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量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告

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量子计算云平台功能模型、体系架构与能力分级研究报告

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 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 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 21(九)运营管理功能模块 1.用户管理功能21 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、研究背景与意义一、研究背景与意义 (一)国内外量子计算云平台发展现状(一)国内外量子计算云平台发展现状 图1给出了量子计算及云平台的发展历程。1900年Max Planck提出“量子”概念,宣告了“量子”时代的诞生。科学家发现,微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。20世纪80年代,科学家将量子力学应用到信息领域,从而诞生了量子信息技术。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,它与现有计算模式完全不同。与经典计算相比较,经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加。它不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态。图1给出了量子计算及云平台的发展历程。1900年MaxPlanck提出“量子”概念,宣告了“量子”时代的诞生。科学家发现,微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。20世纪80年代,科学家将量子力学应用到信息领域,从而诞生了量子信息技术。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,它与现有计算模式完全不同。与经典计算相比较,经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加。它不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态。 量子计算的发展可以分为3个阶段,1980-1994年,为提出建立量子计算的发展可以分为3个阶段,1980-1994年,为提出建立 概念和自由探索阶段,这个阶段比较有代表性的是在1980年,Benioff与Manin提出了量子计算的概念,1981年Feynman提出了模拟量子体系的量子计算机,Denstch在1985年阐述了量子计算机的普适性及量子计算并行。1994-2016年,为算法突破和高强度基础研究阶段,1994年Shor提出了量子并行算法,证明量子计算可以求解“大数因子分解”难题,从而攻破广泛使用的RSA公钥体系,1996年,Grover提出了Grover算法,这两种算法推动了量子技术研究高潮。在2016年,Long算法诞生,提高了量子算法的成功率。2016年后,量子计算处于竞争加速阶段,2019年谷歌宣称实现“量子霸权”,首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性,2020年,IBM公司公布量子计算机发展路线图,2021年实现127量子比特,2022年433量子比特,2023年建造1121量子比特芯片。概念和自由探索阶段,这个阶段比较有代表性的是在1980年,Benioff与Manin提出了量子计算的概念,1981年Feynman提出了模拟量子体系的量子计算机,Denstch在1985年阐述了量子计算机的普适性及量子计算并行。1994-2016年,为算法突破和高强度基础研究阶段,1994年Shor提出了量子并行算法,证明量子计算可以求解“大数因子分解"难题,从而攻破广泛使用的RSA公钥体系,1996年,Grover提出了Grover算法,这两种算法推动了量子技术研究高潮。在2016年,Long算法诞生,提高了量子算法的成功率。2016年后,量子计算处于竞争加速阶段,2019年谷歌宣称实现“量子霸权”,首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性,2020年,IBM公司公布量子计算机发展路线图,2021年实现127量子比特,2022年433量子比特,2023年建造1121量子比特芯片。 量子计算经过四十余年发展,目前已经进入样机研发攻关阶段,在全球各国科研人员努力下,在通用(门型)量子计算机和各类型专用量子计算机研发方面,已取得多项里程碑成果,如图2所示。量子计算经过四十余年发展,目前已经进入样机研发攻关阶段,在全球各国科研人员努力下,在通用(门型)量子计算机和各类型专用量子计算机研发方面,已取得多项里程碍成果,如图2所示。 在通用量子计算方面,超导、离子阱等多类型量子计算原型机已经突破小型样机阶段,开始向百比特量级的NISQ处理器时代迈进。其中,2019年谷歌“悬铃木”53位量子比特超导处理器和2021年中科大“祖冲之”号66位量子比特超导处理器,均以实验验证了在随机线路采样问题中的量子计算优越性(也称量子霸权)证明,成为量子计算技术发展历程中的重要里程碑。未来,通用量子计算发展的近期或中期重要目标主要有两个:一是提升量子硬件性能和纠错编码能力,实现量子逻辑比特操控;二是在NISQ样机平台,探索具有实际应用价值和量子加速优势的“杀手级”应用。其中量子纠错和逻辑比特里程碑,主要依靠高校、科研机构和科技巨头等研发力量推动,而杀手级应用还需要与化学、制药、金融等各行业领域潜在用户,进行协同合作研究与探索。未来实现上述两个里程碑,将有力推动量子计算技术、应用和产业的进一步发展。在通用量子计算方面,超导、离子阱等多类型量子计算原型机已经突破小型样机阶段,开始向百比特量级的NISQ处理器时代迈进。其中,2019年谷歌“悬铃木"53位量子比特超导处理器和2021年中科大“祖冲之”号66位量子比特超导处理器,均以实验验证了在随机线路采样间题中的量子计算优越性(也称量子霸权)证明,成为量子计算技术发展历程中的重要里程碑。未来,通用量子计算发展的近期或中期重要目标主要有两个:一是提升量子硬件性能和纠错编码能力:实现量子逻辑比特操控;二是在NISQ样机平台,探索具有实际应用价值和量子加速优势的“条手级”应用。其中量子纠错和逻辑比特里程碑,主要依靠高校、科研机构和科技巨头等研发力量推动,而杀手级应用还需要与化学、制药、金融等客行业领域潜在用户,进行协同合作研究与探索。未来实现上述两个里程碑,将有力推动量子计算技术、应用和产业的进一步发展。 专用量子计算机不具备量子逻辑门操控和实现量子纠错编码等能力,但可以应用与求解组合优化和采样等专用问题,如果与适当应用场景和数学模型结合,同样有希望带来量子计算的算力加速优势。专用量子计算机主要包括量子退火机、玻色采样机和依辛机等类型,目前在业界已经基本完成小型化原型样机研制。其中,2021年中科大专用量子计算机不具备量子逻辑门操控和实现量子纠错编码等能力,但可以应用与求解组合优化和采样等专用间题,如果与适当应用场景和数学模型结合,同样有希望带来量子计算的算力加速优势。专用量子计算机主要包括量子退火机、玻色采样机和依辛机等类型,目前在业界已经基本完成小型化原型样机研制。其中,2021年中科大 基于离散光学平台的光量子玻色采样系统,率先试验验证了在采样问题中的量子计算优越性。2022年加拿大Xanadu公司采用集成光学平台压缩态光量子处理器,也在玻色采样问题中完成了相似的量子计算优越性实验验证。但需要说明的是,量子退火机和依辛机等专用量子计算机,在公开文献报道中,尚未见实现量子计算优越性证明的明确报道。未来,专用量子计算机的主要发展目标,将是基于各自适用的数学问题,进一步广泛探索在量子化学模拟、图论组合优化、非线性问题求解等方面的实用化案例,和NISQ时代的通用量子计算机,共同开展杀手级量子计算应用案例探索的竞争。基于离散光学平台的光量子玻色样系统,率先试验验证了在采样间题中的量子计算优越性。2022年加拿大Xanadu公司采用集成光学平台压缩态光量子处理器,也在玻色采样