移动网络中量子计算应用能力评测白皮书1.0（2024 年）.docx

移动网络中量子计算应用

能力评测白皮书1.0

（2024年）

发布单位：中移智库

编制单位：中国移动通信研究院

2024年12月

前言

移动网络正由移动通信网络向移动信息网络演进升级，将融合通信、感知、计算、智能等多类网络功能，在信号处理、数据处理、网络优化、机器学习等方面面临巨大算法与算力挑战。量子计算是利用量子叠加、量子纠缠等量子效应的全新计算模式，原理上具有远超经典计算的强大能力[1]，得到众多高算力需求行业的关注，有望成为解决方案。

然而，当前量子计算机还处于含噪中等规模（NISQ）阶段[2]，计算能力参差不齐。量子计算机能否解决移动网络中真实问题，能否超越经典计算，哪些因素制约应用，未来商用还有哪些瓶颈，都还是开放性问题。

面对多样化移动网络算力需求、多样化量子计算技术路线和多样化量子算法范式局面，有必要探索有效的量子计算应用能力评测框架与方法，为移动网络引入量子计算提供选型参考，为应用储备工具。

本文以移动网络中真实计算需求案例为参考，提出量子计算应用能力评测框架，定义应用能力关键性能指标，探讨评测基准、评测方法和评测标准化需求。

限于编写组专业能力以及量子计算发展的难以预期性，本文仅给出该问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，持续给出更新版本。

本文由中国移动通信研究院编制，由崔春风、潘成康、郑沛林、王港曦、李永梅、易鑫等专家协同完成。本文由中移智库发布，版权归中国移动通信研究院所有。

目录

1.移动网络发展面临的算力挑战 1

2.量子计算带来的机遇与挑战 3

2.1量子计算优势 3

2.2量子计算技术挑战 3

2.3量子计算应用挑战 4

2.4量子计算应用评测必要性 5

3.量子计算应用能力体系框架 7

3.1总体框架 7

3.2移动网络计算需求 7

3.3量子硬件性能指标 9

3.4量子算法性能指标 10

3.5量子硬件与算法综合指标 11

3.6量子计算机扩展能力指标 11

3.7量子计算机部署能力指标 13

3.8应用能力成熟度指标 13

4.量子计算应用能力评测方法 15

4.1应用能力评测基本概念 15

4.2应用能力评测基本方法 17

4.3移动网络计算需求评估案例 18

4.4应用能力（量子算法级）评测案例 20

5.量子计算应用能力评测标准化需求 25

5.1应用能力评测标准化需求 25

5.2应用能力评测标准化展望 26

6.总结 30

缩略语 31

参考文献 32

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1.移动网络发展面临的算力挑战

移动网络正由移动通信网络向移动信息网络升级演进，在通信基础上，将引入感知、计算、智能等多项网络功能，并引入通信感知一体化、超大规模MIMO、去蜂窝网络（cell-free）、基于大模型的网络与空口、数字孪生网络等新技术，在大规模信号处理、大规模网络优化、大模型训练推理和网络大数据处理等方面，面临巨大的算法与算力挑战，如图1所示。

图1.移动网络发展面临的算力挑战

在信号处理方面，去蜂窝网络和超大规模MIMO面临高维MIMO信号处理挑战，包括MIMO信号检测、MIMO信道测量与反馈、MIMO预编码，涉及高阶MIMO矩阵乘、矩阵奇异值分解、矩阵求逆等运算，以及信号最大似然检测等寻优问题。一个典型案例是信号处理中的矩阵乘，例如未来去蜂窝场景512*8维MIMO矩阵，经典计算机求解复杂度虽然多项式级增长，但也带来极大的处理时延、资源消耗与功率消耗，相对与目前5G基站能耗来说更加不可持续。

在网络优化方面，传统的网络拓扑优化、路由优化和无线网络优化都随着通感算智融合与新技术引入而变得复杂。其中，无线网络优化进一步细分为网络覆盖优化、网络容量优化和网络能效优化等，属于典型的组合优化问题，目前经典计算（算法）通常采用元启发式算法，或贪心算法，只能给出满意解或可行解，无法给出最优解。随着优化规模的增加，甚至无法给出可行解。未来网络优化小区规模越来越大，一个典型案例是500小区联合覆盖优化问题。当每个小区有多个优化动作时（即使仅有两个选项，求解空间达2的500次方），经典计算机将无法求解。另一个典型案例是100个用户的多用户同频调度，核心在于如何在众

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多用户之间分配同频资源，达到保障用户优先级、降低干扰，提升吞吐量等关键系统性能指标。这是典型的组合优化