量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023年）

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權(quán)

聲

明本報告版權(quán)屬于中國信息通信研究院，并受法律保護(hù)。量子計算發(fā)展態(tài)勢轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告應(yīng)注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，研究報告本院將追究其相關(guān)法律責(zé)任。（2023年）(2023年)中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所2023年

12月中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所2023年12月版

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明本報告版權(quán)屬于中國信息通信研究院，并受法律保護(hù)。轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應(yīng)注明“來源：中國信息通信研究院”。違反上述聲明者，本院將追究其相關(guān)法律責(zé)任。前

言量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現(xiàn)并行計算，能在某些計算復(fù)雜問題上提供指數(shù)級加速，是未來計算能力跨越式發(fā)展的重要方向。量子計算的發(fā)展和應(yīng)用具有重大戰(zhàn)略意義和科學(xué)價值，已成為全球主要國家在前沿科技和未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的政策布局和投資推動的重點方向之一。當(dāng)前，量子計算處于理論研究、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化培育并行發(fā)展的關(guān)鍵階段。超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光量子、硅半導(dǎo)體等主要技術(shù)路線的基礎(chǔ)科研和工程研發(fā)亮點成果不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用場景探索在化學(xué)模擬、量化金融、醫(yī)療健康、航空交通等領(lǐng)域廣泛開展，科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)布局以量子計算云平臺、軟件開源社區(qū)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等為重點的產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)發(fā)展迅速。量子計算云平臺是推動應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的生態(tài)匯聚點和支撐驅(qū)動力，國內(nèi)外不同類型量子計算云平臺開放發(fā)展競爭激烈，三大服務(wù)模式日趨成熟，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和基準(zhǔn)測評研究逐步成為業(yè)界各方的關(guān)注熱點。中國信息通信研究院在《量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告》（2022

年）的基礎(chǔ)上，持續(xù)跟蹤分析

2023

年國內(nèi)外量子計算技術(shù)研究、應(yīng)用場景探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等方面的進(jìn)展成果和發(fā)展演進(jìn)趨勢，并進(jìn)一步聚焦量子計算云平臺，初步提出量子計算云平臺功能框架和標(biāo)準(zhǔn)體系建議，分析總結(jié)基準(zhǔn)測評的研究與實踐結(jié)果，最后結(jié)合量子計算領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢和問題提出發(fā)展建議，為凝聚業(yè)界各方共識合力提供參考。目

錄一、量子計算已成為前沿科技和未來產(chǎn)業(yè)關(guān)注熱點................................................1二、量子計算科研攻關(guān)與軟硬件研發(fā)保持高度活躍................................................2（一）

多種硬件技術(shù)路線并行發(fā)展，亮點成果頻出

.....................................2（二）

量子計算軟件持續(xù)開放探索，功能各有側(cè)重

.....................................7（三）

量子糾錯突破盈虧平衡點，未來需持續(xù)攻關(guān)

...................................11（四）

環(huán)境測控系統(tǒng)取得新進(jìn)展，性能指標(biāo)待提升

...................................13三、應(yīng)用探索多領(lǐng)域廣泛開展，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初步形成..............................................16（一）

應(yīng)用探索成業(yè)界熱點，行業(yè)領(lǐng)域趨向多元化

...................................16（二）

實用化落地尚未突破，硬件性能提升是基礎(chǔ)

...................................19（三）

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與開源社區(qū)成為生態(tài)發(fā)展重要助力

...................................21（四）

歐美量子計算企業(yè)活躍，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初具雛形

...................................23四、量子計算云平臺是構(gòu)建應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)重要支點..............................................28（一）

國內(nèi)外企業(yè)機(jī)構(gòu)加速布局，搶占產(chǎn)業(yè)生態(tài)位

...................................28（二）

量子計算云平臺功能架構(gòu)可借鑒經(jīng)典云計算

...................................30（三）

量子計算云平臺的服務(wù)和業(yè)務(wù)模式逐步完善

...................................32（四）

云平臺成為開展科研與應(yīng)用探索的重要支撐

...................................34五、量子計算云平臺標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)測評研究持續(xù)開展..............................................37（一）

國內(nèi)外積極布局推動量子計算基準(zhǔn)測評研究

...................................37（二）

構(gòu)建量子計算云平臺基準(zhǔn)測評體系參考模型

...................................39（三）

開展測評實踐驗證，驗證平臺硬件實際能力

...................................41（四）

量子計算云平臺標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)需進(jìn)一步推動

...................................46六、機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，多策并舉加快量子計算發(fā)展..............................................49圖

目

錄圖

1量子計算主要技術(shù)路線代表性研究成果............................................................3圖

2

量子計算主要硬件技術(shù)路線關(guān)鍵指標(biāo)對比概況................................................7圖

3

量子計算軟件體系架構(gòu)圖....................................................................................8圖

42023

年

Gartner

量子計算技術(shù)成熟度預(yù)測.......................................................20圖

5全球代表性量子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟概況

.................................................................21圖

6

國內(nèi)外量子計算軟件

GitHub

開源社區(qū)活躍度................................................22圖

7

量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)與國內(nèi)外代表性企業(yè)概況..................................................25圖

8中美量子計算產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力對比

.....................................................................27圖

9國內(nèi)外代表性量子計算云平臺概況

.................................................................28圖

10量子計算云平臺功能架構(gòu)參考模型

...............................................................30圖

11

量子計算云平臺三大服務(wù)模式........................................................................32圖

12量子計算云平臺脈沖級實驗套件功能

...........................................................36圖

13量子計算云平臺基準(zhǔn)測評體系參考模型

.......................................................40圖

14單比特

RB

測試結(jié)果

........................................................................................42圖

15雙比特

RB

測試結(jié)果

........................................................................................42圖

16量子體積（QV）測試結(jié)果..............................................................................43圖

17DJ

算法測試結(jié)果

..............................................................................................44圖

18QFT

算法測試結(jié)果...........................................................................................44圖

19哈密頓量模擬算法測試結(jié)果

...........................................................................45圖

20量子計算云平臺標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

.......................................................................48表

目

錄表

1國內(nèi)外代表性量子計算應(yīng)用開發(fā)軟件................................................................9表

2國內(nèi)外代表性量子計算編譯軟件........................................................................9表

3國內(nèi)外代表性量子計算

EDA

軟件....................................................................11表

4

代表性量子計算測控系統(tǒng)..................................................................................15表

5量子計算應(yīng)用場景分析......................................................................................16表

6量子計算云平臺基準(zhǔn)測評初步測試結(jié)果匯總..................................................41量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）一、量子計算已成為前沿科技和未來產(chǎn)業(yè)關(guān)注熱點量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現(xiàn)并行計算，能在某些計算復(fù)雜問題上提供指數(shù)級加速，是未來計算能力跨越式發(fā)展的重要方向，將對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)，成為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向的顛覆性創(chuàng)新。量子計算的發(fā)展和應(yīng)用具有重大戰(zhàn)略意義和科學(xué)價值，已成為全球主要國家在前沿科技和未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注焦點之一。近年來，全球

30

個國家和地區(qū)制定發(fā)布了以量子計算為重點的量子信息發(fā)展戰(zhàn)略或法案，不完全統(tǒng)計投資總額超過

280

億美元。量子計算領(lǐng)域基礎(chǔ)科研和技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)保持活躍，科研論文和專利申請數(shù)量近年來屢創(chuàng)新高，初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量和投融資金融也經(jīng)歷一輪爆發(fā)式增長。近一年來，全球科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在量子計算領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、軟硬件工程研發(fā)、應(yīng)用場景探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等方面取得了諸多重要進(jìn)展和亮點成果。量子計算云平臺作為集成量子計算軟硬件能力，面向用戶提供服務(wù)，支撐算法研究、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育的生態(tài)匯聚點，是展現(xiàn)量子計算技術(shù)能力和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平的重要視角。近年來，國內(nèi)外各類量子計算云平臺持續(xù)推出，多方開放競爭，功能框架和服務(wù)模式不斷豐富和完善，已成為推動量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)演進(jìn)和產(chǎn)學(xué)研用合作的關(guān)鍵助推器?；诹孔佑嬎阍破脚_開展量子計算軟硬件系統(tǒng)的功能和性能測評驗證，也是業(yè)界關(guān)注的熱點方向之一，近年來在基準(zhǔn)測評指標(biāo)和測試方法等方面發(fā)展演進(jìn)迅速。1量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）本報告對近一年來量子計算領(lǐng)域基礎(chǔ)科研與工程研發(fā)的重要進(jìn)展進(jìn)行梳理總結(jié)，包括量子計算硬件主要技術(shù)路線研究成果，軟件系統(tǒng)研發(fā)動態(tài)，量子糾錯編碼實驗，環(huán)境測控系統(tǒng)進(jìn)展。對各領(lǐng)域量子計算應(yīng)用場景探索進(jìn)展進(jìn)行分析，分析殺手級應(yīng)用落地面臨的挑戰(zhàn)，探討量子計算企業(yè)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)和開源社區(qū)等方面發(fā)展動態(tài)。對比國內(nèi)外量子計算云平臺發(fā)展情況，提出量子計算云平臺的參考功能架構(gòu)、主要功能需求和三大服務(wù)模式。此外，報告還提出量子計算云平臺基準(zhǔn)測評體系框架，開發(fā)電路級、系統(tǒng)級和應(yīng)用級測試用例，對代表性云平臺進(jìn)行了測試驗證。最后，報告總結(jié)量子計算演進(jìn)趨勢，提出未來發(fā)展關(guān)注重點。二、量子計算科研攻關(guān)與軟硬件研發(fā)保持高度活躍（一）多種硬件技術(shù)路線并行發(fā)展，亮點成果頻出量子計算硬件有多種技術(shù)路線并行發(fā)展，主要可分為兩大類：一是以超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體等為代表的人造粒子路線，二是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。人造粒子路線可重用半導(dǎo)體集成電路制造工藝，在比特數(shù)量擴(kuò)展方面具有一定優(yōu)勢，但在提升邏輯門精度等指標(biāo)方面受到基礎(chǔ)材料和加工工藝等限制。天然粒子具有長相干時間和高邏輯門精度等優(yōu)勢，但在比特數(shù)量擴(kuò)展等方面面臨挑戰(zhàn)。近年來，各種主要技術(shù)路線均有研究成果不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)開放競爭態(tài)勢，尚無某種技術(shù)路線體現(xiàn)出明顯綜合優(yōu)勢。2023年量子計算硬件主要技術(shù)路線的代表性研究成果如圖

1

所示。2量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：中國信息通信研究院（截至

2023

年

11

月）圖

1量子計算主要技術(shù)路線代表性研究成果超導(dǎo)技術(shù)路線基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)構(gòu)造擴(kuò)展二能級系統(tǒng)，具有可擴(kuò)展、易操控和集成電路工藝兼容等優(yōu)勢，受到眾多科研機(jī)構(gòu)、科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)重視，科研進(jìn)展成果豐富。2023

年，QuantWare推出

64

位超導(dǎo)量子比特處理器

Tenor“祖沖之二號”可操縱量子比特至

176

位量子電路完成無漏洞貝爾實驗

。谷歌使用超導(dǎo)量子處理器模擬操控非阿貝爾任意子，并通過非阿貝爾編制實現(xiàn)任意子糾纏態(tài)

。中科大聯(lián)合團(tuán)隊實現(xiàn)

51

位超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備

。Rigetti

推出

84

位超導(dǎo)量子處理器

Ankaa-1

。中科院物理所利用

41

位超導(dǎo)量子芯片“莊子”1。中科大擴(kuò)展超導(dǎo)量子處理器2。蘇黎世聯(lián)邦理工基于超導(dǎo)34561

https://tech.eu/2023/02/23/quantware-debuts-64-qubit/2

/a/202303/08/WS6407d466a31057c47ebb2f6e.html3

/articles/s41586-023-05885-04

/articles/s41586-023-05954-45

/articles/s41586-023-06195-16

/rigetti/introducing-the-ankaa-1-system-rigettis-most-sophisticated-chip-architecture-unlocks-a-ab3f05e3c2643量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）模擬“侯世達(dá)蝴蝶”拓?fù)湮飸B(tài)7。日本富士通和

RIKEN

發(fā)布

64

比特超導(dǎo)量子計算機(jī)8。總體來看，超導(dǎo)量子計算處理器比特規(guī)模和保真度等指標(biāo)逐年穩(wěn)步提升，在糾纏態(tài)制備、拓?fù)湮飸B(tài)模擬等科研實驗方面取得諸多進(jìn)展，是量子計算領(lǐng)域業(yè)界關(guān)注度最高的發(fā)展方向。離子阱路線利用電荷與磁場間所產(chǎn)生的交互作用力約束帶電離子，通過激光或微波進(jìn)行相干操控，具有比特天然全同、操控精度高和相干時間長等優(yōu)點。2023

年，Quantinuum

發(fā)布

其全連接量子比9特離子阱原型機(jī)

Model

H2

的單比特和雙比特量子邏輯門保真度達(dá)到99.997%和

99.8%，量子體積指標(biāo)達(dá)到

524288，成為業(yè)界最新紀(jì)錄10。華翊量子發(fā)布1137

位離子阱量子計算原型機(jī)

HYQ-A37，成為國內(nèi)代表性成果。需要指出，離子阱路線未來發(fā)展需要突破比特規(guī)模擴(kuò)展、高集成度測控和模塊化互聯(lián)等技術(shù)瓶頸，未來能否在量子計算技術(shù)路線競爭中占據(jù)優(yōu)勢仍有待進(jìn)一步觀察。光量子路線利用可利用光子的偏振、相位等自由度進(jìn)行量子比特編碼，具有相干時間長、室溫運行和測控相對簡單等優(yōu)點，可分為邏輯門型光量子計算和專用光量子計算兩類，以玻色采樣和相干伊辛等為代表的專用光量子計算近年來的研發(fā)成果較多。2023

年，中科大聯(lián)合團(tuán)隊發(fā)布12255

光子的“九章三號”光量子計算原型機(jī)，進(jìn)一步提升了高斯玻色采樣速度和量子優(yōu)越性，基于光量子計算原型7

/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.0804018

/global/about/resources/news/press-releases/2023/1005-01.html9/news/quantinuum-sets-industry-record-for-hardware-performance-with-new-quantum-volume-milestone10/news/quantinuum-h-series-quantum-computer-accelerates-through-3-more-performance-records-for-quantum-volume-217-218-and-21911/simulator12

/prl/issues/131/154量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）機(jī)完成稠密子圖和

Max-Haf

兩類圖論問題求解13，驗證計算加速潛在優(yōu)勢。玻色量子發(fā)布14100

量子比特相干光量子相干伊辛機(jī)“天工量子大腦”，與中國移動合作開展算力調(diào)度優(yōu)化等任務(wù)可行性驗證15。硅半導(dǎo)體路線利用量子點中囚禁單電子或空穴構(gòu)造量子比特，通過電脈沖實現(xiàn)對量子比特的驅(qū)動和耦合，具有制造和測控與集成電路工藝兼容等優(yōu)勢。2023

年，新南威爾士大學(xué)實現(xiàn)16新型觸發(fā)器（flip-flop）硅量子比特。美國休斯研究中心提出17硅編碼自旋量子比特的通用控制方案。中科大實現(xiàn)18硅基鍺量子點超快調(diào)控，自旋翻轉(zhuǎn)速率超過

1.2

GHz。Intel

發(fā)布1912

位硅基自旋量子芯片

Tunnel

Falls。浙江大學(xué)20在半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造了一種新型量子比特。硅半導(dǎo)體路線得到

Intel

等傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造商支持，由于同位素材料加工和介電層噪聲影響等瓶頸限制，比特數(shù)量和操控精度等指標(biāo)提升緩慢。中性原子路線利用光鑷或光晶格囚禁原子，激光激發(fā)原子里德堡態(tài)進(jìn)行邏輯門操作或量子模擬演化，相干時間和操控精度等特性與離子阱路線相似，在規(guī)?；瘮U(kuò)展方面更具優(yōu)勢，未來有望在量子模擬等方面率先突破應(yīng)用。2023年，加州理工展示21量子橡皮擦糾錯新方法，使激光照射下的錯誤原子發(fā)出熒光實現(xiàn)錯誤定位以便進(jìn)一步糾錯處理，系統(tǒng)糾纏率提升

10

倍。普林斯頓大學(xué)22基于相似擦除13/articles/v16/s6414

/web/product15

/10.1007/s11433-023-2147-316

/doi/10.1126/sciadv.add940817

/articles/s41586-023-05777-318

/doi/10.1021/acs.nanolett.3c0021319

/content/www/us/en/research/quantum-computing.html20

/articles/s41565-023-01442-y21

/articles/s41586-023-06516-422

/articles/s41586-023-06438-15量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）原理將門操作錯誤轉(zhuǎn)化為擦除錯誤，有效提升邏輯門保真度。哈佛大學(xué)23基于里德堡阻塞機(jī)制控制方案，在

60

個銣原子陣列實現(xiàn)

99.5%雙比特糾纏門保真度，超過表面碼糾錯閾值。Atom

Computing

公司發(fā)布241225原子陣列中性原子量子計算原型機(jī)，成為首個突破千位量子比特的系統(tǒng)。中性原子路線近年來在比特數(shù)目擴(kuò)展和量子糾錯等方面進(jìn)展迅速，有望成為技術(shù)路線競爭中的后起之秀。量子計算多種技術(shù)路線研究成果不斷涌現(xiàn)，如何分析發(fā)展趨勢和進(jìn)行橫向?qū)Ρ仁菢I(yè)界關(guān)注點。圖

2

展示了五種主流技術(shù)路線關(guān)鍵指標(biāo)的代表性成果對比情況，超導(dǎo)路線在量子比特數(shù)量、邏輯門保真度等指標(biāo)方面表現(xiàn)較為均衡；離子阱路線在邏輯門保真度和相干時間方面優(yōu)勢明顯，但比特數(shù)量和門操作速度方面瓶頸也同樣突出；光量子和硅半導(dǎo)體路線目前在比特數(shù)量、邏輯門保真度和相干時間等指標(biāo)方面均未展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢；中性原子近年來在比特數(shù)量規(guī)模、門保真度和相干時間等指標(biāo)方面提升迅速。需要指出，當(dāng)前量子計算各技術(shù)路線的性能指標(biāo)發(fā)展水平參差不齊，但距離實現(xiàn)大規(guī)模可容錯通用量子計算的目標(biāo)都還有很大差距。23

/articles/s41586-023-06481-y24

/quantum-startup-atom-computing-first-to-exceed-1000-qubits/6量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：中國信息通信研究院圖

2

量子計算主要硬件技術(shù)路線關(guān)鍵指標(biāo)對比概況25（二）量子計算軟件持續(xù)開放探索，功能各有側(cè)重量子計算軟件是連接用戶與硬件的關(guān)鍵紐帶，在編譯運行和應(yīng)用開發(fā)等方面需要根據(jù)量子計算原理特性進(jìn)行全新設(shè)計，提供面向不同技術(shù)路線的底層編譯工具，具備邏輯抽象工程的量子中間表示和指令集，以及支撐不同計算問題的應(yīng)用軟件。目前量子計算軟件處于開放研發(fā)和生態(tài)建設(shè)早期階段，業(yè)界在量子計算應(yīng)用開發(fā)軟件、編譯軟件、EDA

軟件等方向開展布局，如圖

3

所示。25各技術(shù)路線指標(biāo)統(tǒng)計是不同團(tuán)隊和系統(tǒng)報道的最優(yōu)值，并非在同一系統(tǒng)中同時實現(xiàn)各項最優(yōu)指標(biāo)。7量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：中國信息通信研究院圖

3

量子計算軟件體系架構(gòu)圖應(yīng)用開發(fā)軟件為開發(fā)者提供創(chuàng)建和操作量子程序的工具集、開發(fā)組件以及算法庫，業(yè)界代表性應(yīng)用開發(fā)軟件如表

1

所示。2023

年，QC

Ware推出量子化學(xué)軟件

SaaS

Promethium26。Quantum

Brilliance發(fā)布量子計算開發(fā)工具

Qristal

SDK27，用例包括經(jīng)典量子混合應(yīng)用、化學(xué)模擬以及自動駕駛等。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)開發(fā)量子計算開源軟件

SuperConga28，協(xié)助用戶開展量子物理等領(lǐng)域的研究。未來，量子計算應(yīng)用開發(fā)軟件發(fā)展需要進(jìn)一步增加應(yīng)用場景、計算問題和算法開發(fā)的支持能力，以及與不同硬件系統(tǒng)軟硬件協(xié)同適配性。26

/2023/04/17/qc-ware-launches-promethium-a-quantum-chemistry-saas-targets-hybrid-world-near-term/27

/article/638267292/quantum-brilliance-releases-open-source-software-for-miniature-quantum-computers28

https://www.chalmers.se/en/current/news/mc2-open-source-software-to-speed-up-quantum-research/8量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）表

1國內(nèi)外代表性量子計算應(yīng)用開發(fā)軟件類別名稱OpenFermionTensorFlowQuantumPennyLane領(lǐng)域化學(xué)發(fā)布機(jī)構(gòu)Google人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)XanaduInQuanto化學(xué)Quantinuum化學(xué)、經(jīng)典量子混合應(yīng)用、自動駕駛QuantumBrillianceQristalSDKChalmersUniversityofTechnologySuperConga量子物理量子計算應(yīng)用開發(fā)軟件ChemiQVQNet化學(xué)人工智能化學(xué)本源量子HiQFermionPaddleQuantum華為百度人工智能QuOmics、QuChem、QuDocking、化學(xué)、生物制藥QuSynthesis圖靈量子QuFraudDetection、QuPortfolio金融來源：中國信息通信研究院編譯軟件用于明確量子編程邊界并確保程序編譯正確執(zhí)行，并提供完善且體系化的語法規(guī)則用于協(xié)調(diào)和約束量子操作與經(jīng)典操作，表

2

梳理了業(yè)界代表性量子計算編譯軟件。2023

年，Pasqal

發(fā)布中性原子量子計算軟件

Pulser

Studio29，使用戶能夠以圖形方式構(gòu)建量子寄存器并設(shè)計脈沖序列。微軟發(fā)布

Azure

量子開發(fā)套件（QDK）預(yù)覽版30。Pasqal

推出用于數(shù)字模擬量子計算軟件

Qadence31。量子計算編譯軟件未來需要持續(xù)提升軟硬件協(xié)同編譯、調(diào)度和優(yōu)化能力。表

2國內(nèi)外代表性量子計算編譯軟件類別名稱特性發(fā)布機(jī)構(gòu)29

/articles/pulser-s-130

/microsoft/qsharp/wiki/Installation31

/articles/pasqal-unveils-qadence-a-quantum-programming-library-for-digital-analog-quantum-computing9量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）具有

Terra、Aqua、Ignis、Aer等四個功能模塊，可用于編寫、模擬和運行量子程序QiskitIBMCirq針對量子電路精確控制、優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Q#量子編程語言、編譯器、資源估計器等GoogleQDK微軟全棧編程和執(zhí)行環(huán)境，Quil、pyQuil

等組件ForestqbsolvStrawberryFieldsRigetti協(xié)助開發(fā)者為

D-Wave

機(jī)器開發(fā)程序D-WaveXanadu支持

python

庫原型設(shè)計和量子電路優(yōu)化以圖形方式構(gòu)建量子寄存器并設(shè)計脈沖序列PulserStudioQadencePasqal簡化在相互作用的量子比特系統(tǒng)上構(gòu)建和執(zhí)行數(shù)字模擬量子程序的過程根據(jù)硬件的脈沖級原生門自動優(yōu)化量子程序Super.techProjectQSuperstaQ量子計算編譯軟件基于

python

編譯并對量子電路編譯優(yōu)化執(zhí)行ETHZurich基于

Python/C++編譯，可模擬噪聲量子門、參數(shù)化量子門等KyotoUniversityQulacs包含量子最優(yōu)控制算法和脈沖庫，提供快速優(yōu)化設(shè)計的調(diào)控解決方案支持

Python/QASM混合編譯和量子電路本地運行HiQPulseQComputeTensorCircuit華為百度騰訊支持自動微分、即時編譯、向量并行化和

GPU加速支持

Python、QASM、OriginIR、QuilQPanda等語言，可用于構(gòu)建、運行和優(yōu)化量子

本源量子算法支持經(jīng)典量子混合編程，提供量子電路

中國科學(xué)isQ-CoreQuTrunkSpinQit分解、優(yōu)化和映射等功能具有

QCircuit、Qubit、Qureg

等模塊，支持代碼的抽象封裝和操作執(zhí)行院啟科量子支持

Python/OpenQASM2.0

編譯以及經(jīng)典量子混合編程，兼容

Qiskit

語法量旋科技來源：中國信息通信研究院芯片設(shè)計

EDA軟件主要用于實現(xiàn)量子芯片的自動化設(shè)計、參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化、封裝設(shè)計等功能，表

3梳理了業(yè)界代表性的

EDA軟件。10量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）2023

年，亞馬遜推出開源軟件平臺

Palace32，可執(zhí)行復(fù)雜電磁模型的3D模擬并支持量子計算硬件設(shè)計。量旋科技發(fā)布超導(dǎo)芯片

EDA軟件天乙33。未來，量子計算芯片

EDA

軟件需要在芯片性能驗證、設(shè)計自主程度、設(shè)計效率等方面持續(xù)研究和完善。表

3國內(nèi)外代表性量子計算

EDA

軟件類別名稱特性發(fā)布機(jī)構(gòu)用于超導(dǎo)量子處理器，構(gòu)建芯片設(shè)計圖，產(chǎn)生定制組件QiskitMetalIBM用于超導(dǎo)量子處理器，可用于生成芯片設(shè)計，并在制造器件之前檢查信號路由光量子芯片設(shè)計輔助系統(tǒng)與光學(xué)模擬系統(tǒng)KQCircuitsIQM量子計算

EDA

FeynmanPAQS軟件圖靈量子本源量子量旋科技支持超導(dǎo)和半導(dǎo)體量子芯片版圖自動化設(shè)計本源坤元用于超導(dǎo)量子處理器，通過參數(shù)化生成量子器件，可自動布線算法天乙來源：中國信息通信研究院總體而言，量子計算軟件目前處于開放式探索階段，不同軟件功能各有側(cè)重，但由于硬件技術(shù)路線未收斂、應(yīng)用探索尚未落地使用等原因，軟件技術(shù)水平基本處于研究工具級，與經(jīng)典軟件成熟度相距尚遠(yuǎn)。量子編程語言和框架、量子編譯器和優(yōu)化器、量子誤差校正模塊等關(guān)鍵功能特性仍需要持續(xù)研發(fā)，構(gòu)建完善的軟硬件技術(shù)棧和應(yīng)用生態(tài)還有待業(yè)界進(jìn)一步協(xié)同推動。（三）量子糾錯突破盈虧平衡點，未來需持續(xù)攻關(guān)量子糾錯可保護(hù)量子態(tài)免受噪聲或退相干影響，是可容錯量子信息處理中必不可少的環(huán)節(jié)。由于量子態(tài)的不可克隆、相干性以及32

/cn/blogs/quantum-computing/aws-releases-open-source-software-palace-for-cloud-based-electromagnetics-simulations-of-quantum-computing-hardware/33

/newsDetail/a915d803-d94d-485e-b6ad-ee6356062b9811量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）差錯連續(xù)性等特性，導(dǎo)致量子糾錯與經(jīng)典糾錯存在本質(zhì)差異。量子糾錯概念提出34以來，已有多類不同原理和構(gòu)造的量子糾錯編碼方案，其中表面碼是當(dāng)前研究和實驗驗證的熱點，其優(yōu)勢在于高容錯閾值，僅需近鄰比特間作用，在超導(dǎo)等技術(shù)路線中易實現(xiàn)等。量子糾錯需要執(zhí)行狀態(tài)編碼、輔助比特制備、錯誤探測和糾正等多種操作，每個步驟都可能引入額外的錯誤。為了避免量子糾錯陷入“越糾越錯”的窘境，需要在各環(huán)節(jié)均完成高精度的操控。假設(shè)在糾錯精度高于某個閾值時可以很好地完成量子糾錯，即可通過多重級聯(lián)編碼等方式使錯誤率大幅度降低，從而實現(xiàn)高精度邏輯量子比特。因此突破量子糾錯編碼的盈虧平衡點，實現(xiàn)糾錯編碼規(guī)模與相干時間、錯誤率等性能指標(biāo)的正增益，具有重要意義。2023

年，谷歌首次突破量子計算糾錯編碼規(guī)模與收益的平衡點35，在糾錯編碼規(guī)模增長的同時降低錯誤率，驗證了量子糾錯方案的可行性。南方科大以離散變量編碼邏輯量子位突破量子糾錯平衡點36，超過盈虧平衡點約

16%。耶魯大學(xué)利用實時量子糾錯方案實現(xiàn)盈虧平衡點超越37利用實時糾錯實現(xiàn)穩(wěn)定的邏輯量子比特。芝加哥大學(xué)報通過觀察量子比特持續(xù)監(jiān)測量子系統(tǒng)外部噪聲38，并實時調(diào)制數(shù)據(jù)量子比特以最小化誤差。IBM

報道39在

127

位

Eagle

量子處理器上基于誤差緩解技術(shù)和量子伊辛模型，在無需量子糾錯條件下實現(xiàn)對磁性材料簡化系，34

/10.1103/PhysRevA.54.109835

/articles/s41586-022-05434-136

/articles/s41586-023-05784-437

/articles/s41586-023-05782-638

/doi/10.1126/science.ade533739

/articles/s41586-023-06096-312量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）統(tǒng)模型的自旋動態(tài)和磁化特性的模擬，并驗證其準(zhǔn)確性。量子糾錯跨過盈虧平衡點，是實現(xiàn)通用量子計算的重要里程碑之一。但當(dāng)前量子邏輯門保真度水平距離可容錯實用化要求仍有約十個數(shù)量級的巨大差距，基于量子糾錯實現(xiàn)邏輯量子比特仍是需要長期研究攻關(guān)的目標(biāo)。量子糾錯未來發(fā)展的主要方向包括：提升邏輯量子比特的可操控性，優(yōu)化利用高維度量子資源實現(xiàn)邏輯量子比特的糾錯編碼方案；實現(xiàn)對特定噪聲免疫的量子態(tài)調(diào)控方案，研究分布式量子糾錯架構(gòu)；在考慮計算資源的同時探究切合實際的糾錯性能評價指標(biāo)，實現(xiàn)帶量子糾錯的量子計算優(yōu)越性等。在突破量子糾錯盈虧平衡點后，業(yè)界將持續(xù)研究量子糾錯理論與實驗驗證，未來數(shù)年將有更多量子糾錯研究重要進(jìn)展和成果出現(xiàn)。（四）環(huán)境測控系統(tǒng)取得新進(jìn)展，性能指標(biāo)待提升量子計算中的疊加和糾纏等狀態(tài)極易受到外界影響而退相干，需要極低溫、高真空等環(huán)境系統(tǒng)支持，同時對大規(guī)模量子比特的微波或光學(xué)調(diào)控與測量，也需要高精度和高集成度的測控系統(tǒng)支持。環(huán)境與測控系統(tǒng)是各種技術(shù)路線的量子計算原型機(jī)必不可少的使能組件，也是當(dāng)前提升樣機(jī)工程化水平面臨的重要技術(shù)瓶頸。稀釋制冷機(jī)可為超導(dǎo)、硅半導(dǎo)體等路線的量子計算處理器運行提供

mK

級別的極低溫環(huán)境，利用氦-3

和氦-4

混合液的濃縮相和稀釋相分離和循環(huán)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生制冷效應(yīng)，具有可連續(xù)工作、操作簡單、無振動與電磁干擾、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。稀釋制冷機(jī)的技術(shù)難點主要在于脈沖管和冷頭等預(yù)制冷設(shè)備研制、制冷量提升、低溫設(shè)備焊接13量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）和檢漏工藝等方面。稀釋制冷機(jī)是量子計算系統(tǒng)的重要裝備之一，提升國產(chǎn)化自給能力對于保障科學(xué)研究和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。近期國內(nèi)相關(guān)單位持續(xù)研發(fā)攻關(guān)并取得重要進(jìn)展。2022

年下旬，IBM

發(fā)布40“黃金眼”超大稀釋制冷機(jī)。2023

年，中船重工鵬力發(fā)布41稀釋制冷機(jī)產(chǎn)品，中科院物理所研制的無液氦稀釋制冷機(jī)樣機(jī)42，本源量子發(fā)布稀釋制冷機(jī)產(chǎn)品43。未來，稀釋制冷機(jī)將向更高制冷量、更大樣品空間和集成化系統(tǒng)等方面發(fā)展。超高真空腔是離子阱和中性原子量子計算必需環(huán)境，用于避免真空腔內(nèi)氣體分子與離子或原子的碰撞導(dǎo)致囚禁脫離，保證束縛時間和操控精度。超高真空腔技術(shù)挑戰(zhàn)在于高性能吸氣劑泵等關(guān)鍵組件的研制、提升氣體抽速以及腔內(nèi)真空度等方面。2022

年底，啟科量子發(fā)布離子阱低溫真空系統(tǒng)44，將低溫、真空、電氣、光學(xué)四大核心要素進(jìn)行有機(jī)整合，為樣機(jī)系統(tǒng)研制提供環(huán)境保障。未來真空腔需要持續(xù)提升真空度指標(biāo)和集成化水平。量子計算測控系統(tǒng)主要用于操控和測量量子比特，根據(jù)技術(shù)路線的需求區(qū)分大致可分為兩類：一是離子阱、中性原子和光量子等技術(shù)路線所需的光學(xué)測控系統(tǒng)；二是超導(dǎo)、硅半導(dǎo)體等技術(shù)路線使用的微波測控系統(tǒng)。主要挑戰(zhàn)在于提升同時被測控量子比特的數(shù)量、減小測控信息反饋延遲、提升系統(tǒng)內(nèi)多模塊同步性、減小噪聲干擾等方面。當(dāng)前業(yè)界代表性量子計算測控系統(tǒng)如表

4

所示。2023

年，40

/blog/goldeneye-cryogenic-concept-system41

/prodetail.asp?id=79842

/xwzx/snxw/202303/t20230330_6721179.html43

/zh/product/chipEquipment/7844

/index.php?c=show&id=11414量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）蘇黎世儀器發(fā)布量子計算控制系統(tǒng)

QCCS，啟科量子發(fā)布離子阱環(huán)境控制系統(tǒng)<Aba|Qu|ENV>，玻色量子推出光量子測控一體機(jī)量樞，量旋科技發(fā)布超導(dǎo)量子測控系統(tǒng)織女星

Vega。未來量子計算測控系統(tǒng)需要提升測控芯片集成度、進(jìn)行測控系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展、機(jī)箱間擴(kuò)展以及提升系統(tǒng)的通道密度等。表

4

代表性量子計算測控系統(tǒng)類別名稱發(fā)布機(jī)構(gòu)技術(shù)路線超導(dǎo)量子計算控制系統(tǒng)（QCCS）ZurichInstruments量子測控一體機(jī)SHFQC量子控制系統(tǒng)

QCSClusterKeysightQblox超導(dǎo)超導(dǎo)量子計算測控系統(tǒng)量子計算測控系統(tǒng)

QCS1000本源天機(jī)

3.0中微達(dá)信本源量子國盾量子啟科量子玻色量子量旋科技超導(dǎo)超導(dǎo)ez-QEngine超導(dǎo)<Aba|Qu|ENV>量樞離子阱光量子超導(dǎo)織女星

Vega來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理需要指出，當(dāng)前量子計算環(huán)境與測控系統(tǒng)研發(fā)也面臨一些挑戰(zhàn)。一是由于硬件技術(shù)路線并行發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)、測控裝備、關(guān)鍵組件等需求過于分散和碎片化，上游供應(yīng)商難以聚焦某條技術(shù)路線開展集中攻關(guān)，制約工程化水平提升。二是未來量子比特規(guī)模提升對環(huán)境測控系統(tǒng)技術(shù)要求提出更嚴(yán)苛要求，例如稀釋制冷機(jī)需支持?jǐn)?shù)千乃至更大規(guī)模比特量級的布線和制冷，真空腔系統(tǒng)實現(xiàn)極高真空環(huán)境仍有存在工程挑戰(zhàn)，測控系統(tǒng)進(jìn)一步提高集成度?？傮w而言，量子計算環(huán)境與測控系統(tǒng)發(fā)展仍處于工程化研發(fā)和性能提升的攻關(guān)階段，未來仍需進(jìn)一步加強(qiáng)核心組件和系統(tǒng)集成等方面研發(fā)投入。15量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）三、應(yīng)用探索多領(lǐng)域廣泛開展，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初步形成（一）應(yīng)用探索成業(yè)界熱點，行業(yè)領(lǐng)域趨向多元化近年來，基于中等規(guī)模含噪量子處理器（NISQ）和專用量子計算機(jī)的應(yīng)用案例探索在國內(nèi)外廣泛開展，代表性應(yīng)用領(lǐng)域和典型場景如表

5

所示，涵蓋了化學(xué)、金融、人工智能、交運航空、氣象等眾多行業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)規(guī)模估值達(dá)到千億美元級別。量子計算公司普遍期待未來數(shù)年，在

NISQ

系統(tǒng)中完成具有社會經(jīng)濟(jì)價值的計算問題加速求解，實現(xiàn)殺手級應(yīng)用突破。表

5量子計算應(yīng)用場景分析應(yīng)用時間（+代表影響力）產(chǎn)業(yè)估值(億美元)行業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)

問題原型3~510

年以5~10

年保守估值

樂觀估值年上組合優(yōu)化金融服務(wù)++++++++++++++++金融~3940~100~7000~200人工智能傳統(tǒng)能源量子模擬能源與

可持續(xù)能+++++++組合優(yōu)化人工智能~100~300材料源++化工~1230~3240量子模擬組合優(yōu)化人工智能人工智能量子模擬組合優(yōu)化因式分解量子模擬組合優(yōu)化因式分解量子模擬組合優(yōu)化量子模擬組合優(yōu)化組合優(yōu)化量子模擬人工智能因式分解生命科學(xué)+++++++++++++++++++制藥汽車~740~290~300~1830~630~700先進(jìn)工業(yè)航空航天與國防++++++++++電子產(chǎn)品半導(dǎo)體~100~100~200~200電信傳媒電信傳媒~100~100~200~200++++出行、運輸和物流+++++物流~500~1000來源：麥肯錫《量子技術(shù)監(jiān)測》、波士頓《量子計算為商業(yè)化做好準(zhǔn)備》等16量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）化學(xué)領(lǐng)域量子計算應(yīng)用探索主要通過模擬化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到提高效率、降低資源消耗等目的。2023

年，德國尤利希中心利用量子計算提升尋找蛋白質(zhì)最低能量結(jié)構(gòu)的成功率45。牛津大學(xué)實現(xiàn)基于網(wǎng)格的量子計算化學(xué)模擬46，探索基態(tài)準(zhǔn)備、能量估計到散射和電離動力學(xué)等方面能力。QC

Ware

展示量子計算幫助檢測糖尿病視網(wǎng)膜病變47IBM

和克利夫蘭診所建立量子計算應(yīng)用聯(lián)合研究中心，加速生物醫(yī)學(xué)方面研究48。美國艾姆斯研究中心報道了量子計算在材料模擬應(yīng)用。中的自適應(yīng)算法，減少計算資源的同時提升模擬稀土材料準(zhǔn)確性49。金融領(lǐng)域量子計算應(yīng)用有望在優(yōu)化預(yù)測分析、精準(zhǔn)定價和資產(chǎn)配置等問題中產(chǎn)生優(yōu)勢。2023

年，法國

CIB、Pasqal

和

Multiverse

聯(lián)合發(fā)布量子計算金融應(yīng)用解決方案的驗證結(jié)果50，減少金融衍生品估值計算所耗算力資源，提升評估速度與準(zhǔn)確性。摩根大通和

QCWare

使用量子深度學(xué)習(xí)分析風(fēng)險模型提升訓(xùn)練有效性51。匯豐銀行和

Quantinuum

合作探索在欺詐檢測和自然語言處理等方面的量子計算應(yīng)用優(yōu)勢52，推出用于金融數(shù)學(xué)問題建模應(yīng)用的量子蒙特卡羅積分引擎量子算法工具53。45

/news-releases/97713346

/doi/10.1126/sciadv.abo748447

/off-the-wire/new-co-authored-study-opens-new-doors-to-quantum-powered-machine-learning-and-medical-diagnostics/48

/2023-03-20-Cleveland-Clinic-and-IBM-Unveil-First-Quantum-Computer-Dedicated-to-Healthcare-Research49

/news-archive/quantum-news-briefs-may-4-sandboxaq-and-the-city-university-of-new-york-partner-to-create-quantum-education-opportunities-and-launch-new-photonics-lab-what-government-can-do-to-enable-the-quantum-in/50

/customer-story/credit-agricole-cib51

/off-the-wire/jpmorgan-chase-and-qc-ware-evolve-hedging-for-a-quantum-future/52

/news/hsbc-and-quantinuum-explore-real-world-use-cases-of-quantum-computing-in-financial-services53

/news/unveiling-the-first-fully-integrated-and-complete-quantum-monte-carlo-integration-engine17量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）人工智能領(lǐng)域與量子計算結(jié)合可能在于機(jī)器學(xué)習(xí)、化學(xué)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域產(chǎn)生應(yīng)用。2023

年，Zapata

聯(lián)合研究表明混合量子人工智能有望生成更理想特性的藥物小分子54。慕尼黑大學(xué)使用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練小型含噪數(shù)據(jù)集為化學(xué)制藥提供解決方案55。清華大學(xué)演示反向傳播算法訓(xùn)練六層深度量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)56，提升平均保真度達(dá)94.8%。Rigetti

聯(lián)合

ADIA

實驗室開發(fā)概率分布分類的量子機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案57，探索量化金融領(lǐng)域中的投資策略制定新方法。交通物流領(lǐng)域量子計算應(yīng)用主要聚焦組合優(yōu)化問題，以更優(yōu)方案實現(xiàn)路線規(guī)劃和物流裝配，提升效率降低成本。2023

年，TerraQuantum

和泰雷茲公司使用混合量子計算驗證加強(qiáng)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程并改善衛(wèi)星運行效率58。英偉達(dá)、羅爾斯-羅伊斯和

Classiq

將量子計算用于提升噴氣發(fā)動機(jī)的工作效率59

。Amerijet

International

和Quantum-South

報道利用量子計算，可以實現(xiàn)飛機(jī)貨物裝載效率優(yōu)化從而提高航班收入60。氣象預(yù)測領(lǐng)域量子計算應(yīng)用主要體現(xiàn)在求解大數(shù)量、多維度的氣象數(shù)據(jù)，協(xié)助建模仿真與預(yù)測。2023

年，德勤舉辦

2023

年量子氣候挑戰(zhàn)賽61，使用量子計算機(jī)模擬從大氣中過濾二氧化碳的材料從而54

/pressreleases/23/06/b32736504/zapata-foxconn-insilico-medicine-and-university-of-toronto-study-shows-promise-of-hybrid-quantum-g55

/2023/06/13/quantum-neural-networks-could-best-classical-counterparts-for-certain-tasks-important-to-the-chemical-and-pharmaceutical-industries/56

/articles/s41467-023-39785-857

/news-release/2023/07/26/2711316/0/en/Rigetti-and-ADIA-Lab-Sign-Collaboration-Agreement-to-Develop-Quantum-Machine-Learning-Solution-for-Probability-Distribution-Classification.html58

https://www.newswire.ca/news-releases/xanadu-and-rolls-royce-to-build-quantum-computing-tools-with-pennylane-881322368.html59

/2023/05/23/nvidia-rolls-royce-and-classiq-use-quantum-computing-for-computational-fluid-dynamics-in-jet-engines/60

/airlinescargo/quantum-south-identifies-alternatives-to-boost-amerijet-internationals-cargo-load-factor-by-up-to-30-with-cutting-edge-solution/61

https://deloitte.zoom.us/webinar/register/4516727579642/WN_-ga8oLPKQCyGgx97qZ5c2A18量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）減少全球變暖的影響。美國能源部國家能源技術(shù)實驗室使用量子計算研究胺化學(xué)反應(yīng)62，找尋用于碳捕獲的胺化合物。需要注意的是，近年涌現(xiàn)出眾多關(guān)于量子計算應(yīng)用案例報道，基本屬于原理驗證性質(zhì)的可行性實驗報道，部分應(yīng)用案例可以取得一定加速優(yōu)勢，但距離業(yè)界期待的指數(shù)級加速和算力飛躍仍有較大差距。量子計算在應(yīng)用實際落地和產(chǎn)生商業(yè)價值方面仍面臨挑戰(zhàn)，目前基本處于可行性和實用性探索階段。（二）實用化落地尚未突破，硬件性能提升是基礎(chǔ)2023

年

7

月，美國

Gartner

發(fā)布計算技術(shù)成熟度曲線如圖

4

所示，數(shù)年前量子計算技術(shù)向著“過高期望”頂點逐漸靠近，現(xiàn)階段已跨越了“過高期望”頂點，但整體距離“生產(chǎn)力高原”仍需超過十年的時間。NISQ

樣機(jī)時代能否實現(xiàn)“殺手級”應(yīng)用突破，是量子計算行業(yè)發(fā)展的分水嶺，如果未來數(shù)年內(nèi)一直無法實現(xiàn)應(yīng)用落地突破，則量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展恐將面臨“幻滅之谷”的低潮期。62

/doi/10.1116/5.013775019量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：Gartner:

HyperCycleofCompute（2023

年

7

月）圖

42023

年

Gartner

量子計算技術(shù)成熟度預(yù)測量子計算系統(tǒng)是十分脆弱的，易受到外部環(huán)境噪聲、系統(tǒng)中粒子間的相互作用等復(fù)雜因素的交互影響而引發(fā)退相干效應(yīng)，導(dǎo)致量子態(tài)失真，使算法運行結(jié)果的保真度和準(zhǔn)確性受到影響。目前量子計算應(yīng)用難以實用落地的主要原因在于樣機(jī)的相干操控比特規(guī)模、邏輯門保真度和線路深度等關(guān)鍵性能指標(biāo)仍極為有限，量子算法、量子糾錯編碼方案等未完全成熟，難以支撐具有明確加速優(yōu)勢的算法實施。未來需要提升

NISQ

樣機(jī)性能，在解決實際問題時發(fā)揮出相較于經(jīng)典算法的顯著算力優(yōu)勢，才能體現(xiàn)出量子計算價值。量子計算技術(shù)發(fā)展演進(jìn)可大致分為三個階段，階段一是實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性驗證（已完成）；階段二是實現(xiàn)可在若干具有實用價值的計算難題中展現(xiàn)量子計算優(yōu)越性并帶來社會經(jīng)濟(jì)價值的專用量子計算機(jī)（下一步重點攻關(guān)目標(biāo)）；三是大規(guī)?？扇蒎e通用量子計算機(jī)（遠(yuǎn)期目標(biāo)）。階段二的專用量子計算機(jī)“殺手級”應(yīng)用，以超導(dǎo)量子路線為例，也可大致分為三步：一是實現(xiàn)數(shù)百比特規(guī)模的相干操控，邏輯門保真度達(dá)

99.9%以上時，能夠在運算復(fù)雜度和精度要求不高的部分量子組合優(yōu)化場景中率先實現(xiàn)落地，有望未來

3-5

年實現(xiàn)；二是實現(xiàn)數(shù)千比特規(guī)模的相干操控，邏輯門保真度達(dá)

99.99%以上時，能夠使用量子模擬在多個行業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)落地應(yīng)用，有望未來

5-10

年實現(xiàn)；三是實現(xiàn)數(shù)萬比特規(guī)模的相干操控，邏輯門保真度滿足量子糾錯閾值要求時，能夠在密碼分析等計算問題更為復(fù)雜的行業(yè)領(lǐng)域20量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）產(chǎn)生重要影響，預(yù)計至少仍需

10

年以上。（三）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與開源社區(qū)成為生態(tài)發(fā)展重要助力隨著量子計算技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用探索不斷推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育成為熱點，業(yè)界通過成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，建設(shè)開源社區(qū)等方式，促進(jìn)量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。近年來全球多國相繼成立量子信息領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，成員涵蓋量子企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)以及行業(yè)用戶，持續(xù)推動產(chǎn)學(xué)研用多方合作。全球代表性量子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟如圖

5

所示。來源：中國信息通信研究院根據(jù)公開信息整理（截至

2023

年

11

月）圖

5全球代表性量子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟概況2023

年，加拿大量子工業(yè)聯(lián)盟（QIC）、美國量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（QED-C）、日本量子技術(shù)與應(yīng)用聯(lián)盟（Q-STAR）和歐洲量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（QuIC）簽署了諒解備忘錄，成立國際量子產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事會，旨在加強(qiáng)成員之間在量子技術(shù)發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略規(guī)劃、國際規(guī)則制定以及知識產(chǎn)權(quán)管理等方面的溝通和協(xié)作，并將致力于推動全球供應(yīng)鏈的可視化。量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（QIIA）目前已有

68家成員單位，自成立以來組織開展技術(shù)交流研討，已相繼啟動技術(shù)研究、標(biāo)21量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）準(zhǔn)預(yù)研、測評驗證、應(yīng)用案例征集等方向的二十余個研究項目，并于

2023

年舉辦了第一屆量子信息技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新大賽。本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（OQIA）已有四十余個成員，共同開展研發(fā)制造、應(yīng)用探索和科普教育等方面合作。量子科技產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟由合肥國家實驗室牽頭成立，旨在全面增強(qiáng)量子科技創(chuàng)新策源能力，推動量子產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，引導(dǎo)和拓展量子科技在政務(wù)、通信、金融等領(lǐng)域應(yīng)用示范。此外，電子學(xué)會、通信學(xué)會、計算機(jī)學(xué)會、信息協(xié)會等行業(yè)平臺，也成立了量子計算、量子通信等方向委員會，組織開展年度學(xué)術(shù)交流和產(chǎn)業(yè)研討會議論壇等多學(xué)科領(lǐng)域的交流與研討。開源軟件社區(qū)是高效協(xié)作打造軟件生態(tài)的重要模式，有助于促進(jìn)獨立開發(fā)者和大型企業(yè)積極參與，推動量子計算軟件生態(tài)發(fā)展。國際科技巨頭依托

GitHub

等開源軟件社區(qū)，吸引更多用戶學(xué)習(xí)和使用量子計算產(chǎn)品，積極構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，拓展用戶培育途徑，在開源社區(qū)貢獻(xiàn)度、軟件工具用戶吸引力和生態(tài)影響力方面更具優(yōu)勢。來源：中國信息通信研究院（截至

2023

年

11

月）圖

6

國內(nèi)外量子計算軟件

GitHub

開源社區(qū)活躍度22量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）國內(nèi)外典型量子計算軟件開源項目在

GitHub

網(wǎng)站的活躍度對比情況如圖

6

所示。我國在量子計算軟件項目關(guān)注數(shù)（Star）、項目分支拷貝數(shù)（Fork）、項目問題數(shù)（Issue）等方面與國際先進(jìn)水平存在數(shù)量級差距，普遍活躍度較低，生態(tài)影響力有限，處于培育期?；钴S度差距主要原因是歐美企業(yè)在經(jīng)典計算領(lǐng)域已建立了較為雄厚的開源軟件先發(fā)優(yōu)勢，用戶和企業(yè)在量子軟件操作和使用習(xí)慣受到先入為主的慣性引導(dǎo)，多種軟件并發(fā)也稀釋了開源社區(qū)研發(fā)力量?？傮w而言，全球量子計算生態(tài)體系處于早期構(gòu)建階段。國內(nèi)外業(yè)界各方通過成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，構(gòu)建開源社區(qū)，匯集行業(yè)伙伴、探索應(yīng)用場景、促進(jìn)創(chuàng)新協(xié)同已成為重要趨勢。未來我國需要依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與開源社區(qū)等平臺，進(jìn)一步整合業(yè)界各方力量，加快量子計算軟硬件協(xié)同開發(fā)迭代和應(yīng)用場景探索等產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)工作。（四）歐美量子計算企業(yè)活躍，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初具雛形近年來全球主要國家量子計算企業(yè)數(shù)量和投融資經(jīng)歷了一輪爆發(fā)式增長，科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)成為促進(jìn)量子計算產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要推動力量，歐美成為量子計算企業(yè)聚集度和活躍度最高地區(qū)。美國代表性量子計算企業(yè)包括

IBM、Google、Intel、微軟、亞馬遜等科技巨頭成立的研發(fā)部門，IonQ、Rigetti、QCI、QuEra

等多類型初創(chuàng)企業(yè)在硬件、軟件、算法等領(lǐng)域開展創(chuàng)新，通過資本市場不斷獲取資金支持，積極研發(fā)量子計算原型機(jī)及軟件算法，加速技術(shù)水平提升與成果轉(zhuǎn)化，推動全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。歐洲量子計算企業(yè)大多為初創(chuàng)企業(yè)，如

Quantinuum、IQM、Pasqal、OQC、Qu&Co、23量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）Planqc

等。歐美企業(yè)間合作緊密，在技術(shù)推進(jìn)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育等方面取得諸多進(jìn)展。此外，加拿大、澳大利亞、新加坡等國也涌現(xiàn)出一批量子計算企業(yè)，典型如

D-Wave（加）、Xanadu（加）、Horizon

Quantum

Computing（新）、Q-CTRL（澳）等，在硬件系統(tǒng)研發(fā)和軟件產(chǎn)品開發(fā)等方面表現(xiàn)活躍。我國華為、百度、騰訊等企業(yè)近年來相繼成立量子實驗室，在軟硬件研發(fā)、算法研究、應(yīng)用探索、量子計算云平臺等方面積極布局，但相對美國科技企業(yè)而言投入推動力度仍較為有限。11

月，阿里達(dá)摩院裁撤量子計算研究團(tuán)隊，也成為業(yè)界熱點事件。本源量子、啟科量子、國盾量子、玻色量子、圖靈量子、量旋科技、弧光量子、中科酷源、幺正量子等量子計算初創(chuàng)企業(yè)布局推進(jìn)量子計算技術(shù)研究與應(yīng)用探索，力爭在全球量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)中占得一席之地。量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)上中下游各環(huán)節(jié)已初具雛形，如圖

7

所示，目前全球已涌現(xiàn)出百余家量子計算企業(yè)，歐美企業(yè)聚集度較高，產(chǎn)業(yè)生態(tài)各環(huán)節(jié)的參與者逐步增多，產(chǎn)業(yè)培育正在穩(wěn)步推進(jìn)。24量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：中國信息通信研究院圖

7

量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)與國內(nèi)外代表性企業(yè)概況產(chǎn)業(yè)生態(tài)上游主要包含環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類關(guān)鍵設(shè)備組件以及元器件等，是研制量子計算原型機(jī)的必要保障。目前由于技術(shù)路線未收斂、硬件研制個性化需求多等原因，上游供應(yīng)鏈存在碎片化問題，逐一突破攻關(guān)存在難度，一定程度上限制了上游企業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)外情況對比而言，上游企業(yè)以歐美居多，部分龍頭企業(yè)占據(jù)較大市場份額，我國部分關(guān)鍵設(shè)備和元器件對外依賴程度較高。產(chǎn)業(yè)生態(tài)中游主要涉及量子計算原型機(jī)和軟件，其中原型機(jī)是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心部分，目前超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅半導(dǎo)體和中性原子等技術(shù)路線發(fā)展較快，其中超導(dǎo)路線備受青睞，離子阱、光量子和中性原子路線獲得較多初創(chuàng)企業(yè)關(guān)注。美國原型機(jī)研制與軟件研發(fā)占據(jù)一定優(yōu)勢，我國量子計算硬件企業(yè)數(shù)量有限且技術(shù)路線25量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）布局較為單一，集中在超導(dǎo)和離子阱路線，量子計算軟件企業(yè)存在數(shù)量規(guī)模較少、創(chuàng)新成果有限、應(yīng)用探索推動力弱等問題。產(chǎn)業(yè)生態(tài)下游主要涵蓋量子計算云平臺以及行業(yè)應(yīng)用，處在早期發(fā)展階段。近年來全球已有數(shù)十家公司和研究機(jī)構(gòu)推出了不同類型的量子計算云平臺積極爭奪產(chǎn)業(yè)生態(tài)地位。目前量子計算領(lǐng)域應(yīng)用探索已在金融、化工、人工智能、醫(yī)藥、汽車、能源等領(lǐng)域廣泛開展。國外量子計算云平臺的優(yōu)勢體現(xiàn)在后端硬件性能、軟硬件協(xié)同程度、商業(yè)服務(wù)模式等方面。大量歐美行業(yè)龍頭企業(yè)成立量子計算研究團(tuán)隊，與量子企業(yè)聯(lián)合開展應(yīng)用研究，我國下游行業(yè)用戶對量子計算重視程度有限，開展應(yīng)用探索動力仍需提升。產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力是觀察和分析各國量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢的重要視角之一，本報告從科研基礎(chǔ)、政府活動、私營企業(yè)、技術(shù)成果等四個維度構(gòu)建產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力分析框架，對比分析中美量子計算領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力情況，具體結(jié)果如圖

8

所示。26量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）來源：中國信息通信研究院圖

8中美量子計算產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力對比科研基礎(chǔ)方面，我國具有較多的發(fā)文機(jī)構(gòu)，但高被引論文數(shù)、國際合作機(jī)構(gòu)以及合著出版物數(shù)量等相對較少，在高水平科研成果和國際合作仍需加強(qiáng)。政府活動方面，中美研發(fā)投入資金量級差距不大，我國量子計算重要研究中心的數(shù)量有待增加。私營企業(yè)方面，美國企業(yè)發(fā)展較為活躍，在企業(yè)數(shù)量、資金分布和供應(yīng)鏈能力方面全面領(lǐng)先。技術(shù)成果方面，我國專利增長率較高，但專利數(shù)量、代表性技術(shù)成就、產(chǎn)品技術(shù)路線圖等方面仍存差距，需要加強(qiáng)樣機(jī)軟硬件研發(fā)創(chuàng)新性成果輸出和樣機(jī)產(chǎn)品發(fā)展路線圖規(guī)劃。綜合來看，我國在量子計算領(lǐng)域具有一定的科研基礎(chǔ)，但在技術(shù)成就、企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)推動等方面仍有較大提升空間。27量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）四、量子計算云平臺是構(gòu)建應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)重要支點（一）國內(nèi)外企業(yè)機(jī)構(gòu)加速布局，搶占產(chǎn)業(yè)生態(tài)位量子計算云平臺將量子計算機(jī)硬件、模擬器、軟件編譯和開發(fā)工具，與經(jīng)典云計算軟硬件和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相結(jié)合，可為用戶提供直觀和實例化的量子計算接入訪問與應(yīng)用服務(wù)。作為集成量子計算軟硬件能力，面向用戶提供服務(wù)，支撐算法研究、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育的生態(tài)匯聚點，量子計算云平臺已成為推動應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的生態(tài)匯聚點和重要驅(qū)動力。近年來，科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)為搶占應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)核心地位，加大量子計算云平臺建設(shè)投入和推廣力度。全球已有數(shù)十家公司和研究機(jī)構(gòu)推出了不同類型量子計算云平臺，其中代表性云平臺如圖

9

所示。來源：中國信息通信研究院（截至

2023

年

11

月）圖

9國內(nèi)外代表性量子計算云平臺概況美國以

IBM、亞馬遜、谷歌、微軟等為代表的科技巨頭和以Rigetti、Strangeworks

等為代表的初創(chuàng)企業(yè)先后推出了各自的量子計算云平臺，對外提供量子計算硬件或量子線路模擬器的接入使用和應(yīng)用開發(fā)等服務(wù)。加拿大、歐洲各國也相繼推出各自的量子計算云28量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）平臺。我國在量子計算云平臺方面起步晚于歐美，但近年來多家科技公司、初創(chuàng)企業(yè)和研究院所陸續(xù)推出量子計算云平臺，并在編程語言、編譯框架、應(yīng)用服務(wù)、接入體驗等方面積極推出相關(guān)服務(wù)，支撐量子計算領(lǐng)域科學(xué)研究、科普推廣和應(yīng)用探索。我國云平臺提供商既包括華為、百度等傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)，也包括本源量子、量旋科技、弧光量子等量子計算初創(chuàng)企業(yè)，還包括北京量子院、中科院等研究機(jī)構(gòu)。相比國外科技巨頭，國內(nèi)量子計算云平臺在后端硬件能力，開發(fā)運維水平和服務(wù)推廣能力等方面還有一定差距。從云平臺后端量子計算硬件路線來看，云平臺后端的量子計算處理器主要可分為邏輯門型和專用型兩類。目前超導(dǎo)路線仍是邏輯門型量子計算處理器的主流方向，此外國內(nèi)外也上線了部分離子阱、光量子、中性原子、核磁共振等路線的量子處理器。專用型量子計算處理器不具備量子邏輯門操控和量子糾錯編碼等能力，但可用于求解組合優(yōu)化、量子退火和玻色采樣等專用問題，主要包括量子退火機(jī)、玻色采樣機(jī)和相干伊辛機(jī)等類型。D-Wave

是最早進(jìn)行量子退火機(jī)研發(fā)的企業(yè)，2018

年推出了基于量子退火機(jī)的量子計算云平臺Leap，近年來基于云平臺在運輸物流、生命科學(xué)、投資金融等領(lǐng)域開展應(yīng)用探索。2023

年，D-Wave

基于量子退火機(jī)在“自旋玻璃”問題上證明了量子優(yōu)越性63。玻色量子于發(fā)布

100比特相干光量子計算機(jī)，與中國移動共建“五岳”量子云平臺。總的來說，國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)布局推出了量子計算云63

/articles/s41586-023-05867-229量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告（2023

年）平臺產(chǎn)品和服務(wù)，依托云平臺加快推動量子計算算法研究、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)已逐漸成為業(yè)界共識。（二）量子計算云平臺功能架構(gòu)可借鑒經(jīng)典云計算量子計算云平臺將量子計算與經(jīng)典云服務(wù)融合，通過云端提供量子計算資源，有望成為服務(wù)量子計算用戶的主要形式。根據(jù)量子計算云平臺技術(shù)特性和發(fā)展現(xiàn)狀，本報告研究提出量子計算云平臺的功能架構(gòu)參考模型，如圖

10

所示，可劃分為基礎(chǔ)設(shè)施