量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)白皮書(shū)

1、量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)白皮書(shū)前言人類(lèi)正處于第四次工業(yè)革命的開(kāi)端，量子計(jì)算則被視為繼人工智能之后，又一個(gè)具有顛覆性影響的領(lǐng)域。當(dāng)前，量子計(jì)算處在快速發(fā)展階段，新技術(shù)層出不窮，隨著量子計(jì)算硬件、軟件、配套平臺(tái)的不斷進(jìn)步，量子計(jì)算對(duì)行業(yè)吸引力隨之提升。以何種方式展示量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)、體現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用潛力是量子計(jì)算領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注方向。在此背景下，量子云計(jì)算將量子計(jì)算與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，依托經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)提供量子計(jì)算硬件與軟件相關(guān)的普惠服務(wù)，成為未來(lái)量子計(jì)算能力輸出的主要途徑之一。國(guó)內(nèi)外云計(jì)算企業(yè)、初創(chuàng)公司和科研機(jī)構(gòu)看好量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?，在技術(shù)與服務(wù)模式方面各具特色，并開(kāi)展了提前布局。技術(shù)方面，量子云計(jì)

2、算技術(shù)架構(gòu)逐漸成型；應(yīng)用方面，量子云計(jì)算服務(wù)探索開(kāi)始興起；產(chǎn)業(yè)方面，量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。本藍(lán)皮報(bào)告通過(guò)梳理和分析國(guó)際、國(guó)內(nèi)量子云計(jì)算整體發(fā)展?fàn)顩r，從技術(shù)、服務(wù)、產(chǎn)業(yè)、測(cè)評(píng)四個(gè)方面闡述了量子云計(jì)算發(fā)展特點(diǎn)及態(tài)勢(shì)，為業(yè)界推動(dòng)量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)和生態(tài)未來(lái)發(fā)展提供參考。目錄 HYPERLINK l _bookmark0 一、概述1 HYPERLINK l _bookmark1 二、量子云計(jì)算助力量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展2 HYPERLINK l _bookmark2 （一）量子云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)逐步成型3 HYPERLINK l _bookmark4 （二）量子云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同發(fā)展4 HYPERLINK l _

3、bookmark5 （三）量子云計(jì)算亟需多維研究推進(jìn)9 HYPERLINK l _bookmark8 三、量子云計(jì)算服務(wù)探索日益升溫11 HYPERLINK l _bookmark9 （一）角色定位日漸清晰11 HYPERLINK l _bookmark10 （二）服務(wù)模式逐漸成型12 HYPERLINK l _bookmark12 （三）應(yīng)用場(chǎng)景多方探索15 HYPERLINK l _bookmark18 四、量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好20 HYPERLINK l _bookmark19 （一）國(guó)際巨頭百家爭(zhēng)鳴，競(jìng)爭(zhēng)如火如荼20 HYPERLINK l _bookmark25 （二）國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)

4、逐步興起，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好27 HYPERLINK l _bookmark26 五、量子云計(jì)算測(cè)評(píng)工作初步展開(kāi)30 HYPERLINK l _bookmark27 （一）測(cè)評(píng)體系31 HYPERLINK l _bookmark32 （二）測(cè)評(píng)實(shí)例33 HYPERLINK l _bookmark38 （三）小結(jié)36 HYPERLINK l _bookmark39 六、發(fā)展前景與建議37 HYPERLINK l _bookmark40 （一）機(jī)遇挑戰(zhàn)37 HYPERLINK l _bookmark41 （二）發(fā)展建議40圖 目 錄 HYPERLINK l _bookmark3 圖 1 量子云計(jì)算技術(shù)架

5、構(gòu)示意圖3 HYPERLINK l _bookmark11 圖 2 量子云計(jì)算服務(wù)模式及主流廠商13 HYPERLINK l _bookmark14 圖 3 華為量子計(jì)算云平臺(tái)量子化學(xué)模擬應(yīng)用示例16 HYPERLINK l _bookmark15 圖 4 本源量子計(jì)算云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)排序應(yīng)用示例17 HYPERLINK l _bookmark16 圖 5 量子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)線路示例18 HYPERLINK l _bookmark17 圖 6 基于 D-wave 量子退火機(jī)實(shí)現(xiàn)北京交通路線優(yōu)化示例19 HYPERLINK l _bookmark20 圖 7 IBM 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線20 H

6、YPERLINK l _bookmark21 圖 8 Google 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線21 HYPERLINK l _bookmark22 圖 9 D-wave 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線22 HYPERLINK l _bookmark23 圖 10 Microsoft 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線24 HYPERLINK l _bookmark24 圖 11 Rigetti 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線25 HYPERLINK l _bookmark30 圖 12 量子云計(jì)算測(cè)評(píng)體系圖32 HYPERLINK l _bookmark31 圖 13 量子云計(jì)算測(cè)評(píng)維度框架33 HYPERLINK l _bookm

7、ark33 圖 14 平臺(tái)軟件功能檢驗(yàn)測(cè)試配置34 HYPERLINK l _bookmark36 圖 15 量子機(jī)器學(xué)習(xí)基準(zhǔn)測(cè)試配置圖35表 目 錄 HYPERLINK l _bookmark34 表 1 平臺(tái) A 軟件功能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)34 HYPERLINK l _bookmark35 表 2 平臺(tái) B 開(kāi)源項(xiàng)目數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)34 HYPERLINK l _bookmark37 表 3 平臺(tái) C 量子機(jī)器學(xué)習(xí)基準(zhǔn)測(cè)試評(píng)估表36一、概述量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的每個(gè)量子比特（qubit）能夠同時(shí)表示二進(jìn)制中的 0 和 1。相較經(jīng)典計(jì)算機(jī)，算力呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)式增

8、長(zhǎng)，從而形成“量子優(yōu)越性”。量子計(jì)算在特定計(jì)算任務(wù)上具備指數(shù)加速能力，有望成為“后摩爾定律”時(shí)代新的計(jì)算形態(tài)，對(duì)潛在商業(yè)應(yīng)用形成良性激勵(lì)。在量子計(jì)算尚未完全成熟和規(guī)模普及的前提下，以何種方式來(lái)展示量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)、吸引行業(yè)多方參與、發(fā)揮商業(yè)應(yīng)用潛力是當(dāng)前量子計(jì)算領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注方向。目前，依托于經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)提供量子計(jì)算硬件與軟件等普惠服務(wù)的量子云計(jì)算，成為量子計(jì)算呈現(xiàn)與發(fā)展最重要的形式之一。量子云計(jì)算將量子計(jì)算與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，對(duì)于量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用及發(fā)展具有以下重要意義。一、加快量子計(jì)算技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。目前雖然已研制出若干量子計(jì)算物理原型機(jī)，但量子計(jì)算軟硬件實(shí)現(xiàn)仍處于科學(xué)攻堅(jiān)階段，大

9、規(guī)模、可容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)需要長(zhǎng)期的發(fā)展歷程。量子云計(jì)算的出現(xiàn)，推動(dòng)量子計(jì)算軟件、平臺(tái)、服務(wù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)與量子計(jì)算硬件并行發(fā)展，加快量子計(jì)算發(fā)展整體進(jìn)程。二、解決量子計(jì)算資源稀缺性難題。目前世界上只有少數(shù)商業(yè)巨頭和高精尖實(shí)驗(yàn)室擁有真實(shí)量子計(jì)算硬件資源，其部署及運(yùn)行需要嚴(yán)苛的物理環(huán)境。隨著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)量子計(jì)算的期望日益迫切，量子云計(jì)算緩解量子計(jì)算資源稀缺性與應(yīng)用需求實(shí)用性的矛盾。三、提升綜合性普惠服務(wù)能力。對(duì)于量子計(jì)算的提供方，量子云計(jì)算依托現(xiàn)有豐富的云計(jì)算資源和成熟的商用模式，為用戶(hù)提供便捷的接入手段，是未來(lái)較為可行的服務(wù)提供方式；對(duì)于量子計(jì)算需求方，一方面考慮到量子計(jì)算機(jī)所需的硬件及

10、其支撐系統(tǒng)十分昂貴，一方面考慮到量子計(jì)算機(jī)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(gòu)買(mǎi)彈性計(jì)算服務(wù)是務(wù)實(shí)可行的方式。目前業(yè)界圍繞量子云計(jì)算的技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)、測(cè)評(píng)等相關(guān)研究和探索正有序開(kāi)展，總體發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，量子云計(jì)算未來(lái)或?qū)⑦M(jìn)入發(fā)展“黃金時(shí)期”。二、量子云計(jì)算助力量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展如何將量子計(jì)算和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)服務(wù)進(jìn)行結(jié)合，最終通過(guò)量子云計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算能力的輸出，是量子云計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域需要解決的重要問(wèn)題。從應(yīng)用方式上看，由于研發(fā)、購(gòu)置量子計(jì)算機(jī)的成本極其昂貴（如據(jù)報(bào)道D-Wave 量子退火專(zhuān)用機(jī) 1500 萬(wàn)美元售價(jià)），業(yè)界普遍認(rèn)為在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，通過(guò)云平臺(tái)開(kāi)展量子計(jì)算服務(wù)，

11、共享稀缺資源，探索適用于量子計(jì)算的行業(yè)應(yīng)用，是較為切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方式。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上看，量子計(jì)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。量子云計(jì)算將諸多關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行整合，為量子計(jì)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(jì)算云平臺(tái)，量子計(jì)算硬件和軟件產(chǎn)生良好的“化學(xué)反應(yīng)”，加速量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展。（一）量子云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)逐步成型應(yīng)用接口開(kāi)發(fā)接口硬件接口目前現(xiàn)有量子云計(jì)算的技術(shù)架構(gòu)逐步成型，層次化設(shè)計(jì)逐步清 HYPERLINK l _bookmark3 晰，如圖 1 所示。應(yīng)用服務(wù)量子機(jī)器學(xué)習(xí)組合優(yōu)化金融投資化學(xué)材料設(shè)計(jì)工具框架量子編程框架量子算法庫(kù)量子計(jì)算GU

12、I量子計(jì)算SDK計(jì)算引擎量子中間表示量子線路量子模擬加速組件量子編譯器硬件底座量子芯片量子測(cè)控量子制備存儲(chǔ)經(jīng)典云設(shè)施圖 1 量子云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)示意圖數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)信通院硬件底座為量子計(jì)算云平臺(tái)的核心部分，利用傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)施與量子芯片、量子存儲(chǔ)、量子測(cè)控技術(shù)等提供強(qiáng)大的算力， 量子云計(jì)算的后端形態(tài)呈現(xiàn)多樣化技術(shù)特征，主要包括真實(shí)量子計(jì)算、量子計(jì)算模擬器和經(jīng)典-量子混合計(jì)算三種方式。量子計(jì)算引擎實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的量子計(jì)算功能，包括量子中間表示、量子邏輯門(mén)、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(hù)提供封裝后的量子計(jì)算功能，包括量子編程語(yǔ)言、量子算法庫(kù)、量子計(jì)算 GUI（Graphical

13、User Interface）、量子計(jì)算 SDK（Software Development Kit）等。應(yīng)用服務(wù)層則在計(jì)算引擎與工具框架的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更具體與用戶(hù)友好的軟件服務(wù)，包括提供量子算法開(kāi)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(jì)、量子機(jī)器學(xué)習(xí)軟件開(kāi)發(fā)等。（二）量子云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同發(fā)展計(jì)算芯片與經(jīng)典模擬器并存量子計(jì)算芯片成為量子云計(jì)算的核心“引擎”量子計(jì)算芯片作為量子云計(jì)算的核心“引擎”，也是量子云計(jì)算后端實(shí)現(xiàn)的基石。目前量子計(jì)算芯片技術(shù)形態(tài)呈現(xiàn)百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)，包含超導(dǎo)、離子阱、光

14、量子、硅量子點(diǎn)和拓?fù)涞榷喾N路線， 是量子云計(jì)算有別于經(jīng)典云計(jì)算的主要技術(shù)特征。目前不同實(shí)現(xiàn)路線的典型企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)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(bào)道實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性重要研究成果；IBM 在 2020 年 8 月報(bào)道通過(guò) 27 位量子比特實(shí)現(xiàn) 64 量子體積；我國(guó)中科大在 2019 年已實(shí)現(xiàn)24 位量子比特處理器，報(bào)道正研發(fā) 60 位量子比特、99.5%保真度的超導(dǎo)處理器。離子阱路線方面，Honeywell 在 2020 年 6 月報(bào)道世界上首次實(shí)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

15、 10 月報(bào)道通過(guò) 32 個(gè)量子比特達(dá)到了 400 萬(wàn)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(guó)際先進(jìn)水平；上海交通大學(xué)在大規(guī)模光量子計(jì)算集成芯片制備方面取得一定成果。硅量子點(diǎn)路線方面，新南威爾士大學(xué)報(bào)道了保真度為 99.96%的單比特邏輯門(mén)和保真度為 98%的雙比特邏輯門(mén)；國(guó)內(nèi)中科大也報(bào)道實(shí)現(xiàn)了高保真的單比特邏輯門(mén)。以上四種技術(shù)路線均已實(shí)現(xiàn)物理量子比特，為量子計(jì)算云平臺(tái)提供可實(shí)際應(yīng)用的底層硬件，目前量子計(jì)算物理平臺(tái)研究正在向突破邏輯量子比特邁進(jìn)，研究不再單純追求比特?cái)?shù)量，同時(shí)關(guān)注邏輯門(mén)保真度、相干時(shí)間等質(zhì)量方面的同步提升。量子

16、計(jì)算模擬器是經(jīng)典云計(jì)算的能力延伸量子計(jì)算模擬器依托于現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算資源，模擬量子計(jì)算的特有邏輯，成為量子云計(jì)算不可或缺的組成部分，用于模擬量子計(jì)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(jì)算模擬器一方面解決了當(dāng)前量子計(jì)算資源的稀缺性問(wèn)題， 在一定程度上降低了對(duì)真實(shí)量子計(jì)算物理?xiàng)l件的依賴(lài)，保證量子計(jì) 算科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)驗(yàn)證在軟件、算法層面的順利進(jìn)行；一方面為含 噪環(huán)境下的量子計(jì)算模擬、量子物理現(xiàn)象推演、量子啟發(fā)式算法實(shí) 現(xiàn)、真實(shí)量子芯片計(jì)算驗(yàn)證等提供了科學(xué)的實(shí)現(xiàn)工具。由于依托于經(jīng)典算力進(jìn)行量子計(jì)算模擬需要強(qiáng)大的算力及海量數(shù)據(jù)支撐，因此不斷提升量子計(jì)算模擬器的比特?cái)?shù)量，優(yōu)化量子模擬器的運(yùn)算指標(biāo)

17、，是目前云計(jì)算巨頭企業(yè)展示超算能力，提高量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)門(mén)檻的主要競(jìng)爭(zhēng)形式之一。如 2016 年，Google 報(bào)道通過(guò)特定隨機(jī)量子電路，模擬了操縱 49 比特量子糾纏對(duì)，電路的深度達(dá)到40 層，2018 年進(jìn)一步展示了 72 比特量子模擬器。阿里巴巴 2018 年報(bào)道研制出的量子計(jì)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(jì)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(wù)?？紤]到大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)真正問(wèn)世還需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期，量子計(jì)算模擬器

18、未來(lái)將會(huì)長(zhǎng)期存在，并與真實(shí)量子計(jì)算芯片相互促進(jìn)，協(xié)同發(fā)展。量子+經(jīng)典混合計(jì)算形態(tài)將是量子云計(jì)算的顯著特征之一。計(jì)算軟件體系框架尚在構(gòu)建目前量子計(jì)算軟件還處于生態(tài)體系建立的早期階段，由于量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)邏輯與經(jīng)典計(jì)算有所不同，經(jīng)典計(jì)算軟件不能完全移植延續(xù)，因此量子計(jì)算基礎(chǔ)運(yùn)行類(lèi)、計(jì)算開(kāi)發(fā)類(lèi)和應(yīng)用服務(wù)類(lèi)軟件均需要在量子云計(jì)算框架下進(jìn)行重新構(gòu)建。雖然大規(guī)模通用的量子計(jì)算機(jī)尚未到來(lái)，但在量子操作系統(tǒng)和量子軟件開(kāi)發(fā)等方面已開(kāi)展提前布局，新的軟件產(chǎn)業(yè)正在興起。依托于量子云計(jì)算的量子計(jì)算軟件現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)如下：基礎(chǔ)運(yùn)行類(lèi)軟件是量子云計(jì)算“底座”，處于起步階段量子基礎(chǔ)運(yùn)行類(lèi)軟件系統(tǒng)與量子硬件、經(jīng)典硬件緊密相關(guān)的

19、，也是量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需要的核心軟件。目前量子計(jì)算基礎(chǔ)運(yùn)行類(lèi)軟件主要包括量子編譯軟件和量子測(cè)控軟件兩類(lèi)，由于技術(shù)門(mén)檻高、工程難度大、專(zhuān)業(yè)人才匱乏，目前該類(lèi)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(yǔ)法規(guī)則用來(lái)協(xié)調(diào)和約束量子操作、經(jīng)典操作，安全的語(yǔ)義用來(lái)融合量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算之間的語(yǔ)義差異， 包括 QASM、eQASM、QASM-HL、Quil、OpenQASM、f-QASM 等。量子測(cè)控軟件，是量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的雛形，用于進(jìn)行量子計(jì)算糾錯(cuò)，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的高效反饋，高效的量子芯片校準(zhǔn)等功能， 包括蘇黎世儀器公司的 LabOne，

20、是德科技的 HVI，Google 的Optimus，本源量子的 PyQCat 等。計(jì)算開(kāi)發(fā)類(lèi)軟件是量子云計(jì)算的“中臺(tái)”，目前發(fā)展活 躍量子軟件系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)層軟件，提供了研究量子算法、開(kāi)發(fā)量子應(yīng)用的工具鏈體系，包含了眾多量子編程語(yǔ)言和量子軟件開(kāi)發(fā)工具。目前計(jì)算開(kāi)發(fā)類(lèi)軟件呈現(xiàn)豐富多樣的態(tài)勢(shì)，總體可分為量子語(yǔ)言、量子編程框架以及量子中間表示。量子語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了量子專(zhuān)用的語(yǔ)法，構(gòu)成獨(dú)立、全新的程序語(yǔ)言。量子語(yǔ)言可以用來(lái)編寫(xiě)運(yùn)行在量子計(jì)算機(jī)中的量子算法和程序，常用的量子語(yǔ)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(jì)算組件和量子算法庫(kù)，更著眼于當(dāng)前技術(shù)條件下量子程序的快速開(kāi)發(fā)

21、，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(duì)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。應(yīng)用服務(wù)類(lèi)軟件是量子云計(jì)算“門(mén)戶(hù)”，行業(yè)關(guān)注度高量子應(yīng)用服務(wù)類(lèi)軟件，提供了面向各個(gè)領(lǐng)域的量子計(jì)算技術(shù)應(yīng)用和解決方案，涉及到能解決特定問(wèn)題的算法和應(yīng)用程序，同時(shí)在云端提供了人機(jī)交互的應(yīng)用環(huán)境，其中量子化學(xué)和量子機(jī)器學(xué)習(xí)是其中兩大類(lèi)典型的應(yīng)用服務(wù)軟件。量子化學(xué)軟件方面，Google 推出了 Open

22、Fermion 工具，支持對(duì)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(jì)算機(jī)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(jī)、Artiste 公司推出Quantum-Fog 和 Quantum-Edward 等系統(tǒng)，支持不同場(chǎng)景下的量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型；Google 推出了 TensorFlow Quantum 量子機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)，可用于快速設(shè)計(jì)量子與經(jīng)典機(jī)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(jì)算原函數(shù)，以及高

23、性能量子線路模擬器；本源量子推出了國(guó)內(nèi)第一款量子機(jī)器學(xué)習(xí)框架 VQNet， 可滿足構(gòu)建包括QAOA、VQE、量子分類(lèi)器和量子線路學(xué)習(xí)算法等常見(jiàn)類(lèi)型的量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法；百度發(fā)布了量子機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)工具Paddle Quantum 量槳，提供了對(duì)量子機(jī)器學(xué)習(xí)的支持，這也是國(guó)內(nèi)首次在深度學(xué)習(xí)平臺(tái)引入量子機(jī)器學(xué)習(xí)工具。（三）量子云計(jì)算亟需多維研究推進(jìn)經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵特性是提升量子云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量的保 障首先，量子計(jì)算云平臺(tái)所解決的量子計(jì)算任務(wù)如量子模擬計(jì)算、組合優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等，往往需要海量數(shù)據(jù)接入和中間計(jì)算參數(shù)的傳輸，特別是跨網(wǎng)絡(luò)的分布式量子計(jì)算需要巨大的通信負(fù)荷開(kāi)銷(xiāo)，如 2017 年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工

24、學(xué)院的 Thomas Haner 和Damian Steiger 進(jìn)行了模擬量子位實(shí)驗(yàn) HYPERLINK l _bookmark6 1，使用了 0.5PB 的內(nèi)存和 8192 個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的性能為每秒 0.428 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，其中通信負(fù)荷占總負(fù)荷的 75%；其次，適用于需要實(shí)時(shí)計(jì)算、反饋計(jì)算的應(yīng)用算例，需要低時(shí)延、確定時(shí)延的結(jié)果獲取；此外，跨廣域網(wǎng)非穩(wěn)定帶來(lái)的數(shù)據(jù)重傳錯(cuò)傳問(wèn)題，有可能會(huì)降低某些量子計(jì)算任務(wù)（如量子機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練）的實(shí)現(xiàn)效率。綜上所述，量子云計(jì)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(shí)延與高可靠傳輸?shù)确矫嫣岢隽诵碌臋C(jī)遇與挑戰(zhàn)。1Thomas Hner, Da

25、mian S. Steiger, 0.5 Petabyte Simulation of a 45-Qubit Quantum Circuit. Physical Review A 91, 2 (2015), 022311, 2017.安全保護(hù)與數(shù)據(jù)驗(yàn)證是量子云計(jì)算良性發(fā)展的前提同傳統(tǒng)云服務(wù)平臺(tái)一樣，量子計(jì)算云平臺(tái)同樣具有數(shù)據(jù)安全與隱私泄露方面的隱患。當(dāng)前針對(duì)量子計(jì)算云平臺(tái)安全問(wèn)題的研究， 包括盲量子計(jì)算或量子復(fù)制保護(hù)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(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制、存儲(chǔ)安全等問(wèn)題亟待解決。此外，量子計(jì)算云平臺(tái)還面臨新的服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，例如驗(yàn)證后端是否為真正量子計(jì)算機(jī)等。解決量

26、子計(jì)算云平臺(tái)的安全問(wèn)題和數(shù)據(jù)驗(yàn)證問(wèn)題對(duì)未來(lái)量子計(jì)算云平臺(tái)賦能行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。能效管理是降低運(yùn)營(yíng)成本與大規(guī)模部署的關(guān)鍵在量子計(jì)算云平臺(tái)運(yùn)行初期，需要大量量子模擬器計(jì)算集群、 經(jīng)典輔助計(jì)算設(shè)備、外圍量子計(jì)算運(yùn)行系統(tǒng)等進(jìn)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(yùn)行 64 比特 40 層線路深度的模擬實(shí)驗(yàn)中，調(diào)用阿里云在線集群 14%的計(jì)算資源 HYPERLINK l _bookmark7 2）。如 何有效的提升能效是量子計(jì)算云平臺(tái)發(fā)展與降低成本需解決的問(wèn)題。量子云計(jì)算有序演進(jìn)需要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做規(guī)范引導(dǎo)目前，量子云計(jì)算在數(shù)據(jù)操作、量子編程語(yǔ)言、應(yīng)用接口、計(jì)算服務(wù)、算法庫(kù)等還未出現(xiàn)統(tǒng)一的

27、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨著量子計(jì)算云平臺(tái)的不斷涌現(xiàn)與發(fā)展，開(kāi)展平臺(tái)之間互操作、數(shù)據(jù)可移植性、數(shù)據(jù)流通等方面的標(biāo)準(zhǔn)研究非常必要。同時(shí)，如何評(píng)價(jià)量子計(jì)算云平臺(tái)的2Jianxin Chen, Fang Zhang. Et. Al., Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits, /abs/1805.01450, 2018.服務(wù)質(zhì)量、構(gòu)建量子計(jì)算云平臺(tái)測(cè)評(píng)體系等也需要進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范。三、量子云計(jì)算服務(wù)探索日益升溫量子云計(jì)算一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)稀缺量子計(jì)算資源的充分共享，一方面依托現(xiàn)有云計(jì)算模式，充分考慮到用戶(hù)的應(yīng)用習(xí)慣，成為量子計(jì)算應(yīng)用的主要抓手，為

28、量子計(jì)算研究者、量子軟件開(kāi)發(fā)者和行業(yè)用戶(hù)提供了友好的服務(wù)窗口，降低用戶(hù)進(jìn)行量子計(jì)算開(kāi)發(fā)、社交與應(yīng)用的門(mén)檻。（一）角色定位日漸清晰助推量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展在產(chǎn)業(yè)推動(dòng)方面，量子云計(jì)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)域提供了良好的應(yīng)用平臺(tái)；在技術(shù)推動(dòng)方面，量子云計(jì)算融合了硬件基礎(chǔ)資源與軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，為量子算法研發(fā)、糾錯(cuò)編碼研究、量子芯片驗(yàn)證等提供了科學(xué)驗(yàn)證手段， 為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了公開(kāi)的交流渠道。在通用量子計(jì)算硬件芯片問(wèn)世之前，量子云計(jì)算的出現(xiàn)，可推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)如軟件開(kāi)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(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)整體進(jìn)步。促進(jìn)多領(lǐng)

29、域交叉融合量子計(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉研究，量子計(jì)算云平臺(tái)為多學(xué)科的融合創(chuàng)新提供了快捷的驗(yàn)證入口，降低了量子計(jì)算的準(zhǔn)入門(mén)檻，加速了量子計(jì)算相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。量子計(jì)算云平臺(tái)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)用戶(hù)，可以專(zhuān)注于研究與開(kāi)發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的量子算法與實(shí)現(xiàn)方案，利用量子計(jì)算云平臺(tái)進(jìn)行算法測(cè)試與驗(yàn)證，提高量子計(jì)算更新迭代速度。加速量子計(jì)算科普與人才培養(yǎng)量子計(jì)算是全新的交叉學(xué)科，當(dāng)前該領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才匱乏，如2018 年紐約時(shí)報(bào)調(diào)查聲稱(chēng)，全球只有 1000 名左右的研究人員真正了解這項(xiàng)技術(shù)。量子云計(jì)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

30、聯(lián)網(wǎng)、通信和計(jì)算領(lǐng)域的專(zhuān)家，依托量子計(jì)算云平臺(tái)一方面可開(kāi)展跨領(lǐng)域的交流與合作，另一方面可直觀進(jìn)行教育使能與實(shí)踐演練，加速量子計(jì)算專(zhuān)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(jī)構(gòu)紛紛發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)，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 HYPERLINK l _bookmark11 圖 2 所示。基于量子計(jì)算云平臺(tái)的體系架構(gòu)，當(dāng)前主流的量子計(jì)算云平臺(tái)服務(wù)內(nèi)容不斷豐富，量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、量子計(jì)算軟件平臺(tái)服務(wù)和量子計(jì)算行業(yè)應(yīng)用服務(wù)模式逐漸成型。數(shù)據(jù)來(lái)源：量子計(jì)算云平臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展，2020 年信息通信與政策第 7 期圖 2 量子云計(jì)算服務(wù)模式及主流廠商量子

31、計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)Q-IaaS（Quantum Infrastructure as a Service）以提供基本的計(jì)算和存儲(chǔ)資源為主要服務(wù)模式，例如量子計(jì)算調(diào)度程序、量子模擬器和實(shí)際量子設(shè)備等。目前，隨著物理平臺(tái)與試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，提供計(jì)算引擎的Q-IaaS 模式比重會(huì)不斷增加， 由于未來(lái)量子計(jì)算硬件技術(shù)呈多樣性發(fā)展，Q-IaaS 的計(jì)算類(lèi)型也會(huì)不斷豐富。例如美國(guó)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(shí)量子計(jì)算設(shè)備外， Q-IaaS 還提供了經(jīng)典計(jì)算集群運(yùn)行量子計(jì)算模擬器的超算服務(wù)，而超強(qiáng)

32、計(jì)算能力的量子模擬器是展示經(jīng)典云計(jì)算能力的有力方式，目前國(guó)內(nèi)外云計(jì)算巨頭如 Google、華為、阿里等在 Q-IaaS 方面表現(xiàn)活躍，積極推進(jìn)新型超算服務(wù)的發(fā)展。量子計(jì)算軟件平臺(tái)服務(wù)當(dāng)前,量子計(jì)算軟件平臺(tái)服務(wù) Q-PaaS（Quantum Platform as a Service），提供量子計(jì)算和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)量子編程框架和量子算法庫(kù)，并通過(guò)云端服務(wù)器層連接其他公司的計(jì)算引擎分配計(jì)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(tái)兼容開(kāi)發(fā)，而不需要使用者學(xué)習(xí)多個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，降低了軟件使用者和應(yīng)用開(kāi)放者的準(zhǔn)入門(mén)檻，同時(shí)還支持通過(guò)模擬器進(jìn)行量子線路的調(diào)試、診斷和

33、優(yōu)化，自動(dòng)分配經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)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。量子計(jì)算行業(yè)應(yīng)用服務(wù)量子計(jì)算行業(yè)應(yīng)用服務(wù)Q-Saa（S Quantum Software as a Service）根據(jù)特定的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)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(zhuān)用工具，材料設(shè)計(jì)（量子化學(xué)模擬），并提供諸如醫(yī)療制藥，智慧城市、人工智能加速計(jì)算等服務(wù)。目前，隨著量子云生態(tài)的不斷成熟，針對(duì)特定問(wèn)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(zhuān)注于量子計(jì)算解決量子化學(xué)、量子機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法問(wèn)題，德國(guó)成立的 Avanetix 提供利用量

34、子計(jì)算和其他經(jīng)典方法優(yōu)化解決供應(yīng)鏈問(wèn)題的解決方案，法國(guó)的QuanFi 則為金融服務(wù)產(chǎn)業(yè)提供相對(duì)應(yīng)的量子算法。隨著量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展、量子云生態(tài)的逐步開(kāi)放，未來(lái)將會(huì)有更多垂直行業(yè)企業(yè)嘗試通過(guò)Q-SaaS 模式對(duì)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行賦能。（三）應(yīng)用場(chǎng)景多方探索根據(jù)波士頓咨詢(xún)公司預(yù)測(cè)，截止到 2030 年，量子計(jì)算應(yīng)用的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 500 億美元 HYPERLINK l _bookmark13 3，其發(fā)展前景被業(yè)界看好。當(dāng)前階段，諸多行業(yè)看好量子計(jì)算的巨大商業(yè)潛力，業(yè)界認(rèn)為量子計(jì)算云平臺(tái)是連接特定行業(yè)需求與展示量子算法優(yōu)勢(shì)的“橋梁”，依托量子計(jì)算云平臺(tái)是開(kāi)展量子應(yīng)用探索的主要途徑之一。目前依托于量

35、子計(jì)算云平臺(tái)開(kāi)展的應(yīng)用探索亮點(diǎn)層出，未來(lái)或?qū)⑦M(jìn)入量子應(yīng)用探索的“活躍期”。一旦某個(gè)具有應(yīng)用價(jià)值的算法被驗(yàn)證其加速有效，它可能會(huì)具有潛在巨大的市場(chǎng)需求。未來(lái) 5 年左右，小規(guī)模專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)可能在量子化學(xué)模擬、量子組合優(yōu)化、量子啟發(fā)式機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域率先取得突破，有望出現(xiàn)“殺手級(jí)應(yīng)用”，為量子計(jì)算打開(kāi)實(shí)用化之門(mén)。依托量子計(jì)算云平臺(tái)開(kāi)展的典型行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用探索進(jìn)展如下：量子化學(xué)模擬化學(xué)過(guò)程的模擬對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是極具挑戰(zhàn)的計(jì)算任務(wù)， 因?yàn)槠浞磻?yīng)過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。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(shí)間，或成為未來(lái)量子計(jì)算可切入的市場(chǎng)之一。國(guó)內(nèi)外已有若干量子云

36、計(jì)算企3The coming quantum leap in computing R. Boston Consulting Group. 2018.業(yè)與醫(yī)藥行業(yè)合作，開(kāi)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(jì)算云平臺(tái)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(duì) Hartree-Fock 模型實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)分子的能量預(yù)測(cè)，結(jié)合云平臺(tái)提供的量子電路優(yōu)化算法以及量子測(cè)控系統(tǒng)，降低量子化學(xué)模擬量子電路的參數(shù)，提高線路深度壓縮比，提升運(yùn)行速度，幫助更多量子計(jì)算開(kāi)發(fā)者在藥物等領(lǐng)域取得新的成績(jī)，加速量子化學(xué)研發(fā)進(jìn)程。數(shù)據(jù)來(lái)源：華為 HiQ2.0 量子計(jì)算云

37、平臺(tái)圖 3 華為量子計(jì)算云平臺(tái)量子化學(xué)模擬應(yīng)用示例復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)排序新冠病毒疫情仍在全球肆虐，給整個(gè)人類(lèi)社會(huì)造成了巨大影響。弄清病毒的傳播過(guò)程，對(duì)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(duì)應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)小世界特性和無(wú)標(biāo)度特征發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，具有復(fù)雜的計(jì)算特征。以本源量子復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)排序服務(wù)探索為例， HYPERLINK l _bookmark15 如圖 4 所示，為追蹤和預(yù)測(cè)病毒的傳播節(jié)點(diǎn)，依托本源量子計(jì)算云平臺(tái)，對(duì)給定的社交網(wǎng)絡(luò)圖譜進(jìn)行建模，通過(guò) HHL 量子算法計(jì)算得到該特定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要性的排序結(jié)果，進(jìn)一步使用 SIR 模型評(píng)估特定節(jié)點(diǎn)的影響效果。這一功能在云端展示了對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)計(jì)算任務(wù)，量子計(jì)

38、算的有效性和優(yōu)越性，將為預(yù)測(cè)新冠病毒的下一個(gè)傳播點(diǎn)提供重要參考。數(shù)據(jù)來(lái)源：本源量子計(jì)算云平臺(tái)圖 4 本源量子計(jì)算云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)排序應(yīng)用示例量子機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)、傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力接近極限的情況下， 量子計(jì)算所帶來(lái)的巨大算力優(yōu)勢(shì)讓其與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合成為有前景的方向。將量子計(jì)算運(yùn)用于機(jī)器學(xué)習(xí)，這不僅能夠突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，更會(huì)為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域帶來(lái)全新的技術(shù)變革。以Google 開(kāi)發(fā)的TensorFlow Quantum 框架為例，如 HYPERLINK l _bookmark16 圖 5 所示， 研究人員基于量子機(jī)器學(xué)習(xí)框架，在云端從事量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)與模型評(píng)估，加快量子機(jī)器學(xué)習(xí)

39、領(lǐng)域的應(yīng)用探索。數(shù)據(jù)來(lái)源：Google Tensorflow Quantum 白皮書(shū)圖 5 量子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)線路示例組合優(yōu)化問(wèn)題組合優(yōu)化問(wèn)題是指在有限可行解集合內(nèi)尋找最優(yōu)（或者次優(yōu)） 解的問(wèn)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(jià)值。尋找出能夠加速解決這類(lèi)問(wèn)題的方法，將有可能極大的降低生產(chǎn)成本，和推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)各方面的進(jìn)步。目前，工業(yè)界的很多問(wèn)題，隨著規(guī)模的增大，其計(jì)算復(fù)雜性使得經(jīng)典計(jì)算解機(jī)很難在有限的時(shí)間和計(jì)算資源下求解組合優(yōu)化問(wèn)題。近年來(lái)量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)展迅猛。借助于量子計(jì)算的天然優(yōu)勢(shì)，針對(duì)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

40、和量子近似優(yōu)化算法等，有望降低組合優(yōu)化問(wèn)題的求解難度。數(shù)據(jù)來(lái)源：D-wave圖 6 基于 D-wave 量子退火機(jī)實(shí)現(xiàn)北京交通路線優(yōu)化示例 HYPERLINK l _bookmark17 如圖 6 所示，D-wave 公司與德國(guó)大眾公司合作，基于 D-wave 量子計(jì)算云平臺(tái)運(yùn)行量子退火算法，對(duì) 10000 輛出租車(chē)的 GPS 交通流向數(shù)據(jù)進(jìn)行組合優(yōu)化求解，計(jì)算在 32km 的路程中以最快的速度到達(dá)目的地，且不會(huì)造成交通堵塞。優(yōu)化結(jié)果表明，僅用時(shí)不到 1 秒即找到了最優(yōu)行駛路線，對(duì)于諸多車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，量子退火計(jì)算服務(wù)，有望緩解大型城市出租車(chē)的交通阻塞問(wèn)題。量子近似優(yōu)化算法是解決組合優(yōu)化問(wèn)題的

41、另一實(shí)現(xiàn)方法，以華為 HiQ 量子計(jì)算云平臺(tái)為例，平臺(tái)提供了組合優(yōu)化問(wèn)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)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(shí)現(xiàn)的量子態(tài)制備、演化和測(cè)量、以及優(yōu)化參數(shù)更新等全套工具。組合優(yōu)化問(wèn)題的高效解決，將助力量子計(jì)算在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛應(yīng)用。四、量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好國(guó)內(nèi)外云計(jì)算企業(yè)、初創(chuàng)公司和科研機(jī)構(gòu)看好量子云計(jì)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(zhēng)做出特色，生態(tài)產(chǎn)業(yè)逐步興起。（一）國(guó)際巨頭百家爭(zhēng)鳴，競(jìng)爭(zhēng)如火如荼目前國(guó)際提供量子計(jì)算云平臺(tái)的典型企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r如下：IBM

42、IBM 作為量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍者之一，在量子云計(jì)算領(lǐng)域的研究具有系統(tǒng)化、成熟化的研發(fā)運(yùn)營(yíng)模式，在硬件和軟件方面形成了相對(duì)完善的研發(fā)鏈，已逐漸建立日益成熟的量子云計(jì)算生態(tài)。IBM 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié) HYPERLINK l _bookmark20 點(diǎn)如圖 7 所示。數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理圖 7 IBM 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線IBM 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的主要工作探索包括：持續(xù)開(kāi)展基礎(chǔ)量子信息科學(xué)的研究，不斷探索新的量子算法以降低錯(cuò)誤率以保證計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。構(gòu)建科研和商用的量子硬件及平臺(tái)系統(tǒng)，保證量子體積和量子比特?cái)?shù)的不斷增加。大力開(kāi)發(fā)量子電路和軟件，提供更多創(chuàng)新型用例供開(kāi)發(fā)人員和

43、企業(yè)進(jìn)一步探索。構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的量子計(jì)算社區(qū)環(huán)境，引導(dǎo)更多人了解和參與量子計(jì)算研究，形成 IBM 量子計(jì)算生態(tài)鏈。GoogleGoogle 在量子計(jì)算領(lǐng)域也具有強(qiáng)大的研發(fā)能力，布局主要圍繞基礎(chǔ)研究、硬件研發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)展開(kāi)。在多年的研究蓄力后，近三年Google 在量子領(lǐng)域的動(dòng)作愈加頻繁。Google 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點(diǎn)如 HYPERLINK l _bookmark21 圖 8 所示。數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理圖 8 Google 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線Google 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的主要工作探索包括：致力研發(fā)超導(dǎo)量子處理器，搭建量子計(jì)算框架和開(kāi)源庫(kù)，在軟硬件研發(fā)方面持續(xù)發(fā)力。量子計(jì)算

44、云服務(wù)目前尚未公開(kāi)，但 Google 已經(jīng)公開(kāi)表示未來(lái)將致力于提供可商用的量子計(jì)算云服務(wù)。Google 生態(tài)圈中的合作伙伴多，軟件開(kāi)源程度高。3.D-waveD-wave 是全球最早的量子計(jì)算公司，成立于 1999 年，致力于量子計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)并向用戶(hù)提供以量子退火為技術(shù)原理的量子計(jì)算服務(wù)，形成了一套完整的量子計(jì)算研發(fā)與服務(wù)體系。D-wave 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的重要發(fā)展 HYPERLINK l _bookmark22 節(jié)點(diǎn)如圖 9 所示。數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理圖 9 D-wave 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線D-wave 采用了專(zhuān)用的量子退火計(jì)算方式，主要工作探索如下：利用獨(dú)特的量子退火

45、技術(shù)簡(jiǎn)化量子計(jì)算過(guò)程，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子退火計(jì)算試商用且證明了量子退火計(jì)算的應(yīng)用能力。作為起步最早的量子計(jì)算企業(yè)，在領(lǐng)域的布局方面同樣具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，量子計(jì)算機(jī)量子位增長(zhǎng)迅速、云服務(wù)向公眾開(kāi)放，形成了良性的生態(tài)循環(huán)。利用量子計(jì)算機(jī)商用所獲得的資源開(kāi)展眾多實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的研究，并與科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)合作開(kāi)展科研項(xiàng)目。Amazon作為全球最大的云計(jì)算提供商，2019 年 12 月，Amazon 正式進(jìn)軍量子云計(jì)算，宣布推出全新的全托管式 Amazon Web Services（AWS）解決方案Amazon Braket，Amazon 量子計(jì)算云平臺(tái)后端可連接多種第三方量子硬件設(shè)備如 IonQ 的離子

46、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(kāi)發(fā)者提供設(shè)計(jì)量子算法的開(kāi)發(fā)環(huán)境、測(cè)試算法的仿真環(huán)境，和對(duì)比三種類(lèi)型的量子計(jì)算設(shè)備運(yùn)行量子算法的平臺(tái)。因此 Braket 的優(yōu)勢(shì)在于，研究者和開(kāi)發(fā)人員可以更全面地探索量子計(jì)算復(fù)雜任務(wù)設(shè)計(jì)。不同于擁有自研的量子計(jì)算硬件的企業(yè)，Amazon 目前只提供量子計(jì)算軟件平臺(tái)服務(wù)（Q-PaaS）。但 Amazon 也與加州理工學(xué)院合作共同開(kāi)設(shè)量子研究中心，未來(lái)可能會(huì)在硬件方面開(kāi)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(jì)劃，參與 Amazon 量子解決方案實(shí)驗(yàn)室的包

47、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(hù)共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)客戶(hù)將量子解決方案納入業(yè)務(wù)，從而在幫助客戶(hù)滿足高性能計(jì)算需求的同時(shí)建立圍繞 Braket 為中心的量子云計(jì)算生態(tài)圈。MicrosoftMicrosoft 目前也在量子軟件開(kāi)發(fā)和軟件社區(qū)運(yùn)營(yíng)方面進(jìn)行了大力的推動(dòng)，硬件研發(fā)也正在處于研究階段，暫未發(fā)布量子計(jì)算硬件的研究成果。Microsoft 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點(diǎn)如 HYPERLINK l _bookmark23 圖 HYPERLINK l

48、_bookmark23 10 所示。數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理圖 10 Microsoft 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線Microsoft 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的主要工作探索包括：不同于其他企業(yè)，Microsoft 首推全新的量子編程語(yǔ)言 Q#， 建設(shè)一套獨(dú)立且能夠更好適配量子計(jì)算的編程模式。初期圍繞QDK 開(kāi)展量子生態(tài)建設(shè)，引導(dǎo)用戶(hù)使用 Q#；Azure Quantum 云平臺(tái)推出后聯(lián)合其他量子企業(yè)進(jìn)一步為全行業(yè)用戶(hù)提供量子硬件服務(wù)。量子硬件的研發(fā)正在進(jìn)行中，Microsoft 目前尚未正式發(fā)布自研量子計(jì)算機(jī)。Rigetti作為初創(chuàng)量子企業(yè)的代表，Rigetti 憑借強(qiáng)大的科研實(shí)力在眾多大企業(yè)蓄力研究的

49、量子計(jì)算領(lǐng)域爭(zhēng)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(kāi)發(fā)以及量子計(jì)算機(jī)商用探索和量子生態(tài)圈建設(shè)。Rigetti 發(fā)展過(guò)程中的主要時(shí)間線 HYPERLINK l _bookmark24 如圖 11 所示。數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理圖 11 Rigetti 量子云計(jì)算發(fā)展時(shí)間線Rigetti 在量子云計(jì)算領(lǐng)域的主要工作探索包括：開(kāi)展全棧式路線，兼顧硬件開(kāi)發(fā)、軟件框架搭建以及商用生態(tài)圈建設(shè)。前期主推自主研發(fā)的云平臺(tái)，后期嘗試與云平臺(tái)成熟的大企業(yè)Amazon 合作，將量子計(jì)算機(jī)硬件接入Braket，以構(gòu)建更廣闊的生態(tài)圈并尋求更

50、大的市場(chǎng)。除了自主開(kāi)設(shè)比賽拓展量子計(jì)算的商業(yè)應(yīng)用，還與眾多企業(yè)達(dá)成合作，尤其是加入APN，進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算商業(yè)化的開(kāi)展。小結(jié)隨著國(guó)際巨頭，如 IBM、Google、AWS、Microsoft 等科技公司紛紛布局量子云計(jì)算，搶占未來(lái)發(fā)展先機(jī)，量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快車(chē)道，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷提速。國(guó)際企業(yè)百家爭(zhēng)鳴，為培養(yǎng)量子計(jì)算用戶(hù)習(xí)慣，占領(lǐng)生態(tài)地位，目前競(jìng)爭(zhēng)如火如荼?？傮w而言，量子計(jì)算云平臺(tái)發(fā)展的主要競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)自于美國(guó)，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(shì)，美國(guó)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Microsof

51、t 目前尚未形成全棧式布局，但也已經(jīng)通過(guò)與其他企業(yè)合作的方式暫時(shí)彌補(bǔ)了硬件的空缺，并正在大力開(kāi)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(shì)成功獲得了多輪的巨額資金支持，目前在開(kāi)展全棧研發(fā)外也與Amazon 合作推廣自研的量子計(jì)算機(jī)。D-wave 的量子退火技術(shù)路線也有實(shí)際的應(yīng)用示范并已開(kāi)始為若干企業(yè)提供量子計(jì)算服務(wù)，證明了專(zhuān)用量子計(jì)算的應(yīng)用潛力。（二）國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)逐步興起，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好國(guó)內(nèi)提供量子計(jì)算云平臺(tái)的典型企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r如下：華為華為于 2012 年起開(kāi)始從事量子計(jì)算的研究，量子計(jì)算作為華為中央研究院數(shù)據(jù)中心實(shí)驗(yàn)室的重要研究領(lǐng)域，研究方向包括了量子計(jì)算軟件，量子算法與應(yīng)

52、用等。在 HUAWEI CONNECT 2018 大會(huì)上， 華為首次發(fā)布其量子計(jì)算模擬器 HiQ 云服務(wù)平臺(tái)，搭載量子線路模擬器和基于模擬器開(kāi)發(fā)的量子編程框架。目前 HiQ 云服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)推出到 3.0 版本，新增兩個(gè)核心模塊：量子組合優(yōu)化求解器 HiQ Optimizer 和張量網(wǎng)絡(luò)計(jì)算加速器 HiQ Tensor， 同時(shí)升級(jí) HiQ Circuit、HiQ Fermion、HiQ Pulse 等多個(gè)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(chǎng)景，意在構(gòu)建業(yè)界領(lǐng)先的量子計(jì)算云服務(wù)，給用戶(hù)、開(kāi)發(fā)者提供簡(jiǎn)單、易用、高效的全棧量子編程體驗(yàn)。本源合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司（

53、簡(jiǎn)稱(chēng)“本源量子”）成立于 2017 年 9 月 11 日，是國(guó)內(nèi)首家量子計(jì)算初創(chuàng)公司，目前專(zhuān)注量子計(jì)算全棧開(kāi)發(fā)，設(shè)立了量子芯片、量子測(cè)控、量子軟件、量子云、量子應(yīng)用、量子計(jì)算機(jī)六大業(yè)務(wù)板塊，推出了量子計(jì)算云平臺(tái)OriginQ，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(jī)或基于半導(dǎo)體及超導(dǎo)的真實(shí)量子計(jì)算機(jī)，并提供 OriginIR 編程指令集和 QPanda 量子計(jì)算編程框架，同時(shí)還推出了移動(dòng)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(guó)量子計(jì)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(guó)內(nèi)首個(gè)搭載了真實(shí)超導(dǎo)量子芯片的超導(dǎo)量

54、子計(jì)算云平臺(tái)。百度百度于 2018 年成立量子計(jì)算研究所，主要進(jìn)行量子計(jì)算軟件和應(yīng)用研究，推動(dòng)量子計(jì)算的應(yīng)用快速落地，經(jīng)過(guò)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”主體的百度量子平臺(tái)。其中“量脈”（Quanlse）發(fā)布于 2019 年百度人工智能開(kāi)發(fā)者大會(huì)，是百度量子計(jì)算研究所開(kāi)發(fā)的量子脈沖計(jì)算系統(tǒng), 適用于核磁共振量子計(jì)算、超導(dǎo)量子計(jì)算等平臺(tái)的量子邏輯門(mén)脈沖快速產(chǎn)生及優(yōu)化。作為基于云平臺(tái)的量子脈沖計(jì)算系統(tǒng)，“量脈”可以作為連接量子軟件和硬件的橋梁?！傲繕保≒addle Quantum）是百度的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)飛槳發(fā)布的基于量子機(jī)器學(xué)習(xí)的開(kāi)發(fā)工具，是百度飛槳平臺(tái)支持的量

55、子機(jī)器學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)量槳搭建量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)量槳還提供了豐富的量子機(jī)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(jì)算平臺(tái)“量易伏”，可用于編程、模擬和運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)，為量子基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供量子計(jì)算環(huán)境。騰訊騰訊于 2017 年進(jìn)軍量子計(jì)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(jī)器人和量子計(jì)算，構(gòu)建面向未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施，探索推動(dòng)以技術(shù)服務(wù) B 端實(shí)體產(chǎn)業(yè)。目前主要聚焦在依托騰訊云搭建的化學(xué)計(jì)算云平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)室于2019 年發(fā)布了 Sim

56、hub 云計(jì)算平臺(tái)，致力于填補(bǔ)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(jì)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(jì)算的使用習(xí)慣和場(chǎng)景。阿里巴巴阿里巴巴 2015 年與中科院聯(lián)合成立“中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)軍量子信息領(lǐng)域的前瞻性研究并研制量子計(jì)算機(jī)， 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(jì)算機(jī)，以及可模擬 81 位物理比特的自有量子云計(jì)算模擬器“太章”。阿里巴巴的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是作為國(guó)內(nèi)最大的云服務(wù)提供商，具有顯著的客戶(hù)和渠道優(yōu)勢(shì)，推廣成本低，2017

57、年依托阿里云初步推出了量子計(jì)算云平臺(tái)的體驗(yàn)版。量旋量旋科技于 2018 年 8 月在深圳成立，核心團(tuán)隊(duì)由來(lái)自于清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)以及華盛頓大學(xué)的量子計(jì)算專(zhuān)家組成。量旋科技致力于量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化，目標(biāo)是研發(fā)出實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)，并提供量子計(jì)算全套解決方案。2020 年01 月 06 日，在 QIP 國(guó)際會(huì)議上正式發(fā)布了業(yè)界首臺(tái)桌面型核磁共振量子計(jì)算機(jī)（2 比特）“雙子座”。目前開(kāi)放的量子計(jì)算云平臺(tái)PCloudQ，開(kāi)放了底層控制層，即允許用戶(hù)自主設(shè)計(jì)量子控制脈沖形狀，使用戶(hù)從更基本的層次理解實(shí)際量子體系的運(yùn)行規(guī)則。目前該平臺(tái)致力于量子計(jì)算領(lǐng)域的教學(xué)科研與科學(xué)普及工作。

58、小結(jié)國(guó)內(nèi)量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)起步較晚，云計(jì)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(jìn)水平相比仍有一定差距，但目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，依托于國(guó)內(nèi)海量的用戶(hù)群體與完善的信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)，量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)逐步興起，力爭(zhēng)縮短與國(guó)際量子云計(jì)算第一梯隊(duì)的差距。五、量子云計(jì)算測(cè)評(píng)工作初步展開(kāi)量子云計(jì)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(shí)也具備多態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)景與服務(wù)體驗(yàn)。量子云計(jì)算的科學(xué)測(cè)評(píng)，在方法論層面與實(shí)踐層面，對(duì)于引導(dǎo)量子計(jì)算的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、服務(wù)良性發(fā)展有積極推動(dòng)的作用。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)已開(kāi)展了量子計(jì)算本身的測(cè)評(píng)工作，企業(yè)方面，IBM 提出的“量子體積”是衡量量子計(jì)算能力較為全面的綜合性能

59、準(zhǔn)則 HYPERLINK l _bookmark28 4 ；標(biāo)準(zhǔn)方面，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)組通過(guò) P7131 標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)建議（Approved PAR），啟動(dòng)量子計(jì)算性能度量指標(biāo)和基準(zhǔn)測(cè)試的研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作；研究機(jī)構(gòu)方面，美國(guó)能源部先進(jìn)計(jì)算研究（ASCR）計(jì)劃發(fā)布了ASCR 關(guān)于建立用于科學(xué)的量子計(jì)算測(cè)試平臺(tái)的報(bào)告 HYPERLINK l _bookmark29 5， 詳細(xì)介紹了ASCR 計(jì)劃召開(kāi)的量子計(jì)算測(cè)試平臺(tái)利益相關(guān)方研討會(huì)的結(jié)果，識(shí)別了建立量子計(jì)算測(cè)試平臺(tái)的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，以推動(dòng)量子計(jì)算硬件和軟件系統(tǒng)的發(fā)展，在未來(lái) 5 年促進(jìn)量子計(jì)算的科學(xué)應(yīng)用。目前這些測(cè)評(píng)實(shí)踐工作更聚焦于量子計(jì)算技術(shù)主體，對(duì)于量

60、子云計(jì)算所提供的綜合運(yùn)行能力、計(jì)算服務(wù)與應(yīng)用成效還缺少系統(tǒng)性的研究與實(shí)踐。本報(bào)告圍繞量子云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、服務(wù)模式及應(yīng)用能力，對(duì)量子云計(jì)算的測(cè)評(píng)開(kāi)展了初步探索。（一）測(cè)評(píng)體系測(cè)評(píng)框架本報(bào)告構(gòu)建的量子云測(cè)評(píng)體系主要包括測(cè)評(píng)原則、測(cè)評(píng)流程、測(cè)評(píng)方法與測(cè)評(píng)維度四部分內(nèi)容，如 HYPERLINK l _bookmark30 圖 12 所示。4Andrew W. Cross, Lev S.Bishop. et.al., Validating quantum computers using randomized model circuits, /pdf/1811.12926.pdf, 2019.