移動網絡中量子計算應用能力評測白皮書1.0（2024年）前言階段目 錄移動網絡發(fā)展面臨的算力挑戰(zhàn) 1量子計算帶來的機遇與挑戰(zhàn) 3量子計算優(yōu)勢 3量子計算技術挑戰(zhàn) 3量子計算應用挑戰(zhàn) 4量子計算應用評測必要性 5量子計算應用能力體系框架 7總體框架 7移動網絡計算需求 7量子硬件性能指標 9量子算法性能指標 10量子硬件與算法綜合指標 11量子計算機擴展能力指標 11量子計算機部署能力指標 13應用能力成熟度指標 13量子計算應用能力評測方法 15應用能力評測基本概念 15應用能力評測基本方法 17移動網絡計算需求評估案例 18應用能力（量子算法級）評測案例 20量子計算應用能力評測標準化需求 25應用能力評測標準化需求 25應用能力評測標準化展望 266.總結 30縮略語 31參考文獻 32移動網絡發(fā)展面臨的算力挑戰(zhàn)MIMO去蜂窩網絡（cell-free）、基于大模型的網絡與空口、數(shù)字孿生網絡等新技術，1所示。圖1.移動網絡發(fā)展面臨的算力挑戰(zhàn)MIMOMIMOMIMO信號檢測、MIMO信道測量與反饋、MIMO預編碼，涉及高MIMO矩陣乘、矩陣奇異值分解、矩陣求逆等運算，以及信號最大似然檢測MIMO矩陣，經典計算機求解復雜度雖然多項式級增長，但也帶來極大的處5G基站能耗來說更加不可持續(xù)。500（2500次方100（級），求解最優(yōu)解將超越經典計算能力。（如用于安全風險評估AI大模型，以適應更多場景。但AI62000張100PU運行130秒視頻需要4000張100PU3個月時間，（1H10030萬￥，20006億￥），成本極高，性價比很低。維異構數(shù)據為模型設計、訓練與推理帶來極大挑戰(zhàn)。量子計算帶來的機遇與挑戰(zhàn)量子計算優(yōu)勢實現(xiàn)指數(shù)級計算加速和指數(shù)級數(shù)據存儲。量子計算屬于可逆計算，雖然控制設備能耗高，但計算本身低能耗。動網絡中的各類搜索與優(yōu)化問題。量子計算可加速線性系統(tǒng)求解，適合移動網絡中線性信號處理。高維異構數(shù)據。業(yè)務數(shù)據、網絡數(shù)據和用戶數(shù)據的深層模式，更好保障服務質量。量子計算支持非線性處理，量子核方法有望實現(xiàn)量子優(yōu)越性。適合網絡運維與管理的智能決策。60E（2500H100GPU（7.5億￥成本）。當前量子計算機功耗在百千瓦級以下，成本在千萬級，預期具有更高的性價比。量子計算技術挑戰(zhàn)雖然量子計算理論上展現(xiàn)了一定的計算優(yōu)勢，但量子計算目前還處于NISQ階段，面臨諸多技術問題與挑戰(zhàn)：計算機從而提高量子計算能力。限以及具體任務上的量子優(yōu)越性仍在探索中。可能無法同時滿足類比性和實用性的要求。四是量子-經典混合系統(tǒng)集成存在挑戰(zhàn)。量子軟件開發(fā)框架還不夠成熟，亟待開發(fā)量子和經典計算系統(tǒng)協(xié)同工作框架，以支持兩者的互操作性。量子計算應用挑戰(zhàn)2所示的技術與工程問題：算法？優(yōu)勢包括計算時長、計算精度、計算規(guī)模、計算能效等?？刹捎昧孔泳幾g、量子誤差緩解等多種增強手段來保障。計算任務所處環(huán)境與量子計算機運行環(huán)境是否能匹配？是否有尺寸、能量移動網絡中計算任務部署環(huán)境的剛性需求邊界。NISQ無法給定結論。圖2.量子計算應用能力三要素量子計算應用評測必要性2.3→不確定確定迭代評測，明確量子計算應用存在的差距，定位存在的問題。（KPI），嘗試從應用需求層面評估量子計算真實能力，從而能夠綜合判斷量子該類問題是否必須依賴量子計算、是否有量子加速優(yōu)勢等結論。量子計算應用能力體系框架總體框架4=f(（度、精度、規(guī)模）=f（硬件性能，算法性能）。圖4.量子計算應用能力體系框架移動網絡計算需求計算需求指標5（時效（計算量MIMO1ms0.5ms延抖動要求更為苛刻。了算法本身，還與量子計算機數(shù)值表征能力有關。規(guī)模的問題，結構越復雜，計算量越大。計算效能需求：計算能效是指完成給定計算任務所需的能耗（焦耳或單位能耗完成的計算量。能效指標是綠色環(huán)保和控成本的要求。擇的量子算法、量子計算機以及配套的增強技術綜合能力實現(xiàn)。圖5.不同場景典型計算問題類型與關鍵性能指標計算任務部署需求（集中化運維平臺基站等不同區(qū)域。部署需求主要有物理環(huán)境需求與軟件配套需求兩類。（集中化基帶池計算任務的軟件配套需求取決于量子計算機與計算任務相關的經典系統(tǒng)的以及與通信設備的接口與協(xié)議配套設計，關鍵是量子-經典數(shù)據接口。量子硬件性能指標比特級指標：量子比特（退）的持續(xù)時間。更復雜的計算需要更長的相干時間。T1時間（能量耗散時間（|1?態(tài)（如|0?態(tài)和恢復法測量。T2時間（相干時間）：也稱為橫向弛豫時間，描述了量法測量。最小化。實驗中一般也采用隨機基準測試法進行測量。力。量子比特連接性：量子比特相互糾纏的能力（任意兩個量子比特直接糾纏），影響量子線路的復雜性?？赏ㄟ^硬件架構直接獲取，比如超導芯片的架構圖。量子邏輯門級指標：門保真度和雙門保真度。量子邏輯門操作時間（主頻）：每秒線路層操作數(shù)(CLOPS)?？筛鶕鶞蕼y試線路的運行時間除以線路深度來獲取。量子線路級指標：量子線路深度：量子算法可執(zhí)行的最大時長。隨機線路基準以及信道譜基準進行測試。系統(tǒng)級指標：深度以及量子糾纏的綜合性能指標。通過任務成功率測試。保真度：量子比特制備和測量的精度，影響計算結果。一般也采用隨機基準測試法進行測量。行的最大時長、斷電之后恢復穩(wěn)定運行的校準難易度等。量子算法性能指標表現(xiàn)出的計算性能（異構硬件的適用性），具體指標如下：式，還要考慮黑盒查詢次數(shù)，以及黑盒運行時間。且由于量子退相干和門誤差而增加整個計算過程中的誤差積累。比，突出量子優(yōu)勢。和Shor特的數(shù)量。量子硬件與算法綜合指標斷量子計算機能否滿足給定的計算任務需求，具體包括：計算速度：有多種定義，根據具體任務選擇。包含任務交付到計算輸出（量子態(tài)操控時長。（如分布式算法物理比特規(guī)模、保真度、相干時間、量子編譯、智能工具等優(yōu)化手段有關。計算規(guī)模還包括多個計算任務的并發(fā)規(guī)模。計算效能：單位能耗（焦耳）能效有關，可以同時考慮主機和外圍設備能耗，或者僅考慮主機能耗。量子計算機擴展能力指標1給出了不同技術路線的量子計算機單系統(tǒng)擴展面臨的技術2表1.量子計算機單系統(tǒng)能力擴展評估指標技術路線連接性尋址成本超導局部連接復用控制線濾波控制線、制冷量離子阱全連接聲光偏轉器精度激光器成本光量子全連接單光子源純度和全同性光學組件、探測器中性原子全連接聲光偏轉器精度激光器成本相干伊辛機全連接光通信技術光通信成本量子點局部連接電場/光場尋址精度半導體制造成本硅量子計算局部連接電場/微波信號精度半導體制造成本拓撲量子計算全連接量子波函數(shù)操控精度（拓撲量子比特操控）材料成本、量子比特讀出裝置成本注：1、成本僅以當前產業(yè)水平評估，不考慮量產及技術突破的成本降低。表2.量子計算機系統(tǒng)互聯(lián)性擴展評估指標技術路線異構性支持互聯(lián)數(shù)量互聯(lián)距離互聯(lián)方式超導支持研究中集群或遠距光纖/微波離子阱支持研究中研究中光纖光量子支持研究中研究中光纖中性原子支持研究中研究中光纖相干伊辛機支持研究中研究中光纖量子點支持研究中局部連接微波/電場硅量子計算支持中等（局部連接）短距離（幾毫米到厘米級）微波/電場/電纜拓撲量子計算支持研究中研究中光纖/電纜/微波注：1、其他需要補充的說明力，這對于擴大規(guī)模至關重要。量子-經典算法、計算任務分解/分配、部署環(huán)境兼容的支持。量子計算機部署能力指標括物理尺寸、物理環(huán)境、移動性、運維與能耗等指標：設計發(fā)展，小型化將成為交付解決方案。潔凈、濕度等需求。潔凈間、溫控設備可能成為最大瓶頸。以及臨時性搬運、拆遷等。對經典計算有經濟價值增益。運維能力：重點是遠程運維操作的支持程度，以及智能化程度。任務相比經典計算機是否具有更高的性價比。應用能力成熟度指標9個級別（GJB7688-2012）：提出基本原理并正式報告。提出概念和應用設想。完成概念和應用設想的可行性驗證。以原理樣品或部件為載體完成實驗室環(huán)境驗證。以模型樣品或部件為載體完成相關環(huán)境驗證。以系統(tǒng)或子系統(tǒng)原型為載體完成相關環(huán)境驗證。以系統(tǒng)原形為載體完成典型使用環(huán)境驗證。以實際系統(tǒng)為載體完成使用環(huán)境驗證。以實際系統(tǒng)為載體完成使用任務。NISQFTQC8，NISQ6FTQC3、45。機實際應用能力情況。為了更好的表征量子計算機的應用能力水平，根據當前量子計算研發(fā)現(xiàn)狀，本文從應用層角度提出量子計算應用能力等級指標，包括如下5個等級：0：不具備應用能力。1：教學級應用?？捎糜诹孔恿W原理、簡單量子算法運行、量子算機教學機和游戲機。2：科研級應用。即研發(fā)級應用，可用于小規(guī)模量子算法驗證、異NISQ量子計算機。3：小規(guī)模試點應用。用于實際生產系統(tǒng)中計算問題及量子算法的測試驗證，僅針對特定場景與特定問題，性能與結算結果可能不穩(wěn)定。4：商業(yè)應用。在實際生產系統(tǒng)部署，提供商業(yè)級有質量保證的計算能力，包括小規(guī)模商用與大規(guī)模商用，從產業(yè)現(xiàn)狀看，超導、離子阱、光量子等技術路線都可以達到等級2。量子計算應用能力評測方法估與測量，沒有測試工具時，僅做定性評估）應用能力評測基本概念（測對象與測試指標），以及測試工具等概念，下面簡要介紹。應用能力評測級別際應用中的表現(xiàn)和潛力：數(shù)和性能指標。域的具體表現(xiàn)和效果。應用潛力和未來發(fā)展趨勢。NISQNISQ（本性能算機擴展能力，這需要從理論、材料、工藝等多個維度進行趨勢判斷。應用能力評測類別與目標（灰盒或白盒試環(huán)境中，對所提的量子計算方案進行性能或功能測試。3.3（和真4應用能力評測基準第一級評測中，許多性能指標都可以采用隨機基準測試法（RB）來評估，它和它的變式——（IRB）路輸出的預期概率分布之間的交叉熵來評估量子計算機的性能。應用能力評測基本方法不涉及評估6應用相關指標，測試環(huán)境包括真機環(huán)境或模擬環(huán)境?？芍貜托?，以便在不同時間或條件下進行驗證和比較。的，可提供對量子計算應用能力和成長能力的動態(tài)評估。鍵作用。圖6.量子計算應用能力評測一般性方法移動網絡計算需求評估案例三個移動網絡中的計算問題為例，粗略地探討如何量化評估實際需求。大規(guī)模網絡覆蓋優(yōu)化計算需求（下傾角、天線掛高等參數(shù)優(yōu)化），3所示。表3.大規(guī)模無線網絡覆蓋優(yōu)化問題問題建模問題類型組合優(yōu)化問題規(guī)模500小區(qū)問題模型覆蓋圖：小區(qū)為邊，有干擾為邊QUBO+QUBO求解目標最小化邊數(shù)（最大化小區(qū)覆蓋率）對應小區(qū)天線參數(shù)配置方案優(yōu)化算力計算規(guī)模要求高需求計算速度非實時計算精度要求較高（滿意解）量子算法以QAOA為例線路寬度需求圖分割：6578+量子比特子圖優(yōu)化（40小區(qū)，每個小區(qū)1000種配置方案）400+量子比特線路深度需求1000層+300層+保真度超過糾錯平衡點門限線路寬度N為子圖數(shù)量，K為圖節(jié)點數(shù)量，M為子圖節(jié)點數(shù)量上限2線路寬度其中L是每個小區(qū)方案配置數(shù)量，M為小區(qū)數(shù)量。多用戶調度計算需求多用戶調度是去蜂窩網絡和超大規(guī)模MIMO技術中的關鍵問題，保障用戶體驗和提升網絡容量的重要手段，具體問題建模與算力需求如表4所示。表4.無線網絡中多用戶調度問題模型問題建模問題類型組合優(yōu)化問題規(guī)模40用戶問題模型加權最大獨立集求解目標（最大化高權值用戶接入率算力需求計算規(guī)模中等計算速度準實時，要求一般計算精度要求高，最優(yōu)解或近似最優(yōu)解量子算法QAOA分布式QAOA線路寬度需求40量子比特16量子比特線路深度需求30層及以上10層及以上保真度超過糾錯平衡點門限（QUBO建模所需比特為節(jié)點數(shù)量2、最大加權獨立集（問題分解，QUBO）所需比特=K’，K’是問題分解節(jié)點數(shù)量。網絡流量預測計算需求網絡流量預測是保障網絡服務質量的重要工具，可支撐網絡資源優(yōu)化，降低網絡運營成本。網絡流量預測模型與算法需求如表5所示。表5.網絡流量預測問題模型問題建模問題類型時序預測數(shù)據規(guī)模32017/1/1～2019/2/20期間小時級的流量數(shù)據及節(jié)假日時間信息，數(shù)據集樣本量：105480。問題模型量子神經網絡計算目標預測各地市未來95天小時級的流量值計算指標預測精度95%求解時長非實時算力需求量子算法量子TSMixer線路寬度需求寬度（比特數(shù)）>=6線路深度需求深度（單個比特上放置門的總數(shù)的最大值）>=12保真度超過糾錯平衡點門限應用能力（量子算法級）評測案例NISQ+量子計算機噪聲模型（真實量子計算機環(huán)境QAOA測試移動網絡中，多用戶調度被建模為最大加權獨立集問題。這里給出一個8測試場景多用戶調度測試對象最大加權獨立集QAOA算法測試環(huán)境模擬環(huán)境（經典服務器）測試場景多用戶調度測試對象最大加權獨立集QAOA算法測試環(huán)境模擬環(huán)境（經典服務器）問題規(guī)模8用戶（8節(jié)點）性能指標求解精度（與最優(yōu)解近似程度）測試步驟命令測試可視化界面步驟1運行算法在運行環(huán)境中打開相應文件返回創(chuàng)建任務成功提示。步驟2返回運行結果返回計算任務結束提示，并輸出計算結果可視化文件最大加權值：3.7475759步驟3查看經典貪心算法結果打開經典計算結果文件最大加權值：3.5962494步驟4比對兩種算法計算精度量子QAOA算法比經典貪心算法給出的計算結果更精確。QAOA測試NISQQAOA算法降低問題規(guī)模。這里給出一個40QAOA7所示。表7.最大加權獨立集分布式QAOA算法測試例測試場景多用戶調度測試對象最大加權獨立集分布式QAOA測試環(huán)境（經典服務器，含噪）問題規(guī)模40用戶（40節(jié)點）性能指標求解精度（與最優(yōu)解近似程度）測試步驟命令測試可視化界面步驟1在模擬環(huán)境回結果在模擬環(huán)境中打開相應文件輸出計算可視化結果最大加權值：214.92步驟2在仿真機環(huán)境中打開相應文件夾與主程序，加載計算任務，輸出計算可視化結果最大加權值：184.90在仿真機環(huán)境運行算法，返回結果步驟3查看經典Gurobi（解）打開經典計算結果文件最大加權值：214.92步驟4比對分析算法計算精度QAOA86%4.3.2TSMixer模型測試輸入序列長96TSMixer8表8.用于網絡流量預測的量子Tsmixer模型性能測試例測試場景網絡流量預測測試對象量子TSMixer模型測試環(huán)境模擬環(huán)境（經典服務器）+真機環(huán)境問題規(guī)模輸入序列長度為512，預測序列長度為96性能指標模型預測精度（與經典模型對比）測試步驟命令測試可視化界面步驟1在模擬環(huán)境回結果在模擬環(huán)境中打開相應文件輸出計算可視化結果步驟2在仿真機環(huán)境中打開相應文件夾與主程序，加載計算任務，輸出計算可視化結果在仿真機環(huán)境運行算法，返回結果步驟3結果分析與結論QTSMixer6.72%。4.3.4TTM模型測試這里給出一個9648TTM模型性能評9所示。表9.用于網絡流量預測的量子Tsmixer模型性能測試例測試場景網絡流量預測測試對象量子TTM模型測試環(huán)境模擬環(huán)境（經典服務器）+真機環(huán)境問題規(guī)模輸入序列長度為96，預測序列長度為48性能指標模型預測精度（與經典模型對比）測試步驟命令測試可視化界面步驟1在模擬環(huán)境回結果在模擬環(huán)境中打開相應文件輸出計算可視化結果步驟2在仿真機環(huán)境中打開相應文件夾與主程序，加載計算任務，輸出計算可視化結果在仿真機環(huán)境運行算法，返回結果步驟3結果分析與結論實驗結果表明，量子算法相比經典算法，參數(shù)量上顯著減少23.09%，并且預測準確度相差不超過2%。量子計算應用能力評測標準化需求FTQC還未攻克，NISQ是目的，是手段，最終還是為了解決量子計算系統(tǒng)存在的問題。秒線路層操作數(shù)（CLOPS）能較好的評估硬件計算速度。然而，高層和綜合性標準，各個行業(yè)有差異。是解決業(yè)界存在的一些評測問題與挑戰(zhàn)。量結果，而應考慮基于智能工具對測量數(shù)據分析后的結果。能工具的嵌入，并為此制定標準化的智能工具。現(xiàn)量子計算生態(tài)系統(tǒng)內更無縫的集成和協(xié)作。應用能力評測標準化展望應用能力評測標準化工作可從產業(yè)和學術角度同步開展標準化預研與制定。量子計算應用標準化相關組織國際上，可參與或關注如下標準化組織的工作：國際標準化組織（ISO）與國際電工委員會（IEC）2024年年初聯(lián)合成立的量子技術聯(lián)合技術委員會（IEC/ISOJTC3QuantumTechnology）ISO/IEC4879:《信息技術量子計算詞匯》。濟南量子技術研究院為國內接口單位。可考慮參與量子計算應用能力指標與評測基準標準化工作。ITU點在量子通信，后續(xù)可擇機參與推動量子計算應用標準化立項研究。歐盟量子旗艦組織（EUQuantumFlagship），是歐盟委員會成立的面向會（CEN-CENELEC）等組織合作，推動量子技術標準的制定和實施。和聯(lián)合量子信息計算科學中心（QUICS）等建立了合作伙伴關系。美國能源部啟動的量子科學計算開放用戶測試床（QSCOUT），以及美國國防高級研究計劃局（IEEE）IEEEIEEEIEEE量子工程與技術委員會、IEEE量子信息系統(tǒng)與應用委員會、IEEE量子計語澄清，以及識別標準化需求并提供性能指標和基準。12（NEASQC）NISQ應用并提供完整的通用工具集，供實驗研究和應用探索。在國內，可重點參與如下組織工作：（SAC/TC參與量子計算應用指標與基準和能力等級國家標準化工作。全國信息技術標準化技術委員會量子信息標準工作組(TC28/WG與制定應用指標與基準和能力等級標準化標準國家標準化。全國通信標準化技術委員會(SAC/TC485)/中國通信標準化協(xié)會（量子通信與信息技術特設任務組（ST7）），參與量子計算標準化研究與行業(yè)標準化工作。中關村量子信息產業(yè)聯(lián)盟等，可參與制定量子計算應用相關課題研究與團體標準研制工作。標準化工作內容建議圍繞上述行業(yè)聯(lián)盟與標準化組織，可在量子計算應用能力指標定義與內涵、1）硬件性能標準。量子計算硬件指標種類多，需要從應用層角度進行核心82)算法基準。針對移動網絡中不同的計算問題，制定核心性能基準指標，準化設計（同類問題可以定義不同基準規(guī)模），9所示。系統(tǒng)不會導致不可持續(xù)的資源需求，包括擴展成本。可用性和部署標準。商用等不同級別。詳細定義各級別內涵和邊界。準和重新配置。這可確保高效且一致的部署實踐。用戶界面和文檔：創(chuàng)建用戶界面和文檔標準，使更廣泛的用戶（有深厚技術專業(yè)知識的用戶）可以使用量子計算系統(tǒng)。表8：量子計算機單系統(tǒng)硬件性能指標示例相干時間/門時間通用門保真度SPAM保真度量子體積量子糾錯不保留保留保留保留保留表9：量子計算機單系統(tǒng)基準算法示例最大割QAOAShor求階算法QFFT最大獨立集圖分割10~20節(jié)點100以內質數(shù)[4,8,16]40節(jié)點70節(jié)點標準化工作挑戰(zhàn)在移動網絡中引入量子計算，相關評測標準化可能遇到如下困難和挑戰(zhàn)：產業(yè)不成熟不一致，性能標準可能無法對齊。技術路線多，指標難以通用。模擬計算機和通用計算機需要區(qū)別評測。變化，需求也要更新。理、網絡優(yōu)化和機器學習等不同場景，對計算時長、計算時延、計算精度都有特殊需求?？偨Y應用能力指標體系，構建評測模型和實用化的應用能力等級體系。性，將在下一步工作中進行。算融合發(fā)展提供更加全面實用化的方案與工具。縮略語縮略語英文全名中文解釋AQCAdiabaticQuantumComputation絕熱量子計算QFFTQuantumFastFourierTransform量子快速傅里葉變換CLOPSCircuitLayerOperationsPerSecond每秒線路層操作數(shù)FRBFullyRandomizedBenchmark完全隨機基準FTQCFaultTolerantQuantumComputation容錯量子計算NISQNoisyIntermediateScaleQuantum含噪中等規(guī)模量子計算IRBInterleavedRandomizedBenchmark交錯隨機基準測試XEBCross-EntropyBenchmark交叉熵基準MIM