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近年来,量子科技逐渐成为当今全球科技革命竞争的焦点之一。国内外科技相关机构纷纷布局,欲在其中占一席之地。

其中,量子计算再近些年取得了突破性进展,量子计算优越性已得到实验性验证,产业界与学术界纷纷加大研究投入,推动量子计算进入到实用化优势探索阶段。孕育出现的量子计算云平台将真实量子计算单元或模拟器与经典计算基础设施在云端进行有机结合,成为量子计算领域发展亮点之一。

中国信通院长期关注量子信息技术应用和产业发展,连续三年发布量子信息技术白皮书,收到业界好评。在近日 “2021年(第30届)中国国际信息通信展览会”的“量子计算论坛”上,中国信息通信研究院技术与标准研究所吕博博士发布《量子云计算发展态势研究报告(2021)》蓝皮书,从技术、应用、企业、测评四方面进行解读。

“目前,在量子计算的专用机时代,进入到了使用化的探索。主要表现为两方面的需求,一是量子计算可用,即实用化的这些需求,我们量子计算确实也能解决一些宏观的需求;二是量子有用,不但是能解决,并且能够展示它无与伦比的计算优势。” 吕博博士表示。

“去年的蓝皮报告的主题是探索,今年我觉得的发展有一些新变化,就是融合。”吕博博士说道,一个是经典的云计算能够给我们量子计算有很多的启发,有混合的多方协同,诞生更多的化学反应。其次,不同的公司实际上是竞争合作并存,同时进行优势互补,从而为行业及应用提供更好探索。

量子计算云平台物理后端丰富 多种技术路线并存发展

云平台正在成为量子计算应用探索和产业推广的重要方式,国内外多家科技企业和初创企业相继推出自己的量子计算云平台和服务。

云平台的出现揭开了量子计算神秘的面纱,能够实现宏观世界和微观量子世界“亲密接触”,是一个非常有效的方式。

量子计算云平台物理硬件多元发展。

量子处理器硬件是量子计算云平台后端实现的“基石”,也是当前阶段量子计算亟待突破的“核心命题”。其中主流技术路线包含超导、离子阱、硅基半导体、光量子、NV色心等,呈现多元化发展态势。

在这一领域,我国科学家不断努力,多个技术路线与欧美学术研究方面差距在缩小,局部研究成果达到了全球先进水平。

除此之外,随着未来量子计算标准的推进与完善,量子计算综合评价指标和测试基准将成为衡量量子计算云平台算力提供的重要依据

量子计算模拟器是量子计算云平台的特色后端。

量子计算模拟器依托于经典计算的集群资源。用模拟去模仿量子计算的业务矩阵、计算逻辑,然后配合一些在矩阵层面的引擎、算法,实现量子计算状态的仿真推演。

同时,量子计算模拟器是量子计算技术验证的重要补充,大规模的模拟器开辟了新的超算问题。

量子计算模拟器在NISQ时代同样会发挥积极作用,成为量子计算重要的辅助验证工具,主要表现在它可以降低对运行层面条件的依赖,可以实现很多量子算法的验证

国内外企业就模拟器这一方面进行布局:Amazon云平台提供完全托管的密度矩阵模拟器DM1;华为在我国天河二号超算机上部署超大规模HiQ模拟器;NVIDIA推出cuQuntum开发工具组,基于GPU对模拟器进行加速等等。

量子计算软件多种并举,研发迭代活跃。

吕博博士表示,量子计算云平台集成了量子计算领域的基础运行类软件、计算开发类软件、应用服务类软件及通用系统类软件四类。目前仍然处于培育初期,开放化和开源化成为量子计算软件发展的主要趋势。

今年有一个比较大的亮点——软件家族新添了两位成员:量子芯片辅助设计(量子EDA软件)和量子计算通用操作系统。其出现开辟了量子软件的新赛道。

“云平台实际上有很大一部分依托于现在的经典云计算,经典云计算在量子云平台上发展中也起到了非常重要的作用,可以为下一步的量子云平台的演进提质加速。”吕博博士表示。

现在经典的云计算经过多年发展,其一些技术思想可以启发量子计算云平台进一步发展。其中两个最重要的思想,一是资源的虚拟化技术,二是分布式计算存储。这两种技术的思想,在量子计算及云平台方面,仍然有非常重要的作用。

面向行业应用 实用性探索升温

量子计算云平台正在成为量子计算科学研究、应用探索和教育普及的综合服务平台。服务应用探索边界日益扩大,科研领域、教育和化学、金融等行业均有望成为量子计算实用化优势的受益者。

这一影响主要体现在加速科研领域突破方面。例如,迄今为止,基于IBM量子计算云平台所发表的论文以达数百篇,这其中有很多令人激动的成果。

深度挖掘行业潜能方面主要有两部分,一部分是做原貌的量子计算,比如量子模拟、多体物理,这些是需要直接操纵量子物理比特,并进行哈密顿计算,其本身非常适合用量子计算来解决;另一部分是AI或一些复杂的工程方程,其计算逻辑基于量子计算,存在很多变量。

国内外企业竞争合作并存 呈多元化发展

国际方面,跟去年有巨大不同,量子云计算企业及及机构竞争激烈,呈多元化发展形式。同时,量子云计算产业发展不断提速,科技巨头、初创企业、联盟机构硬件、软件等方面均取得了突破。

“我国量子云计算产业虽然起步晚,但在各个角色上都没有缺席。”吕博博士指出,“我们的科技企业、初创企业、研究机构等多方角色,不断为国内量子计算云平台的发展贡献原生力量。”

持续探索量子计算测评体系

量子计算目前处于关键发展时期,技术研究和先导性技术、应用、服务性质的测评验证需求日益迫切。欧美等发达国家积极开展了量子计算技术验证及平台构建项目。

其中,量子计算云平台不仅作为展示量子计算技术及服务能力的途径,也是量子计算测评验证关注对象之一。

“云平台不光是作为输出方的角色,本身也是非常好的载体,可以作为进行技术验证还有一些标准的提供数据依据。”吕博表示。

总结及展望

吕博博士指出,综合以上呈现三大趋势:

·基于云平台商业模式的探索初具模型,例如IBM、Amazon等企业,已经开始尝试采用多种定价策略,为用户提供更好的保障及更高能力的服务。

·行业巨头也在大力推动,一方面推云平台,一方面发展联盟的生态。比如说今年IBM举办了讨论赛,已经有超过1400多个参赛选手提交了7000多次的任务。大家已经成为了一个每年的信仰似的任务,已经完全盘活了这个生态,这也是个趋势。

·受经典云计算的启发,量子云计算的下一步将孵化出成多位量子计算量身定制的新技术。同时,量子计算云平台是技术实验、接口开放、数据提供和技术研讨的综合体,在量子计算标准制定过程中将会发挥重要作用。

最后,吕博博士强调,量子计算整个领域仍旧面临很大的挑战。但是从探索应用服务的可用性及优势来看,云平台也是一个很好的输出途径。在整个全球量子计算的大背景下,我们总体的发展态势良好,前景可期。但是也需要有一些思考:量子计算的下一步、云平台发展到下一步、从玩具演示级发展到商业探索级,实际上有很多的技术问题仍然需要业界思考的。

其次,现在的量子计算还呈现短期的市场效应。大家关注的是它的长期价值。从整个战略规划、合作机制、应用探索、人才储备培养、标准展开及生态构建六方面来讲处于边探索边利用的状态。这六方面中,标准也占据重要位置,因为只有标准化才能形成规模化,才能形成产业化,才能形成商业化,才能构建一个生态。

 

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