就形成了量子网络。当网络的覆盖面变得很大，类似于当今全球互联 网时，就形成了量子互联网。所以在将量子信息实用化的过程中，对 量子互联网进行深入的研究和发展是必然趋势。 目前量子互联网的发展还处在初期阶段。由于其和经典互联网的 基本原理不同，很多经典互联网的发展模式和技术都无法直接借鉴过 来。现阶段不论是底层的硬件技术，如量子门操作速度和保真度、量 子纠错和量子存储时间等，还是上层的量子互联网体系架构，如运行 模式和协议栈 ........................... 42 3.1 基于量子封装网络的分组交换方案....................................... 42 3.2 经典帧辅助的混合分组交换方案........................................... 46 四、量子互联网运行模式设计.......................... .................78 5 一、量子信息技术概述 1.1 量子信息基本概念 1.1.1 从经典力学到量子力学 图 1. 从宏观尺度的篮球到微观尺度的原子。相应的物理理论从经典 力学过渡到量子力学。 在日常生活中，我们肉眼所能见到的物体的运动行为都属于经典 物理所研究的范畴。比如一块被水平扔出去的石头做抛物线运行，踩 油门让车加速等。这些运动规律都可以被牛顿力学所描述。通过给定

声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 前 言 量子计算得到了众多高算力需求行业的关注。然而，量子计算 机能否解决行业真实问题，能否超越经典计算性能，哪些因素制约 量子计算应用，未来商用还需要在哪些方面补足功课，这都是产业 面临的开放性问题。本报告以部分行业计算需求为参考，提出量子 计算应用能力指标体系与评测框架，探讨评测基准、方法和标准化 特为基本单元，基于量子叠加、量子纠缠、量子干涉等量子效应， 相比经典计算具有并行计算优势，已在生物药物、化学材料、金融、 信息通信等领域得到关注和试验性应用。产业升级对算力存在巨大 需求，在评估量子计算是否具备引入价值时，应考察如图 1 所示的 应用能力三要素的关系，系统性考虑如下技术与工程问题： 一是给定计算场景、计算任务和计算问题，是否存在量子算法， 且相对经典算法有优势？优势包括计算速度、计算精度、计算规模、 特别需要说明的是，量子计算目前仅在量子模拟、大数分解、线 性系统求解、非结构化搜索等方面有理论优势，在组合优化、机器学 习方面有潜在优势，但暂时缺乏理论证明。应用评测只是针对给定计 算问题与量子算法，在给定量子计算系统上，与经典计算进行对比， 目标是评估该类问题是否适用量子计算，而不是给出该类问题是否必 须依赖量子计算、是否有量子加速优势等结论。 二、计算场景与需求 从数学角度看，各行业面临的计算难题，最终都可以建模为搜

量子力学原理进行计算的新兴计算方式 • 量子比特（Qubit）：量子计算的基本单位，可以同时 是0和1的叠加态；经典比特（Bit）则为非0即1 • 量子门（Quantum Gate）：量子门是对量子比特的 量子态进行可逆线性变换的操作，是构建量子电路和 实现量子算法的基本逻辑单元 • 经典逻辑门 vs 量子门： • 经典逻辑门：NOT、AND、OR等；通常不可逆 • 量子门：Pauli-X（NOT）、Hadamard、CNOT、 后处理优化 • 将物理量子比特制 备为已知且稳定的 初始状态 （通常为 计算基态|0⟩或叠加 态(|0⟩+|1⟩)/√2） • 为后续操作提供干 净的起点 • 量子计算的核心逻辑部分， 相当于经典计算中的“程 序运行”，通过一系列量 子门对量子比特进行操作， 使其进入所需的叠加态或 纠缠态 • 利用干涉效应增强正确解 的概率；E.g.,在Grover搜索 算法中通过干涉放大目标 状态的概率幅 测量结果是概率性 的，通常需要多次运 行（采样）以获得统 计上可靠的结果 • 对测量结果进行进一 步处理以提取有用信 息；通常涉及经典计 算和量子操作的结合， 以优化结果的准确性 和效率 • E.g.,基于量子图像处 理的边缘检测算法中， 后处理需将测量结果 转换为经典的图像格 式输出，得到最终的 边缘检测图像  量子计算 的速度与 量子比特 数的关系 为指数级/ 平方根级 增长  量子比特

是以量子比特（qubit）为基本单元，利用干涉、叠加、纠缠等量子特性，通过量子门操作对量子态 进行演化，最终通过测量获取计算结果的物理系统。 与经典计算机不同，量子计算机利用量子并行性和量子态演化，在特定问题（如大数分解、量 子化学模拟）上可实现对经典计算机的指数级加速，具有重大战略意义和科学价值，是实现未来算 力飞跃的重要手段之一。 量子计算产业则是以量子力学原理为理论基础，围绕量子计算机的研发、制造、应用及生态构 计算或将反哺AI，比如帮助AI减少训练模型的参数等等。 算法方面，由于当前的量子计算机硬件还不足以提供实际可用的算力，因此难 以在短期内实施可行的量子算法，所以量子应用算法仍以含噪声中等规模量子 （NISQ）算法为主，比如量子-经典混合算法、量子退火算法、量子模拟算法等。另 一方面，量子纠错算法的改进有助于通用量子计算的实现。例如，Google基于其全 新量子纠错码（Gröss码），提出了一种端到端量子纠错协议。 下游应 正积极向四个 方面进行技术升级： （1）自动化：利用AI，实现硬件优化、自动化等功能。 （2）低温化：由室温方案向低温方案转变，从而有效降低互联复杂性和噪声干 扰。 （3）混合化：将量子-经典混合架构考虑在内，促进量子处理单元（QPU）与 中央处理器（CPU）更好地连接。 （4）集成化：方便微波信号生成、数字处理和实时解调等多种功能的集成，系 统能够同时支持高并行度的量子门操作和态读取。

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 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 常重要的研 究课题。 二、 技术原理与优势 (一) 概念原理/关键技术 变分量子特征求解器（variational quantum eigensolver，VQE）： VQE 是一种经典-量子混合算法，如图 8 所示。VQE 算法主要应用 量子信息技术应用案例集（2024） 15 于估计化学分子的基态能量、组合优化问题的最优解等，被视为在 NISQ 时代最有希望实现的量子算法之一。

2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 资料目录 第一部分 大数据的特征与气象大数据 第二部分 国内外气象大数据发展现状 第三部分 经典案例分析 第四部分 气象大数据的启示 第五部分 存在的问题 郎丰利于 2022 年 8 月整理制作，碳排放数字化建设及数字化驾驶舱建设综合解决方案 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 月整理制作，碳排放数字化建设及数字化驾驶舱建设综合解决方案 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 12 经典案例分析（ 1/6 ） 案例一： 美国默克集团（ Merck & Co Inc ）是世界制药企业的领先者。该集团于 2012 年开 始订阅专业天气预报，并在当年 7 月准确地掌握了 月整理制作，碳排放数字化建设及数字化驾驶舱建设综合解决方案 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 整理制作：郎丰利 制作时间： 2022 年 13 经典案例分析（ 2/6 ） 案例二： 2013 年 2 月，暴风雪 Nemo 给美国第三大零售业西尔斯集团带来了巨大挑战。风暴 来临之前，西尔斯通过多种渠道收集气象信息，预先建立受灾地区地图，并将来自风险

量子信息技术是量子科技重要组成部分，主要包括量子计算、量子 通信和量子精密测量三大领域，利用量子调控技术实现信息的感知、 计算与传输，在提升计算复杂问题运算处理能力、加强信息安全保 护能力、提高传感测量精度等方面，具备超越经典信息技术潜力， 有望成为重塑科学探索范式、变革信息技术体制、推动数字经济演 进的发展新动能。 量子计算是以量子比特为基本单元，利用量子叠加与干涉等实 现并行计算的新型计算范式，具备求解计算复杂问题实现指数级加 验演示，应用探索广泛开展但尚未实现“杀手级”应用突破。突破量 子纠错构建可容错逻辑量子比特，明确通用量子计算技术路径，在 实用化问题中验证量子计算加速能力并推动商业化落地是发展方向。 量子通信是基于量子叠加与纠缠等效应，在经典信道辅助下实 现密钥分发或量子信息传输的新型通信方式。以量子密钥分发 量子信息技术发展与应用研究报告（2025 年） 2 （QKD）、量子随机数发生器（QRNG）等为代表的量子保密通信初 换等关键技术，构建连接量子计算机和量子传感器的量子信息网络， 当前仍处于前沿探索和原型实验阶段，距离实用化有很大差距。 量子精密测量通过对物理量变化引起的量子态演化进行调控与 观测，实现超越经典技术极限的高精度传感测量，测量分辨率、灵 敏度与稳定性等指标带来数量级提升，主要包括时频基准、电磁场 测量、重力测量、惯性测量、目标识别、痕量检测等技术方向。微波原 子钟、冷原子重力仪、光量子雷达、量子磁力计等已实现商业化应用，

此外，德军对恩尼格玛技术牢不可破的信念，直接导致了其在操作安全规程上的松 懈，这为今天的组织敲响了警钟。如果一个组织仅仅因为迁移到了 NIST 批准的 PQC 算法就宣告“量子安全”，便可能陷入同样的自满情绪，忽视了持续的经典攻击威胁和 PQC 算法自身未来可能被发现的弱点。安全是一个持续警惕的过程，而非一次性的技 术修复。这恰恰印证了白皮书中“战略引擎”模型所强调的持续治理与演进的重要性。 更具战略意义的是，“先窃取，后破解”（Harvest 行的， 用我们基于 0 和 1 逻辑的经典计算机去模拟它，效率极其低下，计算量会呈指数级爆炸 式增长，几乎不现实[6]。 他因此提出了一个颠覆性的构想： “自然界可不是经典物理能解释的，该死！如果你想模拟自然，最好用量子力学来 构建。” 这一定义至关重要，它从根本上划清了界限：量子计算机并非一台“跑得更快”的 经典计算机，它甚至不是为了解决经典计算机的所有问题而设计的。它是一种遵循量子 子 叠加和纠缠等奇异规则运行的、全新的计算范式，专门用于解决那些经典计算机无法企 及的特定难题。 1.3.2 Shor 算法：致命的“杀手级应用” 全球抗量子迁移战略白皮书（2025） 22 在费曼提出构想后的十余年里，量子计算很大程度上仍是物理学家和理论家脑中的 概念。直到 1994 年，贝尔实验室的数学家彼得·肖尔（Peter Shor[7]）发表了他的量 子算法，才将这个物理

在提高计算复杂问题运算处理能力、增强信息安全保护能力、提升 传感测量精度等方面，具备远超经典计算范式的潜力，有望成为推 动前沿科技探索、信息技术演进和数字经济产业发展的重要引擎和 加速器。 图 1 量子信息技术三大领域概况 量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理 实现并行计算，可以作为一种新型计算范式带来经典计算无法比拟 量子信息技术产业发展报告（2024 年） 2 的 索和原型机工程研发不断取得进展，实现大规模可容错通用量子计 算仍需长期攻关，行业领域应用探索持续深化，“杀手级”应用尚未 实现落地，产业生态培育稳步推进。 量子通信基于量子叠加态或纠缠效应，在经典通信辅助下实现 密钥分发以及信息传输，在理论协议层面具有可证明安全性。基于 量子密钥分发和量子随机数发生器等技术方案的量子保密通信系统 正初步进入实用化阶段，在新型协议研究和实验系统研制等方面持 基于动态量子电路生成高保真度“魔法态”，保真度优于不 经过魔法态提纯的原始量子比特所能达到的水平28。中科院推出自 研的 504 比特超导量子计算芯片“骁鸿”29。北京量子院联合团队实 现 5 块百比特规模量子计算芯片与经典计算资源的融合30。本源量 子研制出 72 位超导量子比特芯片“悟空芯”31。IQM 实现保真度为 99.91%的CZ门，T1和T2时间则分别达到了0.964 ms和1.155ms32。 此外