量子云计算发展态势 研究报告 （2020 年） 中国信息通信研究院技术与标准研究所 2020 年 10 月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的， 应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者， 本院将追究其相关法律责任。 前 言 人类正处于第四次工业革命的开端，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 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、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 目 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 .......................... 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 目 录 表 1 平台 A 软件功能测试结果统计 ................................. 34 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） 一、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、加快量子计算技术及产业发展进程。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、解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。 1 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 三、提升综合性普惠服务能力。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 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、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 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 2 量子云计算发展态势研究报告（2020 年） 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 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。 应用服务 量子机器学习 组合优化 金融投资 化学材料设计 … 量子编程框架 量子算法库 量子计算GUI 量子计算SDK … 量子中间表示 量子线路 量子模拟加速 组件 量子编译器 … 量子芯片 量子测控 量子制备存储 经典云设施 … 应用接口 工具框架 开发接口 计算引擎 硬件接口 硬件底座 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。