2024年量子计算性能评估基准研究报告.docx

在当前的NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）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。

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

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（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）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，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