1、量子云计算发展态势量子云计算发展态势 研究报告研究报告 （20202020 年）年） 中国信息通信研究院技术与标准研究所中国信息通信研究院技术与标准研究所 20202020 年年 1010 月月 版权声明版权声明 本报告本报告版权属于版权属于中国信息通信研究院中国信息通信研究院，并受法律保护，并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，本报告文字或者观点的， 应应注明注明“来源：来源：中国信息通信研究院”中国信息通信研究院” 。违反上述声明者，。违反上述声明者， 本本院院将追究其相关法律责任。将追究其相关法律责任。 前前 言言 人类正处于第四次

2、工业革命的开端，量子计算则被视为继人工 智能之后，又一个具有颠覆性影响的领域。当前，量子计算处在快 速发展阶段，新技术层出不穷，随着量子计算硬件、软件、配套平 台的不断进步，量子计算对行业吸引力随之提升。以何种方式展示 量子计算优势、 体现商业应用潜力是量子计算领域的重点关注方向。 在此背景下，量子云计算将量子计算与经典互联网相结合，依托经 典信息网络提供量子计算硬件与软件相关的普惠服务，成为未来量 子计算能力输出的主要途径之一。 国内外云计算企业、初创公司和科研机构看好量子云计算产业 与应用的发展潜力，在技术与服务模式方面各具特色，并开展了提 前布局。技术方面，量子云计算技术架构逐渐成型；应

3、用方面，量 子云计算服务探索开始兴起； 产业方面， 量子云计算发展态势良好。 本蓝皮报告通过梳理和分析国际、国内量子云计算整体发展状 况，从技术、服务、产业、测评四个方面阐述了量子云计算发展特 点及态势，为业界推动量子云计算产业和生态未来发展提供参考。 目目 录录 一、概述 . 1 二、量子云计算助力量子计算技术发展 . 2 （一）量子云计算技术架构逐步成型 . 3 （二）量子云计算关键技术协同发展 . 4 （三）量子云计算亟需多维研究推进 . 9 三、量子云计算服务探索日益升温 . 11 （一）角色定位日渐清晰 . 11 （二）服务模式逐渐成型 . 12 （三）应用场景多方探索 . 15 四

4、、量子云计算产业发展势头良好 . 20 （一）国际巨头百家争鸣，竞争如火如荼 . 20 （二）国内产业逐步兴起，发展态势良好 . 27 五、量子云计算测评工作初步展开 . 30 （一）测评体系 . 31 （二）测评实例 . 33 （三）小结 . 36 六、发展前景与建议 . 37 （一）机遇挑战 . 37 （二）发展建议 . 40 图图 目目 录录 图 1 量子云计算技术架构示意图 . 3 图 2 量子云计算服务模式及主流厂商 . 13 图 3 华为量子计算云平台量子化学模拟应用示例 . 16 图 4 本源量子计算云平台网络排序应用示例 . 17 图 5 量子卷积神经网络模型实现线路示例 .

5、18 图 6 基于 D-wave 量子退火机实现北京交通路线优化示例 . 19 图 7 IBM 量子云计算发展时间线 . 20 图 8 Google 量子云计算发展时间线 . 21 图 9 D-wave 量子云计算发展时间线 . 22 图 10 Microsoft 量子云计算发展时间线 . 24 图 11 Rigetti 量子云计算发展时间线 . 25 图 12 量子云计算测评体系图 . 32 图 13 量子云计算测评维度框架 . 33 图 14 平台软件功能检验测试配置 . 34 图 15 量子机器学习基准测试配置图 . 35 表表 目目 录录 表 1 平台 A 软件功能测试结果统计 . 3

6、4 表 2 平台 B 开源项目数据调查统计 . 34 表 3 平台 C 量子机器学习基准测试评估表 . 36 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 1 一、一、概述概述 量子计算机基于量子力学原理构建，量子态叠加原理使得量子 计算机的每个量子比特（qubit）能够同时表示二进制中的 0 和 1。 相较经典计算机，算力呈指数级爆发式增长，从而形成“量子优越 性” 。量子计算在特定计算任务上具备指数加速能力，有望成为“后 摩尔定律”时代新的计算形态，对潜在商业应用形成良性激励。在 量子计算尚未完全成熟和规模普及的前提下，以何种方式来展示量 子计算优势、吸引行业多方参与、发挥商业应用潜力是当前

7、量子计 算领域的重点关注方向。目前，依托于经典信息网络，通过提供量 子计算硬件与软件等普惠服务的量子云计算，成为量子计算呈现与 发展最重要的形式之一。量子云计算将量子计算与经典互联网相结 合，对于量子计算的实现、应用及发展具有以下重要意义。 一、加快量子计算一、加快量子计算技术及技术及产业发展产业发展进程进程。目前虽然已研制出若 干量子计算物理原型机，但量子计算软硬件实现仍处于科学攻坚阶 段，大规模、可容错的通用量子计算机实现需要长期的发展历程。 量子云计算的出现，推动量子计算软件、平台、服务等关键环节与 量子计算硬件并行发展，加快量子计算发展整体进程。 二二、解决量子计算资源稀缺性难题。、解

8、决量子计算资源稀缺性难题。目前世界上只有少数商业 巨头和高精尖实验室拥有真实量子计算硬件资源，其部署及运行需 要严苛的物理环境。随着学术界和工业界对量子计算的期望日益迫 切， 量子云计算缓解量子计算资源稀缺性与应用需求实用性的矛盾。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 2 三三、提升提升综合性普惠服务综合性普惠服务能力能力。对于量子计算的提供方，量子 云计算依托现有丰富的云计算资源和成熟的商用模式，为用户提供 便捷的接入手段，是未来较为可行的服务提供方式；对于量子计算 需求方，一方面考虑到量子计算机所需的硬件及其支撑系统十分昂 贵，一方面考虑到量子计算机还在快速发展初期，设备形态尚未成

9、 熟，因此按需租赁和购买弹性计算服务是务实可行的方式。 目前业界围绕量子云计算的技术、应用、产业、测评等相关研 究和探索正有序开展，总体发展态势良好，量子云计算未来或将进 入发展“黄金时期” 。 二二、量子云计算助力量子计算技术发展、量子云计算助力量子计算技术发展 如何将量子计算和经典网络云平台服务进行结合，最终通过量 子云计算的方式实现量子计算能力的输出，是量子云计算技术领域 需要解决的重要问题。 从应用方式上看，由于研发、购置量子计算机的成本极其昂贵 （如据报道 D-Wave 量子退火专用机 1500 万美元售价） ， 业界普遍认 为在相当长的时间里，通过云平台开展量子计算服务，共享稀缺资

10、 源， 探索适用于量子计算的行业应用， 是较为切实可行的实现方式。 从技术实现上看，量子计算应用落地是复杂的系统工程，需要 量子信息技术与经典信息处理技术的深度融合。量子云计算将诸多 关键技术进行整合，为量子计算软硬件协同工作提供了必要的使能 条件。 依托于量子计算云平台， 量子计算硬件和软件产生良好的 “化 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 3 学反应” ，加速量子计算技术发展。 （一）量子云计算技术架构逐步成型（一）量子云计算技术架构逐步成型 目前现有量子云计算的技术架构逐步成型，层次化设计逐步清 晰，如图 1 所示。 数据来源：中国信通院 图 1 量子云计算技术架构示意图 硬件

11、底座为量子计算云平台的核心部分，利用传统的计算设 施与量子芯片、 量子存储、 量子测控技术等提供强大的算力， 量子云计算的后端形态呈现多样化技术特征，主要包括真实 量子计算、量子计算模拟器和经典-量子混合计算三种方式。 量子计算引擎实现基础的量子计算功能， 包括量子中间表示、 量子逻辑门、 量子电路、 量子模拟加速组件、 量子编译器等。 工具框架层为用户提供封装后的量子计算功能，包括量子编 程语言、量子算法库、量子计算 GUI（Graphical User Interface） 、 量子计算 SDK （Software Development Kit） 等。 应用服务层则在计算引擎与工具框架的

12、基础上，进一步实现 更具体与用户友好的软件服务， 包括提供量子算法开发的 API 应用服务 工具框架 计算引擎 硬件底座量子芯片量子测控量子制备存储经典云设施 量子中间表示量子线路 量子模拟加速 组件 量子编译器 量子编程框架量子算法库量子计算GUI量子计算SDK 量子机器学习组合优化金融投资化学材料设计 应用接口 开发接口 硬件接口 应用接口 开发接口 硬件接口 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 4 （Application Programming Interface） 、垂直行业服务例 如基于量子算法的金融投资、化学材料设计、量子机器学习 软件开发等。 （二）量子云计算关键技术协

13、同发展（二）量子云计算关键技术协同发展 1.计算芯片与经典模拟器并存 （1）量子计算芯片成为量子云计算的核心“引擎” 量子计算芯片作为量子云计算的核心“引擎” ，也是量子云计算 后端实现的基石。目前量子计算芯片技术形态呈现百花齐放的发展 态势，包含超导、离子阱、光量子、硅量子点和拓扑等多种路线， 是量子云计算有别于经典云计算的主要技术特征。目前不同实现路 线的典型企业及研究机构进展如下： 超导路线方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特处理器， 2019 年报道实现量子优越性重要研究成果； IBM 在 2020 年 8 月报道 通过 27 位量子比特实现 64 量子体积； 我

14、国中科大在 2019 年已实现 24 位量子比特处理器，报道正研发 60 位量子比特、99.5%保真度的 超导处理器。 离子阱路线方面，Honeywell 在 2020 年 6 月报道世界上首次实 现 64 量子体积,同年 9 月将量子体积能力提升至 128；IonQ 于 2020 年 10 月报道通过 32 个量子比特达到了 400 万量子体积，刷新了量 子体积记录。 光量子路线方面，中科大致力于光子玻色取样技术研究，在高 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 5 维光量子调控等方面处于国际先进水平；上海交通大学在大规模光 量子计算集成芯片制备方面取得一定成果。 硅量子点路线方面，新南

15、威尔士大学报道了保真度为 99.96%的 单比特逻辑门和保真度为 98%的双比特逻辑门； 国内中科大也报道实 现了高保真的单比特逻辑门。 以上四种技术路线均已实现物理量子比特，为量子计算云平台 提供可实际应用的底层硬件，目前量子计算物理平台研究正在向突 破逻辑量子比特迈进，研究不再单纯追求比特数量，同时关注逻辑 门保真度、相干时间等质量方面的同步提升。 （2）量子计算模拟器是经典云计算的能力延伸 量子计算模拟器依托于现有经典计算资源，模拟量子计算的特 有逻辑，成为量子云计算不可或缺的组成部分，用于模拟量子计算 的辅助经典信息处理也是该领域的关键技术之一。 量子计算模拟器一方面解决了当前量子计算

16、资源的稀缺性问题， 在一定程度上降低了对真实量子计算物理条件的依赖，保证量子计 算科学实验和工业验证在软件、算法层面的顺利进行；一方面为含 噪环境下的量子计算模拟、量子物理现象推演、量子启发式算法实 现、真实量子芯片计算验证等提供了科学的实现工具。 由于依托于经典算力进行量子计算模拟需要强大的算力及海量 数据支撑，因此不断提升量子计算模拟器的比特数量，优化量子模 拟器的运算指标，是目前云计算巨头企业展示超算能力，提高量子 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 6 计算优势门槛的主要竞争形式之一。 如 2016 年， Google 报道通过特 定随机量子电路，模拟了操纵 49 比特量子纠缠

17、对，电路的深度达到 40 层，2018 年进一步展示了 72 比特量子模拟器。阿里巴巴 2018 年 报道研制出的量子计算模拟器“太章” ，并采用分布式经典模拟算法 模拟了 81 量子比特的通用量子线路。华为 2018 年推出的分布式量 子计算模拟器，可提供全振幅 42 量子比特、单振幅 81 量子比特、 低深度电路的单振幅 169 量子比特的一站式量子电路模拟云服务。 考虑到大规模通用量子计算机真正问世还需要经历相当长的历 史时期，量子计算模拟器未来将会长期存在，并与真实量子计算芯 片相互促进，协同发展。量子+经典混合计算形态将是量子云计算的 显著特征之一。 2.计算软件体系框架尚在构建 目

18、前量子计算软件还处于生态体系建立的早期阶段，由于量子 计算的实现逻辑与经典计算有所不同，经典计算软件不能完全移植 延续，因此量子计算基础运行类、计算开发类和应用服务类软件均 需要在量子云计算框架下进行重新构建。虽然大规模通用的量子计 算机尚未到来，但在量子操作系统和量子软件开发等方面已开展提 前布局，新的软件产业正在兴起。依托于量子云计算的量子计算软 件现状及发展态势如下： （1）基础运行类软件是量子云计算“底座” ，处于起步阶段 量子基础运行类软件系统与量子硬件、经典硬件紧密相关的， 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 7 也是量子计算机运行所需要的核心软件。目前量子计算基础运行类

19、软件主要包括量子编译软件和量子测控软件两类， 由于技术门槛高、 工程难度大、专业人才匮乏，目前该类型软件比较稀缺，处于发展 初期。 量子编译软件，规范了量子编程的边界，保证了量子程序编译 执行的正确性，提供健全的语法规则用来协调和约束量子操作、经 典操作， 安全的语义用来融合量子计算和经典计算之间的语义差异， 包括 QASM、eQASM、QASM-HL、Quil、OpenQASM、f-QASM 等。 量子测控软件，是量子计算机操作系统的雏形，用于进行量子 计算纠错， 进行测量结果的高效反馈， 高效的量子芯片校准等功能， 包括苏黎世仪器公司的LabOne， 是德科技的HVI， Google的Op

20、timus， 本源量子的 PyQCat 等。 （2）计算开发类软件是量子云计算的“中台” ，目前发展活跃 量子软件系统中的开发层软件，提供了研究量子算法、开发量 子应用的工具链体系，包含了众多量子编程语言和量子软件开发工 具。目前计算开发类软件呈现丰富多样的态势，总体可分为量子语 言、量子编程框架以及量子中间表示。 量子语言实现了量子专用的语法， 构成独立、 全新的程序语言。 量子语言可以用来编写运行在量子计算机中的量子算法和程序，常 用的量子语言包括 QCL、Q#以及 QRunes 等。 量子编程框架则通常包含常用的量子计算组件和量子算法库， 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 8

21、更着眼于当前技术条件下量子程序的快速开发，包括 QPanda、QDK、 Cirq、Qiskit、ProjectQ、HiQ 以及 Forest 等。 量子中间表示包含分离之后的量子经典混合代码中的量子线路 部分，可直接与量子硬件对接，提供了统一表示量子算法程序的数 据方式，包括 OpenQASM、OriginIR、Quil 以及 Blackbird 等。 （3）应用服务类软件是量子云计算“门户” ，行业关注度高 量子应用服务类软件，提供了面向各个领域的量子计算技术应 用和解决方案，涉及到能解决特定问题的算法和应用程序，同时在 云端提供了人机交互的应用环境，其中量子化学和量子机器学习是 其中两大类

22、典型的应用服务软件。 量子化学软件方面， Google 推出了 OpenFermion 工具， 支持对任 意分子构型的输入产生模拟该分子的量子程序；本源量子推出的 ChemiQ，是可应用于量子计算机的量子化学应用软件；华为推出的 HiQ Fermion 软件包， 在华为云上提供一站式量子化学模拟解决方案。 量子人工智能软件方面，IBM 推出了量子支持向量机、Artiste 公司推出 Quantum-Fog 和 Quantum-Edward 等系统， 支持不同场景下 的量子机器学习模型； Google 推出了 TensorFlow Quantum 量子机器 学习库，可用于快速设计量子与经典机器学

23、习混合模型的原型，并 提供与现有 TensorFlow API 兼容的量子计算原函数，以及高性能量 子线路模拟器； 本源量子推出了国内第一款量子机器学习框架 VQNet， 可满足构建包括 QAOA、 VQE、 量子分类器和量子线路学习算法等常见 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 9 类型的量子机器学习算法；百度发布了量子机器学习开发工具 Paddle Quantum 量桨，提供了对量子机器学习的支持，这也是国内 首次在深度学习平台引入量子机器学习工具。 （三）量子云计算（三）量子云计算亟需多亟需多维维研究研究推进推进 1.经典网络关键特性是提升量子云计算服务质量的保 障 首先， 量子

24、计算云平台所解决的量子计算任务如量子模拟计算、 组合优化、量子机器学习等，往往需要海量数据接入和中间计算参 数的传输，特别是跨网络的分布式量子计算需要巨大的通信负荷开 销，如 2017 年瑞士苏黎世联邦理工学院的 Thomas Haner 和 Damian Steiger 进行了模拟量子位实验 1，使用了 0.5PB 的内存和 8192 个 节点，实现的性能为每秒 0.428 千万亿次浮点运算，其中通信负荷 占总负荷的 75%； 其次， 适用于需要实时计算、 反馈计算的应用算例， 需要低时延、确定时延的结果获取；此外，跨广域网非稳定带来的 数据重传错传问题，有可能会降低某些量子计算任务（如量子

25、机器 学习训练）的实现效率。综上所述，量子云计算作为一种新兴的网 络服务形态，给现有通信网络的稳定性、低时延与高可靠传输等方 面提出了新的机遇与挑战。 1Thomas Hner, Damian S. Steiger, 0.5 Petabyte Simulation of a 45-Qubit Quantum Circuit. Physical Review A 91, 2 (2015), 022311, 2017. 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 10 2.安全保护与数据验证是量子云计算良性发展的前提 同传统云服务平台一样，量子计算云平台同样具有数据安全与 隐私泄露方面的隐患。当前

26、针对量子计算云平台安全问题的研究， 包括盲量子计算或量子复制保护等技术仍在起步阶段，如何避免数 据隐私泄露、防止黑客攻击、对数据的访问控制、存储安全等问题 亟待解决。此外，量子计算云平台还面临新的服务风险，例如验证 后端是否为真正量子计算机等。解决量子计算云平台的安全问题和 数据验证问题对未来量子计算云平台赋能行业发展至关重要。 3.能效管理是降低运营成本与大规模部署的关键 在量子计算云平台运行初期，需要大量量子模拟器计算集群、 经典辅助计算设备、外围量子计算运行系统等进行算力支撑，能效 管理不可忽视（如阿里“太章”量子模拟器在运行 64 比特 40 层线 路深度的模拟实验中，调用阿里云在线集

27、群 14%的计算资源 2） 。如 何有效的提升能效是量子计算云平台发展与降低成本需解决的问题。 4.量子云计算有序演进需要技术标准做规范引导 目前，量子云计算在数据操作、量子编程语言、应用接口、计 算服务、算法库等还未出现统一的标准规范。随着量子计算云平台 的不断涌现与发展，开展平台之间互操作、数据可移植性、数据流 通等方面的标准研究非常必要。同时，如何评价量子计算云平台的 2Jianxin Chen, Fang Zhang. Et. Al., Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits, https:/arxiv.or

28、g/abs/1805.01450, 2018. 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 11 服务质量、构建量子计算云平台测评体系等也需要进行统一规范。 三三、量子云计算、量子云计算服务服务探索探索日益升温日益升温 量子云计算一方面实现对稀缺量子计算资源的充分共享，一方 面依托现有云计算模式，充分考虑到用户的应用习惯，成为量子计 算应用的主要抓手，为量子计算研究者、量子软件开发者和行业用 户提供了友好的服务窗口，降低用户进行量子计算开发、社交与应 用的门槛。 （一）角色定位日渐清晰（一）角色定位日渐清晰 1.助推量子计算技术产业发展 在产业推动方面， 量子云计算依托于互联网丰富资源， 为化

29、学、 交通、电信、材料等垂直领域提供了良好的应用平台；在技术推动 方面，量子云计算融合了硬件基础资源与软件应用开发工具，为量 子算法研发、 纠错编码研究、 量子芯片验证等提供了科学验证手段， 为工业界和学术界提供了公开的交流渠道。在通用量子计算硬件芯 片问世之前，量子云计算的出现，可推动量子计算产业的其他关键 环节如软件开发、服务应用、行业探索、生态培养等并行发展，从 而加速量子计算技术产业整体进步。 2.促进多领域交叉融合 量子计算的应用与成熟涉及到数学、物理、软件科学、人工智 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 12 能、大数据、计算机科学等多学科交叉研究，量子计算云平台为多 学科

30、的融合创新提供了快捷的验证入口，降低了量子计算的准入门 槛，加速了量子计算相关技术的发展与创新。量子计算云平台的企 业和研究机构用户，可以专注于研究与开发相关领域的量子算法与 实现方案，利用量子计算云平台进行算法测试与验证，提高量子计 算更新迭代速度。 3.加速量子计算科普与人才培养 量子计算是全新的交叉学科，当前该领域的专业人才匮乏，如 2018 年纽约时报调查声称，全球只有 1000 名左右的研究人员真 正了解这项技术。量子云计算具有大数据、互联网、产业应用的综 合属性，可聚集大数据、互联网、通信和计算领域的专家，依托量 子计算云平台一方面可开展跨领域的交流与合作，另一方面可直观 进行教育

31、使能与实践演练，加速量子计算专业人才培养。 （二）服务模式逐渐成型（二）服务模式逐渐成型 随着各大公司和机构纷纷发布量子计算云平台，并初步形成包 括底层硬件、云端服务和应用软件在内的社区和生态体系，如图 2 所示。基于量子计算云平台的体系架构，当前主流的量子计算云平 台服务内容不断丰富，量子计算基础设施服务、量子计算软件平台 服务和量子计算行业应用服务模式逐渐成型。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 13 数据来源：量子计算云平台的现状与发展，2020 年信息通信与政策第 7 期 图 2 量子云计算服务模式及主流厂商 1.量子计算基础设施服务 量子计算基础设施服务 Q-IaaS（Qu

32、antum Infrastructure as a Service）以提供基本的计算和存储资源为主要服务模式，例如量子 计算调度程序、量子模拟器和实际量子设备等。目前，随着物理平 台与试验技术的发展， 提供计算引擎的Q-IaaS模式比重会不断增加， 由于未来量子计算硬件技术呈多样性发展，Q-IaaS 的计算类型也会 不断丰富。 例如美国的 IonQ、 IBM、 Rigetti、 D-wave， 欧洲的 Quantum Inspire 等均提供了不同方案的量子设备。 除真实量子计算设备外， Q-IaaS 还提供了经典计算集群运行量子计算模拟器的超算服务，而 超强计算能力的量子模拟器是展示经典云计

33、算能力的有力方式，目 前国内外云计算巨头如 Google、 华为、 阿里等在 Q-IaaS 方面表现活 跃，积极推进新型超算服务的发展。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 14 2.量子计算软件平台服务 当前,量子计算软件平台服务 Q-PaaS（Quantum Platform as a Service） ，提供量子计算和量子机器学习算法的软件开发平台，开 发量子编程框架和量子算法库，并通过云端服务器层连接其他公司 的计算引擎分配计算。 Q-PaaS 模式提供连接其他公司硬件资源的服 务，支持跨平台兼容开发，而不需要使用者学习多个开发环境，降 低了软件使用者和应用开放者的准入门槛，同

34、时还支持通过模拟器 进行量子线路的调试、诊断和优化，自动分配经典计算和量子计算 所需资源，结合优化混合量子算法，并完全托管作业以提高效率和 降低成本。 3.量子计算行业应用服务 量子计算行业应用服务 Q-SaaS （Quantum Software as a Service） 根据特定的行业应用场景和应用要求提供打包好的应用服务方案， 例如数据推理专用工具，材料设计（量子化学模拟） ，并提供诸如医 疗制药，智慧城市、人工智能加速计算等服务。目前，随着量子云 生态的不断成熟， 针对特定问题提供解决方案的 Q-SaaS 模式初创公 司不断增加。 例如， 日本的 QunaSys 专注于量子计算解决量

35、子化学、 量子机器学习和优化算法问题， 德国成立的 Avanetix 提供利用量子 计算和其他经典方法优化解决供应链问题的解决方案，法国的 QuanFi 则为金融服务产业提供相对应的量子算法。 随着量子计算产 业的进一步发展、量子云生态的逐步开放，未来将会有更多垂直行 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 15 业企业尝试通过 Q-SaaS 模式对业务能力进行赋能。 （三）（三）应用场景应用场景多方探索多方探索 根据波士顿咨询公司预测，截止到 2030 年，量子计算应用的市 场规模将达到 500 亿美元 3，其发展前景被业界看好。当前阶段，诸 多行业看好量子计算的巨大商业潜力，业界认为量

36、子计算云平台是 连接特定行业需求与展示量子算法优势的“桥梁” ，依托量子计算云 平台是开展量子应用探索的主要途径之一。 目前依托于量子计算云平台开展的应用探索亮点层出，未来或 将进入量子应用探索的“活跃期” 。一旦某个具有应用价值的算法被 验证其加速有效，它可能会具有潜在巨大的市场需求。未来 5 年左 右，小规模专用量子计算机可能在量子化学模拟、量子组合优化、 量子启发式机器学习等领域率先取得突破， 有望出现 “杀手级应用” ， 为量子计算打开实用化之门。 依托量子计算云平台开展的典型行业领域应用探索进展如下： 1.量子化学模拟 化学过程的模拟对于经典计算机来说是极具挑战的计算任务， 因为其反

37、应过程复杂，计算量呈指数级增长。量子化学模拟具有广 阔的商业潜力，例如可显著提高药物发现率并节约研发时间，或成 为未来量子计算可切入的市场之一。国内外已有若干量子云计算企 3The coming quantum leap in computing R. Boston Consulting Group. 2018. 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 16 业与医药行业合作，开展量子化学模拟的应用探索研究工作。 以华为 HiQ2.0 量子计算云平台为例，如图 8 所示，利用 HiQ Fermion 量子化学模拟应用软件， 针对 Hartree-Fock 模型实现对化 学分子的能量预测，结

38、合云平台提供的量子电路优化算法以及量子 测控系统，降低量子化学模拟量子电路的参数，提高线路深度压缩 比，提升运行速度，帮助更多量子计算开发者在药物等领域取得新 的成绩，加速量子化学研发进程。 数据来源：华为 HiQ2.0 量子计算云平台 图 3 华为量子计算云平台量子化学模拟应用示例 2.复杂网络排序 新冠病毒疫情仍在全球肆虐， 给整个人类社会造成了巨大影响。 弄清病毒的传播过程，对于疫情防控与预警至关重要。社交群体中 的病毒传播与防控，对应复杂网络小世界特性和无标度特征发现问 题，具有复杂的计算特征。 以本源量子复杂网络排序服务探索为例，如图 4 所示，为追踪 和预测病毒的传播节点，依托本源

39、量子计算云平台，对给定的社交 网络图谱进行建模，通过 HHL 量子算法计算得到该特定网络节点重 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 17 要性的排序结果，进一步使用 SIR 模型评估特定节点的影响效果。 这一功能在云端展示了对于复杂网络计算任务，量子计算的有效性 和优越性，将为预测新冠病毒的下一个传播点提供重要参考。 数据来源：本源量子计算云平台 图 4 本源量子计算云平台网络排序应用示例 3.量子机器学习 在数据不断增长、 传统计算机数据处理能力接近极限的情况下， 量子计算所带来的巨大算力优势让其与机器学习的结合成为有前景 的方向。将量子计算运用于机器学习，这不仅能够突破传统计算机

40、无法解决的问题，更会为机器学习领域带来全新的技术变革。 以Google开发的TensorFlow Quantum框架为例， 如图 5 所示， 研究人员基于量子机器学习框架，在云端从事量子机器学习算法实 现与模型评估，加快量子机器学习领域的应用探索。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 18 数据来源：Google Tensorflow Quantum 白皮书 图 5 量子卷积神经网络模型实现线路示例 4.组合优化问题 组合优化问题是指在有限可行解集合内寻找最优（或者次优） 解的问题，它在工业界，例如航线规划和网络流量分配等方面有着 广泛的应用价值。寻找出能够加速解决这类问题的方法，将有

41、可能 极大的降低生产成本，和推动人类社会各方面的进步。目前，工业 界的很多问题，随着规模的增大，其计算复杂性使得经典计算解机 很难在有限的时间和计算资源下求解组合优化问题。近年来量子计 算领域进展迅猛。借助于量子计算的天然优势，针对含噪中等规模 量子器件（50-1000 量子比特） ，业界提出的量子退火算法和量子近 似优化算法等，有望降低组合优化问题的求解难度。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 19 数据来源：D-wave 图 6 基于 D-wave 量子退火机实现北京交通路线优化示例 如图 6 所示，D-wave 公司与德国大众公司合作，基于 D-wave 量子计算云平台运行量子

42、退火算法，对 10000 辆出租车的 GPS 交通 流向数据进行组合优化求解， 计算在 32km 的路程中以最快的速度到 达目的地，且不会造成交通堵塞。优化结果表明，仅用时不到 1 秒 即找到了最优行驶路线，对于诸多车联网应用场景，量子退火计算 服务，有望缓解大型城市出租车的交通阻塞问题。 量子近似优化算法是解决组合优化问题的另一实现方法，以华 为 HiQ 量子计算云平台为例， 平台提供了组合优化问题的高效解决 方案量子组合优化求解器 HiQ Optimizer。该求解器包括将组合优 化问题转化为对应的哈密顿量， 并将之转化为量子+经典混合架构可 以实现的量子态制备、 演化和测量、 以及优化参

43、数更新等全套工具。 组合优化问题的高效解决，将助力量子计算在工业界、学术界的广 泛应用。 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 20 四四、量子云计算产业量子云计算产业发展势头良好发展势头良好 国内外云计算企业、初创公司和科研机构看好量子云计算产业 与应用的发展潜力，纷纷提前布局，在技术与服务模式方面力争做 出特色，生态产业逐步兴起。 （一）国际（一）国际巨头巨头百家争鸣百家争鸣，竞争如火如荼，竞争如火如荼 目前国际提供量子计算云平台的典型企业发展状况如下： 1.IBM IBM 作为量子计算领域的领军者之一， 在量子云计算领域的研究 具有系统化、成熟化的研发运营模式，在硬件和软件方面形成

44、了相 对完善的研发链， 已逐渐建立日益成熟的量子云计算生态。 IBM 在量 子云计算领域的重要发展节点如图 7 所示。 数据来源：根据公开资料整理 图 7 IBM 量子云计算发展时间线 IBM 在量子云计算领域的主要工作探索包括： 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 21 持续开展基础量子信息科学的研究， 不断探索新的量子算法 以降低错误率以保证计算结果更加准确和可靠。 构建科研和商用的量子硬件及平台系统， 保证量子体积和量 子比特数的不断增加。 大力开发量子电路和软件， 提供更多创新型用例供开发人员 和企业进一步探索。 构建可持续发展的量子计算社区环境， 引导更多人了解和参 与量子计算研究，形成 IBM 量子计算生态链。 2.Google Google 在量子计算领域也具有强大的研发能力，布局主要围绕 基础研究、硬件研发和软件开发展开。在多年的研究蓄力后，近三 年 Google 在量子领域的动作愈加频繁。 Google 在量子云计算领域的 重要发展节点如图 8 所示。 数据来源：根据公开资料整理 图 8 Google 量子云计算发展时间线 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 22 Google 在