在过去的10个月中，光子盒与您一同见证了全球量子计算公司在多方面的突破与创新，这些成就正在引领我们迈向一个前所未有的计算时代。在全球科技竞争日趋激烈的背景下，量子计算公司的商业化进程关乎企业自身发展，也与国家战略布局密切相关，对于抢占技术高地、推动产业升级具有重要意义。同时，面对国际技术封锁和市场竞争，量子计算的商业化步伐将直接影响到国家在全球科技格局中的地位。
9月10日，在量子世界大会上，量子计算公司Quantinuum公布了加速技术路线图。Quantinuum宣布，至多到2030年末，公司就能实现通用容错量子计算的目标。届时，将有望解锁价值数万亿美元的市场，并解决全球最紧迫的挑战。Quantinuum构建量子计算机所依托的技术路线正是离子阱量子计算。
图：Quantinuum的加速技术路线图
来源：Quantinuum
光子盒对2024年离子阱量子计算公司的商业化发展进程进行了整合汇总，在该路线的众多竞争者中选出了7家“杀出重围”的离子阱量子计算公司，这些公司在商业化发展上都展现出了强劲的势头。
写在前面：离子阱量子计算有何优势？
量子计算产业已进入快速成长周期。2023年，全球量子计算市场规模达到47亿美元。全球前沿科技咨询公司ICV预测，2035年，量子计算的总市场规模有望达到8117亿美元。这一接近万亿级别的市场规模，标志着量子计算会在此进入全面成熟和商业化的关键阶段，预示着未来量子计算将在各个领域带来深远而持久的影响。
在众多技术路线之中，离子阱系统是最早用于量子计算研究的物理系统，也是目前实现量子计算机的最热门、最成熟、最具前景的技术路线之一，相比于其他用于实现量子计算的物理系统，离子阱系统具有相干时间长、保真度高、全连接性等优点；从商业化角度看，由于不依赖昂贵的稀释制冷机，离子阱量子计算机的造价显著低于超导量子计算系统。与超导或半导体系统中需要为每个量子比特配置单独的测控硬件不同，离子阱系统的测控系统可以复用，系统复杂度并不会随着量子比特数量增加而线性增长，能够围绕主体系统进行升级迭代，因而在商业化的规模提升中具备明显的成本优势。
目前，离子阱路线的规模扩展技术方案主要有以下三种：
1.QCCD方案（Quantinuum采用的方案）：离子阱技术路线最早实现规模化扩展的方案，由俄勒冈大学教授、诺贝尔物理奖得主David Wineland于2000年前后提出，有利于实现超高质量的量子逻辑门操控，能够借助现有的微纳加工技术；但在百量子比特以上的更大规模量子比特体系中，离子调度的复杂度和离子移动对相干时间的消耗都将带来巨大的挑战。
2.量子中继方案（lonQ采用的方案）：在QCCD方案问世后不久，原密西根大学教授、现清华大学量子信息中心主任、中科院院士段路明教授与合作者于2001年提出了著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案，该方案利用量子路由将多台量子计算机互联，虽已经过较长时间发展，但互联效率和速率的提升始终不够理想，且在单台量子计算机量子比特数量较少的规模下互联消耗太大，叠加成本过高。
3.基于交叉声光偏转器的二维平面任意寻址方案（华翊量子采用的方案）：段路明教授近年提出的革命性技术方案，基于低温系统快速实现二维的大规模离子量子比特阵列稳定囚禁，利用国产器件AOD实施平面内任意单比特快速寻址，从而实现量子比特规模的快速扩展。该方案所实现的逻辑门保真度虽暂且略落后于QCCD方案的最优结果，但具备极强的规模扩展化潜力，未来有望扩展至百万量子比特规模体系。
这7家企业杀出重围
2024年，在离子阱量子量子计算的赛道上，涌现出一批按下发展加速键的企业，它们正雄心勃勃地迈向一个又一个商业化里程碑。
Quantinuum
Quantinuum由知名跨国科技企业Honeywell与孵化于剑桥大学的量子初创公司Cambridge Quantum于2021年合并而来，总部位于美国，是全球最大的综合量子计算公司。对于这家公司来说，2024年是稳步上升、加速前进的一年。
技术进展方面，4月，Quantinuum宣布已在其H1离子阱量子计算机系统上实现了99.914(3)%的双量子比特门保真度，成为了第一家在商用量子计算机中实现“3个9”的公司。6月，Quantinuum所研发的H2-1处理器从32个量子比特升级到56个量子比特，进一步增强了其市场领先的保真度，这使得经典计算机无法完全模拟量子计算机。9月，Quantinuum与微软一同演示了有记录以来性能最佳的逻辑量子比特，创下了最大纠缠逻辑量子比特数量的记录，这次演示也被微软誉为“通往量超融合之路”的关键演示。
图：9月，Quantinuum与微软一同演示了有记录以来性能最佳的逻辑量子比特
来源：微软
商业化方面，1月，Quantinuum已成功完成由摩根大通领投的3亿美元融资，公司此次的投前估值为50亿美元，为当时所有独立量子公司中最高的估值。7月，Quantinuum与新加坡在量子计算（尤其是计算生物）领域达成多项合作，涉及两个政府部门、两个国家计算中心以及两所高校。与新加坡的合作，将为Quantinuum带来雄厚的科研支持和崭新的业务版图，帮助Quantinuum在亚洲市场上进一步扩大影响力。
9月，Quantinuum公布了最新的加速技术路线图。从路线图可以看出，Quantinuum在2025年将达到约50个逻辑量子比特，2027年将达到约100个逻辑量子比特。一旦量子计算机拥有80个逻辑量子比特，那么量子计算机在数据量方面的处理能力将不可辩驳地超过现有经典计算机之和，因此部分量子计算从业人员将80作为关键量子比特数。也就是说，Quantinuum将有望在三年内提供超越现有经典计算机的算力。
华翊量子
华翊量子成立于2022年，孵化于清华大学量子信息中心。公司创始人段路明院士在离子阱量子计算领域深耕多年，首次提出了基于高维离子量子比特阵列的离子阱量子计算架构，该方案可在维持高速、高保真度的量子门操作下极大提升单系统的有效量子比特数量并保持连通性，技术水平居世界领先地位。基于这一技术路线，华翊量子正在与材料化工、能源开发、生物医药、航天航空、金融工程、物流运筹等各行业企业合作展开商业化应用探索。
2023年4月，华翊量子发布离子阱量子计算第一代商业化原型机HYQ-A37，能够实现可编程的通用量子逻辑门集合与绝热量子计算。最高水平可维持包含92个镱-171离子的一维离子晶体长达数小时不发生雾化。HYQ-A37的各项性能指标均达到最初设计预期，部分性能指标达到当时的世界领先水平，综合来看，与当时世界上先进的离子阱量子计算机性能相当。
图：华翊量子发布离子阱量子计算第一代商业化原型机HYQ-A37参数
来源：华翊量子
2024年，华翊量子更进一步，完成了最新一代离子阱量子计算整机HYQ-B100的研发；段路明院士团队首次在300个离子体系中实现阻挫多体系统的量子模拟，将原来该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子）往前推进了一大步，是当前离子阱系统中最大规模的量子模拟实验。该项成果以清华大学为第一单位，华翊量子为第三单位发表在国际权威学术期刊《Nature》上，审稿人将其称为“量子模拟领域的巨大进步”、“值得关注的里程碑”。
除了亮眼的科研成果，华翊在商业化道路上的表现也同样可圈可点。
5月，华翊量子宣布完成过亿元的Pre-A轮融资，由央视融媒体基金领投，百度风投、联想创投等跟投。此次融资旨在加速助力华翊量子研发新型离子阱量子计算机，拓展新业务场景，探索量子算法的更多行业应用。
9月，华翊量子中标中国移动研究院2024年协同创新基地“离子阱量子计算实验装置采购”项目中的一套离子阱量子计算实验装置，中标价格约为3260万元。据悉，其所中标型号为最新一代的离子阱量子计算机HYQ-B100。该型号基于低温离子阱系统中的二维离子晶体架构，能够实现超过500个离子量子比特的稳定囚禁，具备过百比特的相干操控能力。此次中标标志着华翊量子在商业化征程中的关键一步，据悉，这将成为首台具备软硬一体、联合优化的开放式实验装置，加快量子计算实用化进程。
来源：中国移动采购与招标网
依托来自清华大学强大的人才队伍、尖端的科研实力、丰富的实践经验，华翊量子已经取得了一系列商业化成果，在离子阱赛道中崭露头角，成为一匹不容忽视的黑马。
IonQ
IonQ成立于2015年，孵化于马里兰大学，是一家总部位于美国的离子阱量子计算公司。创始人Christopher Monroe研究离子阱量子计算机已超过20年，曾在诺贝尔奖得主David Wineland领导的NIST小组工作。2022年4月，IonQ成为首家入选《时代》最具影响力企业100强的纯量子计算公司。
9月，IonQ宣布已在下一代钡离子开发平台上实现了超过99.9%的双量子比特门保真度，这一技术进步加深了IonQ对大型企业级量子系统中错误机制识别和消除的理解，也使IonQ更接近其下一代商业系统IonQ Tempo的开发，沿着研发实用商业量子解决方案的技术路线图加速前进。
截至2024年3月，IonQ的市值已达18.9亿美元。根据公开资料，IonQ第三季度收入为1240万美元，高于先前提供的760万至920万美元的预期，与2023年的610万美元相比增长了102%；IonQ第三季度的新订单额则达到了6350万美元。
8月，IonQ向瑞士QuantumBasel的欧洲量子数据中心交付了其首个海外离子阱系统；9月，IonQ与美国空军研究实验室（AFRL）签署了一份价值5450万美元（约合人民币3.8亿元）的合同，核心目标为部署量子网络。值得一提的是，这也是2024年美国最大的一笔量子合同。11月，IonQ正式收购量子网络公司Qubitekk，将于未来半年内逐步引入Qubitekk的团队、客户群以及量子网络领域的118项美国和国际授权专利的技术组合，以巩固其在量子网络行业的领先地位。
与Quantinuum相似，IonQ也在今年推出了2025年的加速技术路线图，主要目标为到2025年底在新系统中实现99.999%的逻辑双量子比特门保真度和100个物理量子比特的目标。IonQ将未来的发展目标概括为三项：性能、规模、企业级，对于2024年全年，IonQ的收入预期已增加到3850万至4250万美元。
图：IonQ的未来发展目标
来源：IonQ
Oxford Ionics
Oxford Ionics于2019年成立于牛津大学，总部位于英国，专注于离子阱量子计算机的研发，团队包括55名物理、量子架构、工程和软件领域的全球专家。迄今为止，Oxford Ionics已获得3700万英镑的融资。
2024下半年以来，Oxford Ionics不断在保真度方面刷新纪录。7月，Oxford Ionics推出了一种专利的电子量子比特控制技术，成功地摒弃了传统依赖激光来操控量子比特的方式，将离子阱技术与硅芯片技术相结合，可以利用现有的标准半导体制造设施和工艺实现量子计算机的大规模生产。其单量子比特操作实现的门保真度高达99.9992%，双量子比特门保真度也达到了99.97%，创下行业纪录。9月，Oxford Ionics在量子态制备与测量（SPAM）方面创下新纪录。在牛津大学实验实施的结果表明，他们的SPAM保真度是所有量子计算平台记录中最高的，达到99.9993%。
此外，这位“后起之秀”也在今年开启了市场扩张的征途。8月，Oxford Ionics在美国科罗拉多州博尔德开设了第一个国际办事处，正式迈出向北美市场扩张的第一步。9月，Oxford Ionics与英飞凌科技公司（Infineon Technologies AG）签订了一份合同，双方将作为三个独立承包商之一共同为德国联邦网络局（Cyberagentur）制造一台先进的便携式量子计算机，德国联邦网络局总共为该项目投资了3500万欧元。
启科量子
启科量子于2019年成立，总部位于合肥高新区，是亚洲首家离子阱量子计算公司。公司致力于解决海量数据处理和信息安全中的核心问题，核心技术团队二十年来始终处于全球量子信息技术领域最前沿，拥有一系列国际领先的工作成果。
科研进展方面，5月，启科量子等团队提出了一种分布式精确广义Grover算法（DEGGA），可实现多目标精确搜索，同时降低了每个计算节点的量子门和量子比特数量需求，加快搜索过程。与其他Grover算法相比，DEGGA保证了100%的搜索成功率，对于密码学、科学研究中的复杂数据库搜索等无序大数据搜索场景具有重要意义。
3月，启科量子“量子-经典混合算力云平台”<Qu|Cloud>正式上线，面向全球用户开放注册和使用。<Qu|Cloud>提供多种类型的量子计算资源，可同时执行超过1000个算法任务，用户可以利用这些资源进行算法验证、加速模拟等任务。
来源：中国移动采购与招标网
近期，启科量子连续成功中标，商业化进程再提速。10月，启科量子中标中移（苏州）软件技术有限公司“量子计算实验平台”项目中的1套“离子阱量子计算测控实验平台”，中标价格约为507.3万元。这是国内首个离子阱量子计算测控实验平台项目；11月，启科量子中标中国移动通信有限公司研究院“面向通信网络的量子算法优化与验证研究”项目，旨在完成分布式量子近似优化算法（QAOA）的优化与验证，进一步推动量子计算技术在通信网络中的应用。
幺正量子
幺正量子由中国科学技术大学、中国科学院量子信息重点实验室郭光灿院士团队孵化，以离子阱系统为技术核心，以实现分布式量子计算为目标，提供模块化、标准化、规模化的量子计算系统和测控系统，并沿路推动量子计算软硬件协同发展。
11月，来自中国科学技术大学与幺正量子的研究人员提出了一种基于多个光学物镜和声光偏转器（AODs）的低串扰光学寻址系统，该系统配置为对称结构。这种低串扰光学寻址系统有望实现高保真纠缠操作，对称配置的AOD可以很容易地扩展到二维以寻址二维离子晶体。
9月，幺正量子自主研制的高通光离子阱量子计算工程机正式发布。该工程机系统包含离子阱核心系统、光电测控硬件系统、环境温度系统和操作软件系统，可稳定囚禁和冷却108个离子。在此工程机系统上，幺正量子将利用其独特的高通光特性开发基于模拟-数字混合的量子计算。
Quantum Art
Quantum Art成立于2022年，孵化于魏茨曼科学研究所，是一家总部位于以色列的离子阱量子计算公司，致力于为工业界、政府和学术界的领先组织开发高度并行化的可重构多核量子计算机。通过扩展，这种方法能够用适度的量子资源处理高计算复杂性问题。
10月，Quantum Art与以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在《Physical Review X》期刊上发表了题为“Scalable Architecture for Trapped-Ion Quantum Computing Using rf Traps and Dynamic Optical Potentials”（使用射频阱和动态光势进行囚禁离子量子计算的可扩展架构）的研究论文，研究人员提出了一种整体的、可扩展的、具有大型离子晶体的量子计算架构来克服长囚禁离子晶体存在的问题。
8月，Quantum Art宣布获得以色列-美国双边工业研究与发展（BIRD）基金会的资助，用于开发和优化量子机器学习算法以及量子处理器配置方法。该项目是BIRD基金会批准的六个项目之一，两年内用于量子计算创新的预算为220万美元（约合人民币1577万元）。
结语
2024年，离子阱量子计算公司充分利用离子阱系统的独特优势，在保真度方面屡创佳绩，通过技术突破不断为商业化道路注入新的动力；以Quantinuum为代表的一批离子阱量子计算公司已经制定出清晰的发展路线图，为离子阱路线乃至整个行业立下发展标杆，勾勒出量子计算的未来；全球竞赛中，以华翊量子为代表的中国企业在离子阱量子计算领域初露锋芒，已经具备世界级的竞争力。
随着硬件的不断升级与市场应用的持续拓展，离子阱量子计算的赛道将吸引越来越多的参与者，也必将迎来更激烈的角逐，让我们拭目以待。
参考链接
[1]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume
[2]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-launches-industry-first-trapped-ion-56-qubit-quantum-computer-that-challenges-the-worlds-best-supercomputers
[3]https://www.quantinuum.com/blog/quantinuum-accelerates-the-path-to-universal-fault-tolerant-quantum-computing-supports-microsofts-ai-and-quantum-powered-compute-platform-and-the-path-to-a-quantum-supercomputer
[4]https://b2b.10086.cn/#/noticeDetail?publishId=1839248556160643073&publishUuid=886a2c88506049ffac60a8bc5a773f7a&publishType=PROCUREMENT&publishOneType=SELECTION_RESULTS
[5]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0
[6]https://ionq.com/news/ionq-unveils-accelerated-roadmap-and-new-technical-milestones-to-propel
[7]https://ionq.com/news/ionq-achieves-industry-breakthrough-first-trapped-ion-quantum-system-to
[8]https://www.oxionics.com/news/oxford-ionics-breaks-global-quantum-performance-records
[9]https://www.oxionics.com/news/oxford-ionics-kicks-off-international-expansion-with-new-us-office
[10]https://b2b.10086.cn/#/noticeDetail?publishId=1848916004191903746&publishUuid=1db7c851ede049638cdc3f110379ba8d&publishType=PROCUREMENT&publishOneType=SELECTION_RESULTS
[11]https://b2b.10086.cn/#/noticeDetail?publishId=1844681872423043074&publishUuid=cf1caeee4ca94a108aad671a2a7ccf18&publishType=PROCUREMENT&publishOneType=CANDIDATE_PUBLICITY
[12]https://www.qudoor.com/index.php?c=category&id=10
[13]https://b2b.10086.cn/#/noticeDetail?publishId=1840686793016295426&publishUuid=56855a99180648a496188297ae760917&publishType=PROCUREMENT&publishOneType=PROCUREMENT
[14]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.22.054003
[15]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041017
[16]https://hyqubit.com/newsinfo/5843439.html
[17]https://www.businesswire.com/news/home/20241106146038/en/IonQ-to-Acquire-Qubitekk-Furthering-Leadership-in-Quantum-Networking
