量子计算应用能力指标与测评研究报告

2025年3月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、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，本联盟将追究其相关法律责任。 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，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力。当前量子计算机还处于含噪中等规模（NISQ）阶段，随着量子纠错的突破，正向通用容错量子计算（FTQC）阶段发展。 为了加快量子计算应用突破，面对高算力行业多样化算力需求，以及多样化量子计算技术路线、多样化量子算法范式和参差不齐的量子计算能力局面，有必要产业协同探索有效的量子计算应用能力评测框架与方法，尝试为行业引入量子计算提供选型参考。 编制单位：中国移动通信有限公司研究院、上海图灵智算量子科技有限公司、建信金融科技有限责任公司、国开启科量子技术（安徽）有限公司、腾讯量子实验室。 编写组成员：潘成康、郑沛林、王港曦、栾春阳、李永梅、易鑫、蔚栋敏、陈柄任、赵翔、杨志国、庞宏启。 前言 量子计算得到了众多高算力需求行业的关注。然而，量子计算机能否解决行业真实问题，能否超越经典计算性能，哪些因素制约量子计算应用，未来商用还需要在哪些方面补足功课，这都是产业面临的开放性问题。本报告以部分行业计算需求为参考，提出量子计算应用能力指标体系与评测框架，探讨评测基准、方法和标准化需求，旨在为量子计算应用破局储备方案与工具。 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。简述量子计算应用面临的计算问题、量子算法、量子硬件三角关系，指出本报告拟关注的问题。 第二章：行业场景与需求。调研了移动网络、金融等行业的计算场景与问题，以及算力需求与部署需求。 第三章：量子计算应用能力体系框架。介绍了应用能力关键指标以及技术成熟度指标。 第四章：量子计算应用能力评测方法。给出了量子计算应用能力评测基准建议以及评测方案。 第五章：量子计算应用能力评测标准化需求。介绍了评测标准化驱动力，并给出了标准化挑战与展望。 限于编写组专业能力以及量子计算发展的难以预期性，本报告仅给出该课题的初步思考与建议，后续根据量子计算发展状况继续研究分析，给出更新版本。 目录 一、研究背景...........................................................................................1 二、计算场景与需求..............................................................................3 (一)移动网络....................................................................................4(二)金融行业..................................................................................10 三、量子计算应用能力体系框架........................................................13 (一)总体框架..................................................................................13(二)场景计算需求..........................................................................14(三)硬件系统性能指标..................................................................15(四)量子算法性能指标..................................................................17(五)量子计算机扩展能力指标......................................................18(六)量子计算机部署能力指标......................................................20(七)技术成熟度指标......................................................................21四、量子计算应用能力评测方法........................................................23(一)应用能力评测基本概念..........................................................23(二)应用能力评测基本方法..........................................................26(三)移动网络计算需求评估案例..................................................28五、量子计算应用能力评测标准化需求............................................33(一)应用能力评测标准化需求......................................................34(二)应用能力（评测）标准化展望..............................................35六、总结与展望.....................................................................................39 图目录 图1量子计算应用能力三要素..............................................................1图2不同行业典型计算问题类型与关键性能指标..............................3图3移动网络发展面临的算力挑战......................................................4图4量子计算应用能力体系框架........................................................14图5量子计算应用能力评测一般性方法.............................................27 表目录 表1大规模无线网络覆盖优化问题.....................................................7表2无线网络中多用户调度问题.........................................................8表3网络流量预测问题.........................................................................8表4投资组合优化...............................................................................11表5信用风险预测...............................................................................12表6量子计算机单系统能力扩展评估指标.......................................19表7量子计算机系统互联性扩展评估指标.......................................19表8最大加权独立集QAOA算法测试例..........................................28表9最大加权独立集分布式QAOA算法测试例..............................30表10用于网络流量预测的量子Tsmixer模型性能测试例..............31表11用于无线时空性能预测量子TTM模型性能测试例...............32表12量子计算机单系统硬件指标选择建议.....................................38表13量子算法基准建议.....................................................................38 一、研究背景 量子计算是一种遵循量子力学规律的新型计算模式，以量子比特为基本单元，基于量子叠加、量子纠缠、量子干涉等量子效应，相比经典计算具有并行计算优势，已在生物药物、化学材料、金融、信息通信等领域得到关注和试验性应用。产业升级对算力存在巨大需求，在评估量子计算是否具备引入价值时，应考察如图1所示的应用能力三要素的关系，系统性考虑如下技术与工程问题： 一是给定计算场景、计算任务和计算问题，是否存在量子算法，且相对经典算法有优势？优势包括计算速度、计算精度、计算规模、计算能效等。 二是给定量子算法，当前量子计算机能否稳定运行并给出准确或近似结果？如何运用量子编译、误差缓解等多种增强手段？ 三是本地部署时，计算任务所处环境与量子计算机运行环境能否匹配？是否有尺寸、能耗、移动性、温湿度等物理条件约束？ 回答上述问题，需要明确：1）计算问题的真实需求边界；2） 量子计算机的真实计算能力边界；3）部署环境的刚性需求边界。 然而，当前阶段去实现这一目标并不容易。原因包括：一是当前高算力需求行业的计算场景和计算问题都很复杂，难以清晰地确定需求边界。二是量子计算存在多种量子算法范式，多种技术路线，且当前处于含噪声中等规模量子计算机（NISQ）阶段，真实计算能力边界难以确定。 当前量子计算产业正在扩展量子比特规模和攻关量子比特纠错，一方面关注NISQ实用化，另一方面向着大规模通用容错量子计算机（FTQC）推进。我们相信量子计算能力在提升，但我们希望有一个方法能够研判出真实计算问题算力需求与真实量子计算能力之间的差距，以及面向未来能够帮忙寻求消除差距的解决方案。 为此，需要一套较为有共识的、稳定的、适应性强的评测工具与方法，对不确定的目标进行评测，通过不断的确定→不确定→确定迭代评测，明确量子计算应用存在的差距，定位存在的问题。对此，业界已经开展了相关研究工作，发展了多种量子计算性能指标与评测基准。这些基准有些得到了业界的共识，如量子比特数，门保真度和量子体积等。但是，这些指标有些存在局限性，要么与技术路线强相关，要么仅用于硬件底层性能评测，无法准确描述量子计算的整体性能，尤其是应用层面性能。因此，研发人员难以运用。 量子计算机应用能力是面向多场景多需求的综合能力。为此，本报告构建量子计算应用能力评测框架，定义算力需求与计算能力 对接的核心性能指标，尝试从应用需求层面评估量子计算真实能力，从而能够综合判断量子计算技术成熟度，推动当前NISQ实用化。 特别需要说明的是，量子计算目前仅在量子模拟、大数分解、线性系统求解、非结构化搜索等方面有理论优势，在组合优化、机器学习方面有潜在