作者简介
吕品
中电信量子信息科技集团有限公司董事长，主要从事量子通信与安全、量子计算等量子信息领域的应用基础研究和产业推广。
苑涛
中电信量子信息科技集团有限公司科技创新部科创管理总监，主要从事量子计算等方面的应用基础研究。
论文引用格式：
吕品, 苑涛. 量子计算云平台的应用生态建设和发展建议[J]. 信息通信技术与政策, 2024, 50(7): 18-23.
量子计算云平台的应用生态建设和发展建议
吕品 苑涛
（中电信量子信息科技集团有限公司，合肥230088）
摘要：量子计算技术的发展使超越现有经典计算的强大并行计算成为可能，实用化的量子计算技术将以算力为载体产生广泛而深远的影响。目前，量子计算云平台是输出量子计算能力和探索量子计算应用的主流形式。通过分析国内外量子计算云平台发展和应用现状，提出了依托云平台开展量子计算应用生态建设的新思路，并针对面临的主要挑战提出未来发展建议。
关键词：量子计算；云平台；应用生态
0 引言
量子计算机利用量子力学中的量子叠加和量子纠缠等特性，有潜力高效解决经典计算机难以应对的复杂计算问题[1-2]。近年来，量子计算技术取得了显著进展，在超导量子计算原型机[3-4]和光量子计算原型机[5-6]方面都实现了量子计算优越性的实验验证。量子计算优越性被认为是量子计算机硬件技术进入中等规模含噪声专用时代的标志，证明量子计算机开始在特定问题上体现出超越经典计算的实用价值。同时，基于不同物理体系的量子计算技术也取得了一系列突破性成果，例如，超导量子处理器的量子比特数目最高达到1 121个[7]、操控方面实现了51比特量子真纠缠态制备[8]、中性原子量子处理器演示了48个逻辑量子比特操作[9]等。随着量子计算技术的快速发展，学术界和产业界纷纷加大研发投入，推动量子计算进入到实用化探索的新阶段。然而，量子计算机的硬件发展目前尚不能满足实用化的需求，仍面临着严苛的运行环境和高额的研发运维成本等限制。为了满足更多行业用户和研究人员对量子计算资源的需求，量子计算云平台[10]已经成为开展量子计算实用化探索和提供量子计算真机算力的主流方式。通过将量子计算资源部署在云端，并实现量子计算与云计算结合，用户可以通过云平台调用量子计算资源和超算资源，便捷地实现量子计算在重点场景中的实用化探索[11]。
近年来，量子计算云平台的发展在全球范围内取得了显著进展，多家科技公司和研究机构相继推出了各自的量子计算服务，依托量子计算云平台的资源开展应用探索和产业生态建设已成为行业共识。美国的国际商业机器（International Business Machines，IBM）公司是量子计算云服务的先驱之一，其“IBM Quantum”平台[12]自2016年上线以来，已成为全球众多用户接触和使用量子计算的主要途径，依托其丰富的量子算力资源、OpenQASM指令集、Qiskit量子编程语言，以及完整的教育生态运营体系，已经形成覆盖全球的用户生态体系，其全球用户数超过60万人，覆盖175个国家和地区，核心开发者超过2 000人，支撑全球270多个世界500强公司、重点大学和科研机构的量子计算应用开发项目[12]。此外，美国谷歌公司的量子人工智能部门[13]、微软的Azure Quantum平台[14]也提供了各自的量子计算云服务，用于研究和开发量子算法。我国的量子计算云平台研究虽然起步较晚，但紧跟国际发展的步伐，多家科技企业和研究机构已推出了各自的量子计算云平台。例如，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院联合科大国盾量子技术股份有限公司（简称“国盾量子”）推出了量子计算云平台[15]；北京量子信息科学研究院推出了Quafu平台[16]；华为技术有限公司（简称“华为”）推出了HiQ平台[17]；本源量子计算科技（合肥）股份有限公司推出了本源量子云平台[18]；中电信量子信息科技集团有限公司（简称“中电信量子集团”）推出了“天衍”量子计算平台[19]。整体而言，我国的量子计算云平台发展表现活跃，在编程语言、编译框架等方面积极推出相关服务。然而，与国外相比，我国的量子计算云平台在使用率和影响力上尚显不足，在应用场景探索、开发运维水平、服务推广能力等生态建设方面仍存在一定差距，国内量子计算应用生态建设不健全。我国亟需发布技术标准、量子指令集与编程框架，培养国内量子计算用户使用习惯和应用生态，形成量子计算行业应用生态。
本文从“天衍”量子计算云平台的能力介绍出发，结合在量子计算领域的布局和探索，提出了基于量子计算云平台打造中国量子计算应用生态建设的方案，重点从行业应用和教学应用等方面开展生态建设的运营推广。进而，针对我国在量子计算应用生态建设和推广过程中面临的主要挑战提出发展建议。
1 “天衍”量子计算云平台
2023年11月，中电信量子集团正式发布了“天衍”量子计算云平台，实现了“天翼云”超算能力与176量子比特超导量子计算能力的融合，具备“量子优越”“算力颠覆”“生态融合”等核心优势。它是首个具备“量子计算优越性”能力的超量融合云平台。未来，超量融合的量子计算云平台将成为量子计算实用化的主流形式，也是量子计算逐步走向商用化的重要支撑。
图1所示是“天衍”量子计算云平台的技术架构，其主要功能可划分为基础设施层、能力层和应用层。平台提供了量子真机计算、量子计算模拟、超量融合计算以及在线编程等核心能力。
图1 “天衍”量子计算云平台的技术架构
基础设施层：主要包括量子计算机、经典云计算和量子模拟器资源，能够提供完整的量子与经典存储、网络及计算资源体系。目前，“天衍”量子计算云平台已接入了一台176量子比特的超导量子计算机，这台超导物理机具备实现量子优越性的潜力，其中包含66个读取比特和110个耦合比特，单比特门平均错误率小于0.18%，双比特门平均错误率小于1.83%，读取平均错误率小于5.26%[19]。基于超量融合计算技术架构，依托天翼云提供超算资源和经典云计算服务，可以按照计算任务需求灵活调度天翼云超算资源。平台同步提供5种类型模拟器，包含全振幅模拟器、单振幅模拟器、张量网络模拟器、稳定子模拟器及带噪声模拟器。其中，全振幅模拟器能够模拟量子计算状态演化和运行逻辑，支持多达36个量子比特系统的线路模拟仿真[19]。当前，中电信量子集团联合国盾量子正在依托504比特的超导量子计算芯片“骁鸿”开发500+比特超导量子计算原型机，即将上线“天衍”量子计算云平台在线提供服务[19]。
能力层：主要提供在线编程实验室、编程算法库、编程工具集以及相应教学应用支撑服务。在线编程实验室配备量子实验任务管理系统，为用户和开发者提供便捷的图形化编程和智能化在线编程功能，显著降低了量子计算开发门槛。此外，编程实验室还支持超量融合计算，实现对经典计算与量子计算任务的自动分配与资源调度，并提供全流程实时监控任务执行的能力。依托国产量子指令集QCIS构建的国产编程框架，集成了高级量子编程语言、量子算法库、量子线路编译优化以及多技术路线物理机的接入等功能。
应用层：主要提供量子计算应用服务，探索各行业的解决方案。通过“天衍”量子计算云平台，与国内有计算需求的企事业单位合作，探索量子计算在机器学习、气象和生物化学等领域的应用。开发面向多个领域的量子云计算技术应用套件并提供量子应用服务类软件，促进量子计算与行业应用的快速融合。随着能力的提升，“天衍”量子计算云平台能够高效支持各领域用户对有实际价值的问题和算法的研究，加速量子计算在实际场景中的应用，并推动量子计算应用生态的快速发展。
2 生态建设运营推广
目前，量子计算正进入实用化探索的新阶段。中电信量子集团将基于“天衍”量子计算云平台，从行业应用和教学应用两方面开展生态建设的运营推广，详情如图2所示。这不仅能够支撑行业用户探索实际应用问题的量子计算解决方案，还能够为科研和教育工作者提供利用量子计算解决科研难题和进行教学引导的工具。
图2 应用生态建设推广运营体系
2.1 行业应用突破
在行业应用方面，积极加强与各行业的企业开展合作，进行应用算法与实际需求相结合的探索，推动量子计算在化学、气象及机器学习等领域的应用落地。
在量子化学领域，量子计算的应用前景非常广阔，有望为药物研发、催化剂设计、材料科学等多个行业带来重大革新和突破。通过与领先的制药公司合作，依托量子计算云平台的底层能力，构建药物自动化筛选平台，探索量子计算在化学药物筛选中的应用。该平台旨在加速药物发现和开发过程中潜在药物分子的识别和优化，通过利用一系列功能模块评估分子的特性和相互作用，从而识别具有潜在药物活性的分子。这种方法不仅加快了药物研发进程，还提高了药物发现的效率和精度，为制药行业带来了前所未有的创新机遇。
在量子气象领域，量子计算强大的并行计算能力在处理大量数据分析和预测任务方面具有重要应用潜力。通过与气象局等具备条件的单位或机构联合成立实验室，基于现有的经典深度学习模型，整合经典计算和量子计算的优势，研究开发混合量子经典神经网络模型，以提高降水数据预测和临近预报的效率和准确性。这种新型混合神经网络模型不仅提高了预测的准确性，还显著提升了计算的运行速度和效率。这对于灾害性天气的监测、预报和预警尤为重要，能够实现更快速和精确的预测，从而提高气象服务的质量和可靠性。
在量子机器学习领域，量子计算在处理高维数据、加速线性代数运算和提升模型表达能力等方面具有独特的计算优势，能够显著提高机器学习的效率和能力。通过与人工智能行业的顶尖企业合作，研究利用量子计算的特性来提升机器学习算法的计算效率和准确性，探索利用量子优化方法解决复杂的优化问题，并将其应用于机器学习算法的训练和优化。量子计算在数据处理、模式识别和复杂问题求解等领域的应用，有望为机器学习带来革命性的进步。
2.2 教学应用推广
在教学应用方面，推动高校、科研院所以及应用开发者对量子计算教育生态的研究与建设，助力人才培养，实现科学研究、教学产品及应用开发的紧密协作。
第一，基于量子计算云平台，开展量子计算实践研究，加速科研领域的突破。以量子计算云平台作为科研工具，为研究人员提供量子计算资源，助力解决科学难题。通过这种方式，仿照IBM公司量子计算云平台的运作模式，全球科研用户可以借助“天衍”量子计算云平台访问量子物理机进行科学实验，从而将量子计算真机提供给更加广泛的科研用户。
第二，联合国家实验室和高校院所，依托量子计算云平台的能力和量子计算真机资源，助力高校量子信息学科建设，为高校提供量子计算课程设计、实验支撑以及交流学习平台和资源，帮助学生接触和学习量子信息技术，助力量子信息人才培养。通过暑期学校、线上讲座等深度合作项目，拓展合作科研项目、高校课程研发和科普教程开发，进行量子计算教育生态建设。
第三，运营开发者社区，支撑量子计算开发者的学习、交流和开发实践需求。开发者支撑体系包含开发者论坛、代码仓库、技术支持和开放会议等。通过开源社区的建设与运营、开发者培养和认证，量子云平台为技术爱好者提供了低成本、易访问的量子计算应用开发与学习资源，推动量子计算应用生态健康发展。
3 应用推广面临的挑战和发展建议
3.1 主要挑战
当前，我国量子计算的实用化探索仍处于起步阶段，距离实现规模化商用尚有距离，在基于量子计算云平台的技术突破、应用推广以及标准化工作方面仍面临诸多挑战。
首先，在提升量子计算云平台底层能力的硬件技术方面仍存在困难。目前，量子计算的多条技术路线尚未收敛，例如，如何提升量子比特的规模、质量和运算速度仍然是当前亟待突破的核心任务。现阶段，接入量子计算云平台的量子计算芯片仅包含数百个量子比特，并且受噪声影响较大，连通性受限，无法充分发挥其实用能力。容错的逻辑量子比特尚未实现，距离实用化、商业化算法所需的数百乃至上千个逻辑比特仍有差距。
其次，量子计算的实际应用突破仍在探索，市场需求驱动技术发展的模式尚未形成。尽管已有许多行业领域的企业与量子计算公司展开合作，共同探索量子计算的应用开发，但具备“杀手锏”级明显优势的量子应用仍然处在探索阶段，尚未在有需求的应用场景中解决大规模计算问题。同时，量子计算的市场化机制尚未形成，当前各国主要依靠政策推动，服务体系建立等方面发展欠缺，缺乏成熟的商业模式和商业机会，市场化单位参与程度不足，行业应用场景亟待挖掘，需要产业界和学术界共同持续探索。
最后，量子计算云平台的标准化和基准测评工作仍处于起步阶段。目前，量子计算领域正处于“标准促创新”的起步阶段，标准体系的建设仍显不足，在共性关键技术和产品的标准化工作方面缺乏统筹和协同，与量子计算云平台相关的标准化研究仍不健全。量子云服务的多样性以及量子计算硬件平台的异构性为不同软硬件之间以及云平台之间的适配带来了巨大挑战。此外，在依据标准进行评估和评测的能力建设方面，也缺少统筹规划。量子计算云平台的性能评估在国内外均处于初级阶段，尚未有完善的国际和国内标准。
3.2 发展建议
面对在技术突破、应用推广以及标准化工作方面的挑战和差距，本文提出以下建议。
在技术突破方面，建议支持国家实验室牵头统筹优质资源，凝聚量子计算领域的优势力量。建立完善的量子计算机软件开发环境，支持多量子编程语言体系、算法库和工具集的开发，实现量子模拟器的多样化发展，以适应不同算法研究的需求。将量子计算机强大的并行处理能力与超级计算机的高效数值计算能力相结合，通过优化算力结构解决实际问题，实现经典计算与量子计算的优势互补。
在应用推广方面，建议发挥量子领域创新联盟的作用，建立量子计算领域的协同创新网络，依托量子计算云平台积极开展联盟生态培育与活动推广工作，实现量子计算领域基础研究、应用研究、示范应用和产业培育的一体化发展。适时布局量子计算应用重大工程，建成量子计算机与经典超级计算机融合的国家量子计算重大设施，实现量子计算的规模化应用。实施应用试点示范项目，针对生物制药、材料合成、人工智能等行业进行相关应用算法研究，积极研发应用级程序，并辐射相关应用领域，助力量子计算领域的持续攻关和健康发展。
在标准化工作方面，建议加强量子计算技术和云平台技术的标准研究和标准化创新，使标准化工作对量子计算的技术创新和产业探索起到引领作用。在支持各技术路线创新发展的情况下，在共性技术攻关与应用协同方面，建议尽快开展标准化工作，助力量子计算的技术创新和产业探索；以产业优势为基础和后盾，推进国际标准化合作与交流。以标准为牵引，建设量子计算云平台性能评估的保障能力，实现对量子计算云平台技术从硬件层到软件层再到应用层的全栈式检验。通过测评为云平台改进和提升服务能力提供引导和支撑，增强用户对云平台的信任度，促进用户推广和发展，推动行业健康发展。
4 结束语
量子计算云平台是提供量子计算能力和探索应用服务的重要途径。当前，在量子计算机硬件系统发展的同时，建立以量子计算云平台为支撑的量子计算应用生态系统，对于量子计算的实用化具有重要意义。以量子计算云平台为载体，积极开展通用技术软件开发、联合应用探索以及科普教育推广等工作，共同推动我国量子计算领域的可持续健康发展，建立完善的量子计算应用生态系统。未来，随着量子计算软硬件的成熟与云平台功能的完善，量子计算云平台将催生更多的应用与服务模式，推动量子计算与各行业的深度融合，赋能各行各业。
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《信息通信技术与政策》2024年 第7期
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