量子计算发展态势研究报告(2023年).pdf
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1、版权声明版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院,并受法律保护。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,转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的,应注明应注明“来源:中国信息通信研究院来源:中国信息通信研究院”。违反上述声明者,。违反上述声明者,本院将追究其相关法律责任。本院将追究其相关法律责任。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 2022023 3 年年 1212 月月 量子计算发展态势量子计算发展态势 研究报告研究报告 (2022023 3 年)年)量子计算发展态势研究报告量子计算发展态势
2、研究报告 (20232023 年年)中国信息通信研究院技术与标准研究所 2023年12月 前前 言言 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
3、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
4、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。目目 录录 一、量子计算已成为前沿科技和未来产业关注热点.1 二、量子计算科研攻关与软硬件研发保持高度活跃.2(一)多种硬件技术路线并行发展,亮点成果频出.2(二)量子计算软件持续开放探索,功能各有侧重.7(三)量子纠错突破盈亏平衡点,未来需持续攻关.11(四)环境测控系统取得新进展,性能指标待提升.13 三、应用探索多领域广泛开展,产业生态初步形成.16(一)应用探索成业界热点,行业领域趋向多元化.16(二)实用化落地尚未突破,硬件性能提升是基础.19(三)产业联盟与开源社区成为生态发展重要助力.21(四)欧美量子计算企业活跃,产业
5、生态初具雏形.23 四、量子计算云平台是构建应用产业生态重要支点.28(一)国内外企业机构加速布局,抢占产业生态位.28(二)量子计算云平台功能架构可借鉴经典云计算.30(三)量子计算云平台的服务和业务模式逐步完善.32(四)云平台成为开展科研与应用探索的重要支撑.34 五、量子计算云平台标准和基准测评研究持续开展.37(一)国内外积极布局推动量子计算基准测评研究.37(二)构建量子计算云平台基准测评体系参考模型.39(三)开展测评实践验证,验证平台硬件实际能力.41(四)量子计算云平台标准体系建设需进一步推动.46 六、机遇与挑战并存,多策并举加快量子计算发展.49 图图 目目 录录 图 1
6、 量子计算主要技术路线代表性研究成果.3 图 2 量子计算主要硬件技术路线关键指标对比概况.7 图 3 量子计算软件体系架构图.8 图 4 2023年 Gartner 量子计算技术成熟度预测.20 图 5 全球代表性量子信息产业联盟概况.21 图 6 国内外量子计算软件 GitHub开源社区活跃度.22 图 7 量子计算产业生态与国内外代表性企业概况.25 图 8 中美量子计算产业基础能力对比.27 图 9 国内外代表性量子计算云平台概况.28 图 10 量子计算云平台功能架构参考模型.30 图 11 量子计算云平台三大服务模式.32 图 12 量子计算云平台脉冲级实验套件功能.36 图 13
7、 量子计算云平台基准测评体系参考模型.40 图 14 单比特 RB 测试结果.42 图 15 双比特 RB 测试结果.42 图 16 量子体积(QV)测试结果.43 图 17 DJ 算法测试结果.44 图 18 QFT 算法测试结果.44 图 19 哈密顿量模拟算法测试结果.45 图 20 量子计算云平台标准体系架构.48 表表 目目 录录 表 1 国内外代表性量子计算应用开发软件.9 表 2 国内外代表性量子计算编译软件.9 表 3 国内外代表性量子计算 EDA软件.11 表 4 代表性量子计算测控系统.15 表 5 量子计算应用场景分析.16 表 6 量子计算云平台基准测评初步测试结果汇总
8、.41 量子计算发展态势研究报告(2023 年)1 一、量子计算已成为前沿科技和未来产业关注热点 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,将对传统技术体系产生冲击、进行重构,成为引领新一轮科技革命和产业变革方向的颠覆性创新。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关注焦点之一。近年来,全球 30 个国家和地区制定发布了以量子计算为重点的量子信息发展战略或法案,不完全统计投资总额超过 280 亿美元。量子计算领域基础科研和技术创新持续保持活跃,
9、科研论文和专利申请数量近年来屡创新高,初创企业数量和投融资金融也经历一轮爆发式增长。近一年来,全球科技巨头、初创企业和研究机构在量子计算领域的关键技术攻关、软硬件工程研发、应用场景探索和产业生态培育等方面取得了诸多重要进展和亮点成果。量子计算云平台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,是展现量子计算技术能力和产业化发展水平的重要视角。近年来,国内外各类量子计算云平台持续推出,多方开放竞争,功能框架和服务模式不断丰富和完善,已成为推动量子计算技术产业演进和产学研用合作的关键助推器。基于量子计算云平台开展量子计算软硬件系统的功能和性能测评验证,
10、也是业界关注的热点方向之一,近年来在基准测评指标和测试方法等方面发展演进迅速。量子计算发展态势研究报告(2023 年)2 本报告对近一年来量子计算领域基础科研与工程研发的重要进展进行梳理总结,包括量子计算硬件主要技术路线研究成果,软件系统研发动态,量子纠错编码实验,环境测控系统进展。对各领域量子计算应用场景探索进展进行分析,分析杀手级应用落地面临的挑战,探讨量子计算企业、产业生态和开源社区等方面发展动态。对比国内外量子计算云平台发展情况,提出量子计算云平台的参考功能架构、主要功能需求和三大服务模式。此外,报告还提出量子计算云平台基准测评体系框架,开发电路级、系统级和应用级测试用例,对代表性云平
11、台进行了测试验证。最后,报告总结量子计算演进趋势,提出未来发展关注重点。二、量子计算科研攻关与软硬件研发保持高度活跃(一)(一)多种硬件技术路线并行发展,亮点成果频出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
12、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 1所示。量子计算发展态势研究报告(2023 年)3 来源:中国信息通信研究院(截至 2023 年 11月)图 1 量子计算主要技术路线代表性研究成果 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 Tenor1。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2。苏黎世联邦理工基于超导量子电
13、路完成无漏洞贝尔实验3。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4。中科大联合团队实现 51 位超导量子比特簇态制备5。Rigetti 推出 84 位超导量子处理器 Ankaa-16。中科院物理所利用 41 位超导量子芯片“庄子”1 https:/tech.eu/2023/02/23/quantware-debuts-64-qubit/2 https:/ 3 https:/ 4 https:/ 5 https:/ 6 https:/ 量子计算发展态势研究报告(2023 年)4 模拟“侯世达蝴蝶”拓扑物态7。日本富士通和 RIKEN 发布 64 比特超导量
14、子计算机8。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9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10。华翊量子发布1137 位离子阱量子计算原型机 HYQ-A37,成为国内代表性成果。需要
15、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12 255 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 7 https:/journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/P
16、hysRevLett.131.080401 8 https:/ 9 https:/ 10 https:/ 11 https:/ 12 https:/journals.aps.org/prl/issues/131/15 量子计算发展态势研究报告(2023 年)5 机完成稠密子图和 Max-Haf 两类图论问题求解13,验证计算加速潜在优势。玻色量子发布14100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15。硅半导体路线利用量子点中囚禁单电子或空穴构造量子比特,通过电脉冲实现对量子比特的驱动和耦合,具有制造和测控与集成电路工艺兼容等优势。2023
17、 年,新南威尔士大学实现16新型触发器(flip-flop)硅量子比特。美国休斯研究中心提出17硅编码自旋量子比特的通用控制方案。中科大实现18硅基锗量子点超快调控,自旋翻转速率超过 1.2 GHz。Intel 发布1912 位硅基自旋量子芯片 Tunnel Falls。浙江大学20在半导体纳米结构中创造了一种新型量子比特。硅半导体路线得到 Intel 等传统半导体制造商支持,由于同位素材料加工和介电层噪声影响等瓶颈限制,比特数量和操控精度等指标提升缓慢。中性原子路线利用光镊或光晶格囚禁原子,激光激发原子里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化,相干时间和操控精度等特性与离子阱路线相似,在规模化扩
18、展方面更具优势,未来有望在量子模拟等方面率先突破应用。2023年,加州理工展示21量子橡皮擦纠错新方法,使激光照射下的错误原子发出荧光实现错误定位以便进一步纠错处理,系统纠缠率提升 10 倍。普林斯顿大学22基于相似擦除 13 https:/physics.aps.org/articles/v16/s64 14 https:/ 15 https:/doi.org/10.1007/s11433-023-2147-3 16 https:/www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add9408 17 https:/ 18 https:/pubs.acs.org/doi/
19、10.1021/acs.nanolett.3c00213 19 https:/ 20 https:/ 21 https:/ 22 https:/ 量子计算发展态势研究报告(2023 年)6 原理将门操作错误转化为擦除错误,有效提升逻辑门保真度。哈佛大学23基于里德堡阻塞机制控制方案,在60个铷原子阵列实现99.5%双比特纠缠门保真度,超过表面码纠错阈值。Atom Computing 公司发布241225原子阵列中性原子量子计算原型机,成为首个突破千位量子比特的系统。中性原子路线近年来在比特数目扩展和量子纠错等方面进展迅速,有望成为技术路线竞争中的后起之秀。量子计算多种技术路线研究成果不断涌现,
20、如何分析发展趋势和进行横向对比是业界关注点。图 2 展示了五种主流技术路线关键指标的代表性成果对比情况,超导路线在量子比特数量、逻辑门保真度等指标方面表现较为均衡;离子阱路线在逻辑门保真度和相干时间方面优势明显,但比特数量和门操作速度方面瓶颈也同样突出;光量子和硅半导体路线目前在比特数量、逻辑门保真度和相干时间等指标方面均未展现出明显优势;中性原子近年来在比特数量规模、门保真度和相干时间等指标方面提升迅速。需要指出,当前量子计算各技术路线的性能指标发展水平参差不齐,但距离实现大规模可容错通用量子计算的目标都还有很大差距。23 https:/ 24 https:/atom- 年)7 来源:中国信
21、息通信研究院 图 2 量子计算主要硬件技术路线关键指标对比概况25(二)量子计算软件(二)量子计算软件持续开放探索持续开放探索,功能各有侧重功能各有侧重 量子计算软件是连接用户与硬件的关键纽带,在编译运行和应用开发等方面需要根据量子计算原理特性进行全新设计,提供面向不同技术路线的底层编译工具,具备逻辑抽象工程的量子中间表示和指令集,以及支撑不同计算问题的应用软件。目前量子计算软件处于开放研发和生态建设早期阶段,业界在量子计算应用开发软件、编译软件、EDA软件等方向开展布局,如图 3 所示。25各技术路线指标统计是不同团队和系统报道的最优值,并非在同一系统中同时实现各项最优指标。量子计算发展态势
22、研究报告(2023 年)8 来源:中国信息通信研究院 图 3 量子计算软件体系架构图 应用开发软件为开发者提供创建和操作量子程序的工具集、开发组件以及算法库,业界代表性应用开发软件如表 1 所示。2023 年,QC Ware推出量子化学软件SaaS Promethium26。Quantum Brilliance发布量子计算开发工具 Qristal SDK27,用例包括经典量子混合应用、化学模拟以及自动驾驶等。瑞典查尔姆斯理工大学开发量子计算开源软件SuperConga28,协助用户开展量子物理等领域的研究。未来,量子计算应用开发软件发展需要进一步增加应用场景、计算问题和算法开发的支持能力,以及
23、与不同硬件系统软硬件协同适配性。26 https:/ https:/ 28 https:/www.chalmers.se/en/current/news/mc2-open-source-software-to-speed-up-quantum-research/量子计算发展态势研究报告(2023 年)9 表 1 国内外代表性量子计算应用开发软件 类别类别 名称名称 领域领域 发布机构发布机构 量子计算应用开发软件 OpenFermion 化学 Google TensorFlow Quantum 人工智能 PennyLane 机器学习 Xanadu InQuanto 化学 Quantinuum
24、Qristal SDK 化学、经典量子混合应用、自动驾驶 Quantum Brilliance SuperConga 量子物理 Chalmers University of Technology ChemiQ 化学 本源量子 VQNet 人工智能 HiQ Fermion 化学 华为 Paddle Quantum 人工智能 百度 QuOmics、QuChem、QuDocking、QuSynthesis 化学、生物制药 图灵量子 QuFraudDetection、QuPortfolio 金融 来源:中国信息通信研究院 编译软件用于明确量子编程边界并确保程序编译正确执行,并提供完善且体系化的语法规则
25、用于协调和约束量子操作与经典操作,表 2 梳理了业界代表性量子计算编译软件。2023 年,Pasqal 发布中性原子量子计算软件 Pulser Studio29,使用户能够以图形方式构建量子寄存器并设计脉冲序列。微软发布 Azure 量子开发套件(QDK)预览版30。Pasqal 推出用于数字模拟量子计算软件 Qadence31。量子计算编译软件未来需要持续提升软硬件协同编译、调度和优化能力。表 2 国内外代表性量子计算编译软件 类别类别 名称名称 特性特性 发布机构发布机构 29 https:/ 30 https:/ 31 https:/ 量子计算发展态势研究报告(2023 年)10 量子计
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