量子信息技术应用案例集（2024年）

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量子信息技术应用案例集 (2024 年) 量子信息网络产业联盟 2025 年 3 月 声 明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据观 点、建议等，均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见本报 告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络产业联盟所有(注明 是引自其他方的内容除外 )，并受法律保护。如需转载需联系本联 盟并获得授权许可。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字、 图表或者观点的，应注明“来源：量子信息网络产业联盟”。违反上 述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 量子信息网络产业联盟 联系电话：010-62300592 邮箱：qiia@caict.ac.cn 编 制 说 明 量子信息技术应用案例成果由联盟成员单位报送，经联盟会议 讨论后编成案例集。应用案例的相关技术方案和应用成果归案例报 送成员单位所有，并对相关内容的真实性、准确性和合法性负责。 案例集编写单位： 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 国盛量子科技有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司、江苏亨 通问天量子信息研究院有限公司、国家电网有限公司信息通信分公 司、国网福建省电力有限公司信息通信分公司、国网浙江省电力有 限公司绍兴供电公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、相干（北 京）科技有限公司、中国信息通信研究院 案例集编写成员： 郭聪、巨江伟、袁为、胡小文、刘婧婧、方晓明、曾祥洪、王 敬、赖俊森 前 言 量子信息技术是量子科技重要组成部分，基于量子力学原理在 提升信息处理速度、保障通信安全、提高测量精度及灵敏度等方面 展现出了令人瞩目的潜力，已成为信息通信技术演进和产业升级的 关注焦点之一。未来，量子信息技术有望在前沿科学、信息通信和 数字经济等诸多领域引发颠覆性技术创新和变革性应用。 当前，量子信息技术正逐步从概念验证走向落地实践，有望在 不久的将来为行业用户赋能，比如“量子计算+金融”、“量子保密通 信+政务专网”、“量子精密测量+生物医疗”等。为加快量子信息技 术创新与应用推广，征集和展示量子信息技术在不同领域的应用探 索成果和前景，量子信息网络联盟持续组织开展应用案例征集，已 发布《量子信息技术应用案例集（2023）》。 2024 年度量子信息技术应用征集了成员单位提交的 8 项典型应 用探索案例，涉及量子计算、量子加密、量子精密测量等技术的应 用，展现了在教学、生命科学、信息传输等行业和领域的应用探索 进展。经联盟会议讨论，更新编制了《量子信息技术应用案例集 （2024）》，旨在向业界展示量子信息技术的潜在应用价值，分析应 用发展现状和面临问题，为技术成果转化和应用产业培育提供参考。 1 目 录 案 例 一 ............................................... 1 一、 应用背景与需求 ............................... 2 二、 技术原理与优势 ............................... 3 三、 应用方案与实践 ............................... 5 四、 应用成效与前景 ............................... 9 五、 应用讨论与建议 .............................. 11 案 例 二 .............................................. 12 一、 应用背景与需求 .............................. 13 二、 技术原理与优势 .............................. 14 三、 应用方案与实践 .............................. 16 四、 应用成效与前景 .............................. 18 五、 应用讨论与建议 .............................. 20 案 例 三 .............................................. 22 一、 应用背景与需求 .............................. 23 二、 技术原理与优势 .............................. 25 三、 应用方案与实践 .............................. 27 四、 应用成效与前景 .............................. 30 五、 应用讨论与建议 .............................. 33 案 例 四 .............................................. 36 一、 应用背景与需求 .............................. 37 二、 技术原理与优势 .............................. 38 三、 应用方案与实践 .............................. 41 四、 应用成效与前景 .............................. 44 五、 应用讨论与建议 .............................. 47 案 例 五 .............................................. 48 一、 应用背景与需求 .............................. 49 二、 技术原理与优势 .............................. 51 三、 应用方案与实践 .............................. 53 四、 应用成效与前景 .............................. 56 五、 应用讨论与建议 .............................. 57 2 案 例 六 .............................................. 60 一、 应用背景与需求 .............................. 61 二、 技术原理与优势 .............................. 62 三、 应用方案与实践 .............................. 64 四、 应用成效与前景 .............................. 67 五、 应用讨论与建议 .............................. 69 案 例 七 .............................................. 72 一、 应用背景与需求 .............................. 73 二、 技术原理与优势 .............................. 74 三、 应用方案与实践 .............................. 75 四、 应用成效与前景 .............................. 79 五、 应用讨论与建议 .............................. 80 案 例 八 .............................................. 82 一、 应用背景与需求 .............................. 83 二、 技术原理与优势 .............................. 85 三、 应用方案与实践 .............................. 89 四、 应用成效与前景 .............................. 92 五、 应用讨论与建议 .............................. 94 量子信息技术应用案例集（2024） 1 案 例 一 量子计算真机教学设备在大学专业教育 的应用 提供单位：深圳量旋科技有限公司 量子信息技术应用案例集（2024） 2 一、 应用背景与需求 (一) 行业/应用背景 量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算方式，在全球范 围内引起了广泛关注。我国也在积极参与其中，不断深化对量子计 算基本理论研究和实际应用探索的步伐。在这个过程中，我国的高 校发挥着至关重要的作用。 目前，许多大学已经开始开设相关课程，旨在协助学生更深入 地理解并掌握量子计算的理论知识和实践技能。然而，由于量子计 算涉及的概念和原理包括叠加态、纠缠态以及量子门等都是相当抽 象且复杂的内容，这就对教师的教学水平和学生的学习能力提出了 较高的要求。 (二) 现状/需求/痛点 当前，主流的教学方法仍是理论讲解，尤其在处理复数和矩阵 概念时，学生们常感到困难重重。因此，如何将抽象的量子理论具 体化、形象化，使学生更直观地理解量子计算，无疑成为了教学工 作面临的重大挑战。这种情况凸显出我们对一种能真实反映量子计 算过程的设备的需求。 为了解决上述挑战，使学生能够从理论转向实践，我们迫切需 要一种能真实反映量子计算过程的设备。然而，目前我国高校在这 方面面临着一些困难。 首先，目前大部分资源和资金都投入到量子计算研究的设备上， 量子信息技术应用案例集（2024） 3 而对教学设备的投入相对较少。这不仅限制了教学设备的获取，也 使得实际操作机会的提供成为一项挑战。其次，市场上缺乏一个完 全能够展示量子计算所需工具和设备的产品，这无疑增大了教学难 度。此外，虽然量子计算模拟器和云服务器能解决一部分的量子计 算“答案”问题，但对于学生需要理解与接触的真实量子状态与运行 部分却仍有所欠缺。 另一个重要的问题是，由于大部分经费和资源都集中在量子计 算的研究设备上，教学设备采购经费一般受到一些限制，大多数高 校在供教学的设备方面的供给不足，甚至有一些学校在缺乏设备的 情况下，无法开展与量子计算相关的教学工作。此外，当前研发使 用的量子计算设备往往设计精细、操作复杂，对操作人员的技术要 求较高，因此并不能适应广大教学老师和学生群体的需求。这就需 要我们在设计和开发量子计算教学设备时，充分考虑到其易用性和 通用性，以满足更广泛的教学使用者群体的需求。 图 1 可在室温环境工作的量旋量子计算真机 二、 技术原理与优势 量子信息技术应用案例集（2024） 4 (一) 概念原理/关键技术 当前实现量子计算的技术方案有很多种，其中基于核磁共振技 术的量子计算机较多被用于教育和科研场景。核磁共振量子计算机 中使用原子核自旋作为量子比特载体，自旋为 1/2 的原子核在静磁 场中会由于塞曼效应产生自旋向上和向下两个能级，以这两个能级 作为|0>和|1>两个量子比特状态，通过发射射频脉冲的方式，可以使 激发自旋量子态，使其在向上和向下的能级之间跃迁，从而实现对 量子比特的逻辑操作。 基于以上原理，搭建一台真实的核磁量子计算机，首先需要制 备合适的分子结构作为量子比特载体，具有多个自旋为 1/2 的原子 核，且互相之间存在耦合关系；然后设计出一套磁体系统，可以提 供均匀稳定的静磁场；最后设计一套高精度的射频信号收发系统， 即可实现整个量子计算过程（如图 2 所示）。 图 2 核磁量子计算机原理架构图 (二) 技术优势/成熟度分析 基于核磁共振技术的量子计算机在面向教育场景时，相对于其 它量子计算技术体系或模拟器方案，具有如下多个方面的优势。1） 量子信息技术应用案例集（2024） 5 相比于其它体系（如超导芯片、离子阱等），核磁共振技术已经比较 成熟，可以做到体积和重量的小型化；2）性能更加稳定，机器自带 一键校准量子比特参数的功能，不需要专业维护，降低使用成本；3） 开放底层的脉冲控制，使用自定义的射频脉冲操控量子比特，不仅 仅局限于逻辑门层级的量子线路编程；4）可以获取原始的量子信号 数据，从实验数据上观测量子比特的演化规律；5）支持一套完备的 量子逻辑门，包含单比特门、双比特门以及三比特门，可以允许学 生自由搭建任意量子算法；6）多种量子编程方式结合，有易入门的 图形界面编程方式，以及基于 SpinQit 框架的经典-量子混合编程方 法。 目前国内外有许多的高校在使用量旋的核磁量子计算机作为量 子计算教育的辅助教学仪器，真实的量子硬件以及真实的数据反馈， 能够很好地促进学生对于量子计算这一抽象概念的理解。从对量子 计算相关实验内容的支持程度上来看，核磁量子计算机可以支持从 底层量子比特的物理原理、量子态演化一直到顶层的逻辑门实现和 算法编程的量子计算全过程实验。因为实际系统已经在教育场景中 使用，技术成熟度达到 9 级。 三、 应用方案与实践 (一) 解决方案/系统架构/产品情况 为了全面体现真实量子计算硬件在量子计算教学种的作用，量 旋围绕三角座等核磁量子计算机设计了一整套教学方案，主要为上 量子信息技术应用案例集（2024） 6 机实验内容，主要分为三个板块。1）量子比特物理指标（如退相干 时间 T1、T2）以及自由演化动力学现象实验；2）从量子逻辑门层 级开始学习量子算法设计，并在真实硬件上运行后对结果进行分析； 3）对物理底层更加开放的量子调控技术探索，进一步加深学生对量 子计算相关技术的认识和学习。 具体的教学方案中还包括如表 1 的一系列实验课程以及配套的 实验手册。 表 1 基于核磁量子计算机的量子实验内容 实验首先从认识量子比特开始，量子态是量子计算的基本研究 对象，在研究中通常使用 Bloch 球的几何模型来表示量子比特状态， 在 Bloch 球模型中，单量子态可以通过球面上一个点来表示，这个 点的位置由两个欧拉角(θ,φ)来表示，Bloch 球的南极和北极点分别代 表量子比特的|0>和|1>状态，而其它点则表示量子比特处于叠加态， 这种方法使得我们可以直观地理解量子态的演化，在实验配套的软 件 SpinQuasar 中，也使用了 Bloch 球来展示量子态演化规律。 拉比振荡也是一类非常重要的物理现象，在量子计算中，无论 量子信息技术应用案例集（2024） 7 是核磁共振量子计算还是其他的量子计算系统，拉比振荡都尤其重 要，因为它是校准量子门的重要手段，而只有校准了量子门，才有 可能成功实现量子计算。该实验重点是，通过测量拉比振荡，加深 对核磁共振原理的理解；进一步掌握在核磁共振系统中实现单比特 门的方法--单比特门由射频脉冲实现；学习核磁共振量子计算中量 子门校准的方法。 量子算法也是量子计算学习中非常重要的一环，本方案同时也 设计了一系列的典型的量子算法实验课程，如利用 HHL 算法解线性 方程组。科学和工程学中的很多问题都需要解线性方程组。随着科 学和工程的发展进步，解线性方程组所需要处理的数据量越来越大， 对计算机和算法的要求越来越高。HHL 算法就是一个解线性方程组 的量子算法，在一定条件下，该算法比最优的经典算法具有指数加 速，已成为很多量子算法的子程序。本案例实现了 HHL 算法在两比 特系统中的一个简化版本（Scientific Reports 4，6115 (2014)），其实 验原理设计如图 3 所示。 图 3 HHL 算法的量子线路结构 (二) 应用情况/实施方式/验证结果 以上介绍的教学方案，在北京理工大学等国内外大学的真实量 子计算课堂上受到了师生的广泛好评。经过课程初步和操作系统的 量子信息技术应用案例集（2024） 8 引导后，学生基本能够独立运用量子计算机，进行单/双量子比特的 线路搭建与测量。同学们普遍认为，虽然量子理论部分内容有些难， 但是通过动手做实验，能对量子技术很切身直观的体会。同学们可 以在配套软件的单比特实验模块通过设计不同的量子比特演化参数， 可以直观地分析量子态在 Bloch 球上的演化规律，例如图 4 所示。 图 4 在 SpinQuasar 软件中观测量子态在 Bloch 球上的演化规律 在拉比振荡模块，可以进行的操作是通过采集原始的量子信号， 最后进行正弦拟合，来获取量子比特的 90 度脉宽数据，操作界面如 图 5。 图 5 通过原始数据测量拉比振荡曲线 量子信息技术应用案例集（2024） 9 最后在 HHL 算法实验中，学生是利用图形界面编程方法，将简 化后的 HHL 算法结构在真实系统中进行测试，学生可以自由拖动量 子逻辑门，设置逻辑门参数，最后得出不同逻辑门序列的实验数据 （见图 6）。 图 6 在 SpinQuasar 中通过图形界面编程实现 HHL 算法 四、 应用成效与前景 (一) 创新点/先进性/成效/潜力 基于核磁量子计算机的教学方案，给之前的量子计算教学带来 了很大的突破，它是目前为数不多的能够小型化的量子计算设备， 使得只能出现在科研实验室的前沿科技可以被搬进教室，可以非常 好地激发学生的学习热情，同时对量子计算能有更加直观的认识。 除此之外，它也有诸多优创新点和先进性。1）全程开放的教学实验 形式，内容涵盖量子计算底层运作的实验操作到顶层的算法实现， 可以深度地参与到真实量子计算的每一个环节；2）基于核磁共振量 量子信息技术应用案例集（2024） 10 子计算的实验原理适用于所有主流量子计算体系（如超导芯片、离 子阱），可以充当量子计算“教练机”的作用培养量子信息科学的人才； 3）配套有完整的量子计算教学资源，附带相关知识内容、实验指引、 实验视频、实验手册等，全面满足实验课堂的教学需求。 (二) 案例的不足与改进考虑 核磁量子计算机作为精密技术，在应用中受到不稳定因素影响， 需要解决若干问题。其对环境要求高；小型化系统中使用的钕铁硼 永磁体对温度敏感，稍有偏差就会影响实验精度；此外，磁场均匀 性对量子比特信号强度和分辨率有直接影响，物理震动或热胀冷缩 等可导致实验精度问题。后续将优化温度控制和匀场方案，减少环 境影响，提升产品易用性和稳定性。 (三) 后续实施和应用计划/展望 量子计算是一门物理和计算机的交叉学科技术，针对物理系的 学生，更希望培养其动手实践能力，而量子计算机一般都是非常精 密的仪器，操作不当或环境稍有变化很容易影响数据的准确性，所 以目前的量子计算教学产品一般