量子云計算發(fā)展態(tài)勢研究報告

1、 量子云計算發(fā)展態(tài)勢研究報告 本報告通過梳理和分析國際、國內(nèi)量子云計算整體發(fā)展狀況，從技術(shù)、服務(wù)、產(chǎn)業(yè)、測評四個方面闡述了量子云計算發(fā)展特 點及態(tài)勢，為業(yè)界推動量子云計算產(chǎn)業(yè)和生態(tài)未來發(fā)展提供參考。一、概述量子計算機基于量子力學(xué)原理構(gòu)建，量子態(tài)疊加原理使得量子 計算機的每個量子比特（qubit）能夠同時表示二進制中的 0 和 1。 相較經(jīng)典計算機，算力呈指數(shù)級爆發(fā)式增長，從而形成“量子優(yōu)越 性”。量子計算在特定計算任務(wù)上具備指數(shù)加速能力，有望成為“后 摩爾定律”時代新的計算形態(tài)，對潛在商業(yè)應(yīng)用形成良性激勵。在 量子計算尚未完全成熟和規(guī)模普及的前提下，以何種方式來展示量 子計算優(yōu)勢、吸引行業(yè)多方

2、參與、發(fā)揮商業(yè)應(yīng)用潛力是當前量子計 算領(lǐng)域的重點關(guān)注方向。目前，依托于經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)，通過提供量 子計算硬件與軟件等普惠服務(wù)的量子云計算，成為量子計算呈現(xiàn)與 發(fā)展最重要的形式之一。量子云計算將量子計算與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)相結(jié) 合，對于量子計算的實現(xiàn)、應(yīng)用及發(fā)展具有以下重要意義。一、加快量子計算技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程。目前雖然已研制出若 干量子計算物理原型機，但量子計算軟硬件實現(xiàn)仍處于科學(xué)攻堅階 段，大規(guī)模、可容錯的通用量子計算機實現(xiàn)需要長期的發(fā)展歷程。 量子云計算的出現(xiàn)，推動量子計算軟件、平臺、服務(wù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)與 量子計算硬件并行發(fā)展，加快量子計算發(fā)展整體進程。二、解決量子計算資源稀缺性難題。目前世界上只有少

3、數(shù)商業(yè) 巨頭和高精尖實驗室擁有真實量子計算硬件資源，其部署及運行需 要嚴苛的物理環(huán)境。隨著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對量子計算的期望日益迫 切，量子云計算緩解量子計算資源稀缺性與應(yīng)用需求實用性的矛盾。三、提升綜合性普惠服務(wù)能力。對于量子計算的提供方，量子 云計算依托現(xiàn)有豐富的云計算資源和成熟的商用模式，為用戶提供 便捷的接入手段，是未來較為可行的服務(wù)提供方式；對于量子計算 需求方，一方面考慮到量子計算機所需的硬件及其支撐系統(tǒng)十分昂 貴，一方面考慮到量子計算機還在快速發(fā)展初期，設(shè)備形態(tài)尚未成 熟，因此按需租賃和購買彈性計算服務(wù)是務(wù)實可行的方式。目前業(yè)界圍繞量子云計算的技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)、測評等相關(guān)研 究和探索

4、正有序開展，總體發(fā)展態(tài)勢良好，量子云計算未來或?qū)⑦M 入發(fā)展“黃金時期”。二、量子云計算助力量子計算技術(shù)發(fā)展如何將量子計算和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)云平臺服務(wù)進行結(jié)合，最終通過量 子云計算的方式實現(xiàn)量子計算能力的輸出，是量子云計算技術(shù)領(lǐng)域 需要解決的重要問題。從應(yīng)用方式上看，由于研發(fā)、購置量子計算機的成本極其昂貴 （如據(jù)報道 D-Wave 量子退火專用機 1500 萬美元售價），業(yè)界普遍認 為在相當長的時間里，通過云平臺開展量子計算服務(wù)，共享稀缺資 源，探索適用于量子計算的行業(yè)應(yīng)用，是較為切實可行的實現(xiàn)方式。從技術(shù)實現(xiàn)上看，量子計算應(yīng)用落地是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要 量子信息技術(shù)與經(jīng)典信息處理技術(shù)的深度融合。量子云

5、計算將諸多 關(guān)鍵技術(shù)進行整合，為量子計算軟硬件協(xié)同工作提供了必要的使能 條件。依托于量子計算云平臺，量子計算硬件和軟件產(chǎn)生良好的“化學(xué)反應(yīng)”，加速量子計算技術(shù)發(fā)展。（一）量子云計算技術(shù)架構(gòu)逐步成型目前現(xiàn)有量子云計算的技術(shù)架構(gòu)逐步成型，層次化設(shè)計逐步清 晰，如圖 1 所示。 硬件底座為量子計算云平臺的核心部分，利用傳統(tǒng)的計算設(shè) 施與量子芯片、量子存儲、量子測控技術(shù)等提供強大的算力， 量子云計算的后端形態(tài)呈現(xiàn)多樣化技術(shù)特征，主要包括真實 量子計算、量子計算模擬器和經(jīng)典-量子混合計算三種方式。 量子計算引擎實現(xiàn)基礎(chǔ)的量子計算功能，包括量子中間表示、 量子邏輯門、量子電路、量子模擬加速組件、量子編譯器

6、等。 工具框架層為用戶提供封裝后的量子計算功能，包括量子編 程語言、量子算法庫、量子計算 GUI（Graphical User Interface）、量子計算 SDK（Software Development Kit）等。 應(yīng)用服務(wù)層則在計算引擎與工具框架的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn) 更具體與用戶友好的軟件服務(wù)，包括提供量子算法開發(fā)的 API（Application Programming Interface）、垂直行業(yè)服務(wù)例 如基于量子算法的金融投資、化學(xué)材料設(shè)計、量子機器學(xué)習(xí) 軟件開發(fā)等。（二）量子云計算關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同發(fā)展1.計算芯片與經(jīng)典模擬器并存（1）量子計算芯片成為量子云計算的核心“引擎” 量

7、子計算芯片作為量子云計算的核心“引擎”，也是量子云計算 后端實現(xiàn)的基石。目前量子計算芯片技術(shù)形態(tài)呈現(xiàn)百花齊放的發(fā)展 態(tài)勢，包含超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅量子點和拓撲等多種路線， 是量子云計算有別于經(jīng)典云計算的主要技術(shù)特征。目前不同實現(xiàn)路 線的典型企業(yè)及研究機構(gòu)進展如下：超導(dǎo)路線方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特處理器， 2019 年報道實現(xiàn)量子優(yōu)越性重要研究成果；IBM 在 2020 年 8 月報道 通過 27 位量子比特實現(xiàn) 64 量子體積；我國中科大在 2019 年已實現(xiàn) 24 位量子比特處理器，報道正研發(fā) 60 位量子比特、99.5%保真度的 超導(dǎo)處理器。離子阱路線

8、方面，Honeywell 在 2020 年 6 月報道世界上首次實 現(xiàn) 64 量子體積,同年 9 月將量子體積能力提升至 128；IonQ 于 2020 年 10 月報道通過 32 個量子比特達到了 400 萬量子體積，刷新了量 子體積記錄。光量子路線方面，中科大致力于光子玻色取樣技術(shù)研究，在高維光量子調(diào)控等方面處于國際先進水平；上海交通大學(xué)在大規(guī)模光 量子計算集成芯片制備方面取得一定成果。硅量子點路線方面，新南威爾士大學(xué)報道了保真度為 99.96%的 單比特邏輯門和保真度為 98%的雙比特邏輯門；國內(nèi)中科大也報道實 現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門。以上四種技術(shù)路線均已實現(xiàn)物理量子比特，為量子計算云

9、平臺 提供可實際應(yīng)用的底層硬件，目前量子計算物理平臺研究正在向突 破邏輯量子比特邁進，研究不再單純追求比特數(shù)量，同時關(guān)注邏輯 門保真度、相干時間等質(zhì)量方面的同步提升。（2）量子計算模擬器是經(jīng)典云計算的能力延伸量子計算模擬器依托于現(xiàn)有經(jīng)典計算資源，模擬量子計算的特 有邏輯，成為量子云計算不可或缺的組成部分，用于模擬量子計算 的輔助經(jīng)典信息處理也是該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。量子計算模擬器一方面解決了當前量子計算資源的稀缺性問題， 在一定程度上降低了對真實量子計算物理條件的依賴，保證量子計 算科學(xué)實驗和工業(yè)驗證在軟件、算法層面的順利進行；一方面為含 噪環(huán)境下的量子計算模擬、量子物理現(xiàn)象推演、量子啟發(fā)式算

10、法實 現(xiàn)、真實量子芯片計算驗證等提供了科學(xué)的實現(xiàn)工具。由于依托于經(jīng)典算力進行量子計算模擬需要強大的算力及海量 數(shù)據(jù)支撐，因此不斷提升量子計算模擬器的比特數(shù)量，優(yōu)化量子模 擬器的運算指標，是目前云計算巨頭企業(yè)展示超算能力，提高量子計算優(yōu)勢門檻的主要競爭形式之一。如 2016 年，Google 報道通過特 定隨機量子電路，模擬了操縱 49 比特量子糾纏對，電路的深度達到 40 層，2018 年進一步展示了 72 比特量子模擬器。阿里巴巴 2018 年 報道研制出的量子計算模擬器“太章”，并采用分布式經(jīng)典模擬算法 模擬了 81 量子比特的通用量子線路。華為 2018 年推出的分布式量 子計算模擬器，

11、可提供全振幅 42 量子比特、單振幅 81 量子比特、 低深度電路的單振幅 169 量子比特的一站式量子電路模擬云服務(wù)?？紤]到大規(guī)模通用量子計算機真正問世還需要經(jīng)歷相當長的歷 史時期，量子計算模擬器未來將會長期存在，并與真實量子計算芯 片相互促進，協(xié)同發(fā)展。量子+經(jīng)典混合計算形態(tài)將是量子云計算的 顯著特征之一。2.計算軟件體系框架尚在構(gòu)建目前量子計算軟件還處于生態(tài)體系建立的早期階段，由于量子 計算的實現(xiàn)邏輯與經(jīng)典計算有所不同，經(jīng)典計算軟件不能完全移植 延續(xù)，因此量子計算基礎(chǔ)運行類、計算開發(fā)類和應(yīng)用服務(wù)類軟件均 需要在量子云計算框架下進行重新構(gòu)建。雖然大規(guī)模通用的量子計 算機尚未到來，但在量子操

12、作系統(tǒng)和量子軟件開發(fā)等方面已開展提 前布局，新的軟件產(chǎn)業(yè)正在興起。依托于量子云計算的量子計算軟 件現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢如下：（1）基礎(chǔ)運行類軟件是量子云計算“底座”，處于起步階段量子基礎(chǔ)運行類軟件系統(tǒng)與量子硬件、經(jīng)典硬件緊密相關(guān)的，也是量子計算機運行所需要的核心軟件。目前量子計算基礎(chǔ)運行類 軟件主要包括量子編譯軟件和量子測控軟件兩類，由于技術(shù)門檻高、 工程難度大、專業(yè)人才匱乏，目前該類型軟件比較稀缺，處于發(fā)展 初期。量子編譯軟件，規(guī)范了量子編程的邊界，保證了量子程序編譯 執(zhí)行的正確性，提供健全的語法規(guī)則用來協(xié)調(diào)和約束量子操作、經(jīng) 典操作，安全的語義用來融合量子計算和經(jīng)典計算之間的語義差異， 包括 Q

13、ASM、eQASM、QASM-HL、Quil、OpenQASM、f-QASM 等。量子測控軟件，是量子計算機操作系統(tǒng)的雛形，用于進行量子 計算糾錯，進行測量結(jié)果的高效反饋，高效的量子芯片校準等功能， 包括蘇黎世儀器公司的 LabOne，是德科技的 HVI，Google 的 Optimus， 本源量子的 PyQCat 等。（2）計算開發(fā)類軟件是量子云計算的“中臺”，目前發(fā)展活躍量子軟件系統(tǒng)中的開發(fā)層軟件，提供了研究量子算法、開發(fā)量 子應(yīng)用的工具鏈體系，包含了眾多量子編程語言和量子軟件開發(fā)工 具。目前計算開發(fā)類軟件呈現(xiàn)豐富多樣的態(tài)勢，總體可分為量子語 言、量子編程框架以及量子中間表示。量子語言實現(xiàn)

14、了量子專用的語法，構(gòu)成獨立、全新的程序語言。 量子語言可以用來編寫運行在量子計算機中的量子算法和程序，常 用的量子語言包括 QCL、Q#以及 QRunes 等。量子編程框架則通常包含常用的量子計算組件和量子算法庫，更著眼于當前技術(shù)條件下量子程序的快速開發(fā)，包括 QPanda、QDK、 Cirq、Qiskit、ProjectQ、HiQ 以及 Forest 等。量子中間表示包含分離之后的量子經(jīng)典混合代碼中的量子線路 部分，可直接與量子硬件對接，提供了統(tǒng)一表示量子算法程序的數(shù) 據(jù)方式，包括 OpenQASM、OriginIR、Quil 以及 Blackbird 等。（3）應(yīng)用服務(wù)類軟件是量子云計算“

15、門戶”，行業(yè)關(guān)注度高量子應(yīng)用服務(wù)類軟件，提供了面向各個領(lǐng)域的量子計算技術(shù)應(yīng) 用和解決方案，涉及到能解決特定問題的算法和應(yīng)用程序，同時在 云端提供了人機交互的應(yīng)用環(huán)境，其中量子化學(xué)和量子機器學(xué)習(xí)是 其中兩大類典型的應(yīng)用服務(wù)軟件。量子化學(xué)軟件方面，Google 推出了 OpenFermion 工具，支持對任 意分子構(gòu)型的輸入產(chǎn)生模擬該分子的量子程序；本源量子推出的 ChemiQ，是可應(yīng)用于量子計算機的量子化學(xué)應(yīng)用軟件；華為推出的 HiQ Fermion 軟件包，在華為云上提供一站式量子化學(xué)模擬解決方案。量子人工智能軟件方面，IBM 推出了量子支持向量機、Artiste 公司推出 Quantum-F

16、og 和 Quantum-Edward 等系統(tǒng)，支持不同場景下 的量子機器學(xué)習(xí)模型；Google 推出了 TensorFlow Quantum 量子機器 學(xué)習(xí)庫，可用于快速設(shè)計量子與經(jīng)典機器學(xué)習(xí)混合模型的原型，并 提供與現(xiàn)有 TensorFlow API 兼容的量子計算原函數(shù)，以及高性能量 子線路模擬器；本源量子推出了國內(nèi)第一款量子機器學(xué)習(xí)框架 VQNet， 可滿足構(gòu)建包括 QAOA、VQE、量子分類器和量子線路學(xué)習(xí)算法等常見類型的量子機器學(xué)習(xí)算法；百度發(fā)布了量子機器學(xué)習(xí)開發(fā)工具 Paddle Quantum 量槳，提供了對量子機器學(xué)習(xí)的支持，這也是國內(nèi) 首次在深度學(xué)習(xí)平臺引入量子機器學(xué)習(xí)工具

17、。（三）量子云計算亟需多維研究推進1.經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵特性是提升量子云計算服務(wù)質(zhì)量的保障首先，量子計算云平臺所解決的量子計算任務(wù)如量子模擬計算、 組合優(yōu)化、量子機器學(xué)習(xí)等，往往需要海量數(shù)據(jù)接入和中間計算參 數(shù)的傳輸，特別是跨網(wǎng)絡(luò)的分布式量子計算需要巨大的通信負荷開 銷，如 2017 年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Thomas Haner 和 Damian Steiger 進行了模擬量子位實驗 ，使用了 0.5PB 的內(nèi)存和 8192 個 節(jié)點，實現(xiàn)的性能為每秒 0.428 千萬億次浮點運算，其中通信負荷 占總負荷的 75%；其次，適用于需要實時計算、反饋計算的應(yīng)用算例， 需要低時延、確定時延的結(jié)果獲

18、?。淮送?，跨廣域網(wǎng)非穩(wěn)定帶來的 數(shù)據(jù)重傳錯傳問題，有可能會降低某些量子計算任務(wù)（如量子機器 學(xué)習(xí)訓(xùn)練）的實現(xiàn)效率。綜上所述，量子云計算作為一種新興的網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)形態(tài)，給現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、低時延與高可靠傳輸?shù)确?面提出了新的機遇與挑戰(zhàn)。2.安全保護與數(shù)據(jù)驗證是量子云計算良性發(fā)展的前提同傳統(tǒng)云服務(wù)平臺一樣，量子計算云平臺同樣具有數(shù)據(jù)安全與 隱私泄露方面的隱患。當前針對量子計算云平臺安全問題的研究， 包括盲量子計算或量子復(fù)制保護等技術(shù)仍在起步階段，如何避免數(shù) 據(jù)隱私泄露、防止黑客攻擊、對數(shù)據(jù)的訪問控制、存儲安全等問題 亟待解決。此外，量子計算云平臺還面臨新的服務(wù)風(fēng)險，例如驗證 后端是否為真正量子計

19、算機等。解決量子計算云平臺的安全問題和 數(shù)據(jù)驗證問題對未來量子計算云平臺賦能行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。3.能效管理是降低運營成本與大規(guī)模部署的關(guān)鍵在量子計算云平臺運行初期，需要大量量子模擬器計算集群、 經(jīng)典輔助計算設(shè)備、外圍量子計算運行系統(tǒng)等進行算力支撐，能效 管理不可忽視（如阿里“太章”量子模擬器在運行 64 比特 40 層線 路深度的模擬實驗中，調(diào)用阿里云在線集群 14%的計算資源 ）。如 何有效的提升能效是量子計算云平臺發(fā)展與降低成本需解決的問題。4.量子云計算有序演進需要技術(shù)標準做規(guī)范引導(dǎo)目前，量子云計算在數(shù)據(jù)操作、量子編程語言、應(yīng)用接口、計 算服務(wù)、算法庫等還未出現(xiàn)統(tǒng)一的標準規(guī)范。隨著量子計

20、算云平臺 的不斷涌現(xiàn)與發(fā)展，開展平臺之間互操作、數(shù)據(jù)可移植性、數(shù)據(jù)流 通等方面的標準研究非常必要。同時，如何評價量子計算云平臺的服務(wù)質(zhì)量、構(gòu)建量子計算云平臺測評體系等也需要進行統(tǒng)一規(guī)范。三、量子云計算服務(wù)探索日益升溫量子云計算一方面實現(xiàn)對稀缺量子計算資源的充分共享，一方 面依托現(xiàn)有云計算模式，充分考慮到用戶的應(yīng)用習(xí)慣，成為量子計 算應(yīng)用的主要抓手，為量子計算研究者、量子軟件開發(fā)者和行業(yè)用 戶提供了友好的服務(wù)窗口，降低用戶進行量子計算開發(fā)、社交與應(yīng) 用的門檻。（一）角色定位日漸清晰1.助推量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展在產(chǎn)業(yè)推動方面，量子云計算依托于互聯(lián)網(wǎng)豐富資源，為化學(xué)、 交通、電信、材料等垂直領(lǐng)域提供

21、了良好的應(yīng)用平臺；在技術(shù)推動 方面，量子云計算融合了硬件基礎(chǔ)資源與軟件應(yīng)用開發(fā)工具，為量 子算法研發(fā)、糾錯編碼研究、量子芯片驗證等提供了科學(xué)驗證手段， 為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了公開的交流渠道。在通用量子計算硬件芯 片問世之前，量子云計算的出現(xiàn)，可推動量子計算產(chǎn)業(yè)的其他關(guān)鍵 環(huán)節(jié)如軟件開發(fā)、服務(wù)應(yīng)用、行業(yè)探索、生態(tài)培養(yǎng)等并行發(fā)展，從 而加速量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)整體進步。2.促進多領(lǐng)域交叉融合量子計算的應(yīng)用與成熟涉及到數(shù)學(xué)、物理、軟件科學(xué)、人工智能、大數(shù)據(jù)、計算機科學(xué)等多學(xué)科交叉研究，量子計算云平臺為多 學(xué)科的融合創(chuàng)新提供了快捷的驗證入口，降低了量子計算的準入門 檻，加速了量子計算相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

22、量子計算云平臺的企 業(yè)和研究機構(gòu)用戶，可以專注于研究與開發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的量子算法與 實現(xiàn)方案，利用量子計算云平臺進行算法測試與驗證，提高量子計 算更新迭代速度。3.加速量子計算科普與人才培養(yǎng)量子計算是全新的交叉學(xué)科，當前該領(lǐng)域的專業(yè)人才匱乏，如 2018 年紐約時報調(diào)查聲稱，全球只有 1000 名左右的研究人員真 正了解這項技術(shù)。量子云計算具有大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的綜 合屬性，可聚集大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、通信和計算領(lǐng)域的專家，依托量 子計算云平臺一方面可開展跨領(lǐng)域的交流與合作，另一方面可直觀 進行教育使能與實踐演練，加速量子計算專業(yè)人才培養(yǎng)。（二）服務(wù)模式逐漸成型隨著各大公司和機構(gòu)紛紛發(fā)布量子計算云

23、平臺，并初步形成包 括底層硬件、云端服務(wù)和應(yīng)用軟件在內(nèi)的社區(qū)和生態(tài)體系，如圖 2 所示?；诹孔佑嬎阍破脚_的體系架構(gòu)，當前主流的量子計算云平 臺服務(wù)內(nèi)容不斷豐富，量子計算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、量子計算軟件平臺 服務(wù)和量子計算行業(yè)應(yīng)用服務(wù)模式逐漸成型。1.量子計算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)量子計算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) Q-IaaS（Quantum Infrastructure as a Service）以提供基本的計算和存儲資源為主要服務(wù)模式，例如量子 計算調(diào)度程序、量子模擬器和實際量子設(shè)備等。目前，隨著物理平 臺與試驗技術(shù)的發(fā)展，提供計算引擎的Q-IaaS模式比重會不斷增加， 由于未來量子計算硬件技術(shù)呈多樣性發(fā)展，Q-Ia

24、aS 的計算類型也會 不斷豐富。例如美國的 IonQ、IBM、Rigetti、D-wave，歐洲的 Quantum Inspire 等均提供了不同方案的量子設(shè)備。除真實量子計算設(shè)備外， Q-IaaS 還提供了經(jīng)典計算集群運行量子計算模擬器的超算服務(wù)，而 超強計算能力的量子模擬器是展示經(jīng)典云計算能力的有力方式，目 前國內(nèi)外云計算巨頭如 Google、華為、阿里等在 Q-IaaS 方面表現(xiàn)活 躍，積極推進新型超算服務(wù)的發(fā)展。2.量子計算軟件平臺服務(wù)當前,量子計算軟件平臺服務(wù) Q-PaaS（Quantum Platform as a Service），提供量子計算和量子機器學(xué)習(xí)算法的軟件開發(fā)平臺，開

25、 發(fā)量子編程框架和量子算法庫，并通過云端服務(wù)器層連接其他公司 的計算引擎分配計算。Q-PaaS 模式提供連接其他公司硬件資源的服 務(wù)，支持跨平臺兼容開發(fā)，而不需要使用者學(xué)習(xí)多個開發(fā)環(huán)境，降 低了軟件使用者和應(yīng)用開放者的準入門檻，同時還支持通過模擬器 進行量子線路的調(diào)試、診斷和優(yōu)化，自動分配經(jīng)典計算和量子計算 所需資源，結(jié)合優(yōu)化混合量子算法，并完全托管作業(yè)以提高效率和 降低成本。3.量子計算行業(yè)應(yīng)用服務(wù)量子計算行業(yè)應(yīng)用服務(wù) Q-SaaS（Quantum Software as a Service） 根據(jù)特定的行業(yè)應(yīng)用場景和應(yīng)用要求提供打包好的應(yīng)用服務(wù)方案， 例如數(shù)據(jù)推理專用工具，材料設(shè)計（量子化

26、學(xué)模擬），并提供諸如醫(yī) 療制藥，智慧城市、人工智能加速計算等服務(wù)。目前，隨著量子云 生態(tài)的不斷成熟，針對特定問題提供解決方案的 Q-SaaS 模式初創(chuàng)公 司不斷增加。例如，日本的 QunaSys 專注于量子計算解決量子化學(xué)、 量子機器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法問題，德國成立的 Avanetix 提供利用量子 計算和其他經(jīng)典方法優(yōu)化解決供應(yīng)鏈問題的解決方案，法國的 QuanFi 則為金融服務(wù)產(chǎn)業(yè)提供相對應(yīng)的量子算法。隨著量子計算產(chǎn) 業(yè)的進一步發(fā)展、量子云生態(tài)的逐步開放，未來將會有更多垂直行業(yè)企業(yè)嘗試通過 Q-SaaS 模式對業(yè)務(wù)能力進行賦能。（三）應(yīng)用場景多方探索根據(jù)波士頓咨詢公司預(yù)測，截止到 2030 年

27、，量子計算應(yīng)用的市 場規(guī)模將達到 500 億美元 ，其發(fā)展前景被業(yè)界看好。當前階段，諸 多行業(yè)看好量子計算的巨大商業(yè)潛力，業(yè)界認為量子計算云平臺是 連接特定行業(yè)需求與展示量子算法優(yōu)勢的“橋梁”，依托量子計算云 平臺是開展量子應(yīng)用探索的主要途徑之一。目前依托于量子計算云平臺開展的應(yīng)用探索亮點層出，未來或 將進入量子應(yīng)用探索的“活躍期”。一旦某個具有應(yīng)用價值的算法被 驗證其加速有效，它可能會具有潛在巨大的市場需求。未來 5 年左 右，小規(guī)模專用量子計算機可能在量子化學(xué)模擬、量子組合優(yōu)化、 量子啟發(fā)式機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域率先取得突破，有望出現(xiàn)“殺手級應(yīng)用”， 為量子計算打開實用化之門。依托量子計算云平臺開

28、展的典型行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用探索進展如下：1.量子化學(xué)模擬化學(xué)過程的模擬對于經(jīng)典計算機來說是極具挑戰(zhàn)的計算任務(wù)， 因為其反應(yīng)過程復(fù)雜，計算量呈指數(shù)級增長。量子化學(xué)模擬具有廣 闊的商業(yè)潛力，例如可顯著提高藥物發(fā)現(xiàn)率并節(jié)約研發(fā)時間，或成 為未來量子計算可切入的市場之一。國內(nèi)外已有若干量子云計算企業(yè)與醫(yī)藥行業(yè)合作，開展量子化學(xué)模擬的應(yīng)用探索研究工作。以華為 HiQ2.0 量子計算云平臺為例，如圖 8 所示，利用 HiQ Fermion 量子化學(xué)模擬應(yīng)用軟件，針對 Hartree-Fock 模型實現(xiàn)對化 學(xué)分子的能量預(yù)測，結(jié)合云平臺提供的量子電路優(yōu)化算法以及量子 測控系統(tǒng)，降低量子化學(xué)模擬量子電路的參數(shù)，提高

29、線路深度壓縮 比，提升運行速度，幫助更多量子計算開發(fā)者在藥物等領(lǐng)域取得新 的成績，加速量子化學(xué)研發(fā)進程。2.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)排序新冠病毒疫情仍在全球肆虐，給整個人類社會造成了巨大影響。 弄清病毒的傳播過程，對于疫情防控與預(yù)警至關(guān)重要。社交群體中 的病毒傳播與防控，對應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)小世界特性和無標度特征發(fā)現(xiàn)問 題，具有復(fù)雜的計算特征。以本源量子復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)排序服務(wù)探索為例，如圖 4 所示，為追蹤 和預(yù)測病毒的傳播節(jié)點，依托本源量子計算云平臺，對給定的社交 網(wǎng)絡(luò)圖譜進行建模，通過 HHL 量子算法計算得到該特定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性的排序結(jié)果，進一步使用 SIR 模型評估特定節(jié)點的影響效果。 這一功能在云端展示了對于復(fù)雜

30、網(wǎng)絡(luò)計算任務(wù)，量子計算的有效性 和優(yōu)越性，將為預(yù)測新冠病毒的下一個傳播點提供重要參考。3.量子機器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)不斷增長、傳統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)處理能力接近極限的情況下， 量子計算所帶來的巨大算力優(yōu)勢讓其與機器學(xué)習(xí)的結(jié)合成為有前景 的方向。將量子計算運用于機器學(xué)習(xí)，這不僅能夠突破傳統(tǒng)計算機 無法解決的問題，更會為機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域帶來全新的技術(shù)變革。以 Google 開發(fā)的 TensorFlow Quantum 框架為例，如圖 5 所示， 研究人員基于量子機器學(xué)習(xí)框架，在云端從事量子機器學(xué)習(xí)算法實 現(xiàn)與模型評估，加快量子機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用探索。4.組合優(yōu)化問題組合優(yōu)化問題是指在有限可行解集合內(nèi)尋找最優(yōu)（或者次優(yōu)

31、） 解的問題，它在工業(yè)界，例如航線規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)流量分配等方面有著 廣泛的應(yīng)用價值。尋找出能夠加速解決這類問題的方法，將有可能 極大的降低生產(chǎn)成本，和推動人類社會各方面的進步。目前，工業(yè) 界的很多問題，隨著規(guī)模的增大，其計算復(fù)雜性使得經(jīng)典計算解機 很難在有限的時間和計算資源下求解組合優(yōu)化問題。近年來量子計 算領(lǐng)域進展迅猛。借助于量子計算的天然優(yōu)勢，針對含噪中等規(guī)模 量子器件（50-1000 量子比特），業(yè)界提出的量子退火算法和量子近 似優(yōu)化算法等，有望降低組合優(yōu)化問題的求解難度。D-wave 公司與德國大眾公司合作，基于 D-wave 量子計算云平臺運行量子退火算法，對 10000 輛出租車的 G

32、PS 交通 流向數(shù)據(jù)進行組合優(yōu)化求解，計算在 32km 的路程中以最快的速度到 達目的地，且不會造成交通堵塞。優(yōu)化結(jié)果表明，僅用時不到 1 秒 即找到了最優(yōu)行駛路線，對于諸多車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，量子退火計算 服務(wù)，有望緩解大型城市出租車的交通阻塞問題。量子近似優(yōu)化算法是解決組合優(yōu)化問題的另一實現(xiàn)方法，以華 為 HiQ 量子計算云平臺為例，平臺提供了組合優(yōu)化問題的高效解決 方案量子組合優(yōu)化求解器 HiQ Optimizer。該求解器包括將組合優(yōu) 化問題轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的哈密頓量，并將之轉(zhuǎn)化為量子+經(jīng)典混合架構(gòu)可 以實現(xiàn)的量子態(tài)制備、演化和測量、以及優(yōu)化參數(shù)更新等全套工具。 組合優(yōu)化問題的高效解決，將助力量

33、子計算在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣 泛應(yīng)用。四、量子云計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好國內(nèi)外云計算企業(yè)、初創(chuàng)公司和科研機構(gòu)看好量子云計算產(chǎn)業(yè) 與應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?，紛紛提前布局，在技術(shù)與服務(wù)模式方面力爭做 出特色，生態(tài)產(chǎn)業(yè)逐步興起。（一）國際巨頭百家爭鳴，競爭如火如荼目前國際提供量子計算云平臺的典型企業(yè)發(fā)展狀況如下：1.IBMIBM 作為量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)軍者之一，在量子云計算領(lǐng)域的研究 具有系統(tǒng)化、成熟化的研發(fā)運營模式，在硬件和軟件方面形成了相 對完善的研發(fā)鏈，已逐漸建立日益成熟的量子云計算生態(tài)。IBM 在量 子云計算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點如圖 7 所示。2.GoogleGoogle 在量子計算領(lǐng)域也具有強大的研發(fā)能力，

34、布局主要圍繞 基礎(chǔ)研究、硬件研發(fā)和軟件開發(fā)展開。在多年的研究蓄力后，近三 年 Google 在量子領(lǐng)域的動作愈加頻繁。Google 在量子云計算領(lǐng)域的 重要發(fā)展節(jié)點如圖 8 所示。3.D-waveD-wave 是全球最早的量子計算公司，成立于 1999 年，致力于量 子計算系統(tǒng)的研發(fā)、軟件開發(fā)并向用戶提供以量子退火為技術(shù)原理 的量子計算服務(wù)，形成了一套完整的量子計算研發(fā)與服務(wù)體系。 D-wave 在量子云計算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點如圖 9 所示。4.Amazon作為全球最大的云計算提供商，2019 年 12 月，Amazon 正式進 軍量子云計算，宣布推出全新的全托管式 Amazon Web Se

35、rvices（AWS） 解決方案Amazon Braket，Amazon 量子計算云平臺后端可連接多種 第三方量子硬件設(shè)備如 IonQ 的離子阱量子設(shè)備、Rigetti 的超導(dǎo)量 子設(shè)備以及 D-Wave 的量子退火設(shè)備，為研究人員和開發(fā)者提供設(shè)計 量子算法的開發(fā)環(huán)境、測試算法的仿真環(huán)境，和對比三種類型的量 子計算設(shè)備運行量子算法的平臺。因此 Braket 的優(yōu)勢在于，研究者 和開發(fā)人員可以更全面地探索量子計算復(fù)雜任務(wù)設(shè)計。不同于擁有自研的量子計算硬件的企業(yè)，Amazon 目前只提供量 子計算軟件平臺服務(wù)（Q-PaaS）。但 Amazon 也與加州理工學(xué)院合作 共同開設(shè)量子研究中心，未來可能會

36、在硬件方面開展研究。APN（AWS Partner Network，合作伙伴網(wǎng)絡(luò)）是 AWS 的全球合作伙伴計劃，參 與 Amazon 量子解決方案實驗室的包括 1Qbit、Rahko、Rigetti、QCWare、QSimulate、Xanadu 和 Zapata。Amazon 目前的服務(wù)模式為 聯(lián)合量子企業(yè)以 Braket 為接入口和客戶共同進行實驗，指導(dǎo)客戶將 量子解決方案納入業(yè)務(wù)，從而在幫助客戶滿足高性能計算需求的同 時建立圍繞 Braket 為中心的量子云計算生態(tài)圈。5.MicrosoftMicrosoft 目前也在量子軟件開發(fā)和軟件社區(qū)運營方面進行了 大力的推動，硬件研發(fā)也正在處于

37、研究階段，暫未發(fā)布量子計算硬 件的研究成果。Microsoft 在量子云計算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點如圖 10 所示。6.Rigetti作為初創(chuàng)量子企業(yè)的代表，Rigetti 憑借強大的科研實力在眾多 大企業(yè)蓄力研究的量子計算領(lǐng)域爭得了一席之地。目前 Rigetti 的 全棧式研究布局包含了硬件方面芯片處理器的研發(fā)、軟件方面量子 編程框架和云服務(wù)的開發(fā)以及量子計算機商用探索和量子生態(tài)圈建 設(shè)。Rigetti 發(fā)展過程中的主要時間線如圖 11 所示。7.小結(jié)隨著國際巨頭，如 IBM、Google、AWS、Microsoft 等科技公司 紛紛布局量子云計算，搶占未來發(fā)展先機，量子云計算產(chǎn)業(yè)進入快 車道，

38、產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷提速。國際企業(yè)百家爭鳴，為培養(yǎng)量子計算用 戶習(xí)慣，占領(lǐng)生態(tài)地位，目前競爭如火如荼。總體而言，量子計算云平臺發(fā)展的主要競爭力來自于美國，且 發(fā)展水平普遍較高。由于擁有雄厚的資金支持以及技術(shù)研發(fā)能力的 優(yōu)勢，美國的大型企業(yè)如 IBM、Google、Microsoft 等在領(lǐng)域內(nèi)占據(jù) 領(lǐng)先地位。盡管 Amazon 和 Microsoft 目前尚未形成全棧式布局，但 也已經(jīng)通過與其他企業(yè)合作的方式暫時彌補了硬件的空缺，并正在 大力開展硬件研發(fā)。Rigetti 雖然是一家初創(chuàng)公司，但也已經(jīng)利用技 術(shù)優(yōu)勢成功獲得了多輪的巨額資金支持，目前在開展全棧研發(fā)外也 與 Amazon 合作推廣自研的量子

39、計算機。D-wave 的量子退火技術(shù)路線也有實際的應(yīng)用示范并已開始為若干企業(yè)提供量子計算服務(wù)，證明 了專用量子計算的應(yīng)用潛力。（二）國內(nèi)產(chǎn)業(yè)逐步興起，發(fā)展態(tài)勢良好國內(nèi)提供量子計算云平臺的典型企業(yè)發(fā)展狀況如下：1.華為華為于 2012 年起開始從事量子計算的研究，量子計算作為華為 中央研究院數(shù)據(jù)中心實驗室的重要研究領(lǐng)域，研究方向包括了量子 計算軟件，量子算法與應(yīng)用等。在 HUAWEI CONNECT 2018 大會上， 華為首次發(fā)布其量子計算模擬器 HiQ 云服務(wù)平臺，搭載量子線路模 擬器和基于模擬器開發(fā)的量子編程框架。目前 HiQ 云服務(wù)平臺已經(jīng) 推出到 3.0 版本，新增兩個核心模塊：量子組

40、合優(yōu)化求解器 HiQ Optimizer 和張量網(wǎng)絡(luò)計算加速器 HiQ Tensor，同時升級 HiQ Circuit、HiQ Fermion、HiQ Pulse 等多個模塊，使得 HiQ 系統(tǒng)功 能更完善、性能更優(yōu)越，可適配更多應(yīng)用場景，意在構(gòu)建業(yè)界領(lǐng)先 的量子計算云服務(wù)，給用戶、開發(fā)者提供簡單、易用、高效的全棧 量子編程體驗。2.本源合肥本源量子計算科技有限責任公司（簡稱“本源量子”）成立 于 2017 年 9 月 11 日，是國內(nèi)首家量子計算初創(chuàng)公司，目前專注量子計算全棧開發(fā)，設(shè)立了量子芯片、量子測控、量子軟件、量子云、 量子應(yīng)用、量子計算機六大業(yè)務(wù)板塊，推出了量子計算云平臺 Origi

41、nQ，可支持 35 位全振幅、68 位部分振幅和 200 位單振幅量子 虛擬機或基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實量子計算機，并提供 OriginIR 編 程指令集和 QPanda 量子計算編程框架，同時還推出了移動端與桌面 端應(yīng)用程序，兼具科普、教學(xué)和編程等功能，為我國量子計算的研 究和應(yīng)用推廣提供了有益的探索。2020 年 9 月 12 日，本源量子發(fā)布 了國內(nèi)首個搭載了真實超導(dǎo)量子芯片的超導(dǎo)量子計算云平臺。3.百度百度于 2018 年成立量子計算研究所，主要進行量子計算軟件和 應(yīng)用研究，推動量子計算的應(yīng)用快速落地，經(jīng)過兩年半的努力，百 度目前已經(jīng)初步建成由“量脈”、“量槳”以及“量易伏”主體的百 度

42、量子平臺。其中“量脈”（Quanlse）發(fā)布于 2019 年百度人工智能 開發(fā)者大會，是百度量子計算研究所開發(fā)的量子脈沖計算系統(tǒng), 適 用于核磁共振量子計算、超導(dǎo)量子計算等平臺的量子邏輯門脈沖快 速產(chǎn)生及優(yōu)化。作為基于云平臺的量子脈沖計算系統(tǒng)，“量脈”可以 作為連接量子軟件和硬件的橋梁。“量槳”（Paddle Quantum）是百 度的深度學(xué)習(xí)平臺飛槳發(fā)布的基于量子機器學(xué)習(xí)的開發(fā)工具，是百 度飛槳平臺支持的量子機器學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)平臺。開發(fā)者可以通過 量槳搭建量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時量槳還提供了豐富的量子機器學(xué)習(xí)案 例組建所需的模型。此外百度還于近期發(fā)布了云原生量子計算平臺“量易伏”，可用于編程、模擬

43、和運行量子計算機，為量子基礎(chǔ)設(shè)施 服務(wù)提供量子計算環(huán)境。4.騰訊騰訊于 2017 年進軍量子計算領(lǐng)域，提出用“ABC2.0”技術(shù)布局 （AI、RoBotics、Quantum Computing)，即利用人工智能、機器人 和量子計算，構(gòu)建面向未來的基礎(chǔ)設(shè)施，探索推動以技術(shù)服務(wù) B 端 實體產(chǎn)業(yè)。目前主要聚焦在依托騰訊云搭建的化學(xué)計算云平臺，建 立化學(xué)及生物制藥，材料，能源等相關(guān)領(lǐng)域的生態(tài)系統(tǒng)。實驗室于 2019 年發(fā)布了 Simhub 云計算平臺，致力于填補云和超算之間的空 白，一方面發(fā)展云端部署工具幫助科學(xué)計算程序上云，另一方面調(diào) 整云端系統(tǒng)，使云服務(wù)更貼近科學(xué)計算的使用習(xí)慣和場景。5.阿里

44、巴巴阿里巴巴 2015 年與中科院聯(lián)合成立“中國科學(xué)院-阿里巴巴量 子計算實驗室”進軍量子信息領(lǐng)域的前瞻性研究并研制量子計算機， 其技術(shù)路徑為光學(xué)方向。商業(yè)模式為硬件+軟件+云服務(wù)的全棧式服 務(wù)，旗下產(chǎn)品包括 2017 年與中科大、中科院、浙大等共同研制出 10 位邏輯比特的光量子計算機，以及可模擬 81 位物理比特的自有量子 云計算模擬器“太章”。阿里巴巴的競爭優(yōu)勢是作為國內(nèi)最大的云服 務(wù)提供商，具有顯著的客戶和渠道優(yōu)勢，推廣成本低，2017 年依托 阿里云初步推出了量子計算云平臺的體驗版。6.量旋量旋科技于 2018 年 8 月在深圳成立，核心團隊由來自于清華大 學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方

45、科技大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)以及華盛頓大 學(xué)的量子計算專家組成。量旋科技致力于量子計算產(chǎn)業(yè)化，目標是 研發(fā)出實用型量子計算機，并提供量子計算全套解決方案。2020 年 01 月 06 日，在 QIP 國際會議上正式發(fā)布了業(yè)界首臺桌面型核磁共振 量子計算機（2比特）“雙子座”。目前開放的量子計算云平臺PCloudQ， 開放了底層控制層，即允許用戶自主設(shè)計量子控制脈沖形狀，使用 戶從更基本的層次理解實際量子體系的運行規(guī)則。目前該平臺致力 于量子計算領(lǐng)域的教學(xué)科研與科學(xué)普及工作。7.小結(jié)國內(nèi)量子云計算產(chǎn)業(yè)起步較晚，云計算企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量還 十分有限，在軟硬件發(fā)展、生態(tài)建設(shè)上與世界先進水平相比仍有一 定差距

46、，但目前發(fā)展態(tài)勢良好，依托于國內(nèi)海量的用戶群體與完善 的信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)，量子云計算產(chǎn)業(yè)逐步興起，力爭縮短與國際量子 云計算第一梯隊的差距。五、量子云計算測評工作初步展開（略）量子云計算處于快速發(fā)展階段，不但具有復(fù)雜的技術(shù)特征，同 時也具備多態(tài)的應(yīng)用場景與服務(wù)體驗。量子云計算的科學(xué)測評，在方法論層面與實踐層面，對于引導(dǎo)量子計算的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、服務(wù)良 性發(fā)展有積極推動的作用。國外研究機構(gòu)及企業(yè)已開展了量子計算本身的測評工作，企業(yè)方面，IBM 提出的“量子體積”是衡量量子計算能力較為全面的綜合性能準則 ；標準方面，IEEE 標準組通過 P7131 標準立項建議 （Approved PAR），啟動量子計算

47、性能度量指標和基準測試的研究及 標準化工作；研究機構(gòu)方面，美國能源部先進計算研究（ASCR）計 劃發(fā)布了ASCR 關(guān)于建立用于科學(xué)的量子計算測試平臺的報告， 詳細介紹了ASCR計劃召開的量子計算測試平臺利益相關(guān)方研討會的 結(jié)果，識別了建立量子計算測試平臺的機會和挑戰(zhàn)，以推動量子計 算硬件和軟件系統(tǒng)的發(fā)展，在未來 5 年促進量子計算的科學(xué)應(yīng)用。 目前這些測評實踐工作更聚焦于量子計算技術(shù)主體，對于量子云計 算所提供的綜合運行能力、計算服務(wù)與應(yīng)用成效還缺少系統(tǒng)性的研 究與實踐。本報告圍繞量子云計算的實現(xiàn)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、服務(wù)模 式及應(yīng)用能力，對量子云計算的測評開展了初步探索。從目前國內(nèi)外量子計算云平臺的整體測評實踐結(jié)果來看： 云平臺總體能力方面，國內(nèi)量子計算云平臺在總體功能覆蓋、 可用性方面與國際開放的量子計算云平臺差距不大。 服務(wù)能力與生態(tài)建設(shè)方面，目前國內(nèi)量子計算云平臺在真實 量子計算資源算力提供的“硬服務(wù)”能力，以及社區(qū)生態(tài)、軟件開源活躍度、用戶激勵，垂直行業(yè)應(yīng)用探索等“軟服務(wù)” 能力方面，與國際量子云計算巨頭相比還存在一定差距。 平臺維護與軟件管理方面，國內(nèi)外量子計算云平臺均處于快 速更新迭代階段，建議在軟件版本管理、模塊兼容性、運行 穩(wěn)