量子計算云平臺的應用生態建設和發展建議
責編：gltian ｜2024-08-28 14:32:21作者簡介
呂品
中電信量子信息科技集團有限公司董事長，主要從事量子通信與安全、量子計算等量子信息領域的應用基礎研究和產業推廣。
苑濤
中電信量子信息科技集團有限公司科技創新部科創管理總監，主要從事量子計算等方面的應用基礎研究。
論文引用格式：
呂品, 苑濤. 量子計算云平臺的應用生態建設和發展建議[J]. 信息通信技術與政策, 2024, 50(7): 18-23.
量子計算云平臺的應用生態建設和發展建議
呂品 苑濤
（中電信量子信息科技集團有限公司，合肥230088）
摘要：量子計算技術的發展使超越現有經典計算的強大并行計算成為可能，實用化的量子計算技術將以算力為載體產生廣泛而深遠的影響。目前，量子計算云平臺是輸出量子計算能力和探索量子計算應用的主流形式。通過分析國內外量子計算云平臺發展和應用現狀，提出了依托云平臺開展量子計算應用生態建設的新思路，并針對面臨的主要挑戰提出未來發展建議。
關鍵詞：量子計算；云平臺；應用生態
0 引言
量子計算機利用量子力學中的量子疊加和量子糾纏等特性，有潛力高效解決經典計算機難以應對的復雜計算問題[1-2]。近年來，量子計算技術取得了顯著進展，在超導量子計算原型機[3-4]和光量子計算原型機[5-6]方面都實現了量子計算優越性的實驗驗證。量子計算優越性被認為是量子計算機硬件技術進入中等規模含噪聲專用時代的標志，證明量子計算機開始在特定問題上體現出超越經典計算的實用價值。同時，基于不同物理體系的量子計算技術也取得了一系列突破性成果，例如，超導量子處理器的量子比特數目最高達到1 121個[7]、操控方面實現了51比特量子真糾纏態制備[8]、中性原子量子處理器演示了48個邏輯量子比特操作[9]等。隨著量子計算技術的快速發展，學術界和產業界紛紛加大研發投入，推動量子計算進入到實用化探索的新階段。然而，量子計算機的硬件發展目前尚不能滿足實用化的需求，仍面臨著嚴苛的運行環境和高額的研發運維成本等限制。為了滿足更多行業用戶和研究人員對量子計算資源的需求，量子計算云平臺[10]已經成為開展量子計算實用化探索和提供量子計算真機算力的主流方式。通過將量子計算資源部署在云端，并實現量子計算與云計算結合，用戶可以通過云平臺調用量子計算資源和超算資源，便捷地實現量子計算在重點場景中的實用化探索[11]。
近年來，量子計算云平臺的發展在全球范圍內取得了顯著進展，多家科技公司和研究機構相繼推出了各自的量子計算服務，依托量子計算云平臺的資源開展應用探索和產業生態建設已成為行業共識。美國的國際商業機器（International Business Machines，IBM）公司是量子計算云服務的先驅之一，其“IBM Quantum”平臺[12]自2016年上線以來，已成為全球眾多用戶接觸和使用量子計算的主要途徑，依托其豐富的量子算力資源、OpenQASM指令集、Qiskit量子編程語言，以及完整的教育生態運營體系，已經形成覆蓋全球的用戶生態體系，其全球用戶數超過60萬人，覆蓋175個國家和地區，核心開發者超過2 000人，支撐全球270多個世界500強公司、重點大學和科研機構的量子計算應用開發項目[12]。此外，美國谷歌公司的量子人工智能部門[13]、微軟的Azure Quantum平臺[14]也提供了各自的量子計算云服務，用于研究和開發量子算法。我國的量子計算云平臺研究雖然起步較晚，但緊跟國際發展的步伐，多家科技企業和研究機構已推出了各自的量子計算云平臺。例如，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院聯合科大國盾量子技術股份有限公司（簡稱“國盾量子”）推出了量子計算云平臺[15]；北京量子信息科學研究院推出了Quafu平臺[16]；華為技術有限公司（簡稱“華為”）推出了HiQ平臺[17]；本源量子計算科技（合肥）股份有限公司推出了本源量子云平臺[18]；中電信量子信息科技集團有限公司（簡稱“中電信量子集團”）推出了“天衍”量子計算平臺[19]。整體而言，我國的量子計算云平臺發展表現活躍，在編程語言、編譯框架等方面積極推出相關服務。然而，與國外相比，我國的量子計算云平臺在使用率和影響力上尚顯不足，在應用場景探索、開發運維水平、服務推廣能力等生態建設方面仍存在一定差距，國內量子計算應用生態建設不健全。我國亟需發布技術標準、量子指令集與編程框架，培養國內量子計算用戶使用習慣和應用生態，形成量子計算行業應用生態。
本文從“天衍”量子計算云平臺的能力介紹出發，結合在量子計算領域的布局和探索，提出了基于量子計算云平臺打造中國量子計算應用生態建設的方案，重點從行業應用和教學應用等方面開展生態建設的運營推廣。進而，針對我國在量子計算應用生態建設和推廣過程中面臨的主要挑戰提出發展建議。
1 “天衍”量子計算云平臺
2023年11月，中電信量子集團正式發布了“天衍”量子計算云平臺，實現了“天翼云”超算能力與176量子比特超導量子計算能力的融合，具備“量子優越”“算力顛覆”“生態融合”等核心優勢。它是首個具備“量子計算優越性”能力的超量融合云平臺。未來，超量融合的量子計算云平臺將成為量子計算實用化的主流形式，也是量子計算逐步走向商用化的重要支撐。
圖1所示是“天衍”量子計算云平臺的技術架構，其主要功能可劃分為基礎設施層、能力層和應用層。平臺提供了量子真機計算、量子計算模擬、超量融合計算以及在線編程等核心能力。
圖1 “天衍”量子計算云平臺的技術架構
基礎設施層：主要包括量子計算機、經典云計算和量子模擬器資源，能夠提供完整的量子與經典存儲、網絡及計算資源體系。目前，“天衍”量子計算云平臺已接入了一臺176量子比特的超導量子計算機，這臺超導物理機具備實現量子優越性的潛力，其中包含66個讀取比特和110個耦合比特，單比特門平均錯誤率小于0.18%，雙比特門平均錯誤率小于1.83%，讀取平均錯誤率小于5.26%[19]。基于超量融合計算技術架構，依托天翼云提供超算資源和經典云計算服務，可以按照計算任務需求靈活調度天翼云超算資源。平臺同步提供5種類型模擬器，包含全振幅模擬器、單振幅模擬器、張量網絡模擬器、穩定子模擬器及帶噪聲模擬器。其中，全振幅模擬器能夠模擬量子計算狀態演化和運行邏輯，支持多達36個量子比特系統的線路模擬仿真[19]。當前，中電信量子集團聯合國盾量子正在依托504比特的超導量子計算芯片“驍鴻”開發500+比特超導量子計算原型機，即將上線“天衍”量子計算云平臺在線提供服務[19]。
能力層：主要提供在線編程實驗室、編程算法庫、編程工具集以及相應教學應用支撐服務。在線編程實驗室配備量子實驗任務管理系統，為用戶和開發者提供便捷的圖形化編程和智能化在線編程功能，顯著降低了量子計算開發門檻。此外，編程實驗室還支持超量融合計算，實現對經典計算與量子計算任務的自動分配與資源調度，并提供全流程實時監控任務執行的能力。依托國產量子指令集QCIS構建的國產編程框架，集成了高級量子編程語言、量子算法庫、量子線路編譯優化以及多技術路線物理機的接入等功能。
應用層：主要提供量子計算應用服務，探索各行業的解決方案。通過“天衍”量子計算云平臺，與國內有計算需求的企事業單位合作，探索量子計算在機器學習、氣象和生物化學等領域的應用。開發面向多個領域的量子云計算技術應用套件并提供量子應用服務類軟件，促進量子計算與行業應用的快速融合。隨著能力的提升，“天衍”量子計算云平臺能夠高效支持各領域用戶對有實際價值的問題和算法的研究，加速量子計算在實際場景中的應用，并推動量子計算應用生態的快速發展。
2 生態建設運營推廣
目前，量子計算正進入實用化探索的新階段。中電信量子集團將基于“天衍”量子計算云平臺，從行業應用和教學應用兩方面開展生態建設的運營推廣，詳情如圖2所示。這不僅能夠支撐行業用戶探索實際應用問題的量子計算解決方案，還能夠為科研和教育工作者提供利用量子計算解決科研難題和進行教學引導的工具。
圖2 應用生態建設推廣運營體系
2.1 行業應用突破
在行業應用方面，積極加強與各行業的企業開展合作，進行應用算法與實際需求相結合的探索，推動量子計算在化學、氣象及機器學習等領域的應用落地。
在量子化學領域，量子計算的應用前景非常廣闊，有望為藥物研發、催化劑設計、材料科學等多個行業帶來重大革新和突破。通過與領先的制藥公司合作，依托量子計算云平臺的底層能力，構建藥物自動化篩選平臺，探索量子計算在化學藥物篩選中的應用。該平臺旨在加速藥物發現和開發過程中潛在藥物分子的識別和優化，通過利用一系列功能模塊評估分子的特性和相互作用，從而識別具有潛在藥物活性的分子。這種方法不僅加快了藥物研發進程，還提高了藥物發現的效率和精度，為制藥行業帶來了前所未有的創新機遇。
在量子氣象領域，量子計算強大的并行計算能力在處理大量數據分析和預測任務方面具有重要應用潛力。通過與氣象局等具備條件的單位或機構聯合成立實驗室，基于現有的經典深度學習模型，整合經典計算和量子計算的優勢，研究開發混合量子經典神經網絡模型，以提高降水數據預測和臨近預報的效率和準確性。這種新型混合神經網絡模型不僅提高了預測的準確性，還顯著提升了計算的運行速度和效率。這對于災害性天氣的監測、預報和預警尤為重要，能夠實現更快速和精確的預測，從而提高氣象服務的質量和可靠性。
在量子機器學習領域，量子計算在處理高維數據、加速線性代數運算和提升模型表達能力等方面具有獨特的計算優勢，能夠顯著提高機器學習的效率和能力。通過與人工智能行業的頂尖企業合作，研究利用量子計算的特性來提升機器學習算法的計算效率和準確性，探索利用量子優化方法解決復雜的優化問題，并將其應用于機器學習算法的訓練和優化。量子計算在數據處理、模式識別和復雜問題求解等領域的應用，有望為機器學習帶來革命性的進步。
2.2 教學應用推廣
在教學應用方面，推動高校、科研院所以及應用開發者對量子計算教育生態的研究與建設，助力人才培養，實現科學研究、教學產品及應用開發的緊密協作。
第一，基于量子計算云平臺，開展量子計算實踐研究，加速科研領域的突破。以量子計算云平臺作為科研工具，為研究人員提供量子計算資源，助力解決科學難題。通過這種方式，仿照IBM公司量子計算云平臺的運作模式，全球科研用戶可以借助“天衍”量子計算云平臺訪問量子物理機進行科學實驗，從而將量子計算真機提供給更加廣泛的科研用戶。
第二，聯合國家實驗室和高校院所，依托量子計算云平臺的能力和量子計算真機資源，助力高校量子信息學科建設，為高校提供量子計算課程設計、實驗支撐以及交流學習平臺和資源，幫助學生接觸和學習量子信息技術，助力量子信息人才培養。通過暑期學校、線上講座等深度合作項目，拓展合作科研項目、高校課程研發和科普教程開發，進行量子計算教育生態建設。
第三，運營開發者社區，支撐量子計算開發者的學習、交流和開發實踐需求。開發者支撐體系包含開發者論壇、代碼倉庫、技術支持和開放會議等。通過開源社區的建設與運營、開發者培養和認證，量子云平臺為技術愛好者提供了低成本、易訪問的量子計算應用開發與學習資源，推動量子計算應用生態健康發展。
3 應用推廣面臨的挑戰和發展建議
3.1 主要挑戰
當前，我國量子計算的實用化探索仍處于起步階段，距離實現規模化商用尚有距離，在基于量子計算云平臺的技術突破、應用推廣以及標準化工作方面仍面臨諸多挑戰。
首先，在提升量子計算云平臺底層能力的硬件技術方面仍存在困難。目前，量子計算的多條技術路線尚未收斂，例如，如何提升量子比特的規模、質量和運算速度仍然是當前亟待突破的核心任務。現階段，接入量子計算云平臺的量子計算芯片僅包含數百個量子比特，并且受噪聲影響較大，連通性受限，無法充分發揮其實用能力。容錯的邏輯量子比特尚未實現，距離實用化、商業化算法所需的數百乃至上千個邏輯比特仍有差距。
其次，量子計算的實際應用突破仍在探索，市場需求驅動技術發展的模式尚未形成。盡管已有許多行業領域的企業與量子計算公司展開合作，共同探索量子計算的應用開發，但具備“殺手锏”級明顯優勢的量子應用仍然處在探索階段，尚未在有需求的應用場景中解決大規模計算問題。同時，量子計算的市場化機制尚未形成，當前各國主要依靠政策推動，服務體系建立等方面發展欠缺，缺乏成熟的商業模式和商業機會，市場化單位參與程度不足，行業應用場景亟待挖掘，需要產業界和學術界共同持續探索。
最后，量子計算云平臺的標準化和基準測評工作仍處于起步階段。目前，量子計算領域正處于“標準促創新”的起步階段，標準體系的建設仍顯不足，在共性關鍵技術和產品的標準化工作方面缺乏統籌和協同，與量子計算云平臺相關的標準化研究仍不健全。量子云服務的多樣性以及量子計算硬件平臺的異構性為不同軟硬件之間以及云平臺之間的適配帶來了巨大挑戰。此外，在依據標準進行評估和評測的能力建設方面，也缺少統籌規劃。量子計算云平臺的性能評估在國內外均處于初級階段，尚未有完善的國際和國內標準。
3.2 發展建議
面對在技術突破、應用推廣以及標準化工作方面的挑戰和差距，本文提出以下建議。
在技術突破方面，建議支持國家實驗室牽頭統籌優質資源，凝聚量子計算領域的優勢力量。建立完善的量子計算機軟件開發環境，支持多量子編程語言體系、算法庫和工具集的開發，實現量子模擬器的多樣化發展，以適應不同算法研究的需求。將量子計算機強大的并行處理能力與超級計算機的高效數值計算能力相結合，通過優化算力結構解決實際問題，實現經典計算與量子計算的優勢互補。
在應用推廣方面，建議發揮量子領域創新聯盟的作用，建立量子計算領域的協同創新網絡，依托量子計算云平臺積極開展聯盟生態培育與活動推廣工作，實現量子計算領域基礎研究、應用研究、示范應用和產業培育的一體化發展。適時布局量子計算應用重大工程，建成量子計算機與經典超級計算機融合的國家量子計算重大設施，實現量子計算的規模化應用。實施應用試點示范項目，針對生物制藥、材料合成、人工智能等行業進行相關應用算法研究，積極研發應用級程序，并輻射相關應用領域，助力量子計算領域的持續攻關和健康發展。
在標準化工作方面，建議加強量子計算技術和云平臺技術的標準研究和標準化創新，使標準化工作對量子計算的技術創新和產業探索起到引領作用。在支持各技術路線創新發展的情況下，在共性技術攻關與應用協同方面，建議盡快開展標準化工作，助力量子計算的技術創新和產業探索；以產業優勢為基礎和后盾，推進國際標準化合作與交流。以標準為牽引，建設量子計算云平臺性能評估的保障能力，實現對量子計算云平臺技術從硬件層到軟件層再到應用層的全棧式檢驗。通過測評為云平臺改進和提升服務能力提供引導和支撐，增強用戶對云平臺的信任度，促進用戶推廣和發展，推動行業健康發展。
4 結束語
量子計算云平臺是提供量子計算能力和探索應用服務的重要途徑。當前，在量子計算機硬件系統發展的同時，建立以量子計算云平臺為支撐的量子計算應用生態系統，對于量子計算的實用化具有重要意義。以量子計算云平臺為載體，積極開展通用技術軟件開發、聯合應用探索以及科普教育推廣等工作，共同推動我國量子計算領域的可持續健康發展，建立完善的量子計算應用生態系統。未來，隨著量子計算軟硬件的成熟與云平臺功能的完善，量子計算云平臺將催生更多的應用與服務模式，推動量子計算與各行業的深度融合，賦能各行各業。
Application ecosystem construction and development suggestions for quantum computing cloud platforms
LYU Pin, YUAN Tao
（China Telecom Quantum Information Technology Group Co., Ltd., Hefei 230088, China）
Abstract: The development of quantum computing technology enables powerful parallel computing that surpasses existing classical computing. Practical quantum computing technology will have broad and profound impacts on various industries through its computational power. Currently, quantum computing cloud platforms are the mainstream form for delivering quantum computing capabilities and exploring quantum computing applications. This article analyzes the current development and application of quantum computing cloud platforms both domestically and internationally. It proposes new strategies for building a quantum computing application ecosystem based on cloud platforms and offers suggestions for future development to overcome the main challenges.
Keywords: quantum computing; cloud platform; application ecosystem
本文刊于《信息通信技術與政策》2024年 第7期