量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告.docx

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1、一 .研究背景与意义1（一）国内外量子计算云平台发展现状1（二）研究意义与目标6二 .量子计算云平台服务种类与模式7三 .量子计算云平台功能架构9四 .量子计算云平台功能模型研究11（一）接入门户功能模块H1.服务门户功能L，2.管理门户功能13（二）应用服务功能模块13（三）平台服务功能模块14（四）基础设施服务功能模块16（五）资源管理功能模块171 .物理机管理功能172 .虚拟机/Docker容器管理功能183 .拓扑管理功能19（六）虚拟资源功能模块19（七）物理资源功能模块19（八）外围基础设施功能模块21（九）运营管理功能模块211.用户管理功能212 .服务管理功能213 .计

2、费管理功能234 .运营分析功能245 .报表管理功能246 .监测管理功能24（十）安全保障功能模块251.通用安全功能252 .主机安全功能323 .Web安全功能36五.量子计算云平台能力分级39（一）量子计算云平台能力分级概念39（二）量子计算云平台能力分级维度40（三）量子计算云平台能力分级方法4145六总结展望图目录图1量子计算及云平台发展历程1图2量子计算发展的重要里程碑2图3量子计算云平台功能框架图10图4量子计算云平台能力分级维度示意图44图5应用服务能力分级方法45图6平台服务能力分级方法45图7基础设施服务能力分级方法46图8资源能力分级方法47一、研究背景与意义（一）国

3、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MaxPlanck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。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。和1同时存在的叠加态。量子计算概念的诞生- IR子计算机的

4、初步实现迈向云计算20162017201820192020202120222023IBM QiskitAtar IBM OpenQASM. Jul 肺CroSOft QDK, SepRigetti ForeslJunGoogle Sycamore 54 guMs QuMitumSupremacy, OctMkrosoft Azure Quantum,Dec BM Eagle127 qubits IBM 127 qubits with error mitigation,Jun BM Quantum Experience Faln 5 quts,MayGgte CirqJuI D-Wave Lea

5、p OctD-Wave Leap 2 FebAmazon AWS BraketlAug Xanadu QuantumCIoMSep Honewell H110 qubits QV128.0ct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Shor提出了量子并行算

6、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，1.ong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。通用量子计算（尚未实现）非通用量子计算 （尚未实现） 通用/非通用量子计算 （已实现）VQE特定应用G3a:

7、癖!量子纠镶QAOABl:玻色采样机G3bNISQ 阶段应用图2量子计算发展的重要里程碑血包采样任务S子优越性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

8、历程中的重要里程碑。未来，通用量子计算发展的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NlSQ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

9、算力加速优势。专用量子计算机主要包括量子退火机、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、非线性问题求解等方面的实用化案例，和NI

10、SQ时代的通用量子计算机，共同开展杀手级量子计算应用案例探索的竞争。我国量子计算产业的发展受到政策的高度支持。2015年5月，国务院颁布的中国制造2025中提到，积极推动量子计算、神经网络等发展，将量子通信纳入新一代信息技术产业；2016年7月，国务院发布的十三五”国家科技创新规划中，量子通信与量子计算机被选择纳入体现国家战略意图的重大科技项目之一；2022年1月国务院发布的“十四五”数字经济发展规划提出要瞄准传感器、量子信息等前瞻性领域，提高数字技术基础研发能力。2023年8月，工业和信息化部、科技部、国家能源局和国家标准化管理委员会联合印发新产业标准化领航工程实施方案（20232035年）

11、提出聚焦量子计算领域，研制量子计算处理器量子编译器、量子计算机操作系统、量子云平台、量子人工智能、量子优化、量子仿真等标准。在政策带动下，中国量子计算赛道也迎来快速发展。2020年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。止匕外，2021年，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中国科学院上海技术物理研究所合作，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。“

12、祖冲之二号”的求解速度比全球最快的超级计算机快Iooo万倍以上，计算复杂度比谷歌的“悬铃木”提高了6个数量级。2022年陆军院士团队20比特超导量子计算机样机亮相第14届珠海航展；玻色量子公司完成了光量子相干伊辛机（ClM）的研制。2023年本源量子交付24比特超导量子计算机；北京量子信息科学研究院联合中科院物理研究所和清华大学，共同推出了“QuafU”量子计算云平台，上线三个超导量子芯片，分别有136、18和10个量子比特。企业方面，国内科技巨头阿里巴巴、百度、腾讯、华为等也在跟进，但国内领先的量子计算公司主要是以本源量子、国盾量子、启科量子等。本源量子在2021年9月10日发布的未来五年量

13、子计算技术规划路线图显示，到2025年，本源量子将突破100O位量子比特，达到1024位量子比特。2022年8月，百度发布超导量子计算机“乾始”和首个全平台量子软硬一体解决方案，量羲“，集量子硬件、量子软件、量子应用于一体，提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式。2022年5月，腾讯量子实验室发布的一款量子计算领域的开源软件产品TenSOrCirCuit,此产品面向有噪声中等规模量子计算(NISQ)的下一代量子计算软件。随着量子计算软硬件研发逐步从实验室走向商用，近年来国外科技企业、初创企业与研究机构为争夺产业生态地位，抢占发展先机展开激烈竞争，全球已有数十家公司和研究机构推出了不同类

14、型量子计算云平台。美国以IBM、Amazon谷歌、Microsoft为代表的科技巨头和以RigettiStrangeworks等为代表的初创企业先后推出了各自的量子计算云平台，对外提供量子计算硬件或量子线路模拟器的云接入。随后加拿大、欧洲各国也相继推出量子计算云平台。我国在量子计算云平台方面起步晚于欧美，但近年来多家科技公司、初创企业和研究院所陆续推出量子计算云平台，并在编程语言、编译框架、应用服务、接入体验等方面作出积极尝试，有效支撑了我国量子计算领域科学研究、科普推广和应用探索。从云平台数量上看，我国已经进入全球第一梯队。我国云平台提供商既包括华为、百度等传统互联网科技企业，也包括本源量子

15、、量旋科技、弧光量子等专注于量子计算的初创企业，此外还包括北京量子院、中科院等研究机构。2023年12月，中国移动云能力中心联合北京玻色量子科技有限公司共同打造的“五岳量子计算云平台恒山光量子算力平台”在苏州正式发布，实现了100计算量子比特相干光量子计算机安全接入移动云算力底座，端到端实现“数据构建、任务提交、安全鉴权、状态监控、消息互传”的一站式支持，对外提供持续稳定的、任务式的量子真机算力服务。但是由于基于云的开发运维能力有所差异，目前国内云平台服务水平也参差不齐，主要面向科研用户提供演示级的接入服务。（二）研究意义与目标量子计算与云服务相结合，依托经典信息网络提供量子计算硬件（或算力模拟），是量子算力输出主要途径。全球科技巨头和初创企业，借鉴经典云计算的业务模式，加快推动量子计算云平台布局、服务推广和生态建设。开展量子计算云平台应用、发展和测评技术的研究，将助力提升量子计算云平台功能完善和服务能力增强。研究目标一：研究量子计算云平台体系框架和功能模型。目前量子计算云平台发展处于初级阶段，云平台提供商按照各自的需求和资源进行开发，尚无标准的体系架构；另一方面虽然当前暂无跨平台互联需求，但是硬件资源和云平台