2021年量子云计算发展态势研究报告_38页_2mb

报告摘要

量子云计算发展态势研究报告（2021）总结

核心内容

本报告由中国信息通信研究院技术与标准研究所发布，旨在分析2021年量子计算云平台在技术、服务、企业参与度和测评等方面的最新发展情况，并提出相关发展建议，为量子计算产业生态构建提供参考。

主要观点

技术发展趋势

硬件技术体系多元化发展：当前量子计算硬件技术路线包括超导、离子阱、硅基半导体、光量子、NV色心等，各技术路线均有显著进展。
- 超导技术路线在IBM、Google等国际企业中占据领先地位，计划在2023年实现1000位物理量子比特，2030年实现百万物理量子比特可纠错量子计算。
- 离子阱技术路线在Honeywell等企业中表现突出，2021年H1原型机实现10位全连接高保真度量子比特，量子体积达到128。
- 我国在多个技术路线取得突破，如中科大“九章2.0”实现113光子的高斯玻色采样模拟，超导量子计算原型机“祖冲之号”实现62位物理量子比特。
量子计算模拟器成为重要补充：模拟器通过经典计算资源和软件算法实现量子计算状态演化和运行逻辑的模拟，缓解了真实量子计算资源的稀缺性问题，促进了量子计算在科研和应用层面的探索。
- 国际企业如Amazon、Google、NVIDIA等纷纷推出高性能模拟器，如Amazon Braket的DM1、NVIDIA的cuQuantum等。
- 国内企业如华为、阿里巴巴、本源量子等也发布了模拟器，如HiQ3.0、太章2.0、QPanda等。
经典云计算为量子计算提供支撑：经典云计算在资源虚拟化、分布式存储和云平台通用管理方面为量子计算云平台的发展提供了重要支持。
- 资源虚拟化技术有助于合理调配异构计算资源，提升量子计算服务的弹性与效率。
- 分布式计算存储技术提升数据处理能力，减少服务等待时间。
- 云平台通用管理技术保障服务稳定性，支持跨地域、多节点的协同工作。

应用服务探索

科研领域突破加速：量子计算云平台为科研人员提供了解决复杂问题的工具，如材料设计、药物开发、量子动力学模拟等。
- IBM量子计算云平台已支持数百篇论文的发表，成为科研的重要平台。
- 通过云端量子计算服务，科研人员可优化量子算法、验证量子硬件性能等。
行业应用潜力巨大：多个行业如医疗、金融、能源等开始探索量子计算云平台的应用。
- 医疗：利用量子计算分析基因数据，发现生物标志物，寻找新药。
- 金融：通过量子退火技术进行股票组合优化，提升财务分析能力。
- 能源：用于设备腐蚀模拟、资源优化调度、异常检测等。
助力量子教育普及：量子计算云平台为教育提供了便捷的接入方式，降低了学习门槛。
- IBM Q Experience和本源量子云平台均提供图形化编程与代码编程方式，支持教学与科研。
- 通过免费开放平台，为初学者提供实践机会，推动量子计算知识的普及。

企业发展态势

国际企业多元发展：IBM、Google、D-Wave、Amazon、Microsoft、Xanadu、Honeywell等企业均在量子计算云平台领域布局。
- IBM、Google等企业持续推进超导技术路线，发布路线图与产品。
- D-Wave专注于量子退火技术，提供专用量子计算服务。
- Xanadu聚焦光子集成技术，推出开源软件平台PennyLane和Strawberry Fields。
- Honeywell结合离子阱技术与云服务，形成全栈式发展模式。
国内企业积极布局：尽管起步较晚，但国内企业如华为、本源量子、阿里巴巴、百度、腾讯、量旋、北京量子院等在量子计算云平台领域表现活跃。
- 华为推出HiQ3.0模拟器及云平台，支持量子组合优化和张量网络计算。
- 本源量子发布超导量子计算云平台，提供真实与仿真服务。
- 阿里巴巴开源“太章2.0”模拟器，推动量子计算在人工智能、化学模拟等领域的应用。
- 百度、腾讯、量旋等企业也在量子计算云平台和相关软件方面有所建树。

测评研究与实践

测评需求日益迫切：随着量子计算进入实用化阶段，其技术验证与平台测评需求不断增长。
- 欧美国家如美国能源部、DARPA、欧盟等推动量子计算测评体系与基准测试。
测评体系多维度分析：
- 测评原则：科学性、客观性、系统性、追溯性与可复现性。
- 技术成熟度指标：包括硬件、软件、运维、应用与安全五个维度。
- 具体指标：如量子比特数、量子体积、计算准确率、编程语言可用性、量子算法库完备性、服务稳定性、安全性等。
测评实践案例：
- 服务时间测评：测试了量子计算云平台在任务排队、数据前处理、程序编译、计算执行、测量读取、数据后处理等方面的服务时间表现。
- 虚拟机性能测评：测试了量子计算虚拟机在字符串处理、浮点数操作、系统调用吞吐量、文件传输速率、内核调用代价等方面的性能表现，结果显示当前虚拟机性能仍与经典云计算存在差距。