2024年量子计算性能评估基准研究报告

量子计算研究进展

量子计算作为一种新型计算模式，利用量子比特的叠加和纠缠特性，有望在密码学、药物设计、材料科学等领域实现突破。目前，量子计算正处于 NISQ 时代，多种量子计算原型机相继面世，但性能评估仍是一个亟待解决的问题。

不同物理体系量子计算机

本报告调研了四种主要的量子计算物理体系：

• 超导量子计算： 以 IBM 和谷歌为代表，具有可扩展性强、兼容半导体芯片工艺等优势，但工作在极低温环境，易受噪声扰动。
• 光量子计算： 具有低噪声特性、高速数据传输、易于集成与扩展等优势，但存在光子损失、相位噪声和干涉稳定性等问题。
• 离子阱量子计算： 扩展成本低、量子比特全同性、连通性高、高保真度的量子操作、量子比特相干时间长，但逻辑门操作速度慢、寻址难度大。
• 中性原子量子计算： 具有良好的可扩展性、量子比特全同性、较长的相干时间、可控的相互作用等优势，但量子比特易丢失、大规模量子比特间的连接度低。

量子计算性能评估

本报告提出了一个多维度的评估体系，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评估。

• 基础测控指标： 包括量子比特数目、相干时间、连通性、门保真度等，用于衡量量子计算机的硬件性能和操作精度。
• 综合性能指标： 包括量子体积、算法量子比特数、最大纠缠比特数、随机线路采样测试等，用于衡量量子计算机的整体性能。
• 应用性能指标： 包括 QPack、变分量子数因子分解、应用驱动的基准测试等，用于衡量量子计算机在解决实际问题时的表现和效能。

总结与展望

本报告的研究结论表明，建立一套全面、公正且可操作的量子计算性能评估体系，对于推动量子计算技术的健康发展和商业化应用具有重要意义。未来工作建议开展针对不同体系量子计算机的性能要求和测试方法的标准化研究，并建立更为全面和统一的性能评估体系，以推动量子计算技术的创新和突破。