【量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟】量子信息技術(shù)應(yīng)用案例集 (2024 年)

量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)觀點(diǎn)、建議等，均不構(gòu)成投資或法律建議，也不應(yīng)替代律師意見本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有(注明是引自其他方的內(nèi)容除外)，并受法律保護(hù)。如需轉(zhuǎn)載需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用本報告文字、圖表或者觀點(diǎn)的，應(yīng)注明“來源：量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。違反上編制說明量子信息技術(shù)應(yīng)用案例成果由聯(lián)盟成員單位報送，經(jīng)聯(lián)盟會議討論后編成案例集。應(yīng)用案例的相關(guān)技術(shù)方案和應(yīng)用成果歸案例報深圳量旋科技有限公司、北京玻色量子科技有限公司、安徽省國盛量子科技有限公司、安徽問天量子科技股份有限公司、江蘇亨通問天量子信息研究院有限公司、國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司、國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司、國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、相干（北郭聰、巨江偉、袁為、胡小文、劉婧婧、方曉明、曾祥洪、王量子信息技術(shù)是量子科技重要組成部分，基于量子力學(xué)原理在提升信息處理速度、保障通信安全、提高測量精度及靈敏度等方面展現(xiàn)出了令人矚目的潛力，已成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點(diǎn)之一。未來，量子信息技術(shù)有望在前沿科學(xué)、信息通信和當(dāng)前，量子信息技術(shù)正逐步從概念驗證走向落地實(shí)踐，有望在不久的將來為行業(yè)用戶賦能，比如“量子計算+金融”、“量子保密通信+政務(wù)專網(wǎng)”、“量子精密測量+生物醫(yī)療”等。為加快量子信息技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用推廣，征集和展示量子信息技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索成果和前景，量子信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟持續(xù)組織開展應(yīng)用案例征集，已用探索案例，涉及量子計算、量子加密、量子精密測量等技術(shù)的應(yīng)用，展現(xiàn)了在教學(xué)、生命科學(xué)、信息傳輸?shù)刃袠I(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用探索進(jìn)展。經(jīng)聯(lián)盟會議討論，更新編制了《量子信息技術(shù)應(yīng)用案例集用發(fā)展現(xiàn)狀和面臨問題，為技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)培育提供參考。1 2 1案例一2一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景量子計算是一種基于量子力學(xué)原理的新型計算方式，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。我國也在積極參與其中，不斷深化對量子計算基本理論研究和實(shí)際應(yīng)用探索的步伐。在這個過程中，我國的高目前，許多大學(xué)已經(jīng)開始開設(shè)相關(guān)課程，旨在協(xié)助學(xué)生更深入地理解并掌握量子計算的理論知識和實(shí)踐技能。然而，由于量子計算涉及的概念和原理包括疊加態(tài)、糾纏態(tài)以及量子門等都是相當(dāng)抽象且復(fù)雜的內(nèi)容，這就對教師的教學(xué)水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力提出了(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)當(dāng)前，主流的教學(xué)方法仍是理論講解，尤其在處理復(fù)數(shù)和矩陣概念時，學(xué)生們常感到困難重重。因此，如何將抽象的量子理論具體化、形象化，使學(xué)生更直觀地理解量子計算，無疑成為了教學(xué)工作面臨的重大挑戰(zhàn)。這種情況凸顯出我們對一種能真實(shí)反映量子計為了解決上述挑戰(zhàn)，使學(xué)生能夠從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，我們迫切需要一種能真實(shí)反映量子計算過程的設(shè)備。然而，目前我國高校在這首先，目前大部分資源和資金都投入到量子計算研究的設(shè)備上，3而對教學(xué)設(shè)備的投入相對較少。這不僅限制了教學(xué)設(shè)備的獲取，也使得實(shí)際操作機(jī)會的提供成為一項挑戰(zhàn)。其次，市場上缺乏一個完全能夠展示量子計算所需工具和設(shè)備的產(chǎn)品，這無疑增大了教學(xué)難度。此外，雖然量子計算模擬器和云服務(wù)器能解決一部分的量子計算“答案”問題，但對于學(xué)生需要理解與接觸的真實(shí)量子狀態(tài)與運(yùn)行另一個重要的問題是，由于大部分經(jīng)費(fèi)和資源都集中在量子計算的研究設(shè)備上，教學(xué)設(shè)備采購經(jīng)費(fèi)一般受到一些限制，大多數(shù)高校在供教學(xué)的設(shè)備方面的供給不足，甚至有一些學(xué)校在缺乏設(shè)備的情況下，無法開展與量子計算相關(guān)的教學(xué)工作。此外，當(dāng)前研發(fā)使用的量子計算設(shè)備往往設(shè)計精細(xì)、操作復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)要求較高，因此并不能適應(yīng)廣大教學(xué)老師和學(xué)生群體的需求。這就需要我們在設(shè)計和開發(fā)量子計算教學(xué)設(shè)備時，充分考慮到其易用性和二、技術(shù)原理與優(yōu)勢4(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)量子計算的技術(shù)方案有很多種，其中基于核磁共振技術(shù)的量子計算機(jī)較多被用于教育和科研場景。核磁共振量子計算機(jī)中使用原子核自旋作為量子比特載體，自旋場中會由于塞曼效應(yīng)產(chǎn)生自旋向上和向下兩個能級，以這兩個能級作為|0>和|1>兩個量子比特狀態(tài)，通過發(fā)射射頻脈沖的方式，可以使激發(fā)自旋量子態(tài)，使其在向上和向下的能級之間躍遷，從而實(shí)現(xiàn)對基于以上原理，搭建一臺真實(shí)的核磁量子計算機(jī)，首先需要制備合適的分子結(jié)構(gòu)作為量子比特載體，具有多個自旋為1/2的原子核，且互相之間存在耦合關(guān)系；然后設(shè)計出一套磁體系統(tǒng)，可以提供均勻穩(wěn)定的靜磁場；最后設(shè)計一套高精度的射頻信號收發(fā)系統(tǒng)，(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析基于核磁共振技術(shù)的量子計算機(jī)在面向教育場景時，相對于其它量子計算技術(shù)體系或模擬器方案，具有如下多個方面的優(yōu)勢。1）5相比于其它體系（如超導(dǎo)芯片、離子阱等核磁共振技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以做到體積和重量的小型化；2）性能更加穩(wěn)定，機(jī)器自帶一鍵校準(zhǔn)量子比特參數(shù)的功能，不需要專業(yè)維護(hù)，降低使用成本；3）開放底層的脈沖控制，使用自定義的射頻脈沖操控量子比特，不僅僅局限于邏輯門層級的量子線路編程；4）可以獲取原始的量子信號數(shù)據(jù)，從實(shí)驗數(shù)據(jù)上觀測量子比特的演化規(guī)律；5）支持一套完備的量子邏輯門，包含單比特門、雙比特門以及三比特門，可以允許學(xué)生自由搭建任意量子算法；6）多種量子編程方式結(jié)合，有易入門的圖形界面編程方式，以及基于SpinQit框架的經(jīng)典-量子混合編程方目前國內(nèi)外有許多的高校在使用量旋的核磁量子計算機(jī)作為量子計算教育的輔助教學(xué)儀器，真實(shí)的量子硬件以及真實(shí)的數(shù)據(jù)反饋，能夠很好地促進(jìn)學(xué)生對于量子計算這一抽象概念的理解。從對量子計算相關(guān)實(shí)驗內(nèi)容的支持程度上來看，核磁量子計算機(jī)可以支持從底層量子比特的物理原理、量子態(tài)演化一直到頂層的邏輯門實(shí)現(xiàn)和算法編程的量子計算全過程實(shí)驗。因為實(shí)際系統(tǒng)已經(jīng)在教育場景中三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況為了全面體現(xiàn)真實(shí)量子計算硬件在量子計算教學(xué)種的作用，量旋圍繞三角座等核磁量子計算機(jī)設(shè)計了一整套教學(xué)方案，主要為上6機(jī)實(shí)驗內(nèi)容，主要分為三個板塊。1）量子比特物理指標(biāo)（如退相干時間T1、T2）以及自由演化動力學(xué)現(xiàn)象實(shí)驗；2）從量子邏輯門層級開始學(xué)習(xí)量子算法設(shè)計，并在真實(shí)硬件上運(yùn)行后對結(jié)果進(jìn)行分析；3）對物理底層更加開放的量子調(diào)控技術(shù)探索，進(jìn)一步加深學(xué)生對量具體的教學(xué)方案中還包括如表1的一系列實(shí)驗課程以及配套的實(shí)驗首先從認(rèn)識量子比特開始，量子態(tài)是量子計算的基本研究對象，在研究中通常使用Bloch球的幾何模型來表示量子比特狀態(tài)，在Bloch球模型中，單量子態(tài)可以通過球面上一個點(diǎn)來表示，這個表量子比特的|0>和|1>狀態(tài)，而其它點(diǎn)則表示量子比特處于疊加態(tài)，這種方法使得我們可以直觀地理解量子態(tài)的演化，在實(shí)驗配套的軟拉比振蕩也是一類非常重要的物理現(xiàn)象，在量子計算中，無論7是核磁共振量子計算還是其他的量子計算系統(tǒng)，拉比振蕩都尤其重要，因為它是校準(zhǔn)量子門的重要手段，而只有校準(zhǔn)了量子門，才有可能成功實(shí)現(xiàn)量子計算。該實(shí)驗重點(diǎn)是，通過測量拉比振蕩，加深對核磁共振原理的理解；進(jìn)一步掌握在核磁共振系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)單比特門的方法--單比特門由射頻脈沖實(shí)現(xiàn)；學(xué)習(xí)核磁共振量子計算中量量子算法也是量子計算學(xué)習(xí)中非常重要的一環(huán)，本方案同時也方程組?？茖W(xué)和工程學(xué)中的很多問題都需要解線性方程組。隨著科學(xué)和工程的發(fā)展進(jìn)步，解線性方程組所需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對計算機(jī)和算法的要求越來越高。HHL算法就是一個解線性方程組的量子算法，在一定條件下，該算法比最優(yōu)的經(jīng)典算法具有指數(shù)加驗原理設(shè)計如圖3所示。(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果以上介紹的教學(xué)方案，在北京理工大學(xué)等國內(nèi)外大學(xué)的真實(shí)量子計算課堂上受到了師生的廣泛好評。經(jīng)過課程初步和操作系統(tǒng)的8引導(dǎo)后，學(xué)生基本能夠獨(dú)立運(yùn)用量子計算機(jī)，進(jìn)行單/雙量子比特的線路搭建與測量。同學(xué)們普遍認(rèn)為，雖然量子理論部分內(nèi)容有些難，但是通過動手做實(shí)驗，能對量子技術(shù)很切身直觀的體會。同學(xué)們可以在配套軟件的單比特實(shí)驗?zāi)K通過設(shè)計不同的量子比特演化參數(shù)，可以直觀地分析量子態(tài)在Bloch球上的演化規(guī)律，例如圖4所示。在拉比振蕩模塊，可以進(jìn)行的操作是通過采集原始的量子信號，9子邏輯門，設(shè)置邏輯門參數(shù)，最后得出不同邏輯門序列的實(shí)驗數(shù)據(jù)四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力基于核磁量子計算機(jī)的教學(xué)方案，給之前的量子計算教學(xué)帶來了很大的突破，它是目前為數(shù)不多的能夠小型化的量子計算設(shè)備，使得只能出現(xiàn)在科研實(shí)驗室的前沿科技可以被搬進(jìn)教室，可以非常好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時對量子計算能有更加直觀的認(rèn)識。除此之外，它也有諸多優(yōu)創(chuàng)新點(diǎn)和先進(jìn)性。1）全程開放的教學(xué)實(shí)驗形式，內(nèi)容涵蓋量子計算底層運(yùn)作的實(shí)驗操作到頂層的算法實(shí)現(xiàn)，可以深度地參與到真實(shí)量子計算的每一個環(huán)節(jié)；2）基于核磁共振量子計算的實(shí)驗原理適用于所有主流量子計算體系（如超導(dǎo)芯片、離子阱可以充當(dāng)量子計算“教練機(jī)”的作用培養(yǎng)量子信息科(二)案例的不足與改進(jìn)考慮核磁量子計算機(jī)作為精密技術(shù)，在應(yīng)用中受到不穩(wěn)定因素影響，需要解決若干問題。其對環(huán)境要求高；小型化系統(tǒng)中使用的釹鐵硼永磁體對溫度敏感，稍有偏差就會影響實(shí)驗精度；此外，磁場均勻性對量子比特信號強(qiáng)度和分辨率有直接影響，物理震動或熱脹冷縮等可導(dǎo)致實(shí)驗精度問題。后續(xù)將優(yōu)化溫度控制和勻場方案，減少環(huán)(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃/展望量子計算是一門物理和計算機(jī)的交叉學(xué)科技術(shù)，針對物理系的學(xué)生，更希望培養(yǎng)其動手實(shí)踐能力，而量子計算機(jī)一般都是非常精密的儀器，操作不當(dāng)或環(huán)境稍有變化很容易影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以目前的量子計算教學(xué)產(chǎn)品一般在物理硬件上是不開放的，所有實(shí)驗操作和數(shù)據(jù)全部在軟件界面上進(jìn)行，如此對于學(xué)生而言缺乏對于硬件知識的了解，以及對量子計算的物理過程認(rèn)識也不夠清晰。量旋為了解決這一問題而設(shè)計研發(fā)了新的量子計算教學(xué)設(shè)備雙子座Lab，其具備完全開放的硬件模塊化設(shè)計，可以支持將硬件架構(gòu)各個部分如量子比特樣品、射頻系統(tǒng)等單獨(dú)作為實(shí)驗對象，增強(qiáng)了實(shí)驗的動手操作性，以及對量子計算機(jī)運(yùn)行過程的物理知識了解，相信五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景量旋科技與北京理工大學(xué)、西澳大學(xué)、奧斯陸城市大學(xué)等高校合作，開設(shè)了涵蓋量子計算發(fā)展、原理及應(yīng)用的課程，并使用真機(jī)教學(xué)設(shè)備增強(qiáng)實(shí)踐體驗。這些課程依據(jù)教育資源制定教學(xué)方案，以助學(xué)生有效使用設(shè)備，提升學(xué)效。真機(jī)設(shè)備的使用也讓學(xué)生更有興在大學(xué)專業(yè)教育中，廣泛推廣量子計算真機(jī)教學(xué)設(shè)備至關(guān)重要。該設(shè)備使抽象的量子理論具象化，幫助學(xué)生通過實(shí)踐操作直觀理解量子計算。將量子計算課程設(shè)為選修，單獨(dú)設(shè)置教學(xué)模塊，覆蓋硬(二)應(yīng)用感悟與建議量子計算設(shè)備的發(fā)展需要長期投入、技術(shù)積累與創(chuàng)新，企業(yè)和高校的合作關(guān)系尤為重要。企業(yè)主導(dǎo)設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)，將科研成果商業(yè)化，并推動設(shè)備普及；高校提供使用環(huán)境，而師生的反饋對設(shè)備優(yōu)化有極大幫助，同時還會通過課程培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。因此，建議企業(yè)和高校定期進(jìn)行溝通交流，讓雙方能夠充分分享想法，共同解決設(shè)備使用過程中遇到的問題。此外，也可以通過設(shè)置實(shí)習(xí)機(jī)案例二一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景生物信息學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)的核心領(lǐng)域之一，它在理解支撐生命的復(fù)雜生物過程和機(jī)制，以及推進(jìn)醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，基因組學(xué)研究尤為重要?；蛴捎跍y序技術(shù)或測序儀器的內(nèi)在缺陷，測序讀長仍小于基因組法通過一次測序直接獲得全部的序列信息，需要通過高覆蓋度測序和序列組裝獲得完整的基因組信息。如圖7所示。(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)具有較高的吞吐量、高精度及較低的成本的特點(diǎn)。因而，二代測序技術(shù)一直被視為當(dāng)前最通用的基因組測序技術(shù)。但是，二代測序技術(shù)也存在著一些缺點(diǎn)。如讀長限制，二代測序平臺的讀長相對較短，要的計算資源和存儲空間更大。同時，二代測序技術(shù)難以解決因為存在基因重復(fù)片段的存在而無法正確進(jìn)行基因測序的問題。在實(shí)際操作過程中，二代測序技術(shù)無法確定重復(fù)基因片段的具體位置，從量子計算基于量子疊加和量子糾纏原理，具有強(qiáng)大的并行處理能力，可以有效的解決二代測序需要大量計算資源的問題。但是由于量子硬件的限制，當(dāng)前量子計算還處于有“有噪聲的中等規(guī)模量子”如何利用有限的量子資源探索具體的實(shí)際應(yīng)用是一個非常重要的研二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)VQE是一種經(jīng)典-量子混合算法，如圖8所示。VQE算法主要應(yīng)用于估計化學(xué)分子的基態(tài)能量、組合優(yōu)化問題的最優(yōu)解等，被視為在分布式計算：分布式計算是將一個需要巨大計算能力才能解決的問題拆分成多個小的問題，然后將這些小的問題分配給多個計算一個關(guān)鍵部分，用于生成包含問題可行解的量子態(tài)。問題啟發(fā)式參數(shù)化量子線路是一類專門設(shè)計來求解特定問題的參數(shù)化量子線路，根據(jù)問題的特殊性設(shè)計特定的參數(shù)化量子線路，生成僅包含問題可(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析具有三方面的技術(shù)優(yōu)勢。1）結(jié)合三代測序技術(shù)輔助二代測序技術(shù)可以有效的解決存在基因重復(fù)片段的基因組組裝問題。2）基于分布式VQE算法，可以在NISQ時代使用較少的量子資源求解大規(guī)模完成了多個小規(guī)模的基因組組裝任務(wù)，展現(xiàn)出良好的可擴(kuò)展性。同時，設(shè)計的問題啟發(fā)式參數(shù)化量子線路可以有效提高算法的收斂速三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況本方案是將基因組組裝問題轉(zhuǎn)為二元無約束二值優(yōu)化（QuadraticUnconstrainedB構(gòu)造德布魯因（deBruijn）圖，并引入三代測序技術(shù)得到的數(shù)據(jù)來確定重復(fù)基因片段的位置，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。最后根據(jù)從頭組裝算法需要滿足組裝路徑是連續(xù)的單路徑作為約束條件，并結(jié)合目標(biāo)函數(shù)行期望值測量，并進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最終的解，如圖9所示。本根據(jù)問題設(shè)計問題啟發(fā)式參數(shù)化量子線路，則是在基因組組裝問題中，根據(jù)約束條件，二進(jìn)制變量映射成量子態(tài)后，量子態(tài)中至多只有一個“1”。因此可以通過圖10的參數(shù)化量子線路生成僅含可(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果并計算了多個小規(guī)模的基因組組裝模型，具有良好的可擴(kuò)展性。隨著問題規(guī)模的增長，其R99（需要運(yùn)行多少次實(shí)驗才能以99%的概率找到最優(yōu)解）指標(biāo)呈線性增長。其結(jié)果如圖根據(jù)基因組組裝問題的限制條件設(shè)計問題啟發(fā)式參數(shù)化量子線路，將參數(shù)化量子態(tài)限制在可行解的空間中，從而縮小了搜索空間四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力先的特點(diǎn)。首先，與二代測序技術(shù)相比，三代測序技術(shù)擁有更長的讀長能力。這使得它能解決二代測序技術(shù)在讀長限制上的問題，并組裝等任務(wù)。不過，三代測序技術(shù)的錯誤率較高且花費(fèi)昂貴，為此我們結(jié)合了二代測序技術(shù)的高精度和三代測序技術(shù)的長讀長，成功少的量子比特資源來模擬實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的基因組組裝，而且不需要這最后，一個優(yōu)秀的參數(shù)化量子線路需要在保證試探波函數(shù)包含基態(tài)的表達(dá)能力與盡可能減少參數(shù)化量子態(tài)搜索空間之間找到平衡。我們設(shè)計并啟動了問題啟發(fā)式的參數(shù)化量子線路，所生成的試探波函數(shù)僅包含可行解。與傳統(tǒng)的硬件高效參數(shù)化量子線路（Hardwareefficientansatz，HEA）相比，這種方法在搜索空間上具有指數(shù)級的(二)案例的不足與改進(jìn)考慮面，即使采用分布式計算的策略，實(shí)際的組裝任務(wù)仍需要大量的量子比特，這對近期的量子設(shè)備來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，隨著問題規(guī)模的增大，算法的參數(shù)優(yōu)化變得難以預(yù)測和處理，容易陷入局部解。后續(xù)將進(jìn)一步分析出現(xiàn)貧瘠高原的原因和探索更復(fù)雜(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃/展望由于當(dāng)前量子硬件的限制，本案例僅在模擬器上進(jìn)行了算法的可行性分析和性能測試。后續(xù)將我們的算法移植到真實(shí)的量子設(shè)備的適應(yīng)于真實(shí)硬件的特性和限制。最后，將擴(kuò)大基因組組裝問題規(guī)模，進(jìn)一步探索算法的性能，并在未來的更多比特資源的量子真機(jī)上進(jìn)行驗證和實(shí)現(xiàn)，預(yù)期能夠使用近期幾十量子比特的量子計算機(jī)來解決原本需要上千量子比特才能解決的問題，推動量子計算的產(chǎn)五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景微生物、小型動植物以及病毒等具有相對較小基因組的生物體的測序。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)二代測序技術(shù)得到的序列長度所產(chǎn)生的k-mers數(shù)量，我們可以使用一臺至萬臺的量子計算機(jī)上同步運(yùn)行上萬個量子線路，其中每臺量子計算機(jī)具有百量級量子比特，即可實(shí)現(xiàn)因組組裝問題、供應(yīng)鏈問題等。分布式VQE算法是一個可以在NISQ時代專門求解大規(guī)模QUBO問題的經(jīng)典－混合量子算法。未投資組合優(yōu)化、期權(quán)定價等問題，幫助金融機(jī)構(gòu)提高服務(wù)質(zhì)量，降低風(fēng)險。在能源領(lǐng)域，用于電力系統(tǒng)的優(yōu)化、設(shè)備調(diào)度和可再生能(二)應(yīng)用感悟與建議近年來，量子計算在跨學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，并獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的濃厚興趣。量子計算在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初期階段，對此領(lǐng)域的深入研究和理解，尤其是如何有效地利用這種革新性技術(shù)解決生命科學(xué)的關(guān)鍵問題，還有待于進(jìn)一步探索和拓展。未來希望學(xué)術(shù)界和工業(yè)界能夠加強(qiáng)合作，探討不限于分布式案例三——量子計算加速藥物發(fā)現(xiàn)一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)及應(yīng)用背景分子對接是藥物設(shè)計領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它通過計算配體與受體之間的空間互補(bǔ)性和能量匹配來預(yù)測兩者之間的結(jié)合模式。這項技術(shù)在基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計、前導(dǎo)優(yōu)化、生化途徑和藥物設(shè)計等方面具有極強(qiáng)的實(shí)用性，并被視為一個充滿活力的研究領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的分子對接方法在面對巨大的搜索空間和復(fù)雜的計算要求時，往往需要耗費(fèi)大量時間和資源，且難以保證找到最優(yōu)解。此外，傳統(tǒng)藥物篩選不僅成本昂貴，而且成功率較低，通量子計算機(jī)通過量子比特進(jìn)行信息編碼，利用量子疊加和量子糾纏的特性，能夠在極短的時間內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜計算任務(wù)，可以為藥物設(shè)計等需要大規(guī)模計算的問題提供了新的解決方案。因此，醫(yī)藥領(lǐng)域開始重視量子計算的發(fā)展，羅氏、阿斯利麥制藥巨頭諾和諾德公司宣布，諾和諾德基金會將撥款約2億美元用于研發(fā)第一臺用于生命科學(xué)研究的量子計算機(jī)，應(yīng)用范圍覆蓋從創(chuàng)造新藥到尋找基因、環(huán)境和疾病之間的聯(lián)系，加快藥物研發(fā)速度。除上述外，在靶點(diǎn)分析、化合物篩選、化合物修飾優(yōu)化等環(huán)節(jié)的難量子計算在分子對接領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，其強(qiáng)大的并行處理能力有望徹底改變藥物設(shè)計的傳統(tǒng)模式，在未來藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。這不僅能夠顯著提高分子對接的效率，降低研發(fā)成本，還能夠在更深層次上探索分子間的相互作用，為發(fā)現(xiàn)新的活性分子和藥物靶點(diǎn)提供可能。隨著量子算法的不斷優(yōu)化和量子硬件的(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)新藥研發(fā)通常周期漫長且成本高昂。據(jù)測算，一個新藥的研發(fā)研發(fā)大體分為前期藥物發(fā)現(xiàn)、臨床前研究、臨床研究、批準(zhǔn)上市等幾個階段。其中，前期藥物發(fā)現(xiàn)是新藥研發(fā)中的關(guān)鍵步驟，包括對疾病機(jī)制的研究、靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及確認(rèn)、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)等。分子對接作為藥物發(fā)現(xiàn)早期虛擬篩選、計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的重要技術(shù)手段，多被用于預(yù)測和分析配體（小分子化合物）與受體（蛋白質(zhì)或核酸）之間結(jié)合過程。通過計算分析配體與受體之間的空間互補(bǔ)性及能量匹配，預(yù)測結(jié)合模式和親和力，在先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。分子對接技術(shù)可以進(jìn)一步細(xì)分為剛性對接、半分子對接過程的采樣步驟目前已被證明屬于NP-Hard問題，意味著其解空間隨著候選分子數(shù)量的增加呈指數(shù)級增長。由于經(jīng)典計算機(jī)的算力限制，只能對有限的分子樣本進(jìn)行采樣，當(dāng)前通常僅采樣百萬到千萬個分子，而事實(shí)上目前可用于藥物發(fā)現(xiàn)的有機(jī)分子已難求得最優(yōu)解，導(dǎo)致篩選模型往往會產(chǎn)生較高的假陽性率。這意味著許多實(shí)際上不具備理想藥效或安全性的分子被錯誤識別為潛在的二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)本案例使用的是玻色量子自研的專用量子計算機(jī)-相干光量子計算機(jī)，通過模擬伊辛模型的能量演化過程，專用于求解組合優(yōu)化問題。該光量子計算機(jī)是一種混合量子計算系統(tǒng)，包含光學(xué)和電學(xué)兩部分系統(tǒng)。其中，光學(xué)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)量子比特的制備與存儲，電學(xué)具體而言，光學(xué)系統(tǒng)主要由泵浦脈沖光源、相敏放大器和光纖環(huán)路組成。該光量子計算機(jī)使用飛秒光纖激光器產(chǎn)生激光脈沖，并利用摻鉺光纖放大器實(shí)現(xiàn)功率放大。進(jìn)一步，通過周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN2）將光脈沖的頻率加倍，隨后，將倍頻光作為泵浦量振蕩器（DOPO從而生成具有特定相位和振幅的光脈沖，即光量子比特。所有光量子比特都工作及存儲在光纖環(huán)路中以供后續(xù)的電氣系統(tǒng)主要指測量與反饋部分，由平衡零差探測器、可編程成（PM）。通過控制上位機(jī)，將需要求解的Ising問題矩陣下載到幅值，從而獲得光量子比特的相位和振幅信息。根據(jù)需要求解的脈沖，利用反饋光脈沖與光纖環(huán)路內(nèi)的光脈沖相互干涉，從而引導(dǎo)解結(jié)果。為便于展示，演化過程信息可全部上傳到上位機(jī)中并展示，包括哈密頓量和量子比特相位的演化曲線?；谙喔晒饬孔佑嬎銠C(jī)的光量子計算機(jī)原理圖如圖13所示，基于該結(jié)構(gòu)，相干光量子計算(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態(tài)制備、高保自適應(yīng)糾錯等優(yōu)勢，并能達(dá)到12小時/次以上長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。間中進(jìn)行并行搜索，求出優(yōu)化解，實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典計算在實(shí)際應(yīng)用問題上的數(shù)萬倍加速求解出最優(yōu)解的概率高達(dá)99%。相干光量子計算機(jī)作為一種專用量子計算機(jī)，在求解組合優(yōu)化問題上有以下四大優(yōu)勢：干光量子計算機(jī)。實(shí)驗室驗證已超過1萬2）室溫穩(wěn)定運(yùn)行：光量子比特作為自然比特，可在常溫下進(jìn)行制備和操控。通過對激光的精準(zhǔn)控制，相干光量子計算機(jī)在室溫下3）具備全連接特性，AI適配：相干光量子計算機(jī)方案通過控4）能短期工程化實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用：相干光量子計算機(jī)技術(shù)方案在國根據(jù)《技術(shù)創(chuàng)新成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則》對產(chǎn)品成熟度的評價標(biāo)準(zhǔn)，目前玻色量子的相干光量子計算機(jī)成熟度已達(dá)到8級（完成小批量試生產(chǎn)并形成實(shí)際產(chǎn)品，產(chǎn)品、系統(tǒng)定型，工藝成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)與服務(wù)條件完備，能夠?qū)嶋H使用，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況分子對接是指兩個或多個分子通過空間匹配和能量匹配相互識別的過程，在藥物發(fā)現(xiàn)早期虛擬篩選、計算機(jī)輔助藥物設(shè)計中具有十分重要的意義。通常情況下，藥物分子在產(chǎn)生藥效的過程中，需要與靶酶相互結(jié)合，這就要求兩個分子要充分接近并采取合適的取向以使二者在必要的部位相互契合，發(fā)生相互作用。繼而通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)象調(diào)整，得到一個穩(wěn)定的復(fù)合物構(gòu)象。通過分子對接確定復(fù)合物中兩個分子正確的相對位置和取向，研究兩個分子的構(gòu)象，特別是底物構(gòu)象在形成復(fù)合物過程中的變化，是確定藥物作用機(jī)制、設(shè)在分子對接計算中，配體分子被放置在受體的活性位點(diǎn)附近，然后基于幾何互補(bǔ)性、能量互補(bǔ)性以及化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)性等原則，評估藥物分子與受體之間的相互作用。這個過程旨在識別出兩個分子間的最佳結(jié)合模式。分子對接的優(yōu)勢在于它不僅考慮了受體的三維結(jié)構(gòu)信息，還考慮了受體與配體間的相互作用，這使得它在理論上法模型，同時建立基于該模型的分子對接平臺。具體來說，本方案將分子對接過程的采樣問題轉(zhuǎn)化為配體原子和受體結(jié)合口袋的空間格點(diǎn)匹配問題。把復(fù)雜的三維分子對接問題簡化為可操作的空間格點(diǎn)匹配問題，并且將分子對接中的采樣問題編碼為QUBO束二值優(yōu)化)模型，利用量子計算機(jī)進(jìn)行求解，從而加速采樣過程，如圖14所示。最后通過特定的解碼過程，將量子計算機(jī)求得的QUBO模型解轉(zhuǎn)換回分子的空間位置信息，得到精確的分子對接基于該研究成果，玻色量子建立了一個基于量子計算的藥物分子對接平臺，使用自主研發(fā)的量子計算Solver以及量子算法對分子對接問題進(jìn)行求解。有完善的分子三維結(jié)構(gòu)展示，剛性對接、打分、日志記錄、結(jié)果分析等模塊，可拓展性強(qiáng)，并且已經(jīng)成功上線了兩(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果在之前的研究中已被證實(shí)，相干光量子計算機(jī)的求解速度比傳統(tǒng)計目前相干光量子計算機(jī)的最大求解規(guī)模遠(yuǎn)超該算法模型在CASF數(shù)據(jù)集上應(yīng)用所需的比特數(shù)，同時相干光量子計算機(jī)上的采樣的運(yùn)行時間僅以毫秒為單位，相較于經(jīng)典計算機(jī)至少有3個數(shù)量此外，自研量子分子對接模擬平臺可實(shí)現(xiàn)藥物研發(fā)中大規(guī)模虛擬篩選的計算加速，目前利用玻色量子的相干量子計算進(jìn)行小分子對接的預(yù)測準(zhǔn)確率已超過80%，在目前全球所有量子計算方案中準(zhǔn)確率最高，首次將量子計算的工程指標(biāo)和行業(yè)主流分子對接軟件指四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力本案例的創(chuàng)新之處在于，通過提出將網(wǎng)格點(diǎn)匹配（GPM）和原子特征匹配（FAM）算法，將配體原子與受體結(jié)合口袋的空間匹配于量子計算的藥物分子對接平臺，實(shí)現(xiàn)藥物研發(fā)中大規(guī)模虛擬篩選在傳統(tǒng)的分子對接方法中，由于巨大的搜索空間和分子之間復(fù)雜的相互作用，往往難以找到最優(yōu)或近似最優(yōu)的分子構(gòu)象。而量子計算機(jī)以量子比特為基本單元，利用量子疊加和糾纏等特性實(shí)現(xiàn)并行計算，在處理這類問題時展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)計算方法的潛力。通過將分子對接過程中的采樣問題轉(zhuǎn)化為配體原子和受體結(jié)合口袋的空在毫秒級的范圍內(nèi)，從多個可能的構(gòu)象中搜索并識別出最佳的分子對接姿態(tài)，加速問題求解。同時自研的量子分子對接模擬平臺，為新藥研發(fā)提供了一個強(qiáng)大的工具，有望顯著縮短藥物研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，并提高藥物研發(fā)的成功率。這一創(chuàng)新方法的提出，可(二)案例的不足與改進(jìn)考慮該案例雖然在分子對接領(lǐng)域應(yīng)用量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新性的突破，但仍有進(jìn)一步的改進(jìn)空間。首先，由于目前量子計算機(jī)的真機(jī)量子定的簡化，以減少比特數(shù)的消耗。然后，簡化后的模型雖然能夠適配現(xiàn)有的量子硬件，但其信息攜帶能力和求解精度有限。其次，當(dāng)前商用的相干光量子計算機(jī)產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理上僅支持8位精度的計算。因此在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時，須降低數(shù)據(jù)精度以適應(yīng)硬件能力，對最終的計算結(jié)果產(chǎn)生一定影響。隨著量子計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，特別是量子比特數(shù)的增加以及支持精度的提升，未來在模型復(fù)雜度、計算精度以及算法優(yōu)化等方面都有著巨大的提升潛力。從而為分子對接提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和更可靠的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的藥物設(shè)計。(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃/展望從實(shí)驗數(shù)據(jù)可見，隨著分子量的增加，所消耗的量子比特數(shù)也需要具備萬比特級別的量子計算機(jī)，才能夠真正的很好的覆蓋這一進(jìn)行迭代和優(yōu)化，以適應(yīng)更大規(guī)模的量子比特和更高精度的計算能力。這將包括開發(fā)更優(yōu)化的算法來處理更大的數(shù)據(jù)集，以及提高模型的預(yù)測準(zhǔn)確性和計算效率。同時開展基于配體的藥物篩選方法研究，將基于配體的分子相似性搜索在藥物篩選中方法與量子計算做結(jié)合，以促進(jìn)量子計算技術(shù)在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時不斷完善基于量子計算的分子篩選平臺，期待這一平臺將為新藥研發(fā)帶來更高效、更精準(zhǔn)的解決方案，加速藥物從實(shí)驗室到臨床轉(zhuǎn)化過程。五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景目前，醫(yī)藥領(lǐng)域開始重視量子計算的發(fā)展，羅氏、阿斯利康、藥巨頭諾和諾德公司宣布，由諾和諾德基金會將撥款約2億美元用于開發(fā)第一臺用于生命科學(xué)研究的量子計算機(jī)，應(yīng)用范圍覆蓋從創(chuàng)造新藥到尋找基因、環(huán)境和疾病之間的聯(lián)系，加快藥物研發(fā)速度。布量子生物項目（Q4Bio向多科學(xué)研究團(tuán)隊提供高的研究資金，旨在支持加速量子計算在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用挑戰(zhàn)項目。在醫(yī)藥領(lǐng)域，特別是生物信息學(xué)，包含大量計算密集型任務(wù)，非常合適作為量子計算的應(yīng)用場景。從藥物發(fā)現(xiàn)、組學(xué)分析到精準(zhǔn)醫(yī)療，量子計算有望提供前所未有的能力來模擬生物系統(tǒng)，比如高精度地模擬分子相互作用，以及高效地分析大量基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，從而為這些領(lǐng)域帶來根本性變革。量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子優(yōu)化等量子算法可以加速分子結(jié)構(gòu)預(yù)測、藥物篩選和優(yōu)化藥物傳遞機(jī)制來增強(qiáng)藥物發(fā)現(xiàn)，加速新藥研發(fā)流程。本案例將量子計算在分子對接和藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)實(shí)，通過模擬復(fù)雜的分子相互作用，極大地提高藥物設(shè)計和篩選的效率。同時自研量子分子對接未來，隨著量子計算硬件的進(jìn)一步發(fā)展和量子算法的優(yōu)化，其在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。量子計算的高并行性和高效率將使得藥物篩選和分子設(shè)計更加精確和快速，有望在治療癌癥、神經(jīng)退行性疾病等復(fù)雜疾病方面取得突破。同時，量子計算還可以輔而相干光量子計算機(jī)作為一種專用量子計算機(jī)的代表技術(shù)路線，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都取得了顯著進(jìn)展，隨著技術(shù)的不斷成熟和跨學(xué)科合作的深入，有望在3-5年內(nèi)最有可能率先實(shí)現(xiàn)真實(shí)商用。目前玻色量子已經(jīng)發(fā)布了可穩(wěn)定運(yùn)行8小時以上的千比特產(chǎn)品級量子計算機(jī)，從上述應(yīng)用場景的規(guī)模分析也可以看到，千比特的量子計算機(jī)已經(jīng)可以很好的覆蓋到分子對接中真實(shí)數(shù)據(jù)要求，為用戶提供有實(shí)際價值的計算結(jié)果。而相干光量子計算機(jī)在1-2年內(nèi)就可以將比特規(guī)模提升至萬級別，這樣就可以在生物制藥方向進(jìn)行橫向的場景拓展，繼續(xù)覆蓋到包括像蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子相似性分析、基因測序、細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)分析等實(shí)際場景，并且目前這些應(yīng)用方向已經(jīng)有很多的企業(yè)及科研團(tuán)隊在同步探索中，預(yù)計在3-5年可以看(二)應(yīng)用感悟與建議基于量子計算的分子對接與傳統(tǒng)的基于分子對接模型相比，差距很小，并且由于量子計算機(jī)的先天優(yōu)勢，該策略速度更快，更具前景，玻色量子專注于光量子計算的高科技公司，一直以來致力于可擴(kuò)展、可編程的光量子計算平臺研發(fā)和量子計算應(yīng)用落地。未來，玻色量子將持續(xù)探索可滿足各行各業(yè)算力需求的新場景，充分發(fā)揮光量子計算的實(shí)用潛力，為占領(lǐng)光量子計算領(lǐng)域全球制高點(diǎn)而奮斗。案例四——量子人工智能訓(xùn)練的光速動力一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNNs）之所以在人工智能領(lǐng)域占據(jù)重要地位，是因為它們能夠從龐大的數(shù)據(jù)集中提取和學(xué)習(xí)復(fù)雜的特征模式。這些網(wǎng)絡(luò)通過模擬人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，通過層層疊加的節(jié)點(diǎn)和連接，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高效處理和理解，如圖18所示。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，作為深度學(xué)習(xí)中的一種基礎(chǔ)架構(gòu)，以其出色的表示能力、快速的推理速度和靈活的網(wǎng)絡(luò)連接方式，成為眾多研究和應(yīng)用的首選。例如，新紀(jì)元；ResNet通過殘差連接解決了深層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的退化問題；Transformer模型則以其自注意力機(jī)制在自然語言處理領(lǐng)域取得了革然而，隨著深度學(xué)習(xí)模型的規(guī)模和復(fù)雜性的增加，訓(xùn)練這些模型所需的計算資源也急劇上升。這種對算力的巨大需求不僅增加了研究和開發(fā)的成本，也限制了模型創(chuàng)新和應(yīng)用的廣泛性。在某些情況下，高性能計算硬件，如GPU，甚至出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面，這無疑加劇了算力資源的緊張。為了解決這一問題，人工智能領(lǐng)域的研究者和工程師們正在探索各種創(chuàng)新的方法，包括但不限于優(yōu)化算法、改進(jìn)硬件設(shè)計、開發(fā)更高效的并行計算策略等，以期提高網(wǎng)絡(luò)(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)基于梯度的反向傳播方法（Gradient-basedBackpropagation）是深度學(xué)習(xí)中一種經(jīng)典的訓(xùn)練技術(shù)，它通過計算損失函數(shù)相對于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的梯度來調(diào)整這些參數(shù)。這種方法在過去的幾十年里在各種應(yīng)用中都顯示出了顯著的效果，但隨著深度學(xué)習(xí)模型的復(fù)雜性增加，它也暴露出了一些嚴(yán)重的局限性。在深層網(wǎng)絡(luò)中，梯度可能會隨著層數(shù)的增加而變得非常?。ㄌ荻认В┗蚍浅４螅ㄌ荻缺ㄟ@不僅會導(dǎo)致訓(xùn)練過程的不穩(wěn)定，還可能使得模型難以達(dá)到全局最優(yōu)解，而只是陷入局部最小值。特別是在損失函數(shù)是非凸的情況下，這種現(xiàn)象更為常見。此外，反向傳播需要大量的計算資源，尤其是在訓(xùn)練大型網(wǎng)絡(luò)時，所需的計算時間和成本會急劇上升。這些限制不僅增加了訓(xùn)練的難度，也限制了模型的規(guī)模和復(fù)雜性，使得在資源有二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)本案例使用的是玻色量子自研的專用量子計算機(jī)——550計算專用于求解組合優(yōu)化問題。該相干光量子計算機(jī)是一種混合量子計算系統(tǒng)，包含光學(xué)和電學(xué)兩部分系統(tǒng)。其中，光學(xué)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)量具體而言，光學(xué)系統(tǒng)主要由泵浦脈沖光源、相敏放大器和光纖環(huán)路組成。該光量子計算機(jī)使用飛秒光纖激光器產(chǎn)生激光脈沖，并利用摻鉺光纖放大器實(shí)現(xiàn)功率放大。進(jìn)一步，通過周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN2）將光脈沖的頻率加倍，隨后，將倍頻光作為泵浦量振蕩器（DOPO從而生成具有特定相位和振幅的光脈沖，即光量子比特。所有光量子比特都工作及存儲在光纖環(huán)路中以供后續(xù)的電學(xué)系統(tǒng)主要指測量與反饋部分，由平衡零差探測器、可編程成（PM）。通過控制上位機(jī)，將需要求解的Ising問題矩陣下載到幅值，從而獲得光量子比特的相位和振幅信息。根據(jù)需要求解的脈沖，利用反饋光脈沖與光纖環(huán)路內(nèi)的光脈沖相互干涉，從而引導(dǎo)解結(jié)果。為便于展示，整個演化過程的信息可全部上傳到上位機(jī)中并展示，包括哈密頓量和光量子比特相位的演化曲線。該相干光量子計算機(jī)原理圖如圖13所示，基于該結(jié)構(gòu)，相干光量子計算機(jī)可以(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態(tài)制備、高保自適應(yīng)糾錯等優(yōu)勢，并能達(dá)到12小時/次以上長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。間中進(jìn)行并行搜索，求出優(yōu)化解，實(shí)現(xiàn)了比經(jīng)典計算在實(shí)際應(yīng)用問題上的數(shù)萬倍加速求解出最優(yōu)解的概率高達(dá)99%。相干光量子計算機(jī)作為一種專用型量子計算機(jī)，在求解組合優(yōu)化問題上具有以下四干光量子計算機(jī)。實(shí)驗室驗證已超過1萬2）室溫穩(wěn)定運(yùn)行：光量子比特作為自然比特，可在常溫下進(jìn)行制備和操控。通過對激光的精準(zhǔn)控制，相干光量子計算機(jī)在室溫下3）具備全連接特性，AI適配：相干光量子計算機(jī)方案通過控4）能短期工程化實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用：相干光量子計算機(jī)技術(shù)方案在國根據(jù)《技術(shù)創(chuàng)新成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則》對產(chǎn)品成熟度的評價標(biāo)準(zhǔn)，目前玻色量子的相干光量子計算機(jī)成熟度已達(dá)到8級（完成小批量試生產(chǎn)并形成實(shí)際產(chǎn)品，產(chǎn)品、系統(tǒng)定型，工藝成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)與服務(wù)條件完備，能夠?qū)嶋H使用，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)模真實(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集下的驗證和應(yīng)用的硬件三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況基于相干光量子計算機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出一種專用于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的量子經(jīng)典-混合加速算法，如圖19所示。首先，根據(jù)給的監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。然后，使用增廣拉格朗日法和Rosenberg降次將將量子計算機(jī)求解出的最優(yōu)解用于更新拉格朗日乘子，并得到新的QUBO問題重新送入量子計算機(jī)求解。如此迭代直至收斂，并將收斂后的解σ*進(jìn)行解碼得到最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ*。這一算法采用了4項關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募s束化表示、變量二值編碼協(xié)議、增廣拉格朗日迭代和Rosenb的約束化表示”通過把神經(jīng)元連接和激活函數(shù)表示為約束條件，將QNN訓(xùn)練表述為二次約束二進(jìn)制優(yōu)化（QCBO）問題，其中所有變量都根據(jù)“變量二值編碼協(xié)議”使用二進(jìn)制位進(jìn)行編碼?！霸鰪V拉格朗日迭代”和“Rosenberg降次”共同消除約束條件并將高階損失函數(shù)簡化為二次損失函數(shù)，使得QCBO被轉(zhuǎn)換為二次無約束二進(jìn)制優(yōu)化（QUBO）問題，該問題可以在相干光量子計算機(jī)上高效求解。該(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果為驗證本案例中的量子經(jīng)典-混合加速算法，使用北京玻色量子數(shù)據(jù)集包含若干張手寫數(shù)字“6”和“9”的黑白圖片，將其降采樣網(wǎng)絡(luò)的一維輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出正值表示預(yù)測給定圖片為數(shù)字“6”，否則表示預(yù)測為數(shù)字“9”。驗證方案如圖20(a)所示。算法收斂曲線如圖20(b)(c)(d)所示。運(yùn)行在光量子計算機(jī)上的快的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂速度，平均收斂時間達(dá)85m準(zhǔn)確率為84.1%。相對于CPU和GPU而言，本方案不僅提高了17.2倍，證實(shí)量子計算有能力成為人工智能訓(xùn)練芯片的有力替代品。接下來主要從解決現(xiàn)實(shí)問題時對量子比特數(shù)的需求及影響因素、量子比特數(shù)的需求與數(shù)據(jù)集的規(guī)模，每條數(shù)據(jù)包含的參數(shù)個數(shù)，以及采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、權(quán)重參數(shù)精度都相關(guān)。假設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 該多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、計算機(jī)視覺等領(lǐng)域。以數(shù)據(jù)分析任務(wù)為例，假設(shè)數(shù)據(jù)規(guī)模1千條數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩層，神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)寬度取50，那么所需的量子比特數(shù)規(guī)模就在2,000,000左右。依此類推要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的話，量子比特數(shù)需求規(guī)模在千萬級四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力針對目前人工智能領(lǐng)域發(fā)展面臨的算力瓶頸難題，清華大學(xué)李升波教授團(tuán)隊與北京玻色量子科技有限公司合作，首次提出一種“使用相干量子計算機(jī)的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法”，并在玻色量子的550比特相干光量子計算機(jī)上進(jìn)行了真機(jī)驗證，成功證實(shí)了該研究成果可在確保模型準(zhǔn)確度的前提下，相比CPU/GPU實(shí)現(xiàn)一個數(shù)量級的加速倍數(shù)。隨著量子比特數(shù)的增長，本研究有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速訓(xùn)練，為量子計算在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要(二)案例的不足與改進(jìn)考慮受限于量子計算機(jī)硬件的比特數(shù)量，本案例中的應(yīng)用僅使用了較少的量子算力以及在小規(guī)模數(shù)據(jù)集中進(jìn)行驗證，完成該新型量子算法0-1的突破；但仍需要進(jìn)一步去探索面向大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及未來大模型場景下，能夠適應(yīng)更多種類激活函數(shù)擬合的復(fù)雜訓(xùn)練情形，研究出泛化能力更強(qiáng)的量子人工智能訓(xùn)練加速算子，并且在更(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃相干光量子計算目前已經(jīng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的作用主要體現(xiàn)在訓(xùn)練驗證中展現(xiàn)出了最快的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂速度，已初步展現(xiàn)出未來將進(jìn)一步“軟硬兼施“：在硬件上需要大幅提升量子比特數(shù)規(guī)模，提升運(yùn)行的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，在軟件上需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化相關(guān)算法，并增強(qiáng)結(jié)果的可解釋性，這需要深入理解有關(guān)的量子縱向：提升比特規(guī)模。受限于當(dāng)前量子計算機(jī)的比特數(shù)量，本案例只在有限規(guī)模的問題中驗證了算法的可行性，未來還需要在更橫向：拓展更多場景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是人工智能領(lǐng)域中的一個重要環(huán)節(jié)，本案例基于該場景驗證了量子算法的有效性，未來可以(四)未來展望盡管存在挑戰(zhàn)，但相干光量子計算機(jī)作為專用量子計算機(jī)領(lǐng)域的標(biāo)志性技術(shù)路徑，在理論探索與實(shí)際應(yīng)用兩方面均取得了矚目的成就。隨著技術(shù)的日益精進(jìn)及跨學(xué)科合作的不斷深化，該領(lǐng)域有望而人工智能領(lǐng)域正是目前最需要強(qiáng)大算力支撐的方向，面對今天經(jīng)典計算設(shè)備受限的不利局面，積極探索下一代計算技術(shù)，嘗試用新的思路、新的方法破局，徹底打破算力瓶頸，推動大模型乃至本案例的成果雖然卓有成效，但只是打通量子計算與人工智能領(lǐng)域交叉融合的一小步，未來隨著相干光量子計算技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，有望實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，提升傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效率和速度。以此不斷延申到更多的人工智能應(yīng)用場景中，充分發(fā)揮量子算力的機(jī)的比特規(guī)模提升至萬級別，這將極大地拓展其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，當(dāng)前玻色量子聯(lián)合了眾多企業(yè)及科研團(tuán)隊正積極投身于這些的量子計算應(yīng)用產(chǎn)品及服務(wù)不斷涌現(xiàn)，開啟量子計算技術(shù)的新篇章。五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景這是國際上首次使用相干光量子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，突破了之前方法僅適用于單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限，為相干光量子未來，玻色量子將基于自研相干光量子計算機(jī)真機(jī)，深耕“量子+”領(lǐng)域，聯(lián)合量子生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴共同實(shí)現(xiàn)多行業(yè)的研(二)應(yīng)用感悟與建議通過本案例的開展，我們清楚的看到，量子計算作為一種全新的底層技術(shù)，能夠顛覆原有的解決方案，幫助行業(yè)跳出固化思維，打破原有經(jīng)典計算的眾多瓶頸，但是需要更多來自人工智能領(lǐng)域的專家學(xué)者、企業(yè)共同參與，以應(yīng)用需求驅(qū)動量子技術(shù)的正確發(fā)展，應(yīng)用驗證，不以短期的投入產(chǎn)出比考核來限制新變革的誕生?？煽紤]通過引入更多人工智能領(lǐng)域的企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、專家、高校等，基于量子企業(yè)提供的計算底層能力，共同拓展行業(yè)真實(shí)應(yīng)用場景，構(gòu)建新的融合生態(tài)環(huán)境。加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域與量子計算領(lǐng)域的合作案例五——基于量子金剛石磁成像技術(shù)的芯片檢測設(shè)備一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景集成電路在設(shè)計、制造、封裝和測試過程中不可避免會產(chǎn)生各根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過失效分析技術(shù)逐步縮小失效電路的分析范圍，直至定位到失效點(diǎn)或元器件的過程。失效分析的目的就是根重要的環(huán)節(jié)是缺陷定位，即精確定位失效點(diǎn)或元器件，從而為下一步缺陷的物理特性分析給出具體位置。缺陷定位在整個失效分析過隨著先進(jìn)集成電路的制程越來越小，芯片中包含的晶體管數(shù)目越來越多，對缺陷定位技術(shù)的要求也越來越高。特別是在后摩爾時代，人們通過尋求先進(jìn)封裝工藝（倒裝、2.5D和藝）來提高芯片性能、降低芯片功耗，從而延續(xù)摩爾定律——使得芯片的復(fù)雜度和集成度越來越高，對芯片失效分析工作提出了新的總而言之，失效分析用于發(fā)現(xiàn)芯片設(shè)計、制造和封裝測試過程中潛藏的缺陷并闡述失效機(jī)理，是提高芯片可靠性、良率和性能的重要保證，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中必不可少的組成部分。先進(jìn)封裝芯片失堆疊芯片的缺陷定位問題。目前，傳統(tǒng)芯片失效分析手段在解決先(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)工具，主要適用于傳統(tǒng)封裝芯片。它們通過檢測芯片內(nèi)部缺陷的光法處理無亮點(diǎn)（如短路）或者亮點(diǎn)被遮蔽等情況。隨著芯片內(nèi)部的金屬層越來越密集，對光子的阻擋會越來越嚴(yán)重，因而陷處受熱而改變阻抗，通過檢測電信號的變化判斷缺陷位置。在傳輸過程的相位滯后來實(shí)現(xiàn)缺陷深度的定位。其縱向分辨率大約其空間分辨率的提高——因此無法滿足集成度越來越高的先進(jìn)封裝基于超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的磁電流成像法（MCI）是一探頭逐點(diǎn)掃描芯片表面，給出磁場分布，再利用電流反演算法計算出電流分布，從電流分布推斷內(nèi)部缺陷問題。這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D芯片缺陷的深度定位，但缺點(diǎn)是分辨率低，運(yùn)維成本高，且檢測效基于固態(tài)金剛石NV色心的寬視場磁成像技術(shù)正好可以彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)。在檢測原理上它同SQUID一樣，但其優(yōu)點(diǎn)在于采用mm級尺寸的片狀金剛石實(shí)現(xiàn)寬視場高分辨的快速成像，無需掃描，因此提高了檢測效率。同時，金剛石系統(tǒng)緊湊小巧，工作于常溫常壓下，二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)金剛石NV色心是一種固態(tài)量子傳感體系，它可以非常便捷地場大??；再利用電流反演算法，將磁場分布反演成電流密度分布；再從電流密度分布推斷芯片內(nèi)部缺陷，如圖21和圖22所示。(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析量子金剛石顯微鏡的技術(shù)優(yōu)勢可通過與競品的橫向/縱向?qū)Ρ鹊帽?，與同為磁電流成像的SQUID作縱向?qū)Ρ?。從?可以看出，量子金剛石顯微鏡在空間分辨率上具有絕對優(yōu)勢；在適用先進(jìn)封裝芯陷（不產(chǎn)生熱熱成像的定位速度取決于熱點(diǎn)功率的大小，功率越小，需要累積的時間越長，因此在檢測速度上，金剛石顯微鏡具有額外優(yōu)勢；SQUID無法測量矢量全向磁場，存在信息缺失，影響了電流反演的準(zhǔn)確度；最后，SQUID雖能檢測開路缺陷，但掃描檢測1~2μm×/1~2μm×/min3~5μm√/min2~3μm√×min0.2μm√~0.0在核心金剛石NV材料制備、量子調(diào)控和高速圖像數(shù)據(jù)處理算法等關(guān)鍵技術(shù)上，國盛量子已取得了突破進(jìn)展，并在實(shí)驗室環(huán)境下開展了產(chǎn)品相關(guān)功能的驗證與測試工作，基本達(dá)到預(yù)期。目前研發(fā)團(tuán)隊正致力于開發(fā)第二代工程樣機(jī)，技術(shù)成熟度（TRL）已達(dá)到6三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況量子金剛石顯微鏡由高濃度淺層金剛石NV色心、位移臺（含法（HPHT）和微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）。通常采用氣相沉積法，通過控制材料生長過程中的氮?dú)夂空{(diào)控成品金剛石NV色心中的氮濃度。量子金剛石顯微鏡所使用的金剛石傳感材2）位移臺：位移臺（含三維亥姆霍茲線圈）主要用于放置待測樣品，有左右、前后和上下三個方向自由度可調(diào)。三維亥姆霍茲線3）激發(fā)模塊：該模塊的作用是提供高穩(wěn)定、低噪聲的激發(fā)光，態(tài)。激發(fā)光的高穩(wěn)定性和低噪聲性能是影響金剛石色心測磁靈敏度4）射頻模塊：又稱微波模塊，作用是提供共振躍遷能，操控色心量子態(tài)。在外磁場作用下，塞曼劈裂解除了±|1>能級的簡并態(tài)。當(dāng)微波源掃頻時，會發(fā)生兩次共振躍遷，對應(yīng)|0>|態(tài)→-|1>態(tài)和|0>|態(tài)→+|1>態(tài)。由于色心輻射熒光的強(qiáng)弱取決于它的自旋態(tài)，因此通過成像單元，主要由物鏡、二向色鏡、CCD和其它光學(xué)元件組成。金剛石NV色心輻射的攜帶量子態(tài)信息的熒光由物鏡收集，經(jīng)光學(xué)系6）上位機(jī)：上位機(jī)作用一是協(xié)調(diào)、操控整個成像系統(tǒng)，二是進(jìn)行海量測量數(shù)據(jù)的快速處理。寬場設(shè)備測量一次往往會拍照幾十上百次，單次生成幾十萬像素數(shù)的測量數(shù)據(jù)，因此要求開發(fā)高速的數(shù)(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果量子金剛石顯微鏡主要用于芯片的電性失效分析和定位。通電芯片中電流密度分布產(chǎn)生的磁場模式包含著芯片結(jié)構(gòu)和功能信息，如圖24和圖25所示。利用金剛石顯微鏡提供的芯片表面高分辨矢量磁成像數(shù)據(jù)，反演芯片內(nèi)部電流線路狀態(tài)，為芯片失效分析提供四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力與市場上類似的點(diǎn)掃描式磁成像系統(tǒng)相比，量子金剛石顯微鏡的突出優(yōu)勢在于它能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級視場下的亞微米級高分辨成像，既極大提高了檢測效率，同時也滿足了先進(jìn)芯片檢測對高空間分辨率的要求。在芯片失效分析領(lǐng)域，隨著芯片制程進(jìn)一步縮小和先進(jìn)(二)案例的不足與改進(jìn)考慮作為一種新技術(shù)，量子金剛石顯微鏡的研發(fā)投入和風(fēng)險較高，部分關(guān)鍵核心技術(shù)尚需攻克。以先進(jìn)封裝芯片失效分析為例，一要提升檢測靈敏度，做到在不開封芯片的情況實(shí)現(xiàn)完全無損檢測；二要開發(fā)三維電流密度反演和智能故障分析定位算法。這需要大量數(shù)據(jù)積累和模型訓(xùn)練，因此與下游終端用戶的緊密合作對產(chǎn)品落地至(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃/展望在技術(shù)方面需要進(jìn)一步提高金剛石傳感材料的品質(zhì)，提高靈敏度和相干時間；開發(fā)更高速的數(shù)據(jù)處理與成像算法，提高檢測效率；開發(fā)三維電流反演算法，將磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的電流密度公布；在產(chǎn)品應(yīng)用方面將進(jìn)一步研發(fā)緊湊化、小型化設(shè)備，同時進(jìn)一步提升設(shè)備的自動化、智能化水平。與下游客戶緊密合作，深入挖掘和滿足半導(dǎo)體失效分析領(lǐng)域的檢測需求，使更多缺陷類型得以覆蓋，定位精度越來越細(xì)，檢測準(zhǔn)確性和檢測效率越來越高。在未來的微波射頻器件電磁場表征領(lǐng)域，隨著芯片集成度和工作頻率越來越高，對分辨率和帶寬要求也越來越高，金剛石因其卓越的高空間分辨率優(yōu)勢和探測頻率可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，也將在射頻器件的電磁場表五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景金剛石顯微鏡是為先進(jìn)封裝芯片及異質(zhì)異構(gòu)集成電路的故障定位特別研發(fā)的，能夠在幾分鐘內(nèi)迅速而精確地完成缺陷的三維定位。這些技術(shù)采用了更高密度的集成方式，結(jié)合了不同材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，并引入了大膽且創(chuàng)新的三維封裝結(jié)構(gòu)，為芯片帶來了全新的金剛石顯微鏡作為解決這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵工具，憑借其高分辨率和三維缺陷定位能力，在半導(dǎo)體失效分析領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。未來，隨著先進(jìn)封裝芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，金剛石顯微鏡的應(yīng)用前景將更加廣闊。為此，我們需要加強(qiáng)與半導(dǎo)體客戶的合作與交流，緊扣行業(yè)面臨的復(fù)雜共性問題，不斷優(yōu)化和完善金剛石顯微鏡的性能，提高其實(shí)用性和易用性，以滿足更多用戶的需求。此外，針對未來可能出現(xiàn)的新的失效模式和挑戰(zhàn)，我們需要持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研(二)應(yīng)用感悟與建議金剛石顯微鏡以其高分辨率和三維缺陷定位能力，為先進(jìn)封裝芯片的失效分析提供了強(qiáng)有力的支持，顯著提升了分析效率和準(zhǔn)確度。然而，裝置操作的復(fù)雜性和對技術(shù)人員的高要求限制了其廣泛應(yīng)用。為此，需引入人工智能，開發(fā)更智能化的操作界面和自動化分析功能，實(shí)現(xiàn)缺陷的自動識別與標(biāo)注，減少人工干預(yù)，提高檢測其次，金剛石顯微鏡目前主要應(yīng)用于實(shí)驗室環(huán)境離線檢測，在生產(chǎn)線上尚未普及。開發(fā)更緊湊、便攜的設(shè)備版本，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線上的實(shí)時在線監(jiān)測應(yīng)用，是一個可積極探索的方向。此外，為了與半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展和新出現(xiàn)的失效模式保持同步，必須持續(xù)進(jìn)行研發(fā)投入，密切關(guān)注行業(yè)最新動態(tài)，并及時更新設(shè)備功能，以保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位。如嘗試將金剛石顯微鏡與其他分析技術(shù)結(jié)合，最后，要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，建立開放的研發(fā)平臺，吸引更多專家參與技術(shù)創(chuàng)新。通過共享數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，加速技術(shù)進(jìn)步，推動金剛石顯微鏡在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用?？傊?，通過優(yōu)化性能、拓展場景、加強(qiáng)合作，金剛石顯微鏡將在半導(dǎo)體失效分析領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，案例六——遠(yuǎn)距離、抗干擾量子保密通信商用網(wǎng)絡(luò)一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景在數(shù)字化浪潮席卷全球的背景下，加強(qiáng)信息安全防護(hù)，確保數(shù)據(jù)流通安全可靠，是量子通信行業(yè)最為緊迫的任務(wù)之一。特別是黨政軍、金融、電力等領(lǐng)域，信息安全狀況不僅關(guān)乎數(shù)據(jù)隱私與公眾確提出“以需求為導(dǎo)向，增強(qiáng)國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力”。這對更好更優(yōu)地推進(jìn)量子保密通信實(shí)用化進(jìn)程既是鼓勵也是鞭江蘇省位于中國東部沿海經(jīng)濟(jì)樞紐，是我國政務(wù)、金融與科研的聚集地，對信息傳輸?shù)陌踩c效率提出了更高要求。江蘇亨通問天量子信息研究院有限公司（簡稱“亨通問天”）參與“寧蘇量子加密干線”項目，從南京至蘇州架設(shè)量子保密通信干線，途經(jīng)鎮(zhèn)無錫，并以蘇州市為核心樞紐向上海、杭州方向輻射，實(shí)現(xiàn)超過600公里的量子保密通信工程，工程路線如圖26所示。項目作為國際首個相位編碼長距離廣域商用量子干線，不僅加強(qiáng)了江蘇及長三角地區(qū)的信息安全，更為全國其他量子通信骨干網(wǎng)(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)量子態(tài)如疊加性、相干性和糾纏性等物理特性促進(jìn)了量子通信技術(shù)的發(fā)展，卻也導(dǎo)致量子信號在遠(yuǎn)距離光纖鏈路傳輸過程中極易受到噪聲、衰減等環(huán)境因素的微妙干擾，引發(fā)傳輸能力受限、安全另一方面，我國已經(jīng)建設(shè)了京滬干線、合武干線、合肥城域網(wǎng)、子保密通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只支持一種QKD廠商的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，不同因此，如何提高量子信號傳輸過程的抗干擾能力，并解決不同加密設(shè)備間兼容性問題，降低組網(wǎng)與運(yùn)維難度，已成為構(gòu)建遠(yuǎn)距離、穩(wěn)定、高效且安全的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)亟待解決的核心痛點(diǎn)問二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)對比偏振編碼，相位編碼能有效克服因外部振動和應(yīng)力造成的光纖項目采用了安徽問天量子科技股份有限公司（簡稱“問天量子”）的偏振變化，并且干涉可見度與偏振無關(guān)，確保長期穩(wěn)定運(yùn)行且不 采用量子密鑰對以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，量子密鑰定期自動更(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析F-M相位編碼方案是復(fù)雜光纖環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效量子密鑰分發(fā)的核心技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)全線路擾動完全免疫，適用于地埋光纖、架空光纜、跨江鐵路橋等環(huán)境，已獲得多項國內(nèi)外專利授權(quán)和獎項認(rèn)寧蘇量子加密干線目前已通過國家信息安全等級保護(hù)三級認(rèn)證、商用密碼應(yīng)用安全性評估三級資格認(rèn)證；同時，項目完成了沿線政務(wù)、金融等多家單位的量子保密通信試驗試運(yùn)行，運(yùn)營效果穩(wěn)定，技術(shù)成熟可靠，有望在電子政務(wù)、國防、金融、電力等重要領(lǐng)域推三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況項目從南京至蘇州架設(shè)量子保密通信干線，途經(jīng)鎮(zhèn)江、常州、無錫部署中間節(jié)點(diǎn)，并以蘇州市為核心樞紐向上海、杭州方向輻射，實(shí)現(xiàn)超過500公里的量子保密通信工程。如圖28所示，其系統(tǒng)架構(gòu)Web網(wǎng)頁視頻電話文電傳輸視頻會議Web網(wǎng)頁視頻電話文電傳輸量子密鑰應(yīng)用量子密鑰應(yīng)用層隧道量子VPN量子VPN量子VPN量子VPN量子VPN隧道量子VPN量子量子密鑰管理層密鑰管理中心設(shè)備管理中心密鑰池密鑰池密鑰池密鑰池密鑰池密鑰池密鑰池量子密鑰分量子密鑰分發(fā)層QKD-RQKD-RQKD-TQKD-RQKD-RQKD-R可信中繼QKD-R量子密鑰分發(fā)層由量子密鑰分發(fā)終端（QKD）構(gòu)成，負(fù)責(zé)協(xié)商密干線的實(shí)際運(yùn)行中，干線不同節(jié)點(diǎn)間量子比特誤碼率能保持在0.89%~2.06%左右的較低水平，安全密鑰成碼率處于2kbps~13kbps量子密鑰管理層由設(shè)備管理中心和密鑰管理中心構(gòu)成，通過部署量子密鑰服務(wù)器（QKS）和量子密鑰管控系統(tǒng)（QKM）進(jìn)行量子負(fù)責(zé)建立安全加密信息傳輸?shù)耐ǖ?。量子安全網(wǎng)關(guān)利用IPSecVPN技術(shù)建立安全隧道，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時加密傳輸。其最大隧道數(shù)達(dá)到5000條，密文吞吐率達(dá)到千兆速率，可為干線沿線城市提供量子加在寧蘇量子加密干線的基礎(chǔ)上，項目逐步建設(shè)完善各個地市城域網(wǎng)，融合量子密鑰分發(fā)技術(shù)與經(jīng)典信息傳輸技術(shù)，形成覆蓋范圍大、通信穩(wěn)定、全時全通的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，不僅實(shí)現(xiàn)了長距離、跨城市的信息傳輸安全，還支持視頻電話、文電與大數(shù)據(jù)等保密通信，滿足政務(wù)、金融、電力等領(lǐng)域的高(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果在政務(wù)安全網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，項目利用現(xiàn)有的寧蘇量子加密干線，在省市兩級工信系統(tǒng)兩端信息機(jī)房部署相關(guān)量子保密通信設(shè)備和配切換到量子安全網(wǎng)關(guān)（QVPN）子網(wǎng)口，構(gòu)建量子保密通信試驗應(yīng)用專線，開展在工信領(lǐng)域電子政務(wù)外網(wǎng)系統(tǒng)的視頻會議、文件傳輸?shù)仍诰€應(yīng)用。經(jīng)江蘇省工信廳、蘇州市工信局測試，視頻會議業(yè)務(wù)在金融密碼網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，基于寧蘇量子加密干線，中國人民銀行蘇州市中心支行開展了金融城域網(wǎng)量子通信試驗性應(yīng)用，連續(xù)15天業(yè)務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了南京到蘇州金融數(shù)據(jù)的量子保密傳輸。平臺架構(gòu)如圖29所示。銀行單位銀行單位四、應(yīng)用成效與前景(一)創(chuàng)新點(diǎn)/先進(jìn)性/成效/潛力項目采用基于誘騙態(tài)的BB84協(xié)議，以“法拉第-邁克爾遜”量子編解碼器方案為基礎(chǔ)，結(jié)合高速弱相關(guān)光源、紅外單光子探測器等設(shè)備。該設(shè)備解決了復(fù)雜光纖環(huán)境中量子密鑰穩(wěn)定分發(fā)的核心技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了寧蘇量子加密干線全線路擾動完全免疫，全天候、全國際主流商用量子保密通信網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)水平，成為國內(nèi)量子通信基礎(chǔ)在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，研制了可以對量子密鑰分發(fā)、加密應(yīng)用等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制的密管和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)密鑰的存儲、傳輸和中繼，以及網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理，為解決量子保密通信網(wǎng)絡(luò)兼容性和擴(kuò)展性問題提供了一種有效途徑。同時，項目嚴(yán)格遵循商用密碼和項目構(gòu)建了融合量子密鑰分發(fā)設(shè)備與傳統(tǒng)加密網(wǎng)關(guān)的量子保密通信系統(tǒng)。基于量子加密干線，將量子保密通信系統(tǒng)與現(xiàn)有金融系統(tǒng)、政務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了長距離、跨城市的高安全等級通信專(二)案例的不足與改進(jìn)考慮目前，寧蘇量子加密干線項目在江蘇省內(nèi)部分地市實(shí)現(xiàn)了量子首先是受限于量子密鑰分發(fā)的距離限制。2017年在實(shí)驗室理想環(huán)境下，光纖量子密鑰分發(fā)的極限距離約為200公里。在實(shí)際建設(shè)過程中，由于光纖熔接點(diǎn)較多，并且受到熔接質(zhì)量、潔凈度等因素限制，實(shí)際光纖線路的衰減遠(yuǎn)高于實(shí)驗室環(huán)境。因此，本項目使用現(xiàn)，長距離量子通信對中繼節(jié)點(diǎn)的依賴有望降低，從而減少項目開其次，本項目采用了一種技術(shù)體制的量子密鑰分發(fā)設(shè)備，考慮到將來的量子通信網(wǎng)絡(luò)一定是多種技術(shù)體制大融合，因此后續(xù)將考慮在本項目基礎(chǔ)上，探索和構(gòu)建統(tǒng)一密鑰服務(wù)平臺，完善接口規(guī)范、通信協(xié)議及功能協(xié)同，融合多種技術(shù)體制的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，為此外，項目將全面開展網(wǎng)絡(luò)安全等級測評、關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測評估、商用密碼應(yīng)用安全評估，識別潛在的安全漏洞，持續(xù)提高系統(tǒng)安全性，確保量子保密通信系統(tǒng)在運(yùn)營過程中能持續(xù)抵御各類網(wǎng)絡(luò)威脅，提升整個網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)水平，促進(jìn)量子保密通(三)后續(xù)實(shí)施和應(yīng)用計劃/展望在國家戰(zhàn)略的引領(lǐng)和三省一市的共同支持下，寧蘇量子加密干線項目將遵循“戰(zhàn)略牽引、市場驅(qū)動、整體規(guī)劃、分步實(shí)施”的思路，建設(shè)互聯(lián)互通、管理協(xié)同的量子通信網(wǎng)絡(luò)，不僅覆蓋長三角區(qū)域，更要與全國的量子干線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)深度融合，共同推進(jìn)量子通信應(yīng)用，五、應(yīng)用討論與建議(一)案例推廣與發(fā)展前景寧蘇量子加密干線項目采用量子保密通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長距離、跨城市的高安全等級通信專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，解決了遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)過程中編解碼不穩(wěn)定、組網(wǎng)難兼容等關(guān)鍵性問題，從南京到上海沿線打造廣域量子通信商用網(wǎng)絡(luò)，為政務(wù)機(jī)關(guān)、金融機(jī)構(gòu)等對數(shù)據(jù)保密傳輸需求較高的主體提供了端到端的加密通信服務(wù)，展現(xiàn)了量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的廣闊前景，對構(gòu)建跨區(qū)域量子通信未來，隨著技術(shù)的日益成熟與應(yīng)用的不斷深化，項目將在完成量子通信干線建設(shè)、運(yùn)營服務(wù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬其創(chuàng)新邊界，深入探索涵蓋器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、安全等層面與傳統(tǒng)5G通信、區(qū)塊鏈、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方案的融合應(yīng)用，為電子政務(wù)、國防、金融、電力等重要領(lǐng)域提供定制化的安全通信解決方案，為建設(shè)下一代國(二)應(yīng)用感悟與建議深化合作，共謀量子通信技術(shù)未來。加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)外的合作是推動寧蘇量子加密干線項目建設(shè)及量子通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。通過與科研機(jī)構(gòu)、高校及行業(yè)上下游企業(yè)建立跨領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，能夠促進(jìn)各領(lǐng)域間技術(shù)交流和創(chuàng)新，是探索量子通信技術(shù)最佳應(yīng)用路加大研發(fā)投入，提升量子通信設(shè)備性能。為了保持在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，我們應(yīng)持續(xù)加大對量子通信技術(shù)研究的資金和技術(shù)支持，加速技術(shù)迭代和優(yōu)化進(jìn)程，不斷提升設(shè)備的抗干擾能力、降低誤碼率，為構(gòu)建更加安全、高效的量子通信網(wǎng)絡(luò)提供堅實(shí)保障。完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，保障量子通信產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。量子通信技術(shù)作為新興技術(shù)，其健康發(fā)展離不開完善的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐。我們應(yīng)該及時制定相關(guān)法律法規(guī)，明確技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為量子通信技術(shù)案例七一、應(yīng)用背景與需求(一)行業(yè)/應(yīng)用背景電網(wǎng)作為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，一直以來都是敵對勢力、黑客組織的攻擊目標(biāo)，其安全性與國家安全密切相關(guān)。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)，源網(wǎng)荷儲互動、廣域控制日趨頻繁，電網(wǎng)末端海量分布式新能源終端廣泛接入，電網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、經(jīng)營管理等多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)頻繁交互，衛(wèi)星、光纖、無線等多種通信方式融合組網(wǎng)，電力系國家層面高度重視量子科技，將其寫入“十三五”、“十四五”科月，中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)“要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握(二)現(xiàn)狀/需求/痛點(diǎn)當(dāng)前，量子保密通信技術(shù)已逐步實(shí)用化，在電力系統(tǒng)正開展多場景、多業(yè)務(wù)示范應(yīng)用，取得了一定的成效。然而，面向衛(wèi)星、光纖、無線等多場景的量子保密通信應(yīng)用還存在如下問題。一是“墨子號”量子衛(wèi)星量子密鑰成碼率低，固定式地面站靈活性不足，需突破地面站便攜及小型化、衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)技術(shù)；二是電力通信主要采用架空光纜，氣象、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對量子態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響量子密鑰的穩(wěn)定可靠、長距離分發(fā)，需突破量子密鑰穩(wěn)定可靠、長距離分發(fā)技術(shù)；三是新型電力系統(tǒng)海量分布式新能源、配電調(diào)控等涉控類電力業(yè)務(wù)終端廣域分散，源網(wǎng)荷儲廣泛互動，光纖接入成本敏感，采用無線技術(shù)承載存在較大安全風(fēng)險，需突破經(jīng)濟(jì)高效的二、技術(shù)原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關(guān)鍵技術(shù)量子密鑰分發(fā)（QKD）不依賴于計算復(fù)雜度，而是基于量子的不可分割、不可克隆、不可測量等基本特性，基于BB84協(xié)議可保證竊聽必然被發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)密鑰的遠(yuǎn)距離安全分發(fā)?；诹孔用荑€和香農(nóng)“一次一密”理論可實(shí)現(xiàn)信息論上的無條件安全通信。量子密鑰分發(fā)按通信方式可以分為：衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)、光纖量子密鑰分發(fā)、衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)是利用固定、便攜、車載等多類型地面站與“墨子號”、“濟(jì)南一號”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)與可信中繼，定制星地互聯(lián)電力專用量子加密裝置，實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的量子加光纖量子密鑰分發(fā)是利用一根裸纖芯作為量子信道，傳送光量子態(tài)；另一根裸纖芯作為經(jīng)典信道，傳輸量子密鑰協(xié)商信息，基于無線量子密鑰分發(fā)利用量子Ukey/TF卡將初始量子密鑰分發(fā)到量子加密終端中，采用無線網(wǎng)絡(luò)，基于預(yù)置密鑰進(jìn)行身份認(rèn)證和會話密鑰的在線分發(fā)，并在量子加密終端和量子加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)之間建(二)技術(shù)優(yōu)勢/成熟度分析量子保密通信技術(shù)基于量子力學(xué)基本原理，結(jié)合香農(nóng)“一次一密”理論，可實(shí)現(xiàn)信息論上的無條件安全通信，為電網(wǎng)安全提供了新的技術(shù)手段。量子保密通信技術(shù)是當(dāng)前全球量子科技研究、產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用的重點(diǎn)方向。目前量子保密通信技術(shù)在電力系統(tǒng)已經(jīng)具備了“量子+調(diào)度安全、信息安全、無線通信”等成熟產(chǎn)品，涉及電力調(diào)度、設(shè)備、營銷、安監(jiān)和信通等各個專業(yè)，廣泛應(yīng)用于調(diào)度自動化、配電自動化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、分布式新能源接入、移動巡檢、重大會議三、應(yīng)用方案與實(shí)踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構(gòu)/產(chǎn)品情況面向廣域大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制業(yè)務(wù)的星地一體量子密鑰分發(fā)技術(shù)。設(shè)計了衛(wèi)星、光纖和無線融合的星地一體電力量子密鑰保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖30所示。提出了聯(lián)合多自由度調(diào)制分集和多編碼方式糾錯的星地量子密鑰高效分發(fā)方法，提升了星地量子密鑰分發(fā)效率和成碼率?；凇吨揠H量子通信關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范》國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，采用高速跟瞄、激光準(zhǔn)直等高效星地鏈路收集技術(shù)，聯(lián)合科大國盾量子技術(shù)股份有限公司，基于“墨子號”量子衛(wèi)星研制了便攜式量子衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)，相較于固定式地面站，便攜式地公斤，有效提升面向廣域大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制業(yè)務(wù)量子加密應(yīng)用靈活性。量子密鑰量子密鑰量子密鑰量子密鑰星地一體量子網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)面向主網(wǎng)調(diào)控業(yè)務(wù)的長距離抗干擾光纖量子密鑰分發(fā)技術(shù)。提出了相位漂移量檢測、反饋與補(bǔ)償方法，如圖31所示，采用可控驅(qū)動實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)中高速相位調(diào)制，聯(lián)合科大科大國盾量子技術(shù)電力架空光纜下量子密鑰的穩(wěn)定分發(fā)。利用波段檢測、主動避讓、被動分光等技術(shù)，研制了量子-經(jīng)典信號共纖波分設(shè)備，實(shí)現(xiàn)量子信號與經(jīng)典信號的共纖傳輸，插入損耗≤0.64dB，隔離度>60dB，有效量子信道長距離架空光纜高速相位調(diào)制模塊高速相位調(diào)制模塊量子信道長距離架空光纜高速相位調(diào)制模塊高速相位調(diào)制模塊面向配網(wǎng)調(diào)控業(yè)務(wù)的輕量化量子密鑰無線分發(fā)技術(shù)。提出了面向電網(wǎng)末端海量業(yè)務(wù)終端無線安全接入的量子密鑰自適應(yīng)更新方法，研制了量子密鑰服務(wù)平臺，解決了無線通信量子密鑰低成本分發(fā)難題，如圖32所示。提出了適用于配電自動化、分布式新能源等各類終端的量子密鑰輕量化IBC雙向身份認(rèn)證方法，有效降低身份認(rèn)證耗低至0.74W，大幅提升配電自動化和分布式新能源控制業(yè)務(wù)的安(二)應(yīng)用情況/實(shí)施方式/驗證結(jié)果國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司開展面向主網(wǎng)調(diào)控業(yè)務(wù)的長子-經(jīng)典信號共纖復(fù)用設(shè)備，構(gòu)建了覆蓋國家電網(wǎng)公司白廣路、西單總部、國網(wǎng)北京數(shù)據(jù)中心等核心節(jié)點(diǎn)的百公里級電力量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并與國網(wǎng)上海、安徽、山東信通公司建設(shè)了基于國家“量子京滬”干線的量子密鑰可信中繼網(wǎng)絡(luò)，承載了調(diào)度自動化、配電進(jìn)博會保電、管理信息化容災(zāi)備份等業(yè)務(wù)，為國網(wǎng)公司總部管理信國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司開展面向廣域大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制業(yè)務(wù)的星地一體量子密鑰分發(fā)應(yīng)用驗證。部署了可移動便攜式量子衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)，建設(shè)了覆蓋國網(wǎng)福建信通公司和國網(wǎng)信通公司的星地電力量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，與“墨子號”量子衛(wèi)星之間完成了星地量子密鑰分發(fā)，開展了廣域電力應(yīng)急指揮視頻會商和財務(wù)管控系統(tǒng)業(yè)務(wù)接入和應(yīng)用測試。通過“墨子號”量子衛(wèi)星中繼實(shí)現(xiàn)北京與福建之間的量子密鑰中繼、分發(fā)，并通過星地量子密鑰服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行量子密鑰管理。國網(wǎng)福建信通公司便攜地面站與“墨子號