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1、 量子信息技术发展与应用量子信息技术发展与应用 研究报告研究报告 （2019 年）年） 中国信息通信中国信息通信研究院研究院 2019年年12月月 版权声明版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保 护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观 点的，应注明点的，应注明“来源：中国信息通信研究院来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明。违反上述声明 者，本院将追究其相关法律责任。者，本院将追究其相关法律责任。 前前 言言 量子信息技术以微观粒子系统为操控对象，借助其中的量子叠 加
2、态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输， 能够在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度 等方面带来原理性优势和突破经典技术瓶颈。量子信息技术已经成 为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技 发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃 至颠覆性重大影响。 近年来，以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息 技术的研究与应用在全球范围内加速发展，各国纷纷加大投入力度 和拓宽项目布局。三大领域的技术创新活跃，专利与论文增长较为 迅速，重要研究成果和舆论热点层出不穷。我国量子信息技术研究 和应用探索具备良好的实践基础，加大支持力度，突
3、破瓶颈障碍， 聚力加快发展，有望实现与国际先进水平并跑领跑。 为推动我国量子信息技术应用探索和产业化健康发展，中国信 息通信研究院在 2018 年发布研究报告基础上，组织编写了量子信 息技术发展与应用研究报告 （2019 年） ，深入分析量子信息技术三 大领域的关键技术、热点问题、发展现状、演进趋势，阐述我国面 临的机遇与挑战，以及未来发展态势。 目目 录录 一、量子信息技术总体发展态势一、量子信息技术总体发展态势 . 1 （一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 . 1 （二）各国加大量子信息领域的支持投入和布局推动 . 2 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展 . 4 （四
4、）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速 . 6 二、量子计算领域研究二、量子计算领域研究与应用进展与应用进展 . 11 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛. 11 （二）“量子优越性”突破里程碑，实用化尚有距离 . 12 （三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾 . 14 （四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大 . 16 （五）应用探索持续深入，“杀手级应用”或可期待 . 19 三、量子通信领域研究三、量子通信领域研究与应用进展与应用进展 . 20 （一）量子通信技术研究和样机研制取得新成果 . 20 （二）量子密钥分发技术演进关注提升实用化水平. 23 （三）量子保密通信
5、应用探索和产业化进一步发展. 25 （四）量子保密通信网络现实安全性成为讨论热点. 27 （五）量子保密通信规模化应用与产业化仍需探索. 29 四、量子测量领域研究与应用进展四、量子测量领域研究与应用进展 . 32 （一）量子测量突破经典测量极限，应用领域广泛. 32 （二）自旋量子位测量有望实现芯片化和集成应用. 36 （三）量子纠缠测量处于前沿研究，实用尚有距离. 37 （四）超高精度量子时钟同步有望助力未来通信网. 38 （五）量子测量产业初步发展，仍需多方助力合作. 40 五、量子信息技术发展五、量子信息技术发展与应用展望与应用展望 . 42 （一）理论与关键技术待突破，领域发展前景各
6、异. 42 （二）我国具备良好的实践基础，机遇和挑战并存. 45 图图 目目 录录 图 1 欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目 . 3 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况 . 7 图 3 量子计算领域发表论文趋势及主要发文机构 . 8 图 4 量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势 . 8 图 5 量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构 . 9 图 6 量子测量领域专利申请和论文发表趋势 . 10 图 7 Google Sycamore 超导量子计算处理器 . 13 图 8 量子计算云平台通用体系架构 . 15 图 9 美国量子计算研究与应用发展模式 . 17 图 10 量子计算领域科技
7、公司和初创企业分布 . 18 图 11 量子计算研发主体与产业应用生态 . 19 图 12 量子安全直接通信原理样机实验系统 . 22 图 13 我国 QKD 领域主要研究机构和设备商 . 26 图 14 量子测量的基本流程和主要步骤 . 33 图 15 外界物理量与量子体系的作用机制 . 34 图 16 量子测量主要应用领域和技术体系 . 35 图 17 高精度时钟同步在通信网络中的应用 . 39 图 18 量子测量科研及产业发展情况 . 41 图 19 量子信息技术发展与应用趋势展望 . 44 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 1 一、量子信息技术总体发展态势 （一）量子信息
8、技术成为未来科技发展关注焦点之一（一）量子信息技术成为未来科技发展关注焦点之一 随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入，以及 对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子系统（如 电子、光子和冷原子等）为操控对象，借助其中的量子叠加态和量子 纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、 处理和传输的量子信息技术 应运而生并蓬勃发展。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和 量子测量三大领域，可以在提升运算处理速度、信息安全保障能力、 测量精度和灵敏度等方面突破经典技术的瓶颈。 量子信息技术已经成 为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一， 在未来国家科技发 展、新兴产业培育、国防
9、和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠 覆性重大影响。 量子计算以量子比特为基本单元， 利用量子叠加和干涉等原理进 行量子并行计算， 具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行 处理能力，能够在特定计算困难问题上提供指数级加速。量子计算带 来的算力飞跃，有可能在未来引发改变游戏规则的计算革命，成为推 动科学技术加速发展演进的“触发器”和“催化剂”。未来可能在实现特 定计算问题求解的专用量子计算处理器， 用于分子结构和量子体系模 拟的量子模拟机， 以及用于机器学习和大数据集优化等应用的量子计 算新算法等方面率先取得突破。 量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传 量子信息技术发展
10、与应用研究报告（2019 年） 2 输，基于量子力学原理保证传输安全性，主要分量子隐形传态和量子 密钥分发两类。 量子密钥分发基于量子力学原理保证密钥分发的安全 性，是首个从实验室走向实际应用的量子通信技术分支。通过在经典 通信中加入量子密钥分发和信息加密传输， 可以提升网络信息安全保 障能力。量子隐形传态在经典通信辅助之下，可以实现任意未知量子 态信息的传输。量子隐形传态与量子计算融合形成量子信息网络，是 未来量子信息技术的重要发展方向之一。 量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量， 完成被测系 统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方 面比传统测量技术有明显优势。
11、主要包括时间基准、惯性测量、重力 测量、 磁场测量和目标识别等方向， 广泛应用于基础科研、 空间探测、 生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。量子物理常数和 量子测量技术已经成为定义基本物理量单位和计量基准的重要参考， 未来量子测量有望在生物研究、医学检测以及面向航天、国防和商业 等应用的新一代定位、导航和授时系统等方面率先获得应用。 （二）各国加大量子信息（二）各国加大量子信息领域的领域的支持投入和布局推动支持投入和布局推动 以量子计算、 量子通信和量子测量为代表的量子信息技术已成为 未来国家科技发展的重要领域之一，世界科技强国都对其高度重视。 近年来，欧美国家纷纷启动了国家级量子科
12、技战略行动计划，大幅增 加研发投入，同时开展顶层规划及研究应用布局。 英国 2015 年正式启动“国家量子技术计划”， 投资 2.7 亿英镑建立 量子通信、传感、成像和计算四大研发中心，开展学术与应用研究。 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 3 2018 年 11 月进行了第二阶段 2.35 亿英镑投资拨款。德国在 2018 年 9 月提出“量子技术从基础到市场”框架计划， 拟于 2022 年前投资 6.5 亿欧元促进量子技术发展与应用，并可延长资助至 2028 年。 来源：中国信息通信研究院根据公开信息整理 图 1 欧盟“量子宣言”旗舰计划首批科研项目 欧盟 2016 年推出为
13、期十年，总投资额超过 10 亿欧元的“量子宣 言”旗舰计划，并于 2018 年 10 月启动首批 19 个科研类项目，如图 1 所示。2019 年 7 月欧盟 10 国签署量子通信基础设施（QCI）声明， 探讨未来十年在欧洲范围内将量子技术和系统整合到传统通信基础 设施之中，以保护智能能源网络、空中交通管制、银行和医疗保健设 施等加密通信系统免受网络安全威胁。 美国 2018 年 12 月通过国家量子行动计划（NQI） 立法，计 划在未来四年增加量子信息科学领域投资 12.75 亿美元，以确保美国 在量子技术时代的科技领导力， 以及经济安全、 信息安全和国家安全。 同期发布的量子信息科学国家战
14、略概述 ，规划推动量子计算超大 规模数据集优化处理，量子模拟新材料设计和分子功能研究，基于量 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 4 子隐形传态的安全通信以及量子传感与精密测量等领域的研究， 同时 设立 36 个量子创新实验室（QILabs） ，建立全美量子科研网络 （QRNet） ，推动量子计算接入计划（QCAP） 。 我国对量子信息技术发展与应用高度重视。2018 年 5 月，习近 平总书记在两院院士大会上的讲话中指出， “以人工智能、 量子信息、 移动通信、 物联网、 区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。 ” 国务院发布“十三五”国家科技创新规划 ， “十三五”国家战略
15、性新 兴产业发展规划和“十三五”国家信息化规划等文件，指导量子 信息技术研究与应用。科技部和中科院通过自然科学基金、重点研发 计划和战略先导专项等项目对量子信息科研给予支持， 同时论证筹备 重大科技项目和国家实验室，进一步推动基础理论与实验研究。发改 委牵头组织实施量子保密通信“京沪干线”技术验证与应用示范项目， 国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程等试点应用项目和网 络建设。工信部开展量子保密通信应用评估与产业研究，大力支持和 引导量子信息技术国际与国内标准化研究。 （三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展（三）量子信息技术标准化研究受到重视并加速发展 近年来，全球范围内量子信息技
16、术领域的样机研究、试点应用和 产业化迅速发展，随着量子计算、量子通信和量子测量等领域新兴应 用的演进，在术语定义、性能评价、系统模块、接口协议、网络架构 和管理运维等方面的标准化需求也开始逐渐出现。 国际标准化组织纷纷成立量子信息技术相关研究组和标准项目 并开展工作，2018 年以来相关布局与研究工作明显提速。欧洲多国 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 5 在完成 QKD 现网实验之后，欧洲电信标准化协会（ETSI）成立 ISG-QKD 标准组，已发布包括术语定义、系统器件、应用接口、安 全证明、部署参数等 9 项技术规范，另有 3 项在研。国际标准化组织 和国际电工委员会的第一
17、联合技术委员会（ISO/IEC JTC1）成立了有 我国专家参与的量子计算研究组（SG2）和咨询组（AG） ，发布量子 计算研究报告和技术趋势报告， 同时在信息安全分技术委员会 （SC27） 立项由我国专家牵头的 QKD 安全需求与测评方法标准项目。国际电 气和电子工程师协会（IEEE）启动了量子技术术语定义、量子计算 性能指标和软件定义量子通信协议等 3 个研究项目。 国际互联网工程 任务组（IETF）成立量子互联网研究组（QIRG）开展量子互联网路 由、资源分配、连接建立、互操作和安全性等方面的初步研究。 国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）对量子信息技术发展演 进及其未来对信息通信网
18、络与产业的影响保持高度关注。 未来网络研 究组（SG13）已开展 QKD 网络的基本框架、功能架构、密钥管理和 软件定义控制等方面研究项目，网络安全研究组（SG17）则在 QKD 网络安全要求、密钥管理安全要求、可信节点安全要求、加密功能要 求等方面开展研究， 我国部门成员和学术成员担任部分标准编辑人并 做出重要技术贡献。 此外， 我国还推动在 ITU-T 成立面向网络的量子 信息技术研究焦点组（FG-QIT4N） ，全面开展量子信息技术标准化研 究工作。2019 年 6 月，在上海成功举办了首届 ITU 量子信息技术国 际研讨会，广泛邀请全球研究机构和科技公司的专家学者，对量子计 算、量子通
19、信、量子测量、量子信息网络（QIN）等议题开展交流和 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 6 讨论。2019 年 9 月，FG-QIT4N 在电信标准化顾问组（TSAG）全会 期间正式成立， 由中俄美专家共同担任主席， 计划在焦点组研究期内， 对 QKD 网络和 QIN 等相关议题开展标准化预研， 为 ITU-T 下一个研 究期的量子信息技术标准研究工作奠定基础并提出建议。 我国在量子保密通信网络建设和试点应用方面具备较好的研究 基础和实践积累，相关标准化研究工作也逐步开展。2017 年，中国 通信标准化协会 （CCSA） 成立量子通信与信息技术特设任务组 （ST7） ， 开展量子
20、通信和网络以及量子信息技术关键器件的标准研究， 目前已 完成 6 项研究报告， 并开展量子保密通信术语定义和应用场景， QKD 系统技术要求、测试方法和应用接口等国家标准和行业标准的制定。 QKD 技术还涉及密码的产生、管理和使用，中国密码行业标准化技 术委员会（CSTC）也开展了 QKD 技术规范和测评体系等密码行业 标准的研究。 2019年1月， 量子计算与测量标准化技术委员会 （TC578） 正式成立，计划开展量子计算和量子测量领域的标准化研究工作。 （四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速（四）量子信息技术创新活跃，论文和专利增长迅速 1.量子计算近年来论文和专利增长迅速 自上世
21、纪 90 年代开始，各科技强国开始在量子技术领域加大投 入，量子计算专利申请开始出现。近年来，量子计算领域的专利申请 和授权发展态势情况如图 2 所示，2012 年之前全球量子计算领域专 利申请数量整体保持平稳，专利申请主要来自美国和日本。 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 7 注：专利申请的公开存在滞后性，2019 年数据未计入，后同。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（检索时间 2019.10） 图 2 量子计算领域专利申请及授权情况 2012 年开始，随着欧美科技巨头开始大力投入和持续推动，以 及全球各国科技企业和研究机构之间的相互竞争， 更加重视量子计算 领域的知识产
22、权布局，专利申请数量出现明显增长。美国在布局时间 和申请总量上占有优势， 近年来我国量子计算领域专利申请数量的增 长趋势更快。 通过对比中、 美、 日、 加的专利申请人的类型可以看出， 我国专利更多的来自高校和科研机构， 国内科技企业多与科研院所合 作，相关研究工作和知识产权布局大多处于起步阶段。 近 20 年来全球量子计算领域研究论文发表趋势和主要发文机构 统计如图 3 所示，随着量子计算从理论走向物理实现，全球论文发 表量也保持增长态势，特别是在 2018-19 年研究论文数量激增。从发 表论文研究机构来看， 近五年来排名前 20 的机构中， 中国占据 3 席， 分别是中国科学院、中国科学
23、技术大学和清华大学。其中，中国科学 院的发文量持续快速上升， 过去一年的新增论文数量仅次于美国 MIT 和荷兰 TU Delft。美国量子计算研究重要机构多达 10 个，除了高校 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 8 外，IBM、Microsoft 和 Google 等科技巨头也有较多研究成果发表。 此外， 德国 ETH Zurich、 Max Planck Society、 加拿大 Waterloo 大学、 蒙特利尔大学、日本东京大学也是重要的创新主体。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（Microsoft Academic 检索时间 2019.10） 图 3 量子计算领域
24、发表论文趋势及主要发文机构 2.量子通信领域中美两国专利数量领先 随着美、 欧、 英、 日、 韩等国的量子通信研发及试点应用的发展， 专利作为重要的技术保护手段受到产学研界的重视， 相关专利快速增 长，量子通信领域全球专利申请和专利授权发展趋势如图 4 所示。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（检索时间 2019.10） 图 4 量子通信领域专利申请和专利授权发展趋势 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 9 美国和日本在量子通信领域的早期专利申请量较多，但近年来， 专利申请地域向中国转移。对比专利申请和专利授权来看，由于早期 中国专利申请量较少，所以目前看中国授权专利数量少于美
25、国，但是 随着我国在量子通信基础研究和应用探索的不断深入， 以及量子保密 通信产业的发展，预计未来专利授权量还将继续上升，而且也将吸引 更多的外国公司来华布局专利。 来源：中国信息通信研究院知识产权中心（Microsoft Academic 检索时间 2019.10） 图 5 量子通信领域论文发表趋势及主要发文机构 2005 年之后，量子密钥分发（QKD）技术研究从理论探索开始 走向实用化，相关研究论文数量持续上升，近年 QKD 领域论文发表 趋势和主要发文机构如图 5 所示。其中，QKD 领域 70%的研究论文 在近十年发表， 文献引证数量也在不断增加， 2018 年发文量创新高。 中、 美
26、、 加、 德、 新、 英等国以科研机构为主， 日本则主要来自企业。 我国中科大、北邮、清华、中科院、上交等院校的科研论文数量排名 前列。相比之下，量子隐形传态（QT）的论文数量在 2005 年之前一 直高于 QKD，但近年来论文数量保持平稳并呈下降趋势，与其关键 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 10 技术瓶颈仍未取得突破有一定关系。除欧、美、日科研机构外，我国 的中科大、中科院、电子科大和清华的论文发表数量也名列前茅。 3.量子测量和量子计量的专利论文增长 与量子计算和量子通信相比， 量子测量和量子计量领域的专利申 请和研究论文总量偏少，近年也呈现增长趋势，如图 6 所示。 来
27、源：中国信息通信研究院知识产权中心（Microsoft Academic 检索时间 2019.10） 图 6 量子测量领域专利申请和论文发表趋势 截至 2019 年 10 月公开的相关专利近千件，并且增长趋势强劲， 从专利申请地域来看，美、中、日的专利申请量较多。论文方面，与 量子计量（Quantum metrology）相关的论文数量持续上升，美国加州 理工学院、 德国苏黎世联邦理工学院以及澳大利亚的高校和科研机构 发表了较多的论文。我国的中科大、中科院和北航等单位在量子精密 测量领域持续开展科研攻关， 开始步入量子测量和量子计量研究论文 发表数量的国际前沿行列。 量子信息技术发展与应用研究
28、报告（2019 年） 11 二、量子计算领域研究与应用进展 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛（一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛 量子计算研究始于上世纪八十年代， 经历了由科研机构主导的基 础理论探索和编码算法研究阶段， 目前已进入由产业和学术界共同合 作的工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、 量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环 节。其中，量子处理器是制备和操控量子物理比特的平台，量子编码 是基于众多物理比特实现可容错逻辑比特的纠错编码， 量子算法和软 件是将计算困难问题与量子计算并行处理能力结合的映射和桥梁。 目 前，量子处理
29、器的物理比特实现仍是量子计算研究的核心瓶颈，主要 包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓 扑等多种方案，研究取得一定进展，但仍未实现技术路线收敛。 超导路线方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特处理器， Rigetti 正在构建更强大的 128 量子比特处理器。我国中科大在 2019 年已实现 24 位超导量子比特处理器，并进行多体量子系统模拟；同 时，清华大学利用单量子比特实现了精度为 98.8%的量子生成对抗网 络，未来可应用于图像生成等领域。量子比特间的纠缠或连接程度是 影响量子计算处理能力的重要因素之一， 目前报道的处理器结构设计 和量子比特纠
30、缠程度不尽统一，大部分并未实现全局纠缠。离子阱路 线方面，IonQ 已实现 79 位处理量子比特和 160 位存储量子比特。光 量子路线方面，中科大已实现 18 位光量子纠缠操控，处于国际领先 地位。硅量子点路线方面，新南威尔士大学报道了保真度为 99.96% 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 12 的单比特逻辑门和保真度为 98%的双比特逻辑门， 中科大也实现了高 保真的单比特逻辑门。此外，我国本源量子研发了适用于 20 位量子 比特的量子测控一体机， 用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键 信号，实现量子芯片操控。 目前，量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先，但尚 无
31、任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化的 DiVincenzo 条 件，包括： （1）可定义量子比特， （2）量子比特有足够的相干时间， （3）量子比特可以初始化， （4）可以实现通用的量子门集合， （5） 量子比特可以被读出。为充分利用每种技术的优势，未来的量子计算 机也可能是多种路线并存的混合体系。 （二）（二）“量子优越性量子优越性”突破里程碑，实用化尚有距离突破里程碑，实用化尚有距离 量子优越性（Quantum Supremacy，也译作“量子霸权”）的概念 由 MIT 的 John Preskill 教授首先提出， 指量子计算在解决特定计算困 难问题时，相比于经典计算机可实现指数
32、量级的运算处理加速，从而 体现量子计算原理性优势。其中，特定计算困难问题是指该问题的计 算处理， 能够充分适配量子计算基于量子比特的叠加特性和量子比特 间的纠缠演化特性而提供的并行处理能力， 从而发挥出量子计算方法 相比于传统计算方法在解决该问题时的显著算力优势。 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 13 来源：Nature, 2019. 574(7779): p. 505-510. 图 7 Google Sycamore 超导量子计算处理器 2019 年 10 月， 自然杂志以封面论文形式报道了 Google 公司 基于可编程超导处理器 Sycamore，如图 7 所示，实现量子
33、优越性的 重要研究成果。 该处理器采用倒装焊封装技术和可调量子耦合器等先 进工艺和架构设计，实现了 53 位量子物理比特二维阵列的纠缠与可 控耦合，在解决随机量子线路采样问题时，具有远超过现有超级计算 机的处理能力。Google 研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜 力的首个实际案例，具有里程碑意义。这一热点事件所引发的震动和 关注，将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践 和应用探索，为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。 需要指出的是， 现阶段量子计算的研究发展水平距离实用化仍有 较大差距。量子计算系统非常脆弱，极易受到材料杂质、环境温度和 噪声等外界因素影响而引发退相
34、干效应，使计算准确性受到影响，甚 至计算能力遭到破坏。发展速度最快的超导技术路线，在可扩展性、 操控时间和保真度等方面也存在局限。此外，可编程通用量子计算机 需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理， 克服退相干效 应影响， 获得可用的逻辑量子比特。 以运行 Shor 算法破译密码为例， 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 14 要攻破 AES 加密算法需要数千个量子逻辑比特，转换为量子物理比 特可能需要数万个或者更多。 现有研究报道中的物理量子比特数量和 容错能力与实际需求尚有很大差距，量子逻辑比特仍未实现。通用量 子计算机的实用化，业界普遍预计仍需十年以上时间。 在达到通
35、用量子计算所需的量子比特数量、 量子容错能力和工程 化条件等要求之前， 专用量子计算机或量子模拟器将成为量子计算发 展的下一个重要目标。 结合量子计算和量子模拟应用算法等方面研究， 在量子体系模拟、分子结构解析、大数据集优化和机器学习算法加速 等领域开发能够发挥量子计算处理能力优势的“杀手级应用”， 将为量 子计算技术打开实用化之门。 （三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾（三）量子计算云平台成为热点，发展方兴未艾 量子处理器需要在苛刻的环境下进行运算和储存， 通过云服务进 行量子处理器的接入和量子计算应用推广成为量子计算算法及应用 研究的主要形式之一。用户在本地编写量子线路和代码，将待执
36、行的 量子程序提交给远程调度服务器， 调度服务器安排用户任务按照次序 传递给后端量子处理器， 量子处理器完成任务后将计算结果返回给调 度服务器， 调度服务器再将计算结果变成可视化的统计分析发送给用 户，完成整个计算过程。近年来，越来越多的量子计算公司和研究机 构发布量子计算云平台，以实现对量子处理器资源的充分共享，并提 供各种基于量子计算的衍生服务。 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 15 来源：中国信息通信研究院 图 8 量子计算云平台通用体系架构 量子计算云平台的通用体系架构如图 8 所示，主要包括计算引 擎层、基础开发层、通用开发层、应用组件层和应用服务层。量子计 算云平台
37、的服务模式主要分为三种： 一是量子基础设施服务 （q-IaaS） ， 即提供量子计算云服务器、 量子模拟器和真实量子处理器等计算及存 储类基础资源；二是量子计算平台服务（q-PaaS） ，即提供量子计算 和量子机器学习算法的软件开发平台，包括量子门电路、量子汇编、 量子开发套件、量子算法库、量子加速引擎等；三是量子应用软件服 务（q-SaaS） ，即根据具体行业的应用场景和需求设计量子机器学习 算法，提供量子加速版本的 AI 应用服务，如生物制药、分子化学和 交通治理等。目前，量子计算云平台以 q-PaaS 模式为主，提供量子 模拟器、计算工具和开发套件等软件服务。随着量子计算物理平台与 云基
38、础设施的深度结合，以及量子处理器功能和性能的不断发展， q-IaaS 模式比重将逐步增多。未来，随着量子计算产业进一步发展成 熟、生态逐步开放，将有更多的行业和企业尝试通过 q-SaaS 模式对 其业务处理进行赋能。 美国量子计算云平台布局较早，发展迅速。IBM 已推出 20 位量 量子芯片量子云模拟器第三方模拟器 量子汇编量子门电路量子制备 搜索组件向量计算组件分类组件 。 。 。 5GIoT工业互联网。 计算引擎层 基础开发层 应用组件层 量子计算IDE量子计算SDK量子算法lib。通用开发层 应用服务层 量子机器学习云平台通用实现框架 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 16
39、 子比特的量子云服务，提供 QiKit 量子程序开发套件，建立了较为完 善的开源社区。 Google开发了Cirq量子开源框架和OpenFermion-Cirq 量子计算应用案例，可搭建量子变分算法（Variational Algorithms） ， 模拟分子或者复杂材料的相关特性。 Rigetti 推出的量子计算云平台以 混合量子+经典的方法开发量子计算运行环境， 使用 19 位量子比特超 导芯片进行无监督机器学习训练及推理演示， 提供支持多种操作系统 的 Forest SDK 量子软件开发环境。 我国量子计算云平台起步较晚，目前发展态势良好，与国际先进 水平相比在量子处理器、量子计算软件方
40、面的差距逐步缩小。中科大 与阿里云共同推出 11 位超导量子计算云接入服务。华为发布 HiQ 量 子计算模拟云服务平台，可模拟全振幅的 42 位量子比特，单振幅的 81 位量子比特，并开发兼容 ProjectQ 的量子编程框架。本源量子推 出的量子计算云平台可提供 64 位量子比特模拟器和基于半导体及超 导的真实量子处理器，提供 Qrunes 编程指令集，Qpanda SDK 开发套 件，推出移动端与桌面端应用程序，兼具科普、教学和编程等功能， 为我国量子计算的研究和应用推广提供了有益探索。 （四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大（四）产业发展格局正在形成、生态链不断壮大 在量子计算领域，
41、美国近年来持续大力投入，已形成政府、科研 机构、产业和投资力量多方协同的良好局面，如图 9 所示，并建立 了在技术研究、样机研制和应用探索等方面的全面领先优势。 量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 17 来源：中国信息通信研究院 图 9 美国量子计算研究与应用发展模式 英、欧、日、澳等国紧密跟随，领先国家之间通过联合攻关和成 果共享，正在形成并不断强化联盟优势。我国近年来取得系列研究成 果，但与美国相比仍有一定差距。此外，印度、韩国、俄罗斯、以色 列等国也开始将量子计算技术列入国家技术计划加大投入。 科技巨头间的激烈竞争，推动量子计算技术加速发展。Google、 IBM、英特尔、微软在量子计算领域布局多年，霍尼韦尔随后加入， 产业巨头基于雄厚的资金投入、 工程实现和软件控制能力积极开发原 型产品、展开激烈竞争，对量子计算成果转化和加速发展助力明显。 Google 在 2018 年实现 72 位超导量子比特，在 2019 年证明量子计算 优越性。 IBM 在 2019 年 1 月展示具有 20 位量子比特的超导量子