中國信通院：量子云計算發展態勢研究報告（2020年）（48頁）.pdf

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1、量子云計算發展態勢量子云計算發展態勢 研究報告研究報告 （20202020 年）年） 中國信息通信研究院技術與標準研究所中國信息通信研究院技術與標準研究所 20202020 年年 1010 月月 版權聲明版權聲明 本報告本報告版權屬于版權屬于中國信息通信研究院中國信息通信研究院，并受法律保護，并受法律保護。 轉載、摘編或利用其它方式使用轉載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，本報告文字或者觀點的， 應應注明注明“來源：來源：中國信息通信研究院”中國信息通信研究院” 。違反上述聲明者，。違反上述聲明者， 本本院院將追究其相關法律責任。將追究其相關法律責任。 前前 言言 人類正處于第四次

2、工業革命的開端，量子計算則被視為繼人工 智能之后，又一個具有顛覆性影響的領域。當前，量子計算處在快 速發展階段，新技術層出不窮，隨著量子計算硬件、軟件、配套平 臺的不斷進步，量子計算對行業吸引力隨之提升。以何種方式展示 量子計算優勢、 體現商業應用潛力是量子計算領域的重點關注方向。 在此背景下，量子云計算將量子計算與經典互聯網相結合，依托經 典信息網絡提供量子計算硬件與軟件相關的普惠服務，成為未來量 子計算能力輸出的主要途徑之一。 國內外云計算企業、初創公司和科研機構看好量子云計算產業 與應用的發展潛力，在技術與服務模式方面各具特色，并開展了提 前布局。技術方面，量子云計算技術架構逐漸成型；應

3、用方面，量 子云計算服務探索開始興起； 產業方面， 量子云計算發展態勢良好。 本藍皮報告通過梳理和分析國際、國內量子云計算整體發展狀 況，從技術、服務、產業、測評四個方面闡述了量子云計算發展特 點及態勢，為業界推動量子云計算產業和生態未來發展提供參考。 目目 錄錄 一、概述 . 1 二、量子云計算助力量子計算技術發展 . 2 （一）量子云計算技術架構逐步成型 . 3 （二）量子云計算關鍵技術協同發展 . 4 （三）量子云計算亟需多維研究推進 . 9 三、量子云計算服務探索日益升溫 . 11 （一）角色定位日漸清晰 . 11 （二）服務模式逐漸成型 . 12 （三）應用場景多方探索 . 15 四

4、、量子云計算產業發展勢頭良好 . 20 （一）國際巨頭百家爭鳴，競爭如火如荼 . 20 （二）國內產業逐步興起，發展態勢良好 . 27 五、量子云計算測評工作初步展開 . 30 （一）測評體系 . 31 （二）測評實例 . 33 （三）小結 . 36 六、發展前景與建議 . 37 （一）機遇挑戰 . 37 （二）發展建議 . 40 圖圖 目目 錄錄 圖 1 量子云計算技術架構示意圖 . 3 圖 2 量子云計算服務模式及主流廠商 . 13 圖 3 華為量子計算云平臺量子化學模擬應用示例 . 16 圖 4 本源量子計算云平臺網絡排序應用示例 . 17 圖 5 量子卷積神經網絡模型實現線路示例 .

5、18 圖 6 基于 D-wave 量子退火機實現北京交通路線優化示例 . 19 圖 7 IBM 量子云計算發展時間線 . 20 圖 8 Google 量子云計算發展時間線 . 21 圖 9 D-wave 量子云計算發展時間線 . 22 圖 10 Microsoft 量子云計算發展時間線 . 24 圖 11 Rigetti 量子云計算發展時間線 . 25 圖 12 量子云計算測評體系圖 . 32 圖 13 量子云計算測評維度框架 . 33 圖 14 平臺軟件功能檢驗測試配置 . 34 圖 15 量子機器學習基準測試配置圖 . 35 表表 目目 錄錄 表 1 平臺 A 軟件功能測試結果統計 . 3

6、4 表 2 平臺 B 開源項目數據調查統計 . 34 表 3 平臺 C 量子機器學習基準測試評估表 . 36 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 1 一、一、概述概述 量子計算機基于量子力學原理構建，量子態疊加原理使得量子 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。 相較經典計算機，算力呈指數級爆發式增長，從而形成“量子優越 性” 。量子計算在特定計算任務上具備指數加速能力，有望成為“后 摩爾定律”時代新的計算形態，對潛在商業應用形成良性激勵。在 量子計算尚未完全成熟和規模普及的前提下，以何種方式來展示量 子計算優勢、吸引行業多方參與、發揮商業應用潛力是當前

7、量子計 算領域的重點關注方向。目前，依托于經典信息網絡，通過提供量 子計算硬件與軟件等普惠服務的量子云計算，成為量子計算呈現與 發展最重要的形式之一。量子云計算將量子計算與經典互聯網相結 合，對于量子計算的實現、應用及發展具有以下重要意義。 一、加快量子計算一、加快量子計算技術及技術及產業發展產業發展進程進程。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仍處于科學攻堅階 段，大規模、可容錯的通用量子計算機實現需要長期的發展歷程。 量子云計算的出現，推動量子計算軟件、平臺、服務等關鍵環節與 量子計算硬件并行發展，加快量子計算發展整體進程。 二二、解決量子計算資源稀缺性難題。、解

8、決量子計算資源稀缺性難題。目前世界上只有少數商業 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 要嚴苛的物理環境。隨著學術界和工業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用需求實用性的矛盾。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 2 三三、提升提升綜合性普惠服務綜合性普惠服務能力能力。對于量子計算的提供方，量子 云計算依托現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十分昂 貴，一方面考慮到量子計算機還在快速發展初期，設備形態尚未成

9、 熟，因此按需租賃和購買彈性計算服務是務實可行的方式。 目前業界圍繞量子云計算的技術、應用、產業、測評等相關研 究和探索正有序開展，總體發展態勢良好，量子云計算未來或將進 入發展“黃金時期” 。 二二、量子云計算助力量子計算技術發展、量子云計算助力量子計算技術發展 如何將量子計算和經典網絡云平臺服務進行結合，最終通過量 子云計算的方式實現量子計算能力的輸出，是量子云計算技術領域 需要解決的重要問題。 從應用方式上看，由于研發、購置量子計算機的成本極其昂貴 （如據報道 D-Wave 量子退火專用機 1500 萬美元售價） ， 業界普遍認 為在相當長的時間里，通過云平臺開展量子計算服務，共享稀缺資

10、 源， 探索適用于量子計算的行業應用， 是較為切實可行的實現方式。 從技術實現上看，量子計算應用落地是復雜的系統工程，需要 量子信息技術與經典信息處理技術的深度融合。量子云計算將諸多 關鍵技術進行整合，為量子計算軟硬件協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生良好的 “化 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 3 學反應” ，加速量子計算技術發展。 （一）量子云計算技術架構逐步成型（一）量子云計算技術架構逐步成型 目前現有量子云計算的技術架構逐步成型，層次化設計逐步清 晰，如圖 1 所示。 數據來源：中國信通院 圖 1 量子云計算技術架構示意圖 硬件

11、底座為量子計算云平臺的核心部分，利用傳統的計算設 施與量子芯片、 量子存儲、 量子測控技術等提供強大的算力， 量子云計算的后端形態呈現多樣化技術特征，主要包括真實 量子計算、量子計算模擬器和經典-量子混合計算三種方式。 量子計算引擎實現基礎的量子計算功能， 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。 應用服務層則在計算引擎與工具框架的

12、基礎上，進一步實現 更具體與用戶友好的軟件服務， 包括提供量子算法開發的 API 應用服務 工具框架 計算引擎 硬件底座量子芯片量子測控量子制備存儲經典云設施 量子中間表示量子線路 量子模擬加速 組件 量子編譯器 量子編程框架量子算法庫量子計算GUI量子計算SDK 量子機器學習組合優化金融投資化學材料設計 應用接口 開發接口 硬件接口 應用接口 開發接口 硬件接口 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 4 （Application Programming Interface） 、垂直行業服務例 如基于量子算法的金融投資、化學材料設計、量子機器學習 軟件開發等。 （二）量子云計算關鍵技術協

13、同發展（二）量子云計算關鍵技術協同發展 1.計算芯片與經典模擬器并存 （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 后端實現的基石。目前量子計算芯片技術形態呈現百花齊放的發展 態勢，包含超導、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典云計算的主要技術特征。目前不同實現路 線的典型企業及研究機構進展如下： 超導路線方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特處理器， 2019 年報道實現量子優越性重要研究成果； IBM 在 2020 年 8 月報道 通過 27 位量子比特實現 64 量子體積； 我

14、國中科大在 2019 年已實現 24 位量子比特處理器，報道正研發 60 位量子比特、99.5%保真度的 超導處理器。 離子阱路線方面，Honeywell 在 2020 年 6 月報道世界上首次實 現 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研究，在高 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 5 維光量子調控等方面處于國際先進水平；上海交通大學在大規模光 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

15、威爾士大學報道了保真度為 99.96%的 單比特邏輯門和保真度為 98%的雙比特邏輯門； 國內中科大也報道實 現了高保真的單比特邏輯門。 以上四種技術路線均已實現物理量子比特，為量子計算云平臺 提供可實際應用的底層硬件，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量，同時關注邏輯 門保真度、相干時間等質量方面的同步提升。 （2）量子計算模擬器是經典云計算的能力延伸 量子計算模擬器依托于現有經典計算資源，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 的輔助經典信息處理也是該領域的關鍵技術之一。 量子計算模擬器一方面解決了當前量子計算

16、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 算科學實驗和工業驗證在軟件、算法層面的順利進行；一方面為含 噪環境下的量子計算模擬、量子物理現象推演、量子啟發式算法實 現、真實量子芯片計算驗證等提供了科學的實現工具。 由于依托于經典算力進行量子計算模擬需要強大的算力及海量 數據支撐，因此不斷提升量子計算模擬器的比特數量，優化量子模 擬器的運算指標，是目前云計算巨頭企業展示超算能力，提高量子 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 6 計算優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

17、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，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。 考慮到大規模通用量子計算機真正問世還需要經歷相當長的歷 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，協同發展。量子+經典混合計算形態將是量子云計算的 顯著特征之一。 2.計算軟件體系框架尚在構建 目

18、前量子計算軟件還處于生態體系建立的早期階段，由于量子 計算的實現邏輯與經典計算有所不同，經典計算軟件不能完全移植 延續，因此量子計算基礎運行類、計算開發類和應用服務類軟件均 需要在量子云計算框架下進行重新構建。雖然大規模通用的量子計 算機尚未到來，但在量子操作系統和量子軟件開發等方面已開展提 前布局，新的軟件產業正在興起。依托于量子云計算的量子計算軟 件現狀及發展態勢如下： （1）基礎運行類軟件是量子云計算“底座” ，處于起步階段 量子基礎運行類軟件系統與量子硬件、經典硬件緊密相關的， 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 7 也是量子計算機運行所需要的核心軟件。目前量子計算基礎運行類

19、軟件主要包括量子編譯軟件和量子測控軟件兩類， 由于技術門檻高、 工程難度大、專業人才匱乏，目前該類型軟件比較稀缺，處于發展 初期。 量子編譯軟件，規范了量子編程的邊界，保證了量子程序編譯 執行的正確性，提供健全的語法規則用來協調和約束量子操作、經 典操作， 安全的語義用來融合量子計算和經典計算之間的語義差異， 包括 QASM、eQASM、QASM-HL、Quil、OpenQASM、f-QASM 等。 量子測控軟件，是量子計算機操作系統的雛形，用于進行量子 計算糾錯， 進行測量結果的高效反饋， 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Op

20、timus， 本源量子的 PyQCat 等。 （2）計算開發類軟件是量子云計算的“中臺” ，目前發展活躍 量子軟件系統中的開發層軟件，提供了研究量子算法、開發量 子應用的工具鏈體系，包含了眾多量子編程語言和量子軟件開發工 具。目前計算開發類軟件呈現豐富多樣的態勢，總體可分為量子語 言、量子編程框架以及量子中間表示。 量子語言實現了量子專用的語法， 構成獨立、 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， 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 8

21、更著眼于當前技術條件下量子程序的快速開發，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，提供了統一表示量子算法程序的數 據方式，包括 OpenQASM、OriginIR、Quil 以及 Blackbird 等。 （3）應用服務類軟件是量子云計算“門戶” ，行業關注度高 量子應用服務類軟件，提供了面向各個領域的量子計算技術應 用和解決方案，涉及到能解決特定問題的算法和應用程序，同時在 云端提供了人機交互的應用環境，其中量子化學和量子機器學習是 其中兩大類

22、典型的應用服務軟件。 量子化學軟件方面， Google 推出了 OpenFermion 工具， 支持對任 意分子構型的輸入產生模擬該分子的量子程序；本源量子推出的 ChemiQ，是可應用于量子計算機的量子化學應用軟件；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-Fog 和 Quantum-Edward 等系統， 支持不同場景下 的量子機器學習模型； Google 推出了 TensorFlow Quantum 量子機器 學習庫，可用于快速設計量子與經典機器學

23、習混合模型的原型，并 提供與現有 TensorFlow API 兼容的量子計算原函數，以及高性能量 子線路模擬器； 本源量子推出了國內第一款量子機器學習框架 VQNet， 可滿足構建包括 QAOA、 VQE、 量子分類器和量子線路學習算法等常見 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 9 類型的量子機器學習算法；百度發布了量子機器學習開發工具 Paddle Quantum 量槳，提供了對量子機器學習的支持，這也是國內 首次在深度學習平臺引入量子機器學習工具。 （三）量子云計算（三）量子云計算亟需多亟需多維維研究研究推進推進 1.經典網絡關鍵特性是提升量子云計算服務質量的保 障 首先， 量子

24、計算云平臺所解決的量子計算任務如量子模擬計算、 組合優化、量子機器學習等，往往需要海量數據接入和中間計算參 數的傳輸，特別是跨網絡的分布式量子計算需要巨大的通信負荷開 銷，如 2017 年瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 Thomas Haner 和 Damian Steiger 進行了模擬量子位實驗 1，使用了 0.5PB 的內存和 8192 個 節點，實現的性能為每秒 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、 反饋計算的應用算例， 需要低時延、確定時延的結果獲??；此外，跨廣域網非穩定帶來的 數據重傳錯傳問題，有可能會降低某些量子計算任務（如量子

25、機器 學習訓練）的實現效率。綜上所述，量子云計算作為一種新興的網 絡服務形態，給現有通信網絡的穩定性、低時延與高可靠傳輸等方 面提出了新的機遇與挑戰。 1Thomas Hner, Damian S. Steiger, 0.5 Petabyte Simulation of a 45-Qubit Quantum Circuit. Physical Review A 91, 2 (2015), 022311, 2017. 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 10 2.安全保護與數據驗證是量子云計算良性發展的前提 同傳統云服務平臺一樣，量子計算云平臺同樣具有數據安全與 隱私泄露方面的隱患。當前

26、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制保護等技術仍在起步階段，如何避免數 據隱私泄露、防止黑客攻擊、對數據的訪問控制、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風險，例如驗證 后端是否為真正量子計算機等。解決量子計算云平臺的安全問題和 數據驗證問題對未來量子計算云平臺賦能行業發展至關重要。 3.能效管理是降低運營成本與大規模部署的關鍵 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、 經典輔助計算設備、外圍量子計算運行系統等進行算力支撐，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，調用阿里云在線集

27、群 14%的計算資源 2） 。如 何有效的提升能效是量子計算云平臺發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標準做規范引導 目前，量子云計算在數據操作、量子編程語言、應用接口、計 算服務、算法庫等還未出現統一的標準規范。隨著量子計算云平臺 的不斷涌現與發展，開展平臺之間互操作、數據可移植性、數據流 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 2Jianxin Chen, Fang Zhang. Et. Al., Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits, https:/arxiv.or

28、g/abs/1805.01450, 2018. 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 11 服務質量、構建量子計算云平臺測評體系等也需要進行統一規范。 三三、量子云計算、量子云計算服務服務探索探索日益升溫日益升溫 量子云計算一方面實現對稀缺量子計算資源的充分共享，一方 面依托現有云計算模式，充分考慮到用戶的應用習慣，成為量子計 算應用的主要抓手，為量子計算研究者、量子軟件開發者和行業用 戶提供了友好的服務窗口，降低用戶進行量子計算開發、社交與應 用的門檻。 （一）角色定位日漸清晰（一）角色定位日漸清晰 1.助推量子計算技術產業發展 在產業推動方面， 量子云計算依托于互聯網豐富資源， 為化

29、學、 交通、電信、材料等垂直領域提供了良好的應用平臺；在技術推動 方面，量子云計算融合了硬件基礎資源與軟件應用開發工具，為量 子算法研發、 糾錯編碼研究、 量子芯片驗證等提供了科學驗證手段， 為工業界和學術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，可推動量子計算產業的其他關鍵 環節如軟件開發、服務應用、行業探索、生態培養等并行發展，從 而加速量子計算技術產業整體進步。 2.促進多領域交叉融合 量子計算的應用與成熟涉及到數學、物理、軟件科學、人工智 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 12 能、大數據、計算機科學等多學科交叉研究，量子計算云平臺為多 學科

30、的融合創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技術的發展與創新。量子計算云平臺的企 業和研究機構用戶，可以專注于研究與開發相關領域的量子算法與 實現方案，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 量子計算是全新的交叉學科，當前該領域的專業人才匱乏，如 2018 年紐約時報調查聲稱，全球只有 1000 名左右的研究人員真 正了解這項技術。量子云計算具有大數據、互聯網、產業應用的綜 合屬性，可聚集大數據、互聯網、通信和計算領域的專家，依托量 子計算云平臺一方面可開展跨領域的交流與合作，另一方面可直觀 進行教育

31、使能與實踐演練，加速量子計算專業人才培養。 （二）服務模式逐漸成型（二）服務模式逐漸成型 隨著各大公司和機構紛紛發布量子計算云平臺，并初步形成包 括底層硬件、云端服務和應用軟件在內的社區和生態體系，如圖 2 所示?；诹孔佑嬎阍破脚_的體系架構，當前主流的量子計算云平 臺服務內容不斷豐富，量子計算基礎設施服務、量子計算軟件平臺 服務和量子計算行業應用服務模式逐漸成型。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 13 數據來源：量子計算云平臺的現狀與發展，2020 年信息通信與政策第 7 期 圖 2 量子云計算服務模式及主流廠商 1.量子計算基礎設施服務 量子計算基礎設施服務 Q-IaaS（Qu

32、antum Infrastructure as a Service）以提供基本的計算和存儲資源為主要服務模式，例如量子 計算調度程序、量子模擬器和實際量子設備等。目前，隨著物理平 臺與試驗技術的發展， 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呈多樣性發展，Q-IaaS 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備。 除真實量子計算設備外， Q-IaaS 還提供了經典計算集群運行量子計算模擬器的超算服務，而 超強計算能力的量子模擬器是展示經典云計

33、算能力的有力方式，目 前國內外云計算巨頭如 Google、 華為、 阿里等在 Q-IaaS 方面表現活 躍，積極推進新型超算服務的發展。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 14 2.量子計算軟件平臺服務 當前,量子計算軟件平臺服務 Q-PaaS（Quantum Platform as a Service） ，提供量子計算和量子機器學習算法的軟件開發平臺，開 發量子編程框架和量子算法庫，并通過云端服務器層連接其他公司 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，支持跨平臺兼容開發，而不需要使用者學習多個開發環境，降 低了軟件使用者和應用開放者的準入門檻，同

34、時還支持通過模擬器 進行量子線路的調試、診斷和優化，自動分配經典計算和量子計算 所需資源，結合優化混合量子算法，并完全托管作業以提高效率和 降低成本。 3.量子計算行業應用服務 量子計算行業應用服務 Q-SaaS （Quantum Software as a Service） 根據特定的行業應用場景和應用要求提供打包好的應用服務方案， 例如數據推理專用工具，材料設計（量子化學模擬） ，并提供諸如醫 療制藥，智慧城市、人工智能加速計算等服務。目前，隨著量子云 生態的不斷成熟， 針對特定問題提供解決方案的 Q-SaaS 模式初創公 司不斷增加。 例如， 日本的 QunaSys 專注于量子計算解決量

35、子化學、 量子機器學習和優化算法問題， 德國成立的 Avanetix 提供利用量子 計算和其他經典方法優化解決供應鏈問題的解決方案，法國的 QuanFi 則為金融服務產業提供相對應的量子算法。 隨著量子計算產 業的進一步發展、量子云生態的逐步開放，未來將會有更多垂直行 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 15 業企業嘗試通過 Q-SaaS 模式對業務能力進行賦能。 （三）（三）應用場景應用場景多方探索多方探索 根據波士頓咨詢公司預測，截止到 2030 年，量子計算應用的市 場規模將達到 500 億美元 3，其發展前景被業界看好。當前階段，諸 多行業看好量子計算的巨大商業潛力，業界認為量

36、子計算云平臺是 連接特定行業需求與展示量子算法優勢的“橋梁” ，依托量子計算云 平臺是開展量子應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用探索亮點層出，未來或 將進入量子應用探索的“活躍期” 。一旦某個具有應用價值的算法被 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，小規模專用量子計算機可能在量子化學模擬、量子組合優化、 量子啟發式機器學習等領域率先取得突破， 有望出現 “殺手級應用” ， 為量子計算打開實用化之門。 依托量子計算云平臺開展的典型行業領域應用探索進展如下： 1.量子化學模擬 化學過程的模擬對于經典計算機來說是極具挑戰的計算任務， 因為其反

37、應過程復雜，計算量呈指數級增長。量子化學模擬具有廣 闊的商業潛力，例如可顯著提高藥物發現率并節約研發時間，或成 為未來量子計算可切入的市場之一。國內外已有若干量子云計算企 3The coming quantum leap in computing R. Boston Consulting Group. 2018. 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 16 業與醫藥行業合作，開展量子化學模擬的應用探索研究工作。 以華為 HiQ2.0 量子計算云平臺為例，如圖 8 所示，利用 HiQ Fermion 量子化學模擬應用軟件， 針對 Hartree-Fock 模型實現對化 學分子的能量預測，結

38、合云平臺提供的量子電路優化算法以及量子 測控系統，降低量子化學模擬量子電路的參數，提高線路深度壓縮 比，提升運行速度，幫助更多量子計算開發者在藥物等領域取得新 的成績，加速量子化學研發進程。 數據來源：華為 HiQ2.0 量子計算云平臺 圖 3 華為量子計算云平臺量子化學模擬應用示例 2.復雜網絡排序 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，對于疫情防控與預警至關重要。社交群體中 的病毒傳播與防控，對應復雜網絡小世界特性和無標度特征發現問 題，具有復雜的計算特征。 以本源量子復雜網絡排序服務探索為例，如圖 4 所示，為追蹤 和預測病毒的傳播節點，依托本源

39、量子計算云平臺，對給定的社交 網絡圖譜進行建模，通過 HHL 量子算法計算得到該特定網絡節點重 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 17 要性的排序結果，進一步使用 SIR 模型評估特定節點的影響效果。 這一功能在云端展示了對于復雜網絡計算任務，量子計算的有效性 和優越性，將為預測新冠病毒的下一個傳播點提供重要參考。 數據來源：本源量子計算云平臺 圖 4 本源量子計算云平臺網絡排序應用示例 3.量子機器學習 在數據不斷增長、 傳統計算機數據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勢讓其與機器學習的結合成為有前景 的方向。將量子計算運用于機器學習，這不僅能夠突破傳統計算機

40、無法解決的問題，更會為機器學習領域帶來全新的技術變革。 以Google開發的TensorFlow Quantum框架為例， 如圖 5 所示， 研究人員基于量子機器學習框架，在云端從事量子機器學習算法實 現與模型評估，加快量子機器學習領域的應用探索。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 18 數據來源：Google Tensorflow Quantum 白皮書 圖 5 量子卷積神經網絡模型實現線路示例 4.組合優化問題 組合優化問題是指在有限可行解集合內尋找最優（或者次優） 解的問題，它在工業界，例如航線規劃和網絡流量分配等方面有著 廣泛的應用價值。尋找出能夠加速解決這類問題的方法，將有

41、可能 極大的降低生產成本，和推動人類社會各方面的進步。目前，工業 界的很多問題，隨著規模的增大，其計算復雜性使得經典計算解機 很難在有限的時間和計算資源下求解組合優化問題。近年來量子計 算領域進展迅猛。借助于量子計算的天然優勢，針對含噪中等規模 量子器件（50-1000 量子比特） ，業界提出的量子退火算法和量子近 似優化算法等，有望降低組合優化問題的求解難度。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 19 數據來源：D-wave 圖 6 基于 D-wave 量子退火機實現北京交通路線優化示例 如圖 6 所示，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

42、退火算法，對 10000 輛出租車的 GPS 交通 流向數據進行組合優化求解， 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。優化結果表明，僅用時不到 1 秒 即找到了最優行駛路線，對于諸多車聯網應用場景，量子退火計算 服務，有望緩解大型城市出租車的交通阻塞問題。 量子近似優化算法是解決組合優化問題的另一實現方法，以華 為 HiQ 量子計算云平臺為例， 平臺提供了組合優化問題的高效解決 方案量子組合優化求解器 HiQ Optimizer。該求解器包括將組合優 化問題轉化為對應的哈密頓量， 并將之轉化為量子+經典混合架構可 以實現的量子態制備、 演化和測量、 以及優化參

43、數更新等全套工具。 組合優化問題的高效解決，將助力量子計算在工業界、學術界的廣 泛應用。 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 20 四四、量子云計算產業量子云計算產業發展勢頭良好發展勢頭良好 國內外云計算企業、初創公司和科研機構看好量子云計算產業 與應用的發展潛力，紛紛提前布局，在技術與服務模式方面力爭做 出特色，生態產業逐步興起。 （一）國際（一）國際巨頭巨頭百家爭鳴百家爭鳴，競爭如火如荼，競爭如火如荼 目前國際提供量子計算云平臺的典型企業發展狀況如下： 1.IBM IBM 作為量子計算領域的領軍者之一， 在量子云計算領域的研究 具有系統化、成熟化的研發運營模式，在硬件和軟件方面形成

44、了相 對完善的研發鏈， 已逐漸建立日益成熟的量子云計算生態。 IBM 在量 子云計算領域的重要發展節點如圖 7 所示。 數據來源：根據公開資料整理 圖 7 IBM 量子云計算發展時間線 IBM 在量子云計算領域的主要工作探索包括： 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 21 持續開展基礎量子信息科學的研究， 不斷探索新的量子算法 以降低錯誤率以保證計算結果更加準確和可靠。 構建科研和商用的量子硬件及平臺系統， 保證量子體積和量 子比特數的不斷增加。 大力開發量子電路和軟件， 提供更多創新型用例供開發人員 和企業進一步探索。 構建可持續發展的量子計算社區環境， 引導更多人了解和參 與量子計算研究，形成 IBM 量子計算生態鏈。 2.Google Google 在量子計算領域也具有強大的研發能力，布局主要圍繞 基礎研究、硬件研發和軟件開發展開。在多年的研究蓄力后，近三 年 Google 在量子領域的動作愈加頻繁。 Google 在量子云計算領域的 重要發展節點如圖 8 所示。 數據來源：根據公開資料整理 圖 8 Google 量子云計算發展時間線 量子云計算發展態勢研究報告（2020 年） 22 Google 在