CAICT中国信通院：量子计算发展态势研究报告（2023年）
量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些计算复杂问题上提供指数级加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。量子计算的发展和应用具有重大战略意义和科学价值，已成为全球主要国家在前沿科技和未来产业领域的政策布局和投资推动的重点方向之一。
当前，量子计算处于理论研究、工程研发、应用探索和产业化培育并行发展的关键阶段。超导、离子阱、中性原子、光量子、硅半导体等主要技术路线的基础科研和工程研发亮点成果不断涌现，应用场景探索在化学模拟、量化金融、医疗健康、航空交通等领域广泛开展，科技巨头和初创企业布局以量子计算云平台、软件开源社区、产业联盟等为重点的产业生态建设发展迅速。量子计算云平台是推动应用探索和产业化发展的生态汇聚点和支撑驱动力，国内外不同类型量子计算云平台开放发展竞争激烈，三大服务模式日趋成熟，标准体系建设和基准测评研究逐步成为业界各方的关注热点。
中国信息通信研究院在《量子计算发展态势研究报告》（2022 年）的基础上，持续跟踪分析 2023 年国内外量子计算技术研究、应用场景探索和产业生态培育等方面的进展成果和发展演进趋势，并进一步聚焦量子计算云平台，初步提出量子计算云平台功能框架和标准体系建议，分析总结基准测评的研究与实践结果，最后结合量子计算领域发展现状、趋势和问题提出发展建议，为凝聚业界各方共识合力提供参考。
量子计算科研攻关与软硬件研发保持高度活跃
多种硬件技术路线并行发展，亮点成果频出
量子计算硬件有多种技术路线并行发展，主要可分为两大类：
一是以超导和硅半导体等为代表的人造粒子路线，二是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。人造粒子路线可重用半导体集成电路制造工艺，在比特数量扩展方面具有一定优势，但在提升逻辑门精度等指标方面受到基础材料和加工工艺等限制。天然粒子具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但在比特数量扩展等方面面临挑战。近年来，各种主要技术路线均有研究成果不断涌现，呈现开放竞争态势，尚无某种技术路线体现出明显综合优势。2023年量子计算硬件主要技术路线的代表性研究成果如图所示。
量子计算主要技术路线代表性研究成果
来源：中国信息通信研究院（截至2023年11月）
超导技术路线基于超导约瑟夫森结构造扩展二能级系统，具有可扩展、易操控和集成电路工艺兼容等优势，受到众多科研机构、科技巨头和初创企业重视，科研进展成果丰富。2023年，QuantWare推出 64 位超导量子比特处理器 Tenor。中科大扩展超导量子处理器“祖冲之二号”可操纵量子比特至176 位。苏黎世联邦理工基于超导量子电路完成无漏洞贝尔实验。谷歌使用超导量子处理器模拟操控非阿贝尔任意子，并通过非阿贝尔编制实现任意子纠缠态。中科大联合团队实现 51 位超导量子比特簇态制备。Rigetti 推出 84 位超导量子处理器 Ankaa-1 。中科院物理所利用 41 位超导量子芯片“庄子”模拟“侯世达蝴蝶”拓扑物态。日本富士通和 RIKEN 发布 64 比特超导量子计算机。总体来看，超导量子计算处理器比特规模和保真度等指标逐年稳步提升，在纠缠态制备、拓扑物态模拟等科研实验方面取得诸多进展，是量子计算领域业界关注度最高的发展方向。
离子阱路线利用电荷与磁场间所产生的交互作用力约束带电离子，通过激光或微波进行相干操控，具有比特天然全同、操控精度高和相干时间长等优点。2023 年，Quantinuum 发布其全连接量子比特离子阱原型机 Model H2 的单比特和双比特量子逻辑门保真度达到 99.997%和 99.8%，量子体积指标达到 524288，成为业界最新纪录。华翊量子发布37 位离子阱量子计算原型机 HYQ-A37，成为国内代表性成果。需要指出，离子阱路线未来发展需要突破比特规模扩展、高集成度测控和模块化互联等技术瓶颈，未来能否在量子计算技术路线竞争中占据优势仍有待进一步观察。
光量子路线利用可利用光子的偏振、相位等自由度进行量子比特编码，具有相干时间长、室温运行和测控相对简单等优点，可分为逻辑门型光量子计算和专用光量子计算两类，以玻色采样和相干伊辛等为代表的专用光量子计算近年来的研发成果较多。2023年，中科大联合团队发布255 光子的“九章三号”光量子计算原型机，进一步提升了高斯玻色采样速度和量子优越性，基于光量子计算原型机完成稠密子图和 Max-Haf 两类图论问题求解，验证计算加速潜在优势。玻色量子发布100 量子比特相干光量子相干伊辛机“天工量子大脑”，与中国移动合作开展算力调度优化等任务可行性验证。
环境检测系统取得新进展，性能指标待提升
量子计算测控系统主要用于操控和测量量子比特，根据技术路线的需求区分大致可分为两类：一是离子阱、中性原子和光量子等技术路线所需的光学测控系统；二是超导、硅半导体等技术路线使用的微波测控系统。主要挑战在于提升同时被测控量子比特的数量、减小测控信息反馈延迟、提升系统内多模块同步性、减小噪声干扰等方面。当前业界代表性量子计算测控系统如表所示。2023 年。苏黎世仪器发布量子计算控制系统 QCCS，启科量子发布离子阱环境控制系统
代表性量子计算测控系统
来源：中国信息通信研究院根据公开信息整理
应用探索多领域广泛开展，产业生态初步形成
实用化落地尚未突破，硬件性能提升是基础
2023 年 7 月，美国 Gartner 发布计算技术成熟度曲线如图所示，数年前量子计算技术向着“过高期望”顶点逐渐靠近，现阶段已跨越了“过高期望”顶点，但整体距离“生产力高原”仍需超过十年的时间。NISQ 样机时代能否实现“杀手级”应用突破，是量子计算行业发展的分水岭，如果未来数年内一直无法实现应用落地突破，则量子计算技术产业发展恐将面临“幻灭之谷”的低潮期。
2023 年 Gartner 量子计算技术成熟度预测
来源：Gartner:Hyper Cycle of Compute（2023年7月）
欧美量子计算企业活跃，产业生态初具雏形
近年来全球主要国家量子计算企业数量和投融资经历了一轮爆发式增长，科技巨头和初创企业成为促进量子计算产业化发展的重要推动力量，欧美成为量子计算企业聚集度和活跃度最高地区。美国代表性量子计算企业包括 IBM、Google、Intel、微软、亚马逊等科技巨头成立的研发部门，IonQ、Rigetti、QCI、QuEra 等多类型初创企业在硬件、软件、算法等领域开展创新，通过资本市场不断获取资金支持，积极研发量子计算原型机及软件算法，加速技术水平提升与成果转化，推动全球量子计算产业发展。欧洲量子计算企业大多为初创企业，如 Quantinuum、IQM、Pasqal、OQC、Qu&Co、Planqc 等。欧美企业间合作紧密，在技术推进、应用探索和产业培育等方面取得诸多进展。此外，加拿大、澳大利亚、新加坡等国也涌现出一批量子计算企业，典型如 D-Wave（加）、Xanadu（加）、 Horizon Quantum Computing（新）、Q-CTRL（澳）等，在硬件系统研发和软件产品开发等方面表现活跃。
我国华为、百度、腾讯等企业近年来相继成立量子实验室，在软硬件研发、算法研究、应用探索、量子计算云平台等方面积极布局，但相对美国科技企业而言投入推动力度仍较为有限。11 月，阿里达摩院裁撤量子计算研究团队，也成为业界热点事件。本源量子、启科量子、国盾量子、玻色量子、图灵量子、量旋科技、弧光量子、中科酷源、幺正量子等量子计算初创企业布局推进量子计算技术研究与应用探索，力争在全球量子计算产业生态中占得一席之地。
量子计算云平台是构建应用产业生态重要支点
国内外企业机构加速布局，抢占产业生态位
量子计算云平台将量子计算机硬件、模拟器、软件编译和开发工具，与经典云计算软硬件和通信网络设备相结合，可为用户提供直观和实例化的量子计算接入访问与应用服务。作为集成量子计算软硬件能力，面向用户提供服务，支撑算法研究、应用探索和产业培育的生态汇聚点，量子计算云平台已成为推动应用探索和产业化发展的生态汇聚点和重要驱动力。近年来，科技巨头、初创企业与研究机构为抢占应用产业生态核心地位，加大量子计算云平台建设投入和推广力度。全球已有数十家公司和研究机构推出了不同类型量子计算云平台，其中代表性云平台如图所示。
国内外代表性量子计算云平台概况
来源：中国信息通信研究院（截至2023年11月）
美国以 IBM、亚马逊、谷歌、微软等为代表的科技巨头和以Rigetti、Strangeworks 等为代表的初创企业先后推出了各自的量子计算云平台，对外提供量子计算硬件或量子线路模拟器的接入使用和应用开发等服务。加拿大、欧洲各国也相继推出各自的量子计算云平台。我国在量子计算云平台方面起步晚于欧美，但近年来多家科技公司、初创企业和研究院所陆续推出量子计算云平台，并在编程语言、编译框架、应用服务、接入体验等方面积极推出相关服务，支撑量子计算领域科学研究、科普推广和应用探索。我国云平台提供商既包括华为、百度等传统互联网科技企业，也包括本源量子、量旋科技、弧光量子等量子计算初创企业，还包括北京量子院、中科院等研究机构。相比国外科技巨头，国内量子计算云平台在后端硬件能力、开发运维水平和服务推广能力等方面还有一定差距。
从云平台后端量子计算硬件路线来看，云平台后端的量子计算处理器主要可分为逻辑门型和专用型两类。目前超导路线仍是逻辑门型量子计算处理器的主流方向，此外国内外也上线了部分离子阱、光量子、中性原子、核磁共振等路线的量子处理器。专用型量子计算处理器不具备量子逻辑门操控和量子纠错编码等能力，但可用于求解组合优化、量子退火和玻色采样等专用问题，主要包括量子退火机、玻色采样机和相干伊辛机等类型。D-Wave 是最早进行量子退火机研发的企业，2018 年推出了基于量子退火机的量子计算云平台Leap，近年来基于云平台在运输物流、生命科学、投资金融等领域开展应用探索。2023 年，D-Wave 基于量子退火机在“自旋玻璃”问题上证明了量子优越性。玻色量子于发布 100 比特相干光量子计算机，与中国移动共建“五岳”量子云平台。
总的来说，国内外诸多研究机构和企业布局推出了量子计算云平台产品和服务，依托云平台加快推动量子计算算法研究、应用探索和产业生态建设已逐渐成为业界共识。
完整报告下载链接：
https://pan.baidu.com/s/1rIVnfavcjsuoXzUrXpepiA?pwd=1nac
编辑：慕一/Brightny
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