量子计算硬件的主要类别包括超导量子计算、离子阱量子计算、中性原子量子计算、光子量子计算、硅自旋量子计算、金刚石量子计算和拓扑量子计算。尽管它们的具体设计可能千差万别，但其基本原理却大同小异。此外，光学和光子学在各种硬件方案的许多核心功能中都发挥着至关重要的作用，例如读出、冷却和控制、模块化连接以及数据中心集成。.

用于读取系统的光子和图像探测器

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许多读取量子计算机解决问题的答案的方法都使用光子探测器或图像。.

具有讽刺意味的是，在光子量子计算领域，单光子探测的灵敏度通常极高，以至于需要使用超导纳米线来实现。因此，人们正在努力将超导纳米线单光子探测器（SNSPD）集成到光子集成电路（PIC）中。事实上，光子量子计算领域的领军企业之一 PsiQuantum 已透露，其发展路线图包括基于可制造金属的高温 SNSPD 的研究。最终，这将为在光子量子计算中实现更精确的单光子探测器提供更广泛的机遇，从而减少该子领域目前在冷却功率和空间方面的权衡。这些创新对于释放容错、大规模光子量子计算子领域的价值至关重要，该领域的“热量子比特”旨在与超导竞争对手相比，降低基础设施的复杂性。.

另一方面，利用成熟的成像和显微镜方法进行读出操作的便捷性是金刚石、中性原子和囚禁离子平台等量子力学模式的显著优势。例如，滨松公司为囚禁离子和中性原子研究领域分别提供了一系列商用光电倍增管（PMT）和电子倍增电荷对器件（EM-CCD）。同时，像Quantum Brilliance XeedQ这样的公司所开发的金刚石平台甚至可以使用更简单的互补金属氧化物半导体（CMOS）相机。这些模式利用成熟成像方法进行读出的能力，再次证明其在可扩展性方面优于竞争对手的关键所在。这一点尤为重要，因为对于某些其他模式而言，读出相关的“布线挑战”会随着量子比特数量的增加而增加，而一次性对所有量子比特进行成像则效率更高。.

激光控制和冷却

你知道吗？激光也是冷却量子比特的低温替代方案。虽然对许多人来说，激光是与加热、点火、切割或通信相关的高功率光束，但在量子计算领域，它们最广为人知的用途是将原子还原到极低能量状态。.

激光冷却方法因量子计算方案和相关公司的偏好而异，但其本质都是利用多束方向相反、能量相等的激光束来捕获或束缚原子或离子。这种方法的主要优势之一是可以使用现成的组件，并且可以在室温下运行。总体而言，与量子超级计算所需的低温恒温器相比，激光冷却在能源、成本和资源利用方面都更加高效。.

量子计算机中的激光器既可用于量子比特的控制和操控，也可用于冷却。然而，业内一些迹象表明，就系统保真度（低误差）和可扩展性而言，电控和数字控制的效率可能更高。例如，英国公司牛津离子公司（Oxford Ionics）是利用电子方法控制囚禁离子系统中量子比特的先驱。这种策略，以及其他提倡数字读出的策略（例如SEEQC），可能进一步印证了这样一个事实：尽管光子学和光学技术在许多情况下具有优势，但人们仍然希望尽可能多地将量子计算机组件封装到现有半导体代工厂可以制造的封装中。.

数据中心的模块化连接和集成

随着量子计算机开发者不断关注可扩展性，构建可重复、模块化且可互连系统的呼声日益高涨。这种做法的原因有很多。在某种程度上，它借鉴了经典计算成功实现可扩展性的方法，而且也有一些证据表明，它与前沿的纠错方法相契合。.

然而，模块化方法的挑战在于，在系统之间建立令人满意的连接并非易事。在单个芯片上保持相邻量子比特之间的纠缠已经相当困难，更不用说在分布于多个系统（无论是机架还是低温恒温器）上的量子比特组之间保持纠缠了。.

然而，光子学再次提供了解决方案。NuQuantum公司开发了一种量子网络单元（QNU），它利用光子学将纠缠分布到多个处理器上。该公司最近还发布了一种量子光子接口（QPI），这项技术最终将建立物质与光、量子比特与光子之间的接口。该QPU的原型版本已经集成到Infleqtion公司的原子囚禁真空系统中并进行了测试。.

市场展望

总的来说，抛开公司间和量子比特模型之间的竞争——或者说对量子领域争夺战的关注——光学和光子学的各个领域都存在着潜在的机遇。这包括几乎所有当前研究方法中都存在的读出、冷却、控制和连接方面的需求。.

但即便抛开各公司量子计算机的具体设计不谈，量子计算机也亟需与现有的数据中心、经典计算机和通信网络相集成。光子已成为全球首选的数据传输介质，量子计算机要想在商业上取得成功，就离不开某种形式的光子学。.

量子计算市场有望呈指数级加速药物研发、电池化学开发、多变量物流、车辆自动驾驶、精准资产定价等诸多领域的发展。本报告基于广泛的一手和二手研究，包括对企业的访谈以及参加众多会议，对各种竞争性量子计算技术进行了深入评估，这些技术包括：超导量子计算、硅自旋量子计算、光子量子计算、离子阱量子计算、中性原子量子计算、拓扑量子计算、金刚石缺陷量子计算和退火量子计算。IDTechEx 还提供了独立的“量子商业化准备度”评分，以评估量子计算行业相对于其前身——经典计算行业的发展情况。考虑到量子计算能力的提升和云访问商业模式，其潜在市场规模将随着时间的推移转化为硬件销售额。预计到 2045 年，量子计算市场规模将超过 100 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 30%。.

作者：Tess Skyrme 博士，IDTechEx 首席技术分析师