光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告

(2023年)

中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所

中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室

2023年10月

前言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的快速發(fā)展，超高速和高能效計(jì)

算的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。現(xiàn)有馮?諾依曼架構(gòu)下的傳統(tǒng)電子信號(hào)處理

器難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高算力和低能耗，而光計(jì)算可突破電子計(jì)算瓶頸，成

為未來(lái)探索的重要方向。光計(jì)算，是采用光作為信息處理的基本載體，

以實(shí)現(xiàn)信息處理或數(shù)據(jù)運(yùn)算的新型計(jì)算體系。光計(jì)算能夠發(fā)揮光的高

帶寬、低能耗、抗干擾、并行等優(yōu)勢(shì)，適合處理人工智能、信號(hào)處理、

組合優(yōu)化等復(fù)雜特定任務(wù)，是新型計(jì)算架構(gòu)的重要發(fā)展方向。

本報(bào)告的研究基于光計(jì)算的廣義定義，從算力時(shí)代所面臨的主要

需求和挑戰(zhàn)等出發(fā)，圍繞經(jīng)典光學(xué)與量子光學(xué)兩大路線開(kāi)展光計(jì)算技

術(shù)與產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究。當(dāng)前光計(jì)算仍處于發(fā)展的初級(jí)

階段，預(yù)計(jì)其發(fā)展可分三階段逐步推進(jìn)，當(dāng)前需繼續(xù)推進(jìn)解決技術(shù)、

產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用等三方面問(wèn)題，建議我國(guó)從攻克關(guān)鍵技術(shù)難題、推動(dòng)全產(chǎn)

業(yè)鏈發(fā)展、開(kāi)展新應(yīng)用探索試點(diǎn)三方面尋求突破，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高性能與

低能耗的算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，助力我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于起步階段，對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、

應(yīng)用場(chǎng)景等方面的研究和探討還有待進(jìn)一步深化，后續(xù)中國(guó)信息通信

研究院還將進(jìn)一步推動(dòng)光計(jì)算領(lǐng)域研究并持續(xù)發(fā)布相關(guān)成果。

目錄

一、光計(jì)算發(fā)展背景.................................................1

(一)研究背景...................................................1

(二)概念與分類.................................................5

(三)發(fā)展歷程...................................................8

二、光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)...................................9

(一)光電混合架構(gòu)為主，專用光計(jì)算異軍突起.......................9

(二)三大趨勢(shì)持續(xù)演進(jìn)，體系化發(fā)展有望加速......................13

(三)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度偏低，產(chǎn)業(yè)集群地域較集中......................14

(四)產(chǎn)學(xué)研持續(xù)一體化，三階段推進(jìn)市場(chǎng)應(yīng)用......................17

(五)技術(shù)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)仍存，國(guó)內(nèi)外進(jìn)度基本持平......................18

三、光量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)..................................20

(一)分層式架構(gòu)為主流，兩技術(shù)路線并行發(fā)展......................20

(二)遵循三步發(fā)展規(guī)劃，芯片集成是發(fā)展方向......................24

(三)硬件軟件持續(xù)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈仍需完善......................26

(四)多國(guó)積極布局規(guī)劃，政策及資金支持加大......................31

(五)當(dāng)前我國(guó)局部領(lǐng)先，未來(lái)發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)......................33

四、總結(jié)與建議....................................................36

(一)光計(jì)算多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊..................................36

(二)光計(jì)算仍處發(fā)展的初級(jí)階段..................................38

(三)光計(jì)算預(yù)計(jì)將分三階段推進(jìn)..................................39

(四)技術(shù)攻關(guān)協(xié)同產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展..................................39

參考文獻(xiàn)...........................................................41

圖目錄

圖1全球算力規(guī)模與算力增速.....................................1

圖2光計(jì)算與電計(jì)算的性能對(duì)比...................................3

圖3光計(jì)算分類.................................................6

圖4光經(jīng)典計(jì)算與光量子計(jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比.......................7

圖5光計(jì)算發(fā)展歷程.............................................8

圖6光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)框架.........................................10

圖7光電混合計(jì)算架構(gòu)..........................................11

圖8光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈..........................................15

圖9光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)視圖........................................18

圖10光量子計(jì)算技術(shù)框架.......................................21

圖11邏輯門光量子計(jì)算發(fā)展歷程.................................22

圖12相干伊辛機(jī)發(fā)展歷程.......................................22

圖13邏輯門光量子計(jì)算原理示意圖...............................23

圖14相干伊辛機(jī)實(shí)裝置示意圖...................................24

圖15邏輯門光量子計(jì)算發(fā)展階段三步走...........................25

圖16芯片集成光量子計(jì)算示意圖.................................26

圖17光量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)視圖.......................................27

圖18光量子計(jì)算軟件示意圖.....................................30

表目錄

表1全球光經(jīng)典計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況..............................16

表2全球光量子計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況..............................27

表3全球各國(guó)涉及光量子的項(xiàng)目規(guī)劃不完全統(tǒng)計(jì)....................31

光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

一、光計(jì)算發(fā)展背景

(一)研究背景

全球算力規(guī)模不斷擴(kuò)大，下游應(yīng)用市場(chǎng)算力需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁。據(jù)

2023年發(fā)布的《中國(guó)算力發(fā)展指數(shù)白皮書(shū)》，2022年全球計(jì)算設(shè)備算

力總規(guī)模達(dá)到906EFlops，增速達(dá)到47%1（圖1）。伴隨萬(wàn)物感知、

萬(wàn)物互聯(lián)以及萬(wàn)物智能時(shí)代的開(kāi)啟，據(jù)IDC預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2025年全球

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)將超過(guò)400億臺(tái)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)量接近80ZB，且超過(guò)一半

的數(shù)據(jù)需要依賴終端或者邊緣的計(jì)算能力進(jìn)行處理。預(yù)估未來(lái)五年全

球算力規(guī)模將以超過(guò)50%的速度增長(zhǎng)。OpenAI數(shù)據(jù)指出，2012年之

前，人工智能的計(jì)算速度緊追摩爾定律，算力需求每?jī)赡攴环?012

年以后，翻番時(shí)長(zhǎng)則直接縮短為3~4個(gè)月，算力需求遠(yuǎn)超實(shí)際算力供

給能力。

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院《中國(guó)算力發(fā)展指數(shù)白皮書(shū)（2023年）》

圖1全球算力規(guī)模與算力增速

算力升級(jí)面臨綠色低碳發(fā)展問(wèn)題。當(dāng)前全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在加快，

1中國(guó)信息通信研究院《中國(guó)算力發(fā)展指數(shù)白皮書(shū)（2023年）》

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里這個(gè)大趨勢(shì)不會(huì)改變。只要有數(shù)字化就需要算力支

持，需要構(gòu)建一個(gè)泛在的、低成本的、可靠的算力體系。但是算力基

礎(chǔ)設(shè)施的耗能較大，以數(shù)據(jù)中心為例，2020年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量突

破900億千瓦時(shí)，碳排放量達(dá)0.6億噸。據(jù)中國(guó)信息通信研究院測(cè)算，

到2030年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量將超過(guò)3800億千瓦時(shí)，如果不采用可

再生能源，碳排放量將超過(guò)2億噸，算力基礎(chǔ)設(shè)施的綠色低碳亟待關(guān)

注1。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，整個(gè)社會(huì)需要算力與連接構(gòu)成的“數(shù)字底座”，也

需要清潔能源與綠色技術(shù)構(gòu)建的“綠色底座”，二者要協(xié)同發(fā)展。

基于馮?諾依曼架構(gòu)的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的局限性日漸凸顯。目前

電子計(jì)算硬件采用的處理器的邏輯單元和存儲(chǔ)單元是分立的馮?諾依

曼結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)需要在處理器和存儲(chǔ)器之間來(lái)回傳輸，頻繁的潮汐性數(shù)

據(jù)讀寫(xiě)使得計(jì)算速率下降的同時(shí)增加了單次計(jì)算的功耗，帶來(lái)的帶寬

瓶頸和功耗瓶頸嚴(yán)重限制了馮?諾依曼架構(gòu)的計(jì)算能效，即“內(nèi)存墻”

“功耗墻”問(wèn)題。據(jù)曦智科技數(shù)據(jù)，在過(guò)去的20年中，硬件的算力

提升了9萬(wàn)倍，但DRAM帶寬及網(wǎng)絡(luò)帶寬只提升了30倍。據(jù)Intel

數(shù)據(jù)，在半導(dǎo)體工藝的7nm時(shí)代，數(shù)據(jù)搬運(yùn)功耗達(dá)到35pJ/bit，占總

功耗比例63.7%。此外，隨著摩爾定律的放緩甚至失效，集成電路的

晶體管數(shù)量正在逼近物理極限，當(dāng)前電子微處理器的時(shí)鐘速率僅為幾

個(gè)GHz，已經(jīng)不能滿足超高速、低延遲的海量數(shù)據(jù)處理的需求。因此，

為應(yīng)對(duì)萬(wàn)物智能時(shí)代海量應(yīng)用創(chuàng)新和重大技術(shù)革新對(duì)算力供給的百

千倍遞加需求，探索更多維度、更多要素的協(xié)同創(chuàng)新成為支撐綠色算

1李潔,王月.算力基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀,趨勢(shì)和對(duì)策建議[J].信息通信技術(shù)與政策,2022(3):5.

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

力升級(jí)的重要舉措。

光計(jì)算突破電子計(jì)算瓶頸，成為未來(lái)探索的重要方向之一。為突

破電子芯片的一系列弊端，相關(guān)研究者們開(kāi)始考慮從“電”向“光”

的轉(zhuǎn)化。如圖2，光子器件在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，相比電子器件具有以下優(yōu)

勢(shì)：１）光具有波長(zhǎng)、波導(dǎo)模式、相位、振幅和偏振等多個(gè)物理維度

資源，具有天然的并行計(jì)算能力，可以成倍地提高算力；２）電信號(hào)

在金屬導(dǎo)線中傳輸必然伴隨熱量的產(chǎn)生，而光在計(jì)算時(shí)沒(méi)有歐姆加熱，

因此其能耗遠(yuǎn)小于電子計(jì)算；３）與電子器件相比，光子器件有更大

的帶寬，因此在寬帶模擬信號(hào)的處理上遠(yuǎn)勝于電子器件；４）電子器

件具有電阻電容（RC）效應(yīng)，因此會(huì)在計(jì)算中產(chǎn)生延時(shí)，而光學(xué)器件

則基本沒(méi)有延遲，具有更快的響應(yīng)時(shí)間；５）光子沒(méi)有自相互作用，

這意味著它們可以在沒(méi)有相互干擾的情況下傳輸。這些優(yōu)異的特性使

得光計(jì)算極具發(fā)展前景。在特定場(chǎng)景中，利用光計(jì)算替代傳統(tǒng)電子計(jì)

算將是解決摩爾定律困境以及馮?諾依曼架構(gòu)瓶頸問(wèn)題，即解決當(dāng)前

算力與功耗問(wèn)題的極具潛力的途徑之一。

來(lái)源：LightmatterHotChips20201

圖2光計(jì)算與電計(jì)算的性能對(duì)比

1Lightmatter,Hotchips會(huì)議報(bào)告《SiliconPhotonicsforArtificialIntelligenceAcceleration》,2020.

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發(fā)達(dá)國(guó)家積極推動(dòng)光計(jì)算研究與應(yīng)用不斷發(fā)展。美國(guó)方面，2019

年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)“未來(lái)計(jì)算系統(tǒng)”項(xiàng)目，

以研究具備深度學(xué)習(xí)能力、高算力和低功耗的集成光子芯片。2022年

4月，國(guó)會(huì)宣布將撥款2500萬(wàn)美元，用于制造和測(cè)試光量子計(jì)算技

術(shù)。歐洲方面，歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃資助的項(xiàng)目之一

PHOQUSING，正致力于開(kāi)發(fā)基于集成光子技術(shù)的將經(jīng)典過(guò)程和量子

過(guò)程結(jié)合起來(lái)的混合計(jì)算系統(tǒng)。2022年9月，德國(guó)航空航天中心啟

動(dòng)100量子比特的光量子計(jì)算機(jī)研發(fā)項(xiàng)目。日本方面，日本電話電報(bào)

公司正與東京理工大學(xué)合作資助一個(gè)為期五年的項(xiàng)目，研究相干伊辛

機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。在如何為智能時(shí)代提供更強(qiáng)大的算力上，領(lǐng)先國(guó)家已

在思考下一波的發(fā)展浪潮，光計(jì)算正是頗具潛力的選項(xiàng)之一。

近年來(lái)我國(guó)相繼出臺(tái)一系列重大制度和政策，支撐光計(jì)算技術(shù)和

產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)

劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出要系統(tǒng)布局新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、

加快5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心等建設(shè)，推動(dòng)算力產(chǎn)業(yè)生態(tài)日漸

完善?？萍疾俊笆奈濉敝攸c(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南中，信息光子技術(shù)、高性

能計(jì)算、物態(tài)調(diào)控、光電混合AI加速計(jì)算芯片成為重要內(nèi)容，包括

光電混合AI加速計(jì)算芯片、量子計(jì)算、基于固態(tài)微腔光電子芯片、

光學(xué)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算系統(tǒng)和PB級(jí)超低功耗納米光存儲(chǔ)等技術(shù)的研發(fā)。

中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)發(fā)布的“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃，提

出要加強(qiáng)集成電路、神經(jīng)芯片、硅基光電子集成光量子芯片等關(guān)鍵前

沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究布局。我國(guó)對(duì)光計(jì)算及相關(guān)光芯片的重視程度正在

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

逐年提升。

(二)概念與分類

光計(jì)算是采用光作為信息處理的基本載體，基于光學(xué)單元構(gòu)建光

學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)必要的光學(xué)操作，從而實(shí)現(xiàn)信息處理或數(shù)據(jù)運(yùn)算的新型

計(jì)算體系[1]。從廣義上來(lái)看，光計(jì)算是指基于光的波動(dòng)性、粒子性等

特性進(jìn)行信息處理或數(shù)據(jù)運(yùn)算的一類計(jì)算體系。從狹義上來(lái)看，光計(jì)

算是指基于光的波動(dòng)性進(jìn)行信息處理或數(shù)據(jù)運(yùn)算的一類計(jì)算體系。本

報(bào)告的研究是基于光計(jì)算的廣義定義。

光計(jì)算按照物理實(shí)現(xiàn)的方式可分為基于經(jīng)典光學(xué)的計(jì)算（以下簡(jiǎn)

稱光經(jīng)典計(jì)算）和基于量子光學(xué)的計(jì)算（以下簡(jiǎn)稱光量子計(jì)算）（圖

3）。經(jīng)典計(jì)算從原始計(jì)算、手工計(jì)算、機(jī)械計(jì)算、機(jī)電計(jì)算、電子計(jì)

算逐步發(fā)展到光計(jì)算，光經(jīng)典計(jì)算可利用光的波動(dòng)特性如折射、衍射

等規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。量子計(jì)算有超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子阱、光學(xué)等

多種技術(shù)方案，光量子計(jì)算是以光子作為量子比特進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)

光子進(jìn)行量子操控及測(cè)量來(lái)完成計(jì)算。光具有波粒二象性，光經(jīng)典計(jì)

算基于光的波動(dòng)性包括干涉、散射等，而光量子計(jì)算基于光的粒子性，

包括量子態(tài)的疊加、糾纏等。

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖3計(jì)算的發(fā)展和分類

光經(jīng)典計(jì)算和光量子計(jì)算的計(jì)算原理不同，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本類似

（圖4），包括光發(fā)射部分、光處理部分、光探測(cè)部分等。1）光發(fā)射

部分：光經(jīng)典計(jì)算包括激光器和調(diào)制器，而光量子計(jì)算包括激光器和

量子態(tài)制備裝置。2）光處理部分：兩種計(jì)算方式均可以分為邏輯門

型和非邏輯門型兩大類。光經(jīng)典計(jì)算利用折射、散射、非線性效應(yīng)等，

基于馬赫增德?tīng)柛缮鎯x（MZI）、微環(huán)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；光量子計(jì)算利

用量子疊加、量子糾纏效應(yīng)等，將經(jīng)典光學(xué)器件進(jìn)行量子應(yīng)用。3）

光接收部分：光量子計(jì)算需采用靈敏度更高的探測(cè)器，如雪崩二極管、

超導(dǎo)納米線探測(cè)器等，而光經(jīng)典計(jì)算對(duì)探測(cè)器的靈敏度要求略低。

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

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圖4光經(jīng)典計(jì)算與光量子計(jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

光計(jì)算按照所處理的數(shù)據(jù)形態(tài)可分為通用的數(shù)字光計(jì)算和專用

的模擬光計(jì)算。數(shù)字計(jì)算是對(duì)物理世界進(jìn)行抽象和邏輯拆解，將一個(gè)

任務(wù)切割成無(wú)數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的小單元來(lái)完成。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、精度很

高，缺點(diǎn)是占用大量底層硬件資源、容錯(cuò)能力很低。數(shù)字光計(jì)算利用

光和光學(xué)器件組合形成經(jīng)典的邏輯門，構(gòu)建類似傳統(tǒng)數(shù)字電子計(jì)算原

理的計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)復(fù)雜的邏輯門組合操作實(shí)現(xiàn)計(jì)算。而模擬計(jì)算不

需要抽象和拆解，只需要模仿和還原一個(gè)真實(shí)的物理結(jié)構(gòu)，用相對(duì)較

少的單元就可以完成任務(wù)，可以節(jié)省大量的硬件資源，但由于每個(gè)物

理結(jié)構(gòu)都是特定且專用的，因此計(jì)算的通用性差。相較于數(shù)字計(jì)算，

模擬計(jì)算的精度更低，但容錯(cuò)能力更強(qiáng)。模擬光計(jì)算利用干涉、折射

等物理特性，體現(xiàn)一種“傳輸即計(jì)算，結(jié)構(gòu)即功能”的計(jì)算架構(gòu)，典

型例子之一是傅立葉運(yùn)算，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換非常消耗計(jì)

算量，而光通過(guò)透鏡的過(guò)程本身就是一次傅立葉變換的過(guò)程，計(jì)算的

時(shí)間短、耗能少。

鑒于光經(jīng)典計(jì)算與光量子計(jì)算在計(jì)算原理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面存

在較大不同，本研究報(bào)告將針對(duì)光經(jīng)典計(jì)算和光量子計(jì)算這兩大類分

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

別展開(kāi)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)的分析討論。

(三)發(fā)展歷程

光計(jì)算的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段[2]：如圖5，第一個(gè)階段

為20世紀(jì)40年代到80年代，光計(jì)算概念提出，相關(guān)的科學(xué)研究開(kāi)

始萌芽；第二個(gè)階段為20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，光計(jì)算進(jìn)入黃

金發(fā)展期，基于各種形式的光計(jì)算層出不窮；21世紀(jì)初至今，光計(jì)算

發(fā)展進(jìn)入第三階段，從由于需求不足而研究熱度稍降再到與新型應(yīng)用

領(lǐng)域結(jié)合的再次復(fù)蘇，掀起研究熱潮。光計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)前解決大規(guī)

模復(fù)雜計(jì)算的重要解決方案。

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖5光計(jì)算發(fā)展歷程

在第一階段，光計(jì)算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)40年代。1946

年，杜費(fèi)將傅立葉變換引入光學(xué)中進(jìn)而發(fā)展出的傅立葉光學(xué)是光學(xué)計(jì)

算技術(shù)的起源。60年代激光問(wèn)世，開(kāi)始了以激光為信息載體的信息處

理研究。美國(guó)密西根大學(xué)創(chuàng)造性地利用光學(xué)傅里葉變換方法，借助于

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

凸透鏡完成了綜合孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)，奠定了并行光學(xué)模擬信息

處理的基礎(chǔ)。70年代光學(xué)傳輸和非線性光學(xué)材料取得重大進(jìn)展，同時(shí)

也由于電子計(jì)算機(jī)的固有的某些缺陷隨運(yùn)算速度提高而明顯地暴露

出來(lái)，數(shù)字光計(jì)算逐漸引起科學(xué)家們的廣泛注意。

在第二階段，80年代光計(jì)算研究發(fā)展迅速，“光計(jì)算”這一術(shù)語(yǔ)

被正式使用。隨著世界上第一個(gè)光電傳感器問(wèn)世，越來(lái)越多的光計(jì)算

器件得到研發(fā)。各國(guó)科學(xué)家提出了大量光計(jì)算技術(shù)，包括以模擬光計(jì)

算代表的光學(xué)模式識(shí)別、邏輯光計(jì)算、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光互連、光學(xué)

全息存儲(chǔ)等。1990年，美國(guó)AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布研制成功了一臺(tái)

并行列陣運(yùn)算的數(shù)字處理器。而人工智能技術(shù)的加速發(fā)展也為光計(jì)算

注入了更多的發(fā)展動(dòng)力。

在第三階段，自21世紀(jì)初，由于光計(jì)算所具備的超高的計(jì)算速

率與當(dāng)時(shí)各類應(yīng)用中的計(jì)算需求普遍脫節(jié)，光計(jì)算的高速運(yùn)算能力反

而無(wú)法得到更多運(yùn)用，因此光計(jì)算曾一度處于發(fā)展遲緩的狀態(tài)，逐漸

淡出人們的視野。但是隨著基于硅基的摩爾定律逐漸面臨失效，而與

此同時(shí)，人工智能的大數(shù)據(jù)處理需求又日益增長(zhǎng)，尋找新的計(jì)算平臺(tái)

迫在眉睫，光計(jì)算領(lǐng)域重新活躍起來(lái)。這一階段中的光計(jì)算，因利用

光的不同特性進(jìn)行計(jì)算又被分為光經(jīng)典計(jì)算和光量子計(jì)算兩條路徑

并行發(fā)展前進(jìn)。

二、光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)

(一)光電混合架構(gòu)為主，專用光計(jì)算異軍突起

光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)框架包括原理層、物理硬件層、軟件算法層、功

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

能層、應(yīng)用層等。光計(jì)算仍處于發(fā)展演變過(guò)程中，其技術(shù)框架如圖6

所示。當(dāng)前無(wú)論是物理硬件還是軟件算法都需進(jìn)一步優(yōu)化，應(yīng)用方面

也需進(jìn)一步探索。

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖6光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)框架1

光電混合架構(gòu)的光計(jì)算是當(dāng)前主流，其計(jì)算的實(shí)現(xiàn)依托于傳統(tǒng)微

電子單元與光計(jì)算單元兩個(gè)部分[3]（圖7）。傳統(tǒng)微電子單元：結(jié)構(gòu)與

普通電子計(jì)算機(jī)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)類似。一些不適用于光電計(jì)算的操作，

如時(shí)域延遲、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和非線性運(yùn)算等，仍需要在微電子單元中實(shí)現(xiàn)，

如計(jì)算與邏輯單元、控制單元、寄存器、緩存器等。光計(jì)算單元：光

計(jì)算核心是光計(jì)算單元的關(guān)鍵，作為微電子處理器的性能突破和功能

擴(kuò)展，用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算。該結(jié)構(gòu)包含發(fā)射部分、處理部分和接收部

分。發(fā)射部分包括激光器、調(diào)制器等，處理部分包括與光計(jì)算相關(guān)的

MZI、微環(huán)等光器件，接收部分主要為光電探測(cè)器，光放大器可選。

1中國(guó)信息通信研究院A2課題《光計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究》,2021.

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

光電混合計(jì)算結(jié)合光和電的優(yōu)勢(shì)，例如可將輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬

電信號(hào)驅(qū)動(dòng)光芯片上的光調(diào)制器，利用光信號(hào)完成計(jì)算后，光信號(hào)再

轉(zhuǎn)成電信號(hào)進(jìn)行非線性運(yùn)算，之后返回計(jì)算結(jié)果，將現(xiàn)有電計(jì)算的靈

活性與光學(xué)方法的帶寬和速度相結(jié)合，并從某種程度上保留光學(xué)方法

低能耗的特性。

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖7光電混合計(jì)算架構(gòu)

通用光計(jì)算主要基于邏輯門實(shí)現(xiàn)，發(fā)展較為緩慢。通用計(jì)算的設(shè)

備是基于數(shù)字信號(hào)的，而數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的基本組成單元是各種邏

輯門。各種光邏輯門的組合能夠用來(lái)執(zhí)行基本或復(fù)雜的計(jì)算功能，例

如：二進(jìn)制加法、減法、解碼、編碼，還用于構(gòu)建二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，隨

機(jī)存取存儲(chǔ)器單元和觸發(fā)器。光邏輯門的實(shí)現(xiàn)主要基于半導(dǎo)體器件和

光纖中的非線性效應(yīng)[4]。常用的非線性器件有半導(dǎo)體光放大器、高非

線性光纖、色散位移光纖、光子晶體光纖、周期性極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰波

導(dǎo)、硅基納米線波導(dǎo)、硅基微環(huán)諧振腔等；常用的非線性效應(yīng)包括交

叉增益調(diào)制、四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、交叉偏振調(diào)制；

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

相關(guān)的結(jié)構(gòu)包括馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x、Sagnac干涉環(huán)、太赫茲光非對(duì)

稱解復(fù)用器、非線性光環(huán)鏡、超高速非線性干涉儀等。光邏輯門方案

仍存在諸多問(wèn)題，例如系統(tǒng)不夠穩(wěn)定、不易集成、系統(tǒng)成本高等，且

光邏輯門所依賴的非線性材料和結(jié)構(gòu)不可避免地為器件的設(shè)計(jì)和制

造帶來(lái)較大困難，大多數(shù)的光邏輯門研究尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距

離商用還有一段時(shí)間。受以上影響，當(dāng)前通用光計(jì)算的發(fā)展較為緩慢。

專用計(jì)算成為新的發(fā)展熱點(diǎn)，應(yīng)用聚焦人工智能與信號(hào)處理。人

工智能方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能最重要的模型之一，因具有

良好的泛化能力和魯棒性而被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景之中。目前，光子

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究包含了前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及脈沖神

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這三種典型結(jié)構(gòu)[5]?；谇梆伾窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的光計(jì)算研究主要

集中在以下四個(gè)方面進(jìn)行：光學(xué)線性加權(quán)總和、光學(xué)線性卷積、光學(xué)

非線性激活函數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)上的在線網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。基于蓄水池神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

（一種典型的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的光計(jì)算研究主要集中在兩個(gè)方向，一

種是全光學(xué)類的蓄水池計(jì)算，另一種是光電類的蓄水池計(jì)算。脈沖神

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和物理實(shí)施方面還存在較多困難，暫未得到廣泛應(yīng)用。

大多數(shù)關(guān)于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究工作仍然集中在理論分析和簡(jiǎn)單結(jié)

構(gòu)的驗(yàn)證上，包括脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法和光學(xué)硬件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處

理方面，全光通信技術(shù)在光域進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理操作，因此它能有效

地避免傳統(tǒng)光-電-光交換方式中的電子速率瓶頸的限制。全光數(shù)字信

號(hào)處理主要包括全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、全光信息轉(zhuǎn)換、全光信號(hào)再生等光域

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等[6]。光信號(hào)處理呈現(xiàn)如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：1）從二

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

進(jìn)制調(diào)制格式（OOK，DPSK）逐漸向先進(jìn)高級(jí)調(diào)制格式（m-PSK，

m-QAM）發(fā)展；2）從單信道操作逐漸向多信道（WDM，MDM）操

作發(fā)展；3）從初級(jí)單一功能向復(fù)雜多功能發(fā)展；4）引入新的輔助材

料（如石墨烯）從器件層面改善工作性能。

(二)三大趨勢(shì)持續(xù)演進(jìn)，體系化發(fā)展有望加速

硅光有望成為實(shí)現(xiàn)集成光計(jì)算系統(tǒng)的主要材料平臺(tái)。硅光因其

CMOS工藝兼容、集成度高等優(yōu)勢(shì)，有望成為集成光計(jì)算系統(tǒng)的主要

平臺(tái)。典型的硅基光計(jì)算案例包括2x2MZI陣列提供矩陣?矢量積實(shí)

現(xiàn)矩陣運(yùn)算、光波導(dǎo)延遲線實(shí)現(xiàn)蓄水池計(jì)算、多模干涉儀和相移陣列

或等離子激元實(shí)現(xiàn)傅里葉變換、微環(huán)/亞波長(zhǎng)超材料實(shí)現(xiàn)積分計(jì)算等。

未來(lái)基于光電混合集成、異質(zhì)集成等工藝，可實(shí)現(xiàn)不同功能單元的更

高效集成，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的集成度。

基于現(xiàn)有商用軟件生態(tài)開(kāi)發(fā)光計(jì)算工具?；诂F(xiàn)有商用軟件生態(tài)

開(kāi)發(fā)光計(jì)算的適用算法、工具等，一方面可加快開(kāi)發(fā)速度和提高開(kāi)發(fā)

效率，避免重復(fù)“造車輪”的低效行為，另一方面由于用戶對(duì)成熟商

用軟件具有較強(qiáng)的用戶粘性，利用現(xiàn)有軟件生態(tài)可提升用戶認(rèn)可度和

接納度。對(duì)于光計(jì)算而言，一般上層軟件基于商用軟件TensorFlow、

PyTorch等框架，模塊內(nèi)嵌特定算子通過(guò)API被大廠軟件工具調(diào)用，

構(gòu)成大廠軟件工具的光學(xué)算子庫(kù)。

光計(jì)算協(xié)同光互連構(gòu)建光電混合計(jì)算新范式。計(jì)算系統(tǒng)主要有三

個(gè)計(jì)算要素：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，光芯片可用于加速前

兩項(xiàng)計(jì)算要素。在“光電混合計(jì)算新范式”中有一半的重點(diǎn)是解決數(shù)

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

據(jù)互連問(wèn)題。計(jì)算、控制和存儲(chǔ)單元之間的大容量互連和硬件系統(tǒng)I/O

等，可通過(guò)光互連來(lái)實(shí)現(xiàn)有效通信。超大規(guī)模光電混合集成是實(shí)現(xiàn)大

容量大帶寬計(jì)算功能的底層技術(shù)?！肮怆娀旌暇A級(jí)計(jì)算平臺(tái)”解決

方案可通過(guò)晶圓級(jí)片上光互連，實(shí)現(xiàn)任意互連拓?fù)?、低延遲及低能耗。

同時(shí)，為打破“內(nèi)存墻”可設(shè)立遠(yuǎn)端資源池，并通過(guò)高效率的光互連，

直接接入晶圓級(jí)計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部的光網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)所有計(jì)算資源的最

優(yōu)配置[7]。

(三)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度偏低，產(chǎn)業(yè)集群地域較集中

產(chǎn)業(yè)鏈仍處于發(fā)展起步階段，成熟度偏低。光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模

偏小，產(chǎn)品種類偏少且產(chǎn)量有限，大多為企業(yè)自行研發(fā)制造。就集成

芯片類光計(jì)算而言，雖然它基于傳統(tǒng)光電芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但仍

存在一定差異：傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)發(fā)展成熟，參與競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)數(shù)

量眾多，技術(shù)成熟度也已滿足大批量生產(chǎn)需求；光計(jì)算芯片涉及光電

融合等問(wèn)題，技術(shù)難度高，需由光計(jì)算企業(yè)全程把關(guān)，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)封

閉。當(dāng)前光計(jì)算產(chǎn)品技術(shù)路線以光電融合的方式為主，芯片內(nèi)部包含

光芯片、電芯片及其他外圍器件，組合封裝為完整的光計(jì)算芯片產(chǎn)品。

產(chǎn)業(yè)鏈上游由光芯片和電芯片兩部分組成，從芯片制造材料、制造設(shè)

備等原材料和設(shè)施，到芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、和芯片封測(cè)等環(huán)節(jié)，都

分別包含光和電兩條子產(chǎn)業(yè)鏈。光芯片和電芯片分別制造完成后，加

上外圍器件再進(jìn)行組合封裝，成為完整的光計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)光和電的

協(xié)同工作。經(jīng)過(guò)完整的生產(chǎn)流程，最終生產(chǎn)出的光計(jì)算芯片可以提供

給產(chǎn)業(yè)鏈下游的企業(yè)客戶，實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)領(lǐng)域的算力應(yīng)用（圖8）。

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖8光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈

光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)主要位于美國(guó)、歐洲、中國(guó)等。其中美國(guó)代表性

企業(yè)包括：Lightmatter、LuminousComputing、FathomComputing等

（表1）。美企業(yè)技術(shù)多沿襲自高校，以上代表性初創(chuàng)企業(yè)技術(shù)都來(lái)

源于麻省理工學(xué)院等。歐洲方面，英國(guó)的Optalysys沿襲劍橋大學(xué)研

究成果，研發(fā)實(shí)力強(qiáng)勁；法國(guó)在光計(jì)算領(lǐng)域也出現(xiàn)了初創(chuàng)企業(yè)Lighton。

此外，我國(guó)企業(yè)也不斷發(fā)力，曦智科技、光子算數(shù)等企業(yè)紛紛加入國(guó)

際光計(jì)算產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)行列。

企業(yè)研發(fā)進(jìn)度呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，部分公司出現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變或拓展。全

球約有近10家較為典型的初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)形成以光計(jì)算為核心的主營(yíng)

業(yè)務(wù)，主打產(chǎn)品為基于光芯片的光計(jì)算加速器，并配套開(kāi)展軟件、系

統(tǒng)、原型機(jī)的研制與開(kāi)發(fā)。當(dāng)前企業(yè)研發(fā)進(jìn)度呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。一是光

計(jì)算業(yè)務(wù)停滯，如FathomComputing暫無(wú)商用消息，Lighton從2020

年起專注于為生成式AI構(gòu)建并商業(yè)化基礎(chǔ)模型；二是光計(jì)算業(yè)務(wù)積

極推動(dòng)，如Lightmatter、Optalysys、光子算數(shù)等積極推出光計(jì)算新產(chǎn)

品，為傳統(tǒng)電計(jì)算提供光學(xué)協(xié)處理加速。Lightmatter的AI推理加速

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

芯片Envise，已開(kāi)始應(yīng)用于人工智能背景下的推理過(guò)程。Optalysys的

FT:X2000光學(xué)處理器主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括無(wú)人駕駛、醫(yī)學(xué)圖像分析

以及安全系統(tǒng)等，而即將推出的全同態(tài)加密加速器芯片預(yù)計(jì)將有效解

決全同態(tài)加密過(guò)程中的速度與功耗問(wèn)題，應(yīng)用于電子商務(wù)、政府?dāng)?shù)據(jù)

管理、人工智能等領(lǐng)域。光子算數(shù)的計(jì)算加速卡可實(shí)現(xiàn)定制化任務(wù)計(jì)

算加速，用于時(shí)間序列分析、機(jī)器學(xué)習(xí)推理等過(guò)程，已初步部署于企

業(yè)業(yè)務(wù)機(jī)房。與此同時(shí)，部分公司業(yè)務(wù)出現(xiàn)由光計(jì)算向光互連轉(zhuǎn)變或

拓展趨勢(shì)，如LuminousComputing的重點(diǎn)從光計(jì)算向芯片間光互連

轉(zhuǎn)變，Lightmatter、曦智科技由單純光計(jì)算向光互連領(lǐng)域拓展。

表1光經(jīng)典計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況

國(guó)家企業(yè)產(chǎn)品類型產(chǎn)品名稱商用情況商用時(shí)間

AI推理加

Envise已商用2021年

速芯片

可編程光

Passage已商用2022年

Lightmatter互連芯片

深度學(xué)習(xí)

軟件工具Idiom已商用2022年

美國(guó)套件

基于分立

Fathom器件的光

/樣品階段/

Computing計(jì)算原型

機(jī)

Luminous光學(xué)AI芯

/樣品階段/

Computing片

光學(xué)處理

FT:X2000已商用2019年

器

Optalysys

全同態(tài)加

Enable研發(fā)階段/

歐洲密加速器

集成于

光學(xué)協(xié)處

LightOn/JeanZay2021年

理器

超級(jí)計(jì)算

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

機(jī)

LightOn

云平臺(tái)已商用2018年

Cloud

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來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

(四)產(chǎn)學(xué)研持續(xù)一體化，三階段推進(jìn)市場(chǎng)應(yīng)用

高校、初創(chuàng)企業(yè)、行業(yè)巨頭協(xié)同推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研持續(xù)一體化。包括微

軟、IBM和NTT等在內(nèi)的國(guó)際知名公司和基于高校研究成果孵化的

初創(chuàng)公司均投入大量資源，聚焦于推進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，但側(cè)重點(diǎn)有所

不同。行業(yè)巨頭主要從需求側(cè)出發(fā)，研究方向聚焦于針對(duì)其主要業(yè)務(wù)

領(lǐng)域中存在的特定計(jì)算需求，利用光計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加速和性能優(yōu)化。

如微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計(jì)算系統(tǒng)AIM，用于加

速?gòu)?fù)雜金融交易問(wèn)題的迭代計(jì)算；IBM則基于PCM材料的集成光子

器件實(shí)現(xiàn)了基于光域計(jì)算集成系統(tǒng)的流量分析和信號(hào)異常檢測(cè)等。對(duì)

于初創(chuàng)公司，如孵化于MIT的Lightmatter和孵化于巴黎高師的

Lighton等，則主要從技術(shù)層出發(fā)，通過(guò)構(gòu)建相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)卷

積、向量乘法、矩陣乘法等算子的光域加速，與FPGA或ASIC相結(jié)

合，構(gòu)建用于通用計(jì)算架構(gòu)的光學(xué)協(xié)處理器。這些初創(chuàng)企業(yè)受到科技

巨頭、金融機(jī)構(gòu)的高度重視，獲得大量融資基金用于產(chǎn)品商業(yè)落地，

如2023年6月，Lightmatter宣布籌集了1.54億美元的C輪融資，7

月Optalysys宣布籌集了2100萬(wàn)英鎊的A輪融資?？傮w來(lái)看，高校、

初創(chuàng)企業(yè)、行業(yè)巨頭多方協(xié)作，結(jié)合各環(huán)節(jié)力量，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研一體的

產(chǎn)業(yè)模式（圖9）。

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

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圖9光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)視圖

預(yù)計(jì)未來(lái)光經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)業(yè)路線可分為三個(gè)階段。第一階段，當(dāng)前

至未來(lái)的3年內(nèi)落地體現(xiàn)光計(jì)算優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景，如在人工智能、數(shù)

據(jù)中心等場(chǎng)景中基于光計(jì)算實(shí)現(xiàn)推理和圖形渲染等。第二階段，光計(jì)

算優(yōu)勢(shì)明確后將進(jìn)入金融和能源電力市場(chǎng)，該市場(chǎng)需要更多芯片的協(xié)

同，更大體量的矩陣乘法以及更成熟的軟件體系。第三階段，隨著硬

件和軟件體系更加成熟，計(jì)劃切入車載計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等既對(duì)算力

有需求，同時(shí)也對(duì)功耗、可靠性、軟件生態(tài)等有更高要求的大眾市場(chǎng)

中。

(五)技術(shù)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)仍存，國(guó)內(nèi)外進(jìn)度基本持平

當(dāng)前，光經(jīng)典計(jì)算技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，但該技術(shù)仍處于初

級(jí)階段，技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面均存在諸多問(wèn)題。

從技術(shù)角度來(lái)看，硬件層面存在以下三方面問(wèn)題。設(shè)計(jì)成熟度低：

當(dāng)前的設(shè)計(jì)思路大多基于光電分立式設(shè)計(jì)，且相關(guān)設(shè)計(jì)也大多集中于

器件而非系統(tǒng)層面。集成難度大：光計(jì)算涉及異質(zhì)集成、三維集成、

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

光電混合集成等多種先進(jìn)集成方式，當(dāng)前發(fā)展尚不成熟。系統(tǒng)規(guī)模?。?/p>

隨著規(guī)模化的擴(kuò)展，光電協(xié)同問(wèn)題更加突出，當(dāng)前光計(jì)算可實(shí)現(xiàn)的系

統(tǒng)規(guī)模仍較小。算法層面存在以下三方面問(wèn)題。適合特定算法：光芯

片時(shí)鐘主頻高，適用于數(shù)據(jù)依賴性高，時(shí)間序列相關(guān)、語(yǔ)義信息深的

算法。此外，當(dāng)前主流的光計(jì)算為模擬計(jì)算，無(wú)法支持浮點(diǎn)數(shù)，即使

對(duì)于定點(diǎn)數(shù)，當(dāng)精度超過(guò)8比特時(shí)，模擬計(jì)算在能耗方面的優(yōu)勢(shì)會(huì)減

小，因此適用于低比特模型計(jì)算，定位于專屬處理單元的加速。光電

融合問(wèn)題：算法推理層面需要光電協(xié)同，目前并沒(méi)有全光的端到端芯

片處理，需要在電域進(jìn)行指令控制。混合精度問(wèn)題：混合精度計(jì)算需

要開(kāi)發(fā)新的工具鏈。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，存在至少以下三方面問(wèn)題。路線尚未收斂：

當(dāng)前技術(shù)路線眾多，任一技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化都需要巨大投入（資金、

周期等）。財(cái)政資金/資本市場(chǎng)難以同時(shí)支持多條技術(shù)路線完成“研發(fā)

-產(chǎn)品-市場(chǎng)”的產(chǎn)業(yè)化短期閉環(huán)。產(chǎn)品規(guī)劃尚不明確：行業(yè)處于初期

階段，產(chǎn)品形態(tài)/目標(biāo)市場(chǎng)尚不明確，未能牽引研發(fā)形成聚焦突破。

產(chǎn)業(yè)配套服務(wù)尚不完善：從事光計(jì)算研發(fā)的機(jī)構(gòu)多為初創(chuàng)公司或創(chuàng)業(yè)

團(tuán)隊(duì)，具有流片量少、訂單不穩(wěn)定、個(gè)性化強(qiáng)等特殊性，產(chǎn)線缺乏向

此類訂單開(kāi)放的動(dòng)力，不利于產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)的培育。

全球范圍內(nèi)的研究與投資熱情增長(zhǎng)，我國(guó)與歐美基本并跑。隨著

各大高校以及微軟和IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭在光計(jì)算領(lǐng)域成果的發(fā)布，光

計(jì)算技術(shù)的認(rèn)可度逐步提升。5年時(shí)間里，全球范圍內(nèi)布局光計(jì)算的

公司從零星幾家，增加到目前的數(shù)十家。我國(guó)光計(jì)算研究熱情較高，

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

北京大學(xué)、華中科技大學(xué)等多家院所高校均涉足其中，相關(guān)學(xué)術(shù)交流

也日益頻繁，DeepTech科技創(chuàng)新周先進(jìn)計(jì)算論壇、光電集成芯片立

強(qiáng)論壇等均熱烈討論光計(jì)算相關(guān)主題。華為在2019年分析師大會(huì)上

宣布投資光計(jì)算，8月公開(kāi)了一份“光計(jì)算芯片、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)”

的發(fā)明專利，后續(xù)與清華等高校開(kāi)展光計(jì)算合作項(xiàng)目，進(jìn)行探索性前

沿研究。以曦智科技和光子算數(shù)為代表的初創(chuàng)公司，近三年初步應(yīng)用

落地，但純商業(yè)客戶較少，市場(chǎng)仍有待進(jìn)一步開(kāi)拓。

三、光量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)

(一)分層式架構(gòu)為主流，兩技術(shù)路線并行發(fā)展

構(gòu)建光量子計(jì)算系統(tǒng)，較為公認(rèn)的技術(shù)方案是將復(fù)雜系統(tǒng)抽象為

分層體系架構(gòu)，并逐層攻破。其技術(shù)框架如圖10所示，可大致分為

基礎(chǔ)的原理層、物理硬件層、中間層、算法軟件層、功能實(shí)現(xiàn)層及面

向客戶端的應(yīng)用層等。與其他技術(shù)路線的量子計(jì)算平臺(tái)相比，光量子

計(jì)算平臺(tái)具有光量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)、平臺(tái)易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存

在光子不易存儲(chǔ)、難操控等缺點(diǎn)。

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圖10光量子計(jì)算技術(shù)框架

光量子計(jì)算根據(jù)邏輯門的有無(wú)，可分為邏輯門光量子計(jì)算和非邏

輯門光量子計(jì)算。邏輯門光量子計(jì)算是當(dāng)前主流方案，目標(biāo)是構(gòu)建通

用光量子計(jì)算平臺(tái)，發(fā)展歷程如圖11所示。非邏輯門光量子計(jì)算主

要用于解決特定優(yōu)化問(wèn)題，是專用光量子平臺(tái)，如相干伊辛機(jī)

（CoherentIsingMachine，CIM），發(fā)展歷程如圖12所示。

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圖11邏輯門光量子計(jì)算發(fā)展歷程

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圖12相干伊辛機(jī)發(fā)展歷程

邏輯門光量子計(jì)算以光子的偏振、路徑等自由度作為量子比特，

通過(guò)構(gòu)建光量子邏輯門并形成光量子線路完成對(duì)量子態(tài)的幺正操作。

光量子比特的邏輯操控可利用相移器、分束器、非線性光學(xué)克爾介質(zhì)

等實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制、路徑編碼，并可進(jìn)一步構(gòu)成通用光量子邏輯門進(jìn)行

計(jì)算。圖13是邏輯門光量子計(jì)算原理示意圖，計(jì)算過(guò)程包括三個(gè)步

驟：量子光源的制備輸入（初態(tài)制備）、光量子線路對(duì)輸入光源進(jìn)行

幺正操作（初態(tài)的幺正演化）、單光子探測(cè)器對(duì)輸出光子進(jìn)行測(cè)量（末

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態(tài)測(cè)量）。邏輯門光量子計(jì)算優(yōu)越性首次驗(yàn)證是由我國(guó)中科大的“九

章”實(shí)現(xiàn)，近期最具代表性的階段性進(jìn)展是加拿大Xanadu在2022年

6月推出的Borealis，其完成了216個(gè)光子的高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)[8]。

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圖13邏輯門光量子計(jì)算原理示意圖

以CIM為代表的非邏輯門光量子計(jì)算平臺(tái)不具備通用量子門集，

CIM是利用量子失協(xié)作為計(jì)算資源的耗散式量子計(jì)算機(jī)。圖14是

CIM裝置示意圖，CIM基于相互耦合的光學(xué)參量振蕩器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)

以光纖中的激光脈沖相位（相位處于0態(tài)和π態(tài)）作為量子比特進(jìn)行

計(jì)算，又被稱之為光網(wǎng)絡(luò)型量子計(jì)算機(jī)。CIM適于形成超大規(guī)模的量

子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可在常溫、常壓下工作，被用于解決組合優(yōu)化類問(wèn)題。

CIM起源于美國(guó)斯坦福大學(xué)，是日本量子計(jì)算機(jī)的主要研發(fā)路線，我

國(guó)初創(chuàng)公司玻色量子也在從事CIM的研發(fā)。近年來(lái)，CIM發(fā)展迅速，

取得許多階段性突破。2021年9月，日本NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布

了具有100,512個(gè)簡(jiǎn)并光參量振蕩器脈沖作為Ising自旋量子比特的

CIM[9]。2022年11月，中科院光電研究所及中科院半導(dǎo)體所等幾個(gè)

研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了支持25600個(gè)自旋量子比特的CIM[10]。2023年

5月，玻色量子發(fā)布了具有100量子比特的國(guó)內(nèi)首臺(tái)相干光量子計(jì)算

機(jī)“天工量子大腦”。

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圖14相干伊辛機(jī)實(shí)裝置示意圖

現(xiàn)階段，CIM與邏輯門光量子計(jì)算平臺(tái)相比，量子比特?cái)?shù)占優(yōu)，

或在短期內(nèi)更具應(yīng)用前景。目前，邏輯門式光量子平臺(tái)的比特?cái)?shù)處于

數(shù)百位水平，而CIM已實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)個(gè)自旋量子比特，CIM在量子比特

數(shù)上的壓倒性優(yōu)勢(shì)，或有望使CIM更早進(jìn)入落地商用。

(二)遵循三步發(fā)展規(guī)劃，芯片集成是發(fā)展方向

邏輯門光量子計(jì)算是構(gòu)建通用光量子計(jì)算平臺(tái)的主流技術(shù)方案，

其發(fā)展可大致分為三個(gè)階段，如來(lái)源：中國(guó)信息通信研究院

圖15所示。光量子計(jì)算的第一階段主要任務(wù)是驗(yàn)證光量子計(jì)算

的優(yōu)越性，被用來(lái)解決諸如玻色采樣這類單一性問(wèn)題。含噪聲中規(guī)模

光量子計(jì)算包含數(shù)百個(gè)有噪聲的光量子位元，適合解決分子模擬、組

合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題。這一階段的光量子位元因沒(méi)有經(jīng)過(guò)糾

錯(cuò)，只能在有限的相干時(shí)間內(nèi)執(zhí)行不完美操作，在具體執(zhí)行時(shí)，會(huì)與

經(jīng)典計(jì)算有機(jī)融合，形成互補(bǔ)混合型的架構(gòu)來(lái)處理問(wèn)題。通用容錯(cuò)型

光量子計(jì)算機(jī)是發(fā)展的終極目標(biāo)，將包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)容錯(cuò)的光量子比特，

可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行編程計(jì)算。

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圖15邏輯門光量子計(jì)算發(fā)展階段三步走

邏輯門光量子計(jì)算根據(jù)平臺(tái)搭建方式的不同，可分為分立式和集

成式兩種。分立式光量子計(jì)算平臺(tái)通過(guò)使用分立的光學(xué)元件構(gòu)建光量

子線路，實(shí)現(xiàn)高斯玻色采樣等單一目的計(jì)算，如“九章”平臺(tái)。分立

式平臺(tái)相較于集成式平臺(tái)更易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是空間占用大、難于擴(kuò)

展，主要用于單一目的計(jì)算，不適合作為實(shí)現(xiàn)未來(lái)通用光量子計(jì)算的

技術(shù)路線。集成式光量子計(jì)算相較于分立式平臺(tái)，具備體積小、易擴(kuò)

展等優(yōu)點(diǎn)，可用于解決玻色子采樣、量子模擬、量子仿真等問(wèn)題，是

未來(lái)實(shí)現(xiàn)通用可編程光量子計(jì)算的主流技術(shù)路線。集成式平臺(tái)通過(guò)將

經(jīng)典的集成光子技術(shù)和器件進(jìn)行量子應(yīng)用，利用單光子源作為量子信

息載體輸入，結(jié)合晶片尺度的制造工藝，在氮化硅、鈮酸鋰等材料上

將各類光學(xué)元件進(jìn)行集成，構(gòu)建具備信息處理能力的光量子線路，實(shí)

現(xiàn)芯片集成式光量子計(jì)算，如圖16所示。

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圖16芯片集成光量子計(jì)算示意圖

現(xiàn)階段，邏輯門光量子計(jì)算的優(yōu)越性已得到驗(yàn)證，短期內(nèi)發(fā)展目

標(biāo)將集中在對(duì)含噪聲中規(guī)模集成光量子計(jì)算的技術(shù)研究及應(yīng)用方面。

邏輯門光量子計(jì)算硬件平臺(tái)依托傳統(tǒng)的光芯片技術(shù)，發(fā)展迅速，未來(lái)

有望完成大規(guī)模集成，其集成芯片化已成為必然趨勢(shì)。2023年4月，

北京大學(xué)等單位聯(lián)合發(fā)布超大規(guī)模集成硅基“光量子計(jì)算芯片”——

“博雅一號(hào)”，集成約2500個(gè)元器件，首次實(shí)現(xiàn)了片上多光子高維度

量子糾纏態(tài)的制備與調(diào)控。

(三)硬件軟件持續(xù)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈仍需完善

現(xiàn)階段光量子計(jì)算仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的初級(jí)階段。核心參與者不

多，科研與市場(chǎng)活躍度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，未來(lái)將有更多企業(yè)/科研機(jī)構(gòu)加

入。光量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)視圖如圖17所示，包括底層組件支撐系統(tǒng)、光

量子處理器整機(jī)、軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用服務(wù)四個(gè)環(huán)節(jié)。從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，光

量子計(jì)算硬件設(shè)備供應(yīng)及軟件開(kāi)發(fā)商主要以國(guó)際公司為主，中國(guó)企業(yè)

也具有一席之地。

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

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圖17光量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)視圖

光量子計(jì)算企業(yè)主要集中在歐美地區(qū)，我國(guó)近年來(lái)成立部分企業(yè)。

光量子企業(yè)發(fā)展模式主要分兩類，一類遵循軟、硬件協(xié)同發(fā)展，如

Xanadu、Quandela、圖靈、玻色等；另一類是重點(diǎn)發(fā)展硬件處理器的

設(shè)計(jì)封裝，如PhotonicInc、WavePhotonics等（表2）

表2全球光量子計(jì)算企業(yè)及產(chǎn)品情況

國(guó)家企業(yè)成立時(shí)間產(chǎn)品類型產(chǎn)品名稱發(fā)布時(shí)間

百萬(wàn)量級(jí)的通

美國(guó)PsiQuantum2016年用硅光量子計(jì)//

算機(jī)

可編程光子量

Borealis2022年

子計(jì)算機(jī)

Xanadu

Quantum2021年

Xanadu2016年

軟件Cloud

加拿大

Strawberry

2021年

Fields

模擬器Lightning2022年

硅基光量子芯

PhotonicInc2016年//

片設(shè)計(jì)制造

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光計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）

Wave集成光量子電

///

Photonics路封裝

ORCA可擴(kuò)展光量子

英國(guó)2019年//

Computing計(jì)算機(jī)

TundraSyste光量子處理器

2014年//

msGlobal系統(tǒng)

光量子計(jì)算平

MOSAIQ/

臺(tái)

法國(guó)Quandela2017年軟件Perceval/

PROMETH

光源設(shè)備/

EUS

QuiX集成式光量子