人工智能专题：量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告

今天分享的是人工智能系列深度研究报告：《人工智能专题：量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告》。

（报告出品方：量子信息网络产业联盟）

报告共计：58页

国内外量子计算云平台发展现状

图1给出了量子计算及云平台的发展历程。1900年MaxPlanck提出“量子”概念，宣告了“量子”时代的诞生。科学家发现，微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。20世纪80年代，科学家将量子力学应用到信息领域，从而诞生了量子信息技术。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，它与现有计算模式完全不同。与经典计算相比较，经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加。它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态。

量子计算的发展可以分为 3 个阶段，1980-1994 年，为提出建立概念和自由探索阶段，这个阶段比较有代表性的是在 1980 年，Benioff 与 Manin 提出了量子计算的概念，1981 年 Feynman 提出了模拟量子 体系的量子计算机，Denstch 在 1985 年阐述了量子计算机的普适性及量子计算并行。1994-2016 年，为算法突破和高强度基础研究阶段， 1994 年 Shor 提出了量子并行算法，证明量子计算可以求解“大数因子 分解”难题，从而攻破广泛使用的 RSA 公钥体系，1996 年，Grover 提 出了 Grover 算法，这两种算法推动了量子技术研究高潮。在 2016 年， Long 算法诞生，提高了量子算法的成功率。2016 年后，量子计算处 于竞争加速阶段，2019 年谷歌宣称实现“量子霸权”，首次在实验中证 明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性，2020 年，IBM 公司 公布量子计算机发展路线图，2021 年实现 127 量子比特，2022 年 433 量子比特，2023 年建造 1121 量子比特芯片。

量子计算经过四十余年发展，目前已经进入样机研发攻关阶段在全球各国科研人员努力下，在通用(门型)量子计算机和各类型专用量子计算机研发方面，已取得多项里程碑成果，如图2所示。

在通用量子计算方面，超导、离子阱等多类型量子计算原型机已经突破小型样机阶段，开始向百比特量级的NISO处理器时代迈进其中，2019 年谷歌“悬铃木”53 位量子比特超导处理器和 2021 年中科大“祖冲之”号66位量子比特超导处理器，均以实验验证了在随机线路采样问题中的量子计算优越性(也称量子霸权)证明，成为量子计算技术发展历程中的重要里程碑。未来，通用量子计算发展的近期或中期重要目标主要有两个：一是提升量子硬件性能和纠错编码能力，实现量子逻辑比特操控;二是在NISO样机平台，探索具有实际应用价值和量子加速优势的“杀手级”应用。其中量子纠错和逻辑比特里程碑，主要依靠高校、科研机构和科技巨头等研发力量推动，而杀手级应用还需要与化学、制药、金融等各行业领域潜在用户，进行协同合作研究与探索。未来实现上述两个里程碑,将有力推动量子计算技术，应用和产业的进一步发展。

专用量子计算机不具备量子逻辑门操控和实现量子纠错编码等 能力，但可以应用与求解组合优化和采样等专用问题，如果与适当应 用场景和数学模型结合，同样有希望带来量子计算的算力加速优势。 专用量子计算机主要包括量子退火机、玻色采样机和依辛机等类型， 目前在业界已经基本完成小型化原型样机研制。其中，2021 年中科大基于离散光学平台的光量子玻色采样系统，率先试验验证了在采样问 题中的量子计算优越性。2022 年加拿大 Xanadu 公司采用集成光学平 台压缩态光量子处理器，也在玻色采样问题中完成了相似的量子计算 优越性实验验证。但需要说明的是，量子退火机和依辛机等专用量子 计算机，在公开文献报道中，尚未见实现量子计算优越性证明的明确报道。未来，专用量子计算机的主要发展目标，将是基于各自适用的 数学问题，进一步广泛探索在量子化学模拟、图论组合优化、非线性问题求解等方面的实用化案例，和 NISQ 时代的通用量子计算机，共同开展杀手级量子计算应用案例探索的竞争。

企业方面，国内科技巨头阿里巴巴、百度、腾讯、华为等也在跟进，但国内领先的量子计算公司主要是以本源量子、国盾量子、启科量子等。本源量子在 2021 年 9 月 10 日发布的未来五年量子计算技术 规划路线图显示，到 2025 年，本源量子将突破 1000 位量子比特，达 到 1024 位量子比特。2022 年 8 月，百度发布超导量子计算机“乾始” 和首个全平台量子软硬一体解决方案“量羲”，集量子硬件、量子软件、 量子应用于一体，提供移动端、PC 端、云端等在内的全平台使用方式。2022 年 5 月，腾讯量子实验室发布的一款量子计算领域的开源 软件产品 Tensor Circuit，此产品面向有噪声中等规模量子计算（NISQ） 的下一代量子计算软件。

随着量子计算软硬件研发逐步从实验室走向商用，近年来国外科技企业、初创企业与研究机构为争夺产业生态地位，抢占发展先机展开激烈竞争，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。

美国以 IBM、Amazon、谷歌、Microsoft 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云接入。随后加拿大、欧洲各国也相继推出量子计算云平台。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、接入体验等方面作出积极尝试，有效支撑了我国量子计算领域科学研究科普推广和应用探索

从云平台数量上看，我国已经进入全球第一梯队。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、弧光量子等专注于量子计算的初创企业，此外还包括北京量子院、中科院等研究机构。2023年12月，中国移动云能力中心联合北京玻色量子科技有限公司共同打造的“五岳量子计算云平台--恒山光量子算力平台”在苏州正式发布，实现了100计算量子比特相干光量子计算机安全接入移动云算力底座，端到端实现“数据构建、任 务提交、安全鉴权、状态监控、消息互传”的一站式支持，对外提供持 续稳定的、任务式的量子真机算力服务。但是由于基于云的开发运维 能力有所差异，目前国内云平台服务水平也参差不齐，主要面向科研 用户提供演示级的接入服务。

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