2024年量子计算性能评估基准研究报告

NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）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。目录前言 1缩略语 2量子计算研究进展 2超导量子计算研究进展与产业化 3光量子计算研究进展与产业化 8离子阱量子计算研究进展与产业化 9中性原子量子计算研究进展与产业化 16量子计算性能评估研究进展 19超导量子计算体系 20超导量子计算概述 20超导量子计算的基本原理 20超导量子计算的优劣势分析 22模块分类与技术指标 23模块分类 23量子处理器 24低温低噪声平台 27测控系统 30模块指标小结 31光量子计算体系 32光量子计算概述 32光量子计算的基本原理 32光量子计算的优劣势分析 34模块分类与技术指标 36模块分类 36量子光源模块指标 36光量子线路模块指标 37单光子探测器模块指标 37模块指标小结 38离子阱量子计算体系 40离子阱量子计算概述 40离子量子计算的基本原理 40离子阱量子计算的优劣势分析 42模块分类与技术指标 43模块分类 43光源模块 44光控模块 46电控模块 48真空囚禁模块 51模块指标小结 52中性原子量子计算体系 55中性原子量子计算概述 55中性原子量子计算的基本原理 56中性原子量子计算优劣势分析 58模块分类与技术指标 59模块分类 59激光光源系统 60激光调制系统 61核心物理系统 62控制系统 63模块指标小结 64不同体系量子计算评估技术 65基础测控指标 65综合性能指标 69应用性能指标 72总结与展望 76主要研究结论 76未来工作建议 76参考文献 77前言NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）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计算技术的健康发展和商业化应用具有重要意义。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。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。缩略语下列缩略语适用于本研究报告。QC：量子计算（QuantumComputing）SQC：超导量子计算（SuperconductingQuantumComputing）OQC：光量子计算（OpticalQuantumComputing）ITQS：离子阱量子计算（Ion-TrapQuantumComputing）SFQ：单磁通量子（SuperconductingFluxQuantum）NISQ：含噪声的中等规模量子（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）TSP：旅行商问题（TravelingSalesmanProblem）VQE：变分量子本征求解器（VariationalQuantumEigensolver）F-VQE：可行的变分量子本征求解器（FeasibleVariationalQuantumEigensolver）量子计算研究进展的经典计算有着本质的区别，主要体现在量子比特（qubits）0和1任务时展现出超越传统计算机的计算能力。新材料的性质，帮助科学家发现具有特定性能的新材料。超导量子计算研究进展与产业化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2017IBM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了l0201812比特真实纠缠实验以及12CES(InternationalConsumerElectronicsShow)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722019200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“量子随机线路取样”“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。2018年借助超导量子比80cm的比特之间实现了80%保真度的态传输和纠缠态制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%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封装的超导量子芯片连接起来，并实现了三比特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比特可用资源规模。2009DiCarlo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，等人制备了915的质因数分解。2020年，谷歌成功用126-10果为40.2（隙2022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26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（链的两端2023团队成功实现了51特数目的纪录由原先的24个大幅突破至512024VQE算法扩展到了12级的误差抑制。同年，中国科学技术大学潘建伟院士团队利用基于自主研发的工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。201220192022Zuchongzhi2.1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320233的表面码，经过25轮纠错后，错误率由3.0%降低值2.9%。同年，805微秒，超过了该系统中不纠错情况下最好（694微秒16%团队提出“错误缓解”68国际上超导量子计算产业公司以IBM一直在IBM分别于20192020202120222023年发布了276512743311212026IBM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IBMQiskit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IBM建立了量子计算20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IBM70比特，在量子纠错、量子算法应用等方面成果丰富。盾量子技术股份有限公司成立于20092015云平台服务，接入了“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机。176全球访问量已突破1000本源量子20172024年1月6光量子计算研究进展与产业化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二个阶段，可以实现超越经典计算机，实现量子优越性。2017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Lund等人提出了散射玻色采样。即用𝑛2个单光子源，记录输出𝑛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𝑛+𝑘个光子，输出𝑛个光子，其中𝑘个光子被损失的玻色采样。钟翰森等人[7]用SPDC改进，成功率从指数下降变为线性下降，但扩展性依然存在问题。2020IPS20212022Xanadu公司实现了216量子计算原型机。2023年，中科大联合团队发布了255光子的“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。人员在实验中使用了超过20万个80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。在商业应用方面，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Xanaduquantumcloud，国内图灵量子也推出图灵SoftQubit云平台。Quandela公司专注于开发用于量子计算和PsiQuantum量QuantumOpus,荷兰SingleQuantum,俄罗斯离子阱量子计算研究进展与产业化空间维度qubitqudit不同于qubit2022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qudit在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:Quantumcharged-coupledevice）,光量子计算网络和单个离子阱系统中囚禁高维离子晶体。的Wineland等人提出了QCCD2021年，Quantinuum公司实现了QCCDQuantinuumH299.84%Oxford在近期实现了全微波操控的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（同一离子阱中）之间的纠缠。QCCDRoos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。时间维度可能多的量子操作。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和段路明等人提出了使用脉冲激光激（spin-dependentkick,来实现超快逻辑门的方案,Steane等人则提出了脉冲调制（pulseshaping）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18.5μs;2018年牛津大学的Lucas组采用脉冲调制方案，实现了耗时1.6μs的双比特逻辑门，保真度高达99.8%。由此，离子阱系统中相干时间与门操作时间的比值达到109量级。线路使得错误不扩散，以实现容错的量子计算。虽然Cirac和Zoller（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Mølmer和Sørensen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2006一方法，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IonQForte,已实现了在35离子链中平均单比特逻辑门保真度门保真度99.6%Quantinuum公司最新的H2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公司和马里兰大学的Monroe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；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2024Microsoft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]4个逻辑量子比特的GHZ态，保真度为99.5±0.15%≤F≤99.7±0.1%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。体积达到220,300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NSQ（A一种经典-量子混合算法。2020年，Duke大学和IONQ量子本征解(VQE)11子比特参与计算，最高进行了178次双比特逻辑门操作；在没有任何误差缓解技化学计算场景中的巨大潜力。在金融领域方面，等人利用Innsbruck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利用离子量子计算机在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)，估计了ising模型的基态，是目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1994年，PeterShor在理论上提出了利用量子计算实现质因数分解和求解离有能力帮助人类实现RSANP-hard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量子究者最为关心的课题。2024年4Quantinuum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]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99.5±0.15%≤F≤99.7±0.1%，超越了盈亏平衡点，也是量子计算领域第一次高质量SimonBurton通过genonsQuantinuum在离子量子计算机中将量子态隐形传态目前离子阱量子计算公司主要有美国的IonQ、Quantinuum,欧洲的AQT、InfineonOxfordIonicsUniversalQuantum,Quantinuum和IonQIonQ成立于201520219个算法量子比特的Harmony20个算法量子比特的Aria、和35个算法量子比特的ForteIonQ2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IonQD.等人研究了如（QuantumcircuitBornmachine）模拟3变量和4变量copulas,IonQ的离子阱量子Quantinuum是由Honeywellquantumsolutions和Cambridgequantumcomputing合并成立，其硬件性能和配套软件水平均处于世界前列。迄已经发布了220比特的H1,其平均双比特门保真度已经突破99.8%，量子体积218。基于优异的硬件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Quantumorigin以及量子计算化学平台QuantumInQuantoQuantumorigin的核心是利用（如RSAAES等PrueVPNFujitsuInQuanto是量子计算化学软件平台，继承了VQE等各类算法，已经产生相当丰富的应用案例。例如2023年QuantinuumQuantinuumAI中性原子量子计算研究进展与产业化等。|0⟩态或|1⟩99.9%本量子门操作时间的104（例如受控非门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动波函数耦合”2022受控位相门保真度提高到了0.98Lukin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3Lukin控的量子比特连接等。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模拟领域都取得多项进展。AhnQUBO问题的求解，Lukin289个原子系统的最大独立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DwaveAhn小组提出了里德堡原子线方案，在不需要本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Lechner小组Lechner–Hauke–Zoller(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。Lukin（kegodicitybrkingBrowaeysManuel60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。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QuEraColdQuantaAtomComputingPASQALQuEra公司推出了提供线上服务的AquilaComputing公司在其100+量子比特的Phoenix量子10Phoenix的寿命T2为40±7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。量子计算性能评估研究进展其测试床Testbed基于离子阱QSCOUT美国国防高级研究计划局（DARPA）推出量子基准测试项目（Quantum2022-软件-用的角度划分5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。图1中国信通院提出的量子计算基准测评体系架构超导量子计算体系超导量子计算概述对被凝固在基态，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。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。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LCLCLCLC子调控和读取，构建一个超导量子比特。比特、磁通量子比特和相位量子比特，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，FluxoniumTransmon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，并在此基础上解决超导量子计算优势：极高的设计自由度展性。兼容半导体芯片工艺CMOS非常有优势。调控采用微波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。并行操作对所有比特全并行操作。量子门时间短30秒内实现，甚至可以短于10纳秒。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，目前主要噪声扰动情况复杂度的量子门操作是很大的挑战。不是理想二能级系统一致性差模块分类与技术指标模块分类系统。如下图所示：图2超导量子计算系统模块示意图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。率越高。|0>和|1>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|0>还是|1>数十mK导电路，在设计和工艺上和超导量子处理器有很好的兼容性。比特数N比特相干时间尺度T1T1TφTφe信息处理的时间越长，因此是量子处理器的重要指标。（spinT1相对TφT1微秒，最高可以做到数百微秒。（Two-Level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<-40dB；每个比特均可进行读取；比特频率可调节范围，典型值为3GHz到5GHz；量子耦合强度可调节范围，典型值为+5MHz到-30MHz；器件良品率良品率为可正常工作比特数和设计比特数的比值。目前业界100比特规模超导量子处理器良品率可达≥98%。参数一致性性能的重要指标。主要由以下几方面的指标：（最高信号变弱等；非谐性偏离设计值的大小；量子耦合强度可调节范围一致性。偏离较大将导致多比特量子调控困难；精度下降；读取频率偏离设计值的大小。偏离较大将导致读取困难；干性能造成影响；读取腔光子数衰减速率。偏离较大将导致读取速度变慢；耐久性（小于等于20mK）,再升温到室温为一次冷热循环，这个过程可能导致量子处理器结构损坏。量子放大器性能量子放大器是决定读取信号质量的关键一环，包含以下关键参数指标：增益：量子放大器对比特读取信号的放大的增益，典型值为15dB到20dB特读取信号通道数越多，典型值为300MHz-1GHz。信号数越多，典型值:饱和功率≥-110dBm;放大频率范围：可放大的信号频率范围，典型值为4GHz到7GHz；此外超导量子比特的激发能量对应到热扰动的温度约为件。制冷机目前，能够稳定提供数十mK极低温的制冷机只有稀释制冷机。对制冷机的指标参数如下：最低温度：制冷机可达到的最低温度，典型值≤10mK；（深度量子线路）时的稳定温度，典型值≤30mK；要标定处理器芯片的电子温度。处理器芯片的电子温度可以通过比特的|1>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400μW。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。屏蔽组件屏蔽和电磁屏蔽。通以及使用主动减震系统消除震动等方式。20nT。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；余拖尾，指数衰减的幅度相对方波幅度比值为畸变幅度（α）典型值＜500ns畸变需要在控制层进行补偿修正。统保证足够低的微波脉冲反射也是很重要的指标。测控系统测控硬件系统主要包括高速DACADC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。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。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，CMOSK决方案。目前这种方案已经得到小规模验证。表所示。表格1超导量子计算体系模块指标小结模块指标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3~5GHz；耦合强度调节范围-30~5MHz；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%参数一致性耐久性量子处理器能承受的冷热循环的最低次数量子放大器性能增益15~20dB；带宽-110dBm；频率范围4~7GHz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400μW@10mK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α典型值＜1%，τ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/控制脉冲幅度稳定性<500ppm@24小时ADC采样率/ADC幅度精度/读取采集信号带宽/通道同步典型值＜1ns反馈延时典型值＜1μs通道数典型值＞200软件控制规模典型值≥100比特软件延时据等步骤消耗的时间光量子计算体系光量子计算概述算可分为专用和通用的量子计算模型，光学通用量子计算主流方案主要包括：KLMKnill、Laflamme和Milburn在2000提出的KLM方案或者它的改进方案；基于测量的量子Raussendorf和Briegel在2001年18%,虽然通过注入八78%KielingRudolph和Eisert在2007“星形”簇态放置在规则排布的晶格G的节点处，然后通过使用双光子融合门操作对这些小的簇态进行连接。如果融合门的成功率超过晶格G（或“弹道型(1)专用量子计算模型,主要包括玻色采样以及为特定专用模型构建的光量子模拟器。(3)为光学量子处理器提供支撑的光学量子器件。光量子计算优势：低噪声特性噪声特性。杂的量子计算和量子通信。高速数据传输光速传输。光子在光纤和自由空间中以光速传播，使得数据传输速度极快，适合大规模并行计算和快速通信。量子通信网络。易于集成与扩展光子集成电路。光子集成电路（PIC）技术已经相对成熟，可以在芯片上集成大量的光学元件，实现大规模集成和扩展。实现系统的扩展和功能增强。高效纠缠和量子态操控。子计算提供了基础资源。精确操控，满足复杂量子算法的需求。成熟的光通信技术相结合。本和难度。光量子计算劣势：光子损失的衰减和计算误差。（如进一步提升，以减少测量过程中的光子损失。相位噪声和干涉稳定性退相干，影响计算的准确性。干涉稳定性：干涉仪器件需要高稳定性，以保证量子态的精确操控和测量，但实际操作中干涉稳定性容易受到环境影响。单光子源的效率和纯度换技术虽然在不断进步，但在生成高质量单光子方面仍需进一步优化。效率单光子源以满足大规模量子计算的需求。大规模集成的复杂性光学元件数量庞大，增加了集成和制造的复杂性。制精度。量子纠错和容错计算目前的纠错码在光子损失和相位噪声环境下的表现尚需优化。复杂性和成本。模块分类与技术指标模块分类信息的处理以及特定的量子逻辑操作。光量子干涉网络目前主要的实现途径包144确定性的光子-光子耦合是对于实现确定性纠缠逻辑操作是最重要的，主要实现---率~40%,主要目标是超过容错阈值的高保真度和效率的纠缠操作；对于光量子子数可分辨的单光子测量、单光子阈值探测器、阵列型单光子探测器阵列等。图3光量子计算模块示意图量子效率:(2)确定性生成:激发后，光源应该以按钮方式确定性地发射一个光子，这可以通过测量效率获50%(3)高纯度:HBT干涉测试0g(0)=1%-3%(4)高不可区分性:HOM>95%(5)率:约为90%: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%。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）相位稳定性等指标。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,1550nm波段的探测效率约90%(2)100Hz(3)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100MHz，死时间典型值为10ns至200ns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—能和应用前景。表格2光量子计算模块指标汇总模块指标定义理想指标量子光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/s~1GHz/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%纠缠光子对生成效率每次激发产生纠缠光子对的概率理想指标为：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400~700nm（光），700~1550nm（）光量子线路模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：<1%当前水平为：根据线路规模从百分之十到百分之几十不等光子逻辑门成功概率和保真度利用光子执行CNOT门、CZ门、Hadamard门的成功概率和保真度理想指标为：接近100%当前水平为：光子-光子逻辑门效率约40%，保真度>90%光子探测器模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：0.1~10000时间分辨率探测器分辨光子到达时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：10ns~200ns离子阱量子计算体系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50WolfgangPaul和HansDehmelt,后者利1995和Zoller可行的量子计算平台的提出。常有三种类型的量子比特：（hyperfine二是光量子比特(opticalqubit）波段。三是塞曼量子比特（Zeemanqubit）。两个能级选取为基态能级的同一超精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。电离和俘获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。势阱，实现带电离子的囚禁。冷却作的保真度。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。初态制备发，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。逻辑门操作状态探测比特的状态。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1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。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。模块分类与技术指标模块分类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，它提供超高真空环光源模块探测激光、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。出激光参数满足需求。进行指标要求的总结。指标说明激光功率及其稳定性RMSRMS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。样值进行分析可以得到功率稳定性。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τ和激光线宽Δν的关系为τ=1。πΔν10kHz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（纵向（横向分布I(x,y)∝e−

2(𝑥2+𝑦2)𝜎2 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。偏振纯度比的偏振分束器和波片进行测量。性能指标典型值分类，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输出功率（mW）PP功率稳定性线宽光束质量因子偏振消光比(dB)电离激光~10<5%~1MHz<1.5>22多普勒冷却激光~2<1%~1MHz<1.5>22电磁诱导透明冷却激光~5<0.5%~1MHz<1.5>22边带冷却激光~200<0.5%<1kHz<1.5>22初态制备与状态探测激光~2<0.5%~1MHz<1.5>22逻辑门操作激光~1000<0.1%<100Hz<1.2>22回泵激光~5<5%~1MHz<1.5>22光控模块施加频率边带；光模块、SQ光模主要功能进行简述，并指出其主要指标要求。指标说明光功率进行快速调节，可以利用功率计直接测量。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。1/e2（半径10μ离变化关系来测量。和吸收光强（Is）的倍数来描述。描。电离光模块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；500μW；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≈100μm×100μmDSPAM光模块光模块将来自其各路输出激光主要参数指标要求如下表所示。表格4DSPAM光模块指标要求激光名称光强调节范围（𝐈𝐬）频率调节范围(MHz)相位调节(°)PP功率波动参数切换偏振消光比(dB)光斑大小多普勒冷却激光0~5±400~360<1%<0.1>22全覆盖电磁诱导透明冷却激光0~10±400~360<0.5%<0.1>22全覆盖初态制备激光0~5±400~360<1%<0.1>22全覆盖状态探测激光0~5±400~360<0.5%<0.1>22全覆盖SQ光模块SQ光模块将来自SQ进行总结。表格5SQ光模块指标要求激光名称节范围（mW）(MHz)相位调节范围(°)PP功率波动参数切换时间(𝛍𝐬)光比(dB)光束角度光斑大小边带冷却激光0~20±400~360<0.5%<0.1>22全覆盖逻辑门操作激光0~100±400~360<0.1%<0.1>22<1.5全扫描仅覆盖单个离子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节范围（mW）范围(MHz)相位调节范围(°)PP功率波动参数切换时间(𝛍𝐬)偏振消光比(dB)光斑大小回泵激光0~1±200~360<5%<0.1>22全覆盖电控模块TTL产生三维囚禁势阱，实现对离子量子比特的稳定囚禁。时序控制机箱时调控，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（S/输出模块(DIO)（DDS）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RMS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。射频功率RMS0.1%，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频信号频率范围典型值为1-400MHz常使用频率波动值与中心频率的比值来表征，典型值为510−11。射频信号隔离度信号强度，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接观察切换速度。该指标典型值为10~100ns。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-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。数字信号宽度为8-128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。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直流信号精度及稳定度位数决定，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位位。可通过频谱仪测量DC0-1MHz典型取值为10ppm，标准差稳定性典型取值为1ppm。⚫ 射频信号功率范围及稳定度射频功率稳定性可用RMS稳定性和峰峰值稳定性表征。RMS稳定性是指测平均值的比值，表征的是一定时间内功率的变化范围。电极上的射频信号的电压，其典型值为200-1000V。值是RMS稳定性0.01%-0.1%，峰峰值稳定性0.03%-0.1%。射频信号频率范围及频率稳定度征，其典型值为510−11。射频信号相位噪声频谱仪间接测量，典型值是-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。生囚禁势场，以囚禁离子晶体。其主要指标如下。5×10−12𝑚𝐵𝑎𝑟.中稳定囚禁的离子数已达到500。量子已实现37离子晶体超过2.5小时的稳定囚禁。Darklifetime冷却光不会一直存在，因此Darklifetime更有价值。Darklifetime受真空度以lifetime在37离子晶格中，darklifetime大于1s。保真度。典型值是小于20声子每秒。是秒量级，现有记录是1小时。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型值是±40nm。3μm的视野直接相关，典型值是±300μm。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指标数值及描述电离激光~10mW；多普勒冷却激光~2mW电磁诱导透明冷却激光~5mW输出功率（mW）边带冷却激光~200mW初态制备与状态探测激光~2mW逻辑门操作激光~1000mW回泵激光~5mW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%PP功率稳定性边带冷却激光<0.5%初态制备与状态探测激光<0.5%逻辑门操作激光<0.1%光源模块回泵激光<5%电离激光~1MHz多普勒冷却激光~1MHz电磁诱导透明冷却激光~1MHz线宽边带冷却激光<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光束质量因子边带冷却激光<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光强调节范围多普勒冷却激光0~5Is电磁诱导透明冷却激光0~10Is初态制备激光0~5Is状态探测激光0~5Is频率调节范围多普勒冷却激光±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0~2π电磁诱导透明冷却激光初态制备激光0~2π状态探测激光0~2π参数切换时间多普勒冷却激光<0.1μs电磁诱导透明冷却激光初态制备激光<0.1μs<0.1μs光斑大小斑大小要求全覆盖偏振消光比>22dB光控模块光功率调节范围边带冷却激光0~20mW逻辑门操作激光0~100mW回泵激光0~1mW频率调节范围边带冷却激光±40MHz回泵激光±20MHz相位调节范围边带冷却激光0~2π逻辑门操作激光回泵激光0~2πPP功率稳定性边带冷却激光<0.5%逻辑门操作激光回泵激光<5%参数切换时间边带冷却激光<0.1μs逻辑门操作激光回泵激光<0.1μs偏振消光比边带冷却激光>22dB逻辑门操作激光回泵激光>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电控模块射频信号功率范围时序控制机箱-10~20dBm静态输出机箱200~1000V射频信号功率稳定性时序控制机箱0.5%静态输出机箱0.03~0.1%射频信号频率范围时序控制机箱0~400MHz静态输出机箱1~60MHz射频信号频率稳定性PP时序控制机箱5×10-11静态输出机箱5×10-11射频信号相位噪声时序控制机箱-90dBc@10Hz110dBc@100Hz静态输出机箱-90dBc@10Hz110dBc@100Hz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10~100ns数字信号宽度时序控制机箱8~12位数字信号切换时间时序控制机箱1~10ns直流信号电压范围静态输出机箱-20~20V直流信号精度静态输出机箱16~20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<5×10-12mBar离子数30~100晶格稳定时间>2h@30离子Darklifetime>1s加热率<50phonon/s量子比特相干时间>200ms震动幅度<±50nm成像分辨率3μm成像视野范围±300μm中性原子量子计算体系中性原子量子计算概述将原子基态超精细能级的两个磁子能级编码为一个量子比特的0态和1,目前中性原子量子计算领域已经发展出了数字式量子计算和模拟式量子计（如铷原子和铯原子磁子能级作为一个量子比特的0态和1态。例如将铷87原子的|5𝑆1⁄2,F=1,𝑚𝐹=0⟩编码为|0⟩|5𝑆1⁄2,F=2,𝑚𝐹=0⟩编码为|1⟩特点。中性原子量子计算的过程中，通常需要经过以下关键步骤：冷原子团制备、单原子俘获、初态制备、逻辑门操作、内存探测与读出。冷原子团制备过程是利用磁光阱(Magneto-opticaltrap,MOT)系统完成。磁光阱通过一对反亥姆霍兹线圈形成中心磁场强度为零的四级磁场，在正交的三个方向上施加三对圆偏振冷却光，并且磁场的零点和光场的交点是重合的。原子能级在梯度磁场的作用下会发生塞曼劈裂，越远离中心位置能级劈裂越大，三对冷却光的频率相对于无塞曼劈裂下的跃迁频率是红失谐的。以某一维的情况x>0的正半轴区域时，𝑚𝐹=−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𝜎−的光子(激光频率更接近共振频率x<0更容易吸收𝜎+单原子俘获一般是通过强聚焦的偶极阱实现的。失谐δ=ω−ωa>0时，力指向梯度的反方向，即指向光强弱的方向；当失谐𝛿<0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微米可俘获单个原子。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原子基态超精细磁子能级编码为量子比特的 |0⟩=|5𝑆1⁄2,F=1,𝑚𝐹=0⟩和|1⟩=|5𝑆1⁄2,F=2,𝑚𝐹=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。不与光相互作用，形成“暗态”(darkstate)到|0⟩态上，达到初始化的目的。逻辑门操作0态和1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。-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。内态探测与读出子内态之前用一束共振激光将处于10原子所处的状态，从而达到内态读出的目的。中性原子量子计算优势：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，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。的优势。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,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：次需要重新装载原子。10模块分类与技术指标模块分类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。图5中性原子量子计算的概念架构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变化范围。光泵光功率在几十微瓦量级，功率稳定性在3%以内。单个偶极阱的功率一般在1%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τ和激光线宽Δν的关系为τ=1。πΔν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。偏振消光比泰勒棱镜进行偏振提纯，配和不同波片进行偏振调节。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于光泵光的偏振消光比一般要求大于5000：1。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。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EOM0到方形激光脉冲的上升沿一般在ns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。真空腔体内部，实现对量子比特的控制。指标说明真空度般要求真空系统的真空度小于5*10^-8Pa。偶极阱束腰位置不确定性越小，同时对偶极光功率的需求越低。一般要求偶极阱束腰小于微米左右。偶极阱阵列强度均匀性原子阵列确定性重排成功率和重排后填充率由于单个偶极阱装载原子的几率在50%80%充率一般在98%以上。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AO/DO指标说明射频信号频率范围光偏转器以及光纤EOM等。驱动普通电光调制器时典型频率范围为1MHz-EOM时1GHz-10GHz（<200MHz），射频信比值来表征，典型值为510−11。射频信号隔离度信号强度，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-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz。数字信号开关速度常为5ns-20ns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10𝜇𝐴。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指标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%以内激光线宽冷却光、回泵光、光泵光：激光线宽冷却光、回泵光、光泵光：<1MHz；里德堡激发光：<1KHz偏振消光比10001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到几GHz核心物理系统真空度<5×10^-8Pa偶极阱束腰<1微米偶极阱阵列强度均匀性高均匀性，>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-90dbc@10Hz，-110dbc@100Hz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：10μA；精度：±100μA；24小时电流漂移：<10μA不同体系量子计算评估技术（本报告中主要是指基于门线路型的量子计算机可以从基础测控指标也是建立上层软件和应用生态的基础。表格9基础测控指标汇总表序号指标含义1量子比特数目量子计算机包含的量子比特的数目2量子比特能量弛豫时间量子比特从激发态弛豫到基态的概率为1/e对应的时间3量子比特退相干时间量子比特的相位弛豫到完全混乱的概率为1/e对应的时间4量子比特连通性量子比特与其它比特连通的数目5单比特门时长执行单比特门操作所需的时间6单比特门保真度量子计算机执行单比特门操作的保真度7两比特门时长执行两比特门操作所需的时间8两比特门保真度量子计算机执行两比特门操作的保真度，一般选择CNOT门或CZ门9量子态制备时长量子比特制备在初态所需的时间10量子态制备保真度量子计算机制备初始量子态的保真度11量子态测量时长测量量子比特状态所需的时间12量子态测量保真度量子计算机进行量子态测量的保真度13最大可执行线路深度量子计算机能执行的最大线路深度2019年10月，谷歌推出悬铃木超导量子计算芯片，率先宣布实现量子优越性。2021年102024年102024年12月10105比特超导量子计算芯片柳木号2024年12月17（2.0科大祖冲之号2.1、谷歌悬铃木号升级版、谷歌柳木号、中科大祖冲之号3.0），相关基础测控指标实现情况如下表所示。表格10不同超导量子计算机部分基础测控性能指标对比基础测控指标谷歌悬铃木号中科大祖冲之号中科大祖冲之号谷歌悬铃木号（升级版1）谷歌悬铃木号（升级版2）谷歌柳木号中科大祖冲之号时间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日量子比特数目5356607067105105单比特门保真度99.84%99.86%99.84%99.9%99.9%99.964%99.90%两比特门保真度99.38%99.41%99.40%99.72%99.72%99.86%99.62%读取保真度96.20%95.50%97.70%98.7%98.7%99.23%99.18%线路深度20202424324032图中雷达图的最大值和最小值选择为能清晰展现三者区别。图6不同超导量子计算机部分基础测控性能比较较。相关指标汇总如下表所示。表格11适用于玻色采样光量子计算机的专用基础测控指标序号指标含义1最大响应光子数一次采样，光子同时到达探测器后响应数的最大值2模式数干涉仪编码的出口个数3光子数分辨能力当同时有多个光子到达一个出口时对光子数目的分辨能力4压缩量压缩光源的压缩程度5系统效率从压缩光的产生到最后探测的整个系统效率，用以刻画这个过程中光子丢失的概率科大九章三号，Xanadu北极星相关基础测控指标实现情况如下表所示。表格12不同光量子计算机部分基础测控性能指标对比基础测控指标九章九章二号北极星九章三号最大响应光子数76113219255模式数1001442161152光子数分辨能力11138压缩量1.35-1.841.34-1.811.11.49-1.66系统效率0.2830.4760.3240.424用与最大值的比值。部分项目使用比值的对数。图7不同光量子计算机部分基础测控性能比较综合性能指标（QuantumVolume）（AlgorithmicQubits）（MaximumGenuineEntanglementCircuit（Mirroring和layeroperationspersecond）、rQOPS（reliableQuantumOperandsPerSecond）等。量子体积（QuantumVolume）（Quantum是由IBM公司提出的综合衡量量子计算机性能k量子比特并且具备k2𝑘（Harr随机从SU(4)幺正群中选525=32。目前，Quantinuum公司的离子阱量子计算机H1实现了220的量子体积。尽管量子算法量子比特数（AlgorithmicQubits）算法量子比特数是IonQ阈值的前提下最多含有n个能够运行典型量子线路的量子比特，那么其算法量子比特数为n，其中典型量子线路定义为含有n2个CNOT门的量子线路。IonQ公司2023年发布的Forte系统，已实现35算法量子比特。最大纠缠比特数（MaximumGenuineEntanglementQbits）子比特数目，其产生的纠缠态的保真度应超过0.5。通常可产生GHZ态或图态（ClusterState）用于纠缠验证。随机线路采样测试（RandomCircuitSampling）（通常是所有量子比特都处于基态的态（如HadamardPauli-X门等采样过程，因为所需的资源会随着量子比特数量的增加而指数级增长。而XEB（Linear-Cross-Entropy这一物理量用来衡量随机线路采样任务执行同时这一指标可以通过RCS（Quantum镜像基准测试（MirroringBenchmarks）该性能指标是Proctor表现的误差指标不能精确衡量量子计算机在一些现实问题上的性能[56]，因此他12果表明量子计算机在运行现实问题的量子线路时出现的错误和做标准的随机基准测试线路时出现的错误非常不同，这也验证了开头的观点。CLOPs（CircuitLayerOperationsperSecond）这个指标类似于经典计算机的性能衡量指标目所运行的量子线路的层数[57]。由于量子计算机运行一个量子线路实质上还包含的速度。每秒可靠的量子操作数（reliableQuantumOperandsPerSecond，rQOPS）微软提出的衡量量子计算机性能的新指标rQOPSrQOPS量子超级计算机至少需要一百万个rQOPS，而现今NISQ时代下的硬件的rQOPS值都为零。应用性能指标望产生巨大价值。最基础的无约束的二阶二值优化问题（QUBO，Quadraticunconstrainedbinaryoptimiztion）、高阶无约束二值优化问题（high-orderunconstrainedbinary常使用的TTS（TimeToSolution）TTS是同时考虑了求解所花费的最终反映到TTS结果上去。以指定分子数据集以及算法如变分量子本征求解VQE或者量子相位估计值的案例也可以直接比较所得到能量的高低。量子机器学习在如今AIAI神经网络本身数据库或数据集。本报告建议的应用性能指标包括：QPack、变分量子数因子分解（VQF）、QPackQPack题、支配集（DominatingSet）（TSP）。Mesman等人主（QAOA）能。MQLibMQLibQPack95Max-cutQUBOTTS作为性能指标。变分量子数因子分解（VariationalQuantumFactoring）Zapata（如QAOA和VQE能量和低激发态能量。应用驱动的基准测试Daniel用于VQE（RandomBinomialGraph（HadamardGate）|0〉/|1〉基底上的状态；3.正方加而线性增长。Daniel等人还进一步考察了以下三个指标：HeavyOutputGeneration（Cross-EntropyL1（L1-norm面向应用的性能基准测试Thomas等人提出了面向量子计算应用的性能基准测试开源套件，包含多种典型算法或小规模应用程序，如简单的基于OracleGrover的多样性，能够通过这些基准测试的量子计算机性能将相当出色。Q-ScoreAtosQ-ScoreMaxCut组合优化问题。F-VQEF-VQEVQE（VariationalQuantumEigensolver）的一种改进形式，专NISQVQE算法是一种混合量子-F-VQEVQE同时，减少对量子硬件资源的需求。LINPACK类似于用于测量传统超级计算机性能的LINPACKLINPACKLINPACKHermitianRAndomCircuitBlock-EncodedMatrix（H-RACBEM）（QSVT）实现的。QASMBechQASMBenchOpenQASMNISQNISQNISQ益的衡量。/良/中/差//良/中/表格13应用性能指标汇总表序号应用性能指标超导量子计算机光量子计算机离子阱量子计算机中性原子量子计算机1QPack√√√√2MQLib√√√√3VQF√√√√4应用驱动的基准测试√√√√5面向应用的性能基准测试√√√√6Q-Score√√√√7F-VQE√√√√8量子LINPACK√√√√9QASMBech√√√√总结与展望主要研究结论为了评估量子计算机的性能，本报告首先调研了不同体系的量子计算机的关注量子计算机的硬件性能和操作精度；综合性能则评估量子计算机的整体性能；应用性能则侧重于量子计算机在解决实际问题时的表现。本报告对量子计算机性能的评估进行了深入调研，涵盖了不同体系的量子等各类物理实现方式。我们从硬件角度探讨了这些量子计算机的模块指标和系应用性能三个层面对量子计算机进行了全面评估。基础测控侧重于量子计算机性能则重点分析了量子计算机在实际问题解决中的表现。未来工作建议展望未来，我们建议首先开展针对不同体系量子计算机的性能要求和测试方法的标准化研究。这将为量子计算机的评估和比较提供基础框架和参考标准。随着量子计算机性能的持续提升，我们还可以推进不同体系量子计算机通用性能评估的标准化研究，以建立更为全面和统一的性能评估体系。估指标，以衡量该量子计算机的纠错后和实现通用量子计算的潜力。以开展针对特殊应用场景的专用量子计算机性能评估和标准化研究。这将有助于推动量子计算机在特定领域的应用发展，满足特定行业和应用对量子计算性能的特定需求。性能评估的标准化体系，为量子计算技术的健康发展和广泛应用提供有力的支用和产业化提供重要的指导和保障。参考文献[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