1、量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告 1 一、研究背景与意义(一一)国内外量子计算云平台发展现状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 Max Planck 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。

2、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。图 1 量子计算及云平台发展历程 量子计算的发展可以分为 3 个阶段，1980-1994 年，为提出建立量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告 2 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 Sh

3、or 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。图 2 量子计算发展的重要里程碑 量子计算云平

4、台功能模型、体系架构与能力分级研究报告 3 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 NISQ 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

5、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 NISQ 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

6、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 年中科大量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告 4 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