一、量子计算云平台技术发展趋势

目前量子计算机的潜在应用途径包括在用户本地搭建独立运行的量子系统以及接入量子云平台提供远程访问与算力服务等。量子计算装置通常对环境的要求苛刻，运行条件和维护成本高，与之配套的量子计算运行软件也具备较高的专业门槛，导致本地部署和使用的难度提升，维护成本也较高。近年来出现的量子计算云平台将经典云计算软件工具、通信设备及IT基础设施等与量子计算处理器硬件进行有机结合，为用户提供直观化及实例化的量子计算接入访问与算力服务，将成为未来量子计算能力输出、应用探索和商业推广的主要方式之一。

量子计算云平台集成了量子计算与经典云计算的特点与优势，基本功能实现如图1所示。用户所设计的计算任务，通过量子计算软件进行编程设计后，转换为程序语言通过互联网提交至云端，由云端服务器转换为相应的量子控制信号后，操控量子计算装置进行运作与测量，最终将得到的计算结果，再通过互联网返回给用户。量子计算云平台符合用户对于经典云计算的操作习惯，可满足量子计算研究人员、教学人员、开发人员等多方需求，同时各方用户的试用和反馈也将成为量子计算云平台的贡献者，形成演进闭环，共同促进量子计算技术发展。

（一）量子计算硬件多种技术体系竞相发展

1、量子计算处理器。

量子计算处理器是量子计算云平台的“后端基石”，也是当前阶段量子计算亟待突破的“核心命题”。量子处理器主要技术路线包含超导、离子阱、硅基半导体、光量子、NV色心等，呈现多元化发展态势。

超导量子计算被业界认为是有可能实现通用化量子计算的技术路线之一，在量子计算保真度、ns尺度下的工作能力、与微波电子器件兼容性等方面具备优质潜力，处于稳健提升的发展期。国际科技巨头IBM、Google等在超导量子计算方面持续发力，样机研发占据领先地位，纷纷制定超导量子计算发展的宏伟蓝图。IBM于2020年发布超导量子计算路线图，计划2021年推出128位物理比特“鹰”平台，2023年推出1123位“秃鹫”平台，2030年目标达到上百万位。

Google在2019年报道基于53位量子物理比特超导处理器“悬铃木”率先实验验证了量子计算优越性，2020年报道基于超导处理器开展的量子化学应用验证实验。“悬铃木”的二维耦合与可调耦合器芯片架构已成为超导量子计算硬件设计典范。2021年发布超导量子计算路线图，计划2023年实现1000位物理量子比特，2029年实现百万物理量子比特可纠错量子计算。

离子阱技术路线在量子比特数量和量子体积等指标上屡创新高，在量子比特容量、质量和可扩展性方面取得突破，成为工业界青睐的候选技术之一。如美国Honeywell公司2021年报导了基于量子电荷耦合器架构的离子阱量子计算原型机H1，具备10位全连接高保真度物理比特，量子体积指标达到128，并计划2023年实现环形真空腔的40位物理比特原型机H2，2030年实现基于离子阱栅格集成光学控制的模块化百位物理量子比特。

硅基半导体技术路线与现代半导体集成电路工艺兼容，在可扩展性、可集成性和工业化量产等方面具有潜在优势，目前取得了一定工程化突破，包括实现了高保真度单量子比特门制备、高保真度两量子比特门以及高速高保真度的比特读出等，并提出了可扩展的半导体量子芯片方案。光量子集成计算技术路线具有相干时间长、可常温运行的显著优点及实用化潜力，也受到资本市场的青睐。NV色心技术路线在ms量级的电子自旋相干时间、室温条件下实现相干操控和读入读出等方面具有技术特色，目前主要用于量子计算科研、教学和原理性演示等。

我国科学家不断努力，在超导、离子阱、光量子等多个技术路线与欧美学术研究方面的差距在缩小，局部研究成果达到了全球先进水平。在空间光学量子计算实验方面，2020年中科大团队报导基于76光子的单模压缩光学实验系统—九章，在高斯玻色采样问题模拟方面再次证明了量子计算优越性；2021年预印本论文报道升级为九章2.0系统，光子数量提升至113。在超导量子计算方面，2021年5月中科大报道采用三维连接新方案和谐振腔比特间耦合机制，研制出62位物理量子比特超导量子计算原型机—祖冲之号，实验演示二维量子随机行走，2021年6月预印本论文报道66位超导物理量子比特的量子随机线路采样测试，进一步验证了更大规模的量子计算优越性。

在量子计算硬件不断发展的过程中，综合评价指标也呈现多元化研究态势。继IBM提出量子体积指标后，IonQ基于量子算法在量子计算机上的运行性能，提出了算法量子比特评价指标；美国量子软件初创公司Zapata Computing基于NISQ计算架构，提出了应用基准度量指标。随着未来量子计算标准的推进与完善，量子计算综合评价指标和测试基准将成为衡量量子计算云平台算力提供的重要依据。

2、量子计算模拟器。

量子计算模拟器基于经典计算资源和软件算法，实现量子计算状态演化和运行逻辑的模拟仿真，是量子计算云平台的特有计算后端，成为量子计算技术验证的重要补充。模拟量子计算的经典信息辅助处理也是量子计算领域的关注技术之一。量子计算模拟器一方面缓解了当前量子计算资源的稀缺性问题，在一定程度上降低了对真实量子计算物理条件的依赖，促进量子计算科学实验和应用验证在软件和算法层面的顺利进行；另一方面为复杂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辅助实现工具。

近年来，国内外科技企业也加大了量子计算模拟器的研究和应用推广力度，取得了突破性成果。2021年5月，Amazon在Amazon Braket量子云平台上提供完全托管的密度矩阵模拟器DM1，用户可模拟最高具有17个量子比特的量子噪声线路。2020年9月，华为量子团队发布了HiQ 3.0量子计算模拟器及开发者工具，推出了量子组合优化求解器HiQ Optimizer和张量网络计算加速器HiQ Tensor，在我国天河二号超级计算机上部署了HiQ模拟器，可进行超大规模的量子计算模拟器仿真任务。2020年12月，阿里巴巴开源了自研量子计算模拟器—太章2.0，对分布式张量网络收缩算法进行了优化改进，支持量子硬件设计、量子算法测试，以及在材料、分子发现，优化问题和机器学习等领域内的探索应用；芯片巨头NVIDIA也看好量子模拟器的算力需求，2021年4月推出名为cuQuantum的开发工具组，让开发者基于NVIDIA GPU对量子计算模拟器进行计算加速。

（二）多种量子计算软件并举研发迭代活跃

1、基础运行类软件。

量子基础运行类软件系统与量子硬件、经典硬件紧密相关，也是量子计算机运行所需要的核心控制类软件。其中量子编译软件，主要规范量子编程的边界，保证量子程序编译执行的正确性，提供完善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；量子测控软件，可用于量子计算纠错，提供了测量结果精准反馈，量子芯片高效校准等功能，是量子计算处理器稳定运行的重要保障；此外，量子芯片设计EDA软件的出现，有助于高效完成量子芯片的自动化辅助设计、参数的标定与优化、芯片封装设计等功能。依托云平台所提供的量子计算芯片辅助设计服务，可加速量子计算芯片的研发与迭代，实现量子计算硬件与软件人员的合作共赢。

2、计算开发类软件。

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，主要包含了量子编程语言和量子软件开发工具。量子编程框架类软件用来编写运行在量子计算机中的量子算法和程序，经过封装后还可提供常用的量子计算组件和量子算法库，进行量子程序的快速开发；量子汇编类软件与量子计算硬件对接，提供了统一表示量子算法程序的数据及接口。

3、应用服务类软件。

量子应用服务类软件，提供了面向多个领域的量子云计算技术应用套件，包括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、量子机器学习和量子组合优化类是其中较为典型的应用服务软件。量子计算+行业应用探索加速，刺激应用服务类软件不断涌现，并趋于多样化，从而有助于降低量子云计算使用门槛，对行业用户群体形成“虹吸效应”。

量子计算应用套件，可加快量子云计算资源的应用服务开发，支持开发人员将经典和量子任务分发到适当的系统，使得任务能够匹配到适合的硬件资源，同时结合量子处理器的计算规模和能力，对任务进行分段处理，实现计算资源优势互补。

4、通用系统类软件。

量子计算软硬件多方探索加速对量子计算操作性和兼容性的要求也随之提升，在此背景下量子计算通用操作系统软件诞生问世，开辟了量子软件新赛道。量子计算通用操作系统可实现量子资源系统化管理和自动任务调度，保证量子计算任务高效执行，屏蔽了多种量子计算软硬件的差异性，简化了量子计算操控和使用，未来有望加速量子计算高效运行，实现量子计算资源共建共享。

5、量子计算软件小结。

如表所示，目前多类量子计算软件发展表现活跃。量子计算软件由于专业门槛高，交叉学科研发人员还十分匮乏，目前仍处于培育初期，开放化和开源化成为量子计算软件发展的主要趋势。

（三）经典云计算可为量子计算提质加速

经典云计算可为量子计算发展保驾护航，是未来量子计算逐步走向商用化的重要支撑。

1、计算资源虚拟化。

随着量子计算云平台上的应用规模持续扩大，量子和经典计算资源虚拟化技术的重要性也随之提升。通过软件栈实现量子计算硬件和经典计算集群的仿真，可以合理调配异构计算资源，实现量子与经典计算资源弹性综合利用，降低成本，加速量子计算服务落地与能力扩展进程。

2、分布式计算存储。

在量子计算云平台上通常需要处理更具挑战性的计算密集型和数据密集型任务。分布式存储技术可保证数据的高可靠性，提升计算吞吐量和读写效率，减少服务等待时间；此外经典分布式并行计算技术（例如Map Reduce等）可有效实现多用户、多任务、高并发下的计算资源匹配，提升云平台业务感知能力和用户体验。

3、云平台通用管理。

随着未来量子计算逐步走向商用，量子计算云平台综合管理要求也随之提升。云平台通用管理技术通过有效机制可保证跨地域、多节点的状态同步，避免单点故障，实现负载均衡，保证系统及服务安全，提供持续稳定、非间断的量子计算云服务。

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