3.4.2.应用研究进展 应用研究方面，不断开拓原子量子计算的应用范围，在组合优化问题和量子量子

63、科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 18 模拟领域都取得多项进展。在组合优化问题领域，从问题出发的角度，在较小的原子规模上，韩国的 Ahn小组演示了最大独立集问题，整数分解问题，3-SAT 问题和 QUBO 问题的求解，在较大的原子规模上，美国的 Lukin 小组展示了多达 289 个原子系统的最大独立集问题求解。从解决问题的角度，由于原子系统的连接性有限，为了解决在求解优化问题当中的远程相互作用，有许多研究小组提出了相应的解决方法。基于Dwave 的原子线方案，韩国的 Ahn 小组提出了里德堡原子线方案，在不需要本地寻址的情况下可以求解非平面或者高度图的最大独立集问题。中国复旦

64、大学的李晓鹏团队提出一种 3 维编码的方法可以用来求解 Ising/QuBo 问题。美国的Lukin 小组提出了一种通用的编程架构可以用来在里德堡原子系统中求解最大独立集问题，QUBO 问题和整数分解问题。奥地利因斯布鲁克大学的 Lechner 小组基于 LechnerHaukeZoller(LHZ)模型提出了宇称编码方法，同样可以将远程相互作用转化为局域场作用。在量子模拟领域，美国 Lukin 团队在里德堡原子阵列中观测到了量子多体疤痕现象，揭示了“遍历性的弱破坏（Weak ergodicity breaking）”这一新的物理现象，并利用笼目结构排列的单原子阵列探测自旋液体；法国 Brow

65、aeys 团队研究了接近经典计算机模拟极限的二维自旋模型从顺磁到反铁磁的相变规律等；美国Manuel 团队制备了高纠缠熵状态的 60 原子的量子态，并对其进行量子保真度标定。他们提供了一种新的用于评估模拟和数字量子设备在超经典精确状态下产生纠缠的方法，并展示了量子系统和经典系统之间不断发展的鸿沟。3.4.3.产业化发展 目前国际上已有6家初创公司以原子量子计算为题材，获得了千万量级的融资，正在研发基于原子的量子比特处理器，包括：美国的QuEra公司、ColdQuanta公司、AtomComputing公司、法国的PASQAL公司、中国的中科酷原公司和德国的planqc公司，其中QuEra公司推

66、出了提供线上服务的Aquila原子量子处理器，提供哈密顿量的模拟服务。Atom Computing公司在其100+量子比特的Phoenix量子计算机上，创下了10万倍的相干时间新纪录。Phoenix的寿命T2为407秒，是当量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 19 时商业平台上有史以来最长的相干时间，而弛豫时间T1几乎是无限的。法国的PASQAL公司利用中性原子模拟量子计算在药物发现中进行溶剂构型预测。3.5.量子计算性能评估研究进展 量子计算机性能评估是量子计算机技术发展的重要组成部分。只有建立起科学合理的评估指标和评估方法，才能更好地推动量子计算机技术的发展和应用。量子计

67、算性能评估还处于起步阶段。国际上，2021年，美国桑迪亚国家实验室推出了量子科学计算开放用户试验平台（QSCOUT），其测试床Testbed基于离子阱量子比特系统，旨在评估近期量子硬件在科学计算应用中的潜力，为美国能源部及其高级科学计算研究计划服务。与商业可用平台类似，它提供了量子硬件，研究人员可以使用这些硬件执行量子算法，研究量子系统特有的噪声特性，并测试将来对更大更强系统有用的新思路。然而，与大多数其他量子计算试验平台不同，QSCOUT允许量子电路和低级脉冲控制访问，以研究新的编程和优化模式。同年，美国国防高级研究计划局（DARPA）推出量子基准测试项目（Quantum Benchmark

68、ing），旨在大规模定量评估量子计算算法和应用的性能。该项目的目标是为大型量子计算机创建新的度量标准，并通过开发必要的计算机硬件来测试这些度量标准，以衡量基准性能，以全面评估量子计算机可能在哪些潜在应用中为重要问题提供比传统计算机更有意义的改进。而国内在相关方向的研究与探索较为滞后，还没有公开报道的成规模项目。2022年，中国信通院总结了现有的测评进展，梳理了测评技术架构，从纵向和横向两个维度对重点基准测评体系进行梳理和分类。纵向维度从硬件-软件-应用的角度划分5个层次，包含量子比特、逻辑门、量子电路、系统和应用算法等；横向维度从规模、质量、速度等3方面进行划分。总体架构如下图所示。量子科技产

69、学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 20 图 1 中国信通院提出的量子计算基准测评体系架构 4.超导量子计算体系 4.1.超导量子计算概述 4.1.1.超导量子计算的基本原理 某些材料冷却到极低温后，材料中的自由电子形成库伯电子对，可无阻地移动，电阻为零，这种状态被称为超导态。在超导态下，自由电子形成的库伯电子对被凝固在基态，使得材料表现出宏观量子特性，如磁通量子化。用超导材料制备的电感电容等非耗散器件构成的LC谐振电路，虽然尺寸可以达到厘米量级的宏观尺寸，在极低温和很好的屏蔽环境下，其行为和高品质的光学腔类似，是一个谐振子量子系统，可以应用于量子信息处理。当两个超导材料距离很近，被常

70、规导体或绝缘材料隔离开时，两个超导材料中的库伯电子对会发生关联，产生约瑟夫森效应，超导电流可以无阻地穿过常规导体或绝缘体构成隔离层。利用约瑟夫森效应制成的器件叫约瑟夫结，是单磁通量子（SFQ）超导电子学和超导量子比特的最核心器件。约瑟夫森结的电学特性等效于一个电感强度随着流过的电流大小而变化的非线性电感。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 21 构建量子比特需要一个二能级的物理系统，这个量子系统需要方便实现调控和读取，有很高的量子相干性能，具有很好的设计灵活性，能够实现大规模拓展。利用超导材料制备的电感电容等非耗散器件构成的LC谐振子量子系统满足方便实现调控和读取，有较长的量

71、子相干时间，具有很高的设计灵活性，易于实现规模拓展等构建量子比特所需的要求，但其所有相邻能级等间距，不能当作一个二能级的物理系统，所以不能单独作为量子比特。如果将LC谐振子电路中的电感器件用约瑟夫森结替代，即LC谐振子中的电感为非线性电感，构成一个非线性LC谐振子电路，系统的能级不再是等间距的，就可以实现对每个能级单独寻址。在极低温下，我们可以将非线性LC谐振子量子系统的最低两个能级独立出来，进行量子调控和读取，构建一个超导量子比特。基于电路的特点使得超导量子比特在设计上有非常高的灵活性，在超导量子计算发展过程中出现了多种类型的超导量子比特，基础的比特类型包括电荷量子比特、磁通量子比特和相位量

72、子比特，还有基于基础类型演化出的Quantronium比特、Transmon比特以及Fluxonium比特等。超导量子比特设计上需要兼顾相干性能、调控灵活性、可扩展性等多方面。获得调控灵活性一般需要引入更复杂的控制线路，这往往会引入更多的噪声源导致比特相干性能下降，Fluxonium比特等复杂的比特结构设计能够显著提升比特相干性能，但对可扩展性不友好。目前在大规模可拓展超导量子处理器上，比特类型基本收敛到Transmon比特这种在相干性能、调控灵活性、可扩展性等方面比较均衡的设计上。自1999年日本NEC的Y.Nakamura 和 J.S.Tsai第一次在电荷超导量子比特上演示了量子相干操控以

73、来，经过约二十年的发展，超导量子计算已经从简单几个比特相干调控和小规模算法原理性演示，发展到可以制备集成上百个高精度量子比特的中小规模量子处理器，演示了数十比特的量子纠缠和量子模拟，实现了量子优越性，在通向容错量子计算的过程中，量子纠错技术也在近年取得了一系列重要进展。当前，超导量子计算不再仅仅局限于实验室的基础研究，产业化也在快速发展，逐渐形成基础仪器设备、量子计算整机和量子计算算力服务三个层次为一体的量子计算产业生态。超导量子计算下一步的核心目标是在提升比特操控保真度的同时不断拓展集成的比特数量，通过可扩展的纠错算法实现逻辑量子比特，并在此基础上解决量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估

74、基准研究报告 22 大规模拓展的关键技术，最终实现容错通用量子计算机。目前离实现容错通用量子计算机还比较遥远，在NISQ量子计算硬件系统上，探索有实用价值的应用也是一个重要的研究方向。4.1.2.超导量子计算的优劣势分析 超导量子计算优势：超导量子计算优势：极高的设计自由度 超导量子比特本质上是一个电路，因此在结构和参数上有非常高的设计自由度，可以灵活尝试各种结构设计和参数设计来改善比特的性能、可调控度和可拓展性。兼容半导体芯片工艺 超导量子处理器的设计仿真可以通过半导体芯片设计仿真工具完成，制备采用薄膜生长、光刻或电子束图形定义、刻蚀等成熟CMOS工艺，在大规模拓展上非常有优势。调控采用微波

75、电子学设备 超导量子比特能级差通常对应频率约为5GHz，调控用微波电子学设备实现。微波电子学设备技术成熟且成本低廉，很容易实现大规模集成和定制化功能。并行操作 基于电路的特点使得每一个超导量子比特都可以设计独立的控制线路，实现对所有比特全并行操作。量子门时间短 超导量子比特可以快速实现量子门操作，单比特门和两比特门都可以在30纳秒内实现，甚至可以短于10纳秒。超导量子计算劣势：超导量子计算劣势：工作在极低温环境 超导量子比特能级差对应250mK左右的热扰动，工作温度需要250mK，一般工作温度低于30mK。稳定维持如此低的温度需要昂贵的制冷设备，目前主要采用稀释制冷技术。未来随着量子处理器规模

76、的拓展，对样品空间和制冷量的要求越来越高，研发大空间大制冷功率的稀释制冷技术是一个必须突破的关键技术。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 23 噪声扰动情况复杂 超导量子比特为宏观尺寸大小，且通过若干控制和读取线路和外界耦合，导致超导量子比特易受到环境中各种噪声源影响，例如电荷噪声、磁通噪声、微波控制线噪声等，量子相干时间相对天然量子系统更短，各种噪声扰动对实现高精度的量子门操作是很大的挑战。不是理想二能级系统 超导量子比特是一个多能级系统，最低的两个能级基矢张成的二能级子空间构成计算空间，高保真度的量子计算过程必须保证高能级不被激发。在Transmon比特中，高能级与计算空

77、间的能量差仅约4%，避免态泄露是操作中的一大挑战。一致性差 超导量子比特是通过微纳加工技术人工制备的量子系统，其性能和参数对加工工艺和流程很敏感，无法做到完全一致，一般需要加入可调电路对比特频率、耦合强度等关键参数进行实时调节，这会增加结构和控制复杂度，同时也可能对比特相干性能造成影响，从而增加量子计算机的校准和控制难度，并可能限制量子比特数量的进一步扩展。4.2.模块分类与技术指标 和其他复杂系统一样，超导量子计算机也是由多个相对独立的子模块组成。这些子模块在底层技术上差别比较大，比如有的属于芯片技术，有的属于低温制冷技术，有的是基于电子学技术，有的是基于软件技术，一般是在一个大的需求框架下

78、独立研发，各个模块甚至可能由不同的供应商提供。因此对各个子模块单独提出相应功能和性能指标，提出合理的接口规范是很有必要的。4.2.1.模块分类 超导量子计算机系统可分三个子系统：量子处理器、低温低噪声平台和测控系统。如下图所示：量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 24 图 2 超导量子计算系统模块示意图 4.2.2.量子处理器 量子处理器是超导量子计算机的核心部件，是实现量子信息处理的功能单元。量子处理器包括量子比特、耦合器、读取组件、控制线路、量子放大器等。各个组件可能加工在同一个量子芯片上，也可能分布在多个量子芯片上再通过倒装焊等工艺封装成一个处理器，有的组件比如读取信号

79、的量子放大器还可能封装在独立的样品盒中。量子处理器的最重要构成组件是量子比特，每个量子比特可以编码信息|0和|1的任意叠加态。比特通过芯片上控制线路扇出连接到低温平台的控制线缆组件，再通过加精确控制幅度、相位和时序的微波脉冲来实现比特的激发和旋转操作，部分比特类型还有快速偏置控制线路，通过快速偏置脉冲实现比特频率的动态调节。以上控制脉冲通过电容或电感的方式耦合到比特。多个量子比特之间通过耦合实现量子纠缠操作，由于单比特逻辑门和两比特逻辑门可以组合成任意多比特门，超导量子计算中一般只考虑两个比特之间的耦合。耦合可以通过比特之间的直接电感或者电容实现，也可以通过引入额外的耦量子科技产学研创新联盟

80、量子计算性能评估基准研究报告 25 合器件实现，后者通常具有强度可调，操控灵活度高的优点，代价是器件更复杂，需要引入更多的控制线路。一个比特可以和多少个比特直接耦合叫做连通性，连通性越高，量子线路编译成原生量子门所需要的门数量越少，运行量子算法的效率越高。比特量子态的读取一般采用色散读取方式，每一个比特和一个特定频率的微波读取腔色散耦合，该腔通常为平面微纳加工工艺制备的共面波导腔，比特处在|0和|1会体现为微波读取腔频率的不同移动量，通过向读取腔加探测微波脉冲并探测反射或透射的微波信号，读取腔频率的不同移动量会反映到微波信号的相位上，通过ADC采样和解模等后期数据处理方法可以判断量子比特处在|

81、0还是|1态。为保证足够强的读取信号，在尽可能短的时间内完成读取，比特和读取腔之间的耦合通常比较强，这也会导致比特通过读取通道和外界噪声源发生很强的耦合降低比特相干性能，为避免这一点，读取腔和外界之间还需要加入窄带滤波器件，仅容许读取信号频率附近很窄带宽的信号传输，抑制比特和外界的耦合。比特读取信号强度为单光子量级，如此微弱的信号需进行多级放大，否则从数十mK温级直接传输到更高温级会被噪声淹没。超导参量放大器是放大读取信号普遍采用的放大器，噪声水平可达到单光子水平，带宽和饱和功率可满足多达十个以上量子比特同时读取。超导参量放大器和超导量子比特一样，同样基于超导电路，在设计和工艺上和超导量子处理

82、器有很好的兼容性。比特数 比特数量是量子处理器的最基础指标。比特数量N限制了量子计算机最大能够用来编码信息的空间大小（2N），决定能够求解问题的最大规模。目前最大规模的量子处理器比特数已经达到数百比特。比特相干时间 比特相干时间表征比特存储量子信息的寿命。比特相干时间用两个典型时间尺度T1，T表示。T1是能量弛豫时间，表示比特从激发态|1，经过时间T1后，有1/e的概率弛豫到|0态。T是相位弛豫时间，表示经过时间T后，比特相位信息有1/e的概率丢失。e是自然对数。比特相干时间越长，量子处理器能够进行量子信息处理的时间越长，因此是量子处理器的重要指标。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准

83、研究报告 26 相位退相干通常由低频噪声扰动引起，可以通过自旋回波（spin echo）等手段进行缓解，并且大部分量子线路的操作有一定的随机性，相当于自带自旋回波效应，对相位退相干敏感度较低。此外相位退相干性能更多是反映低温平台与测控系统的噪声水平，可以通过优化低温平台与测控系统得到改善。而T1主要反映的是量子处理器和比特本身性能，而且能量弛豫往往是不可逆，因此，从处理性能的角度看，T1相对T更重要。目前，多比特超导量子处理器的典型T1值为数十微秒，最高可以做到数百微秒。此外，在超导量子芯片中，双能级系统（Two-Level Systems）也是一种常见的噪声源。这些系统是由超导电路和周围材料

84、中的缺陷引起的，当它们与比特能级差相近时，可以与量子比特发生相互作用，导致退相干，所以在设计和操作超导量子芯片时，管理和减少TLS的影响是至关重要的。比特连通性 实现大多数的多比特量子算法必须使比特之间产生纠缠，产生纠缠的效率直接决定算法的效率。决定产生纠缠的效率的一个重要指标是量子处理器比特间的连通性，即一个比特可以直接和多少个比特直接产生纠缠。比特连通性指标是由量子处理器的物理架构决定，值应该至少为1，否则比特无法和任何比特产生纠缠。超导量子处理器基于平面印刷工艺，比特一般只能和临近比特直接耦合，常见的连通性一般为2-4，采用尽可能高的连通性架构将大大提高量子算法和应用的运行效率。在量子纠

85、错中，更高的连通性也可以使比特所需总数量降低。可操控性 每个比特均可控制；所有比特可支持并行操控，微波控制串扰 -30dB,平均 -40dB；偏置控制串扰 -30dB,平均 态热激发率标定，典型值为50mK，电子温度越低，说明系统性能越好。制冷功率：100mK制冷功率，即在温度为100mK时的制冷功率，典型值400W。降温时间：从室温（300K）降温至工作温度（10mK）所需时长，典型值30小时。整机功率：支持整机运行所需电功率，典型值32kW。持续运行时间：极低温平台可持续维持极低温运行的时长，典型值1年。4.2.3.2.屏蔽组件 量子信息极其脆弱，除了维持比特在极低温环境外，还需要对环境中

86、的各种噪声源进行细致的屏蔽才能对量子信息起到有效的保护。屏蔽主要包括机械震动屏蔽和电磁屏蔽。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 29 震动屏蔽：震动需要制冷机本身震度足够低，结构上需要将震动组件如泵组、脉冲管制冷机冷头等震动源的震动和实验平台做良好隔离。实验平台和外界震动也需要有对应的隔离措施，常用的方式有被动减震比如增加大配重增加大阻尼，通以及使用主动减震系统消除震动等方式。剩磁屏蔽：剩磁对超导量子处理器的性能有很大影响，剩磁会在超导材料中形成的磁通钉扎，这会导致比特和耦合器偏离频率顶点，也会形成噪声源影响比特性能。低温低噪声平台需要配备多层室温和低温磁屏蔽层屏蔽空间剩磁，

87、为量子处理器提供一个接近无磁的环境。指标：量子处理器装配位置剩磁，典型值20nT。4.2.3.3.微波传输组件 超导量子处理器工作在数十mK温区，而目前主流的控制设备均基于室温电子学技术，因此需要将所有控制设备的输出信号从室温传递到极低温，将极低温的读取测量信号传递到室温设备进行数据采集分析，这涉及到多通道高速微波脉冲和信号跨越巨大温差进行高保真度的传输。微波传输组件通过控制线缆，衰减器、滤波器、低温放大器、环形器等微波器件在极低温下进行高密度集成实现。主要指标参数有：控制电缆数量：控制电缆数量决定系统可控制比特和耦合器的数量，典型值200；读取电缆组数：一组读取电缆组包括读取脉冲输入通道，读

88、取信号输出通道，量子放大器控制通道等多个通道，读取电缆组数决定系统的读取通道数量，通常一组读取可通过频分复用实现对多个比特的读取，读取电缆组数典型值10；脉冲传输畸变：脉冲从室温设备通过多级温区和多个微波器件传输到极低温区的量子处理器，有可能发生畸变，控制脉冲的畸变会导致比特的实际操控偏离目标设定，表现为保真度下降，因此要求传输系统的脉冲传输畸变尽可能低。脉冲传输畸变通常用方波残余拖尾大小进行刻画：用指数衰减模型近似描述方波残余拖尾，指数衰减的幅度相对方波幅度比值为畸变幅度（），衰减时间常数为畸变长度（），典型值1%，典型值500ns。除尽量优化硬件外，脉冲传输畸变需要在控制层进行补偿修正。量

89、子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 30 微波脉冲反射：微波控制脉冲的反射将导致单比特门保真度的下降，传输系统保证足够低的微波脉冲反射也是很重要的指标。4.2.4.测控系统 测控系统是超导量子计算机的重要组成部分，负责生成和发送控制信号，操控量子比特，并读取量子比特的状态。测控系统的性能直接影响量子比特的操控精度和读取保真度，以及量子算法的执行效率。测控系统分为硬件和软件两部分。测控硬件系统主要包括高速DAC模拟控制脉冲生成器、微波源、微波调制混频器、高速ADC信号采集器、信号解模分析器、反馈控制器等电子学设备。测控硬件系统提供量子调控所需的高速高精度电脉冲并对量子态读取信号进

90、行放大、采集、解模并做量子态判别，实现反馈控制流程。测控硬件系统主要指标有：控制波形脉冲DAC采样率。控制波形脉冲输出带宽。控制波形脉冲DAC幅度精度。控制波形脉冲输出幅度稳定性：24小时内，幅度波动小于500ppm（峰峰值）。读取数据采集ADC采样率。读取采集信号带宽。读取数据采集ADC幅度精度。通道同步：多通道同步控制，通道间时同步偏差小于1纳秒。量子反馈延时。典型值1微秒。通道数量，典型值200。测控系统软件操控测控硬件系统实现量子调控，管理系统所有软硬件资源，实现量子处理器标定和校准，对底层复杂硬件操作进行抽象封装，为上层量子编程提供标准化接口，将上层任务的量线路解析成硬件控制指令和数

91、据，调度所有硬件协同执行量子任务。测控软件系统主要指标有：控制规模：可控制系统规模，典型值100比特的超导量子处理器。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 31 软件延时：量子程序运行流程中，除硬件运行时间外，软件加载配置，编译解析量子线路，处理数据等步骤消耗的时间。软件延时和运行的量子线路规模有关。在量子计算的各子模块中，测控系统的进化速度最快。量子处理器规模在未来五年内很有可能突破一千比特，将每个比特的控制线缆从极低温引到室温电子测控设备的现有方案将不再适用，需要将测控系统转移到低温，并由分离设备机箱集成变成芯片级集成方案。第一步的方案是利用低温CMOS技术在低温平台K级集

92、成测控系统，这种方案能够支持到上万比特系统。目前这种方案已经得到小规模验证。更进一步，利用超导电子学技术，实现测控电子学系统在更低温级甚至实现和量子处理器的原位封装，是超导量子计算走向更大规模的终极测控解决方案。目前这种方案已经得到小规模验证。4.2.5.模块指标小结 超导量子计算体系包括量子处理器、低温低噪声平台和测控系统。这些系统通过多种技术和方法，实现对量子比特的制备、操控和读出。模块指标汇总如下表所示。表格 1 超导量子计算体系模块指标小结 模块模块 指标指标 数值及描述数值及描述 量子处理器 比特数 目前最大规模的量子处理器比特数已经达到数百比特 比特相干时间 表征比特存储量子信息的

93、寿命，比特相干时间越长，量子处理器能够进行量子信息处理的时间越长。典型值为数十微秒，最高可以做到数百微秒 比特连通性 表征一个比特可以直接和多少个比特直接产生纠缠。常见的连通性一般为2-4 可操控性 操 控 串 扰-30dB；比 特 频 率 调 节 范 围35GHz；耦合强度调节范围-305MHz；并行读取通道数典型值10 器件良品率 表征正常工作比特数占设计比特数的比例。典型值 98%参数一致性 含比特频率偏离、非谐性偏离、耦合强度偏离、控制线路耦合强度偏离、读取频率偏离、读取耦合强度偏离、读取腔衰减偏离 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 32 耐久性 量子处理器能承受的

94、冷热循环的最低次数 量子放大器性能 增益1520dB；带宽0.31GHz；饱和功率-110dBm；频率范围47GHz 低温低噪声平台 最低温度 典型值10mK 工作温度 典型值30mK 芯片电子温度 典型值50mK 制冷功率 400W10mK 持续运行时间 典型值1年 震动屏蔽 主动减震 剩磁屏蔽 20nT 控制电缆数 典型值200 读取电缆数 典型值10 脉冲传输畸变 指数衰减的幅度相对方波幅度比值为畸变幅度（），衰减时间常数为畸变长度（），典型值1%，典型值500ns 降温时间 典型值30小时 整机功率 典型值32kW 微波脉冲反射/测控系统 DAC采样率/DAC幅度精度/控制脉冲输出带宽

95、/控制脉冲幅度稳定性 95%。(5)高收集效率:辐射光子应该以高效率提取到单一空间模式或者单模光纤，典型的收集效率约为90%。对于纠缠光源，还应具有高的纠缠保真度:与理想的贝尔态具有高的重合度。这可以通过纠缠保真度关联测量或者进行量子态层析获得，典型值为99%。5.2.3.光量子线路模块指标 光量子线路网络目前主要包括两条路径，早期的光量子计算主要基于自由空间的光学器件，光子在晶体和自由空间中的损耗都很低，但此方案的可扩展性较差。大规模扩展需要将光学元件集成到光学芯片上，但目前的效率还需提升。相关研究整体上处于起步阶段。主要指标包括：（1）光学端到端透过率：光功率(强度)从入射到出射的比值。目

96、前在光量子芯片上的透过率的典型值为50%；（2）可编程性：可以按照特定的输入矩阵实现相应的量子变换矩阵。这个指标可以测量保真度得到，对于10个模式左右的干涉线路的典型值为95%。（3）相位稳定性：这和上述的可编程性类似，主要关注其长时间的实现目标矩阵的变化，也可以通过测量保真度获取。除此之外，还应关注光量子线路的模式数、可完整连通性等指标。5.2.4.单光子探测器模块指标 单光子探测器在光量子计算中用于评估其性能的主要指标包括:(1)探测效率:探测到的光响应计数和入射光子数的比值,这是最重要的指标，其可以采用标准光源进行标定，理想情况为100%，目前对于常用的1550 nm波段的探测效率约量子

97、科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 38 90%。(2)暗计数：系统在没有光入射情况下自发产生和光子响应完全无法区分的计数，典型取值为100 Hz。(3)时间抖动：指信号脉冲到达的时间和理想脉冲到达时刻的偏差。这可以通过示波器或者快电子学设备测试，典型取值为100皮秒。(4)计数率/死时间：计数率表示光子脉冲最高重复频率，而死时间是指探测器接收到一个单光子产生电响应脉冲后,无法再进行探测的时间。目前计数率约为1至100 MHz，死时间典型值为10 ns至200 ns不等。另外对于单光子探测器还存在其他的一些常见的性能指标包括:光子数分辨能力、响应波长范围、工作温度等。5.2.5.

98、模块指标小结 光量子计算的三大模块量子光源、光量子线路模块和光子探测器模块各自有其关键性能指标。量子光源需具备高单光子生成效率、高纯度、高合同性、高系统效率、高速的光子生成速率和稳定的纠缠光子对生成效率。光量子线路模块需要具备高透射率和反射率的分束器、高精度的相位移器、稳定的干涉仪以及低光子损失率。光子探测器模块需具备高探测效率、低暗计数率、高时间分辨率、强光子数分辨能力和低死时间。这些指标共同决定了光量子计算系统的性能和应用前景。表格 2 光量子计算模块指标汇总 模块模块 指标指标 定义定义 理想指标理想指标 量子光量子光源源 单光子生成量子效率 每次激发产生单光子的概率 理想指标为：接近

99、100%当前水平为：50%90%纯度 生成的光子态接近理想单光子态的程度，一般用二阶关联函数表示 理想指标为：接近 0%当前水平为：平均 1%左右，单项指标可以做到 0.01%系统效率 从光源到检测器整个系统中传输和探测光子的效率 理想指标为：接近 100%当前水平为：10%30%，国际最佳值 70%光子生成速率 每秒生成单光子的数量 理想指标为：10GHz/s 当前水平为：1MHz/s1GHz/s 光子全同性 不同光子源生成的光子之间的相似程度 理想指标为：接近 100%当前水平为：90%量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 39 纠缠光子对生成效率 每次激发产生纠缠光子对的

100、概率 理想指标为：接近 100%当前水平为：30%80%纠缠保真度 每次激发产生纠缠光子对的纠缠度 理想指标为：接近 100%当前水平为：95%波长 光子源产生光子的波长 理想指标为：可见光或近红外 当前水平为：400700 nm（可见光），7001550 nm（近红外）光量子光量子线路模线路模块块 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 理想指标为：高度可控 当前水平为：50:50 或根据需求调整 相位移器精度 相位移器调节光子相位的精确程度 理想指标为：接近 0 漂移 当前水平为：约 0.01 至 0.1 度 干涉仪的稳定性 干涉仪在长时间操作中的相位稳定性 理想指标为：接近

101、 0 漂移 当前水平为：漂移1nm/h 光子的模式数 干涉仪中允许的独立光模式的数量 理想指标为：10000 当前水平为：144 连通性 不同光量子比特或光学模式之间的连接和相互作用能力 理想指标为：完全连通 当前水平为：可区分为不能连通，部分连通，完全连通 光子损失率 光子在光量子线路中的损失比例 理想指标为：90%光子探光子探测器模测器模块块 探测效率 探测器成功检测到单光子的概率 理想指标为：接近 100%当前水平为：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）可达 90%暗计数率 探测器在无光子输入时产生的假信号率 理想指标为：0 当前水平为：0.110000 时间分辨率 探测器分辨光子到达时

102、间的精度 理想指标为：1ps 当前水平为：几十皮秒 光子数分辨能力 探测器区分不同数量光子的能力 理想指标为：准确分辨多个光子事件 当前水平为：1 个到 10 个不等 探测器死时间 探测器在一次探测后恢复到可探测状态所需的时间 理想指标为：0 当前水平为：10 ns200 ns 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 40 6.离子阱量子计算体系 6.1.离子阱量子计算概述 离子阱系统是最有希望实现通用量子计算的平台之一。自1995年Cirac和Zoller提出用离子阱实现量子计算以来，量子计算的所有基本元素都已在该系统中得到了原理性的验证并且在多方面取得了领先的成果。离子阱系统

103、始于上世纪50年代，主要由德美两国物理学家Wolfgang Paul和Hans Dehmelt发明和发展。前者利用射频振荡电场和直流静电场囚禁带电粒子，开发出了线性保罗阱,后者利用直流静电场和静磁场囚禁带电粒子，开发出了彭宁阱。1995年，Cirac 和Zoller提出了首个量子计算的实验方案：利用线性保罗阱囚禁线性离子链并利用激光操作离子实现量子计算。该方案开启了离子阱量子计算新领域的同时也激发了其他可行的量子计算平台的提出。接下来，我们将首先介绍离子阱的基本原理，主要包括量子比特的编码方式、量子计算的过程等；然后介绍离子阱量子计算的研究进展；最后讨论离子阱量子计算的优劣。6.1.1.离子量

104、子计算的基本原理 量子比特是一个二能级系统，在离子阱系统中就是离子的一对内部能级，通常有三种类型的量子比特：一是超精细量子比特（hyperfine qubit）。二能级选取为离子基态能级的两个超精细结构能级上磁量子数为零的两个子能级；其频率在微波范围；其优点是量子比特寿命无穷长；且量子比特受外接磁场影响小，相干时间长，可达秒量级。二是光量子比特(optical qubit）。一个能级处于基态能级，另一个能级处于亚稳态能级；其频率在光学波段；其优点是操作激光通常处于可见光或者红外光波段。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 41 三是塞曼量子比特（Zeeman qubit）。两个

105、能级选取为基态能级的同一超精细能级上的两个塞曼子能级；其频率在射频波段；其优点是量子比特寿命无穷长；且用于量子操作的拉曼激光频率差在射频波段，容易制备。离子阱量子计算流程主要包括电离和俘获、冷却、初态制备、逻辑门操作、状态探测等步骤。6.1.1.1.电离和俘获 利用激光剥离中性原子的最外层电子，可以获得带电离子。本领域通常利用二级电离实现同位素筛选，以提升电离和俘获离子的纯度：使用一束激光将原子从基态激发到中间态，再用另一束激光从中间态激发到完全电离的状态。带电离子可以被电场束缚，利用射频电场和直流电场，可以形成稳定的囚禁势阱，实现带电离子的囚禁。6.1.1.2.冷却 进入囚禁区域的离子，其初

106、始速度很高，离子处于雾化状态，无法进行精确操控。首先使用多普勒冷却，使其冷却结晶，形成稳定晶格。然后对离子进行亚多普勒冷却，以降低离子温度，使其接近运动模式的基态，以提高量子逻辑门操作的保真度。常用的亚多普勒冷却方法主要有电磁诱导透明冷却和边带冷却。6.1.1.3.初态制备 使用光泵浦技术可以实现离子量子比特的快速、高保真度的初态制备。将量子比特二能级系统的一个能级定义为亮态，另一个能级定义为暗态。泵浦光将亮态上的离子激发到激发态，然后自发辐射回到基态，回到亮态的离子会被再次激发，而回到暗态的离子则不会，由此可将离子确定性地制备到暗态。6.1.1.4.逻辑门操作 普适量子门集包括单量子比特逻辑

107、门和双量子比特逻辑门。在离子阱系统中，利用寻址激光照射离子，可实现单量子比特的任意幺正操作。双量子比特逻辑门则是利用寻址激光同时照射两个离子，实现内态与外态的耦合，通过离子晶体集体运动模式作为媒介来实现的。6.1.1.5.状态探测 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 42 利用与态相关的自发辐射能够实现对离子量子比特的状态读取。在探测激光的照射下，处于亮态的离子被反复激发到激发态能级，并自发辐射回到亮态，释放出光子，被探测器探测，而暗态离子则不会释放光子，由此可以分辨离子量子比特的状态。6.1.2.离子阱量子计算的优劣势分析 离子阱量子计算的优势主要包括扩展成本低、全同性、全

108、连通性、高保真度的量子操作、量子比特相干时间长，其不足主要表现在逻辑门操作速度慢、寻址难度大。扩展成本低。离子阱量子计算机的测控系统复杂度不会随着量子比特数量的增加而显著增长，具有显著的低成本扩展优势。量子比特全同性。离子量子比特是离子内部的一对二能级系统，因此是天然全同的，这保证了所有量子比特有近乎相同的性质和性能，降低了系统校准的复杂度。量子比特连通性。连通性是指任意一个量子比特能和多少个量子比特直接做双比特逻辑门。连通性越高的系统，其量子线路越容易简化，或者说相同的任务，需要执行的逻辑门操作越少。离子阱量子计算利用离子晶体的集体振动模式作为媒介实现不同量子比特之间的耦合，而集体振动模式为

109、所有离子共享，因此任意一个离子可以和任意其它离子进行双比特逻辑门操作。高保真度的量子操作。包括高保真度的初态制备和状态读取，以及单比特逻辑门和双比特逻辑门。离子阱系统目前保持着上述量子操作的记录。初态制备和状态读取保真度大于99.99%，单比特逻辑门保真度大于99.9999%，双比特逻辑门保真度大于99.9%。量子比特相干时间。量子比特相干时间可以理解为量子比特能够存储信息的时间。通过磁屏蔽和动态解耦，离子阱系统已经实现了超过1小时的相干时间。逻辑门操作速度。由于操作原理的限制，离子阱在量子门速度方面存在明显的劣势，目前常用的双比特逻辑门操作时间一般在百微秒量级。量子科技产学研创新联盟 量子计

110、算性能评估基准研究报告 43 寻址难度大。目前主流的离子阱路线使用寻址激光对离子进行逻辑门操作，需要将激光聚焦到单个离子上，并且需要保持激光和离子的相对位置不发生改变。离子晶体悬浮在电极附近，机械振动、光路漂移以及电磁噪声等因素会引起激光和离子相对位置的抖动，从而引起错误。在大规模离子晶体中，还面临着晶体雾化，离子位置不可追踪的困难。6.2.模块分类与技术指标 6.2.1.模块分类 离子阱量子计算机硬件可划分为四个功能模块：光源模块、光控模块、真空囚禁模块和电控模块，如下图所示。图 4 离子阱量子计算模块示意图 真空囚禁模块主要由真空腔体和置于腔体内的电极组成，它提供超高真空环境和囚禁电场，是

111、离子晶体稳定存在的地方；光源模块主要由各种激光器构成，提供离子操控所需的所有激光；光控模块根据电控模块发送的指令，对来自光源模块的激光进行实时的参数调控；电控模块一方面向光控模块和真空囚禁模块发送控制指令，另一方面接收来自真空囚禁模块的探测信号。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 44 6.2.2.光源模块 光源模块主要由激光器构成，用于提供离子操作激光，包括：电离激光、冷却激光、初态制备和状态探测激光，逻辑门操作激光、回泵（repump）激光。冷却激光又分为多普勒冷却激光和亚多普勒冷却冷却激光。亚多普勒冷却激光主要包括边带冷却激光和电磁诱导透明冷却激光。多普勒冷却激光、初态

112、制备和状态探测激光、电磁诱导透明冷却激光通常来自同一台激光器，此处简称为DSPAM激光器；边带冷却激光和逻辑门操作激光也通常来自同一台激光器，简称SQ激光器。根据实际需要，光源模块需要对激光进行波长锁定、线宽压缩等，以确保输出激光参数满足需求。激光的主要技术指标包括功率及稳定性、激光线宽、激光模式、偏振稳定性。下面首先对这几个指标的概念、测试方法进行简要阐述，然后对不同功能的激光进行指标要求的总结。6.2.2.1.指标说明 激光功率及其稳定性激光功率及其稳定性 激光功率反映的是单位时间内激光光束的能量。激光功率稳定性则是一段时间内，激光功率的变化情况，可用RMS稳定性和峰峰值稳定性表征。RMS

113、稳定性是指测量时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，表征输出功率偏离平均值的分散程度。峰峰值稳定性是指测量时间内功率的最大值和最小值之差与功率平均值的比值，表征的是一定时间内功率的变化范围。激光功率可用激光功率计或者光电探测器进行测量，对一段时间内的功率采样值进行分析可以得到功率稳定性。激光线宽激光线宽 激光线宽定义为激光光谱的半高全宽，反映的是激光频谱纯度。线宽越窄，其时间相干性越好。如果对激光频率噪声按白噪声建模，那么激光谱线为洛伦兹型，此时激光相干时间和激光线宽的关系为=1。线宽测试的方法一般有两种。第一种是自拍频方法：将激光束和经过一段长光纤后的激光束进行拍频，然后用频谱分析

114、仪对拍频信号进行频谱分析得出拍频量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 45 信号的线宽即可反应激光的线宽。这种方法要求光纤的长度超过激光本身的相干长度，因此适用于测试相干性较差，也即线宽在10kHz以上的激光线宽。第二种方法为双激光拍频法：将两台相似的窄线宽激光器作拍频并对拍频信号进行频谱分析从而得到激光的线宽。这种方法要求两台激光器有相近的线宽，一般适用于测试10kHz以下的窄线宽激光器，甚至是10Hz以下的超窄线宽激光器。激光模式激光模式 激光模式即激光强度在激光传播方向（纵向）的垂直方向上（横向）的空间分布。离子阱实验要求激光模式为高斯基模，即激光强度在空间上呈高斯函数型

115、分布I(x,y)e2(2+2)2。实际情况下，激光光斑往往达不到高斯型，一般可以用光束质量因子M2来衡量光斑有多接近高斯基模。M2定义为激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想高斯基模光束束腰半径和发散角乘积的比值。M2可用光束轮廓分析仪进行测量。偏振纯度偏振纯度 激光偏振表征激光中电场的振荡方向，它影响各种光学器件的效率、离子跃迁强度等，因此是非常重要的指标。激光器出光一般是线偏振，偏振纯度是指其它杂散偏振分量的光强与主偏振光强之间的比值，通常以偏振消光比来表示。激光偏振态以及偏振消光比可以通过偏振分析仪进行直接测量，也可以利用高消光比的偏振分束器和波片进行测量。6.2.2.2.性能指标典型

116、值 下表展示离子阱量子计算对各种功能激光的参数要求。此表以功能激光进行分类，不以激光器分类，如上所述，不同功能激光可能来自同一激光器。表格 3 离子阱量子计算对各种功能激光的指标需求 激光种类激光种类 输出功率输出功率（mW）PP功率稳功率稳定性定性 线宽线宽 光束质量光束质量因子因子 偏振消光偏振消光比比(dB)电离激光 10 5%1MHz 22 多普勒冷却激光 2 1%1MHz 22 电磁诱导透明冷却激光 5 0.5%1MHz 22 边带冷却激光 200 0.5%1kHz 22 初态制备与状态探测激光 2 0.5%1MHz 22 逻辑门操作激光 1000 0.1%100Hz 22 回泵激光

117、 5 5%1MHz 22 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 46 6.2.3.光控模块 光控模块接收来自光源模块的激光，对激光参数进行调控，然后将激光传输到真空囚禁模块，以对离子量子比特执行操控。参数调控分静态调控和动态调控。静态调控包括对激光分束和合束、光斑大小调整、传播方向调整等；动态调控参数包括功率、频率、相位、传播方向等。静态调整主要通过反射镜、偏振分束器、非偏振分束器、波片、透镜等光学元件实现；动态调整，可利用声光调制器（AOM）对激光功率、频率和相位进行快速调节；利用电光调制器（EOM）施加频率边带；利用声光偏转器（AOD）对传播方向进行快速调节；利用机械开关对

118、激光进行慢速的通断控制。与光源模块相对应，光控模块可分为电离光模块、DSPAM光模块、SQ光模块、回泵光模块。接下来先对各模块的主要指标进行解释，然后对各个子模块的主要功能进行简述，并指出其主要指标要求。6.2.3.1.指标说明 激光功率调节范围。指激光功率可以变化的范围，通常利用声光调制器对激光功率进行快速调节，可以利用功率计直接测量。激光频率、相位调节范围。通常利用声光调制器对激光频率和相位进行快速调节。声光调制器的射频场的频率和相位直接决定了激光频率和相位。参数切换时间。指功率、频率、相位完全切换的最小时间单位，声光晶体中的声速是其主要限制。可通过光电探测器探测功率的变化曲线来直接测量。

119、光斑大小。通常用高斯半径来描述，指激光功率下降到光斑中心处功率1/e2的距离。对于较大的光斑（半径10m），可通过光束质量分析仪直接测量；对于微米量级的光斑，可通过刀片法切割光斑，或者离子感受到的光强随距离变化关系来测量。光强调节范围。光强又叫光功率密度，等于光功率除以光斑面积。通常用饱和吸收光强（Is）的倍数来描述。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 47 传播角度调节范围。仅对于寻址激光而言。寻址激光是指光斑大小只覆盖单个离子的激光。在量子计算过程中的不同阶段，需要对不同的离子执行逻辑门操作，由此要求寻址逻辑门操作激光的传播方向可以实时调控。通常利用声光偏转器（AOD）来

120、调节寻址激光的传播角度，以实现对全离子晶体的扫描。6.2.3.2.电离光模块 电离光模块用于对电离光进行慢速的开关控制，并对激光大小进行静态调整并输出到真空囚禁模块中。其主要参数指标要求包括：开关时间：小于50ms；输出功率：大于500W；光束质量因子：小于1.5；光斑大小：通常情况，高斯半径高斯半径 100m 100m 6.2.3.3.DSPAM 光模块 DSPAM光模块将来自DSPAM激光器的激光进行分束调控，输出用于多普勒冷却、初态制备和状态探测、电磁诱导透明冷却的激光。对这些激光进行快速的开关控制、功率调节和频率调节，并对光斑进行静态调整，输出到真空囚禁模块。其各路输出激光主要参数指标

121、要求如下表所示。表格 4 DSPAM 光模块指标要求 激光名称激光名称 光强调节范光强调节范围（围（）频率调节范频率调节范围围(MHz)相位调节相位调节范围范围()PP功功率波动率波动 参数切换参数切换时间时间()偏振消光偏振消光比比(dB)光斑大光斑大小小 多普勒冷却激光 05 40 0360 1%22 全覆盖 电磁诱导透明冷却激光 010 40 0360 0.5%22 全覆盖 初态制备激光 05 40 0360 1%22 全覆盖 状态探测激光 05 40 0360 0.5%22 全覆盖 6.2.3.4.SQ 光模块 SQ光模块将来自SQ激光器的激光进行分束调控，输出边带冷却激光和逻辑门操作

122、激光。边带冷却激光一般是全局激光，覆盖整个离子晶体；逻辑门操作激量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 48 光是寻址激光，光斑大小只覆盖单个离子。以下表格对两种激光的相关指标要求进行总结。表格 5 SQ 光模块指标要求 激光名称激光名称 光功率调光功率调节范围节范围（mW）频率调频率调节范围节范围(MHz)相位调相位调节范围节范围()PP功功率波动率波动 参数切参数切换时间换时间()偏振消偏振消光比光比(dB)光束光束质量质量因子因子 角度角度调节调节范围范围 光斑大小光斑大小 边带冷却激光 020 40 0360 0.5%22 全覆盖 逻辑门操作激光 0100 40 0360

123、 0.1%22 1.5 全扫描 仅覆盖单个离子 6.2.3.5.回泵光模块 回泵光模块将来自回泵激光器的激光进行分束调控，输出用于回泵的激光。回泵光的参数要求如下表。表格 6 回泵光模块指标要求 激光名称激光名称 光功率调光功率调节范围节范围（mW）频率调节频率调节范围范围(MHz)相位调相位调节范围节范围()PP功率功率波动波动 参数切参数切换时间换时间()偏振消光比偏振消光比(dB)光斑大光斑大小小 回泵激光 01 20 0360 5%22 全覆盖 6.2.4.电控模块 电控模块包括时序控制机箱和静态输出机箱。时序控制机箱用于产生随时间变化的控制信号，包括射频信号、TTL信号，输出到光控模

124、块中声光调制器、电光调制器等器件，用于对激光参数进行实时调控。静态输出机箱主要输出两种信号到真空囚禁模块，其一是直流信号，施加到线性保罗阱的直流电极上；其二是射频信号，施加到线性保罗阱的射频电极上。上述直流信号和射频信号共同作用，产生三维囚禁势阱，实现对离子量子比特的稳定囚禁。6.2.4.1.时序控制机箱 时序控制机箱主要用于产生随时间变化的控制信号，用于对激光参数进行实时调控，以实现对离子量子比特的实时操控。主要包括射频输出模块（DDS），数字输入/输出模块(DIO)。射频输出模块（DDS）输出多路射频信号，用于驱动光控模块中的声光调制器或电光调制器，射频信号幅度、相位、频率可实时调控。量子

125、科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 49 数字输入/输出模块一方面可以用来输出数字信号，可用于对部分射频信号进行开关控制、对系统中的分立设备进行同步等；另一方面可以用来采集数字信号，用于少量离子状态的探测。射频信号功率范围及功率稳定性 离子阱量子计算机通过声光调制器来调制激光参数。施加于声光调制器上的射频信号的功率决定激光功率，因此射频信号功率范围决定了激光功率的可调范围，射频信号功率稳定性决定了激光功率稳定性。射频功率稳定性可用RMS稳定性和峰峰值稳定性表征。RMS稳定性是指测量时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，表征输出功率偏离平均值的分散程度。峰峰值稳定性是指测

126、量时间内功率的最大值和最小值之差与功率平均值的比值，表征的是一定时间内功率的变化范围。射频信号功率可通过射频功率计直接测量，典型值为10dbm 20dBm。通过对一定时间段内的功率测量值进行分析，可以得到射频信号功率稳定性。射频功率RMS稳定性典型值为的0.1%，峰峰值稳定性典型值为0.5%。射频信号频率范围及频率稳定性 离子阱系统中的射频信号主要用于驱动电光调制器以及声光调制器，驱动声光调制器时其典型频率范围为1MHz-1GHz，驱动电光调制器或其他设备时其典型频率范围为1MHz-20GHz。当所需频率范围较低时（400MHz），射频信号可以由时序控制机箱中数字频率合成器（DDS）产生，可以

127、快速进行幅度、频率与相位切换，当频率范围较高时，需要特定的专用设备来产生。时序控制机箱的射频信号频率范围典型值为1-400MHz，频率稳定性主要取决于外部时钟输入，通常使用频率波动值与中心频率的比值来表征，典型值为5 1011。射频信号隔离度 射频信号隔离度是指多路射频信号输出之间的串扰程度。其测量方法为：打开一路射频信号，用频谱仪或者射频功率计测量其余处于关闭状态的通道的输出信号强度，后者与前者的比值定义为隔离度，其典型值是-70dBc。射频信号切换速度 离子阱量子计算机通过声光调制器、电光调制器来调制激光的频率、功率、相位等信息，这种调制是通过快速改变施加于声光调制器、电光调制器的射频信量

128、子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 50 号来实现的，因此射频信号的切换速度决定了操控的时间精度。射频信号的切换速度是指射频信号的功率、频率、相位发生改变的最小时间。可以通过示波器直接观察切换速度。该指标典型值为10100ns。射频信号相位噪声 射频信号的相位稳定性可以通过相位噪声来表征，相位噪声典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。数字信号宽度 电控系统中能同步控制的数字信号的位数为数字信号的宽度，在离子阱系统中需要时序控制机箱通过数字信号来操控外部设备，数字信号的宽度越多所能操控的外设也越丰富。数字信号的位数需要根据系统外设的需求灵活选取，典型值为8-12

129、8位。数字信号开关速度 电控系统的数字信号的开关速度决定了电控系统在与外部器件交互时的精度，表征数字信号开关速度有两个重要参数：最小脉宽与最小调节精度。其中最小脉宽指数字信号由低电平到高电平再到低电平的最短时间，受限于系统的带宽，其典型值通常为5ns-20ns。最小调节精度指的是数字信号在时间定位上的精度，取决于电控系统芯片的运行频率，对于离子阱系统来说，其典型值为1ns-10ns。6.2.4.2.静态输出机箱 静态输出机箱主要用于产生幅值和频率不随时间变化的射频信号和幅值不随时间变化的直流信号，输出到真空囚禁模块的射频电极和直流电极上，以产生稳定囚禁势阱。直流信号精度及稳定度 直流信号精度是

130、指输出直流电压信号的最小可调值，由数模转换器（DAC）位数决定，它影响了离子阱系统对离子平衡位置的调控精度,典型取值为16位-20位。直流电压稳定度分为短时稳定性和长时稳定性。短时稳定性也称为电压噪声，可通过频谱仪测量DC电压的频谱特性，典型值为频率0-1MHz范围内，噪声的功率谱-80dBm。长时稳定性可通过高精度万用表长时间测量电压值，通过记录一量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 51 段时间内的峰峰值以及标准差相对于其输出平均值的比值来表征，峰峰值稳定性典型取值为10 ppm，标准差稳定性典型取值为1 ppm。射频信号功率范围及稳定度 射频信号施加于保罗阱的射频电极上，

131、用于产生径向束缚势，射频信号功率决定了离子感受到的势阱深度，射频信号功率稳定性直接影响了囚禁势的稳定性。射频功率稳定性可用RMS稳定性和峰峰值稳定性表征。RMS稳定性是指测量时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，表征输出功率偏离平均值的分散程度。峰峰值稳定性是指测量时间内功率的最大值和最小值之差与功率平均值的比值，表征的是一定时间内功率的变化范围。射频信号功率可用射频功率计直接测量，也可利用取样电容测量施加在射频电极上的射频信号的电压，其典型值为200-1000V。通过对一定时间的测量值进行分析，可以得到射频信号功率稳定性。其典型值是RMS稳定性0.01%-0.1%，峰峰值稳定性0.

132、03%-0.1%。射频信号频率范围及频率稳定度 线性保罗阱的囚禁势阱深度还受射频信号的频率决定，其频率稳定性对囚禁势的稳定性也有直接的影响。可利用频谱仪直接测量射频信号的频率和频率稳定性。频率范围通常是1050MHz，频率稳定度用频率波动值与中心频率的比值表征，其典型值为5 1011。射频信号相位噪声 射频信号的相位噪声直接影响离子的声子模式，相位噪声是指在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，可以通过相噪测量仪直接测量或者频谱仪间接测量，典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。6.2.5.真空囚禁模块 真空囚禁模块是稳定囚禁离子晶体的地方，是离子阱量子计算机的核心

133、。包括真空腔体和置于腔体内的电极，真空腔体提供超高真空环境，以减少外界环境对离子晶体的影响，电极包括直流电极和交流电极，通过交流电场和直流电场产生囚禁势场，以囚禁离子晶体。其主要指标如下。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 52 真空度。反应真空室内气体密度，由真空计直接读出，通常要求真空度小于5 1012.离子数。指稳定囚禁的离子晶体所包含的离子数量。目前在单个离子阱系统中稳定囚禁的离子数已达到500。晶格稳定时间。指离子形成稳定晶格的持续时间。只有形成稳定晶格，才能对离子进行定位和精确操控。晶格稳定时间反映了真空囚禁模块中真空度和电磁噪声的程度。晶格稳定时间通常和离子数有

134、关，目前已知记录中，华翊量子已实现37离子晶体超过2.5小时的稳定囚禁。Dark lifetime。指关闭冷却光的情况下的晶格稳定时间。在量子计算过程中，冷却光不会一直存在，因此Dark lifetime更有价值。Dark lifetime受真空度以及电磁噪声的影响，原则上，离子数越多，dark lifetime越短。目前典型值是在37离子晶格中，dark lifetime大于1s。加热率。指离子晶体的声子数随时间的变化量。该指标会影响逻辑门操作的保真度。典型值是小于20声子每秒。量子比特相干时间。刻画量子比特能存储信息的时间。离子系统中典型时间是秒量级，现有记录是1小时。振动幅度。特指离子阱

135、系统的电极与操控光路之间的相对抖动幅度，它反映了操控激光和离子之间的相对稳定程度。可通过MZ干涉仪测量与电极安装架固连的镜子和固定光学元件的光学平台之间的相对抖动幅度来测量，其典型值是40nm。成像系统分辨率和成像范围。离子阱系统使用光学物镜搜集离子晶体的荧光来实现状态探测。成像系统分辨率是指能够分辨的最小离子间隔，当两个离子间隔小于分辨率时，成像系统无法对其区分，典型值是3m。成像能力是指在保证分辨率的情况下，最多能对多大范围的离子晶体进行成像，与物镜的视野直接相关，典型值是300 m。6.2.6.模块指标小结 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 53 离子阱量子计算机主要

136、分为光源模块、光控模块、电控模块和真空囚禁模块。光源模块主要由激光器组成，负责产生操控离子的激光；光控模块对来自光源模块的激光进行频率、幅度、相位等参数调控，将调控后的激光输送到真空囚禁模块，用于对离子进行操控。电控模块负责输出射频电场和直流电场，一方面输出至真空囚禁模块，用于产生稳定的囚禁势阱，另一方面输出至光控和光源模块，用于驱动对激光的参数调控器件。各模块的典型指标汇总如下。表格 7 离子阱量子计算模块指标小结 模块模块 指标指标 数值及描述数值及描述 光源模块 输出功率（mW）电离激光10mW；多普勒冷却激光2mW 电磁诱导透明冷却激光5mW 边带冷却激光200mW 初态制备与状态探测

137、激光2mW 逻辑门操作激光1000mW 回泵激光5mW PP功率稳定性 电离激光5%多普勒冷却激光1%电磁诱导透明冷却激光0.5%边带冷却激光0.5%初态制备与状态探测激光0.5%逻辑门操作激光0.1%回泵激光5%线宽 电离激光1MHz 多普勒冷却激光1MHz 电磁诱导透明冷却激光1MHz 边带冷却激光1kHz 初态制备与状态探测激光1MHz 逻辑门操作激光100MHz 回泵激光1MHz 光束质量因子 电离激光1.5 多普勒冷却激光1.5 电磁诱导透明冷却激光1.5 边带冷却激光1.5 初态制备与状态探测激光1.5 逻辑门操作激光1.2 回泵激光1.5 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估

138、基准研究报告 54 光强调节范围 多普勒冷却激光05 Is 电磁诱导透明冷却激光010 Is 初态制备激光05 Is 状态探测激光05 Is 频率调节范围 多普勒冷却激光40MHz 电磁诱导透明冷却激光40MHz 初态制备激光40MHz 状态探测激光40MHz 相位调节范围 多普勒冷却激光02 电磁诱导透明冷却激光02 初态制备激光02 状态探测激光02 参数切换时间 多普勒冷却激光0.1s 电磁诱导透明冷却激光0.1s 初态制备激光0.1s 状态探测激光22dB 光控模块 光功率调节范围 边带冷却激光020mW 逻辑门操作激光0100mW 回泵激光01mW 频率调节范围 边带冷却激光40MH

139、z 逻辑门操作激光40MHz 回泵激光20MHz 相位调节范围 边带冷却激光02 逻辑门操作激光02 回泵激光02 PP功率稳定性 边带冷却激光0.5%逻辑门操作激光0.1%回泵激光5%参数切换时间 边带冷却激光0.1s 逻辑门操作激光0.1s 回泵激光22dB 逻辑门操作激光22dB 回泵激光22dB 光束质量因子 逻辑门操作激光1.5 角度调节范围 逻辑门操作激光要求全扫描 光斑大小 边带冷却激光要求全覆盖 逻辑门操作激光仅覆盖单个例子 回泵激光要求全覆盖 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 55 电控模块 射频信号功率范围 时序控制机箱-1020dBm 静态输出机箱20

140、01000V 射频信号功率稳定性 时序控制机箱0.5%静态输出机箱0.030.1%射频信号频率范围 时序控制机箱0400MHz 静态输出机箱160MHz 射频信号频率稳定性PP 时序控制机箱510-11 静态输出机箱510-11 射频信号相位噪声 时 序 控 制 机 箱-90dBc10Hz，-110dBc100Hz 静 态 输 出 机 箱-90dBc10Hz，-110dBc100Hz 射频信号隔离度 时序控制机箱-70dBc 射频信号切换时间 时序控制机箱10100ns 数字信号宽度 时序控制机箱812位 数字信号切换时间 时序控制机箱110ns 直流信号电压范围 静态输出机箱-2020V 直

141、流信号精度 静态输出机箱1620位 直流信号稳定性PP 静态输出机箱10ppm 真空囚禁模块 真空度 2h30离子 Dark lifetime 1s 加热率 200ms 震动幅度 0的正半轴区域时，=1磁子能级向下劈裂，由于激光频率是红失谐的，故原子将更多的吸收的光子(激光频率更接近共振频率)，原子感受到指向中心的光压力；同理原子在x0时，力指向梯度的反方向，即指向光强弱的方向；当失谐 0时，力指向光强更强的方向。因此利用强聚焦红失谐的光偶极阱可以将原子囚禁在光强最强的焦点附近，根据“碰撞阻塞原理”，当偶极阱束腰小于等于4微米时，阱中最多只能有一个原子。将这样的偶极阱焦点与前述的冷原子团重合，

142、即可俘获单个原子。7.1.1.3.初态制备 捕获单个原子后接下来就是高效率的进行量子比特的初始化，将铷87原子的基 态 超 精 细 磁 子 能 级 编 码 为 量 子 比 特 的|0=|51 2,F=1,=0 和|1=|51 2,F=2,=0。量子比特的初态制备指的就是高效率的将原子制备到|0态的过程，也可称之为光泵(pumping)过程。光泵，也可称为光抽运，利用光的频率和偏振特性在特殊的选择定则下操作原子能级布局。最终的结果会导致原子处在某些特定能级上，这些能级上的原子不与光相互作用，形成“暗态”(dark state)，其他能级上的原子不断被抽运到暗态上保存下来。在实验上利用光泵光和回泵

143、光的共同作用，将原子高效率的抽运到|0态上，达到初始化的目的。量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 58 7.1.1.4.逻辑门操作 任何通用的量子逻辑门都可以分解为一些列单比特门和两比特门。在中性原子体系中，单比特门操作一般利用与0态和1态能级共振的微波或者一对拉曼光进行操控，通过控制作用的时间和相位可以控制量子态的布局和相位。中性原子两比特纠缠门的实现方案主要有三种：一种是将与原子纠缠的光子进行贝尔态测量来制备纠缠的原子，该方法产生纠缠的过程不可控且效率低；第二种是基于原子间的受控冷碰撞，该方法受限于原子的冷却效率和原子间距的精确控制，进一步提高保真度有很大挑战；第三种则是

144、基于原子间的里德堡态偶极-偶极相互作用实现两比特纠缠，该方法对原子热运动并不敏感，而且门操控的时间在微秒量级，是目前最适合中性原子体系的两比特门方案。7.1.1.5.内态探测与读出 中性原子量子计算中对于量子态的探测常用的方法是荧光探测法。在探测原子内态之前用一束共振激光将处于1态的原子加热从而在阱中损失掉，对于0态的原子无影响。然后施加探测光诱导原子发光，根据收集到的自发辐射荧光来判断原子所处的状态，从而达到内态读出的目的。7.1.2.中性原子量子计算优劣势分析 中性原子量子计算优势：(1)良好的可扩展性：中性原子体系单个量子比特是囚禁在单个偶极阱中的，通过对偶极阱进行扩展可以轻易实现量子比

145、特的扩展。目前主要有两种方式对偶极阱进行扩展：一种是利用调制器件对偶极光进行相位调制，使一束偶极光经过强聚焦后在焦平面处形成多个焦点，每一个焦点代表一个偶极阱，用于囚禁一个量子比特。利用这种方法目前已经实现比特数目多达约1200的二维量子比特阵列和二维异核量子比特阵列，以及三维的量子比特阵列。另外一种是利用多芯光纤的方案，每一根光纤内合束有偶极光、拉曼光和激发光，纤芯数目可达几十甚至上百，这种方法可以便捷地形成几十到上百的偶极阱阵列。并且由于每根光纤内合束有独立的拉曼光和激发光，因此可以做到量子比特之间完全独立可控，实现多比特之间的并行寻址，达到全编程量子计算要求。量子科技产学研创新联盟 量子

146、计算性能评估基准研究报告 59(2)量子比特的全同性：中性原子量子比特使用的是原子内部的一对二能级系统，物理性质保证了同种量子比特的性质天然全同。因此在制备和操控量子比特时不需要考虑比特之间的差异，降低了系统的复杂度。(3)较长的相干时间：中性原子量子比特一般是编码在碱金属原子基态钟跃迁能级上，量子比特的相干时间主要受限于偶极阱的差分光频移引起的非均匀退相。利用魔幻光强阱技术，可以降低差分光频移对阱深的敏感性，使量子比特的相干时间得到极大延长。目前已经实现将量子比特相干时间从几毫秒延长到秒量级。同样得益于魔幻光强阱技术，中性原子体系目前实现了量子比特在不同偶极阱之间的相干转移，转移前后量子比特

147、的相干性不变。这种方案可以实现量子比特之间的按需连接，充分发挥多比特数目的优势。(4)可控的相互作用：相互作用的强度不仅决定了两比特相位门的操作时间,而且大小的控制对于减少量子算法执行过程中的退相,提高操作的保真度具有重要的作用.基于里德堡态原子的偶极-偶极相互作用是一个长程的、强度比基态相互作用大12个量级的相互作用。由此可以将两比特逻辑门的操控时间控制到微秒以内,而且该作用可以通过相干激发到里德伯态或从里德伯态相干退激发进行开关,也可以通过电场、磁场和原子的空间排列来调整大小。中性原子量子计算劣势：(1)量子比特易丢失：囚禁在偶极阱中的量子比特由于加热和背景气体碰撞的影响，可能会飞出阱外造

148、成原子损失。这种损失会导致误差出现，并且每次需要重新装载原子。(2)大规模量子比特间的连接度：目前中性原子量子比特之间的相互作用主要是近邻原子间的里德堡相互作用，一般这种作用的有效范围在10微米以内。当量子比特阵列的尺度达到百微米甚至更大时，量子比特之间的相互作用只在局部范围内有效，导致量子比特之间的连接度较低。7.2.模块分类与技术指标 7.2.1.模块分类 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 60 中性原子量子计算机的硬件按功能可划分为四个主要系统：激光光源系统、激光调制系统、核心物理系统和控制系统。激光光源系统主要由各种波长的种子激光器构成，用于提供中性原子量子计算所需

149、的冷却、囚禁、态制备、门操控、探测等所需的光源。激光调制系统主要由各种功能的光路模块组成，包括激光功率调制、激光频率调制以及激光分束、合束等光路，用于接收种子光源的激光然后输出到主系统。核心物理系统主要由真空腔体和真空系统附近光路组成，用于冷却、囚禁和操控量子比特。控制系统则是输出各种控制信号到激光调制系统以及真空系统，用于操控量子比特，同时接收真空系统输出的信号，读出量子比特状态。图 5 中性原子量子计算的概念架构 7.2.2.激光光源系统 激光光源系统主要由不同功能的种子激光器构成，这些光源包括：冷却光、回泵光、光泵光、偶极光、拉曼光、里德堡激发光等，以及部分激发功率放大器。同时激光光源系

150、统还包含对激光频率进行锁定、压窄线宽的功能模块。例如通过饱和吸收谱光路实现对冷却光、回泵光、光泵光的频率锁定，利用PDH稳频方法实现对里德堡激发光的频率锁定和线宽压窄。激光的主要指标包括光功率、功率稳定性、激光线宽、偏振消光比。激光功率及功率稳定性 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 61 激光功率反映的是单位时间内激光光束的能量。激光功率稳定性则是一段时间内，激光功率的变化情况，可用峰峰值稳定性表征。峰峰值稳定性是指测量时间内功率的最大值和最小值之差与功率平均值的比值，代表了一定时间内功率的变化范围。中性原子体系核心系统中所用的冷却光、回泵光的功率一般在几毫瓦量级，光泵光功

151、率在几十微瓦量级，功率稳定性在3%以内。单个偶极阱的功率一般在几毫瓦左右，功率稳定性在1%以内。里德堡激发光的功率在瓦量级，功率稳定性在1%以内。激光线宽 激光线宽定义为激光光源发射光谱的半高全宽，即达到峰值一半高度所对应的频谱宽度。激光线宽越窄，表示其相干性越好。激光谱线的线型为洛伦兹型，此时激光相干时间和激光线宽的关系为=1。线宽测试的方法一般有两种。第一种是延时自拍频法：将激光束一分为二，一部分经过移频器件，另外一部分经过长距离的延时光纤，然后将两部分合束拍频。用频谱分析仪对拍频信号进行频谱分析得出拍频信号的线宽即可反应激光的线宽。第二种方法为双激光拍频法：将两台相似的窄线宽激光器直接拍

152、频并对拍频信号进行频谱分析从而得到激光的线宽。这种方法要求两台激光器有相近的线宽。中性原子体系所需的冷却光、回泵光、光泵光的线宽一般要求小于1MHz，里德堡激发光的线宽一般要求小于1KHz。偏振消光比 偏振消光比代表激光器输出偏振的纯度，可用其它杂散偏振分量的光强与主偏振光强之间的比值来表征。激光器输出激光的偏振一般为线偏光，可通过格兰泰勒棱镜进行偏振提纯，配和不同波片进行偏振调节。中性原子体系中激光与量子比特相互作用时均需要考虑激光的偏振，对于冷却光、回泵光、偶极光、里德堡激发光等偏振消光比一般要求大于1000：1，对于光泵光的偏振消光比一般要求大于5000：1。7.2.3.激光调制系统 量

153、子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 62 激光调制系统主要负责将种子激光器产生的激光进行一系列调制处理，包括频率调制、相位调制和幅度调制等。这些经过调制的激光束随后被分束或合束，并最终传送到核心物理系统中，以实现对量子比特的精准操控。7.2.3.1.指标说明 激光幅度调制 激光的幅度调制一般通过声光调制器或光纤EOM实现，调制范围从0到100%，方形激光脉冲的上升沿一般在ns量级。可通过调制射频驱动源的幅度来实现对激光幅度的调制。激光频率调制 激光的频率调制一般通过声光调制器或光纤EOM实现，调制范围从几十MHz到几GHz不等。频率调制范围主要由调制器的射频驱动源决定。7.2.

154、4.核心物理系统 核心物理系统主要由真空系统和周围的光路组成。中性原子量子比特是在高真空环境的真空腔体内部制备的，真空系统周围主要搭建有磁光阱光机系统和偶极光光路以及态制备和里德堡激发光路。这些围绕真空系统搭建的光路接收来自激光调制系统输出的激光，经过指向调节、偏振调节和光斑大小控制之后入射到真空腔体内部，实现对量子比特的控制。7.2.4.1.指标说明 真空度 真空度反应了真空腔体内部气体的稀薄程度，一般由与真空系统相连的离子泵读出。真空度越高，原子量子比特受背景气体碰撞的几率越低，寿命越高。一般要求真空系统的真空度小于5*10-8Pa。偶极阱束腰 单个量子比特是囚禁在单个偶极阱中的，偶极阱的

155、束腰越小，原子在阱中的位置不确定性越小，同时对偶极光功率的需求越低。一般要求偶极阱束腰小于1微米左右。偶极阱阵列强度均匀性 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 63 通过制备偶极阱阵列装载单原子可以实现量子比特的快速扩展。一般偶极阱阵列是通过空间光调制器对激光的相位进行调制，然后经过强聚焦透镜聚焦后形成光斑阵列。由于激光在传播过程中会经过多种光学器件而导致波前畸变，并且空间光调制器在不同角度上的衍射效率不同，最终形成的偶极阱阵列强度不均匀。通过进行像差补偿、衍射效率补偿以及幅度反馈算法优化后，一般偶极阱阵列强度的均匀性大于95%。原子阵列确定性重排成功率和重排后填充率 由于单

156、个偶极阱装载原子的几率在50%左右，因此向偶极阱阵列进行原子随机装载时原子的排布是随机的。后面必须进行原子的确定性重排，一般利用声光偏转器控制更深的移动阱，根据计算得到的转移路径，将随机排列的原子重新排列为设定的目标样式。一般原子阵列确定性重排成功率在80%左右。重排后的填充率一般在98%以上。7.2.5.控制系统 控制系统主要包含主动的时序控制机箱和程序以及接收控制信号的静态输出机箱。时序控制机箱主要输出随时间变化的AO/DO信号，用于控制激光强度、激光频率、磁场强度等。静态输出机箱主要输出射频信号用于控制声光调制器、声光偏转器，输出直流信号用于控制磁场强度等，同时接收时序控制机箱输出的控制

157、信号。7.2.5.1.指标说明 射频信号频率范围 中性原子系统中用到的射频信号主要用于驱动电光调制器、声光调制器、声光偏转器以及光纤EOM等。驱动普通电光调制器时典型频率范围为1MHz-20MHz，驱动声光调制器时其典型频率范围为60MHz-200MHz，驱动光纤EOM时其典型频率范围为1GHz-10GHz。当所需频率范围较低时（200MHz），射频信号可以由时序控制机箱中数字频率合成器（DDS）产生，可以快速进行幅度、频率与相位切换，当频率范围较高时，需要特定信号源来产生。时序控制机箱的射频信号频率稳定性主要取决于外部时钟输入，通常使用频率波动值与中心频率的比值来表征，典型值为5 1011。

158、量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 64 射频信号隔离度 射频信号隔离度是指多路射频信号输出之间的串扰程度。其测量方法为：打开一路射频信号，用频谱仪或者射频功率计测量其余处于关闭状态的通道的输出信号强度，后者与前者的比值定义为隔离度，其典型值是-70dBc。射频信号相位噪声 射频信号的相位稳定性可以通过相位噪声来表征，相位噪声典型值是-90dbc10Hz，-110dbc100Hz。数字信号开关速度 数字信号的开关速度决定了电控系统在与外部器件交互时的精度，表征数字信号开关速度有两个重要参数：最小脉宽与最小调节精度。其中最小脉宽指数字信号由低电平到高电平再到低电平的最短时间，受

159、限于系统的带宽，其典型值通常为5ns-20ns。最小调节精度指的是数字信号在时间定位上的精度，取决于电控系统芯片的运行频率，对于中性原子量子计算，其典型值为10ns左右。直流电源 直流电源通常用于给MOT线圈和补偿线圈提供电流，用于产生不同大小的磁场。一般要求电流源的分辨率为10，精度为100，24小时电流漂移小于10。7.2.6.模块指标小结 中性原子量子计算体系包括激光光源系统、激光调制系统、核心物理系统和控制系统。这些系统通过多种技术和方法，实现对量子比特的制备、操控和读出。核心指标包括激光功率及其稳定性、激光线宽、偏振消光比、真空度、偶极阱的束腰和均匀性等。此外，射频信号的频率范围、隔

160、离度、相位噪声，以及数字信号的开关速度和直流电源的精度也至关重要。表格 8 中性原子量子计算模块指标小结 模块模块 指标指标 数值及描述数值及描述 激光光源系统 激光功率及功率稳定性 冷却光、回泵光功率：几毫瓦；光泵光功率：几十微瓦，稳定性：3%以内；偶极阱功率：几毫瓦/单个阱，稳定性：1%以内；里德堡激发光功率：瓦量级，稳定性：1%以内 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 65 激光线宽 冷却光、回泵光、光泵光：1MHz；里德堡激发光：1000:1；光泵光：5000:1 激光调制系统 激光幅度调制 调制范围：0到100%，上升沿：ns量级 激光频率调制 调制范围：几十MHz

161、到几GHz 核心物理系统 真空度 510-8 Pa 偶极阱束腰 95%原子阵列确定性 重排成功率 80%左右 控制系统 射频信号频率范围 1MHz-20MHz（电光调制器）；60MHz-200MHz（声光调制器）；1GHz-10GHz（光纤EOM）射频信号隔离度-70dBc 射频信号相位噪声-90dbc10Hz，-110dbc100Hz 数字信号开关速度 最小脉宽：5ns-20ns；最小调节精度：10ns 直流电源 电流分辨率：10A；精度：100A；24小时电流漂移：1 2J.Physical Review Letters,2022,129(13):130501.49.Harty T P,A

162、llcock D T C,Ballance C J,et al.High-fidelity preparation,gates,memory,and readout of a trapped-ion quantum bitJ.Physical review letters,2014,113(22):220501.50.Gaebler J P,Tan T R,Lin Y,et al.High-fidelity universal gate set for be 9+ion qubitsJ.Physical review letters,2016,117(6):060505.51.Ballance

163、 C J,Harty T P,Linke N M,et al.High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubitsJ.Physical review letters,2016,117(6):060504.52.Nielsen,M.A.and I.L.Chuang,Quantum Computation and Quantum Information.Cambridge University Press,2000 53.Knill E,Leibfried D,Reichle R,et al.Randomized

164、benchmarking of quantum gatesJ.Physical Review A,2008,77(1):012307.54.Erhard A,Wallman J J,Postler L,et al.Characterizing large-scale quantum computers via cycle benchmarkingJ.Nature communications,2019,10(1):5347.55.Cross A W,Bishop L S,Sheldon S,et al.Validating quantum computers using randomized

165、model circuitsJ.Physical Review A,2019,100(3):032328.56.Proctor T,Rudinger K,Young K,et al.Measuring the capabilities of quantum computersJ.Nature Physics,2022,18(1):75-79.57.Wack A,Paik H,Javadi-Abhari A,et al.Quality,speed,and scale:three key attributes to measure the performance of near-term quan

166、tum computersJ.arXiv preprint arXiv:2110.14108,2021.58.Mesman K,Al-Ars Z,M ller M.QPack:Quantum Approximate Optimization Algorithms as universal 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 80 benchmark for quantum computersJ.arXiv preprint arXiv:2103.17193,2021.59.Karamlou A H,Simon W A,Katabarwa A,et al.Analyzing t

167、he performance of variational quantum factoring on a superconducting quantum processorJ.npj Quantum Information,2021,7(1):156.60.McCaskey A J,Parks Z P,Jakowski J,et al.Quantum chemistry as a benchmark for near-term quantum computersJ.npj Quantum Information,2019,5(1):99.61.Mills D,Sivarajah S,Schol

168、ten T L,et al.Application-motivated,holistic benchmarking of a full quantum computing stackJ.Quantum,2021,5:415.62.Lubinski T,Johri S,Varosy P,et al.Application-oriented performance benchmarks for quantum computingJ.IEEE Transactions on Quantum Engineering,2023.63.A.Barone and G.Paterno.Physics and

169、Applications of the Josephson Effect.John Wiley and Sons,1982.64.M.Devoret,A.Wallraff,and J.Martinis.Superconducting qubits:A short review.arXiv:cond-mat/0411174v1 cond-mat.mes-hall,2004.65.M.H.Devoret and J.M.Martinis.Implementing qubits with superconducting integrated circuits.Quantum Information

170、Processing,3:163203,2004.66.G.Wendin and V.Shumeiko.Superconducting Quantum Circuits,Qubits and Computing(prepared for Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology).Cambridge University Press,2006.67.D.Vion,A.Aassime,A.Cottet,P.Joyez,H.Pothier,C.Urbina,D.Esteve,and M.H.Devoret,Science 29

171、6,886(2002).68.E.Collin,G.Ithier,A.Aassime,P.Joyez,D.Vion,and D.Esteve,Phys.Rev.Lett.93,157005(2004).69.J.Koch,T.M.Yu,J.Gambetta,A.A.Houck,D.I.Schuster,J.Majer,A.Blais,M.H.Devoret,S.M.Girvin,and R.J.Schoelkopf,Phys.Rev.A 76,042319(2007).70.L.B.Nguyen,Y.-H.Lin,A.Somoroff,R.Mencia,N.Grabon,and V.E.Man

172、ucharyan,Phys.Rev.X 9,041041(2019).71.Y.Nakamura,Yu.A Pashkin,and J.S.Tsai,Nature 398,786(1999).72.Y.Nakamura,Yu.A Pashkin,O.Astafiev,and J.S.Tsai,Nature 425,941(2003).73.Erik Lucero,R.Barends,Y.Chen,J.Kelly,M.Mariantoni,A.Megrant,P.OMalley,D.Sank,A.Vainsencher,J.Wenner,T.White,Y.Yin,A.N.Cleland,and

173、 John M.Martinis.Computing prime factors with a Josephson phase qubit quantum processor.Nature Physics,8,719(2012).74.DiCarlo,L.et al.Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor.Nature 460,240244(2009).75.M.Gong,M.-C.Chen,Y.Zheng,S.Wang,C.Zha,H.Deng,Z.Yan,H.Rong,Y.

174、Wu,S.Li,F.Chen,Y.Zhao,F.Liang,J.Lin,Y.Xu,C.Guo,L.Sun,A.D.Castellano,H.Wang,C.Peng et al.,Genuine 12-Qubit Entanglement on a Superconducting Quantum Processor,Phys.Rev.Lett.122,110501(2019).76.Song,C.et al.Generation of multicomponent atomic schr dinger cat states of up to 20 qubits.Science 365,57457

175、7(2019).77.M.Gong,S.Wang,C.Zha,M.-C.Chen,H.-L.Huang,Y.Wu,Q.Zhu,Y.Zhao,S.Li,S.Guo,H.Qian,Y.Ye,F.Chen,C.Ying,J.Yu,D.Fan,D.Wu,H.Su,H.Deng,H.Rong et al.,Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor,Science 372,948(2021).78.Arute,F.et al.Quantum supremacy using a pro

176、grammable superconducting processor.Nature 574,505510(2019).79.Wu,Y.et al.Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor.Physical review letters 127,180501(2021).80.Zhu,Q.et al.Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling.Science Bul

177、letin(2021).量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 81 81.C.K.Andersen,A.Remm,S.Lazar,S.Krinner,N.Lacroix,G.J.Norris,M.Gabureac,C.Eichler,and A.Wallraff,Nat.Phys.16,875(2020).82.G.Q.AI,Nature 595,383(2021).83.A.Erhard,H.P.Nautrup,M.Meth,L.Postler,R.Stricker,M.Stadler,V.Negnevitsky,M.Ringbauer,P.Schindler,H.J.Bri

178、egel et al.,Nature(London)589,220(2021).84.J.F.Marques,B.M.Varbanov,M.S.Moreira,H.Ali,N.Muthusubramanian,C.Zachariadis,F.Battistel,M.Beekman,N.Haider,W.Vlothuizen,A.Bruno,B.M.Terhal,and L.DiCarlo,Nat.Phys.18,80(2021).85.S.Krinner,N.Lacroix,A.Remm,A.Di Paolo,E.Genois,C.Leroux,C.Hellings,S.Lazar,F.Swi

179、adek,J.Herrmann,et al.,Nature 605,669(2022).86.Y.Zhao,Y.Ye,H.-L.Huang,Y.Zhang,D.Wu,H.Guan,Q.Zhu,Z.Wei,T.He,S.Cao,F.Chen,et al.,Phys.Rev.Lett.129,030501(2022).87.R.Acharya et al.,Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit,Nature(London)614,676(2023).88.Ofek,N.et al.Extending t

180、he lifetime of a quantum bit with error correction in superconducting circuits.Nature 536,441445(2016).89.Sivak,V.V.et al.Real-time quantum error correction beyond break-even.Nature https:/doi.org/10.1038/s41586-023-05782-6(2023).90.Ni,Z.,Li,S.,Deng,X.et al.Beating the break-even point with a discre

181、te-variable-encoded logical qubit.Nature 616,5660(2023).91.Xue,X.,Patra,B.,van Dijk,J.P.G.et al.CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits.Nature 593,205210(2021).92.R.McDermott and M.G.Vavilov,Accurate Qubit Control with Single Flux Quantum Pulses,Phys.Rev.Appl.2,014007(2014).93.E.Leo

182、nard,Jr.,M.A.Beck,J.Nelson,B.G.Christensen,T.Thorbeck,C.Howington,A.Opremcak,I.V.Pechenezhskiy,K.Dodge,N.P.Dupuis,M.D.Hutchings,J.Ku,F.Schlenker,J.Suttle,C.Wilen,S.Zhu,M.G.Vavilov,B.L.T.Plourde,and R.McDermott,Digital Coherent Control of a Superconducting Qubit,Phys.Rev.Appl.11,014009(2014).94.qScor

183、e.Available online:https:/ 95.New Cambridge Quantum Algorithm Sets a Benchmark in Performance and Effectively Outperforms Existing Methods.Available online:https:/ al.A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions.Nature 630,613618(2024).97.Postler,L.,Heuen,S.,Pogore

184、lov,I.et al.Demonstration of fault-tolerant universal quantum gate operations.Nature 605,675680(2022).98.Swayne,Matt(2024-04-16).Three Nines Surpassed:Quantinuum Notches Milestones For Hardware Fidelity And Quantum Volume.The Quantum Insider.Retrieved 2024-05-13 99.张萌，赖俊森，张海懿，赵鑫，量子计算基准测评技术进展及趋势，信息通信

185、技术与政策，2022,48(7):44-51.100.C.Eichler,C.Lang,J.M.Fink,J.Govenius,S.Filipp,and A.Wallraff.Observation of Entanglement between Itinerant Microwave Photons and a Superconducting Qubit.Phys.Rev.Lett.109,240501(2012).101.Kurpiers,P.,Magnard,P.,Walter,T.et al.Deterministic quantum state transfer and remote

186、 entanglement using microwave photons.Nature 558,264267(2018).102.Axline,C.J.,Burkhart,L.D.,Pfaff,W.et al.On-demand quantum state transfer and entanglement 量子科技产学研创新联盟 量子计算性能评估基准研究报告 82 between remote microwave cavity memories.Nature Phys 14,705710(2018).103.P.Magnard,S.Storz,P.Kurpiers,J.Sch r,F.Ma

187、rxer,J.L tolf,T.Walter,J.-C.Besse,M.Gabureac,K.Reuer,A.Akin,B.Royer,A.Blais,and A.Wallraff.Microwave Quantum Link between Superconducting Circuits Housed in Spatially Separated Cryogenic Systems.Phys.Rev.Lett.125,260502(2020).104.Zhong,Y.,Chang,HS.,Bienfait,A.et al.Deterministic multi-qubit entangle

188、ment in a quantum network.Nature 590,571575(2021).105.Niu,J.,Zhang,L.,Liu,Y.et al.Low-loss interconnects for modular superconducting quantum processors.Nat Electron 6,235241(2023).106.S.Cao,B.Wu,F.Chen,et al.Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits,Nature 619,738742(2023).1

189、07.S.Martiel,T.Ayral,and C.Allouche,Benchmarking Quantum Coprocessors in an Application-Centric,Hardware-Agnostic,and Scalable Way,IEEE Transactions on Quantum Engineering 2,3102011(2021).108.Y.Dong,and L.Lin,Random circuit block-encoded matrix and a proposal of quantum LINPACK benchmark,Phys.Rev.A 103,062412(2021).109.https:/