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1案例一2一、應用背景與需求(一)行業/應用背景量子計算是一種基于量子力學原理的新型計算方式，在全球范圍內引起了廣泛關注。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際應用探索的步伐。在這個過程中，我國的高目前，許多大學已經開始開設相關課程，旨在協助學生更深入地理解并掌握量子計算的理論知識和實踐技能。然而，由于量子計算涉及的概念和原理包括疊加態、糾纏態以及量子門等都是相當抽象且復雜的內容，這就對教師的教學水平和學生的學習能力提出了(二)現狀/需求/痛點當前，主流的教學方法仍是理論講解，尤其在處理復數和矩陣概念時，學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，使學生更直觀地理解量子計算，無疑成為了教學工作面臨的重大挑戰。這種情況凸顯出我們對一種能真實反映量子計為了解決上述挑戰，使學生能夠從理論轉向實踐，我們迫切需要一種能真實反映量子計算過程的設備。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備上，3而對教學設備的投入相對較少。這不僅限制了教學設備的獲取，也使得實際操作機會的提供成為一項挑戰。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備的產品，這無疑增大了教學難度。此外，雖然量子計算模擬器和云服務器能解決一部分的量子計算“答案”問題，但對于學生需要理解與接觸的真實量子狀態與運行另一個重要的問題是，由于大部分經費和資源都集中在量子計算的研究設備上，教學設備采購經費一般受到一些限制，大多數高校在供教學的設備方面的供給不足，甚至有一些學校在缺乏設備的情況下，無法開展與量子計算相關的教學工作。此外，當前研發使用的量子計算設備往往設計精細、操作復雜，對操作人員的技術要求較高，因此并不能適應廣大教學老師和學生群體的需求。這就需要我們在設計和開發量子計算教學設備時，充分考慮到其易用性和二、技術原理與優勢4(一)概念原理/關鍵技術當前實現量子計算的技術方案有很多種，其中基于核磁共振技術的量子計算機較多被用于教育和科研場景。核磁共振量子計算機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產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，通過發射射頻脈沖的方式，可以使激發自旋量子態，使其在向上和向下的能級之間躍遷，從而實現對基于以上原理，搭建一臺真實的核磁量子計算機，首先需要制備合適的分子結構作為量子比特載體，具有多個自旋為1/2的原子核，且互相之間存在耦合關系；然后設計出一套磁體系統，可以提供均勻穩定的靜磁場；最后設計一套高精度的射頻信號收發系統，(二)技術優勢/成熟度分析基于核磁共振技術的量子計算機在面向教育場景時，相對于其它量子計算技術體系或模擬器方案，具有如下多個方面的優勢。1）5相比于其它體系（如超導芯片、離子阱等核磁共振技術已經比較成熟，可以做到體積和重量的小型化；2）性能更加穩定，機器自帶一鍵校準量子比特參數的功能，不需要專業維護，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據，從實驗數據上觀測量子比特的演化規律；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，可以允許學生自由搭建任意量子算法；6）多種量子編程方式結合，有易入門的圖形界面編程方式，以及基于SpinQit框架的經典-量子混合編程方目前國內外有許多的高校在使用量旋的核磁量子計算機作為量子計算教育的輔助教學儀器，真實的量子硬件以及真實的數據反饋，能夠很好地促進學生對于量子計算這一抽象概念的理解。從對量子計算相關實驗內容的支持程度上來看，核磁量子計算機可以支持從底層量子比特的物理原理、量子態演化一直到頂層的邏輯門實現和算法編程的量子計算全過程實驗。因為實際系統已經在教育場景中三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產品情況為了全面體現真實量子計算硬件在量子計算教學種的作用，量旋圍繞三角座等核磁量子計算機設計了一整套教學方案，主要為上6機實驗內容，主要分為三個板塊。1）量子比特物理指標（如退相干時間T1、T2）以及自由演化動力學現象實驗；2）從量子邏輯門層級開始學習量子算法設計，并在真實硬件上運行后對結果進行分析；3）對物理底層更加開放的量子調控技術探索，進一步加深學生對量具體的教學方案中還包括如表1的一系列實驗課程以及配套的實驗首先從認識量子比特開始，量子態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，在Bloch球模型中，單量子態可以通過球面上一個點來表示，這個表量子比特的|0>和|1>狀態，而其它點則表示量子比特處于疊加態，這種方法使得我們可以直觀地理解量子態的演化，在實驗配套的軟拉比振蕩也是一類非常重要的物理現象，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，拉比振蕩都尤其重要，因為它是校準量子門的重要手段，而只有校準了量子門，才有可能成功實現量子計算。該實驗重點是，通過測量拉比振蕩，加深對核磁共振原理的理解；進一步掌握在核磁共振系統中實現單比特門的方法--單比特門由射頻脈沖實現；學習核磁共振量子計算中量量子算法也是量子計算學習中非常重要的一環，本方案同時也方程組。科學和工程學中的很多問題都需要解線性方程組。隨著科學和工程的發展進步，解線性方程組所需要處理的數據量越來越大，對計算機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，該算法比最優的經典算法具有指數加驗原理設計如圖3所示。(二)應用情況/實施方式/驗證結果以上介紹的教學方案，在北京理工大學等國內外大學的真實量子計算課堂上受到了師生的廣泛好評。經過課程初步和操作系統的8引導后，學生基本能夠獨立運用量子計算機，進行單/雙量子比特的線路搭建與測量。同學們普遍認為，雖然量子理論部分內容有些難，但是通過動手做實驗，能對量子技術很切身直觀的體會。同學們可以在配套軟件的單比特實驗模塊通過設計不同的量子比特演化參數，可以直觀地分析量子態在Bloch球上的演化規律，例如圖4所示。在拉比振蕩模塊，可以進行的操作是通過采集原始的量子信號，9子邏輯門，設置邏輯門參數，最后得出不同邏輯門序列的實驗數據四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力基于核磁量子計算機的教學方案，給之前的量子計算教學帶來了很大的突破，它是目前為數不多的能夠小型化的量子計算設備，使得只能出現在科研實驗室的前沿科技可以被搬進教室，可以非常好地激發學生的學習熱情，同時對量子計算能有更加直觀的認識。除此之外，它也有諸多優創新點和先進性。1）全程開放的教學實驗形式，內容涵蓋量子計算底層運作的實驗操作到頂層的算法實現，可以深度地參與到真實量子計算的每一個環節；2）基于核磁共振量子計算的實驗原理適用于所有主流量子計算體系（如超導芯片、離子阱可以充當量子計算“教練機”的作用培養量子信息科(二)案例的不足與改進考慮核磁量子計算機作為精密技術，在應用中受到不穩定因素影響，需要解決若干問題。其對環境要求高；小型化系統中使用的釹鐵硼永磁體對溫度敏感，稍有偏差就會影響實驗精度；此外，磁場均勻性對量子比特信號強度和分辨率有直接影響，物理震動或熱脹冷縮等可導致實驗精度問題。后續將優化溫度控制和勻場方案，減少環(三)后續實施和應用計劃/展望量子計算是一門物理和計算機的交叉學科技術，針對物理系的學生，更希望培養其動手實踐能力，而量子計算機一般都是非常精密的儀器，操作不當或環境稍有變化很容易影響數據的準確性，所以目前的量子計算教學產品一般在物理硬件上是不開放的，所有實驗操作和數據全部在軟件界面上進行，如此對于學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識也不夠清晰。量旋為了解決這一問題而設計研發了新的量子計算教學設備雙子座Lab，其具備完全開放的硬件模塊化設計，可以支持將硬件架構各個部分如量子比特樣品、射頻系統等單獨作為實驗對象，增強了實驗的動手操作性，以及對量子計算機運行過程的物理知識了解，相信五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景量旋科技與北京理工大學、西澳大學、奧斯陸城市大學等高校合作，開設了涵蓋量子計算發展、原理及應用的課程，并使用真機教學設備增強實踐體驗。這些課程依據教育資源制定教學方案，以助學生有效使用設備，提升學效。真機設備的使用也讓學生更有興在大學專業教育中，廣泛推廣量子計算真機教學設備至關重要。該設備使抽象的量子理論具象化，幫助學生通過實踐操作直觀理解量子計算。將量子計算課程設為選修，單獨設置教學模塊，覆蓋硬(二)應用感悟與建議量子計算設備的發展需要長期投入、技術積累與創新，企業和高校的合作關系尤為重要。企業主導設備研發生產，將科研成果商業化，并推動設備普及；高校提供使用環境，而師生的反饋對設備優化有極大幫助，同時還會通過課程培養更多的專業人才。因此，建議企業和高校定期進行溝通交流，讓雙方能夠充分分享想法，共同解決設備使用過程中遇到的問題。此外，也可以通過設置實習機案例二一、應用背景與需求(一)行業/應用背景生物信息學是現代生命科學的核心領域之一，它在理解支撐生命的復雜生物過程和機制，以及推進醫療保健、農業、環境科學等方面發揮著至關重要的作用。其中，基因組學研究尤為重要。基因由于測序技術或測序儀器的內在缺陷，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)現狀/需求/痛點具有較高的吞吐量、高精度及較低的成本的特點。因而，二代測序技術一直被視為當前最通用的基因組測序技術。但是，二代測序技術也存在著一些缺點。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，二代測序技術難以解決因為存在基因重復片段的存在而無法正確進行基因測序的問題。在實際操作過程中，二代測序技術無法確定重復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，當前量子計算還處于有“有噪聲的中等規模量子”如何利用有限的量子資源探索具體的實際應用是一個非常重要的研二、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術VQE是一種經典-量子混合算法，如圖8所示。VQE算法主要應用于估計化學分子的基態能量、組合優化問題的最優解等，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鍵部分，用于生成包含問題可行解的量子態。問題啟發式參數化量子線路是一類專門設計來求解特定問題的參數化量子線路，根據問題的特殊性設計特定的參數化量子線路，生成僅包含問題可(二)技術優勢/成熟度分析具有三方面的技術優勢。1）結合三代測序技術輔助二代測序技術可以有效的解決存在基因重復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模完成了多個小規模的基因組組裝任務，展現出良好的可擴展性。同時，設計的問題啟發式參數化量子線路可以有效提高算法的收斂速三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產品情況本方案是將基因組組裝問題轉為二元無約束二值優化（QuadraticUnconstrainedB構造德布魯因（deBruijn）圖，并引入三代測序技術得到的數據來確定重復基因片段的位置，構造目標函數。最后根據從頭組裝算法需要滿足組裝路徑是連續的單路徑作為約束條件，并結合目標函數行期望值測量，并進行優化，從而得到最終的解，如圖9所示。本根據問題設計問題啟發式參數化量子線路，則是在基因組組裝問題中，根據約束條件，二進制變量映射成量子態后，量子態中至多只有一個“1”。因此可以通過圖10的參數化量子線路生成僅含可(二)應用情況/實施方式/驗證結果并計算了多個小規模的基因組組裝模型，具有良好的可擴展性。隨著問題規模的增長，其R99（需要運行多少次實驗才能以99%的概率找到最優解）指標呈線性增長。其結果如圖根據基因組組裝問題的限制條件設計問題啟發式參數化量子線路，將參數化量子態限制在可行解的空間中，從而縮小了搜索空間四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力先的特點。首先，與二代測序技術相比，三代測序技術擁有更長的讀長能力。這使得它能解決二代測序技術在讀長限制上的問題，并組裝等任務。不過，三代測序技術的錯誤率較高且花費昂貴，為此我們結合了二代測序技術的高精度和三代測序技術的長讀長，成功少的量子比特資源來模擬實現大規模的基因組組裝，而且不需要這最后，一個優秀的參數化量子線路需要在保證試探波函數包含基態的表達能力與盡可能減少參數化量子態搜索空間之間找到平衡。我們設計并啟動了問題啟發式的參數化量子線路，所生成的試探波函數僅包含可行解。與傳統的硬件高效參數化量子線路（Hardwareefficientansatz，HEA）相比，這種方法在搜索空間上具有指數級的(二)案例的不足與改進考慮面，即使采用分布式計算的策略，實際的組裝任務仍需要大量的量子比特，這對近期的量子設備來說是一個巨大的挑戰。另一方面，隨著問題規模的增大，算法的參數優化變得難以預測和處理，容易陷入局部解。后續將進一步分析出現貧瘠高原的原因和探索更復雜(三)后續實施和應用計劃/展望由于當前量子硬件的限制，本案例僅在模擬器上進行了算法的可行性分析和性能測試。后續將我們的算法移植到真實的量子設備的適應于真實硬件的特性和限制。最后，將擴大基因組組裝問題規模，進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上進行驗證和實現，預期能夠使用近期幾十量子比特的量子計算機來解決原本需要上千量子比特才能解決的問題，推動量子計算的產五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景微生物、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。在實際應用中，根據二代測序技術得到的序列長度所產生的k-mers數量，我們可以使用一臺至萬臺的量子計算機上同步運行上萬個量子線路，其中每臺量子計算機具有百量級量子比特，即可實現因組組裝問題、供應鏈問題等。分布式VQE算法是一個可以在NISQ時代專門求解大規模QUBO問題的經典－混合量子算法。未投資組合優化、期權定價等問題，幫助金融機構提高服務質量，降低風險。在能源領域，用于電力系統的優化、設備調度和可再生能(二)應用感悟與建議近年來，量子計算在跨學科領域的應用迅速發展，并獲得了學術界和工業界的濃厚興趣。量子計算在生命科學領域的應用還處于初期階段，對此領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解決生命科學的關鍵問題，還有待于進一步探索和拓展。未來希望學術界和工業界能夠加強合作，探討不限于分布式案例三——量子計算加速藥物發現一、應用背景與需求(一)行業及應用背景分子對接是藥物設計領域中的一項關鍵技術，它通過計算配體與受體之間的空間互補性和能量匹配來預測兩者之間的結合模式。這項技術在基于結構的藥物設計、前導優化、生化途徑和藥物設計等方面具有極強的實用性，并被視為一個充滿活力的研究領域。然而，傳統的分子對接方法在面對巨大的搜索空間和復雜的計算要求時，往往需要耗費大量時間和資源，且難以保證找到最優解。此外，傳統藥物篩選不僅成本昂貴，而且成功率較低，通量子計算機通過量子比特進行信息編碼，利用量子疊加和量子糾纏的特性，能夠在極短的時間內完成傳統計算機難以實現的復雜計算任務，可以為藥物設計等需要大規模計算的問題提供了新的解決方案。因此，醫藥領域開始重視量子計算的發展，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2億美元用于研發第一臺用于生命科學研究的量子計算機，應用范圍覆蓋從創造新藥到尋找基因、環境和疾病之間的聯系，加快藥物研發速度。除上述外，在靶點分析、化合物篩選、化合物修飾優化等環節的難量子計算在分子對接領域的應用前景非常廣闊，其強大的并行處理能力有望徹底改變藥物設計的傳統模式，在未來藥物發現領域具有巨大優勢。這不僅能夠顯著提高分子對接的效率，降低研發成本，還能夠在更深層次上探索分子間的相互作用，為發現新的活性分子和藥物靶點提供可能。隨著量子算法的不斷優化和量子硬件的(二)現狀/需求/痛點新藥研發通常周期漫長且成本高昂。據測算，一個新藥的研發研發大體分為前期藥物發現、臨床前研究、臨床研究、批準上市等幾個階段。其中，前期藥物發現是新藥研發中的關鍵步驟，包括對疾病機制的研究、靶點發現及確認、先導化合物的發現等。分子對接作為藥物發現早期虛擬篩選、計算機輔助藥物設計的重要技術手段，多被用于預測和分析配體（小分子化合物）與受體（蛋白質或核酸）之間結合過程。通過計算分析配體與受體之間的空間互補性及能量匹配，預測結合模式和親和力，在先導化合物的發現和優化中發揮著重要作用。分子對接技術可以進一步細分為剛性對接、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量的增加呈指數級增長。由于經典計算機的算力限制，只能對有限的分子樣本進行采樣，當前通常僅采樣百萬到千萬個分子，而事實上目前可用于藥物發現的有機分子已難求得最優解，導致篩選模型往往會產生較高的假陽性率。這意味著許多實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、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術本案例使用的是玻色量子自研的專用量子計算機-相干光量子計算機，通過模擬伊辛模型的能量演化過程，專用于求解組合優化問題。該光量子計算機是一種混合量子計算系統，包含光學和電學兩部分系統。其中，光學系統主要負責量子比特的制備與存儲，電學具體而言，光學系統主要由泵浦脈沖光源、相敏放大器和光纖環路組成。該光量子計算機使用飛秒光纖激光器產生激光脈沖，并利用摻鉺光纖放大器實現功率放大。進一步，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路中以供后續的電氣系統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，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。根據需要求解的脈沖，利用反饋光脈沖與光纖環路內的光脈沖相互干涉，從而引導解結果。為便于展示，演化過程信息可全部上傳到上位機中并展示，包括哈密頓量和量子比特相位的演化曲線。基于相干光量子計算機的光量子計算機原理圖如圖13所示，基于該結構，相干光量子計算(二)技術優勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態制備、高保自適應糾錯等優勢，并能達到12小時/次以上長時間的穩定運行。間中進行并行搜索，求出優化解，實現比經典計算在實際應用問題上的數萬倍加速求解出最優解的概率高達99%。相干光量子計算機作為一種專用量子計算機，在求解組合優化問題上有以下四大優勢：干光量子計算機。實驗室驗證已超過1萬2）室溫穩定運行：光量子比特作為自然比特，可在常溫下進行制備和操控。通過對激光的精準控制，相干光量子計算機在室溫下3）具備全連接特性，AI適配：相干光量子計算機方案通過控4）能短期工程化實現并應用：相干光量子計算機技術方案在國根據《技術創新成熟度評價標準及評價細則》對產品成熟度的評價標準，目前玻色量子的相干光量子計算機成熟度已達到8級（完成小批量試生產并形成實際產品，產品、系統定型，工藝成熟穩定，生產與服務條件完備，能夠實際使用，形成技術標準、管理三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產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，在藥物發現早期虛擬篩選、計算機輔助藥物設計中具有十分重要的意義。通常情況下，藥物分子在產生藥效的過程中，需要與靶酶相互結合，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，發生相互作用。繼而通過適當的構象調整，得到一個穩定的復合物構象。通過分子對接確定復合物中兩個分子正確的相對位置和取向，研究兩個分子的構象，特別是底物構象在形成復合物過程中的變化，是確定藥物作用機制、設在分子對接計算中，配體分子被放置在受體的活性位點附近，然后基于幾何互補性、能量互補性以及化學環境互補性等原則，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合模式。分子對接的優勢在于它不僅考慮了受體的三維結構信息，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化為配體原子和受體結合口袋的空間格點匹配問題。把復雜的三維分子對接問題簡化為可操作的空間格點匹配問題，并且將分子對接中的采樣問題編碼為QUBO束二值優化)模型，利用量子計算機進行求解，從而加速采樣過程，如圖14所示。最后通過特定的解碼過程，將量子計算機求得的QUBO模型解轉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，使用自主研發的量子計算Solver以及量子算法對分子對接問題進行求解。有完善的分子三維結構展示，剛性對接、打分、日志記錄、結果分析等模塊，可拓展性強，并且已經成功上線了兩(二)應用情況/實施方式/驗證結果在之前的研究中已被證實，相干光量子計算機的求解速度比傳統計目前相干光量子計算機的最大求解規模遠超該算法模型在CASF數據集上應用所需的比特數，同時相干光量子計算機上的采樣的運行時間僅以毫秒為單位，相較于經典計算機至少有3個數量此外，自研量子分子對接模擬平臺可實現藥物研發中大規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行小分子對接的預測準確率已超過80%，在目前全球所有量子計算方案中準確率最高，首次將量子計算的工程指標和行業主流分子對接軟件指四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力本案例的創新之處在于，通過提出將網格點匹配（GPM）和原子特征匹配（FAM）算法，將配體原子與受體結合口袋的空間匹配于量子計算的藥物分子對接平臺，實現藥物研發中大規模虛擬篩選在傳統的分子對接方法中，由于巨大的搜索空間和分子之間復雜的相互作用，往往難以找到最優或近似最優的分子構象。而量子計算機以量子比特為基本單元，利用量子疊加和糾纏等特性實現并行計算，在處理這類問題時展現出超越傳統計算方法的潛力。通過將分子對接過程中的采樣問題轉化為配體原子和受體結合口袋的空在毫秒級的范圍內，從多個可能的構象中搜索并識別出最佳的分子對接姿態，加速問題求解。同時自研的量子分子對接模擬平臺，為新藥研發提供了一個強大的工具，有望顯著縮短藥物研發周期，降低研發成本，并提高藥物研發的成功率。這一創新方法的提出，可(二)案例的不足與改進考慮該案例雖然在分子對接領域應用量子技術實現了創新性的突破，但仍有進一步的改進空間。首先，由于目前量子計算機的真機量子定的簡化，以減少比特數的消耗。然后，簡化后的模型雖然能夠適配現有的量子硬件，但其信息攜帶能力和求解精度有限。其次，當前商用的相干光量子計算機產品在數據處理上僅支持8位精度的計算。因此在處理大規模數據時，須降低數據精度以適應硬件能力，對最終的計算結果產生一定影響。隨著量子計算機技術的進步，特別是量子比特數的增加以及支持精度的提升，未來在模型復雜度、計算精度以及算法優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量的數據和更可靠的結果，實現更精準的藥物設計。(三)后續實施和應用計劃/展望從實驗數據可見，隨著分子量的增加，所消耗的量子比特數也需要具備萬比特級別的量子計算機，才能夠真正的很好的覆蓋這一進行迭代和優化，以適應更大規模的量子比特和更高精度的計算能力。這將包括開發更優化的算法來處理更大的數據集，以及提高模型的預測準確性和計算效率。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合，以促進量子計算技術在藥物發現領域的廣泛應用。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帶來更高效、更精準的解決方案，加速藥物從實驗室到臨床轉化過程。五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景目前，醫藥領域開始重視量子計算的發展，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2億美元用于開發第一臺用于生命科學研究的量子計算機，應用范圍覆蓋從創造新藥到尋找基因、環境和疾病之間的聯系，加快藥物研發速度。布量子生物項目（Q4Bio向多科學研究團隊提供高的研究資金，旨在支持加速量子計算在生命科學領域應用挑戰項目。在醫藥領域，特別是生物信息學，包含大量計算密集型任務，非常合適作為量子計算的應用場景。從藥物發現、組學分析到精準醫療，量子計算有望提供前所未有的能力來模擬生物系統，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組學數據，從而為這些領域帶來根本性變革。量子機器學習和量子優化等量子算法可以加速分子結構預測、藥物篩選和優化藥物傳遞機制來增強藥物發現，加速新藥研發流程。本案例將量子計算在分子對接和藥物發現中的應用逐漸成為現實，通過模擬復雜的分子相互作用，極大地提高藥物設計和篩選的效率。同時自研量子分子對接未來，隨著量子計算硬件的進一步發展和量子算法的優化，其在藥物發現領域的應用將更加廣泛。量子計算的高并行性和高效率將使得藥物篩選和分子設計更加精確和快速，有望在治療癌癥、神經退行性疾病等復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作為一種專用量子計算機的代表技術路線，在理論研究和實際應用中都取得了顯著進展，隨著技術的不斷成熟和跨學科合作的深入，有望在3-5年內最有可能率先實現真實商用。目前玻色量子已經發布了可穩定運行8小時以上的千比特產品級量子計算機，從上述應用場景的規模分析也可以看到，千比特的量子計算機已經可以很好的覆蓋到分子對接中真實數據要求，為用戶提供有實際價值的計算結果。而相干光量子計算機在1-2年內就可以將比特規模提升至萬級別，這樣就可以在生物制藥方向進行橫向的場景拓展，繼續覆蓋到包括像蛋白質結構預測、分子相似性分析、基因測序、細胞組學數據分析等實際場景，并且目前這些應用方向已經有很多的企業及科研團隊在同步探索中，預計在3-5年可以看(二)應用感悟與建議基于量子計算的分子對接與傳統的基于分子對接模型相比，差距很小，并且由于量子計算機的先天優勢，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展、可編程的光量子計算平臺研發和量子計算應用落地。未來，玻色量子將持續探索可滿足各行各業算力需求的新場景，充分發揮光量子計算的實用潛力，為占領光量子計算領域全球制高點而奮斗。案例四——量子人工智能訓練的光速動力一、應用背景與需求(一)行業/應用背景深度神經網絡（DNNs）之所以在人工智能領域占據重要地位，是因為它們能夠從龐大的數據集中提取和學習復雜的特征模式。這些網絡通過模擬人腦的神經元結構，通過層層疊加的節點和連接，實現了對數據的高效處理和理解，如圖18所示。前饋神經網絡，作為深度學習中的一種基礎架構，以其出色的表示能力、快速的推理速度和靈活的網絡連接方式，成為眾多研究和應用的首選。例如，新紀元；ResNet通過殘差連接解決了深層網絡訓練中的退化問題；Transformer模型則以其自注意力機制在自然語言處理領域取得了革然而，隨著深度學習模型的規模和復雜性的增加，訓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的成本，也限制了模型創新和應用的廣泛性。在某些情況下，高性能計算硬件，如GPU，甚至出現了供不應求的局面，這無疑加劇了算力資源的緊張。為了解決這一問題，人工智能領域的研究者和工程師們正在探索各種創新的方法，包括但不限于優化算法、改進硬件設計、開發更高效的并行計算策略等，以期提高網絡(二)現狀/需求/痛點基于梯度的反向傳播方法（Gradient-basedBackpropagation）是深度學習中一種經典的訓練技術，它通過計算損失函數相對于網絡參數的梯度來調整這些參數。這種方法在過去的幾十年里在各種應用中都顯示出了顯著的效果，但隨著深度學習模型的復雜性增加，它也暴露出了一些嚴重的局限性。在深層網絡中，梯度可能會隨著層數的增加而變得非常小（梯度消失）或非常大（梯度爆炸這不僅會導致訓練過程的不穩定，還可能使得模型難以達到全局最優解，而只是陷入局部最小值。特別是在損失函數是非凸的情況下，這種現象更為常見。此外，反向傳播需要大量的計算資源，尤其是在訓練大型網絡時，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練的難度，也限制了模型的規模和復雜性，使得在資源有二、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術本案例使用的是玻色量子自研的專用量子計算機——550計算專用于求解組合優化問題。該相干光量子計算機是一種混合量子計算系統，包含光學和電學兩部分系統。其中，光學系統主要負責量具體而言，光學系統主要由泵浦脈沖光源、相敏放大器和光纖環路組成。該光量子計算機使用飛秒光纖激光器產生激光脈沖，并利用摻鉺光纖放大器實現功率放大。進一步，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路中以供后續的電學系統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，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。根據需要求解的脈沖，利用反饋光脈沖與光纖環路內的光脈沖相互干涉，從而引導解結果。為便于展示，整個演化過程的信息可全部上傳到上位機中并展示，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原理圖如圖13所示，基于該結構，相干光量子計算機可以(二)技術優勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態制備、高保自適應糾錯等優勢，并能達到12小時/次以上長時間的穩定運行。間中進行并行搜索，求出優化解，實現了比經典計算在實際應用問題上的數萬倍加速求解出最優解的概率高達99%。相干光量子計算機作為一種專用型量子計算機，在求解組合優化問題上具有以下四干光量子計算機。實驗室驗證已超過1萬2）室溫穩定運行：光量子比特作為自然比特，可在常溫下進行制備和操控。通過對激光的精準控制，相干光量子計算機在室溫下3）具備全連接特性，AI適配：相干光量子計算機方案通過控4）能短期工程化實現并應用：相干光量子計算機技術方案在國根據《技術創新成熟度評價標準及評價細則》對產品成熟度的評價標準，目前玻色量子的相干光量子計算機成熟度已達到8級（完成小批量試生產并形成實際產品，產品、系統定型，工藝成熟穩定，生產與服務條件完備，能夠實際使用，形成技術標準、管理規模真實業務數據集下的驗證和應用的硬件三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產品情況基于相干光量子計算機的應用特點，提出一種專用于前饋神經網絡訓練的量子經典-混合加速算法，如圖19所示。首先，根據給的監督學習問題。然后，使用增廣拉格朗日法和Rosenberg降次將將量子計算機求解出的最優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求解。如此迭代直至收斂，并將收斂后的解σ*進行解碼得到最優神經網絡參數θ*。這一算法采用了4項關鍵技術：網絡拓撲的約束化表示、變量二值編碼協議、增廣拉格朗日迭代和Rosenb的約束化表示”通過把神經元連接和激活函數表示為約束條件，將QNN訓練表述為二次約束二進制優化（QCBO）問題，其中所有變量都根據“變量二值編碼協議”使用二進制位進行編碼。“增廣拉格朗日迭代”和“Rosenberg降次”共同消除約束條件并將高階損失函數簡化為二次損失函數，使得QCBO被轉換為二次無約束二進制優化（QUBO）問題，該問題可以在相干光量子計算機上高效求解。該(二)應用情況/實施方式/驗證結果為驗證本案例中的量子經典-混合加速算法，使用北京玻色量子數據集包含若干張手寫數字“6”和“9”的黑白圖片，將其降采樣網絡的一維輸入，神經網絡輸出正值表示預測給定圖片為數字“6”，否則表示預測為數字“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。運行在光量子計算機上的快的神經網絡訓練收斂速度，平均收斂時間達85m準確率為84.1%。相對于CPU和GPU而言，本方案不僅提高了17.2倍，證實量子計算有能力成為人工智能訓練芯片的有力替代品。接下來主要從解決現實問題時對量子比特數的需求及影響因素、量子比特數的需求與數據集的規模，每條數據包含的參數個數，以及采用的神經網絡的層數、權重參數精度都相關。假設神經網絡 該多層神經網絡可以應用于數據分析、計算機視覺等領域。以數據分析任務為例，假設數據規模1千條數據，神經網絡兩層，神神經網絡寬度取50，那么所需的量子比特數規模就在2,000,000左右。依此類推要達到實際應用的話，量子比特數需求規模在千萬級四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力針對目前人工智能領域發展面臨的算力瓶頸難題，清華大學李升波教授團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的多層前饋神經網絡訓練方法”，并在玻色量子的550比特相干光量子計算機上進行了真機驗證，成功證實了該研究成果可在確保模型準確度的前提下，相比CPU/GPU實現一個數量級的加速倍數。隨著量子比特數的增長，本研究有望實現大規模神經網絡的快速訓練，為量子計算在人工智能領域的應用奠定了重要(二)案例的不足與改進考慮受限于量子計算機硬件的比特數量，本案例中的應用僅使用了較少的量子算力以及在小規模數據集中進行驗證，完成該新型量子算法0-1的突破；但仍需要進一步去探索面向大規模神經網絡以及未來大模型場景下，能夠適應更多種類激活函數擬合的復雜訓練情形，研究出泛化能力更強的量子人工智能訓練加速算子，并且在更(三)后續實施和應用計劃相干光量子計算目前已經在神經網絡訓練中的作用主要體現在訓練驗證中展現出了最快的神經網絡訓練收斂速度，已初步展現出未來將進一步“軟硬兼施“：在硬件上需要大幅提升量子比特數規模，提升運行的穩定性及準確性，在軟件上需要進一步研究和優化相關算法，并增強結果的可解釋性，這需要深入理解有關的量子縱向：提升比特規模。受限于當前量子計算機的比特數量，本案例只在有限規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。神經網絡訓練是人工智能領域中的一個重要環節，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，但相干光量子計算機作為專用量子計算機領域的標志性技術路徑，在理論探索與實際應用兩方面均取得了矚目的成就。隨著技術的日益精進及跨學科合作的不斷深化，該領域有望而人工智能領域正是目前最需要強大算力支撐的方向，面對今天經典計算設備受限的不利局面，積極探索下一代計算技術，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域交叉融合的一小步，未來隨著相干光量子計算技術的不斷發展和成熟，有望實現廣泛應用，提升傳統神經網絡訓練的效率和速度。以此不斷延申到更多的人工智能應用場景中，充分發揮量子算力的機的比特規模提升至萬級別，這將極大地拓展其在各個領域的應用范圍，當前玻色量子聯合了眾多企業及科研團隊正積極投身于這些的量子計算應用產品及服務不斷涌現，開啟量子計算技術的新篇章。五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景這是國際上首次使用相干光量子計算機實現多層神經網絡的訓練，突破了之前方法僅適用于單層神經網絡的局限，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真機，深耕“量子+”領域，聯合量子生態產業鏈上下游合作伙伴共同實現多行業的研(二)應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，能夠顛覆原有的解決方案，幫助行業跳出固化思維，打破原有經典計算的眾多瓶頸，但是需要更多來自人工智能領域的專家學者、企業共同參與，以應用需求驅動量子技術的正確發展，應用驗證，不以短期的投入產出比考核來限制新變革的誕生。可考慮通過引入更多人工智能領域的企業、研究機構、專家、高校等，基于量子企業提供的計算底層能力，共同拓展行業真實應用場景，構建新的融合生態環境。加強人工智能領域與量子計算領域的合作案例五——基于量子金剛石磁成像技術的芯片檢測設備一、應用背景與需求(一)行業/應用背景集成電路在設計、制造、封裝和測試過程中不可避免會產生各根據失效模式和現象，通過失效分析技術逐步縮小失效電路的分析范圍，直至定位到失效點或元器件的過程。失效分析的目的就是根重要的環節是缺陷定位，即精確定位失效點或元器件，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集成電路的制程越來越小，芯片中包含的晶體管數目越來越多，對缺陷定位技術的要求也越來越高。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，從而延續摩爾定律——使得芯片的復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，失效分析用于發現芯片設計、制造和封裝測試過程中潛藏的缺陷并闡述失效機理，是提高芯片可靠性、良率和性能的重要保證，是半導體產業中必不可少的組成部分。先進封裝芯片失堆疊芯片的缺陷定位問題。目前，傳統芯片失效分析手段在解決先(二)現狀/需求/痛點工具，主要適用于傳統封裝芯片。它們通過檢測芯片內部缺陷的光法處理無亮點（如短路）或者亮點被遮蔽等情況。隨著芯片內部的金屬層越來越密集，對光子的阻擋會越來越嚴重，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現缺陷深度的定位。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封裝基于超導量子干涉儀（SQUID）的磁電流成像法（MCI）是一探頭逐點掃描芯片表面，給出磁場分布，再利用電流反演算法計算出電流分布，從電流分布推斷內部缺陷問題。這種技術可實現3D芯片缺陷的深度定位，但缺點是分辨率低，運維成本高，且檢測效基于固態金剛石NV色心的寬視場磁成像技術正好可以彌補以上缺點。在檢測原理上它同SQUID一樣，但其優點在于采用mm級尺寸的片狀金剛石實現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，金剛石系統緊湊小巧，工作于常溫常壓下，二、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術金剛石NV色心是一種固態量子傳感體系，它可以非常便捷地場大小；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部缺陷，如圖21和圖22所示。(二)技術優勢/成熟度分析量子金剛石顯微鏡的技術優勢可通過與競品的橫向/縱向對比得比，與同為磁電流成像的SQUID作縱向對比。從表2可以看出，量子金剛石顯微鏡在空間分辨率上具有絕對優勢；在適用先進封裝芯陷（不產生熱熱成像的定位速度取決于熱點功率的大小，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、量子調控和高速圖像數據處理算法等關鍵技術上，國盛量子已取得了突破進展，并在實驗室環境下開展了產品相關功能的驗證與測試工作，基本達到預期。目前研發團隊正致力于開發第二代工程樣機，技術成熟度（TRL）已達到6三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產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氣含量調控成品金剛石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。三維亥姆霍茲線3）激發模塊：該模塊的作用是提供高穩定、低噪聲的激發光，態。激發光的高穩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。在外磁場作用下，塞曼劈裂解除了±|1>能級的簡并態。當微波源掃頻時，會發生兩次共振躍遷，對應|0>|態→-|1>態和|0>|態→+|1>態。由于色心輻射熒光的強弱取決于它的自旋態，因此通過成像單元，主要由物鏡、二向色鏡、CCD和其它光學元件組成。金剛石NV色心輻射的攜帶量子態信息的熒光由物鏡收集，經光學系6）上位機：上位機作用一是協調、操控整個成像系統，二是進行海量測量數據的快速處理。寬場設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的測量數據，因此要求開發高速的數(二)應用情況/實施方式/驗證結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生的磁場模式包含著芯片結構和功能信息，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據，反演芯片內部電流線路狀態，為芯片失效分析提供四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力與市場上類似的點掃描式磁成像系統相比，量子金剛石顯微鏡的突出優勢在于它能夠實現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，同時也滿足了先進芯片檢測對高空間分辨率的要求。在芯片失效分析領域，隨著芯片制程進一步縮小和先進(二)案例的不足與改進考慮作為一種新技術，量子金剛石顯微鏡的研發投入和風險較高，部分關鍵核心技術尚需攻克。以先進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現完全無損檢測；二要開發三維電流密度反演和智能故障分析定位算法。這需要大量數據積累和模型訓練，因此與下游終端用戶的緊密合作對產品落地至(三)后續實施和應用計劃/展望在技術方面需要進一步提高金剛石傳感材料的品質，提高靈敏度和相干時間；開發更高速的數據處理與成像算法，提高檢測效率；開發三維電流反演算法，將磁場數據轉換成直觀的電流密度公布；在產品應用方面將進一步研發緊湊化、小型化設備，同時進一步提升設備的自動化、智能化水平。與下游客戶緊密合作，深入挖掘和滿足半導體失效分析領域的檢測需求，使更多缺陷類型得以覆蓋，定位精度越來越細，檢測準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勢和探測頻率可調諧的優點，也將在射頻器件的電磁場表五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景金剛石顯微鏡是為先進封裝芯片及異質異構集成電路的故障定位特別研發的，能夠在幾分鐘內迅速而精確地完成缺陷的三維定位。這些技術采用了更高密度的集成方式，結合了不同材料和結構進行封裝，并引入了大膽且創新的三維封裝結構，為芯片帶來了全新的金剛石顯微鏡作為解決這些挑戰的關鍵工具，憑借其高分辨率和三維缺陷定位能力，在半導體失效分析領域展現出了巨大的潛力。未來，隨著先進封裝芯片產業的發展，金剛石顯微鏡的應用前景將更加廣闊。為此，我們需要加強與半導體客戶的合作與交流，緊扣行業面臨的復雜共性問題，不斷優化和完善金剛石顯微鏡的性能，提高其實用性和易用性，以滿足更多用戶的需求。此外，針對未來可能出現的新的失效模式和挑戰，我們需要持續進行技術創新和研(二)應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，為先進封裝芯片的失效分析提供了強有力的支持，顯著提升了分析效率和準確度。然而，裝置操作的復雜性和對技術人員的高要求限制了其廣泛應用。為此，需引入人工智能，開發更智能化的操作界面和自動化分析功能，實現缺陷的自動識別與標注，減少人工干預，提高檢測其次，金剛石顯微鏡目前主要應用于實驗室環境離線檢測，在生產線上尚未普及。開發更緊湊、便攜的設備版本，并實現產線上的實時在線監測應用，是一個可積極探索的方向。此外，為了與半導體技術的迅猛發展和新出現的失效模式保持同步，必須持續進行研發投入，密切關注行業最新動態，并及時更新設備功能，以保持技術上的領先地位。如嘗試將金剛石顯微鏡與其他分析技術結合，最后，要加強產學研合作，建立開放的研發平臺，吸引更多專家參與技術創新。通過共享數據和經驗，加速技術進步，推動金剛石顯微鏡在更廣泛領域的應用。總之，通過優化性能、拓展場景、加強合作，金剛石顯微鏡將在半導體失效分析領域發揮更大作用，案例六——遠距離、抗干擾量子保密通信商用網絡一、應用背景與需求(一)行業/應用背景在數字化浪潮席卷全球的背景下，加強信息安全防護，確保數據流通安全可靠，是量子通信行業最為緊迫的任務之一。特別是黨政軍、金融、電力等領域，信息安全狀況不僅關乎數據隱私與公眾確提出“以需求為導向，增強國家廣域量子保密通信骨干網絡服務能力”。這對更好更優地推進量子保密通信實用化進程既是鼓勵也是鞭江蘇省位于中國東部沿海經濟樞紐，是我國政務、金融與科研的聚集地，對信息傳輸的安全與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，從南京至蘇州架設量子保密通信干線，途經鎮無錫，并以蘇州市為核心樞紐向上海、杭州方向輻射，實現超過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，不僅加強了江蘇及長三角地區的信息安全，更為全國其他量子通信骨干網(二)現狀/需求/痛點量子態如疊加性、相干性和糾纏性等物理特性促進了量子通信技術的發展，卻也導致量子信號在遠距離光纖鏈路傳輸過程中極易受到噪聲、衰減等環境因素的微妙干擾，引發傳輸能力受限、安全另一方面，我國已經建設了京滬干線、合武干線、合肥城域網、子保密通信網絡內只支持一種QKD廠商的設備進行組網，不同因此，如何提高量子信號傳輸過程的抗干擾能力，并解決不同加密設備間兼容性問題，降低組網與運維難度，已成為構建遠距離、穩定、高效且安全的廣域光纖量子通信網絡亟待解決的核心痛點問二、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術對比偏振編碼，相位編碼能有效克服因外部振動和應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，確保長期穩定運行且不 采用量子密鑰對以太網網絡數據包進行加密，量子密鑰定期自動更(二)技術優勢/成熟度分析F-M相位編碼方案是復雜光纖環境中實現穩定高效量子密鑰分發的核心技術，能實現全線路擾動完全免疫，適用于地埋光纖、架空光纜、跨江鐵路橋等環境，已獲得多項國內外專利授權和獎項認寧蘇量子加密干線目前已通過國家信息安全等級保護三級認證、商用密碼應用安全性評估三級資格認證；同時，項目完成了沿線政務、金融等多家單位的量子保密通信試驗試運行，運營效果穩定，技術成熟可靠，有望在電子政務、國防、金融、電力等重要領域推三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產品情況項目從南京至蘇州架設量子保密通信干線，途經鎮江、常州、無錫部署中間節點，并以蘇州市為核心樞紐向上海、杭州方向輻射，實現超過500公里的量子保密通信工程。如圖28所示，其系統架構Web網頁視頻電話文電傳輸視頻會議Web網頁視頻電話文電傳輸量子密鑰應用量子密鑰應用層隧道量子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層QKD-RQKD-RQKD-TQKD-RQKD-RQKD-R可信中繼QKD-R量子密鑰分發層由量子密鑰分發終端（QKD）構成，負責協商密干線的實際運行中，干線不同節點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備管理中心和密鑰管理中心構成，通過部署量子密鑰服務器（QKS）和量子密鑰管控系統（QKM）進行量子負責建立安全加密信息傳輸的通道。量子安全網關利用IPSecVPN技術建立安全隧道，對數據進行實時加密傳輸。其最大隧道數達到5000條，密文吞吐率達到千兆速率，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上，項目逐步建設完善各個地市城域網，融合量子密鑰分發技術與經典信息傳輸技術，形成覆蓋范圍大、通信穩定、全時全通的廣域量子保密通信網絡，不僅實現了長距離、跨城市的信息傳輸安全，還支持視頻電話、文電與大數據等保密通信，滿足政務、金融、電力等領域的高(二)應用情況/實施方式/驗證結果在政務安全網絡應用方面，項目利用現有的寧蘇量子加密干線，在省市兩級工信系統兩端信息機房部署相關量子保密通信設備和配切換到量子安全網關（QVPN）子網口，構建量子保密通信試驗應用專線，開展在工信領域電子政務外網系統的視頻會議、文件傳輸等在線應用。經江蘇省工信廳、蘇州市工信局測試，視頻會議業務在金融密碼網絡應用方面，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量子通信試驗性應用，連續15天業務運行穩定，實現了南京到蘇州金融數據的量子保密傳輸。平臺架構如圖29所示。銀行單位銀行單位四、應用成效與前景(一)創新點/先進性/成效/潛力項目采用基于誘騙態的BB84協議，以“法拉第-邁克爾遜”量子編解碼器方案為基礎，結合高速弱相關光源、紅外單光子探測器等設備。該設備解決了復雜光纖環境中量子密鑰穩定分發的核心技術難題，實現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絡先進水平，成為國內量子通信基礎在該網絡架構下，研制了可以對量子密鑰分發、加密應用等設備進行統一管理和控制的密管和網關設備，可實現密鑰的存儲、傳輸和中繼，以及網絡的監控和管理，為解決量子保密通信網絡兼容性和擴展性問題提供了一種有效途徑。同時，項目嚴格遵循商用密碼和項目構建了融合量子密鑰分發設備與傳統加密網關的量子保密通信系統。基于量子加密干線，將量子保密通信系統與現有金融系統、政務系統相結合，實現了長距離、跨城市的高安全等級通信專(二)案例的不足與改進考慮目前，寧蘇量子加密干線項目在江蘇省內部分地市實現了量子首先是受限于量子密鑰分發的距離限制。2017年在實驗室理想環境下，光纖量子密鑰分發的極限距離約為200公里。在實際建設過程中，由于光纖熔接點較多，并且受到熔接質量、潔凈度等因素限制，實際光纖線路的衰減遠高于實驗室環境。因此，本項目使用現，長距離量子通信對中繼節點的依賴有望降低，從而減少項目開其次，本項目采用了一種技術體制的量子密鑰分發設備，考慮到將來的量子通信網絡一定是多種技術體制大融合，因此后續將考慮在本項目基礎上，探索和構建統一密鑰服務平臺，完善接口規范、通信協議及功能協同，融合多種技術體制的量子密鑰分發網絡，為此外，項目將全面開展網絡安全等級測評、關鍵信息基礎設施安全檢測評估、商用密碼應用安全評估，識別潛在的安全漏洞，持續提高系統安全性，確保量子保密通信系統在運營過程中能持續抵御各類網絡威脅，提升整個網絡的安全防護水平，促進量子保密通(三)后續實施和應用計劃/展望在國家戰略的引領和三省一市的共同支持下，寧蘇量子加密干線項目將遵循“戰略牽引、市場驅動、整體規劃、分步實施”的思路，建設互聯互通、管理協同的量子通信網絡，不僅覆蓋長三角區域，更要與全國的量子干線網絡實現深度融合，共同推進量子通信應用，五、應用討論與建議(一)案例推廣與發展前景寧蘇量子加密干線項目采用量子保密通信技術，實現了長距離、跨城市的高安全等級通信專用網絡建設，解決了遠距離量子密鑰分發過程中編解碼不穩定、組網難兼容等關鍵性問題，從南京到上海沿線打造廣域量子通信商用網絡，為政務機關、金融機構等對數據保密傳輸需求較高的主體提供了端到端的加密通信服務，展現了量子保密通信技術在實際應用中的廣闊前景，對構建跨區域量子通信未來，隨著技術的日益成熟與應用的不斷深化，項目將在完成量子通信干線建設、運營服務的基礎上，進一步拓寬其創新邊界，深入探索涵蓋器件、系統、網絡、安全等層面與傳統5G通信、區塊鏈、工業互聯網等方案的融合應用，為電子政務、國防、金融、電力等重要領域提供定制化的安全通信解決方案，為建設下一代國(二)應用感悟與建議深化合作，共謀量子通信技術未來。加強行業內外的合作是推動寧蘇量子加密干線項目建設及量子通信技術發展的關鍵。通過與科研機構、高校及行業上下游企業建立跨領域產學研合作關系，能夠促進各領域間技術交流和創新，是探索量子通信技術最佳應用路加大研發投入，提升量子通信設備性能。為了保持在量子通信領域的領先地位，我們應持續加大對量子通信技術研究的資金和技術支持，加速技術迭代和優化進程，不斷提升設備的抗干擾能力、降低誤碼率，為構建更加安全、高效的量子通信網絡提供堅實保障。完善法規標準，保障量子通信產業健康發展。量子通信技術作為新興技術，其健康發展離不開完善的法律法規和標準體系的支撐。我們應該及時制定相關法律法規，明確技術標準，為量子通信技術案例七一、應用背景與需求(一)行業/應用背景電網作為國家關鍵基礎設施，一直以來都是敵對勢力、黑客組織的攻擊目標，其安全性與國家安全密切相關。隨著新型電力系統建設，源網荷儲互動、廣域控制日趨頻繁，電網末端海量分布式新能源終端廣泛接入，電網控制、數據采集、經營管理等多種業務數據頻繁交互，衛星、光纖、無線等多種通信方式融合組網，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用前景舉行第二十四次集體學習。習近平總書記在主持學習時強調“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握(二)現狀/需求/痛點當前，量子保密通信技術已逐步實用化，在電力系統正開展多場景、多業務示范應用，取得了一定的成效。然而，面向衛星、光纖、無線等多場景的量子保密通信應用還存在如下問題。一是“墨子號”量子衛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、衛星量子密鑰分發技術；二是電力通信主要采用架空光纜，氣象、運行環境復雜，對量子態產生嚴重干擾，影響量子密鑰的穩定可靠、長距離分發，需突破量子密鑰穩定可靠、長距離分發技術；三是新型電力系統海量分布式新能源、配電調控等涉控類電力業務終端廣域分散，源網荷儲廣泛互動，光纖接入成本敏感，采用無線技術承載存在較大安全風險，需突破經濟高效的二、技術原理與優勢(一)概念原理/關鍵技術量子密鑰分發（QKD）不依賴于計算復雜度，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協議可保證竊聽必然被發現，實現密鑰的遠距離安全分發。基于量子密鑰和香農“一次一密”理論可實現信息論上的無條件安全通信。量子密鑰分發按通信方式可以分為：衛星量子密鑰分發、光纖量子密鑰分發、衛星量子密鑰分發是利用固定、便攜、車載等多類型地面站與“墨子號”、“濟南一號”量子衛星實現廣域量子密鑰分發與可信中繼，定制星地互聯電力專用量子加密裝置，實現電力業務數據的量子加光纖量子密鑰分發是利用一根裸纖芯作為量子信道，傳送光量子態；另一根裸纖芯作為經典信道，傳輸量子密鑰協商信息，基于無線量子密鑰分發利用量子Ukey/TF卡將初始量子密鑰分發到量子加密終端中，采用無線網絡，基于預置密鑰進行身份認證和會話密鑰的在線分發，并在量子加密終端和量子加密認證網關之間建(二)技術優勢/成熟度分析量子保密通信技術基于量子力學基本原理，結合香農“一次一密”理論，可實現信息論上的無條件安全通信，為電網安全提供了新的技術手段。量子保密通信技術是當前全球量子科技研究、產業與應用的重點方向。目前量子保密通信技術在電力系統已經具備了“量子+調度安全、信息安全、無線通信”等成熟產品，涉及電力調度、設備、營銷、安監和信通等各個專業，廣泛應用于調度自動化、配電自動化、精準負荷控制、分布式新能源接入、移動巡檢、重大會議三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統架構/產品情況面向廣域大電網協調控制業務的星地一體量子密鑰分發技術。設計了衛星、光纖和無線融合的星地一體電力量子密鑰保密通信網絡架構，如圖30所示。提出了聯合多自由度調制分集和多編碼方式糾錯的星地量子密鑰高效分發方法，提升了星地量子密鑰分發效率和成碼率。基于《洲際量子通信關鍵技術研究及應用示范》國家重點研發計劃，采用高速跟瞄、激光準直等高效星地鏈路收集技術，聯合科大國盾量子技術股份有限公司，基于“墨子號”量子衛星研制了便攜式量子衛星地面接收系統，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協調控制業務量子加密應用靈活性。量子密鑰量子密鑰量子密鑰量子密鑰星地一體量子網絡電力系統業務網絡面向主網調控業務的長距離抗干擾光纖量子密鑰分發技術。提出了相位漂移量檢測、反饋與補償方法，如圖31所示，采用可控驅動實現量子密鑰分發中高速相位調制，聯合科大科大國盾量子技術電力架空光纜下量子密鑰的穩定分發。利用波段檢測、主動避讓、被動分光等技術，研制了量子-經典信號共纖波分設備，實現量子信號與經典信號的共纖傳輸，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制模塊高速相位調制模塊量子信道長距離架空光纜高速相位調制模塊高速相位調制模塊面向配網調控業務的輕量化量子密鑰無線分發技術。提出了面向電網末端海量業務終端無線安全接入的量子密鑰自適應更新方法，研制了量子密鑰服務平臺，解決了無線通信量子密鑰低成本分發難題，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雙向身份認證方法，有效降低身份認證耗低至0.74W，大幅提升配電自動化和分布式新能源控制業務的安(二)應用情況/實施方式/驗證結果國家電網有限公司信息通信分公司開展面向主網調控業務的長子-經典信號共纖復用設備，構建了覆蓋國家電網公司白廣路、西單總部、國網北京數據中心等核心節點的百公里級電力量子保密通信網絡，并與國網上海、安徽、山東信通公司建設了基于國家“量子京滬”干線的量子密鑰可信中繼網絡，承載了調度自動化、配電進博會保電、管理信息化容災備份等業務，為國網公司總部管理信國網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協調控制業務的星地一體量子密鑰分發應用驗證。部署了可移動便攜式量子衛星地面接收系統，建設了覆蓋國網福建信通公司和國網信通公司的星地電力量子保密通信網絡，與“墨子號”量子衛星之間完成了星地量子密鑰分發，開展了廣域電力應急指揮視頻會商和財務管控系統業務接入和應用測試。通過“墨子號”量子衛星中繼實現北京與福建之間的量子密鑰中繼、分發，并通過星地量子密鑰服務系統進行量子密鑰管理。國網福建信通公司便攜地面站與“墨子號