量子信息技术应用案例集（2022）

QuantumfntemetJndustryAJliance 量子信息技术应用案例集 (2022) 量子信息网络产业联盟 2023年5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、规点、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 （注明是习自其他方的内容除外）、并受法律保护。如转载击联 系本联盟并获得授权许可：未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使川，不得将报告的企部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使川报告内相关描述及相关数据图表。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：010-62.300.592 邮箱：qiia(caict.cac.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： 本源量了计算科技（合爬）股份有限公司、上海图灵智算量子科技有限公司、科大国盾量子技术股份有限公司、中电信量子科技有限公司、京易科腾信息技术有限公司、中国科学技术大学、国仪量了（合肥）技术有限公司、中国信息通信研究院 案例集编写成员： 葛志斌、王新文、陈尊耀、毛蒲筱、廖胜凯、万传奇、张萌姚飞 前言 随者科学技术的迅速发展：量子信息技术正成为引领下一代技术革命的前沿领域，量子信息技术基于虽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， 当前，量了信息技术正逐步从概念验证走向落地实践，并始 为行业川户赋能，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 创新应川推广，推动量了信息技术在不同领域应，量了信息网络联盟片动了“量了信息产业应川案例集”征集与编写工作 2022年面向成员单位征集6项应川案例，涉及量了计算、保 密通信或通信、量了测量等技术方向，展现量广信息技术在金融、政务、医疗等不用领域的应用探索情况。经联盟成员革位讨论，共同编制广《量了信息技术应川案例集（2022)》，台在向业界展 示量子信息技术的潜在应用和价值，分析探讨量子信息技术应用推发展现状和面临问题，为量了信息技术成果应用转化和产业培育提供参考： 目录 案例一量了计算中的衍生品定价 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8 索例二基于量子机器学习的虽化策略11 一.应用背景与需求12 二·技术原理与优势 1.3 三.应用方案与实践14 四·应用成效与前景17 案例三量子保密迹信政务城域网20 一，应用背景与需求21 一..技术原理与优势22 三，应用方案与实践25 四.应用成效与前景29 案例四南京市城城量子保密通信网络建设项目31 一.应川背景与需求32 二·技术原理与优势34 三.应川方案与实践 四，应川成效与前景40 案例五基于卫星的广域量了保密通信43 一.应用背景与需求44 二·技术原理与优势45 .应用方案与实战48 四-应用成效与前景51 案例六量子金刚石探针扫描磁成像系统54 一.应用背景与需求55 二.技术原理与优势57 三-应用方案与实践59 四.应用成效与前景62 量量子子信信息息技技术术应用应案用例案集例（集20（22）2022） QIIA 量子信息网络产业联盟 QuantumInternetIndustryAlliance 案案例例 一 本本源源量量子子计计算算科科技技（（合合肥肥））股股份份有有限限公公司司 量量子子计计算算中中的的衍衍生生品品定定价价 ——一量量子子计计算算加加速速蒙蒙特特卡卡洛洛模模拟拟 一一、、应应用用背背景景与与需需求求 ((一一）)行行业业/应/用应背用景背景 在在国国际际衍衍生生品品金金融融市市场场的的形形成成发发展展和和实际实应际用应过用程过中程，中期，权期等权等衍衍生生品品如如何何定定价价一一直直是是学学术术界界和和交交易易员关员注关的注核的心核问心题问。题20。世纪20世纪7700年年代，代Bl，ackB-Slcahocleks--MSecrthono（lBeSsM-）Me模r型t逐o步n（建立B并SM发）展成模为型逐步建立并发展成为业业内内主主流流的的期期权权定定价价模模型型，，它它解解决决了了期期权权权利权金利与金基与础基资础产资价产格价之格之间间的的非非线线性性关关系系间问题题，，为为市市场场价价值值发发现现和投和资投交资易交活易动活提动供提了供重了要重要指指导导。。作作为为金金融融工工程程领领域域的的重重要要基基础础，B，SBMS模M模型型被研被究研者究扩者展扩到展基到基于于多多个个标标的的资资产产的的衍衍生生品品定定价价中中，，同同时各时种各经种验经公验式公和式计和量计定量价定模价模型型纷纷纷纷面面世世。。本本课课题题研研究究的的金金融融衍衍生生品品定价定问价题问，题涉，及涉品及种品涵种盖涵市盖市场场主主流流的的欧欧式式期期权权和和一一蓝篮子子期期权权、、亚亚式式期权期等权奇等异奇期异权期。权其。中其奇中异奇异期期权权因因为为标标的的资资产产价价格格的的随随机机波波动动和和路径路依径赖依，赖在，实在际实操际作操中作需中要需要利利用用蒙蒙特特卡卡洛洛等等数数值值方方法法进进行行定定价，价如，图如1图所示1所。示。 图图11蒙蒙特特卡卡洛洛模模拟拟 ((二二))现状现/需状求//痛需点求/痛点 蒙家特特卡卡罗罗模模拟拟是是目目前前较较为为主主流流的的奇奇异异期期权定权价定方价法方，法该，方该法方基法于基于现现货货、、利利率率、、波波动动率率等等来来设设计计模模型型，，以以选选定定的的市市场数场据数模据拟模产拟生产未生来未来标标的的资资产产价价格格行行走走路路径径，，并并在在这这些路些径路上径计上算计衍算生衍品生价品格价并格求并均值求。均值。蒙蒙特特卡卡罗罗模模拟拟方方法法适适用用范范围围产广，，能能够够解解决决绝绝大大部分部的分复的杂复衍杂生衍产生品产定品定价价问问题题，，且且逻逻辑辑框框架架清清晰晰，，前前置置生生成成标标的的价价格格路路径的径工的作工对作于对不于同不产同产品品是是通通用用的的。。所所以以其其可可以以适适应应不不同同衍生衍产生品产结品构结，构适，合适对合新对的新产的品、产品、模模型型快快速速响响应应和和并并行行计计算算。。然然而而蒙蒙特特卡卡罗罗模模拟方拟法方也法有也缺有点缺：点它：需它要需要生生成成大大量量路路径径进进行行模模拟拟，，计计算算资资源源消消耗耗巨巨大大，，难难以以实实现现精精准准快快速速定价定。价。 二二、、技技术术原原理理与与优优势势 ((一一))概念概原念理原/关理键/技关术键技术 量量子子计计算算是是近近年年来来发发展展迅迅速速的的高高性性能能先先进计进算计技算术技，术它，利它用利量用子量子态态的的叠叠加加纠纠缝缠性性质质，，可可以以为为各各类类算算法法，，例例如如大数大分数解分或解组或合组优合化优，化提，提供供指指数数级级加加速速。。例例如如量子量近子似近优似化优算化法（算Q法A（0AQ）AO在A投）资在组投合资优组化合等间优化等问题题中中提提供供了了相相对对于于经经典典算算法法的的平平方方级级别别加速加。速特。别特地别，地量，子量振子幅振估幅计估计算算法法可可以以提提供供统统计计问问题题中中期期望望值值估估计计的的二次二加次速加，速因，此因该此方该法方能法够能提够提供供对对计计算算经经典典蒙蒙特特卡卡落洛积积分分相相关关问问题题的的加速加。速。 量量子子计计算算在在许许多多领领域域都都具具有有落落地地应应用用的充的分充前分景前，景其，中其金中融金业融涉业涉及及各各种种数数值值分分析析任任务务，，需需要要大大量量的的量量化化分析分工析作工，作通，过通量过子量计子算计提算高提高计计算算速速度度和和精精度度，，将将带带来来可可观观的的经经济济收收益。益。 ((二二)) 技技术术优优势势/成/成熟熟度度分分析析 paths/sec/s paths/sec/mW 900 90 800 700 80 70 60060 50050 40040 300 200 30 20 10010 0 CPUGPUFPGACPUGPUFPGA 十十几几年年来来，，GGPPUU一一直直都都是是金金融融模模拟拟的的主主流流加加速速工工具具。随。着随技着术技的术的进进步步，，从从CPCPUU、、GGPPUU到到FPFGPAGA，，算算力力在在不断不提断升提，升功，耗功在不耗断在降不低断，降如低，如图图22所所示示，，体体积积也也在在不不断断变小变，小但，无但论无性论能性如能何如提何升提，升都，将都受将到受摩尔到摩尔定定律律趋趋于于失失效效的的影影响。响。 图图22能能耗耗对对比比 理理论论上上说说，，当当制制程程工工艺艺达达到到2n2mn时m时，，这这个个级别级上别的上晶的体晶管体只管能只容能容纳纳1100个个原原子子，电，子电的子行的为行将为不将再不服再从服传从统传的统半导的体半理导论体，理晶论体，管晶不体管不再再可可靠靠。。 而而量量子子计计算算机机基基于于其其特特性性和和底底层层逻逻辑辑将将有有望望打打破破摩摩尔尔定定律律的的限限制制。。量量子子计计算算主主要要用用于于解解决决三三类类金金融融问问题：题一：是一投是资投组资合组优合化优；化二；是二是机机器器学学习习；；三三是是模模拟拟和和定定价价。。量量子子计计算算解解决决这这些些问问题题的的难难度度依依次增次加增。加。 当当使使用用经经典典计计算算机机计计算算衍衍生生产产品品价价格格时时，如，如果果想想将估将计估的计精的度精提度提高高一一个个数数量量级级，，需需要要将将蒙蒙特特卡卡罗罗模模拟拟中中的的样本样数本量数增量加增1加00倍10，0在倍量，在量 子子计计算算机机上上，，提提高高同同样样的的数数量量级级，，只只需需将样将本样增本加增1加0倍1。0这倍就。是这所就是所谓请的的二二次次加加速速。。 目目前前量量子子金金融融衍衍生生品品定定价价方方向向已已经经具具备备成成熟熟的的理理论论算算法法和和初初步步的的可可视视化化展展示示应应用用设设计计，，在在金金融融行行业业已已与与相相关关金金融机融构机展构开展基开于基实于际实际场场景景落落地地的的深深入入探探索索，，目目前前技技术术成成熟熟度已度达已到达4到级，4级。 三三、、应应用用方方案案与与实实践践 ((一一）)解解决决方案方/案系/统系架统构架/产构品/情产况品情况 蒙家特特卡卡罗罗方方法法利利用用抽抽样样来来近近似似解解决决难难以解以决解的决问的题问，题或，者或使者用使高用高维维问问题题的的数数值值方方法法。。经经典典的的蒙蒙特特卡卡罗罗方方法法已已被被用用于推于理推、理积、积分分和优和化优，化。蒙蒙特特卡卡罗罗集集成成(M(CMIC)是I)本是节本的节重的点重，它点对，风它险对和风定价险预和测定的价融预资测至关的融资至关重重要要。。同同时时这这些些任任务务通通常常需需要要大大量量的的计计算算能能力和力时和间时，间才，能才在能解在决解方决方案案中中实实现现所所需需的的精精度度。。而而在在数数值值积积分分方方面面，有，有一种一量种子量算子法算比法经比典经的典的蒙蒙特特卡卡罗罗方方法法具具有有优势优。势。 ·经典经蒙典卡蒙金卡融金应融用应用 在在金金融融中中，，MMCCII通通常常用用于于估估计计一一个个未未知知的金的融金数融量数（量例（如例，如一，个一个金金融融衍衍生生品品的的价价格格））的的期期望望，，这这是是其其他他不不确确定性定变性量变（量例（如例，如市，场市状场状态态））的的函函数数。。该该方方法法通通常常从从潜潜在在随随机机变变量量的的随机随模机型模开型始开，始从，该从模该型模型中中提