中國(guó)信通院呂博：從探索到融合 助力構(gòu)建量子云計(jì)算發(fā)展新態(tài)勢(shì)

10月12日消息（余予）近年來(lái)，量子科技逐漸成為當(dāng)今全球科技革命競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外科技相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛布局，欲在其中占一席之地。

其中，量子計(jì)算再近些年取得了突破性進(jìn)展，量子計(jì)算優(yōu)越性已得到實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界紛紛加大研究投入，推動(dòng)量子計(jì)算進(jìn)入到實(shí)用化優(yōu)勢(shì)探索階段。孕育出現(xiàn)的量子計(jì)算云平臺(tái)將真實(shí)量子計(jì)算單元或模擬器與經(jīng)典計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施在云端進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，成為量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展亮點(diǎn)之一。

中國(guó)信通院長(zhǎng)期關(guān)注量子信息技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，連續(xù)三年發(fā)布量子信息技術(shù)白皮書，收到業(yè)界好評(píng)。在近日 “2021年（第30屆）中國(guó)國(guó)際信息通信展覽會(huì)”的“量子計(jì)算論壇”上，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所呂博博士發(fā)布《量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)研究報(bào)告（2021）》藍(lán)皮書，從技術(shù)、應(yīng)用、企業(yè)、測(cè)評(píng)四方面進(jìn)行解讀。

“目前，在量子計(jì)算的專用機(jī)時(shí)代，進(jìn)入到了使用化的探索。主要表現(xiàn)為兩方面的需求，一是量子計(jì)算可用，即實(shí)用化的這些需求，我們量子計(jì)算確實(shí)也能解決一些宏觀的需求；二是量子有用，不但是能解決，并且能夠展示它無(wú)與倫比的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。” 呂博博士表示。

“去年的藍(lán)皮報(bào)告的主題是探索，今年我覺得的發(fā)展有一些新變化，就是融合。”呂博博士說(shuō)道，一個(gè)是經(jīng)典的云計(jì)算能夠給我們量子計(jì)算有很多的啟發(fā)，有混合的多方協(xié)同，誕生更多的化學(xué)反應(yīng)。其次，不同的公司實(shí)際上是競(jìng)爭(zhēng)合作并存，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而為行業(yè)及應(yīng)用提供更好探索。

量子計(jì)算云平臺(tái)物理后端豐富 多種技術(shù)路線并存發(fā)展

云平臺(tái)正在成為量子計(jì)算應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)推廣的重要方式，國(guó)內(nèi)外多家科技企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)相繼推出自己的量子計(jì)算云平臺(tái)和服務(wù)。

云平臺(tái)的出現(xiàn)揭開了量子計(jì)算神秘的面紗，能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀世界和微觀量子世界“親密接觸”，是一個(gè)非常有效的方式。

量子計(jì)算云平臺(tái)物理硬件多元發(fā)展。

量子處理器硬件是量子計(jì)算云平臺(tái)后端實(shí)現(xiàn)的“基石”，也是當(dāng)前階段量子計(jì)算亟待突破的“核心命題”。其中主流技術(shù)路線包含超導(dǎo)、離子阱、硅基半導(dǎo)體、光量子、NV色心等，呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)。

在這一領(lǐng)域，我國(guó)科學(xué)家不斷努力，多個(gè)技術(shù)路線與歐美學(xué)術(shù)研究方面差距在縮小，局部研究成果達(dá)到了全球先進(jìn)水平。

除此之外，隨著未來(lái)量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)與完善，量子計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試基準(zhǔn)將成為衡量量子計(jì)算云平臺(tái)算力提供的重要依據(jù)

量子計(jì)算模擬器是量子計(jì)算云平臺(tái)的特色后端。

量子計(jì)算模擬器依托于經(jīng)典計(jì)算的集群資源。用模擬去模仿量子計(jì)算的業(yè)務(wù)矩陣、計(jì)算邏輯，然后配合一些在矩陣層面的引擎、算法，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算狀態(tài)的仿真推演。

同時(shí)，量子計(jì)算模擬器是量子計(jì)算技術(shù)驗(yàn)證的重要補(bǔ)充，大規(guī)模的模擬器開辟了新的超算問題。

量子計(jì)算模擬器在NISQ時(shí)代同樣會(huì)發(fā)揮積極作用，成為量子計(jì)算重要的輔助驗(yàn)證工具，主要表現(xiàn)在它可以降低對(duì)運(yùn)行層面條件的依賴，可以實(shí)現(xiàn)很多量子算法的驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)外企業(yè)就模擬器這一方面進(jìn)行布局：Amazon云平臺(tái)提供完全托管的密度矩陣模擬器DM1；華為在我國(guó)天河二號(hào)超算機(jī)上部署超大規(guī)模HiQ模擬器；NVIDIA推出cuQuntum開發(fā)工具組，基于GPU對(duì)模擬器進(jìn)行加速等等。

量子計(jì)算軟件多種并舉，研發(fā)迭代活躍。

呂博博士表示，量子計(jì)算云平臺(tái)集成了量子計(jì)算領(lǐng)域的基礎(chǔ)運(yùn)行類軟件、計(jì)算開發(fā)類軟件、應(yīng)用服務(wù)類軟件及通用系統(tǒng)類軟件四類。目前仍然處于培育初期，開放化和開源化成為量子計(jì)算軟件發(fā)展的主要趨勢(shì)。

今年有一個(gè)比較大的亮點(diǎn)——軟件家族新添了兩位成員：量子芯片輔助設(shè)計(jì)（量子EDA軟件）和量子計(jì)算通用操作系統(tǒng)。其出現(xiàn)開辟了量子軟件的新賽道。

“云平臺(tái)實(shí)際上有很大一部分依托于現(xiàn)在的經(jīng)典云計(jì)算，經(jīng)典云計(jì)算在量子云平臺(tái)上發(fā)展中也起到了非常重要的作用，可以為下一步的量子云平臺(tái)的演進(jìn)提質(zhì)加速。”呂博博士表示。

現(xiàn)在經(jīng)典的云計(jì)算經(jīng)過多年發(fā)展，其一些技術(shù)思想可以啟發(fā)量子計(jì)算云平臺(tái)進(jìn)一步發(fā)展。其中兩個(gè)最重要的思想，一是資源的虛擬化技術(shù)，二是分布式計(jì)算存儲(chǔ)。這兩種技術(shù)的思想，在量子計(jì)算及云平臺(tái)方面，仍然有非常重要的作用。

面向行業(yè)應(yīng)用 實(shí)用性探索升溫

量子計(jì)算云平臺(tái)正在成為量子計(jì)算科學(xué)研究、應(yīng)用探索和教育普及的綜合服務(wù)平臺(tái)。服務(wù)應(yīng)用探索邊界日益擴(kuò)大，科研領(lǐng)域、教育和化學(xué)、金融等行業(yè)均有望成為量子計(jì)算實(shí)用化優(yōu)勢(shì)的受益者。

這一影響主要體現(xiàn)在加速科研領(lǐng)域突破方面。例如，迄今為止，基于IBM量子計(jì)算云平臺(tái)所發(fā)表的論文以達(dá)數(shù)百篇，這其中有很多令人激動(dòng)的成果。

深度挖掘行業(yè)潛能方面主要有兩部分，一部分是做原貌的量子計(jì)算，比如量子模擬、多體物理，這些是需要直接操縱量子物理比特，并進(jìn)行哈密頓計(jì)算，其本身非常適合用量子計(jì)算來(lái)解決；另一部分是AI或一些復(fù)雜的工程方程，其計(jì)算邏輯基于量子計(jì)算，存在很多變量。

國(guó)內(nèi)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)合作并存 呈多元化發(fā)展

國(guó)際方面，跟去年有巨大不同，量子云計(jì)算企業(yè)及及機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)激烈，呈多元化發(fā)展形式。同時(shí)，量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷提速，科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)、聯(lián)盟機(jī)構(gòu)硬件、軟件等方面均取得了突破。

“我國(guó)量子云計(jì)算產(chǎn)業(yè)雖然起步晚，但在各個(gè)角色上都沒有缺席。”呂博博士指出，“我們的科技企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等多方角色，不斷為國(guó)內(nèi)量子計(jì)算云平臺(tái)的發(fā)展貢獻(xiàn)原生力量。”

持續(xù)探索量子計(jì)算測(cè)評(píng)體系

量子計(jì)算目前處于關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期，技術(shù)研究和先導(dǎo)性技術(shù)、應(yīng)用、服務(wù)性質(zhì)的測(cè)評(píng)驗(yàn)證需求日益迫切。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家積極開展了量子計(jì)算技術(shù)驗(yàn)證及平臺(tái)構(gòu)建項(xiàng)目。

其中，量子計(jì)算云平臺(tái)不僅作為展示量子計(jì)算技術(shù)及服務(wù)能力的途徑，也是量子計(jì)算測(cè)評(píng)驗(yàn)證關(guān)注對(duì)象之一。

“云平臺(tái)不光是作為輸出方的角色，本身也是非常好的載體，可以作為進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證還有一些標(biāo)準(zhǔn)的提供數(shù)據(jù)依據(jù)。”呂博表示。

總結(jié)及展望

呂博博士指出，綜合以上呈現(xiàn)三大趨勢(shì)：

·基于云平臺(tái)商業(yè)模式的探索初具模型，例如IBM、Amazon等企業(yè)，已經(jīng)開始嘗試采用多種定價(jià)策略，為用戶提供更好的保障及更高能力的服務(wù)。

·行業(yè)巨頭也在大力推動(dòng)，一方面推云平臺(tái)，一方面發(fā)展聯(lián)盟的生態(tài)。比如說(shuō)今年IBM舉辦了討論賽，已經(jīng)有超過1400多個(gè)參賽選手提交了7000多次的任務(wù)。大家已經(jīng)成為了一個(gè)每年的信仰似的任務(wù)，已經(jīng)完全盤活了這個(gè)生態(tài)，這也是個(gè)趨勢(shì)。

·受經(jīng)典云計(jì)算的啟發(fā)，量子云計(jì)算的下一步將孵化出成多位量子計(jì)算量身定制的新技術(shù)。同時(shí)，量子計(jì)算云平臺(tái)是技術(shù)實(shí)驗(yàn)、接口開放、數(shù)據(jù)提供和技術(shù)研討的綜合體，在量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)制定過程中將會(huì)發(fā)揮重要作用。

最后，呂博博士強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算整個(gè)領(lǐng)域仍舊面臨很大的挑戰(zhàn)。但是從探索應(yīng)用服務(wù)的可用性及優(yōu)勢(shì)來(lái)看，云平臺(tái)也是一個(gè)很好的輸出途徑。在整個(gè)全球量子計(jì)算的大背景下，我們總體的發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，前景可期。但是也需要有一些思考：量子計(jì)算的下一步、云平臺(tái)發(fā)展到下一步、從玩具演示級(jí)發(fā)展到商業(yè)探索級(jí)，實(shí)際上有很多的技術(shù)問題仍然需要業(yè)界思考的。

其次，現(xiàn)在的量子計(jì)算還呈現(xiàn)短期的市場(chǎng)效應(yīng)。大家關(guān)注的是它的長(zhǎng)期價(jià)值。從整個(gè)戰(zhàn)略規(guī)劃、合作機(jī)制、應(yīng)用探索、人才儲(chǔ)備培養(yǎng)、標(biāo)準(zhǔn)展開及生態(tài)構(gòu)建六方面來(lái)講處于邊探索邊利用的狀態(tài)。這六方面中，標(biāo)準(zhǔn)也占據(jù)重要位置，因?yàn)橹挥袠?biāo)準(zhǔn)化才能形成規(guī)?；?，才能形成產(chǎn)業(yè)化，才能形成商業(yè)化，才能構(gòu)建一個(gè)生態(tài)。

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