2024年量子计算性能评估基准研究报告

2024年量子计算性能评估基准研究报告

在当前的NISQ（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）时代，量子计算技术正从理论研究的深谷走向实际应用的广阔天地。随着各种量子计算原型机相继问世并逐步投入市场，标志着量子计算技术进入了一个崭新的发展阶段。然而，准确评估这些量子计算机的性能，成为了一个亟待解决的关键问题。

为了应对这一挑战，本报告深入调研分析了不同物理体系量子计算机的结构组成和工作原理，包括超导体系、光量子体系、离子阱体系以及中性原子体系，探讨了评估量子计算性能不可或缺的模块指标和系统指标，如量子比特的相干时间、量子门保真度等，在此基础上提出一套多维度的评估体系，从基础测控、综合性能和应用性能三个层面对量子计算机进行全面而深入的评估。基础测控着重于量子计算机的硬件性能和操作精度；综合性能评估则着眼于量子计算机的整体性能；而应用性能则专注于量子计算机在解决实际问题时的表现和效能。该多维度的评估方法旨在更全面、更精准地衡量量子计算机的性能，为量子计算技术的发展和优化提供有力的指导和支持，也将有助于推动量子计算机性能评估标准的建立，促进量子计算技术的健康发展和广泛应用，为未来的科技进步和创新奠定坚实的基础。

量子计算研究进展

量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的新型计算模式。它与传统的经典计算有着本质的区别，主要体现在量子比特（qubits）的使用上。量子比特不同于经典计算中的二进制比特，它们可以同时处于0和1的叠加状态，这使得量子计算机能够同时处理大量数据。此外，量子比特之间可以产生量子纠缠，这是一种即使在空间上相隔很远也能保持的强相关性，使得量子计算机在执行特定任务时展现出超越传统计算机的计算能力。

量子计算的应用前景广阔，它在密码学、药物设计、材料科学、金融模型分析、优化问题等领域具有巨大的潜力。例如，在密码学中，量子计算机能够高效解决大数分解、离散对数和椭圆曲线等数学难题，将对现有公钥密码算法构成严重威胁，对现有的网络安全体系构成挑战。在药物设计领域，量子计算机可以模拟复杂的分子结构，加速新药的研发过程。在材料科学中，量子计算机能够模拟新材料的性质，帮助科学家发现具有特定性能的新材料。

量子计算的发展现状是激动人心的，同时也充满挑战。目前，量子计算还处于原型机攻关阶段，多种技术路线并行发展。这些技术路线包括超导量子计算、离子阱量子计算、光量子计算、中性原子量子计算等。每种技术都有其独特的优势和面临的挑战。每一种技术路线都有可能在特定应用场景下发挥优势，推动量子计算技术的发展，为量子计算的突破和应用提供了多样化的选择和可能性。

超导量子计算研究进展与产业化

硬件研究进展

超导量子比特主要基于约瑟夫森结，最早由日本的Nakamura等人于1999年成功制备。同年，他们完成了对其的相干操控。超导量子比特由于其良好的可扩展性而受到广泛关注。2004年，Wallraff等人展示了在固态系统中可以实现强耦合状态，并且实验观察到了超导两能级系统与单个微波光子的相干相互作用。2006年，Steffen等人实现了单次测量完成超导量子比特的量子态层析。2016年，IBM公司首次在网络上云端上线5比特量子计算机。同年，来自Google公司的Martinis小组发文宣布使用9比特的超导量子系统成功仿真了一个氢原子。次年2017年，英特尔与IBM分别宣称将一个超导量子芯片所集成的比特数提升到了17比特。同年，来自国内的中国科学技术大学潘建伟小组与阿里巴巴公司联合发布了10比特成熟可操控的超导量子计算机并于云端上线，这也是国内首台可通过网络访问的量子计算系统。2018年，该小组再次完成12比特真实纠缠实验以及12比特强关联量子游走实验。同年的国际CES(InternationalConsumerElectronicsShow)展会上，英特尔公司展示了49比特的超导量子芯片。谷歌紧随其后于2018年3月份发布了名为Brislecone的72比特超导量子芯片。2019年，谷歌率先实现量子优越性实验，利用53个量子比特进行了随机线路采样实验，量子处理器在200秒左右的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而当时最强大的超级计算机大约需要1万年的时间才能完成这一任务。虽然随后经典模拟算法的改进，谷歌的量子优越性不断受到挑战和质疑，但这是超导量子计算发展中的一个重要里程碑。2021年，中国科学技术大学构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级（“悬铃木”处理“量子随机线路取样”问题比经典超算快2个数量级），这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑，使得我国成为目前唯一同时在两种物理体系都达到这一里程碑的国家。

除了在单芯片上集成更多比特以外，另一种增加超导量子比特数量的方法是将多个芯片互联起来。2012年，来自苏黎世联邦理工学院的Wallraff等人成功将固态系统中局域的超导量子比特与传播的光场耦合起来，并实现了两者的纠缠，为构建更大规模量子计算机提供了新的工具。该课题组在2018年借助超导量子比特的高能级，在两个相距80cm的比特之间实现了80%保真度的态传输和纠缠态制备，验证了利用超导量子比特构建量子网络的可行性。无独有