目录
- 量子堆栈
- 早期门模型量子计算全栈公司
- 量子平台即服务
- 量子模拟器
- 量子软件初创公司
- 寻求长期支持
- 从算法到应用
- 注重专业化
- 算法改善
- 更好的量子工具
- 建立底层控制
- 量子教育
正文
量子堆栈
量子软件行业的发展正在迅速进行。然而，对量子硬件和量子算法进展的回 顾表明，这可能仍然是一场漫长的游戏。对于早期采用量子的人和潜在的量子开 发者来说，最重要的考虑可能不是立即可用的软件产品功能，而是选择正确的合 作伙伴。要了解当前的市场状况，投资者必须了解早期参与者面临的挑战和机遇， 以及他们正在发展的不同长期商业战略
图1： 量子堆栈
应用程序——面向商业的最终用途应用程序。在很大程度上，这些工作仍在进行中。许多参与者强调早期研究和用户社区参与，以开发概念验证和试用应用程序。算法——解决各类问题的独特量子方法，请参阅量子算法展望 2022。
框架——大多数早期参与者强调电路模型量子计算（尽管这种方法有重要的变化）。各种提供商提供了自己描述和执行所需量子电路的方式。
架构——协调计算操作的运行时环境。包括量子门、测量和紧密耦合的经典逻辑。最终，我们可以期待核得到优化，以高效地实现量子纠错，并协调对专业资源的访问，如魔法态（magic state）工厂和 QRAM。
控制——模拟脉冲驱动的低电平操作（通常基于微波或激光）。脉冲形状和时间至关重要，需要高级协议来优化门操作和抑制串扰。
量子——实际的量子比特硬件。请参阅量子硬件展望 2022。
模拟器——传统模拟器是软件堆栈中的一个关键附加元素，这不仅仅是因为当前量子处理器的性能有限，而且也是为了支持正在进行的程序开发和调试。
在量子软件的“萌芽”阶段，IBM 显然是早期的胜利者。虽然是其他人第一次将量子处理器应用到云上（2013 年布里斯托大学的 Jeremy O’Brien，现在他是PsiQ 的创始人），但是真正成功推动参与度发生一步变化的是 2016 年 IBMQuantum Experience 的推出。现在更名为 IBM Quantum，拥有超过 36 万名注册用户，2021 年平均每天执行 22 亿次电路，通常任何时候都有 25 个量子处理器在线。
IBM Quantum Experience 最初专注于通过提供一个简单的图形化 web 界面允许用户创建（编写）简单的量子程序（电路），然后在早期的量子硬件上运行它们。IBM 在这一成功的基础上引入了 Qiskit，这是一种适合于科学和早期行业采用者使用的开源编程框架。与该方案一致的教育资源和活动一直是重点。它的OpenQASM 底层电路表示语言已成为事实上的行业标准。OpenQASM 3.0 规范草案于 2021 年发布，并继续吸引跨行业的兴趣并支持。与 AQT 以及最近与 IonQ的一系列概念验证展示了 Qiskit 对多种量子比特硬件类型的适用性。如今，IBMQuantum Network 的合作伙伴包括商业巨头戴姆勒、埃克森美孚、摩根大通、三星、高盛、埃森哲、波音和 LG 电子，总共有 130 多名成员。内部设施和战略合作伙伴包括弗劳恩霍夫（德国）、东京大学（日本）、克利夫兰诊所（医疗保健）和延世大学（韩国）。这与 IBM 的整体业务技术和服务产品齐头并进。
D-Wave Leap 云和 Ocean 开发环境为面向商业的量子退火应用提供了平台。这套工具已经发展到包括混合量子退火/经典求解器。该服务的最新发展强调了算法工具的易用性，以及工作跟踪和可视化界面。对简单性和稳健性的关注是为支持生产应用程序而设计的。在坚持量子退火优化问题的同时，D-Wave 还宣布了建造门模型量子计算机的计划，以解决材料科学和量子化学模拟问题。
门模型量子计算界的一些人可能会试图将应用投入生产的延迟解释为某种程度上反映了量子退火的一个弱点。然而，换个角度来说，在没有纠错和大规模机器的情况下，早期门模型的成功也可能是渐进的，而不是革命性的。D-Wave的经验实际上提醒我们，在任何大型客户组织中实施变革是多么困难。专业服务部门早就明白这一点，并越来越愿意提供帮助。不应低估其未来作用的重要性。
早期门模型量子计算全栈公司
对于门模型量子计算中的许多早期硬件玩家来说，创建自己的完整软件堆栈只是一个必要的事情。然而，“全栈”并不意味着一个进化到 IBM 能够构建的程度的服务产品。
Google——在 2019 年展示了“量子霸权”之后，Google 围绕 Cirq 框架明确了其堆栈。2021 的一个值得注意的是 Stim，这是一款稳定器电路模拟器，其独特之处在于专注于支持量子纠错研究。
Rigetti Computing——在紧密的经典循环中率先执行量子电路。这种对 VQA友好的技术最近才进入 IBM 运行时环境。Rigetti 现在跟随 IBM 的脚步，引入了Quil-T（Quil 指令集架构的脉冲级扩展），以开放对系统的控制。这是 Quil 的一个扩展，它允许 Rigetti 设备作为三能级系统，即 qutrit，而不仅仅是作为标准量子比特进行操作。
Xanadu——Strawberry Fields 框架支持 Xanadu 独特的光量子计算方法。此外，他们有影响力的算法库 PennyLane 与其他各种门模型机器兼容。
本源量子——中国量子计算的先驱。他们的堆栈已经在他们自主开发的超导和硅量子比特处理器上得到了验证。
稍晚加入的硬件玩家现在可以利用一个生态系统，让他们不必构建软件堆栈的上层。我们仍然可以期待进一步的创新，即玩家将寻找与他们的量子比特平台相关的特定机会。
Pasqal——引入脉冲发生器，以支持其设备的脉冲电平控制。由于中性原子器件在量子模拟中的潜在应用，这对中性原子器件具有双重意义
图二，早期门模型的全栈公司
花时间公开披露、记录和支持堆栈的较低层会带来成本。这种精细特性可能会为供应商的本地生态系统带来额外的创新和性能。但是有多少最终用户将直接访问它们？策略师必须根据具体情况权衡成本和收益。
量子平台即服务
没有人真正知道什么样的量子硬件战略会胜出。因此，早期采用者通常会寻求一个最大程度上不依赖硬件的平台。这非常符合 PaaS（平台即服务）产品的概念。领先的传统云计算巨头 AWS 和微软 Azure 已经与 IBM 等开始争夺量子云市场。
图三， 量子PaaS
IBM Quantum 一直强调它为自己的量子后端提供的访问权限。（Qiskit 支持访问其他提供商后端，但这些后端目前尚未完全集成到真正的 PaaS 产品中）。IBM 在其处理器群中增加了 VQA 友好的 Qiskit 运行时容器（从 2022 年开始包括动态中间电路测量和前馈），这是 IBM 构建真正的“无服务器”云产品计划的第一步。这不仅需要与核紧密耦合的经典资源，还需要计算的实质部分可以卸载的资源。2021 年，IBM 完成了对电路编织和电路嵌入的概念论证（通过将部分计算部分卸载到经典资源中来减少所需的量子资源的技术），并演示了IBM 云代码引擎如何将这些资源结合起来。量子无服务器模型的引入是 IBM 从2023 年开始准备好支持真正应用程序（具有量子优势）部署的关键部分。
一名用户评论道：“IBM 花了大量的时间和金钱来完善基于 web 的终端用户前端，它提供了复杂的作业管理、排队和处理功能、数据存储、研究团队、资源认证和授权，所有这些都在一个处理 10 万用户的服务中。而其他供应商都无法达到这里提供的复杂程度。”随着硬件的成熟，IBM 似乎已经做好了充分的准备，利用他们的能力来服务大量的用户。其他供应商将需要努力完善他们的服
务基础设施到这个程度。
亚马逊 Braket 已经开始在这个市场上提供 D-Wave、IonQ、Rigetti 和 OQC设备的接入服务，QuEra 也将很快加入。对 PennyLane 的支持是另一个值得注意的特点。以及各种强大的模拟器。为了自主开发量子计算机，亚马逊在加州理工学院的 AWS 量子计算中心和亚马逊量子解决方案实验室进行投资并招募了大量专家。
一名用户评论道：“Braket 框架和电路 API 没有 Qiskit 提供的全面，在一定程度上限制了目前可以运行的应用程序的复杂性。”因此，亚马逊要想成功，就必须改善这一点。然而，几乎所有人都同意，量子计算将始终是计算的一种混合形式。通过 AWS 在更广泛的云市场的领导地位，Braket 很好地利用了对企业友好的供应灵活性。
微软 Azure Quantum 也在利用其母公司在更广泛的云计算领域的竞争地位。其 Azure Quantum 平台已正式公开。微软开发了 Q#作为一种专门用于编写量子算法的语言，以及相关的库和培训资源。最近增加了还对 Qiskit 和 Cirq 框架中编写的代码的支持，承认了这些方法在更广泛的生态系统中的影响。微软通过其Q Station 网络在量子研究方面有着悠久的历史。或许，微软比其他主要玩家更倾向于将真正的量子优越性视为一场持久战。因此，在 Azure Quantum 中看到受量子启发的数字退火解决方案备受瞩目或许并不令人意外。
Braket 和 Azure Quantum 产品与 IBM 的不同之处在于，它们提供高级作业管理和服务工具，以补充越来越多的硬件供应商。
Google 在量子领域处于领先地位，在传统云计算领域排名第三。然而它的量子计算服务尚未越过早期访问计划阶段。这反映了公司将设备操作从“一次性科学实验”转移到常规生产服务所需的时间。它也不想推出一项仅基于仍可经典模拟的处理器的服务。
值得一提的是，Xanadu 的 Borealis 是唯一云上提供的可以实现“量子计算优越性”的机器
量子模拟器
传统的模拟器仍然是量子研发的有效并行途径。模拟通常可以达到大约 40量子比特（如果我们能够简化，则可以更多）。高级模拟器甚至可以内置真实的噪声模型。无论如何，量子模拟器都可能在调试和验证量子应用程序中发挥关键的持续作用
图4： 量子模拟器
QLM（量子学习机）——Atos 公司已经在其专用的量子模拟器硬件 QLM 上建立了一个完整的软件堆栈。这正在扩展到针对数字退火应用的量子启发算法的执行。
学术项目——一些具有学术渊源的模拟器，如 ProjectQ 和 QuEST，为量子算法实验提供了自己的学术基础。模拟器也是 Quantum Inspire 平台产品的重要组成部分。
英伟达推出了 cuQuantum，以便在其基于 GPU 的硬件上进行快速量子模拟。2022 年晚些时候，包括 cuQuantum 和 Google 的 Cirq 框架在内的容器将可用于英伟达 DGX 硬件，届时采用将变得更加容易。
两个著名的开源模拟器，阿里巴巴“太章”和华为 HiQsimulator 在 2021 年没有看到进一步的发展。然而，华为一直在积极支持 ProjectQ。
