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量子软件初创公司

也许最初的数字革命中最大的惊喜之一是由软件初创公司驱动的持续创新的重要性。在当前的量子革命中，我们看到全球范围内出现了一波量子软件创业浪潮，这并不令人惊讶。一个关键的问题是，在量子计算的广泛商业应用深入人心和更传统的市场发展起来之前，他们的战略是什么？对于管理层和投资者来说，一个至关重要的问题是，企业要运营多少年才能实现这一理想？

量子软件初创公司一直在追求各种策略。

寻求长期支持

一种策略是被另一家公司收购/合并，获得至少中期所需的资金支持。例如，实现量子硬件所需的资金规模，可以让软件开发活动看起来很便宜。从炙手可热的最终用途部门溢出的资金正在创造替代机会。

澳大利亚量子软件公司 QxBranch 可能是第一家采取这种做法的公司，他们在 2019 年被 Rigetti 收购。它的关系帮助 Rigetti 将其足迹扩展到美国以外。然而，软件和应用在 2021 年 Rigetti 的 SPAC 上市中并没有占据显著位置。

剑桥量子与霍尼韦尔分拆出来的量子解决方案部门的合并是另一项将硬件和软件结合在一起的交易。然而，这里的策略似乎明显是为了保持与硬件无关的软件程序的势头。

英国量子软件公司 Rakho 最近被 Odyssey Therapeutics 收购，Odyssey 本身是一家新近成立的精密医学初创公司，专注于尖端药物发现方法。生物技术领域现有的巨额资金让这些公司能够选择自己想要开发的工具，作为自己长期发展的一部分。Odyssey 公司实际上拥有重要的量子算法能力。

Qu&Co 和 Pasqal 也宣布合并。Qu&Co 对现有的 NISQ 方法（如 VQE）能在多快的时间内达到真正的量子化学应用所需的精度持怀疑态度。同样，Pasqal 的中性原子硬件开辟了有趣的替代方案的可能性，如模拟量子模拟。Pasqal 将欢迎顶尖软件人才关注这个相对未开发的领域。

其他软件初创公司对其融资和成长历程有不同的看法。

从算法到应用

目标：扩大专有技术。

将论知识转化到产品化的服务，以此为目标的计划往往受到国家级的政府支持。且注意避免被拖入传统的咨询业务模式：稀缺的量子算法专业知识不容易拓展，传统咨询不能提供量子风险投资支持者通常寻求的经济回报。一种常见的方法是提供量子机会评估和试点项目。理想的情况是看到这些公司发展成为与知名客户的大额客户关系。客户将从被视为活跃在重要的未来领域，以及从启动到他们自己的研发活动中受益。C Ware 有一个活跃的算法研究项目，并利用他们的 Forge 平台来支持高效的项目执行，以及将专有技术打包到未来的服务产品中。值得注意的功能包括具有广泛适用性的组件，如数据加载器和低电路深度振幅估计。这些都被用于优化库、QML、线性代数库和蒙特卡罗模拟库。基于他们的混合动力优化方法，他们在 2021 年成功赢得了宝马量子计算挑战赛，并赢得了罗氏、勃林格殷格翰和科思创等著名客户。他们对行业领先的 Q2B 活动的长期推广已经证明是一个有远见的成功举措。

Zapata 也以其算法研究而闻名。其 Orquestra 平台针对的是工作流和数据管理问题，这些问题可能是部署应用程序时面临的常见挑战。Orquestra 提供创作和运营支持，并支持公共和私有云解决方案。客户包括化工、能源和食品饮料行业的前五大公司。我们认为，这一工具特别适合帮助客户将个人的专业知识转化为组织学习。

1Qbit 一直是量子服务领域的先驱，它通过利用其 1QCloud 优化平台建立了这一领域。1Qbit 率先强调量子启发的解决方案，将其作为提供给客户的一部分（现在其他公司也在效仿）。基于他们在优化方面的工作，1Qbit 在 2021 年取得了显著的成功，赢得了宝马量子计算挑战。

Quantinuum（前身为剑桥量子）利用其 TKET 编译器的领先性能及其所提供的跨硬件能力，在潜在的量子应用领域占有一席之地。它正利用这一势头，直接瞄准与主要商业和机构合作伙伴的长期合作关系。软件即服务（SaaS）——Quantinuum 推出了 Quantum Origin 网络安全密钥生成解决方案。我们可以预期这项服务将发展到其他网络安全应用领域。像这样的服务能在多大程度上产生持续的收入增长，将是更广泛市场备受关注的焦点。

注重专业化

这种策略的一种变体是更具体地关注应用领域的专业知识。这样一种策略的好处是，可以磨练内部、行业特定的应用程序/算法技能，这可能是未来差异化的关键。在传统的软件世界中，这是一条很常见的道路。这也为量子启发的应用提供了一个更容易获得早期收益的途径。

Multiverse Computing 专注于金融服务。他们的 Singularity 工具包强调在安全意识强的银行环境中运行的能力，并提供量子启发和量子解决方案。同时提供Python 和 Excel 前端集成，这是客户端工作流意识的一个标志。Multiverse 一直处于金融领域概念验证应用示范的最前沿。

Qu&Co 以量子化学为重点，开始了他们的发展。他们的 QUBEC 软件平台现在处于测试阶段。一个显著的特点是与 Schrödinger 公司领先的传统量子化学软件包的 Maestro 化学建模接口集成。Qu&Co 也有能力扩大这一基础，最近凭借其开创性的偏微分方程量子算法赢得了宝马量子计算挑战。目前 Qu&Co 已被Pasqal 收购。

Phasecraft 专注于材料科学，将其作为量子优势最快实现的领域。其重点是在 NISQ 设备上以有用的规模运行算法的基本智能（必要时达到脉冲级）。这并不是说该团队没有能力解决其他问题。只是他们认为首先解决这个问题是现实

算法改善

许多玩家正在将特定的经验构建到算法库中。为了推动采用，这些软件通常都是在开源的基础上开发的，但是它们仍然有望成为为其赞助商建立重要价值链影响力的一种方式。事实上，有两个突出的例子说明了如何利用该领域的活动来补充公司的长期战略。

Xanadu 的 PennyLane 是一个量子机器学习库，其影响力已经远远超出了其母公司自身硬件的范围。最初的构想是作为量子机器学习的工具，提供机器学习社 区 熟悉 的 NumPy 接 口。这 种格式已被证明适用 于支持多种 VQA，因 此PennyLane 也在其他潜在的 NISQ 应用领域（如量子化学）中得到了应用。这是一个很好的方法，可以应对任何威胁，即其母公司天生独特的软件堆栈可能会与更广泛的社区“分离”。Quantinuum 的 Lambeq 致力于开发面向量子自然语言处理（QNLP）应用的量子开发者的新生态系统

更好的量子工具

一个互补的策略是提供量子软件开发者自己想要在近期、中期和长期使用的工具。然而，软件界对开源工具有强烈的偏好。面临的挑战是如何设计一种与此相适应的商业模式。

（1）社区门户

一种选择是寻求提供比别处更好的平台体验。这与培养量子新手兴趣的机会，以及真正认真避免与任何单一云供应商锁定的参与者结合得很好。Strangeworks在开发平台的战略上一直处于领先地位，但我们也看到了其他领域的活动。

Strangeworks QC 提供了一个硬件无关的开发前端，它是新手最容易建立和运行的。关键它还提供了对尖端工具的访问，例如 TKET 编译器和 IBM Qiskit运行时。社区库功能是一个很好的学习工具（跨多个框架），它将吸引那些理解这种思维方式给传统软件带来的价值的人。

Strangeworks EQ（企业量子）将后端访问添加到各种各样（且不断增长）的量子后端列表中。最近宣布的 Quantinuum 的 Quantum Origin 服务的集成是一个自然的选择。

Qapitan 是一家新成立的公司，有着建立量子 API 市场的有趣计划。目前处于私人测试阶段，这为开发者提供了一条简单的途径来交付和商业化 SaaS 产品，同时允许最终用户在市场发展过程中对替代产品进行基准测试和升级。这类企业面临的一个中期挑战是，在客户更好地了解自己的需求和市场成熟之后，如何避免客户转移到其他地方，并使服务非中介化。这些平台将需要专注于它们所创造的真正可持续价值。

（2）扩展算法创作

一些公司正在瞄准解决量子算法设计挑战的工具。目前已知只有三种量子原语可以提供量子加速。然而，这些可以组合成算法来解决各种问题类。这些需要进一步调整，以便在更广泛的业务应用中使用。为了解决实际感兴趣的问题，这些算法最终需要在很多很多量子比特的规模上实现。大多数专家设想，量子优势至少需要 100 个量子比特（要么是保真度比现在高得多的物理量子比特，要么是应用量子纠错后的逻辑量子比特）。

Classiq 试图在为具有更大数量量子比特的设备设计量子电路的问题上走在前面。正如我们不在门层编程传统设备一样，Classiq 通过实现可重用的模块化块结构简化了这一过程。它的聪明之处在于，相对于系统范围的约束，它自动化了优化多个独立块的过程，并允许程序员进行关键的权衡（如总体量子比特数或电路深度）。输出代码兼容所有主流平台。当使用今天的小型设备时，这似乎是一个概念性的开销，但类似的东西在未来可能是必不可少的。Classiq 相信它的方法将使复杂的电路更容易调试和维护。这可能是一个关键的证据。

Horizon Quantum Computing 正在追求一个特别大胆的愿景。它的目的是让用户只需使用高级经典语言编写代码，然后就可以从传统或量子执行中获益，而无需任何量子计算方面的特殊知识。一个关键的观点是，加速的机会不仅来自抽象的问题类，还来自常见的程序结构，如循环和数组操作。总的来说，Horizon设想了一个编译链，它可以在多个细节层次上解包。许多量子算法面临的挑战是如何有效地实现从加减到求幂等常见函数。Horizon 已经在这一领域展示了概念验证方面的改进。Horizon 的愿景是大多数用户希望社区到达的目的地。然而，全面实现其承诺需要实现 FTQC、QRAM 和更快的量子体系结构等技术。

高级创作解决方案面临的一个短期挑战是当今量子硬件的能力有限。领先于开发游戏并探索未来的资源需求是一种有效的策略，但是客户对真正的量子执行的时间线的期望将不得不被管理。

（3）优化的低级编译

在堆栈的底层，优化量子编译器必须处理一系列额外的独特量子挑战（本机门集映射、量子位放置和路由、电路优化、错误缓解）。从技术上讲，我们实际上经常谈论一个编译（transpiling）操作，因为编译器链的多个部分都在发挥各自的作用。

三个独立的低级量子编译器脱颖而出。每一个都展示了在这个市场上取得成功所必需的专有技术的独特方面。

TKET——这款旗舰版 NISQ 编译器能够在各种独特的量子框架之间高效传输，从而提供无与伦比的跨硬件能力。它为量子比特的放置和路由提供了有效的启发式方法。制作一个成功的量子优化编译器有一个强大的数学维度，在 TKET的例子中，它利用了量子力学 ZX 演算公式中的概念。最近，Qermit 模块的添加简化了对常见错误缓解协议的支持。TKET 已被广泛用于各种前沿研究工作。

TKET 现在是开源的，Quantinuum 希望在量子生态系统的核心建立自己的角色。

True-Q——Quantum Benchmark 公司在描述和缓解量子错误方面有着很强的传统。True-Q 采用随机编译技术，最初开发该技术是为了克服系统控制错误。现在，以多量子比特过程中的保真度为目标的周期基准测试技术增强了这一点。

True-Q 在 2021 年的学术工作中因错误抑制和/或错误诊断获得了许多引用（包括谷歌 QAI、LBNL 的高级量子试验台、NASA、ORNL、NCSU，包括 Qiskit、Cirq和 Quil 在内的各种框架，以及 AQT 的离子阱设备）。Quantum Benchmark 已于2021 年被 Keysight Technologies（是德科技）收购。这是趋势的一部分，它将为量子堆栈提供一系列新的可能性。

Fire Opal——2022 年初向终端用户发布，这是低级编译器的新成员。它已经显示出令人印象深刻的初步成果。Q-Ctrl 在脉冲级“鲁棒”量子比特控制协议方面有着良好的记录。Fire Opal 作为一个物理门和脉冲级编译器，能够补充更高层级的优化编译器，如 TKET。2021 年，随着 Rigetti 和 Quantum Machines 加入 IBM，向第三方开放他们的硬件脉冲电平控制，市场已经转向 Q-Ctrl 的优势。Q-Ctrl 提供了与这些玩家的集成。它现在也在积极寻求利用其技术在量子传感应用。

图5 量子工具

随着这一领域的不断发展，公开地比较编译器性能的能力将变得越来越重要。

我们希望看到更多基准工作，例如编译器对 QV 和 CLOPS 的影响，以及整个QED-C 基准测试套件。在编译器领域，学术发展仍然非常重要。一个重要的主题是如何利用形式化方法的传统计算机科学技术。它们正在寻求一种数学上严格的方法来验证程序的正确性。在高度数学化但难以调试的量子电路编译世界中，这些技术可能比经典编程更有意义。

VOQC 的突出之处不仅在于其性能可与领先的编译器（如 Qiskit 或 Tket）媲美，还在于其电路优化在 Coq proof assistant 中被证明是正确的。PyZX 是一款基于 ZX 演算的著名研究编译器。

建立底层控制

Quantum Machines 在为商业和学术量子计算工作提供控制系统方面有强大的全球影响力。该公司的量子编排平台（Quantum Orchestration Platform，QOP）专为规模化设计，并提供动态中间电路测量和前馈等重要功能。QOP 将经典和量子处理与 QUA 脉冲级语言和定制设计的脉冲处理器紧密结合，它将经典处理一直带到实时控制硬件。这是为了跨量子比特平台类型支持各种各样的量子用例而设计的。该公司认为，这种架构为 HPC 和云基础结构中异构量子计算的全面架构奠定了基础。

苏黎世仪器是一家成熟的科学仪器供应商。它的核心优势在于其硬件性能（尤其是锁定放大器）。目前它构建了一个完整的、专门的 QC 控制堆栈。这已经支持多种量子比特类型和低延迟测量反馈。苏黎世仪器最近被 Rohde&Schwarz收购。它在量子控制中的强势地位是这一举措的关键部分，预计它将进一步加速这一进程。

Qblox 是从荷兰 QuTech 生态系统中衍生出来的公司（因此受益于多种量子比特硬件类型的直接体验）。它目前服务于 25 个学术和工业实验室。它提供了一个完全集成的控制和读出模块化解决方案，注重可扩展性。Qblox 赢得了瑞典查尔姆斯理工大学 20Q 解决方案的公开招标。核心优势在于其硬件（SYNQ 协议）的稳定性和时间同步性，以及低延迟反馈/控制流（LINQ 协议）。通过与另一家 QuTech 衍生公司 OrangeQS 合作，它在软件堆栈中的地位正在提升：它们共同维护开源的 Quantify 自动校准和表征软件。

随着 Keysight Technologies（是德科技）收购 Quantum Benchmark，将继续加强其现有的量子产品套件——目前包括 Signadyne 的硬件和 Labber Quantum 的软件。我们预计，这些功能将结合到量子堆栈基础上的强大产品中。

除此之外，中国的中微达信、国盾量子、本源量子、国仪量子也是量子计算控制领域的核心参与者。软件初创公司也被吸引到这一领域。

Riverlane 正在开发 Deltaflow.OS 量子计算操作系统，并获得由 UKRI 的拨款支持。这旨在为量子比特硬件开发者提供一个快速、可扩展的关键功能解决方案：低延迟、可扩展控制；自动校准和调整；在量子资源和经典资源之间协调运行时任务；纠错解码。这利用了分布式而非分层的节点网络。它已经用 Artiq（一种流行的离子阱控制系统）演示了试点集成。QHAL 硬件抽象层已经承诺兼容涉及四种量子比特技术的六种硬件。另一个由 UKRI 资助的项目 AutoQT 正在将机器学习领域的领先见解引入这项工作。

操作系统的一个问题是没有将量子堆栈的工作方式纳入一个模型中。它可以支持但确实需要传统的电路模型。它承诺将把最好的可用资源集中在困难的解码问题上，但它没有明确说明应该如何集成。

其他量子计算操作系统包括中国本源量子的本源司南、奥地利量子计算公司ParityQC 的 ParityOS。

在更广泛的背景下，OpenQASM 3.0（仍是一个“实时规范”）的定义明确地在之前在架构层表达的门概念和经典控制概念以及通常在控制层表达的脉冲和定时概念之间建立了一座桥梁。量子栈将会进化。量子堆栈即将进化。

量子教育

IBM 早期成功的一个重要方面是它强调让 IBM Quantum 成为一个非常有用的教育工具。

Qiskit 和 IBM 量子挑战赛——Qiskit 教科书和教程资源被广泛认为是量子计算的重要入门资源。这些已经被成功的 IBM 量子系列挑战赛所补充。这些半辅导半竞赛的活动已经成为量子季的固定活动，对于有编程兴趣的个人来说，这是培养他们的量子技能的一个很好的方式。

Black Opal——Q-Ctrl 专注于量子比特的最佳控制。他们的内部可视化也是向量子新手教授量子比特和量子计算机的一种很好的方式。Black Opal 在线学习平台填补了市场上的巨大空白。它涵盖从波等基本物理原理，一直到使用自定义界面和电路可视化工具编程量子算法。Black Opal 对于量子新手来说是一个理想的起点，即使他们计划通过更高级的特定于框架的课程继续进步。

Quantum Network Explorer——QuTech 之前进军教育领域的尝试是QuantumInspire。这继续提供了一个很好的学习环境，在一个已经由 IBM Quantum 主导的细分市场中追赶上来了。另一方面，它的 Quantum Network Explorer 将受益于率先进入更广阔的空间：如何通过网络处理量子比特。这引入了它自己的一系列新资源和概念，许多人认为这些资源和概念有朝一日将构成量子互联网的基础。

SpinQ（量旋科技）利用基于 NMR 量子比特的独特“桌面”量子计算机加速量子教育。2Q 双子座和 3Q 三角座使学生能够学习量子概念，并在真正的桌面设备上运行实验。量旋科技已经在他们的系统的基础上成功举办了一场高中量子计算竞赛，并为课堂提供了教材。接下来计划推出更紧凑的设备。

量子国际象棋——AWS 的 Aleksander Kubica 在 Q2B 量子国际象棋锦标赛上捍卫了自己的王冠，击败了来自 Zapata、D-Wave、Nvidia、谷歌、Quantinuum、Horizon 和 QC Ware 的对手。有时玩游戏是激发学生热情的最好方式。教育是一种社会福利，同时也是一个很好的策略。它与那些有朝一日将推动量子革命向前发展的个人建立了密切的关系。这也为真正的收入机会打开了大门。