(2023版權聲明 算的需求呈指數級增長。現有馮?諾依曼架構下的傳統電子信號處理一、光計算發展背 (一)研究背 (二)概念與分 (三)發展歷 二、光經典計算技術與產業發展態 (一)光電混合架構為主，專用光計算異軍突 (二)三大趨勢持續演進，體系化發展有望加 (三)產業鏈成熟度偏低，產業集群地域較集 (四)產學研持續一體化，三階段推進市場應 (五)技術產業挑戰仍存，國內外進度基本持 三、光量子計算技術與產業發展態 (一)分層式架構為主流，兩技術路線并行發 (二)遵循三步發展規劃，芯片集成是發展方 (三)硬件軟件持續發展，相關產業鏈仍需完 (四)多國積極布局規劃，政策及資金支持加 (五)當前我國局部領先，未來發展仍面臨挑 四、總結與建 (一)光計算多領域應用前景廣 (二)光計算仍處發展的初級階 (三)光計算預計將分三階段推 (四)技術攻關協同產業應用發 參考文 圖目錄圖目錄圖1全球算力規模與算力增 圖2光計算與電計算的性能對 圖3光計算分 圖4光經典計算與光量子計算的系統結構對 圖5光計算發展歷 圖6光經典計算技術框 圖7光電混合計算架 圖8光經典計算產業 圖9光經典計算產業視 圖10光量子計算技術框 圖11邏輯門光量子計算發展歷 圖12相干伊辛機發展歷 圖13邏輯門光量子計算原理示意 圖14相干伊辛機實裝置示意 圖15邏輯門光量子計算發展階段三步 圖16芯片集成光量子計算示意 圖17光量子計算產業視 圖18光量子計算軟件示意 表目錄表目錄表1全球光經典計算企業及產品情 表2全球光量子計算企業及產品情 表3全球各國涉及光量子的項目規劃不完全統 光計算技術與產業發展研究報告（2023年 中國信息通信研究院《中國算力發展指數白皮書（2023中國信息通信研究院《中國算力發展指數白皮書（2023年全球算力規模不斷擴大，下游應用市場算力需求增長強勁。據20232022年全球計算設備算906EFlops47%1（。伴隨萬物感知、IDC預測數據，2025年全球40080ZB，且超過一半50%的速度增長。OpenAI數據指出，2012年之20123~4圖1 光計算技術與產業發展研究報告（2023年 李潔,李潔,王月.算力基礎設施的現狀,趨勢和對策建議[J].信息通信技術與政策20303800基于馮?20年中，硬件的算力9DRAM30IntelGHz為應對萬物智能時代海量應用創新和重大技術革新對算力供給的百 光計算技術與產業發展研究報告（2023年 來源：LightmatterHotChips圖21LightmatterHotchips會議報告《SiliconPhotonicsforArtificialIntelligenceAcceleration》（DARA2022年42500術。歐洲方面，歐盟地平線2020研究和創新計劃資助的項目之一過程結合起來的混合計算系統。20229月，德國航空航天中心啟5G、工業互聯網、大數據中心等建設，推動算力產業生態日漸完善AI加速計算芯片成為重要內容，包括光電混合AI加速計算芯片、量子計算、基于固態微腔光電子芯片、光學神經擬態計算系統和PB級超低功耗納米光存儲等技術的研發。中央網絡安（圖3

（圖1）光發射（MZI圖4光計算按照所處理的數據形態可分為通用的數字光計算和專用光計算的發展歷程大致可分為三個階段[2]：如5，第一個階段204080圖5

6070全息存儲等。1990AT&T貝爾實驗室宣布研制成功了一臺21世紀初，由于光計算所具備的超高的計算速圖6光經典計算技術框架

電子單元與光計算單元兩個部分[3]（圖1A2課題《光計算關鍵技術及產業發展研究》,圖7

Sanac光邏輯門所依賴的非線性材料和結構不可避免地為器件的設計和制（大多數關于脈沖神經網絡的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結電[]從二2x2MZI陣列提供矩陣?矢量積實TensorFlow、PyTorchAPI被大廠軟件工具調用，I/O給產業鏈下游的企業客戶，實現在各行業領域的算力應用（圖圖8

企業包括：Lightmatter、LuminousComputing、FathomComputing（表。美企業技術多沿襲自高校，以上代表性初創企業技術都來源于麻省理工學院等。歐洲方面，英國的Optalysys沿襲劍橋大學研10家較為典型的初創企業已經形成以光計算為核心的主營AI構建并商業化基礎模型；二是光計算業務積品，為傳統電計算提供光學協處理加速。LightmatterAIFT:X2000光學處理器主要的應用場景包括無人駕駛、醫學圖像分析LuminousComputing的重點從光計算向芯片間光互連表1AI202120222022AIFT:X2019Jean202120182018和T如微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統M，用于加M則基于M于初創公司，如孵化于IT的iatter和孵化于巴黎高師的ihonFPA或SIC相結如23年6月，gtatter14億美元的C輪融資，7月ptlss宣布籌集了10萬英鎊的A（圖。圖98各大高校以及微軟和IBM等產業巨頭在光計算領域成果的發布，光計算技術的認可度逐步提升。5年時間里，全球范圍內布局光計算的也日益頻繁，DeepTech科技創新周先進計算論壇、光電集成芯片立2019年分析師大會上8分層體系架構，并逐層攻破。其技術框架如10所示，可大致分為圖10

用光量子計算平臺，發展歷程如11所示。非邏輯門光量子計算主要用于解決特定優化問題，是專用光量子平臺，如相干伊辛機Machine，CIM11圖12

計算。圖13是邏輯門光量子計算原理示意圖，計算過程包括三個步6月推出的Borealis216個光子的高斯玻色采樣實驗[8]。圖13以CIM為代表的非邏輯門光量子計算平臺不具備通用量子門集，CIM是利用量子失協作為計算資源的耗散式量子計算機。圖14是CIM裝置示意圖，CIM基于相互耦合的光學參量振蕩器網絡，通過以光纖中的激光脈沖相位（0態和π態）作為量子比特進行CIM適于形成超大規模的量CIMCIMCIM發展迅速，取得許多階段性突破。20219NTT基礎研究實驗室發布100,512Ising自旋量子比特的CIM[9]。202211月，中科院光電研究所及中科院半導體所等幾個25600CIM[10]。2023年5100量子比特的國內首臺相干光量子計算圖14現階段，CIM與邏輯門光量子計算平臺相比，量子比特數占優，CIM已實現數萬個自旋量子比特，CIM在量子比特CIM更早進入落地商用。圖15所示。光量子計算的第一階段主要任務是驗證光量子計算能在有限的相干時間內執行不完美操作，在具體執行時，會與經典計圖15現芯片集成式光量子計算，如圖16所示。圖1620234月，2500入。光量子計算產業視圖如17所示，包括底層組件支撐系統、光圖17PhotonicInc、WavePhotonics等（表2）表2201620162022202120212022Photonic20162019msGlobal201420172019202120212016芯片。美國PsiQGlobalFoundries合作研發Xanadu與GlobalFoundries如圖18（I光量子處理器可以識別并執行的物理指令來控制光量子操作時序等底層信息。IR-R向用戶提供光量子軟件開發工具包和光量子計算云平臺進而為用戶圖182018年，全球首款專用光量子計算軟件FeynmanPAQS由上海交大金賢敏教授團隊自主研發成功并發布。FeynmanPAQS作為光量子芯片設計輔助TuringQGen1形成Xanadu推出了XanaduQuantumCloud(XQC)StrawberryFields應用程序庫，使企業和研究人XanaduQuantumComputingInc.（QCI）20225月收購了光量子計算硬件公司算為代表的多條量子計算路線的科研及產業發展，如表3所示。表3國家/2022201320222023（企業合作類，5000元20222023（11元2022（2500PsiQ和格芯20222014（40002023《量子科學技術（光·量子技術）2017LEAP2018（億日元2021《量子技術創新戰略（最終報告202020222023量子無晶圓廠202220233年開始實施的英國國家量子技術計劃建立了量子通信中心和量子計算22T牽頭，聯合4222年412020年確定光量子設備組件的優睞光量子計算發展。美國政府在2022年向格芯(GlobalFoundries)及2014年提出的量子光子學傳感與安全研發計劃，重點推進科學研究202314000Xanadu。2015500015年前建立了量子技術中心，并提出了國家量子工程計劃，為Xanadu。202236μs內探測了216個光子序列BorealisBorealis。2013年首創量子點源方面，20236月，中科大郭光燦院士團隊基于自發四波混頻過程202011月推出的基于氮化鈮材料的SNSPD，其探測效率98%；20228（IEC）牽頭制定的首控[12]。國外光量子集成芯片研發團隊較為有代表性的是PsiQuantum和XanaduGlobalFoundries202232023年底準備就緒。大以及歐洲等地，實力較為突出的當屬加拿大的Xanadu和美國的PsiQuantum。Xanadu已推出多款硬件、軟件以及模擬器產品；PsiQuantum201610031.5億美元。我國的光量子科技公司有圖件產品推出（2，彰顯了一定的企業實力。ISO/IECJTC1、IEEE、ITU-T和國內標準組織TC578主要開展術語定義類標準研究，IECTC90則從事光量子器件方面的標準研制。多國家的共識。2022PASQAL宣布與化學公Optalysys光2017年展示了其李修建,賈輝,楊俊波等.光計算技術基礎PierreAmbs,OpticalComputing:A60-YearAdventure,AdvancesinOpticalTechnologies2010,372652(2010).ZhipingZhou,PengfeiXu,XiaowenDong.ComputingonSiliconPhotonicPlatform.ChineseJournalofLasers47,060001(2020).方中勤.全光邏輯門關鍵技術研究.北京郵電大學WuJ,LinX,GuoY,etal.AnalogOpticalComputingforArtificialIntelligence.Engineering10,133-145(2022).龍運.基于硅基光子器件的光子信息處理.華中科技大學曦智科技.大規模光電集成賦能智能算力網絡白皮書Madsen,L.S.,Laudenbach,F.,Askarani,M.F.etal.Quantumcomputationaladvantagewithaprogrammablephotonicprocessor.Nature606,75–81(2022).ToshimoriHonjoetal.,100,000-spincoherentIsingAdv.7,eabh0952Cen,Q.,Ding,H.,Hao,T.etal.Large-scalecoherentIsingmachinebasedonoptoelectronicparametricoscillator.LightSciA