光子盒年度系列丨2020全球量子领域二十大科技产品

光子盒研究院出品

2020年，国内外商业公司、科研团队相继推出具有突破性的量子领域科技产品。这些科技产品的推出，意味着量子领域的技术正一步步从实验室走向商业市场，最终将走向大众生活中。

商业层面，霍尼韦尔、IBM相继推出达128量子体积的量子计算机，英特尔推出第二代量子控制芯片，D-Wave推出5000量子比特的量子退火机等等。东芝公司实现了世界第一个利用量子密码实时传输24个人的全基因组序列数据的实验。

实验室层面，麻省理工学院量子研究团队针对离子阱量子计算机量子比特难以扩展的问题，研发出了具有可扩展性的集成光学的离子阱芯片；国内的中科大潘建伟、陆朝阳团队突破了量子光源、干涉线路以及锁相精度等问题，最终成功研发出实现“量子霸权”的光量子计算机。

因此，依据量子领域科技产品的独创性、突破性及现实应用潜力，遴选出2020全球量子领域二十大科技产品。

国

内

01

九章

“中国首个实现量子霸权的科研成果”

潘建伟、陆朝阳团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，于2020年12月成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）。

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030（“Sycamore”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022）。

该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

02

超导量子计算云平台

“国内首个基于真实量子计算机的云平台”

9月，本源量子完全自主开发的超导量子计算云平台正式向全球用户开放，该平台基于本源量子自主研发的超导量子计算机——悟源（搭载6比特超导量子处理器夸父 KF C6-130）。

当前量子计算机仍需要严苛的运行环境与复杂的辅助设备，普通用户很难接触。量子计算云平台是连接用户和量子计算系统之间的桥梁，经典计算向量子系统发起计算任务请求后，待量子系统完成计算任务后再以经典信息的方式返回给用户，整个过程需要量子云平台的协调中转。

此次更新，本源量子云完善了产品功能，提供真实量子计算服务，连接了用户与真实的量子计算机；提供了图形化编程与代码编程两种量子计算在线编程方式，满足普通用户的体验需求与专业用户的开发需求；推出三款典型的量子计算编程应用，助力开发出更为多样与实用的量子算法与量子程序。

真实量子计算机：本源量子计算云平台由本源超导量子计算原型机“悟源”提供支持，搭载6比特超导量子处理器夸父 KF C6-130，保真度等多项技术指标达到国际先进水平。

完整的开发生态：本源量子计算云平台拥有全振幅量子虚拟机、部分振幅量子虚拟机、单振幅量子虚拟机、含噪声量子虚拟机等4种虚拟机。

多种编程方式：目前提供图形化编程、QPanda编程在线、JupyterLab编程方式，面向公众、研发人员、企业群体提供基础版、编程版、定制版三个客户版本。

算法应用：本源量子团队基于目前成熟的量子算法，使用自主研发的量子编程框架QPanda与量子编程语言QRunes开发出复杂网络排序应用、手写数字识别应用、用户偏好行为预测应用等三款典型的量子计算编程应用。该类应用目前已内置于云平台中。

03

EPR200-Plus X波段电子顺磁共振谱仪

共振谱仪

“关键性能指标实现突破”

10月，在全国电子顺磁共振波谱学学术研讨会召开期间，国仪量子成功举办了2020新品发布会，推出了四款电子顺磁相关新品，其中，EPR200-Plus升级版X波段电子顺磁共振谱仪在关键性能指标上实现了超越。

EPR200M台式电子顺磁共振谱仪、EPR-W900 W波段电子顺磁共振谱仪、无液氦变温系统CVTI-CF Series三款产品均为中国首台商用。

这是国内电子顺磁共振领域的又一重大突破，填补了国内多项空白，推动了高端科学仪器的自主可控。

电子顺磁共振 (EPR) 波谱技术是一种研究含有未成对电子物质的结构、动力学和空间分布的谱学方法，可广泛应用于物理、化学、生物、地质、考古、材料科学、医药科学和工业等重要领域。

本次国仪量子发布的EPR200-Plus电子顺磁共振谱仪，相比EPR200，输出功率从200mW增加为700mW，最大磁场强度从0.8T增加为1.8T，在关键性能指标上实现了超越。

EPR200-Plus升级版X波段连续波电子顺磁共振谱仪，用于检测含有未成对电子的物质，是进行物质组成和结构分析的强有力工具，在生物、化学、医学、工农业生产活动中具有重要应用价值。

EPR200-Plus集成仪器控制软件、数据处理软件和波谱拟合软件，支持一维、二维扫描模式，满足多种应用需求。

应用场景方面，它的实验场景多样化，满足光照、低温、转角等实验需求。技术参数方面，磁场均匀性优于10 ppm，稳定性优于10 mG/h，高灵敏度3 × 109 spins/(G·√Hz)，高脉冲模式下的谱线分辨率，内置Mn标，可进行定量EPR计算、g值计算。

04

“金牛座”量子计算云平台

“基于NMR量子计算机的云平台”

在10月的ICT2020·中国高层论坛之量子计算论坛上，量旋科技发布了最新一代通用量子云平台“金牛座“，为用户使用量子计算硬件提供远程服务。

“金牛座”是一款可链接多种量子计算物理体系的云服务平台。目前已同时接入1台2比特和1台4比特核磁共振量子计算机。

目前开放的量子计算云平台PCloudQ，开发了地城控制层，即允许用户自己设计量子控制脉冲形状，使用户从更基本的层次理解实际量子体系的运行规则。目前，该平台致力于量子计算领域的教学科研与科普工作。

量旋科技董事长项金根博士还透露，金牛座所接入的量子计算机硬件不局限于此，将上线6比特量子计算机；同时，其他类型量子计算机，如超导芯片量子计算机，未来也将陆续接入。官方表示，其搭载的超导核磁共振体系可以实现多达7个量子比特的量子计算。

05

开源量子模拟器“太章 2.0 ”

“有望实现量子霸权的潜在选手”

12月23日，阿里巴巴发布阿里云量子开发平台(Alibaba Cloud Quantum Development Platform，ACQDP)，开源自研量子计算模拟器“太章2.0”及一系列量子应用案例。这将有力地支持从业人员设计量子硬件，测试量子算法，并探索其在材料、分子发现，优化问题和机器学习等领域内的应用。

阿里云量子开发平台提出原创性的分布式张量网络收缩算法，开辟了量子电路模拟新方向，可实现比其他方法更大规模的模拟。

2020年5月实验室用“太章2.0”模拟了2019年 “谷歌量子霸权”宣称用的量子电路，将其设计的经典计算耗时超一万年的任务，压缩至20天内完成，比其它最好的方案改进了四个数量级。

业界人士估计，若通过硬件资源的进一步优化，特别是提升GPU使用效率，该算法有望将模拟时间压缩到2天以内。这一系列工作引起学术界对量子计算与经典计算边界的重新思考。

ACQDP还包括达摩院量子实验室自研的支持上万量子比特（4-层，3度）的量子近似优化算法模拟，以及基于实验噪声模型的纠错码性能模拟等量子算法和应用。这可以解决仅靠理论分析无法解决的实验和评估问题。

基于这一开放平台，量子计算的研究人员可对不同的场景自定制算法，以进一步提高模拟效率；而发展出来的方案和算法，有望推动量子计算机的实现，催生量子计算的实用优势。

06

“量易伏”量子计算平台

“国内首个云原生量子计算平台”

在2020年9月的“百度世界大会2020”上，百度量子计算研究所推出了百度量子平台。其中，重点发布了云原生量子计算平台量易伏(Quantum Leaf)，同时升级了脉冲计算系统量脉 (Quanlse) 和量子机器学习工具集量桨 (Paddle Quantum)。

量易伏量子云平台通过云端对量子硬件后端进行访问。通过百度自研的高性能模拟器，用户通过普通的笔记本电脑，便可运行28个量子比特的量子随机线路模型。

在适用性方面，量易伏适合不同人群的多种前后端，能够帮助使用者从入门到精通，拥有丰富案例，并且能够实现统一管理工作流，大大提高工作效率。

在生态方面，作为开源开放的量子计算平台，量易伏不但可以兼容第三方模拟器，还能实现量子硬件无缝切换。量易伏包括三大量子前端开发套件，PyOnline、QComposer、QCompute。

量子在线平台：PyOnline

无需安装软件，用户只需登录量易伏，即可享有流畅丰富的量子体验而不需要任何人工配置。PyOnline采用简单易用的 Python 编程语言，支持自定义文件和自定义Python组件，使用户能够准确灵活地运用量子计算算力。

量子作曲家：QComposer

QComposer同时面向初学者和进阶者。用户无需编写代码，只要拖动相应的组件即可完成量子电路的搭建和验证。使用QComposer拖动编程就能体验量子计算的乐趣。先进的语言分析引擎，将根据搭建的量子电路展示相应代码，用户运行代码就可以获取量子计算结果。与此同时，PyOnline 运行的结果也能够解析成量子代码进行查看、重用。

量子开发套件：QCompute

QCompute是百度开源的量子计算套件，面向计算机工程师和科学家为主的用户，提供了全栈式端到端的量子服务。用户端可以混合使用Python编程语言和量子编程语言进行实验和开发，量子端由本地模拟器、在线模拟器和量子计算机组成。本地模拟器分为百度模拟器和第三方模拟器接口，用户可以在本地直接使用。用户需传入量易伏网站内账号对应的Token，远程使用在线模拟器或量子计算机。注意，与 PyOnline 不同，QCompute需要本地安装之后才能使用。

07

ez-Q^TMEngine超导量子计算操控系统

“室温操控系统”

国盾量子于2020年上线的超导量子计算操控系统。

ez-Q^TMEngine

ez-Q^TMEngine超导量子计算操控系统是由科大国盾量子技术股份有限公司联合中国科学技术大学，针对多比特超导量子计算需求，历时3年精心打造。

该系统单设备最大可集成8比特激励和2读出通道的控制资源，硬件环境包括了：射频激励信号产生器（QC-AWG-XY）、任意快速偏置产生器（QC-AWG-Z）、高稳定性可调直流源（QC-ZDC）、高速信号分析器（QC-DAQ），四模块组合用于产生控制量子比特的射频激励信号、快速偏置信号、高稳定偏置信号以及回读采集信号和在线解模功能。

该系统开箱即用，接线简单明了。初装设备时，软件与运维工程师现场跟进。可根据用户需求，定制应用模块，并做到灵活扩展。

中科大超导量子朱晓波团队，应用该套系统多年，取得了：12bit“簇态”纠缠态的制备（PRL）、强关联量子行走（Science)、24超导比特的高精度量子相干调控（PRL）等成绩。相关技术并成功应用到中国首台云端超导量子计算平台。

08

HiQ3.0量子计算平台

“最大规模的一站式变VQE量子化学模拟平台”

在9月的华为全连接大会“华为HiQ 3.0量子计算平台，探索量子世界”分会上，华为量子计算首席科学家翁文康介绍了华为量子计算软件HiQ3.0云平台的技术内核、近期开发的新特性和对开发者编程体验的改进情况。

2018年10月12日，华为在全联接大会上首次发布了量子计算模拟器HiQ云服务平台。HiQ 1.0包括量子计算模拟器与基于模拟器开发的量子编程框架。

在此基础上，2019年6月翁文康团队研制了华为昆仑量子计算模拟一体机原型，采用HiQ编程架构，搭载量子计算模拟器和昆仑服务器9032。

2019年全连接大会，华为发布了HiQ 2.0量子计算软件解决方案，推出业界首个一站式VQE量子化学模拟云服务，助力量子化学应用研究。

相较于HiQ 1.0版本，此次HiQ2.0版本推出了业界首个一站式量子化学应用云服务及对应的软件包 HiQ Fermion，新增云端脉冲优化设计服务及对应的HiQ Pulse软件包。

基于此，2020年全连接大会，华为发布了HiQ 3.0量子计算模拟器及开发者工具。

新增两个核心模块：量子组合优化求解器HiQ Optimizer和张量网络计算加速器HiQ Tensor，同时升级HiQ Circuit、HiQ Fermion、 HiQ Pulse等多个模块，使得HiQ系统功能更完善、性能更优越，可适配更多应用场景。

量子组合优化求解器HiQ Optimizer是针对NISQ时代的组合优化问题而开发的一套软件包。它包括数据结构和将组合优化问题转化为对应的哈密顿量，并将之转化为量子-经典混合架构可以实现的量子态制备、演化和测量以及优化参数更新等全套工具。

HiQ Optimizer有着丰富的应用场景。它能够解决旅行商问题，对行程规划进行优化；它能够解决网络最大流问题，优化网络传输能力；它能够解决K-SAT问题（n=10），助力科学研究。

张量网络计算加速器HiQ Tensor使得费曼模式下的线路仿真能力大幅升级。通过对张量网络等价转化、更优的张量切割算法以及GPU的分布式张量缩并等技术路径，可实现多振幅线路模拟，同时计算百万个输出振幅概率，很好地适应量子随机线路采样问题。

华为在应用层的发展更为丰富，表现在首个一站式量子化学应用云服务和对应软件包HiQ Fermion，通过自研的算法优化、线路压缩等技术可将参数压缩80%，运行速度提高1600倍以上，提供最大规模的一站式变分量子本征解算器（Variational Quantum Eigensolver，VQE）量子化学模拟，在药物、能源、材料等应用场景有广泛用途。

目前，华为尚未推出量子硬件设备，而是利用昆仑量子计算模拟器作为计算引擎。但在其量子软件领域，它有着较为完善的生态环境。HiQ量子计算平台基于华为自研CloudIDE，提供极速的云环境、基于鲲鹏的开发环境以及丰富的插件框架开源等等，为开发者和合作伙伴提供良好的编程体验和生态能力。

09

“昆冈”量子计算（模拟）云平台2.0

”国内量子初创公司云平台“

2019年9月30日，昆峰量子发布了“昆冈”量子计算（模拟）云平台1.0版本。昆峰量子以此为基础，和国内外多家科研机构与企业积极合作，探索量子计算在多个行业领域的实际应用。

2020年9月30日，昆峰量子宣布“昆冈”量子计算（模拟）云平台2.0版本正式对外提供服务。2.0版本新增对经典量子混合式编程的支持，包括远程调用接口API与基于网页的集成开发环境IDE；此外，在模拟性能、易用性、可靠性等多个方面均比之前的1.0版本有着显著提升。

另外，据昆峰量子官方披露，在2.0版本发布的同时，已积极计划后续版本的开发，预计几个月后将推出新一代“昆冈”量子计算云平台3.0版本。新版本在当前2.0版本基础上会进一步优化模拟性能；此外将在算法集成上推出新的功能，争取更好的助力量子算法和程序开发人员在应用领域的探索。

10

量子教育云平台

“一站式平台”

问天量子的量子信息教育云平台，这是一个集量子信息教育产品集锦、产品体验、解决方案、科学普及等一站式的平台。

平台提供专业的量子教育硬件产品，包括量子纠缠光源、量子密码研究平台QCRP以及电子学仪器TDC等，并提供与硬件系统相对应的虚拟仿真软件Qsim和Qlab，形成软硬结合的教育产品体系。

平台不仅仅提供单个产品，而是围绕产品提供整体解决方案。针对大学教育，问天分别为专业基础较强的物理学专业和物理基础较为薄弱的工科专业，量身打造教学课程知识体系，并提供配套的师资培训和实验讲义。针对大众科普，问天提供面向科技馆、中小学等的详细解决方案；针对科研用户，问天提供便捷的科研定制服务。只要你对量子教育感兴趣，在问天的云平台上，总能找到属于自己的解决方案。

此外，云平台还提供两款虚拟仿真软件的免费在线云体验。第一款是量子光学仿真实验室Qlab。第二款软件是量子密码专业仿真工具包Qsim。

Qlab是一款面向量子信息光学教学的3D虚拟仿真软件，软件对实验仪器1:1三维实物建模，并融入对应物理原理算法，光路中器件状态可实现实时动态反馈，输出贴近真实的实验数据。

Qlab的设计还原超净实验环境，并引入环境灯光、探测器暗计数等噪声，体现量子光学实验对噪声敏感的特点，贴近真实实验环境。Qlab配备详尽的教案、讲义及测试题，并在软件中集成量子纠缠原理演示动画等生动的教学材料，为教学提供有力支持。

Qsim是一款用于教学与科研目的的QKD仿真软件，通过利用软件内部预置的各种光学器件以及各种QKD协议系统，达到让学生学习掌握各种QKD协议原理，以及在QKD系统中使用如何使用各种光学器件的目的。

该软件使用模块化方式定义器件，用户通过拖拽和连接的方式，可方便地搭建自定义光学实验系统，允许改变虚拟器件的任意参数，利用软件内部强大的物理模型引擎，得出当前光路的实验结果。

国

外

01

400万量子体积计算机

“最大量子体积的量子计算机”

2020年10月，IonQ宣布制造出了世界上最强大的量子计算机，这是用一个通用的行业标准来衡量的。在一台拥有32个量子比特的机器上，预期实现超过400万的量子体积。这一数字远高于霍尼韦尔、IBM公布的128个量子体积。该机型目前已上线，是IonQ在AWS上推出的首款产品。

IonQ创始人Chris Monroe领导的研究团队在arXiv上预传的一篇关于量子纠错的文章，其中描述了在一个几乎完全相同的系统上进行的容错实验。

文中提到了量子比特的T2退相干时间为2.75秒，单量子比特门保真度为99.98%，双量子比特门保真度为98.5%-99.3%。相比之前11量子比特的系统有所提升。（这些设计中的T1退相干时间很长，因此可以忽略，因为它们对计算没有不利影响。）

在IonQ官网公布的离子阱量子计算机路线图中，到2023年，IonQ将部署模块化量子计算机，这些计算机足够小，可以在一个数据中心联网，到2025年，有望实现广泛的量子优势。

同时，IonQ提出了一个新基准——算法量子比特（AQ）。在没有纠错编码的情况下，AQ =log₂（QV），反之QV =2^AQ。

以IonQ最新的32量子比特计算机，在平均双量子比特门保真度99.9%以及纠错比例16:1（16个量子比特纠错1个）的情况下，AQ是22，即可用量子比特有22个，同时量子体积是400万。

根据路线图，2028年IonQ的算法量子比特（AQ）预计达到1024个，对应的量子体积是2的1024次方，这是一个非常夸张的数字。

02

65量子比特处理器Hummingbird

“量子比特数最多的超导处理器”

2020年9月，IBM在内部向IBM Q Network的成员发布了65-Qubit IBM Quantum Hummingbird处理器，其量子体积为32，在低温环境下运行。

该处理器能够8:1读出多路复用，这意味着可以将8个量子比特的读出信号合并为一个，减少了读出所需的布线和组件总量，提高了量子计算机的规模扩张能力，并且能够同时保留Falcon 1代处理器的所有高性能特性。

IBM表示，它还大大减少了相关控制系统中信号处理的等待时间，为即将到来的反馈和前馈系统功能做准备。这将允许在量子电路运行时根据经典条件控制量子比特。

根据其公布的技术路线图，2021年，IBM将推出127-Qubit Eagle处理器。为了实现里程碑式的100-Qubit 处理器，Eagle进行了多项升级。其中最重要的一点是，通过硅通孔(TSVs)和多层布线，提供了有效扇出大量经典控制信号的能力，同时保护了分离层中的量子比特，以保持高相干时间。

为小型处理器建立的设计原则将会帮助IBM在2022年发布433-Qubit Osprey系统。更高效、更密集的控制和低温的基础设施将确保处理器在扩大规模的时候不会牺牲掉单个量子比特的性能，不会引入更多的噪声源或占用太大的空间。

2023年，IBM将首次推出1121-Qubit Condor处理器。在总结前代处理器的经验教训的同时，继续降低关键的双态量子错误，使其能够运行更长的量子电路。

03

“Deltaflow-on-ARTIQ”

”第一个量子操作系统“

2020年12月，Riverlane发布了量子操作系统的第一个版本“Deltaflow-on-ARTIQ”。该产品旨在使量子硬件公司以及算法和应用程序开发人员能够通过简化协作和减少实验室停机时间来加速他们的研究。这个版本使用模拟硬件和ARTIQ作为后端。

ARTIQ（先进量子物理实时基础设施）是一种广泛应用于离子阱领域的控制系统，是由总部位于香港的M-labs公司与NIST的离子存储小组合作开发。M-Labs是一家开发、制造和销售先进的开放式硬件设备和解决方案的公司。

ARTIQ以基于Python的高级编程语言为特色，有助于描述复杂的实验。在专用FPGA硬件上编译执行，具有纳秒级的时序分辨率和亚微秒级的延迟。

Deltaflow-on-ARTIQ由Deltaflow语言（Deltalanguage）和运行该语言的各种硬件模型组成，包括ARTIQ控制系统的模拟器。Deltalanguage允许用户根据实验室中发现的硬件元素类型定义不同硬件节点的图形。定义程序后，用户可以在越来越真实的硬件模型上进行测试。

Deltaflow-on-ARTIQ的发布标志着Riverlane朝着构建高性能、可移植于所有量子比特技术、可扩展到数百万量子比特的量子操作系统的目标迈出了重要一步。

04

¹²CQ量子计算芯片

“室温下运行的量子芯片”

11月，Archer Materials在推进¹²CQ量子计算芯片的开发方面取得了重大进展，实现了量子比特控制的重大技术里程碑。通过成功地表征优化和未优化的量子计算器件，已经完成了量子测量到量子比特控制的初步阶段。

该公司已经设计并开始运行使用各种量子计算设备，配置进行量子比特控制所需的基础设施和专用设备。优化量子计算设备的设计将允许在多位量子比特元件中的量子比特控制。

Archer Materials正与澳大利亚和瑞士顶级研究所的物理学家合作，以在该公司独特的量子比特材料中实现量子比特控制。Archer Materials在一家价值1.5亿美元的半导体芯片原型制造工厂中设计和制造量子计算设备。

¹²CQ是Archer Materials在全世界首创的技术，致力于在室温下进行量子计算操作和集成现代电子设备。

Archer Materials是一家材料技术公司，该公司正在研发材料，以应对量子技术、人类健康和能源方面的全球挑战。同时也在研发推动现代技术发展的设备，包括量子计算的处理器、芯片及生物传感器等等。

Archer Materials是IBM Q Network的成员之一。

05

量子物质研究云平台Albert

”首个基于冷原子的云平台“

2020年10月，量子原子公司Cold Quanta宣布了其量子物质研究云平台Albert。用户可以通过生成、操纵和试验超冷物质来探索基本的量子现象，例如隧道效应和叠加现象。

Albert在云端提供了一个世界级的、可远程访问的原子、分子、光学（AMO）物理实验室。这将加速对量子物理学和超冷物质的研究、教育和实际理解，这对许多突破性的量子技术的发展至关重要。在早期阶段，Albert接受来自北美和欧洲的100名用户访问。

ColdQuanta已为国际空间站上的冷原子实验室提供了类似的技术。这项技术还可以作为用于计算、计时、导航、射频感应、信号处理和量子通信的基础。

Albert未来能将使量子传感器和信号处理器的量子辅助设计成为可能，这将用于全新的量子产品系列，例如量子定位系统（QPS）或量子信号处理（QSP）。

继推出量子物质研究云平台，ColdQuanta在11月推出了独特的Quantum Core™技术，利用激光将原子冷却到接近绝对零度的深冷温度，会产生玻色-爱因斯坦凝聚态，相当于一团原子云，对这些超冷原子的控制（单独或作为一团云）可以实现从原子计时到量子逻辑的一切。

目前，ColdQuanta基于Quantum Core™技术提供众多量子应用，分为量子应用系统和量子计算两类，其中应用系统包括量子传感器、量子时钟、量子定位系统等。

ColdQuanta是由科罗拉多大学博尔德分校（CU-Boulder）的Dana Anderson和Reiner Kunst教授创立的，总部位于美国，在英国有一分公司。

ColdQuanta美国总部着手研究量子计算机，量子应用系统项目主要由ColdQuanta英国公司负责。ColdQuanta英国公司于2017年在牛津成立，目前只有5人团队，但他们已经获得了英国政府280万英镑的合同，为英国正在进行的三项独立工作提供冷原子量子技术，特别是量子定位系统（QPS）。

06

128量子比特芯片

”量子比特数最多的量子芯片“

麻省理工学院的研究人员发现了一种扩大量子芯片规模的方法。

研究人员开发了一种制造和集成“人造原子”的方法，这种“人造原子”是由微观金刚石薄片中的原子级缺陷产生的，带有光子电路，生产出同类中最大的量子芯片。

麻省理工学院电子工程和计算机科学系副教授Dirk Englund说，这一成就“标志着可扩展量子处理器领域的一个转折点”。他和他的同事们指出，建造量子计算机需要数百万个量子处理器，这项新研究展示了一种扩大处理器生产的可行方法。

新芯片中的量子比特是由金刚石中的缺陷制成的人造原子，可以用可见光和微波激发，发射携带量子信息的光子。Englund和他的团队在《自然》杂志上描述了这一过程，这是一种混合方法，即将精心挑选的含有多个金刚石量子比特的“量子微芯片”置于氮化铝光子集成电路上。

Englund说:“在过去20年的量子工程中，以与集成电子相当的体积制造这种人工量子比特系统才是最终的愿景。尽管在这个非常活跃的研究领域取得了显著的进展，但制造和材料的复杂性迄今为止只给每个光子系统带来了两到三个发射器。”

通过他们的混合方法，Englund和他的同事们能够研发出了一个128比特的光子芯片，它是迄今为止量子比特数最多的集成光子芯片。

07

光量子计算云平台

”全球首个光量子计算云平台“

2020年9月，加拿大Xanadu发布全球首个光量子计算云平台，开发人员可以基于云访问Xanadu的光量子计算机，包括8量子比特和12量子比特两个版本，24量子比特的版本已在10月推出，预计将推出一个40量子比特的芯片。这家初创公司预计，每六个月，其云中的量子比特数量将“大约翻一番”。

相比于需要在超低温下运行的超导量子计算，光量子计算的优势在于可在常温下运行，且能够基于已有的光纤通信架构，这为完善其周边生态系统节省了很大成本。

Xanadu是一家成立于2016年12月的全堆栈量子初创公司，位于加拿大多伦多。除了光量子计算云平台，它还开发开源软件库PennyLane和在光量子硬件上模拟和执行程序的Strawberry Fields平台的全栈库。

PennyLane是Xanadu用于差异化量子计算的开源软件，现在已经接入亚马逊Braket平台。PennyLane提供了功能强大且灵活的编程框架，使探索量子计算的混合方法变得简单而直观。PennyLane结合 Amazon Braket ，将经典机器学习(ML)库与量子硬件和模拟器无缝集成，客户将能够借助通用机器学习库，对量子电路展开类似传统神经网络的训练。

Strawberry Fields是一个专门针对连续变量量子计算的全栈库，该库基于光子的量子计算机。量子线路是使用 Blackbird量子编程语言编写的，该语言是其量子设备的汇编语言。

未来，Xanadu还将与MaRS（加拿大初创企业孵化器）和创造性破坏实验室（CDL）合作创建加拿大量子网络（CQN）。

08

52英里“量子环路”

”美国最长陆基量子网络之一“

美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和芝加哥大学在芝加哥郊区创建了一个52英里（83公里）的“量子环路”，建立了美国最长的陆基量子网络之一。

该网络将与能源部费米实验室连接，建立一个80英里的三节点试验台。美国能源部打算继续并连接他们所有的17个国家实验室，以建立量子互联网的主干。

这是一个长期的，达数十年的项目，需要发明和生产包括量子存储、量子中继器、纠错和其他技术在内的几种新技术。

在美国能源部发布的报告中，为实现量子网络，其共有五个阶段：

阶段1：验证基于光纤网络的量子安全协议；

阶段2：实现校际和市内纠缠分布；

阶段3：实现城际量子通信；

阶段4：实现洲际纠缠分布；

阶段5：在实验室、学术界和工业界之间建立多机构生态系统，从演示向运营基础架构过渡。

他们的最终目标是在实验室、学术界和行业之间建立一个多机构的生态系统，以从示范向运营基础架构过渡。

建立美国量子互联网有多个目的。其一是实现量子安全加密通信，且不能被功能强大的量子计算机所破坏。其二是通过在光缆上发送纠缠的光子来实现大范围的分布式量子计算，以便多个量子计算机可以共同解决大型问题。

09

集成光学的离子阱芯片

”世界上第一个具有集成光学的离子阱量子芯片“ 

Honeywell和IonQ都使用同位素镱来制造离子阱量子比特。在使用集成光学的芯片中，麻省理工学院使用了一种叫做锶的碱性金属。

Robert Niffenegger博士是麻省理工学院林肯实验室离子阱和光子学小组的成员，他领导了这次实验，也是该实验论文的第一作者。他解释了为什么麻省理工学院的芯片使用锶而不是镱。

他说：“为离子阱开发的光子是第一个能够兼容紫光和蓝光波长的。”传统的光子材料在蓝光、紫外光和紫外光下都有很高的损耗。锶离子被用来代替镱，因为锶离子不需要紫外光进行光学控制。”

目前量子计算机中使用的离子阱量子比特最多是32个。为了使量子计算机真正有用，需要数百万个量子比特。这意味着成千上万的激光器也将被用来控制和测量数以百万计的离子量子比特。

当使用两种离子时，问题就会变得更复杂，例如霍尼韦尔机器中的镱和钡。目前控制激光的方法使得建立超过几百个量子比特的离子阱量子计算机成为一个挑战。

麻省理工学院的研究人员开发了另一种方法，不借助光学和反射镜反射激光来瞄准真空室，而是使用了多个光纤和光子波导。量子芯片的底部安装了一个装有四根光纤的模块，可以传送各种颜色。

根据Niffenegger的说法，“把光纤块阵列对准芯片上的波导，然后涂上环氧树脂，感觉就像在做手术。这是一个非常微妙的过程。我们有大约半微米的耐受性，它需要在冷却到4开尔文后才能实现。”

集成光学本质上是抗振动的，在外部激光器中，振动会导致脉冲错过离子，集成光学能够消除振动的大部分影响。集成光学提供的稳定性将有助于量子比特维持量子态的时间更长，从而可以进行更深入、更复杂的计算。

麻省理工学院的技术也为便携式离子阱量子传感器和时钟提供了一条发展道路。将光波导集成到离子阱中代表着，朝着建立一个具有数千到数百万个量子比特的有用的量子计算机的目标又迈进了一步。

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量子通信实时传输全基因组序列数据

”全球首次量子保密通信传输大容量数据“

日本东芝公司和日本东北大学于2020年1 月联合发布公报说，其研究人员用量子保密通信技术在短时间内传输了多达数百GB的人类基因组测序数据，这是全球首次用量子保密通信技术如此短时传输大量数据。

量子保密通信技术可利用量子技术对信息进行加密传输，它具有保密性好等特点，但长期未能解决传输数据量不大的问题。

这次，东芝公司和日本东北大学新开发了一种用于顺序加密和传输大规模数据的系统。使用顺序加密/顺序传输系统成功地实时传输整个基因组序列数据。这允许量子加密技术可用于传输大量数据。

研究人员利用专用光纤线路，在日本仙台市相距约7公里的两个设施之间进行了实验。

实验中传输的是对人类基因组测序所得的数据。共有24个人的基因组数据分为2批被传输，每批12个人的基因组数据在测序完成后，都在不到2分钟的时间内被成功传输。传输的总数据量达到数百GB，通过量子密码的密钥分发速度约为10Mbps。

这一实验表明量子保密通信技术可以用于传输大量数据，相关成果有望在基因组研究和医疗等领域得到应用。

结语

从全球范围来看，仍有许多量子初创公司和科研团队在开发量子领域更多可能性的产品应用。

量子计算领域，亚马逊推出Braket量子计算服务；Anyon Systems推出加拿大首个通用量子计算机；Zapata的Orquestra工作流管理器全面商业发布；Qutech推出欧洲首个公共量子计算平台Quantum inspire；Atos推出量子退火模拟器等等。

量子通信领域，ID Quantique发布了尺寸小、低功耗的量子随机数发生器（QRNG）芯片；西班牙巴塞罗那科学技术学和加利福尼亚理工学院的研究人员研发出了一种即插即用CV-QKD系统；三星推出全球首款量子加密手机。

其他方面，苏黎世仪器推出SHFQA量子分析仪；美国国家卫生研究院研发出基于钻石量子传感器的核磁共振显微镜；俄罗斯研究团队制作出第一个红外光子视频探测器；欧洲科学家研发可探测中频引力波的量子探测器等等。

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