2026年量子计算加速光学设计的透镜性能优化

2026/08/142026年量子计算加速光学设计的透镜性能优化汇报人：宁丽娜内容导览01量子光学融合量子计算与光学设计的交叉基础02算法驱动设计变分量子算法突破传统设计瓶颈03核心技术突破2026年量子光学领域里程碑成果04透镜性能革命量子计算对透镜系统的具体优化05产业生态展望产业化进程与未来发展方向量子光学融合01量子比特的叠加态革命经典vs量子：信息承载的根本分野经典比特状态空间0或1，二者择一存储容量N位存储N个数据运算方式串行逐一处理量子比特状态空间同时处于0与1的任意叠加态存储容量N量子比特存储

2^N

个数据，指数增长运算方式对所有叠加态

并行同时运算光学设计范式颠覆：经典计算机逐一试探，量子计算机并行覆盖整个解空间——指数级并行性从根本上重构参数优化与物理场求解路径光学量子计算的技术路线优势量子计算技术路线全面对比超导路线极端低温运行需接近绝对零度，依赖庞大制冷设备，成本高昂光量子路线室温运行可扩展性强，天然兼容光通信基础设施，工程化潜力独特双路线优越性2026年中国成为全球唯一在光量子与超导双路线均实现"量子计算优越性"的国家光子特性优势抗干扰能力强与数据中心体系无缝契合，构建未来量子互联网的理想选择光学设计直接对应以光子为信息载体，与光束传播、干涉、衍射等物理过程直接对应光量子路线——光学设计量子化的天然载体福克空间：量子态操控的几何语言核心贡献者与框架清华大学孙麓岩团队

提出

福克空间光学

框架，将经典光学元件概念迁移至量子态操控成果发表于《自然·物理》，为大量子态可扩展操控提供直观设计语言量子态操控四大光学现象传播量子态像光束一样在福克空间中传播偏折不同控制脉冲对应不同光学元件实现偏折聚焦基于超导三维微波谐振腔实验平台系统演示聚焦现象干涉在最高

180

光子范围内演示基本光学干涉经典光学设计面临的计算瓶颈高维灾难参数指数级增长超表面消色差透镜优化变量可达10⁴至10⁶量级经典优化器难收敛设计参数数量呈指数级增长，经典优化器难以在合理时间内收敛计算耗时反复求解麦克斯韦方程组传统数值优化方法（FDTD、FEM）需反复求解单次迭代耗时数小时至数天计算成本极高，难以收敛多目标困境多目标优化加剧复杂度同时优化焦距、像差、透射率等，进一步加剧计算复杂度深度学习缺乏可解释性数据驱动模型缺乏物理可解释性，泛化能力受限量子-经典混合架构的设计新范式量子探索量子处理器探索高维参数空间，生成候选设计方案→经典验证经典处理器执行物理场仿真，评估电磁性能→闭环反馈低延迟通信循环协作，形成闭环优化系统量子-经典混合架构是NISQ时代最务实的光学设计优化路径资源高效利用有效规避量子硬件深度限制，实现资源高效利用PINN增强物理约束深度学习将麦克斯韦方程融入网络架构，提升可解释性量子探索，经典验证——混合架构释放光学设计新潜能算法驱动设计02变分量子算法的核心架构VQA核心定义：通过参数化量子电路制备量子态生成"试探解"，经典优化器迭代调整参数使成本函数最小化抗噪声能力浅层参数化电路，天然容错资源效率低量子比特需求，降低硬件门槛协同计算经典-量子分工，各尽其能01运行流程初始化参数→量子硬件执行PQC→测量计算成本函数→经典优化器更新参数→迭代至收敛四大关键组件参数化量子电路（PQC）编码光学参数的可调量子门序列观测算符哈密顿量刻画电磁场目标函数经典优化器梯度下降或自适应矩估计驱动参数更新测量与期望值计算反馈成本函数衡量设计偏差VQE：将光学设计转化为能量优化损失函数

L(θ)

三大性质将光学设计问题重新表述为哈密顿量基态能量求解：E₀=min⟨ψ(θ)|Ĥ|ψ(θ)⟩VQE数学框架哈密顿量

Ĥ

编码目标聚焦效率、像差系数、透射率等光学性能指标试探态

|ψ(θ)⟩对应候选光学参数组经典优化器迭代更新COBYLA/SPSA/L-BFGS，沿梯度下降逼近全局最优光学设计映射期望值越低→设计越优设计越接近最优解量子电路制备参数化光学结构生成能量优化循环透镜系统性能迭代提升非负曲率平滑性可观测性QAOA：组合优化求解光学系统参数01电路构建成本哈密顿量层与混合哈密顿量层交替构建量子电路02适用场景透镜阵列排布、超表面单元选型、多层膜系结构优化等离散组合问题03深度控制电路深度由层数p控制，p越大表达能力越强，但受限于NISQ设备噪声阈值光学设计场景优化变量传统方法局限QAOA优势超表面单元排布离散相位值选择穷举搜索指数爆炸量子并行搜索多层膜系优化层厚/材料组合局部最优陷阱全局优化能力透镜阵列布局空间位置/焦距连续松弛近似直接离散求解与经典模拟退火相比，QAOA利用量子隧穿效应可更高效地逃离局部最优QAOA为光学设计中的离散组合优化问题提供了量子加速新路径参数化量子电路的设计策略硬件高效电路针对特定量子芯片拓扑设计，浅深度且噪声低，适合NISQ设备上的光学参数快速筛选化学专用电路（UCCSD）基于耦合簇理论，精准描述光与物质相互作用的量子态，适合量子光源设计交替层电路（QAOA混合层）通过哈密顿量层交替逼近最优解，适合超表面单元排布等组合优化问题经典优化器与量子处理的协同机制迭代至收敛经典优化器的选择，直接决定量子光学设计的收敛效率与最终性能SPSA仅需两次测量噪声鲁棒性高收敛速度中等NISQ设备首选COBYLA无梯度需求噪声鲁棒性中收敛速度较慢低维参数空间L-BFGS需要精确梯度噪声鲁棒性低收敛速度快高保真量子硬件PQC执行测量期望值经典计算梯度参数更新量子算法与传统方法的量化对比量子算法在光学设计优化中的核心优势：求解速度与全局优化能力双维突破参数空间搜索传统逐一试探，指数级时间→量子并行，多项式级时间指数级加速全局优化能力传统易陷入局部最优→量子隧穿逃离局部最优显著提升高维参数处理传统10⁴变量即瓶颈→量子10⁶变量可处理2个数量级多目标优化传统需加权或分层求解→量子天然并行多目标搜索效率倍增四维度提升幅度对比核心技术突破03九章四号：3050光子的里程碑突破3050

个光子首次实现量子态操纵与探测，刷新世界纪录1024压缩态输入8176输出模式92%光源效率51%系统总效率25μs生成样本1054超算倍数压缩光源可编程时空混合编码线路单光子探测系统同等任务，全球最快超算ElCapitan需超

1042

年时空混合编码架构深度解析九章四号首创可编程时空混合编码架构，让光子在时间和空间两个维度上同时发生干涉光源层四个光学参量振荡器产生单模压缩态，经滤波后进入编码线路编码层三级16模干涉仪与两组光纤延迟环构成核心编码线路演化层空间模式与时间模式级联耦合，实现大规模干涉演化，极大提升网络连通性51%系统总效率山西大学苏晓龙团队核心支撑玻色量子CIM：飞秒激光泵浦突破标志着相干光量子计算从理论到应用的全链条可行性速度提升超250倍对比经典模拟退火约120毫秒464微秒—100顶点莫比乌斯梯形图（CIM专用求解器）480微秒—CIM10求解国际光学界高规格认证福克空间光学：量子态操控新框架将经典光学元件概念迁移至量子态操控，实现类似经典光学设计语言的直观操控提出全新框架清华大学孙麓岩团队联合中科大、北京量子院光学元件映射不同控制脉冲对应透镜、反射镜、分束器等光学元件福克空间操控量子态在福克空间中传播、偏折、聚焦和干涉，最高180光子范围内系统演示基本光学现象发表与意义发表于《自然·物理》，为大光子量子态确定性调控提供理论基础光子GKP量子比特态制备加拿大

Xanadu

于

2026年6月

在《自然》发表全球首个光子

GKP量子比特态

制备成果量子计算光子芯片GKP态核心特性自然纠错光子在多光子中编码量子信息，无需激光冷却，仅需最低限度低温条件工艺平台300mm

晶圆定制氮化硅光子集成电路压缩性能测得压缩度达

5.2dB技术验证与可扩展路径相空间分辨GKP态分布出现

四个完全可分辨峰，函数

九个区域

取负值，确证量子应用可行性探测效率光子数分辨探测器效率远高于

99%，所有改进可在同一实验整合发展方向减少损耗即可实现真正可扩展的容错量子计算系统光子芯片中试线与规模化制造制造突破国内首条光子芯片中试线，实现晶圆级薄膜铌酸锂光子芯片规模化制造上千个光学元件集成于单一芯片研发迭代周期从"年级"缩短至"月级"性能跃升第二代商用光量子计算机支持超10万变量求解千倍以上复杂问题求解效率提升商业落地2026年WAIC发布QAgent平台，光量子真机算力封装为AI智能体底座2025年订单突破亿元，营收年复合增速超200%估值突破70亿元百万级原子光镊阵列超表面芯片百万级原子光镊阵列核心优势对比传统方案庞大光学系统扩展性差分立元件超表面芯片单一平面器件百万级阵列功能高度集成行业意义突破中性原子量子计算规模化扩展的核心光学瓶颈百万级光镊阵列可同时操控百万个原子作为量子比特超表面相位分布设计受益于量子算法优化，形成双向赋能正反馈VS2026年量子光学突破全景2026年量子光学6项里程碑密集突破，从实验室迈向工程化量子计算工程化2026年量子光学六大里程碑成果成果团队/机构核心指标时间九章四号中科大潘建伟/陆朝阳3050光子，10^54倍超算2026年5月玻色量子CIM玻色量子/北师大/天大464μs求解，超250倍加速2026年1月福克空间光学清华孙麓岩/中科大180光子范围演示2026年光子GKP态加拿大Xanadu5.2dB压缩度，首个GKP态2026年6月光子芯片中试线图灵量子月级迭代，10万变量求解2026年百万光镊芯片上海璇相科技百万级原子阵列2026年中国已形成基础研究→专用计算→核心器件→制造平台完整链条透镜性能革命04量子点微透镜：单光子源的性能跃升量子算法将微透镜设计从经验试错升级为精确逆向设计01三维原位电子束光刻将预选单个量子点精确集成至微透镜中心02VQE多参数联合优化曲率半径、高度、基底厚度自动寻优，以光子提取效率为目标函数03抗反射涂层协同优化涂层厚度与折射率由量子算法同步计算光子提取效率大幅提升单光子源亮度与纯度同步改善深度学习驱动的超表面逆向设计应用场景：消色差超透镜多功能偏振控制器高效率全息显示元件量子光学集成器件量子-经典混合模型扩展设计空间2至3个数量级量子神经网络可处理经典网络难以企及的高维特征空间，突破维度灾难物理约束深度学习（PINN）将麦克斯韦方程融入网络架构，赋予设计过程更高的可解释性与可靠性端到端设计框架从光学硬件到图像重建算法实现全局优化，显著提升像差校正与分辨率增强效率PINN在透镜优化中的应用实践物理约束嵌入：将麦克斯韦方程作为损失函数融入网络训练，输出电磁场分布须同时满足数据拟合误差最小化与物理方程残差最小化双目标效率突破单次前向传播替代全波仿真，速度较传统FDTD方法提升3至4个数量级量子增强VQE自动搜索最优网络结构、学习率及正则化系数物理约束嵌入将麦克斯韦方程作为损失函数融入网络训练，输出电磁场分布须同时满足数据拟合误差最小化与物理方程残差最小化双目标多片透镜组像差联合优化联合调控多透镜系统像差自由曲面透镜面形逆向设计逆向求解自由曲面面形参数渐变折射率透镜折射率分布优化优化渐变折射率空间分布CIM在光学系统组合优化中的实践国际光学顶刊《Light:Science&Applications》权威认证相干光量子计算机（CIM）天然适合求解光学系统中的组合优化问题01问题转化光学设计问题→伊辛模型矩阵02SDK传输通过

KaiwuSDK

接入CIM03量子计算FPGA

执行相干光量子运算04输出最优解返回组合优化最优配置透镜阵列排布透镜位置=自旋变量最大化聚焦效率亚毫秒级多层膜系优化每层材料选择=自旋最小化反射损耗微秒级超表面单元选型单元类型=自旋态宽带消色差毫秒级464μs100顶点图求解时间加速超250倍CIM为光学设计带来亚毫秒级优化革命量子-经典混合架构的透镜设计流程该流程将量子计算无缝嵌入现有光学设计工作流，降低了科研人员的迁移成本量子-经典混合架构的透镜设计流程问题定义明确设计目标与约束：焦距、视场角、工作波长；尺寸、材料、工艺限制量子化编码光学参数映射量子模型：哈密顿量或伊辛模型，参数化量子电路设计量子优化求解PQC制备候选解：量子处理器执行，经典优化器迭代收敛经典仿真验证全波电磁仿真：FDTD或FEM验证量子算法输出方案设计迭代优化偏差反馈再优化：不满足指标则反馈至成本函数，进入下一轮加工测试交付制造与实测：验证通过方案加工，实测结果入库透镜性能提升的量化指标对比性能指标传统设计方法量子优化设计提升幅度聚焦效率78%-85%92%-97%10-15

个百分点宽带消色差范围400-700nm380-780nm扩展约

20%设计优化时间数天至数周数小时至数天缩短

5-10倍参数空间覆盖度局部搜索全局搜索覆盖度提升显著像差校正精度衍射极限附近亚衍射极限1个数量级超表面消色差透镜基准测试中，量子优化方案在

400-780nm

宽波段内实现接近衍射极限的聚焦性能；设计迭代次数从传统方法的数百次降低至

数十次，研发周期大幅缩短设计优化模式对比传统方法局部搜索，数百次迭代，数天至数周优化周期量子优化全局搜索，数十次迭代，数小时至数天完成性能突破维度聚焦效率提升至

92%-97%宽带消色差扩展至

380-780nm像差校正亚衍射极限精度，1个数量级突破超表面透镜的量子优化设计案例方法对比维度传统粒子群优化量子QAOA优化求解耗时72

小时8

小时聚焦效率82%94%效率提升—+12%核心优势与价值宽带色差控制优于传统设计，边缘视场像差显著降低实用价值验证量子算法在超表面透镜设计中的有效性新设计路径为大规模超表面光学系统设计提供新方案产业生态展望05政策标准体系：量子信息标准化启航政策体系从"鼓励引导"全面转向标准引领+资本支持并重，为量子光学设计产业筑牢制度底座MIIT/TC10正式成立2026年6月，工信部量子信息标准化技术委员会挂牌，62名委员，秘书处设于中国信通院，覆盖基础共性、量子计算、量子通信、量子精密测量四大领域标准制修订SAC/TC578国际对标全国量子技术标准化技术委员会已实现与IEC/ISOJTC3工作范围的全面对口两项国标正式发布量子计算服务平台统一技术框架确立，规范资源接入、异构软硬件互联互通等关键环节政策定位"十五五"六大未来产业之一资本市场科创板新增"量子"行业归类资本动态：2026年量子赛道融资热潮32.04亿元融资总额超2025全年近10亿元单笔最大图灵量子两轮融资70亿元估值峰值突破2021年融资49笔，总额近32亿美元量子计算占42笔、26.91亿美元2026年"量子计算上市大年"超导与光量子路线竞逐白热化趋势资本向头部集中工程化能力与商业验证成门槛图灵量子2026年完成两轮融资，估值突破70亿元，资本认可度标杆玻色量子启动首个规模化专用量子计算机制造工厂建设，商业化提速产业化落地：从实验室到工厂的跨越图灵量子超10万变量求解第二代商用光量子计算机支持超10万变量求解千倍效率提升复杂问题求解效率提升千倍以上QAgent平台+亿元订单光量子真机算力封装为AI智能体可调度底座；2025年订单突破亿元，营收年复合增速超200%玻色量子国际期刊认证在《Light:ScienceandApplications》发表旗舰成果，相干光量子计算获国际主流光学界认证首座规模化工厂启动首个规模化专用量子计算机制造工厂建设批量生产从单台原型机走向批量生产本源量子180比特超导本源悟空-180（180比特超导量子计算机）上线，单/双比特门保真度分别达99.9%和99%全链条自主可控从量子芯片、测控系统到操作系统实现全链条自主可控全球163国71万次任务已为全球163个国家完成超过71万次计算任务国际竞争格局：中美双雄竞逐量子光学中国成为全球唯一在光量子与超导两条主路线上均实现"量子计算优越性"的国家中美量子光学竞争格局对比

中国光量子：九章四号

3050光子，