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量子計算は量子ビットを基本単位とし、量子重ね合わせや干渉などの原理を利用して並列計算を実現し、計算の複雑な問題を解決する過程で指数関数的な加速を提供することが期待されており、重要な戦略的意義と科学的価値を持ち、将来の計算能力の飛躍的な発展を実現する重要な方向の一つである。世界の主要国は関連技術の研究開発、応用探索、産業エコシステムの育成を継続的に深化させており、国際競争はますます激化している。現在、量子計算は技術的な攻撃と応用探索の重要な段階にある。超伝導、イオントラップ、中性原子、光量子、シリコン半導体などの技術ルートにおける研究探索とプロトタイプエンジニアリングの開発は着実に進展しており、金融、化学、バイオ、交通、人工知能などの業界分野での応用探索が深まっている。量子 - 古典融合計算は業界の注目の焦点となり、ベンチマーク評価研究は着実に進展しており、テクノロジーの巨人とスタートアップ企業の発展は活発に維持されている。国内外では産業連盟の構築が積極的に推進されており、業界は量子計算クラウドプラットフォームや公共インフラなどのプラットフォームを活用して産業エコシステムの構築を加速しており、エコシステムは徐々に拡大している。

一、世界的に量子計算の配置が深化し、急速な発展期に入っている （一）量子計算は破壊的な変革をもたらすことが期待され、国際的な競争の焦点となっている 量子計算は量子ビットを基本単位とし、量子重ね合わせや干渉などの原理を利用して情報処理を実現する計算手法であり、古典計算では比類のない情報表現能力と超強力な並列処理能力を持ち、特定の計算複雑な問題を解決するために指数関数的な加速を提供する。量子計算は「第二次量子革命」の重要な象徴であり、計算能力の飛躍的な発展を促進し、伝統的な技術体系の情報処理と問題解決のモデルを覆し、経済社会の発展に前例のない機会をもたらすことが期待されている。量子計算は、世界の主要国間での総合国力競争を展開し、国家技術主権を維持する焦点の一つとなっている。近年、世界の主要な科学技術国は量子計算分野の計画と配置を強化しており、30 以上の国が量子計算を重点とした量子情報分野の計画と配置を行っている。

アメリカは世界で最初に量子計算の研究を開始した国の一つであり、政府の指導を基に量子計算の発展を推進することに重点を置いている。国家戦略の配置は、トップダウン設計、組織メカニズム、特別計画、エコシステムの構築などの複数の次元にわたって展開されている。2023 年 12 月、アメリカ国家科学技術委員会は「NQI 2024 年年報」を発表し、報告によれば、アメリカは量子情報分野において実際の投資が NQI 法案の原計画の 5 年間での投資 127.5 億ドルを超え、2019-2023 年の累計投資は 393.9 億ドル、2024 年の投資は 96.8 億ドルが見込まれており、その中で量子計算の投資比率が最も高く、5 年間で約 140 億ドルの投資が行われる。ヨーロッパの国々は 1990 年代から量子計算の発展に関心を持ち、持続的に支援してきた。近年、ヨーロッパの国々は量子情報に関連する一連の戦略と特別計画を展開し、世界の量子技術競争で主導権を獲得することを目指している。2024 年、EU は新しい量子フラッグシップ計画「戦略研究と産業アジェンダ」を発表し、量子計算などの 4 つの主要分野で短期（2027 年）と中期（2030 年）の発展目標と提案をそれぞれ提示し、基礎研究の推進、産業化の促進、基盤施設の強化などの方法を通じて、ヨーロッパが量子技術、産業エコシステム、重要なエンジニアリング要素の分野でリードを実現することを目指している。我国は量子計算を代表とする量子情報分野の発展を非常に重視しており、国家実験室の設立や重大な科学技術プロジェクトの実施などの措置を通じて、全面的な研究配置を形成することを推進している。2024 年の「政府工作報告」では、新興産業と未来の産業分野を積極的に育成し、未来の産業発展計画を策定し、量子技術、ライフサイエンスなどの新しいトラックを開拓し、未来の産業先導区を創設することが言及されている。

• 近年、我国では 20 以上の省市が地方の「十四五」科学技術と情報技術産業発展計画において、量子計算の基礎研究、応用探索、産業育成などの分野に対する計画を提案し、量子計算技術の研究開発、応用探索、産業育成などの方向に主に焦点を当てた措置を講じている。 さらに、イギリス、日本、カナダ、インド、オーストラリア、デンマーク、韓国、アイルランド、シンガポールなどの国々も量子計算の発展を非常に重視しており、次々と量子情報発展戦略を発表し、トップダウンの計画、特別計画、組織メカニズム、最前線の研究、応用探索、産業育成、人材育成などの分野で量子計算の競争力を高めることを目指している。

（二）技術革新が活発に進行し、先端科学研究のホットスポットとなりつつある 量子計算技術の革新は活発に進行しており、先端科学技術分野の研究のホットスポットとなりつつある。近年、世界の量子計算に関する研究論文の発表数と特許数は次の図に示されている。

世界の量子計算論文の発表数は約 10 年間で約 4 倍に増加しており、この増加率は量子計算の研究活発度が高まっていることをある程度反映している。発表の傾向を見ると、2013 年から 2017 年の論文の年次増加量は比較的小さく、平均して年間約 70 件の増加であった。しかし、2017 年からは増加速度が明らかに加速し、特に 2019 年から 2021 年にかけては、年間の増加量が 300 件を超えた。過去の増加傾向に基づくと、今後数年間も世界の量子計算論文の発表数は引き続き増加し、関連研究が増加し続けると予想される。

2013 年から 2023 年の間に、世界の量子計算に関する発明特許の出願数は合計 15437 件、世界の承認総数は 5417 件である。出願の傾向を見ると、2013 年から急速な発展段階に入り、年間出願数は急速に増加し、2021 年には 2866 件のピークに達し、2022 年には出願数がわずかに減少し、2023 年の出願数は公開の遅延の影響を受けて減少したが、依然として上昇傾向を維持すると予想される。承認の傾向を見ると、2013 年から安定した増加状態を示し、2023 年には 1384 件のピークに達し、2024 年度の承認数は統計時間の影響を受けて減少するが、年間の承認数は依然として上昇傾向を維持すると予想される。

量子計算論文数の上位 10 カ国の統計状況は次の図に示されており、各国の量子計算研究の成果と影響力を反映している。発表数の観点から見ると、アメリカと中国がそれぞれ 5430 件と 4813 件でトップ 2 を占めており、他の国を大きくリードしている。これは両国の量子計算研究の活発度と先進的な地位を反映している。ドイツ、イギリス、日本がそれに続き、発表数はそれぞれ 1955 件、1441 件、1421 件であり、強力な研究活発度を示している。平均被引用頻度（すなわち、平均して各論文の被引用頻度）の分布状況によると、オーストラリアは平均被引用 41 回で首位に立っており、関連研究の高い認知度と影響力を示している。アメリカとカナダの平均被引用頻度はそれぞれ 38 回であり、ドイツとイギリスも同様に高い影響力を示している。中国は論文数ではアメリカに次ぐが、平均被引用頻度は相対的に低く、19 回であり、これは我国の高水準の論文数が向上の余地があることを示している。

量子計算には異なる技術ルートが含まれており、超伝導量子計算、イオントラップ量子計算、中性原子量子計算、光量子計算、シリコン半導体量子計算などの 5 つの主流技術方向の研究論文数の統計は次の図に示されており、量子計算の異なる細分野の注目度を反映している。見ると、5 つの技術ルートは広く注目されており、発表数は上昇傾向を示している。その中でも、超伝導量子計算と中性原子量子計算の論文発表数の増加が特に顕著である。

量子計算特許出願の主な出所国の状況は次の図に示されており、主要国 / 地域の量子計算技術の産出と貢献を反映している。量子計算特許の主な出所国は中国とアメリカで、それぞれ 39% と 28% を占めており、さらに日本、ヨーロッパ、韓国などの国 / 地域も約 5%、3%、2% の特許出願数を持っている。これは、上記の国 / 地域が量子計算分野で高い技術革新能力と活発度を持っていることを反映しており、中国とアメリカの技術産出量と貢献度が最も顕著である。

二、量子計算技術研究が秩序正しく進行しており、依然として多重の課題に直面している

（一）多技術ルートが競い合い、短期的には焦点を形成するのが難しい 現在、量子計算は多様なハードウェア技術ルートが並行して発展している状況にある。現在の異なる技術ルートは 2 つのカテゴリーに分類できる。一つは超伝導ルート、シリコン半導体ルートを代表とする人工粒子ルートであり、もう一つはイオントラップルート、中性原子ルート、光量子ルートを代表とする天然粒子ルートである。前者は拡張性などの面で優位性を持つが、論理ゲートの保真度や量子ビットの制御などの指標の向上において加工プロセス条件への依存度が高い。後者はビットの全同一性と高い論理ゲート精度などの利点を持つが、より大規模なシステムの実現には困難が伴う。近年、多くの技術ルートの量子ビットの規模、品質、脱相関時間などの重要指標が持続的に最適化され、技術レベルは着実に向上しており、依然として多様性と競争性のある発展の構図を維持しており、ルートの収束には大きな不確実性があり、短期的には焦点を形成するのが難しい。

超伝導技術ルートは超伝導ジョセフソン構造を基に二エネルギーシステムを構築し、拡張性が良く、操作が容易で、集積回路技術と互換性があるなどの利点を持ち、最も注目され、発展が比較的迅速な技術ルートの一つである。近年、超伝導量子計算のプロトタイプ機の開発は新たな成果を上げており、2023 年末には IBM が 1121 量子ビットの超伝導量子プロセッサ「Condor」と 133 量子ビットの超伝導量子プロセッサ「Heron5」を発表した。2024 年には中国科学院が 504 ビットの超伝導量子計算チップ「骁鸿」を開発した。北京量子院の共同チームは 5 つの 100 ビット規模の量子チップと古典計算リソースの融合を実現し、総量子ビット数は 5907 に達した。本源量子は 72 ビットの超伝導量子ビットチップ「悟空芯」をオンラインにした。超伝導ルートに基づく研究成果は次々と現れ、深圳量子院の共同チームは分散型超伝導量子プロセッサを基にトポロジー相のシミュレーションの実現可能性を検証した。Terra Quantum はねじれた銅酸塩のファンデルワールス異質構造に基づいて Flowermon 型超伝導量子ビットを実現した。清華大学の共同チームは超伝導量子プロセッサ上でフィボナッチ任意子の編み込みをシミュレーションし、実験結果から得られたフィボナッチ任意子の量子次元は理論の黄金比 1.618 に非常に近い。全体的に見て、超伝導量子計算ルートはビットの規模、品質などの技術指標の突破が比較的迅速であり、依然として最も注目される量子計算技術ルートの一つである。イオントラップ技術ルートは、射頻電場に囚われたイオンの超精細またはゼーマンエネルギーレベルを量子ビットのキャリアとして利用し、レーザーやマイクロ波によってコヒーレントに制御する。イオントラップ量子ビットの全接続性は、制御精度やコヒーレンスタイムなどの面での利点を持つ。近年、囚われたイオンの数、論理ゲート操作の保真度などの重要指標が持続的に向上し、エンジニアリング技術の研究が深まっている。2023 年末、清華大学の共同チームはイオントラップシステムを利用して、複雑な量子回路に対する量子誤差緩和技術の誤差除去能力を示した。2024 年、Quantinuum のイオントラッププロトタイプ「Model H1」では、単一 / 二量子ビット論理ゲートの保真度がそれぞれ 99.9979% と 99.914% に達し、量子体積は 104857613 に達し、56 ビットの量子ビットイオントラッププロトタイプ「Model H2-1」を発表し、単一 / 二量子ビット論理ゲートの保真度がそれぞれ 99.997% と 99.87% に達した。清華大学は 512 イオンの二次元アレイの安定した囚われ冷却を実現し、300 イオンの量子ビットの量子シミュレーション計算を行った。Oxford Ionics はイオントラップ技術とシリコンチップ技術を組み合わせて、より優れた拡張性と低ノイズ特性を持つ新型電子量子ビット制御技術を発表した。イオントラップ量子計算ルートは、量子ビットの大規模拡張、高集積度の測定制御、モジュール化された相互接続などのボトルネックの課題に直面しており、今後のルート競争で際立つことができるかどうかはさらなる追跡が必要である。中性原子技術ルートは光ピンセットや光格子を使用して原子を囚われ、レーザーで原子をリードバーグ状態に励起して論理ゲート操作や量子シミュレーションの進化を行い、コヒーレンスタイム、制御精度、拡張性の面で一定の利点を持つ。近年、ビットの規模拡張や中性原子ルートに基づく研究成果が多く見られる。2024 年、ドイツのダルムシュタット工科大学は 1305 個の単原子量子ビットアレイの制御実験成果を発表した。Infleqtion は原子量子計算のロードマップを発表し、2024 年に 1600 個の量子ビットプロトタイプを発表する予定である。イギリスの国家量子計算センターはアメリカの QuEra、Infleqtion などの企業と商業契約を締結し、中性原子量子計算プロトタイプを展開し、テストプラットフォームを構築している。Pasqal は 2080 個のトラップ位置の中で約 1110 個の原子を成功裏に捕獲した。最近、中性原子ルートの研究と実験などの面で目立った成果を上げており、今後は量子シミュレーション応用などの面で突破口を生むことが期待されており、多技術ルートの競争の中で急速に台頭している。光量子技術ルートは光子の複数の自由度を利用してエンコーディングを行う。

図 10 量子計算の主要ハードウェア技術ルートの主要指標の比較概要

全体的に見て、多くのハードウェアルートの技術的突破の難易度と発展応用の見通しには差異があり、それぞれに利点と欠点がある。現在も並行発展の段階にあり、どの体系が最適かは明確な結論が出ていない。現在の量子計算プロトタイプの性能レベルは、大規模な耐障害性のある汎用量子計算を実現するには依然として大きなギャップが存在し、技術的攻撃の核心要素は高精度の拡張量子計算プロトタイプのビット規模であり、これは量子ビットの設計、製造、制御などの面で巨大な課題に直面している。今後も学術界とエンジニアリング界が協力して攻撃を進める必要がある。

（二）量子誤り訂正研究が深まっており、実用化のギャップは依然として明白である

量子誤り訂正は量子ビットをノイズなどの干渉から保護するために使用され、量子コンピュータがその巨大な潜在能力を真に発揮できるようにする重要な要素の一つである。

量子誤り訂正の基本的な考え方は、冗長な量子ビットを使用して量子ビット内のエラーを検出し修正することによって、元の量子状態を復元することである。これらの冗長な量子ビットは量子誤り訂正コードと呼ばれ、環境ノイズや干渉が強い場合でも量子計算の正確性を保証する役割を果たす。古典的な誤り訂正コードと比較して、量子誤り訂正コードの構築はより複雑であり、これは量子システム自体の特性によるものである。たとえば、量子状態の複製不可能性は、非直交の未知の量子状態の正確な複製を制限するため、量子誤り訂正コードは単純な複製操作を利用して冗長性を増加させることができない。量子誤り訂正の概念が提唱されて以来、さまざまな原理を用いた量子誤り訂正符号の実装が登場しており、その中でも表面コードは二エネルギーエンコーディング方式の一つであり、拡張性が良く、近接物理ビットの相互作用のみを必要とし、耐障害性の閾値が高く、複数のルートに適用可能であるため、業界で広く注目されている。量子計算のハードウェアレベルが向上するにつれて、量子誤り訂正の研究はより良い物理的基盤を持ち、研究は継続的に深まっており、多くの新たな進展を遂げている。

2024 年、Alice&Bob 社の共同チームはボソン猫状態の量子ビットと量子低密度奇偶校正コードに基づく誤り訂正エンコーディングの提案を行い、1500 個の物理量子ビットを基に 100 個の高信頼性の論理量子ビット（エラー率 < 10−8）を実現した。清華大学の共同チームはボソンエンコーディングに基づく誤り訂正の提案を行い、複数の論理量子ビットに適用してエンタングルメント保護を実現し、エンタングルメント論理量子ビットのコヒーレンスタイムを 45% 向上させ、初めて論理量子ビットを用いてベルの不等式を実験的に証明した。IBM は量子低密度奇偶校正コードに基づく誤り訂正の提案を行い、0.7% のエラー閾値を実現し、物理エラー率が 0.1% であると仮定した場合、288 個の物理量子ビットを使用して 12 個の論理量子ビットを保護できることを示した。Quantinuum の共同チームは 30 個の物理量子ビットを利用して 4 つの論理量子ビットを構築し、論理量子ビットのエンタングルメント時のエラー率を 10−5 に低下させ、エンタングルメント物理量子ビットの 8 × 10−3 のエラー率を約 800 倍低下させた。近年、量子計算のハードウェア性能と誤り訂正関連の制御技術の急速な発展に伴い、量子誤り訂正の研究と実験検証は継続的に深まり、多くの進展を遂げているが、現在の論理量子ビットの最低エラー率は量子計算の実用化要件から依然として大きなギャップが存在しており、今後は以下の複数の側面で攻撃を進める必要がある。高次元量子リソースに基づく冗長性を実現する量子誤り訂正の研究、分散型量子誤り訂正アーキテクチャの探索、特定のノイズに対して免疫を持つ量子システムの制御の実現、実用化ニーズに合った量子誤り訂正の評価システムの構築、耐障害性のある量子論理ゲートの関連操作の探求など。総じて、実用化された量子誤り訂正は業界の重点研究と攻撃の方向の一つとなっており、量子誤り訂正に基づく論理量子ビットの構築は次の重要なマイルストーンとなる。これを実現するためには、今後も継続的な研究と攻撃が必要である。

（三）量子計算ソフトウェアが多様に発展し、成熟度の向上が求められる 量子計算ソフトウェアは開発者に量子計算ハードウェアを使用し、量子アルゴリズムを実行するための必要なツールを提供し、急速に発展している段階にある。量子計算ソフトウェアは構造化されたツールの集合であり、量子計算の原理に基づいて開発設計され、異なる技術ルートに対してアプリケーション開発能力、コンパイル能力、ハードウェア測定制御能力、EDA 設計開発能力などを提供する。業界は複数の方向で配置を展開しており、体系的なアーキテクチャが徐々に形成されている。

その中で、アプリケーションソフトウェアは異なる業界の要求に合わせてニーズマッピングを行い、コンパイラソフトウェアはソフトウェア開発機能を実現するための基盤であり、測定制御ソフトウェアは量子コンピュータの正常かつ効率的な運用を支える保障を提供し、EDA ソフトウェアは量子計算ハードウェアの研究開発と製造のエンジニアリングレベルを向上させるための鍵となる。異なる量子計算ソフトウェアの機能はそれぞれ特徴があり、ユーザーが使用する過程で各自の役割を果たしている。

アプリケーションソフトウェアは量子プログラムの作成と操作のためのツールセットを提供し、アルゴリズムライブラリ、開発コンポーネント、デバッグ最適化ツールなどを含み、開発者がさまざまな複雑な量子プログラムを設計し実現し、実行結果を得ることをサポートする。

• 2024 年、Quantinuum は量子自然言語処理ソフトウェア「lambeq」0.4.0 バージョンを発表し、使いやすさを改善しつつ文字列グラフ処理速度を向上させた。HQS はライプニッツスーパーコンピュータセンターに量子シミュレーションソフトウェア「HQS Noise App」を納入し、量子力学システムのシミュレーションに使用できる。マイクロソフトの Azure Quantum Elements ソフトウェアは、化学と密度汎関数理論の加速の 2 つの新機能を発表し、ユーザーが化学と材料科学の研究を行うのを支援する。今後、アプリケーション開発ソフトウェアはアプリケーションシーンの研究を拡大し、計算問題のタイプを豊富にし、アルゴリズムの実行効率を向上させ、ハードウェアバックエンドを越えた支援能力を高める必要がある。コンパイラソフトウェアは量子プログラミングの境界を規定し、量子プログラムの正しいコンパイルと実行を実現し、コンパイル操作を調整し制約するための一連の文法ルールを提供する。

• 2023 年末、NVIDIA は量子回路シミュレーションソフトウェア cuQuantum 23.10 バージョンを発表し、API 機能を更新し、NVIDIA Grace Hopper システムのサポートを提供した。2024 年、IBM は更新版 Qiskit ソフトウェアを発表し、量子ハードウェア回路の最適化速度とストレージリソースの占有量などの性能を向上させた。インテルは量子ソフトウェア開発ツールキット 1.1 バージョンを発表した。Quantum Circuits は、アルゴリズムの実行中に量子ビットのエラー検出をリアルタイムで管理するための統合型量子ソフトウェアを発表した。コンパイラソフトウェアは今後、継続的な更新と反復の基盤の上に、ソフトウェアとハードウェアの協調コンパイル能力を向上させ、スケジューリング、最適化、デバッグなどのコア機能を改善する必要がある。測定制御ソフトウェアは主に量子計算ハードウェアの制御、処理、計算に使用され、測定結果のフィードバックやチップのキャリブレーションなどの機能をサポートする。

• 2024 年、Isde Technology は Q-CTRL の Boulder Opal ハードウェアの最適化と自動化機能をその量子制御システムに統合し、より優れた量子プロセッサの特性評価と最適化機能を提供する。QuantrolOx は量子ビット自動化制御ソフトウェアプラットフォーム Quantum Edge を発表し、量子チップの監視、ワークフローの自動化、データの可視化をサポートする。

• 測定制御ソフトウェアが直面する課題は、量子誤り訂正のサポート能力、物理ビットと論理ビットのマッピング能力、自動化とプロセス化などの側面に主に表れている。EDA ソフトウェアは量子計算チップの設計、最適化レイアウト、シミュレーション検証、製造テストなどの機能を提供する。

• 2024 年、Isde Technology は超伝導量子プロセッサ設計向けの EDA シミュレーションツール QuantumPro を発表し、回路原理図設計、レイアウト構築、電磁解析、非線形回路シミュレーション、量子パラメータ抽出などの機能を実現する。

• EDA ソフトウェアは今後、機能の完全性、シミュレーション効率と正確性、最適化効果などの面で継続的に改善し、量子チップの設計効率と品質を向上させる目標を実現する必要がある。現在、量子計算機のハードウェア技術ルートはまだ最終的に決定されておらず、汎用体系アーキテクチャも完全に統一されていないため、現在の量子計算ソフトウェアは開発設計とエコシステム構築の初期段階にあり、多様化と差異化の発展傾向を示しており、異なるタイプのソフトウェアの機能はそれぞれ異なるが、技術の成熟度、安定性、ユーザー体験などの面では古典的なソフトウェアの完成度には遠く及ばない。ハードウェア能力の向上とアルゴリズムの改善に伴い、今後の量子計算ソフトウェアは量子プログラミング言語、アルゴリズムライブラリ、量子中間表現、ハードウェアインターフェース、最適化などの重要な環節で継続的に推進し、より効率的で信頼性の高い量子計算アプリケーションの実現に向けた基盤を築く必要がある。

（四）支援保障システムがますます重要になり、指標のさらなる向上が急務である 量子状態情報は複雑な環境ノイズの干渉や量子システム内部の非理想的特性などの要因によって破壊されやすいため、量子コンピュータの運用には極めて厳しい環境支援システムと高精度の測定制御システムが必要である。量子計算支援保障システムは技術研究とプロトタイプエンジニアリング開発の重要な構成要素であり、核心的な制御要素であり、主に環境設備、測定制御システム、重要な設備コンポーネントなどの部分から構成されており、異なる部分はボトルネックの課題に直面している。 環境設備は量子コンピュータの安定した運用を保障するための必要な支援部分と基盤施設であり、主に超大功率希釈冷却機、GM 脈管冷却機、超高真空腔およびポンプグループなどを含む。

2024 年、Bluefors は超コンパクト版 LD 希釈冷却システムを発表した。近年、我国は希釈冷却機などの設備においても多くの成果を上げており、国盾量子 ezQfridge 希釈冷却機は納入テストを完了した。本源量子は自社開発の本源 SL1000 希釈冷却機を発表した。異なる技術ルートの量子コンピュータが必要とする環境設備は異なり、今後も技術レベル、核心指標、設備のエンジニアリング、小型化、統合化などの面で技術的ボトルネックを突破する必要がある。正確な量子制御技術と高効率の読み出し技術は、信頼性のある単一量子ビットの実現に向けて重要である。

三、量子計算の応用探索が継続的に進展し、実用化の突破が求められている

（一）多分野での応用探索が進行し、実用化の突破が加速される必要がある 現在、量子計算は最前線の研究から応用の実現への突破の重要な段階にあり、広範かつ活発な多方面の応用探索が量子計算技術を応用に向けて推進する鍵となっている。業界は特定の応用シーンを見つけるために積極的に取り組んでおり、将来的には異なる業界の応用分野にサービスを提供することを目指している。典型的な応用分野には金融、化学、バイオ、交通、人工知能などが含まれる。

図 12 に示すように、マッキンゼーが 2024 年に発表した「量子技術モニタリング」研究報告によれば、量子計算は今後 5〜10 年で加速的に発展し、2035 年には市場規模が万億ドル規模に達する可能性がある。

金融分野には多くの量子計算の潜在的な応用シーンが存在し、金融リスク管理、投資ポートフォリオ分析、シミュレーション量子取引、金融市場予測などが含まれる。2023 年末、Multiverse Computing とムーディーズ社は共同で QFStudio プラットフォームを発表し、金融分野の応用探索に量子計算ソリューションを提供した。2024 年、シカゴ量子取引所は報告を発表し、量子計算が金融分野で最適解の取得時間を短縮し、予測精度を向上させるなどの多くの効果を実現する可能性があると述べた。シティバンクは Classiq と共同で Amazon Braket プラットフォームを基に投資ポートフォリオ最適化のための量子ソリューションを研究し、期待されるリターンとリスクレベルに基づいて性能の優れた投資ポートフォリオを構築した。化学分野での量子計算の応用は、化学分子構造や化学反応のシミュレーションに利用され、これを基により効率的で低エネルギー消費の化学品設計が行われる。2024 年、BP と ORCA は混合量子 - 古典機械学習手法を用いて分子構造を生成するモデルを構築し、量子計算が化学分野の機械学習アルゴリズムの性能を向上させる可能性を探求している。マイクロソフトはアメリカエネルギー省の太平洋北西国立研究所と協力して、量子計算を利用して新型バッテリー材料を少数に絞り込む実験を行い、選別時間を大幅に短縮できることを示した。ケベック水電会社は量子計算を利用して複雑なエネルギー問題を解決する方案を探求し、エネルギー需要の予測や持続可能なエネルギーシステムの設計と運用に利用される。バイオ分野での量子計算の応用は、主に早期の病気診断、薬物開発とスクリーニング、薬物テスト、ゲノムデータ研究、タンパク質構造予測などのシーンに焦点を当てている。

2024 年、ボリンガーインゲルハイム量子ラボは論文を発表し、薬物発見分野における量子計算機の応用状況を探求し、量子計算が将来的に薬物設計分野で実用化応用を生む可能性があると述べた。IBM とクリーブランドクリニックは共同で量子 - 古典混合手法を利用してタンパク質構造を予測し、予測精度を効果的に向上させた。Novonesis と Kvantify は共同で混合量子 - 古典計算手法を用いて炭酸脱水酵素の酵素反応計算をデモンストレーションし、バイオプロセス研究や産業二酸化炭素捕獲を支援することが期待されている。交通分野での量子計算の応用は、交通流量最適化アルゴリズムやリアルタイム予測、経路の即時動的計画などのシーンに利用される。

2024 年、IonQ はドイツ基礎科学研究センターと共同で量子計算を用いてフライトゲートの最適化を行い、乗客の乗り継ぎ時間や飛行機の停留時間を短縮しつつ、ゲートサービスの効率を向上させた。Pasqal と Thales 社は中性原子量子プロセッサを基に、衛星計画問題の解決における量子計算の可能性を示した。シンガポール量子技術センターは 8 ビットと 13 ビットの量子ビットを使用して 128 ルートと 3964 ルートの車両経路問題を解決し、組み合わせ最適化問題の解決効率を向上させた。

（二）量子計算クラウドプラットフォームの提供者が増加し、機能の強化が求められる 現段階では、量子計算機はソフトウェアとハードウェアの使用の敷居が高く、ハードウェア環境の要求が厳しく、運用コストが高額であるため、企業や個人ユーザーがローカルでの展開が難しい。この背景の中、量子計算クラウドプラットフォームが登場し、量子計算と古典的なクラウドサービスを融合させ、ネットワークを通じてユーザーに量子計算機のリモートアクセス機能を提供している。量子計算クラウドプラットフォームは、その柔軟なサービスモデル、便利なアクセス方法、豊富な応用シーンにより、量子計算の重要な発展方向の一つとなりつつあり、将来的には量子計算サービスを提供する主要な応用形式となることが期待されている。世界には数十の量子計算クラウドプラットフォームが登場しており、典型的なクラウドプラットフォームは次の図に示されており、発展は盛況な様相を呈している。

現在、量子計算クラウドプラットフォームが提供できる量子計算処理器には、超伝導、イオントラップ、中性原子、光量子、シリコン半導体などの技術ルートがある。量子計算クラウドプラットフォームのバックエンドハードウェアの接続モデルは主に 3 つのタイプに分けられる。第一のタイプは自社開発機器接続モデルで、クラウドプラットフォーム提供者は量子計算ハードウェアの自主開発能力を持ち、クラウドプラットフォーム上で自社開発の量子計算機または古典的な計算能力に基づく量子シミュレーターを提供している。代表的な企業や機関には IBM、IonQ、Xanadu、Rigetti、本源量子、国盾量子、北京量子院などがある。第二のタイプはクラウドサービス接続モデルで、クラウドプラットフォーム提供者はそのクラウドサービス能力を活かし、クラウドプラットフォーム上で他のサプライヤーのソフトウェアとハードウェアを接続している。代表的な企業や機関にはマイクロソフト、アマゾン、Strangeworks、Arc Quantum、中国移動、中国電信などがある。第三のタイプは融合型接続モデルで、上記の 2 つの接続モデルを統合したものであり、自社開発ハードウェアを接続するだけでなく、他のサプライヤーのハードウェアリソースも呼び出すことをサポートしている。IBM の量子計算クラウドプラットフォームを例にとると、このプラットフォームは自社開発の量子プロセッサと Rigetti、Xanadu、AQT、IonQ などのサプライヤーのハードウェアリソースを接続することができる。国際的には、IBM、Google、Microsoft などのテクノロジー巨人や IonQ、Xanadu、Rigetti などのスタートアップ企業が量子計算クラウドプラットフォームの配置を進めており、量子計算処理器、シミュレーター、開発ツールなどのサービスを提供することで、多くの開発者、研究者、企業ユーザーを惹きつけている。

2023 年末、IBM は Q-CTRL 社のエラー抑制技術ソフトウェア Q-CTRL Embedded をそのクラウドプラットフォームに統合し、テストによればエラー抑制後に実行可能な量子アルゴリズムの複雑性が 10 倍増加し、成功率が約 1000 倍向上した。IonQ は Amazon Braket プラットフォーム上で Forte 量子コンピュータを提供している。アマゾンは Amazon Braket クラウドプラットフォームで「Braket Direct」プランを発表し、ユーザーは特定の量子プロセッサの計算能力を設定された時間内に保持でき、待機する必要がない。2024 年、AQT はドイツ電信と協力してユーザーに量子コンピュータのクラウドアクセス能力を提供する。国内では、本源量子、国盾量子、Arc Quantum などの量子計算企業や中国移動、中国電信などの通信事業者が次々と量子計算クラウドプラットフォームを発表しており、これは量子計算企業がクラウドプラットフォームの発展を非常に重視していることを示すだけでなく、通信事業者が量子計算がネットワーク性能の向上や安全な通信の強化において潜在的な価値を認識していることを反映しており、量子計算の応用と産業化の進展を共同で推進することに取り組んでいる。

2023 年末、中国移動のクラウド能力センターとボソン量子は共同で「五岳量子計算クラウドプラットフォーム —— 恒山光量子算力プラットフォーム」を発表した。中国移動の「五岳」量子計算クラウドプラットフォームは、多様な量子算力のネットワーク化、多様な量子アルゴリズムプログラムの設計、多様な量子シーンアルゴリズムなどの技術方向を配置し、量子計算の応用の境界を拡大することを目指している。2024 年、北京量子院は中国科学院物理研究所、清華大学と共同で Quafu 量子クラウド算力クラスターを発表し、このプラットフォームは 5 つの 100 ビット規模の量子チップリソースを提供し、古典的な計算リソースと融合している。中国科学院量子情報と量子技術革新研究院は 504 ビットの量子計算チップ「骁鸿」を開発し、今後は中国電信量子グループの「天衍」量子計算クラウドプラットフォームなどを通じて世界に開放する予定である。Qik Quantum は量子 - 古典混合算力クラウドプラットフォーム「<Qu|Cloud>」を立ち上げ、20 ビットのイオントラップ量子計算処理器と CPU/GPU ベースの量子計算シミュレーターを接続し、さまざまなプログラミングモードとアルゴリズムライブラリをサポートする。全体的に見て、国内の量子計算クラウドプラットフォームは、クラウドプラットフォームの機能、応用探索、ビジネスモデル、ユーザーの影響力などの面で国際的な先進レベルと比較して依然として大きなギャップがあり、今後もさらなる向上が求められる。量子計算クラウドプラットフォームは、ユーザーが量子計算リソースにアクセスし、実験検証や応用探索を行うための重要な支援ツールの一つとなっている。量子計算技術の進展とクラウドプラットフォームの機能の成熟に伴い、今後の量子計算クラウドプラットフォームは以下の 3 つの発展傾向を示すことが期待される。一つはサービスモデルの革新と拡大であり、現在のインフラサービスからより豊富なプラットフォームサービスとアプリケーションサービスへと進化することである。二つ目は、プラットフォーム間や業界間の深い融合と協力を促進し、多分野の量子計算の応用と実現を推進することである。三つ目は、インテリジェントで自動化された運用管理とセキュリティ保護システムの構築であり、ユーザー体験とデータセキュリティレベルを向上させることである。量子計算クラウドプラットフォームの発展には、業界が複数の方向で共同で推進する必要がある。まず、研究開発への投資を継続的に増加させ、量子計算技術の成熟度と安定性を向上させ、量子計算クラウドプラットフォームの長期的な安定運用を支える必要がある。次に、データセキュリティとプライバシー保護メカニズムの構築を強化し、ユーザーデータの安全性を確保する必要がある。最後に、標準化と相互運用性の発展を促進し、異なるプラットフォーム間の相互利用の敷居を下げ、量子計算の普及と応用を促進する必要がある。

（三）ベンチマーク評価研究が着実に進行しており、成果と課題が共存している 量子計算プロトタイプの開発と応用探索の進展に伴い、ベンチマーク評価が徐々に注目されるようになり、量子計算システムの性能を正確かつ効率的に評価する方法が業界の注目の焦点となっており、ユーザーに量子計算技術産業の発展レベルを分析するための重要な参考を提供している。量子計算のベンチマーク評価はハードウェアの性能指標を表現し、システム能力を評価するための重要な技術であり、量子計算の基盤ハードウェアの開発と応用の実現を推進するだけでなく、理論研究と実際の応用を結ぶ重要な橋渡しでもある。量子計算のベンチマーク評価の発展は非常に迅速であり、業界は次々と一連の評価基準方法を提案している。これらの基準方法は通常、量子ゲート操作の保真度テスト、量子ビットのコヒーレンスタイム評価、量子アルゴリズムの実行効率など、特定の機能を持つタスクを含んでおり、異なる量子計算システムに対して相対的に公平な比較手段を提供し、研究者がシステムの性能をより包括的に理解するのに役立つ。量子計算のベンチマーク評価体系のフレームワークは次の図に示されており、量子ビットレベル、量子回路レベル、システムレベル、アルゴリズムレベル、応用レベルなどの層次に分かれており、各層次の評価基準は異なる特徴と重点を示している。基盤の基準、例えば量子ビットレベルや量子回路レベルはハードウェアとの関連性が高く、さまざまな技術ルート間の違いを十分に反映することができる。基盤のパラメータ指標は比較的分散しており具体的であり、技術的詳細に精通した研究者が問題を正確に発見し、解決策を提案するのに便利である。層次が上昇するにつれて、例えばシステムレベルの基準は、量子計算の実用化に向けた重要な指標であり、量子計算の発展を促進するための重要な役割を果たす。

近年、業界は量子計算のベンチマーク評価研究を積極的に展開し、量子計算システムの総合性能をより客観的な方法で評価することを目指している。2023 年末、IBM は各層のゲートエラー（EPLG）を提案し、相互干渉をより正確に評価できるようになり、エラー緩和に必要な回路数を推定するのにも使用できるようになった。また、1 秒あたりの回路層操作数（CLOPSh）の定義を更新し、ハードウェア性能をより実際に反映できるようにした。EPLG、CLOPSh、そして IBM が最初に提案した量子体積（QV）の 3 つの指標は、規模、品質、速度の 3 つの次元から量子計算システムの性能を比較的包括的に評価することができる。2024 年、QED-C はアプリケーション指向の評価基準セットを更新し、HHL、VQE、量子機械学習などのアルゴリズムに向けた評価基準を拡張し、計算結果の品質（最終基底状態エネルギー、分類精度など）や計算コストなどのパラメータを導入して量子計算性能を評価する。アメリカの DARPA は新しい量子ベンチマークテストプログラム（QBI）を開始し、量子計算アルゴリズムと応用に対するベンチマークテストを行い、産業レベルの量子コンピュータの構築の実現可能性を評価する。量子計算技術の継続的な発展に伴い、さまざまなテスト基準の研究は非常に重要である。しかし、量子計算のベンチマーク評価研究は一連の課題にも直面しており、例えば基準の客観性や公正性などが業界の注目を集めている。2024 年、Quantinuum はその報告書で AQ 基準が特定の状況で量子コンピュータの性能を過大評価する可能性があると指摘しており、この過大評価は主にエラー緩和技術と回路コンパイル戦略の適用に起因している。これらの技術は特定の使用シーンで効率と正確性を向上させることができるが、全体的な性能評価を誤解させる可能性がある。したがって、異なる量子コンピュータの性能を評価し比較する際には、研究者はこれらの要因を考慮に入れ、評価結果の客観性と公正性を確保する必要がある。量子計算のベンチマーク評価研究は、発展状況の評価、業界の発展の推進、理論と実践の応用を結ぶ上で重要な役割を果たしている。現在、国内外で量子計算のベンチマーク評価に関する研究が深まっており、成果を上げる一方で多くの課題にも直面している。今後、業界は評価体系を継続的に改善し、評価基準を更新し、評価基準を確立することで、量子コンピュータの実際の性能をより正確かつ包括的に示し、業界の進歩を促進する必要がある。

（四）量子 - 古典融合が焦点となり、技術体系のアーキテクチャが重要である 量子計算技術産業は現在、活発に発展している段階にあるが、現在の量子コンピュータの操作と維持は依然として巨大な課題に直面しており、将来的な大規模商用化には理論的な優位性の証明から応用価値の実現へのギャップを越える必要がある。業界は次第に、単純な量子計算や古典計算ではすべての計算ニーズを満たすことが難しいことを認識し、両者を有機的に融合させてより強力な計算能力を形成する必要がある。この背景の中で、量子 - 古典融合計算は量子計算と古典計算を組み合わせ、両者の利点を十分に活用して複雑な問題を共同で解決することを目指している。

量子 - 古典融合計算は新しい計算モデルとして、2 つの基本的な特徴を持っている：混合と協調。混合は、1 つのシステム内に量子計算と古典計算が同時に含まれ、異種の計算能力を持つ混合計算を形成することを指す。量子コンピュータは汎用ゲート型量子コンピュータと専用量子コンピュータに分けられる。汎用ゲート型量子コンピュータは現在、超伝導、イオントラップ、中性原子、光量子、シリコン半導体などのさまざまな技術ルートが存在し、異なるルートは技術原理、性能指標、成熟度などの面で大きな差異がある。専用量子コンピュータは主に量子アニーラーとコヒーレントイジングマシンを含む。古典的なプロセッサは主に中央処理装置（CPU）や画像処理装置（GPU）を含む。異種の計算能力の融合は、汎用ゲート型量子コンピュータと専用量子コンピュータの間の混合だけでなく、さまざまな量子計算アーキテクチャと各種古典計算アーキテクチャの混合も含む。協調は、量子コンピュータが量子情報を処理することを指し、たとえば量子状態の準備や測定を行い、古典コンピュータは古典情報を処理することを指し、たとえば論理演算、浮動小数点演算、アルゴリズム分析や最適化などを行う。アルゴリズムとインターフェースを設計することによって、量子計算部分と古典計算部分が相互に協力し、計算タスクを共同で完了させることができる。量子コンピュータはデータの並列計算、行列計算、線形代数などの問題を解決するのに適しており、古典計算は論理演算、浮動小数点演算などの操作を得意とし、比較的完成されたプログラミング開発ツール、オペレーティングシステム、アルゴリズムライブラリを持っている。量子 - 古典融合計算の核心的な考え方は、量子計算の利点を利用して特定の問題の解決を加速し、同時に古典計算の安定性と使いやすさを借りて計算の正確性と信頼性を確保することである。

量子 - 古典融合計算技術体系の初歩的な提案は次の図に示されており、アプリケーション層、開発ツール層、アルゴリズム層、プログラミングフレームワーク層、タスクスケジューリング層、リソース管理層、物理リソース層などの 7 つの層に分けられる。アプリケーション層には量子 - 古典融合計算の典型的な応用分野が含まれており、量子金融、エネルギー材料、バイオ医薬、交通物流、情報通信などが含まれ、この層は主にパッケージ化されたソフトウェア、関数、またはカスタム開発の形式で業界ユーザーに計算サービスを提供する。開発ツール層は量子古典融合アルゴリズムの開発とデバッグのためのツールを提供し、Jupyter Notebook、WebIDE などが含まれる。アルゴリズム層はアプリケーション層に典型的な量子 - 古典融合アルゴリズムを提供し、代表的なアルゴリズムには変分量子固有ソルバー（VQE）、量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）、量子機械学習（QML）、量子ニューラルネットワーク（QNN）などが含まれる。プログラミングフレームワーク層はアルゴリズム開発に基本的なプログラミング言語とコンパイラツールを提供し、底層ハードウェアと上層アプリケーションソフトウェアの相互接続インターフェースを提供し、最終的に高級プログラム設計言語をハードウェア命令セットに変換し、底層ハードウェアに伝達する。タスクスケジューリング層は分解された量子タスクと古典タスクをスケジューリングし、さまざまな量子と古典の異種計算能力の間の協調を実現する。現在、主に異種並列スケジューリングとリモート並列スケジューリングの 2 つのタスクスケジューリング方式があり、前者は量子 - 古典システム間の低遅延通信を実現し、後者は比較的容易に実現される。リソース管理層は各種物理機、仮想機、Docker コンテナ、トポロジーの登録、監視、スケジューリングなどの機能を実現する。物理リソース層は最下層であり、古典リソースと量子リソースに分かれ、古典リソースには各種古典的な計算能力、ストレージ、運用インフラが含まれ、量子リソースにはさまざまな技術ルートの汎用ゲート型量子計算機、専用量子計算機、量子回路シミュレーターが含まれる。技術の継続的な突破に伴い、テクノロジー企業は量子 - 古典融合計算の重要性を認識し、関連研究に競って取り組んでいる。国際的には、NVIDIA は GPU 加速の量子計算システム NVIDIA DGX Quantum を発表し、このシステムは NVIDIA Grace Hopper アーキテクチャのスーパーコンピュータチップとオープンソースの量子 - 古典融合プログラミングモデル CUDA Quantum に基づいており、GPU と QPU 間の通信遅延をサブマイクロ秒レベルに低下させている。マイクロソフトはバッチ量子計算、インタラクティブ量子計算、統合量子計算、分散量子計算の 4 つの量子 - 古典融合モデルを提案し、リモート並列スケジューリングから異種並列モデルへの移行を進めている。アマゾンは Braket Hybrid Jobs ツールを発表し、量子 - 古典融合アルゴリズムの完全なホスティング編成を実現し、古典計算リソースと量子プロセッサのアクセス権を組み合わせ、量子回路のパラメータ化コンパイルをサポートし、ループ反復に基づく量子 - 古典融合アルゴリズムの実行プロセスを最適化する。IBM はロードマップで、2025 年に量子計算センターのスーパーコンピュータをデモンストレーションし、量子プロセッサ、古典プロセッサ、量子通信ネットワーク、古典ネットワークなどのインフラを融合させることを示唆している。

国内では、中微達信が古典的なコンピュータと多路量子測定制御の融合計算測定制御ユニットを発表し、PCIe インターフェースを基に