2022全球量子计算产业发展报告（中）

一、云平台进展

云计算经过近二十年发展已趋于成熟。随着量子计算的快速发展，量子计算与云计算有机结合，产生了“量子计算云平台”，极大地克服了目前量子计算机制造成本昂贵、维护难度高、占用空间大等缺陷。量子计算云平台不仅可以推动量子软件及算法的研发，还对整个量子生态产业环境的培养以及增加人们对量子计算的认识具有重大意义。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。

自2016年IBM推出商业化量子计算云平台以来，至今已有超过32.5万名注册用户，开源Qiskit软件开发工具包下载超过65万次，每天在IBM Quantum系统上运行20亿个量子电路，已使用IBM Quantum发表了700多篇论文。截至目前，全球有超过20家公司/科研机构开发了量子计算云平台。量子计算云平台将在未来很长的一段时间内助力量子计算的商业化进程，以更低的成本和更优质的服务满足用户的更多需求。

表10 全球量子计算云平台发展历程

注1：IBM云平台上线的24个量子系统中只有7个系统向中国用户提供，最高比特数5；IBM的127量子比特芯片还未上线。

注2：Rigetti的40和80量子比特处理器正在内测，还未上线

注3：量子退火机的量子比特数量不能与基于门的量子计算机相提并论。

注4：Azure Quantum和Rigetti达成合作，将于今年第一季度接入后者的量子计算机。

注5：Strangeworks QC是一个跨硬件、软件兼容的量子开发环境，用户可以通过平台直接注册使用IBM Quantum。

来源：ICV

2021年，国内外量子计算云平台的最新进展如下。

（一）国外量子计算云平台

1、IBM

2021年3月，IBM宣布其量子云平台由IBM Quantum Composer和IBM Quantum Lab组成，它们取代了之前的IBM Quantum Experience。IBM Quantum Composer是一个图形化的量子编程工具，允许用户操作来构建量子电路并在真实的量子硬件或模拟器上运行它们。而在Quantum Lab中，用户可以在Jupyter Notebook环境中编写结合Qiskit代码、方程、可视化和叙述文本的脚本，并在真实量子硬件或模拟器上运行代码，从任何地方存储、访问和管理文件。

目前，IBM量子计算云平台实行三个等级的访问，最初级的访问是Open Access，用户仅需简单注册，即可通过公共云提供的多个量子计算系统；中级的访问是Advance Access，具有更多量子比特数量和容量的开放和附加系统的特定用户；高级的访问是Premium Access，通过订阅优先时间分配，可以使用IBM最先进的量子计算系统。Advance Access和Premium Access需要申请特别用户使用权限。

2、微软

2021年2月，Azure Quantum服务升级为面向公众的公共预览版，用户通过该系统可以访问IonQ、霍尼韦尔、Quantum Circuits Inc.的量子计算机，还可以使用微软、1QBit、东芝开发的优化算法。

2021年6月，Azure Quantum进一步扩展求解器产品，在原有的求解器平行回火（PT）和量子蒙特卡罗（QMC）基础上，增加了另外两种算法：次随机蒙特卡罗（SSMC）和群体退火（PA）。

2021年7月，微软宣布Azure Quantum将增加四个新功能：1.量子Python开发人员能够将电路直接发送到Azure Quantum，通过与主要的量子Python SDK集成，开发人员可以使用他们熟悉的工具来体验Azure Quantum生态系统并与之交互；2.开发人员可以从Jupyter Notebooks中免费访问Azure Quantum；3.增加一个基于云的全状态模拟器，使开发人员可以模拟更大的量子程序；4.推出新的开放模拟器（预览版），使开发人员可以模拟程序如何在当今可用的硬件系统上运行。

2021年12月，Rigetti Computing宣布与微软合作，通过云向微软Azure Quantum服务的用户提供Rigetti量子计算机。双方预计在2022年第一季度完成整合并向用户开放。届时，Rigetti系统将成为Azure Quantum上最大规模的量子计算机。

3、谷歌

2021年6月，IonQ的11量子比特离子阱量子计算机宣布在谷歌云上向公众开放，而谷歌的超导量子计算机也处于内部测试模式。当前的谷歌云客户将能够使用他们现有的帐户通过谷歌云市场访问IonQ机器。同时，IonQ宣布将其量子计算平台与谷歌领先的开源量子计算框架Cirq完全集成。

4、D-Wave

2021年2月，新加坡宣布引进D-Wave Leap量子云服务，使新加坡的开发人员、研究人员和企业可以通过Leap实时访问D-Wave的5000比特Advantage量子退火机、混合量子/经典求解器和量子应用环境。

截至2021年8月，Leap量子云服务提供访问的国家有38个，包括欧盟的全部27个成员国、日本、冰岛、列支敦士登、挪威、瑞士、英国、美国、澳大利亚等，中国目前不在可访问国家列表中。

2021年12月，D-Wave在Q2B 2021大会上发布新的量子加速包Quantum QuickStart™，结合了量子编程培训和云访问。Quantum QuickStart旨在快速培训并使得开发人员能够轻松利用量子计算和量子混合资源构建量子应用程序，为开发人员提供全面的培训体验和一个月的无限制实时量子云访问。

2021年12月，日本NEC公司成为D-Wave Leap量子云服务的第一家全球经销商。此举将进一步促进D-Wave基于云的量子计算和量子混合求解器服务的快速扩展与运用。

5、Strangeworks

Strangeworks量子计算平台是一个可使研究人员、开发人员和爱好者能够快速学习、开发量子代码的免费的量子计算生态系统，2021年2月正式上线。通过Strangeworks量子计算平台，用户可轻松创建、组织和协作量子计算项目，并访问代码库、框架和语言。同时该平台还与IBM等诸多量子计算公司合作，将其加入到自己的量子计算生态中。目前加入方式为在网站上显示各量子计算云平台的网站链接。当前该平台本身的量子计算后端仅有量子计算模拟器。

2021年6月，IBM宣布Strangeworks公司已将IBM的所有量子计算系统整合到Strangeworks量子计算生态系统中，用户可以通过Strangeworks QC直接和完全免费地访问这些系统。

2021年10月，Strangeworks推出后台通行证（Backstage Pass）计划，帮助开发人员和研究人员加速研究机构、政府和商业组织的量子计算研发。该计划的成员将可以使用Strangeworks自己的内部开发团队及其量子企业联盟成员提供的最新技术。

2021年12月，ColdQuanta宣布，把即将推出的量子计算机Hilbert先提供给Strangeworks后台通行证的成员，随后再全面开放。Hilbert量子计算机共拥有121个冷原子，每个冷原子作为一个量子比特。

（二）国内量子计算云平台

1、本源量子

2021年2月，由本源量子自主研发的工程化超导量子计算机本源悟源2号正式上线，用户可继续通过本源量子云使用该量子计算机。本源悟源2号沿用了本源悟源1号的设计架构，搭载本源第一代超导6比特量子处理器夸父KF C6-130和本源量子测控一体机。9月，本源量子在首届量子产业大会磅发布本源量子云平台国际版，力争让中国量子计算机的软硬件系统和标准迈向世界。此前2020年12月，本源量子在业内首次提出了量子计算“五朵云”战略，面向全网用户提供“学习—训练—交流—服务—应用”全流程的量子计算服务平台。目前本源量子云平台上已上线金融工程、智能制造、生物化工、大数据、人工智能等量子计算应用。

利用量子计算云平台，越来越多的研究人员开始尝试在各行业探索量子计算新应用，2021年10月，本源量子与合肥市大数据公司共同打造的量子计算创新创业平台正式上线，为国内首个以“量子计算”为主要特色的双创平台。今年1月升级为2.0版，更新为“量子计算全球开发者平台”，面向全球量子计算爱好者和开发者，提供全面丰富的量子计算服务。

图17 本源量子计算“五朵云”

来源：本源量子

2、量子创新研究院/国盾量子

2021年4月，中科院量子信息与量子科技创新研究院（简称为“量子创新研究院”）量子计算云平台进行了系统切换，该研究院联合济南量子技术研究院和国盾量子等对网站页面和功能进行了重新设计，超导量子计算原型机升级至12比特。该量子计算原型机由一个包含12个超导量子比特的量子芯片、极低温极低噪声测控平台、高精度量子调控电子学系统和量子操控软件系统组成，可以通过标准的量子门指令集进行编程运行量子算法。

全新的量子计算云平台是一个集实验（实体量子计算物理机）、交流（关键量子计算技术和前沿研究结果）、分享（量子计算知识普及）为一体的公共平台信息系统。

此外，量子创新研究院量子计算云平台将在未来接入“九章”量子计算机，用户可有效求解“高斯玻色取样”数学问题，并把该数学问题映射到量子化学、机器学习等应用。

图18 量子计算云平台

来源：量子创新研究院

3、北京量子信息科学研究院

2021年5月，北京量子院量子计算研究部第一代超导量子计算云平台正式上线，对大众全面开放。该云平台的特点如下：提供8个近邻耦合的可调频率量子比特；采用简洁直观的图形化界面，用户可自由组合量子门并返回各量子比特投影测量结果；提供QASM代码和实时的模拟结果，让用户能够更直观了解量子电路的预期运行结果。

4、中国科学院物理研究所

2021年5月，中国科学院物理研究所超导量子计算云平台ScQ.Cloud正式上线，免费对公众开放，用户目前可以访问10比特的量子处理器。ScQ.Cloud提供了一个超导处理器集群，分别集成了10个和30个量子比特。此外，该平台还提供一个基于名为QtVM的计算机服务器的模拟器，它可以运行多达34个量子比特的量子计算。量子汇编语言QASM可以应用于ScQ.Cloud。ScQ.Cloud还将与公司合作，提供定制科研和教学服务。

5、昆峰量子

2021年6月，昆峰量子的昆昇量子设计服务云平台（QDAP）Alpha版正式发布上线。这是一个“云原生”面向量子芯片设计自动化的平台，旨在为量子计算和量子器件领域的从业人员提供即开即用、基于云端的量子芯片设计服务。昆昇目前仅供邀请客户使用，体验使用需申请后获批即可。

二、软件进展

（一）国外软件开发企业

1、IBM

2021年3月，IBM发布了超导量子计算机开源电子设计自动化软件Qiskit Metal，这是第一个专门针对量子计算机的电子设计自动化（EDA）工具，旨在帮助量子计算领域的研究人员使用预构建或定制的组件轻松地自主创新和设计超导量子设备。通过Qiskit Metal组件库，处理第一级布局只需几分钟。然后进行自动经典分析，以确定设备的电磁特性，接下来进行量子分析，以返回设备的能量本征光谱等信息。最后，用户可以将量子分析的结果与目标哈密顿量进行比较，并根据需要进行调整。

图19 开源电子设计自动化软件Qiskit Metal

来源：IBM

2、IQM

2021年6月，总部位于芬兰的欧洲量子计算公司IQM发布了用于自动化设计超导量子处理器的开源软件工具KQCircuits——由芬兰阿尔托大学和IQM利用KLayout设计程序联合开发的Python库。KQCircuits创建了一个由社区驱动的通用平台，通过一个简单、开放的框架，实现了从芯片设计、模拟到制造的量子芯片开发。借助KQCircuits，量子工程师和物理学家只需点击一下即可方便地生成芯片设计。他们还可以在设备制造过程之前检查信号路由，避免产生代价高昂的错误。

3、Multiverse Computing

2021年8月，总部位于西班牙和加拿大的金融量子算法公司Multiverse Computing推出第一款产品——Singularity，这是一个Excel插件，可以直接用于量子投资优化。该产品可以将强大的量子计算直接连接到Excel表格——分析师用来处理财务数据并获得销售给客户的产品。安装这个插件后，只需要输入相关的数据，如资产的回报率和波动率，以及其他参数，如总投资和投资区间。单击开始优化后，Singularity负责设计优化问题，再发送到云端的量子计算机，返回结果并以用户友好的方式显示

图20 Singularity量子金融分析工具

来源：Multiverse Computing

4、Super.tech

2021年8月，位于美国芝加哥的量子软件初创公司Super.tech宣布推出跨硬件的量子软件平台SuperstaQ，可将应用程序连接到来自IBM、IonQ和Rigetti的量子计算机。SuperstaQ通过跨越整个系统堆栈的优化来提高性能，直至模拟控制量子硬件技术的脉冲。

SuperstaQ在整个量子堆栈中进行了优化，使得典型量子程序的错误减少了2倍。SuperstaQ包括一个复杂的错误缓解技术库，包括动态解耦、激发态提升和零噪声外推。SuperstaQ根据目标硬件的脉冲级原生门（native gate）自动优化量子程序。SuperstaQ已通过开源Qiskit-SuperstaQ存储库与IBM Qiskit生态系统集成。用户还可以通过Cirq-SuperstaQ或者superstaq.super.tech/api上的OpenAPI与SuperstaQ进行交互。

5、aQuantum

2021年10月，西班牙量子软件公司aQuantum宣布第一个面向高质量量子软件的量子开发和应用生命周期平台QuantumPath®可以公开访问。该平台支持量子软件工程师从量子算法的创建、开发、测试和实施，再到部署和重复使用的整个生命周期。QuantumPath是一个由工具、服务和流程组成的生态系统，它可简化量子算法和应用程序集成到混合信息系统的开发。它由QPath®核心模块和QPath®平台应用程序组成。

QPath核心模块是QuantumPath平台的核心，可以在通用工具的辅助下管理跨硬件的量子算法和解决方案（基于门、量子退火）。QPath平台应用程序支持软件工程和编程最佳实践的采用。目标是开发高质量的量子软件。为此，QPath平台应用程序提供了一系列广泛的应用程序，这些应用程序将逐步发布，并与QuantumPath系统的核心模块集成。

6、Quantinuum

2021年10月，Quantinuum（前剑桥量子）宣布发布世界上第一个量子自然语言处理（QNLP）工具包和库。该工具包被称为lambeq（或λambeq），以已故数学家和语言学家Joachim Lambek的名字命名。lambeq是世界上第一个QNLP软件工具包，能够将句子转换成量子电路，受益者包括全球量子计算领域的量子计算研究人员、开发人员和用户生态系统。lambeq采用模块化设计，因此用户可以在模型中交换组件，并在架构设计上具有灵活性。

图21 lambeq将句子转换成量子电路

来源：Quantinuum

（二）国内软件开发企业

1、本源量子

2021年2月，本源量子发布首款国产量子计算机操作系统——本源司南。该系统全面超越已有产品，实现量子资源系统化管理、量子计算任务并行化执行、量子芯片自动化校准等全新功能，助力量子计算机高效稳定运行。本源司南具备经典操作系统的基础功能，更带来了高效利用量子计算机资源的解决方案。针对任务和问题，本源司南强大的量子资源管理功能，不仅支持多量子任务的并行计算与调度，更支持对量子计算机持续不间断的校准优化。尤其是后者，它可以有效控制量子计算机因量子物理特性产生的性能浮动，确保执行任务时，量子计算机处于最佳性能状态。

针对不同类型量子计算机的特征和用户需求，本源司南提供应用模式和研发模式的无成本兼容，使量子计算机不仅能为商业用户开发出满足特定应用场景的应用，也能为科研用户提供服务，用于研制更强大的量子计算机。研发模式是指支持用户基于量子计算机操作系统直接操控一体机及相关设备，以达到调试及优化量子芯片性能指标的目的；应用模式是指支持用户基于量子计算机操作系统运行编码完成的量子程序。

本源司南可支持多种量子计算系统，能够为用户接入具有多个量子处理器核心的量子计算机高性能工作站，包括超导量子处理器、半导体量子处理器、离子阱量子处理器，或是混合量子处理器。用户只需要通过口令，接入管理员部署的一台经典服务器即可使用全部功能。据悉，本源量子已经出口一套本源司南量子计算操作系统和量子云服务平台到一带一路国家，开启中国量子计算生态系统的国际化。

图22 本源司南量子计算操作系统

来源：本源量子

此外，2021年2月，本源量子发布量子图像识别应用，开发研究量子卷积神经网络，有效提升了图像识别（二分类、多分类）的运行速度，并降低了资源消耗。2021年7月，本源量子推出量子化学应用ChemiQ正式版。ChemiQ适配量子虚拟机和量子计算机，能够可视化构建分子模型、快速模拟基态能量、扫描势能面、研究化学反应，最终以图形化形式展示量子计算结果。8月，本源量子发布了量子人工智能应用QGAN。该应用展示了量子计算机上的生成对抗网络在人像修复领域拥有相对于经典计算机的速度优势和空间优势，证明了基于超导量子比特技术的量子机器学习可行性。

2021年11月，本源量子发布国内第一款量子计算流体力学仿真软件“本源量禹”(OriginQ QCFD)，该软件基于量子有限体积法，原理上能实现对CFD仿真计算的亚线性加速。未来在航空航天、热能动力、环境工程等领域，该软件可以进行更高效的数值仿真实验。

图23 本源量禹使用界面

来源：本源量子

2、京东探索研究院

2021年8月，京东探索研究院提出全球首个以经典云平台为依托、量子计算设备为终端的量子并行处理框架QUDIO（quantum distributed optimization scheme），将可以实现充分调度现有量子计算资源去求解超越经典计算的大规模任务。

QUDIO是由一个经典处理器为中心和多个分布式量子处理器形成的量子云构成的，其中经典计算机作为一个中心节点服务器，将大规模数据进行高效划分并且快速分发到云端的多个量子计算机。每个量子计算机在获取到数据块之后独立处理，同时以一定频率与其他量子计算机进行通信，共享模型参数和处理结果，最后将计算结果返回到经典计算机进行汇总和后处理。整个计算过程完全实现在量子云上完成，经典计算机只负责数据的分发与通信。

QUDIO是一种独立于具体量子硬件和协议的框架，具有很强的兼容性，易于扩展到各种光量子计算机、离子阱量子计算机和超导量子计算机，能最大程度地利用现有的量子资源；它利用并行计算和量子计算的加速性能，为自然语言处理、计算机视觉、量子化学、组合优化等领域的大规模问题求解和数据处理提供显著的运行时间优势。

3、百度量子计算研究所

2021年10月，百度量子计算研究所发布全球首个云原生量子集成开发环境YunIDE，提供全新量子编程体验。YunIDE开箱即用，拥有完备的量子计算环境配置，集成常用经典科研工具和量子开发工具链，能够降低经典程序开发者的学习门槛，使得全量量子开发触手可及，真正践行“人人皆可量子”的愿景。与其他编程环境相比，YunIDE具有响应速度快、资源消耗低、隔离租户运行、可定制化程度高等特点。YunIDE镜像内置量易伏等组件，并提供量脉、量桨等发布包，方便开发者高效便捷地研发量子控制、量子机器学习技术。

4、弧光量子

2021年1月，弧光量子发布国内首个量子程序设计与验证平台isQ。该平台包括量子程序设计、编译、模拟、分析与验证等系列工具，已经上线的功能主要包括编译器、模拟器、模型检测工具、定理证明器四部分。其中的定理证明器是国际上首个量子程序定理证明器，对量子程序的正确性验证有十分重要的作用。

5、图灵量子

2021年12月，图灵量子自主研发的国内首款商用光量子计算模拟软件FeynmanPAQS宣布试商用，弥补了国内这一领域技术和产品的空白。

FeynmanPAQS同时是专用光量子计算模拟软件和三维光子芯片设计的EDA软件，是着眼于未来实际芯片开发且方便易用的云计算模拟平台。作为量子计算模拟器，软件能够模拟并计算多种情况的光学演化过程。目前软件包括五大主要模块：

①单光子量子行走（Quantum Walks）；

②量子随机行走（Quantum Stochastic Walks）；

③多粒子量子行走（Multi-Particle Quantum Walks）；

④自由设计的二维量子行走（Customized Quantum Walks）；

⑤玻色采样（Boson Sampling）。

表11 2021年全球量子计算软件发展大事件

资料来源：ICV

三、算法进展

通过对目前行业客户参与量子软件与算法研发的进展情况，普遍认为金融、密码与制药有可能是最先受益的行业。

表12 量子计算各技术路线成熟度评价体系

注：评分采用5分制，1为最差，5为最优，○代表1分，●代表5分。

资料来源：ICV

（一）金融

2021年2月，本源量子携手中国建设银行旗下建信金科量子金融应用实验室，以建信基金应用场景为依托，联合发布共同研发的业内首批量子金融应用算法，包括“量子期权定价算法”与“量子风险价值（VaR）计量算法”，相关参数明显优于国外同类产品。实现了国内量子金融算法0的突破。

“量子期权定价算法”应用量子振幅估计相关的算法实现双对数级别的量子加速，从而可以加速使用经典蒙特卡罗方法的期权定价，获得一个高置信度的价格估计。与量子期权定价应用较为相似，VaR值估计算法也应用了量子振幅估计相关算法实现对经典蒙特卡罗方法的双对数级别的量子加速，最后获得一个稳定的VaR值计算值。

2021年3月，毕马威（KPMG）与丹麦技术大学的研究人员在D-Wave量子退火处理器上运行了一个包括65项资产的投资组合优化模型，并将结果与经典方法进行了比较。他们发现，量子退火机的性能比其他方法更好、更快，同时能够解决更大的问题。尽管研究还表明，D-Wave的技术仍然存在一些问题，比如不易编程和扩展。

2021年3月，德意志交易所集团（DBAG）聘请法兰克福的金融科技公司JoS QUANTUM开发了一种量子算法，以解决计算交易所业务风险模型中存在的挑战。两家公司合著了一篇论文《商业风险敏感性分析的量子算法》，研究结果表明，对于所选的1000个输入，量子计算比经典计算快20万倍，在经典硬件上运行传统蒙特卡罗模拟需要大约10年，而量子蒙特卡罗模拟的计算时间还不到30分钟。经典计算机模拟和量子计算机模拟的比较结果如下：

图24 商业风险敏感性分析的量子算法

来源：德意志交易所集团

2021年5月，为了加快量子算法在蒙特卡罗模拟中的应用，QCWare开发了一种新的量子算法，通过牺牲一些提速（1000倍变为100倍），实现浅层蒙特卡罗算法，预计能够在5到10年内可用的近期量子硬件上使用。提速1000倍的量子算法需要纠错量子硬件——预计将在10到20年内提供。

2021年9月，IonQ宣布在其量子计算机上演示了高盛和QC Ware最先进的量子算法，有望加快蒙特卡罗模拟的速度。蒙特卡罗模拟是许多行业解决问题的关键，包括金融、电信、机器人、气候科学和药物发现等。论文报告了在最先进的量子计算机上进行振幅估计实验的结果。量子振幅估计（QAE）使量子计算机能够实现一大类统计估计问题的平方加速，包括蒙特卡罗方法。

2021年9月，IonQ与富达应用技术中心（FCAT）联合发表论文，展示了其量子计算机如何超越传统计算机，生成用于测试金融模型的高质量数据。金融机构通常使用模型进行资产配置、电子交易和定价，并需要测试数据来验证这些模型的准确性。IonQ和FCAT采用了Copula——一种在统计模型中常用来描述大量变量之间关系的方法。通过使用量子计算机来实现该技术，证明了量子计算机构建复杂模型的能力远远大于经典计算机。

2021年11月，加拿大量子计算SaaS初创公司Agnostiq宣布与光量子计算公司Xanadu合作，在Xanadu的开源软件PennyLane上构建产品，以使用先进的计算技术解决金融问题。

2021年12月，本源量子发布量子金融投资组合优化应用。该研究成果基于量子优化算法Grover适应性搜索算法，可快速从所有投资组合中找到给定风险偏好下的最佳收益组合，进一步拓宽量子计算在金融领域的使用场景。

（二）化学、生物学、医学

2021年1月，Quantinuum（前剑桥量子公司）与全球TOP3制药巨头罗氏达成合作，罗氏将使用剑桥量子的EUMEN量子化学平台，模拟量子尺度的相互作用，研究治疗阿尔茨海默氏症和其他疾病的新疗法。

2021年3月，美国初创公司Entanglement创建了一个疫苗分发平台，使用突破性的量子计算技术和先进的数据模型，帮助美国政府制定和实施有效且公平的疫苗接种分配计划。此前，Entanglement公司和富士通公司合作为美国国防部开发了一个类似的平台，以优化个人防护装备在美国所有县公平分配。该平台的性能优于可比较的进化算法90％以上。

2021年3月，欧洲量子计算软件开发商Qu&Co发布QUBEC测试版，这是第一个专为化学和材料科学设计的量子计算平台。QUBEC融合了最先进的专有和开源化学算法。混合量子经典算法允许小规模的量子处理器进行实验，QUBEC通过与IBM Quantum Experience和亚马逊Braket平台的集成提供对该处理器的访问。2021年5月，美国杨森制药（Janssen）宣布与Qu&Co将开展一项为期三年的研究合作，开发和测试用于药物研发的新型量子算法和软件。杨森制药是国际上三家研发生产新冠疫苗的公司之一，目前疫苗已获准在美国使用。

2021年7月，本源量子推出了量子化学应用ChemiQ正式版。ChemiQ适配量子虚拟机和量子计算机，能够可视化构建分子模型、快速模拟基态能量、扫描势能面、研究化学反应，最终以图形化形式展示量子计算结果。10月，该公司发布量子化学软件ChemiQ国际版，面向全球生物医药、化学工业以及新材料等行业用户提供量子计算化学的中国解决方案。此外，本源量子还发起成立了量子生物化学行业生态联盟。

2021年8月，英国量子软件初创公司Phasecraft介绍了一种很有前途的量子系统模拟新策略。与之前表现最好的研究相比，他们的工作显示出了5个数量级的改进。新算法只需要259个逻辑时间步，甚至考虑了噪声和错误，而与之前的最好记录是1,243,586。这让以前被认为需要完全可扩展的、容错的量子计算机才能进行的哈密顿量模拟，在NISQ时代更接近可行。

2021年9月，新日铁和Quantinuum（前剑桥量子公司）表示，他们以两种不同的配置模拟铁晶体的行为，使用的算法和噪声缓解技术可以在今天的NISQ量子计算机上运行。为了模拟铁晶体，研究人员使用了一个IBM量子处理器的七个量子比特。研究人员也指出，要实现对铁晶体能量状态的更精确模拟，需要一种比目前存在的更强大、更不容易出错的量子设备。

2021年11月，谷歌量子人工智能实验室和初创公司QSimulate联合发布了费米量子仿真器（FQE），这是一个在费米子模拟中仿真量子计算机行为的软件框架。FQE利用化学、材料和凝聚态物质系统中常见的对称性（包括数对称性和自旋对称性），在模拟费米子量子电路时获得了显著的性能增益。通过将模拟速度提高了几个数量级，FQE将帮助量子科学家预测材料量子计算所需的硬件资源，并为这种模拟执行经典基准测试。

2021年12月，俄勒冈健康与科学大学和英特尔公司发布的报告《生物学和医学量子优势前景》显示，如果实现广泛的量子优势，将大大有利于某些医学和生物学研究。报告总结了生物学和医学领域在短期或中期内可能实现量子优势的具体应用：

表13 生物学和医学领域的预期量子优势

来源：英特尔

（三）人工智能

2021年2月，本源量子团队自主研发量子人工智能应用——量子图像识别应用，提供二分类识别与多分类识别两种功能，可识别手写数字0和1或多种常见动物。此前，本源量子还曾发布量子手写数字识别应用，并公开在其本源量子云平台上。

2021年3月，Quantinuum（前剑桥量子公司）展示了有史以来最大的量子自然语言处理任务。自然语言处理（NLP）是一项重要的人工智能技术，主要应用于机器翻译、舆情监测、自动摘要、观点提取、文本分类、问题回答、文本语义对比、语音识别、文字识别等方面。实验在IBM量子计算机上将句子实例化为参数化量子电路，将词义嵌入为量子态，量子态根据句子的语法结构“纠缠”在一起。

2021年3月，维也纳大学、因斯布鲁克大学、奥地利科学院、莱顿大学和德国航空航天中心的研究人员首次成功地通过实验证明利用量子技术能够加快机器人的学习时间。该团队将单光子耦合到集成光子量子处理器中。该处理器被用作机器人并用于执行学习任务。在这里，机器人将学习将单个光子路由到一个预定义的方向。在使用10000个AI代理并经过165项实验后，他们发现在挑战更复杂的问题时，混合量子系统显示出明显的优势。

2021年3月，Quantum Computing Inc.（QCI）推出了QGraph平台，它基于QCI即时运行量子软件Qatalyst分析图形问题（即顶点和边的集合）。在图形被提交给Qatalyst API后，QGraph会自动将图形转换为基于特定请求函数的约束优化问题。然后问题被提交给Qatalyst Core进行量子转换和处理。最后，QGraph转换并以与图形相关的格式将其呈现给请求的工作流、应用程序或中小企业。

2021年3月，Quantinuum（前剑桥量子公司）最新研究表明，量子计算机可以学会推理。剑桥量子使用了两种最新的机器学习技术：对抗训练和核化Stein差异法。对抗训练方法一前一后优化了一个经典概率分类器和一个被称为玻恩机的概率量子模型。玻恩机是近似后验分布的表达。它输出表示未观测变量配置的位串。训练步骤优化分类器和玻恩机的参数，直到其输出与真实后验分布的样本紧密匹配。第二种方法是在不进行对抗训练的情况下，使玻恩机和真实后验之间的核化Stein差异最小化。

2021年5月，在《自然·通讯》杂志上发表的“数据在量子机器学习中的力量”中，谷歌的研究人员剖析了机器学习中的量子优势问题，从而可以更好地了解它将在何时适用。在谷歌的工作中，他们开发了一套实用的工具来检验这些问题，并使用它们来开发一种新的投影量子核方法，该方法与现有方法相比具有许多优势。谷歌进行了迄今为止最大的数字演示（30量子比特），展示了量子嵌入的潜在学习优势。

2021年7月，IBM在一篇论文中提出了一种量子核（kernel）算法，在只允许数据经典访问的情况下，相比经典机器学习算法，它在一个分类问题上提供了可证明的指数加速。它的量子优势来自于：我们可以构建一个只有量子计算机才能识别内在标记模式的数据集，对于经典计算机来说，这些数据集看起来像随机噪声。但是量子核估计算法仍有局限性，为了获得优势，分类问题必须首先遵循一种循环结构。因此，仍然会有许多现实生活中的问题，这种量子算法的表现不会比传统的经典机器学习算法好。下一步，IBM将讨论这种结构的可推广性。

2021年8月，本源量子发布量子人工智能应用QGAN。该应用展示了量子计算机上的生成对抗网络在人像修复领域拥有相对于经典计算机的速度优势和空间优势，证明了基于超导量子比特技术的量子机器学习可行性。

2021年11月，英伟达宣布使用其自主开发的cuQuantum工具包创建了有史以来最大规模的量子算法模拟来解决最大割（MaxCut）问题。cuQuantum能够使大型量子电路的模拟速度大大加快。结果表明，英伟达研究人员使用896个GPU模拟1688个量子比特，能够解出一个有3375个顶点的图，这比之前最大的量子模拟多了8倍的量子比特。他们的解也非常精确，达到了已知最佳解的96%。

（四）汽车

2021年2月，德国启动了一个为期两年的名为“QuESt”的项目，德国航空航天中心（DLR）和弗劳恩霍夫材料力学研究所（IWM）正在使用量子计算机研究用于更强大电池和燃料电池的新材料。全球最大的汽车技术供应商博世集团和梅赛德斯-奔驰北美研发公司也作为合作伙伴参与了QuESt。QuESt旨在采用创新模拟技术的电化学能量储存与转换的量子计算机材料设计。量子计算机将被用来模拟能量储存装置内的电化学过程。在模拟中，科学家们比较了各种新材料和电极结构的量子化学相互作用。他们的最终目标是实现电池中电子最高的化学结合能。在燃料电池中，氢和氧应该尽可能高效地相互反应。

2021年8月，来自悉尼大学和香港科技大学的研究人员通过“量子傅里叶变换估计行驶工况”，并且能够通过在IBM-Q16 Melbourne量子模拟器上的15量子比特运行更快地达到傅里叶驱动的行驶工况建模结果。汽车行驶工况，又称车辆测试循环，是描述汽车行驶的速度-时间曲线，快速估计行驶工况频率对于与燃油效率、减排和提高安全性相关的控制应用非常重要。

2021年12月，宝马量子计算挑战赛公布4个获胜者：1）自动驾驶功能的传感器定位：埃森哲团队解决了优化传感器定位以实现高度自动化驾驶功能的问题。2）材料变形模拟：量子计算初创企业Qu&Co在数值模拟领域求解偏微分方程的方法中脱颖而出。3）生产前车辆配置的优化：来自1QBit和NTT的获胜团队用混合算法解决了优化设备配置的命题逻辑中的可满足性问题。4）自动质量分析：QC Ware团队以其源自机器学习领域的方法脱颖而出，该方法可用于质量分析领域的图像识别。

（五）航空

2021年11月，本源量子发布国内第一款量子计算流体力学仿真软件“本源量禹”（OriginQ QCFD），该软件基于量子有限体积法，原理上能实现对CFD仿真计算的亚线性加速。本源量子称，未来在航空航天、热能动力、环境工程等领域，该软件可以进行更高效的数值仿真实验。

（六）能源

2021年1月，Quantinuum（前剑桥量子公司）宣布了他们与欧洲独立能源公司Aker BP公司的合作。双方合作着重于前沿量子机器学习(QML)算法的设计和演示，以解决多相流分类问题。该团队的解决方案由一个瞬时量子多项式时间电路组成，该电路被训练成一个三类分类器，使用剑桥量子的量子软件开发平台t|ket〉在IBM量子处理器上实现。通过对Aker BP数据的测试，QML分类器只需要少量的量子比特就可以与具有非线性核的经典支持向量机（SVM）的性能相匹配。

（七）供应链/交通优化

2021年6月，全球第三大钢铁生产商新日铁委托Quantinuum（前剑桥量子公司）开发了一种算法，可以优化钢铁制造过程中使用的中间产品的调度，并在霍尼韦尔的量子计算系统上运行。但是并未公开具体结果。

2021年6月，日本住友公司、东北大学和美国OneSky系统公司启动了一项试点计划——量子转型（QX），从2021年6月持续到2021年12月，通过量子计算为城市空中交通（UAM）开发数千条飞行路线。研究人员进行了使用量子计算开发实时三维交通控制系统的演示，以此来应对数十万架空中机动车辆将在空中飞行的时代，并将可同时飞行的车辆数量提高了约70%。他们还证明在某些问题上，量子计算的速度大约是传统计算机的10倍。

2021年11月，Quantinuum（前剑桥量子公司）与德国联邦铁路公司子公司DB Netz宣布合作探索量子计算机如何改善铁路交通线路的重新调度。DB Netz将剑桥量子最新的组合优化算法过滤变分量子本征求解器（F-VQE）与其自身的运筹学专业知识相结合，以在模拟延迟后重新优化现实列车时刻表。

2021年11月，澳大利亚新南威尔士州交通局（TfNSW）宣布，计划从2021年初开始启动一系列量子计算试点项目，帮助优化公共交通网络。TfNSW局长Rob Stokes表示，“量子技术有潜力通过即时重新计算时间表和路线来实时解决交通网络问题，从而成为一个‘自愈’网络（Self-healing network）。通过量子技术为旅客提供个性化的实时信息，使他们的旅程更快、更安全、更可靠。”

（八）天气预报

2021年12月，Rigetti Computing宣布已经开发出一种使用量子计算机解决天气建模问题的有效方案。在现有机器学习工作流程的基础上，该公司将经典和量子机器学习技术相结合生成高质量的合成天气雷达数据，并将其用于改进风暴预测的经典模型。这项工作是在Rigetti的32量子比特系统上进行的，这证明了近期量子硬件的实际应用是可以实现的。

（九）密码

量子计算机的出现增加了破解传统加密方法的可能性。早在2019年，谷歌团队宣布，量子计算机将在8小时内破解2048位RSA加密，但需要2000万个量子比特。这样规模的量子计算机显然是一个遥不可及的梦想。在2021年9月发表的一篇新论文中，法国新能源与原子能委员会的研究人员证明，通过将量子存储器集成到量子计算机中，13436个量子比特就能破解RSA-2048，这比之前研究中所需的量子比特数减少了3个数量级。11月，本源量子发布破解RSA算法与破解ECC算法应用，减少了运行算法所需的量子比特数量，相关指标达到国际先进水平。同时，该官方平台上线了全球首款Shor量子算法破解密码的演示应用。

另一方面，量子计算机也可以为安全领域提供解决方案，因为量子比特的值在测量之前是不确定的，可以产生真随机数。2021年9月，亚马逊利用Braket量子计算服务平台上的Rigetti和IonQ量子处理器创建了真随机数。12月，剑桥量子公司利用霍尼韦尔System H1量子计算机也创建了随机数，并推出了世界上第一个量子计算驱动的加密密钥生成平台。

（十）基础科学

理查德·费曼最早提出了使用量子计算机模拟量子物质的设想，现在，这一设想得以实现——使用量子计算机制造时间晶体（time crystal）。2012年，时间晶体这一概念首次被提出。正如晶体的结构在空间中重复，时间晶体也在时间中重复，在没有任何能量输入的情况下无限重复，就像是一台“永动机”。

2021年，科学家首次使用量子计算机制造了时间晶体。11月，斯坦福大学、谷歌量子AI实验室、德国马克斯-普朗克研究所和牛津大学的研究人员使用谷歌的“悬铃木”量子计算机成功制造了时间晶体。而在此之前，加州大学伯克利分校的Norman Yao和荷兰QuTech的研究人员使用基于金刚石的量子计算机也成功制造了时间晶体，持续了大约8秒，寿命比谷歌的实验长了10倍。

表14 2021年全球量子计算应用算法发展大事件