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2 1案例一2一、應用背景與需求(一)行業(yè)/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(nèi)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(jīng)開始開設相關課程，旨在協(xié)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(tài)、糾纏態(tài)以及量子門等都是相當抽象且復雜的內(nèi)容，這就對教師的教學水平和學生的學習能力提出了(二)現(xiàn)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(shù)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(zhàn)。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(zhàn)，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(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備的產(chǎn)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(tài)與運行另一個重要的問題是，由于大部分經(jīng)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(jīng)費一般受到一些限制，大多數(shù)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(fā)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(fā)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(yōu)勢4(一)概念原理/關鍵技術當前實現(xiàn)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(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，從而實現(xiàn)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(tǒng)，可以提供均勻穩(wěn)定的靜磁場；最后設計一套高精度的射頻信號收發(fā)系統(tǒng)，(二)技術優(yōu)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(yōu)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(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，機器自帶一鍵校準量子比特參數(shù)的功能，不需要專業(yè)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(shù)據(jù)，從實驗數(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(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(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)演化一直到頂層的邏輯門實現(xiàn)和算法編程的量子計算全過程實驗。因為實際系統(tǒng)已經(jīng)在教育場景中三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構/產(chǎn)品情況為了全面體現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(diào)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(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來表示，這個表量子比特的|0>和|1>狀態(tài)，而其它點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(xiàn)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(tǒng)中實現(xiàn)單比特門的方法--單比特門由射頻脈沖實現(xiàn)；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(huán)，本方案同時也方程組?？茖W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(fā)展進步，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(nèi)外大學的真實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(nèi)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(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(shù)，最后得出不同邏輯門序列的實驗數(shù)據(jù)四、應用成效與前景(一)創(chuàng)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(shù)不多的能夠小型化的量子計算設備，使得只能出現(xiàn)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(fā)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(yōu)創(chuàng)新點和先進性。1）全程開放的教學實驗形式，內(nèi)容涵蓋量子計算底層運作的實驗操作到頂層的算法實現(xiàn)，可以深度地參與到真實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(yǎng)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(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(xù)將優(yōu)化溫度控制和勻場方案，減少環(huán)(三)后續(xù)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(yǎng)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(huán)境稍有變化很容易影響數(shù)據(jù)的準確性，所以目前的量子計算教學產(chǎn)品一般在物理硬件上是不開放的，所有實驗操作和數(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(jù)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(yè)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(fā)展需要長期投入、技術積累與創(chuàng)新，企業(yè)和高校的合作關系尤為重要。企業(yè)主導設備研發(fā)生產(chǎn)，將科研成果商業(yè)化，并推動設備普及；高校提供使用環(huán)境，而師生的反饋對設備優(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(yè)/應用背景生物信息學是現(xiàn)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(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學等方面發(fā)揮著至關重要的作用。其中，基因組學研究尤為重要?；蛴捎跍y序技術或測序儀器的內(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(guī)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(yōu)勢(一)概念原理/關鍵技術VQE是一種經(jīng)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(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)問題的特殊性設計特定的參數(shù)化量子線路，生成僅包含問題可(二)技術優(yōu)勢/成熟度分析具有三方面的技術優(yōu)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(guī)模完成了多個小規(guī)模的基因組組裝任務，展現(xiàn)出良好的可擴展性。同時，設計的問題啟發(fā)式參數(shù)化量子線路可以有效提高算法的收斂速三、應用方案與實踐(一)解決方案/系統(tǒng)架構/產(chǎn)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(yōu)化（QuadraticUnconstrainedB構造德布魯因（deBruijn）圖，并引入三代測序技術得到的數(shù)據(jù)來確定重復基因片段的位置，構造目標函數(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，并結合目標函數(shù)行期望值測量，并進行優(yōu)化，從而得到最終的解，如圖9所示。本根據(jù)問題設計問題啟發(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)應用情況/實施方式/驗證結果并計算了多個小規(guī)模的基因組組裝模型，具有良好的可擴展性。隨著問題規(guī)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(yōu)解）指標呈線性增長。其結果如圖根據(jù)基因組組裝問題的限制條件設計問題啟發(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、應用成效與前景(一)創(chuàng)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(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(zhàn)。另一方面，隨著問題規(guī)模的增大，算法的參數(shù)優(yōu)化變得難以預測和處理，容易陷入局部解。后續(xù)將進一步分析出現(xiàn)貧瘠高原的原因和探索更復雜(三)后續(xù)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(xù)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(guī)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(xiàn)，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(chǎn)五、應用討論與建議(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。在實際應用中，根據(jù)二代測序技術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(xiàn)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(guī)模QUBO問題的經(jīng)典－混合量子算法。未投資組合優(yōu)化、期權定價等問題，幫助金融機構提高服務質(zhì)量，降低風險。在能源領域，用于電力系統(tǒng)的優(yōu)化、設備調(diào)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(fā)展，并獲得了學術界和工業(yè)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(yè)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(fā)現(xiàn)一、應用背景與需求(一)行業(yè)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(yōu)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(tǒng)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(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(nèi)完成傳統(tǒng)計算機難以實現(xiàn)的復雜計算任務，可以為藥物設計等需要大規(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研究的量子計算機，應用范圍覆蓋從創(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(tǒng)模式，在未來藥物發(fā)現(xiàn)領域具有巨大優(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)中的關鍵步驟，包括對疾病機制的研究、靶點發(fā)現(xiàn)及確認、先導化合物的發(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(zhì)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(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中發(fā)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(shù)量的增加呈指數(shù)級增長。由于經(jīng)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(fā)現(xiàn)的有機分子已難求得最優(yōu)解，導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(yōu)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(yōu)化問題。該光量子計算機是一種混合量子計算系統(tǒng)，包含光學和電學兩部分系統(tǒng)。其中，光學系統(tǒng)主要負責量子比特的制備與存儲，電學具體而言，光學系統(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現(xiàn)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(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，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?；谙喔晒饬孔佑嬎銠C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(yōu)勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態(tài)制備、高保自適應糾錯等優(yōu)勢，并能達到12小時/次以上長時間的穩(wěn)定運行。間中進行并行搜索，求出優(yōu)化解，實現(xiàn)比經(jīng)典計算在實際應用問題上的數(shù)萬倍加速求解出最優(yōu)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(yōu)化問題上有以下四大優(yōu)勢：干光量子計算機。實驗室驗證已超過1萬2）室溫穩(wěn)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(xiàn)并應用：相干光量子計算機技術方案在國根據(jù)《技術創(chuàng)新成熟度評價標準及評價細則》對產(chǎn)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(chǎn)并形成實際產(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(tǒng)架構/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(chǎn)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(fā)生相互作用。繼而通過適當?shù)臉嬒笳{(diào)整，得到一個穩(wěn)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(huán)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(jīng)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(tǒng)計目前相干光量子計算機的最大求解規(guī)模遠超該算法模型在CASF數(shù)據(jù)集上應用所需的比特數(shù)，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(jīng)典計算機至少有3個數(shù)量此外，自研量子分子對接模擬平臺可實現(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(yè)主流分子對接軟件指四、應用成效與前景(一)創(chuàng)新點/先進性/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(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(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化為配體原子和受體結合口袋的空在毫秒級的范圍內(nèi)，從多個可能的構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)案例的不足與改進考慮該案例雖然在分子對接領域應用量子技術實現(xiàn)了創(chuàng)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(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，當前商用的相干光量子計算機產(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)精度以適應硬件能力，對最終的計算結果產(chǎn)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(shù)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(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)和更可靠的結果，實現(xiàn)更精準的藥物設計。(三)后續(xù)實施和應用計劃/展望從實驗數(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，才能夠真正的很好的覆蓋這一進行迭代和優(yōu)化，以適應更大規(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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)展前景目前，醫(yī)藥領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研究的量子計算機，應用范圍覆蓋從創(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(zhàn)項目。在醫(yī)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(fā)現(xiàn)、組學分析到精準醫(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)組學數(shù)據(jù)，從而為這些領域帶來根本性變革。量子機器學習和量子優(yōu)化等量子算法可以加速分子結構預測、藥物篩選和優(yōu)化藥物傳遞機制來增強藥物發(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)中的應用逐漸成為現(xiàn)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(fā)展和量子算法的優(yōu)化，其在藥物發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(nèi)最有可能率先實現(xiàn)真實商用。目前玻色量子已經(jīng)發(fā)布了可穩(wěn)定運行8小時以上的千比特產(chǎn)品級量子計算機，從上述應用場景的規(guī)模分析也可以看到，千比特的量子計算機已經(jīng)可以很好的覆蓋到分子對接中真實數(shù)據(jù)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(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行橫向的場景拓展，繼續(xù)覆蓋到包括像蛋白質(zhì)結構預測、分子相似性分析、基因測序、細胞組學數(shù)據(jù)分析等實際場景，并且目前這些應用方向已經(jīng)有很多的企業(yè)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(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展、可編程的光量子計算平臺研發(fā)和量子計算應用落地。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(yè)/應用背景深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNNs）之所以在人工智能領域占據(jù)重要地位，是因為它們能夠從龐大的數(shù)據(jù)集中提取和學習復雜的特征模式。這些網(wǎng)絡通過模擬人腦的神經(jīng)元結構，通過層層疊加的節(jié)點和連接，實現(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，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(wǎng)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(wǎng)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(guī)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(fā)的成本，也限制了模型創(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)新的方法，包括但不限于優(yōu)化算法、改進硬件設計、開發(fā)更高效的并行計算策略等，以期提高網(wǎng)絡(二)現(xiàn)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(jīng)典的訓練技術，它通過計算損失函數(shù)相對于網(wǎng)絡參數(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(wǎng)絡中，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@不僅會導致訓練過程的不穩(wěn)定，還可能使得模型難以達到全局最優(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，尤其是在訓練大型網(wǎng)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(guī)模和復雜性，使得在資源有二、技術原理與優(yōu)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(yōu)化問題。該相干光量子計算機是一種混合量子計算系統(tǒng)，包含光學和電學兩部分系統(tǒng)。其中，光學系統(tǒng)主要負責量具體而言，光學系統(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現(xiàn)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(huán)路中以供后續(xù)的電學系統(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，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(yōu)勢/成熟度分析“天工量子大腦550W”，具備高功率態(tài)制備、高保自適應糾錯等優(yōu)勢，并能達到12小時/次以上長時間的穩(wěn)定運行。間中進行并行搜索，求出優(yōu)化解，實現(xiàn)了比經(jīng)典計算在實際應用問題上的數(shù)萬倍加速求解出最優(yōu)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(yōu)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(wěn)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(xiàn)并應用：相干光量子計算機技術方案在國根據(jù)《技術創(chuàng)新成熟度評價標準及評價細則》對產(chǎn)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(chǎn)并形成實際產(chǎn)品，產(chǎn)品、系統(tǒng)定型，工藝成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)與服務條件完備，能夠實際使用，形成技術標準、管理規(guī)模真實業(yè)務數(shù)據(jù)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(tǒng)架構/產(chǎn)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(jīng)網(wǎng)絡訓練的量子經(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(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(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)θ*。這一算法采用了4項關鍵技術：網(wǎng)絡拓撲的約束化表示、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訓練表述為二次約束二進制優(yōu)化（QCBO）問題，其中所有變量都根據(jù)“變量二值編碼協(xié)議”使用二進制位進行編碼?！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被轉換為二次無約束二進制優(yōu)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(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)絡的一維輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡輸出正值表示預測給定圖片為數(shù)字“6”，否則表示預測為數(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。運行在光量子計算機上的快的神經(jīng)網(wǎng)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(xiàn)實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)絡的層數(shù)、權重參數(shù)精度都相關。假設神經(jīng)網(wǎng)絡 該多層神經(jīng)網(wǎng)絡可以應用于數(shù)據(jù)分析、計算機視覺等領域。以數(shù)據(jù)分析任務為例，假設數(shù)據(jù)規(guī)模1千條數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡兩層，神神經(jīng)網(wǎng)絡寬度取50，那么所需的量子比特數(shù)規(guī)模就在2,000,000左右。依此類推要達到實際應用的話，量子比特數(shù)需求規(guī)模在千萬級四、應用成效與前景(一)創(chuàng)新點/先進性/成效/潛力針對目前人工智能領域發(fā)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(jīng)網(wǎng)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(xiàn)一個數(shù)量級的加速倍數(shù)。隨著量子比特數(shù)的增長，本研究有望實現(xiàn)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)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(shù)量，本案例中的應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(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡以及未來大模型場景下，能夠適應更多種類激活函數(shù)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(xù)實施和應用計劃相干光量子計算目前已經(jīng)在神經(jīng)網(wǎng)絡訓練中的作用主要體現(xiàn)在訓練驗證中展現(xiàn)出了最快的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練收斂速度，已初步展現(xiàn)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(shù)規(guī)模，提升運行的穩(wěn)定性及準確性，在軟件上需要進一步研究和優(yōu)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(guī)模。受限于當前量子計算機的比特數(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)絡訓練是人工智能領域中的一個重要環(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(jīng)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(fā)展和成熟，有望實現(xiàn)廣泛應用，提升傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)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(fā)揮量子算力的機的比特規(guī)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(lián)合了眾多企業(yè)及科研團隊正積極投身于這些的量子計算應用產(chǎn)品及服務不斷涌現(xiàn)，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(fā)展前景這是國際上首次使用相干光量子計算機實現(xiàn)多層神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練，突破了之前方法僅適用于單層神經(jīng)網(wǎng)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(lián)合量子生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴共同實現(xiàn)多行業(yè)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(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域的專家學者、企業(yè)共同參與，以應用需求驅動量子技術的正確發(fā)展，應用驗證，不以短期的投入產(chǎn)出比考核來限制新變革的誕生。可考慮通過引入更多人工智能領域的企業(yè)、研究機構、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)真實應用場景，構建新的融合生態(tài)環(huán)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(yè)/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(chǎn)生各根據(jù)失效模式和現(xiàn)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(huán)節(jié)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(shù)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(xù)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)業(yè)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(tǒng)芯片失效分析手段在解決先(二)現(xiàn)狀/需求/痛點工具，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（如短路）或者亮點被遮蔽等情況。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(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(nèi)部缺陷問題。這種技術可實現(xiàn)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(tài)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(yōu)點在于采用mm級尺寸的片狀金剛石實現(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、技術原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關鍵技術金剛石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)技術優(yōu)勢/成熟度分析量子金剛石顯微鏡的技術優(yōu)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(yōu)勢；在適用先進封裝芯陷（不產(chǎn)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(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)處理算法等關鍵技術上，國盛量子已取得了突破進展，并在實驗室環(huán)境下開展了產(chǎn)品相關功能的驗證與測試工作，基本達到預期。目前研發(fā)團隊正致力于開發(fā)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(tǒng)架構/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(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)。當微波源掃頻時，會發(fā)生兩次共振躍遷，對應|0>|態(tài)→-|1>態(tài)和|0>|態(tài)→+|1>態(tài)。由于色心輻射熒光的強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)光學系6）上位機：上位機作用一是協(xié)調(diào)、操控整個成像系統(tǒng)，二是進行海量測量數(shù)據(jù)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(shù)的測量數(shù)據(jù)，因此要求開發(fā)高速的數(shù)(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(chǎn)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(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、應用成效與前景(一)創(chuàng)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(tǒng)相比，量子金剛石顯微鏡的突出優(yōu)勢在于它能夠實現(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(fā)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(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(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)轉換成直觀的電流密度公布；在產(chǎn)品應用方面將進一步研發(fā)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(yōu)勢和探測頻率可調(diào)諧的優(yōu)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(fā)展前景金剛石顯微鏡是為先進封裝芯片及異質(zhì)異構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(chuàng)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(zhàn)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(xiàn)出了巨大的潛力。未來，隨著先進封裝芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(yè)面臨的復雜共性問題，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)進行技術創(chuàng)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(fā)更智能化的操作界面和自動化分析功能，實現(xiàn)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(huán)境離線檢測，在生產(chǎn)線上尚未普及。開發(fā)更緊湊、便攜的設備版本，并實現(xiàn)產(chǎn)線上的實時在線監(jiān)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(fā)展和新出現(xiàn)的失效模式保持同步，必須持續(xù)進行研發(fā)投入，密切關注行業(yè)最新動態(tài)，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(chǎn)學研合作，建立開放的研發(fā)平臺，吸引更多專家參與技術創(chuàng)新。通過共享數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，加速技術進步，推動金剛石顯微鏡在更廣泛領域的應用?？傊?，通過優(yōu)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(fā)揮更大作用，案例六——遠距離、抗干擾量子保密通信商用網(wǎng)絡一、應用背景與需求(一)行業(yè)/應用背景在數(shù)字化浪潮席卷全球的背景下，加強信息安全防護，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(shù)據(jù)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(wǎng)絡服務能力”。這對更好更優(yōu)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(jīng)濟樞紐，是我國政務、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/痛點量子態(tài)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(fā)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(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)建設了京滬干線、合武干線、合肥城域網(wǎng)、子保密通信網(wǎng)絡內(nèi)只支持一種QKD廠商的設備進行組網(wǎng)，不同因此，如何提高量子信號傳輸過程的抗干擾能力，并解決不同加密設備間兼容性問題，降低組網(wǎng)與運維難度，已成為構建遠距離、穩(wěn)定、高效且安全的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡亟待解決的核心痛點問二、技術原理與優(yōu)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(wěn)定運行且不 采用量子密鑰對以太網(wǎng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行加密，量子密鑰定期自動更(二)技術優(yōu)勢/成熟度分析F-M相位編碼方案是復雜光纖環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定高效量子密鑰分發(fā)的核心技術，能實現(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(wěn)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(tǒng)架構/產(chǎn)品情況項目從南京至蘇州架設量子保密通信干線，途經(jīng)鎮(zhèn)江、常州、無錫部署中間節(jié)點，并以蘇州市為核心樞紐向上海、杭州方向輻射，實現(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(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）構成，負責協(xié)商密干線的實際運行中，干線不同節(jié)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(tǒng)（QKM）進行量子負責建立安全加密信息傳輸?shù)耐ǖ馈Ａ孔影踩W(wǎng)關利用IPSecVPN技術建立安全隧道，對數(shù)據(jù)進行實時加密傳輸。其最大隧道數(shù)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(wǎng)，融合量子密鑰分發(fā)技術與經(jīng)典信息傳輸技術，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，不僅實現(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、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(wǎng)絡應用方面，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)兩端信息機房部署相關量子保密通信設備和配切換到量子安全網(wǎng)關（QVPN）子網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)的視頻會議、文件傳輸?shù)仍诰€應用。經(jīng)江蘇省工信廳、蘇州市工信局測試，視頻會議業(yè)務在金融密碼網(wǎng)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(wǎng)量子通信試驗性應用，連續(xù)15天業(yè)務運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了南京到蘇州金融數(shù)據(jù)的量子保密傳輸。平臺架構如圖29所示。銀行單位銀行單位四、應用成效與前景(一)創(chuàng)新點/先進性/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，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(huán)境中量子密鑰穩(wěn)定分發(fā)的核心技術難題，實現(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)絡先進水平，成為國內(nèi)量子通信基礎在該網(wǎng)絡架構下，研制了可以對量子密鑰分發(fā)、加密應用等設備進行統(tǒng)一管理和控制的密管和網(wǎng)關設備，可實現(xiàn)密鑰的存儲、傳輸和中繼，以及網(wǎng)絡的監(jiān)控和管理，為解決量子保密通信網(wǎng)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(fā)設備與傳統(tǒng)加密網(wǎng)關的量子保密通信系統(tǒng)?；诹孔蛹用芨删€，將量子保密通信系統(tǒng)與現(xiàn)有金融系統(tǒng)、政務系統(tǒng)相結合，實現(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。在實際建設過程中，由于光纖熔接點較多，并且受到熔接質(zhì)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(huán)境。因此，本項目使用現(xiàn)，長距離量子通信對中繼節(jié)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(fā)設備，考慮到將來的量子通信網(wǎng)絡一定是多種技術體制大融合，因此后續(xù)將考慮在本項目基礎上，探索和構建統(tǒng)一密鑰服務平臺，完善接口規(guī)范、通信協(xié)議及功能協(xié)同，融合多種技術體制的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，為此外，項目將全面開展網(wǎng)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(xù)提高系統(tǒng)安全性，確保量子保密通信系統(tǒng)在運營過程中能持續(xù)抵御各類網(wǎng)絡威脅，提升整個網(wǎng)絡的安全防護水平，促進量子保密通(三)后續(xù)實施和應用計劃/展望在國家戰(zhàn)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(zhàn)略牽引、市場驅動、整體規(guī)劃、分步實施”的思路，建設互聯(lián)互通、管理協(xié)同的量子通信網(wǎng)絡，不僅覆蓋長三角區(qū)域，更要與全國的量子干線網(wǎng)絡實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)了長距離、跨城市的高安全等級通信專用網(wǎng)絡建設，解決了遠距離量子密鑰分發(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，為政務機關、金融機構等對數(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，展現(xiàn)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(qū)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(chuàng)新邊界，深入探索涵蓋器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡、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(yè)內(nèi)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(fā)展的關鍵。通過與科研機構、高校及行業(yè)上下游企業(yè)建立跨領域產(chǎn)學研合作關系，能夠促進各領域間技術交流和創(chuàng)新，是探索量子通信技術最佳應用路加大研發(fā)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(xù)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(yōu)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(wǎng)絡提供堅實保障。完善法規(guī)標準，保障量子通信產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。量子通信技術作為新興技術，其健康發(fā)展離不開完善的法律法規(guī)和標準體系的支撐。我們應該及時制定相關法律法規(guī)，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(yè)/應用背景電網(wǎng)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(tǒng)建設，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(diào)“要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握(二)現(xiàn)狀/需求/痛點當前，量子保密通信技術已逐步實用化，在電力系統(tǒng)正開展多場景、多業(yè)務示范應用，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；二是電力通信主要采用架空光纜，氣象、運行環(huán)境復雜，對量子態(tài)產(chǎn)生嚴重干擾，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；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，采用無線技術承載存在較大安全風險，需突破經(jīng)濟高效的二、技術原理與優(yōu)勢(一)概念原理/關鍵技術量子密鑰分發(fā)（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(xié)議可保證竊聽必然被發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)密鑰的遠距離安全分發(fā)?；诹孔用荑€和香農(nóng)“一次一密”理論可實現(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”、“濟南一號”量子衛(wèi)星實現(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，實現(xiàn)電力業(yè)務數(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，基于預置密鑰進行身份認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證網(wǎng)關之間建(二)技術優(yōu)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(nóng)“一次一密”理論，可實現(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手段。量子保密通信技術是當前全球量子科技研究、產(chǎn)業(yè)與應用的重點方向。目前量子保密通信技術在電力系統(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、設備、營銷、安監(jiān)和信通等各個專業(yè)，廣泛應用于調(diào)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(tǒng)架構/產(chǎn)品情況面向廣域大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制業(yè)務的星地一體量子密鑰分發(fā)技術。設計了衛(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)絡架構，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量子通信關鍵技術研究及應用示范》國家重點研發(fā)計劃，采用高速跟瞄、激光準直等高效星地鏈路收集技術，聯(lián)合科大國盾量子技術股份有限公司，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(wǎng)絡電力系統(tǒng)業(yè)務網(wǎng)絡面向主網(wǎng)調(diào)控業(yè)務的長距離抗干擾光纖量子密鑰分發(fā)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(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，研制了量子-經(jīng)典信號共纖波分設備，實現(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)務的輕量化量子密鑰無線分發(fā)技術。提出了面向電網(wǎng)末端海量業(yè)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(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(yè)務的安(二)應用情況/實施方式/驗證結果國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司開展面向主網(wǎng)調(diào)控業(yè)務的長子-經(jīng)典信號共纖復用設備，構建了覆蓋國家電網(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)點的百公里級電力量子保密通信網(wǎng)絡，并與國網(wǎng)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(wǎng)絡，承載了調(diào)度自動化、配電進博會保電、管理信息化容災備份等業(yè)務，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)務的星地一體量子密鑰分發(fā)應用驗證。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，與“墨子號”量子衛(wèi)星之間完成了星地量子密鑰分發(fā)，開展了廣域電力應急指揮視頻會商和財務管控系統(tǒng)業(yè)務接入和應用測試。通過“墨子號”量子衛(wèi)星中繼實現(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系統(tǒng)進行量子密鑰管理。國網(wǎng)福建信通公司便攜地面站與“墨子號