美國Q-NEXT量子中心發(fā)布量子信息科技發(fā)展路線圖

量子信息科技有廣闊的應(yīng)用前景，有望在未來幾十年成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，包括能夠推?dòng)基礎(chǔ)科學(xué)和醫(yī)學(xué)突飛猛進(jìn)的超精密量子傳感器、具有強(qiáng)大算力可解決金融和物流難題的量子計(jì)算機(jī)、將量子傳感器和量子計(jì)算機(jī)連接起來的量子通信。2022年12月14日，美國Q-NEXT量子中心發(fā)布了《量子互連路線圖》，旨在為使用量子互連的量子信息科技的主要方向提供路線圖，概述了未來10-15年量子互連研究的必要議題，重點(diǎn)關(guān)注量子互連對(duì)量子計(jì)算、量子通信和量子傳感中的影響。Q-NEXT量子中心是“下一代量子科學(xué)和工程”的簡(jiǎn)稱，是在美國《國家量子計(jì)劃法案》（2018年）指導(dǎo)下，由美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室2020年?duì)款^組建的國家量子信息科學(xué)中心，重點(diǎn)開發(fā)安全的量子通信鏈路和傳感網(wǎng)絡(luò)。

量子互連在系統(tǒng)之間和不同長(zhǎng)度尺度上連接和分發(fā)相干的量子信息，以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子通信和量子傳感。量子互連的影響及相關(guān)研究需要基于領(lǐng)域系統(tǒng)性考慮，單獨(dú)關(guān)注量子互連則過于狹隘，因此路線圖從量子計(jì)算、量子通信和量子傳感三個(gè)領(lǐng)域討論量子互連的關(guān)鍵議題，每個(gè)領(lǐng)域都確定了未來十年的科技優(yōu)先事項(xiàng)，列出了領(lǐng)域發(fā)展所需的材料、組件和系統(tǒng)，概述了技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際優(yōu)勢(shì)的研發(fā)需求。

一、量子計(jì)算路線圖

（一）量子計(jì)算機(jī)的影響

1.未來10-15年量子計(jì)算機(jī)的變革性影響

（1）量子模擬，特別是應(yīng)用在化學(xué)、物理和材料科學(xué)領(lǐng)域，例如，量子化學(xué)可能對(duì)計(jì)算材料和分子設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響，包括藥物發(fā)現(xiàn)、材料制備等。（2）經(jīng)過認(rèn)證的隨機(jī)數(shù)生成器。（3）量子密碼學(xué)，例如基于格（lattice-based）的后量子密碼算法。（4）優(yōu)化算法，例如蒙特卡洛算法和量子近似優(yōu)化算法。（5）量子算法部署，提供線性代數(shù)中的高效計(jì)算解決方案，并用于基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析。

2.未來幾年量子計(jì)算機(jī)的重要進(jìn)展

未來幾年量子計(jì)算機(jī)的重要影響主要集中在量子計(jì)算本身：（1）量子算法將隨著更多比特（>1000量子比特）量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)而加速地演進(jìn)；（2）量子糾錯(cuò)方面，高保真度的邏輯量子比特將取得重要進(jìn)展。

在組件和器件層面上，實(shí)現(xiàn)上述影響需要更高保真度的單或雙量子比特門以及更多可用的高保真度量子比特。與半導(dǎo)體器件的密度縮放不同，量子處理器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏。

（二）未來十年量子計(jì)算的科技優(yōu)先事項(xiàng)

1. 改善低溫下量子比特的輸入/輸出、可尋址性和連接性。

2. 使用不確定性原子級(jí)放置和制造方法，相干控制、尋址光學(xué)活性自旋/晶格缺陷，這些缺陷處于小于20nm橫向精度或三維空間中。

3. 開發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：（1）適用于不同類型量子比特的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；（2）適用于大型量子計(jì)算機(jī)（>1000量子比特）的互連架構(gòu)。

4. 實(shí)現(xiàn)從物質(zhì)量子比特到光子的轉(zhuǎn)換，保真度為99%。

（三）用于量子計(jì)算的量子互連研發(fā)需求

1.六種關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)及其優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

未來量子計(jì)算將重點(diǎn)關(guān)注六種關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)及其糾纏分發(fā)：（1）光學(xué)尋址的半導(dǎo)體缺陷中心量子比特，例如金剛石、碳化硅，此類缺陷可以是固有的或摻雜缺陷。（2）超導(dǎo)量子比特，例如鋁、鈮、鉭。（3）中性原子量子比特，真空腔中原子阱的光學(xué)尋址。（4）電尋址的自旋量子比特，例如基于硅、鍺或合金的柵極定義量子點(diǎn)。（5）離子阱量子比特，真空腔中離子阱的光學(xué)尋址。（6）光量子比特，全光量子處理包括離散變量和連續(xù)變量方法。

上述六種關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及挑戰(zhàn)如表1所示。

表1六種關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及挑戰(zhàn)

2.未來量子計(jì)算研發(fā)需求

（1）提高量子門的保真度和相干性。（2）改進(jìn)量子比特的經(jīng)典控制，突破大量量子比特的可擴(kuò)展性和成本限制。（3）研究和示范大型全棧量子計(jì)算系統(tǒng)。（4）實(shí)現(xiàn)物理量子比特間的量子信息相互轉(zhuǎn)換。

二、量子通信路線圖

（一）量子通信的影響

未來10-15年量子通信系統(tǒng)可能產(chǎn)生的技術(shù)影響：（1）量子密鑰分發(fā)。（2）量子增強(qiáng)的經(jīng)典通信。（3）量子密鑰分發(fā)之外的身份驗(yàn)證和安全性。（4）量子中繼器推動(dòng)的基礎(chǔ)科學(xué)，遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)為非局域性、退相干、量子引力等基本問題提供研究環(huán)境。（5）量子網(wǎng)絡(luò)（量子中繼器使能）助力的量子傳感。（6）量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，包括盲量子計(jì)算（blind quantum computing）、分布式量子計(jì)算、以及與量子傳感相結(jié)合的邊緣量子計(jì)算。

（二）未來十年量子通信的科技優(yōu)先事項(xiàng)

1. 對(duì)商業(yè)、政府、科學(xué)方面的明確需求提供精確且近期應(yīng)用。

2.在可見光、近紅外、電信波段開發(fā)與光量子比特兼容的關(guān)鍵量子組件，例如，量子存儲(chǔ)器、量子光源、量子換能器等。

3. 演示量子中繼器使能的量子通信，可用性超過直接傳輸。

4. 使用中繼器演示遠(yuǎn)距離（城際）糾纏分發(fā)。

5. 開發(fā)實(shí)際多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

6. 演示城際尺度的同質(zhì)多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)，同質(zhì)互連連接相同類型的量子比特。

7. 演示州際尺度的異質(zhì)多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)，異質(zhì)互連連接不同類型的量子比特。

（三）用于量子通信的量子互連研發(fā)需求

1.量子通信子系統(tǒng)分類

（1）網(wǎng)絡(luò)類型。主要包括系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCN）、局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（MOB）、廣域網(wǎng)（WAN）、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（SAT）。

（2）節(jié)點(diǎn)硬件分類。包括三類節(jié)點(diǎn)，分別為：終端節(jié)點(diǎn)：包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)（通用量子計(jì)算機(jī)）、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)、測(cè)量節(jié)點(diǎn)；中繼器：包括基于量子存儲(chǔ)的中繼器、基于量子糾錯(cuò)的中繼器、路由器；支持節(jié)點(diǎn)：包括貝爾狀態(tài)分析器、量子糾纏光子對(duì)源、光交換節(jié)點(diǎn)。

（3）組件分類。每類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由一組組件構(gòu)成。常規(guī)組件：波導(dǎo)、耦合器、交換機(jī)、激光器，但仍需要適配量子應(yīng)用；量子組件：量子存儲(chǔ)器、光源和探測(cè)器、量子處理器、轉(zhuǎn)換器等。

（4）架構(gòu)、協(xié)議和軟件分類。包括：不同服務(wù)的連接架構(gòu)，鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層量子糾錯(cuò)及相關(guān)技術(shù)，路由和多路復(fù)用，網(wǎng)絡(luò)操作安全。

2.未來量子通信的研發(fā)需求

（1）低溫單光子探測(cè)器，（2）半導(dǎo)體單光子雪崩光電二極管（SPAD），（3）糾纏/超糾纏光子對(duì)源，（4）超低損耗的光通路研究，（5）空地連接，（6）與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等集成，（7）換能器，（8）量子存儲(chǔ)器，（9）進(jìn)一步開發(fā)關(guān)鍵量子網(wǎng)絡(luò)組件，如高速低損耗量子開關(guān)、多路復(fù)用技術(shù)等，（10）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化，（11）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，（12）與經(jīng)典計(jì)算和通信服務(wù)的集成，（13）糾錯(cuò)量子網(wǎng)絡(luò)功能，（14）鏈路、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理，（15）應(yīng)用程序編程模型與接口。

三、量子傳感路線圖

（一）量子傳感的影響

未來15年的量子傳感技術(shù)有望得到顯著改進(jìn)，量子傳感預(yù)期影響和部署的關(guān)鍵領(lǐng)域：（1）生物化學(xué)，（2）基礎(chǔ)物理，（3）導(dǎo)航與授時(shí)，（4）凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、量子技術(shù)。

（二）未來十年量子傳感的科技優(yōu)先事項(xiàng)

1. 實(shí)現(xiàn)糾纏的多量子比特傳感（局部），并展示其比非糾纏的傳感器更具性能優(yōu)勢(shì)?；ミB的傳感器可以改善以下性能：靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、帶寬、空間分辨率、獲得相關(guān)性、測(cè)量的非侵入性。

2.發(fā)展使用遠(yuǎn)程糾纏的嚴(yán)格量子計(jì)量理論，以確定可以從量子優(yōu)勢(shì)中受益的分布式傳感任務(wù)類型，評(píng)估這些量子優(yōu)勢(shì)的擴(kuò)展特性以及互連傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這些量子優(yōu)勢(shì)所需的性能指標(biāo)。

3. 開發(fā)新的傳感模式，利用多個(gè)傳感器之間的相關(guān)性和糾纏來測(cè)量單個(gè)傳感器無法獲得的可觀測(cè)值。

4. 理解并減少固態(tài)傳感器中界面誘導(dǎo)的退相干。界面在互連傳感器中不可避免，也是造成退相干的已知來源。

5. 以小于5nm的精度定位可尋址的活性自旋/晶格缺陷/雜質(zhì)，并預(yù)測(cè)它們?cè)诓牧现械奶匦浴?/p>

6.以單核自旋靈敏度實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)量子傳感，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子功能和結(jié)構(gòu)的研究。

7. 實(shí)現(xiàn)具有量子優(yōu)勢(shì)的直流-太赫茲電磁場(chǎng)傳感。

8. 在誤差小于1%的情況下，以大于1GHz的速率實(shí)現(xiàn)光脈沖的光子數(shù)分辨檢測(cè)。

（三）用于量子傳感的量子互連研發(fā)需求

1.量子傳感主要系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域

目前人們主要探索的量子傳感系統(tǒng)包括：（1）固態(tài)缺陷，包括金剛石、碳化硅、六方氮化硼、過渡金屬二鹵化物等中的空位缺陷，（2）原子系統(tǒng)，（3）超導(dǎo)系統(tǒng)，（4）非經(jīng)典光子態(tài)（光、微波、毫米波），（5）量子體系中的機(jī)械系統(tǒng)（包括光、電機(jī)械系統(tǒng)）。

未來15年對(duì)實(shí)現(xiàn)量子傳感應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域包括：（1）傳感和計(jì)量物理學(xué)，（2）材料和結(jié)構(gòu)，（3）互連的系統(tǒng)規(guī)模。

2.未來量子傳感的研發(fā)需求

（1）指標(biāo)的控制和確定，例如探測(cè)器效率，傳感器的靈敏度和帶寬，反作用規(guī)避，量子非破壞性，傳感網(wǎng)絡(luò)帶寬，單光子探測(cè)器的系統(tǒng)效率、飽和率、噪聲、抖動(dòng)、光子數(shù)分辨率等。

（2）對(duì)材料科學(xué)的理解，例如傳感量子比特缺陷定位及糾纏生成，界面和表面的可靠控制，低損耗、穩(wěn)定的量子光源，先進(jìn)的材料表征方法等。

（3）促進(jìn)理論進(jìn)步，例如使用遠(yuǎn)程量子態(tài)的嚴(yán)格量子計(jì)量理論，新協(xié)議等。

（4）擴(kuò)大量子傳感系統(tǒng)規(guī)模和提高量子傳感平臺(tái)的成熟度。

（5）拓展頻率空間，例如從光、微波拓展到更長(zhǎng)的波段（射頻及以下）。

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審核編輯 ：李倩