量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告

QIA 量子信息网络产业联盟 QuantumInternetIndustryA/liance 量子计算云平台功能模型、体系架构 与能力分级研究报告 量子信息网络产业联盟 2024年1月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限手文本、图片、数据观点、建议等，均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见本报告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络 产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载需联系本联盟并获得授权许可。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字、图表或者观点的，应注明“来源：量子信息网络产业联盟”。违反上述声明者，本联盟 将道究其相关法律责任。 量子信息网络产业联盟 联系电话：010-62300592 邮箱：qiia@caict.ac.cn 编制说明 量子计算是基于量子力学的全新计算模式，其有原理上远超经典计算的强大并行计算能力。未来量子计算技术的重大突破、成熟的量子计算即服务基础设施和平台市场，以及 适用于量子技术的性能密集型计算工作负载的增长，将进一 步推动量子计算市场增长。 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），是量子计算算力输出主要途径。量子计算云平台已成为科普教育的“展示台“、算法开发的“试 验床”以及应用创新的“催化剂”。目前国内外量子计算云 平台服务能力参差不齐，功能架构差异较大。传统云服务商 逐步开始提供Q-PaaS服务，即同一平台提供多个供应商的 量子硬件的访问能力，这给云平台软硬件之间的互通性和互操作性提出新要求。量子计算在一定时期内主要作为加速器辅助经典计算，这给量子计算云平台的功能架构和接口提出新要求。 本报告旨在研究量子计算云平台的体系架构、功能模块、功能需求、服务能力与分级方法，并推动量子计算云平台的 标准化。 编制单位：中国信息通信研究院、中移（苏州）软件技 术有限公司、中国科学技术大学、华为技术有限公司、北京量子信息科学研究院、上海图灵智算量子科技有限公司、北京玻色量子科技有限公司、科大国盾量子技术股份有限公司、 国开启科量子技术（安徽）有限公司、合肥本源量子计算科 技有限责任公司、北京中科弧光量子软件技术有限公司、首度在线网络技术（北京）有限公司、广东国腾量子科技有限公司。 缩写组：张萌、黄智国、梁福田、李明悦、赖俊森、翁文康、 张凯、王正安、金贤敏、杨林、文凯、谢树欣、周卓俊、吕扬阳、周旭、赵雪娇、王渝斐、钱岭、王敬、姚飞、赵立祥、楼华哲、崔江煜、任友坤、宋旭宏、唐豪、何俊杰、邓芮、施恺然、窦猛汶、住希宁、刘树森、郭邦红、王建刚、谢欢文。 前言 量子计算利用量了态的纠缠、登加等特性提供一种新的计算范式，有望在特定困难问题求解过程中提供指数级加速。当前阶段量子计算机软硬件尚不成熟，运行环境要求严苛，运维成本高，无法满足个人用户本地部署的要求，云平台已成为量子计算科普教育、算法开发以及应用创新的“试验床”。 本报告基于对国内外典型量子计算云平台的调研分析，结合国内发展现状和未来应用推产需求，提出了量计算云平台的体系架构、功能模型和能力分级方法，同步推动量子计算云 平台标准化研究。 本研究报告共分为五章，相关章节内容安排如下： 第一章：研究背景与意义。梳理国内外量子计算云平台发展历程和现状，并提出研究目标。 第二章：量了计算云平台体系架构。提出量了计算云平台 的服务种类与模式，以及功能架构。 第三章：量子计算云平台功能模型。介绍功能架构中各模 块的功能细节。 第四章：量子计算云平台能力分级。介绍量子计算云平台能力分级的概念、维度和方法。 第五章：总结展望。总结量了计算云平台的发展现状，提出我国量子计算云平台未来发展建议。 目录 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 二·量子计算云平台服务种类与模式~ 三，量子计算云平台功能架构6 四·量子计算云平台功能模型研究11 （一）接入门户功能模块11 1.服务门户功能11 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17 1.物理机管理功能17 2.虚拟机/Docker容器管理功能18 3.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21 1.用户管理功能21 2.服务管理功能21 3.计费管理功能23 4.运营分析功能24 5.报表管理功能24 6.监测管理功能24 （十）安全保障功能模块25 1.通用安全功能25 2.主机安全功能32 3.Wcb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41 六·总结展望45 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 一一、、研研究究背背景景与与意意义义 ((一一))国国内内外外量量子子计算计云算平云台平发台展发现展状现状 19306-2015 2 Co clourtSop. 图图1给1出给了出量了子量计算子及计云算平台及的云发平展台历程的。发19展00历年程Ma。xP1la9n0c0k年MaxPlanck提提出出““量量子子”概”概念，念宣，告宣了告“量了子“”量时子代的”时诞代生的。科诞学生家。发科现学，家微观发粒现子，微观粒子有有着着与与宏宏观观世世界界的的物物理理客客体体完完全全不不同同的特的性特。性2。0世20纪世80纪年8代0，年科代学，科学家家将将量量子子力力学学应应用用到到信信息息领领域域，，从从而而诞诞生生了量了子量信子息信技息术技。术量。子量计子算计算是是一一种种遵遵循循量量子子力力学学规规律律调调控控量量子子信信息息单单元元进进行行计计算算的的新新型型计计算算模模式式，，它它与与现现有有计计算算模模式式完完全全不不同同。。与与经经典典计计算相算比相较比，较经，典经计典算计使算用使用二二进进制制的的数数字字电电子子方方式式进进行行运运算算，，而而二二进进制制总总是是处于处0于或01的或确1定的状确定状态态。。量量子子计计算算借借助助量量子子力力学学的的叠叠加特加性特，性能，够能实够现实计现算计状算态状的态叠加的。叠加。它它不不仅仅包包含含00和和1，1还，包还含包0含和10同和时1存同在时的存叠在加的态叠。加态。 图图11量量子子计计算算及及云云平平台台发发展展历历程程 量量子子计计算算的的发发展展可可以分以为分3为个阶3段个，阶19段80，-11999840年-1，9为94提年出，建为立提出建立 概概念念和和自自由由探索探阶索段阶，段这个，阶这段个比阶较段有代比表较性有的代是在表1性980的年是，B在en1io9ff80年，Benioff与与MManainn提in出提了出量了子计量算子的计概念算，的1概981念年，Fe1yn9m8a1n年提出F了ey模n拟m量an子提出了模拟量子体体系系的的量量子子计算计机算，机De，nsDtcehn在st1c9h8在5年阐19述85了年量子阐计述算了机的量普子适计性算及机的普适性及量量子子计计算算并并行。行1。9941-9290416-2年0，16为年算法，突为破算和高法强突度破基和础研高究强阶度段基，础研究阶段，11999944年年SShohro提r提出了出量了子量并子行并算行法，算证法明，量证子明计量算子可计以求算解可“大以数求因解子“大数因子分分解解"难”难题题，从，而从攻而破攻广破泛使广用泛的使RS用A公的钥R体S系A，公19钥96年体，系G，ro1ve9r9提6年，Grover提出出了了GGrorvoevr算er法算，法这，两这种两算法种推算动法了推量子动技了术量研子究高技潮术。研在2究01高6年潮，。在2016年，LLoonngg算算法法诞诞生生，提，高提了高量了子量算子法的算成法功的率成。功20率16。年后20，16量年子后计算，处量子计算处于于竞竞争争加加速速阶阶段段，，2021091年9谷年歌谷宣歌称宣实称现“实量现子霸“量权子”，霸首权次”在，实首验次中在证实验中证明明了了量量子子计计算算机机对对于传于统传架统构架计构算计机的算优机越的性优，越20性20，年，20I2B0M公年司，IBM公司 谨用量子计算 (高未实现) 非通用量子计算 (尚未实现) 通/非通用量子计算 G4:通用量子计算机 Growr Shors 量子 计算应用 大规模，高子保卓店 VQE QAOA G3b:NISQ 特定应用 阶段应用 G3a:实现量子纠错 G2T B1玻色深样机 G1小型量子计算机 公公布布量量子子计计算机算发机展发路展线图路，线20图21，年2实0现2112年7量实子现比特12，72量02子2年比43特3量量子子比比特特，，202230年23建年造1建12造1量1子12比1特量芯子片。比特芯片。 图图22量量子子计计算算发发展展的的重重要要里里程程碑碑 ，2022年433 量量子子计计算算经经过过四四十十余余年年发发展展，，目目前已前经已进经入进样入机样研机发研攻发关攻阶关段阶，段，在在全全球球各各国国科科研研人人员员努努力力下下，，在在通通用用（（门门型型）量）子量计子算计机算和机各和类各型类专型专用用量量子子计计算算机机研研发发方方面面，，已已取取得得多多项项里程里碍程成碑果成，果如，图如2所图示2。所示。 在在通通用用量量子子计计算算方方面面，，超超导导、、离离子子阱阱等等多多类类型型量量子计子算计原算型原机型已机已经经突突破破小小型型样样机机阶阶段段，，开开始始向向百百比比特特量级量的级N的ISQN处IS理Q器处时理代器迈时进代。迈进。其其中中，，2200119年9谷年歌谷“悬歌铃“木悬"铃53位木量”5子3比位特量超导子处比理特器超和2导02处1年理中器科和2021年中科大大““祖祖冲冲之之””号号666位6量位子量比子特比超特导超处导理处器理，器均，以实均验以验实证验了验在证随了机在线随机线路路采采样样间问题题中中的的量量子子计计算算优优越越性性（（也也称称量子量霸子权霸）权证）明证，明成，为成量为子量计子计算算技技术术发发展展历历程程中中的的重重要要里里程程碑碑。。未未来来，，通通用用量子量计子算计发算展发的展近的期近或期或中中期期重重要要目目标标主主要要有有两两个个：：一一是是提提升量升子量硬子件硬性件能性和能纠和错纠编错码编能码力：能力，实实现现量量子子逻逻辑辑比比特特操操控控；；二二是是在在NISNQIS样Q机样平机台平，台探，索探具索有具实有际实应用际应用价价值值和和量量子子加加速速优优势势的的“条“杀手手级级”应”用应。用其。中其量中子量纠子错纠和错逻和辑逻比辑特比里特程里程碑碑，，主主要要依依靠靠高高校校、、科科研研机机构构和和科科技技巨巨头头等等研发研力发量力推量动推，动而，杀而手杀级手级应应用用还还需需要要与与化化学学、、制制药药、、金金融融等等客各行行业业领领域潜域在潜用在户用，户进，行进协行同协合同合作作研研究究与与探探索索。。未未来来实实现现上上述述两两个个里里程程碑碑，，将将有有力力推推动动量量子子计计算算技术技、术、应应用用和和产产业业的的进进一一步步发发展展。。 专专用用量量子子计计算算机机不不具具备备量量子子逻逻辑辑门门操操控控和和实实现现量量子子纠纠错错编编码码等等能能力力，，但但可可以以应应用用与与求求解解组组合合优优化化和和采采样样等等专用专间用题问，题如，果如与果适与当适应当应用用场场景景和和数数学学模模型型结结合合，，同同样样有有希希望带望来带量来子量计子算计的算算的力算加力速加优速势。优势。专专用