美国白宫推出了一站式网站，详细介绍其在量子领域的所有工作

美国最近推出了一系列促进和推动量子进步的举措。2020年10月7日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）推出了一个一站式网站，详细介绍了其在量子领域的所有工作，并发布了一份全面的量子前沿报告，指出了需要开展研究的关键领域。

       量子器件及技术是备受关注的新兴领域，研究原子尺度的现象，预计将从根本上改变科学、工程、通信和其他领域。自2018年美国公布《国家量子计划法案》（National Quantum Initiative Act）以来，特朗普政府一直强调量子信息科学（QIS）蕴含一个“未来产业”，并提出了一系列投资计划和政府主导的项目。

新推出的量子网站（Quantum.gov）意在成为“美国国家量子计划之家”，将新闻、资源、文件、报道、行动和其他信息集中在一个地方，记录政府在量子领域的工作。在OSTP的声明中，该网站被称为“一个新的数字中心”，将不断壮大的量子社区与联邦政府正在进行的广泛活动联系起来。

新发布的《量子前沿报告》，包含了来自公共、私人和学术界的多方面反馈，聚焦美国国家量子战略。报告阐明了须优先考虑的研究领域，以确保充分发挥QIS的潜力。根据美国政府公告，该报告意在围绕未来几年的关键问题，聚焦和组织全面的QIS研究和产业集群。报告列出的“八个前沿领域”包含当今QIS面临的基本问题的核心症结，为整个美国创新生态系统提出了关键的研究问题，将成为美国研究人员的重要路线图。

八个前沿领域1加强量子技术造福社会的能力

加快量子技术的可用性发展非常重要，这意味着要平衡基础研究和潜在应用研究。在该前沿领域取得进展的关键包括：（1）阐明量子技术的基本能力。阐明利用量子现象来改进现有技术的优势；描述量子现象带来的全新能力；以及了解量子计量学和量子计算可以从量子网络中获得的根本优势。（2）与领域专家和终端用户合作。确定量子技术可能解决的现实任务是目前的研究共识。QIS科学家和工程师与其他领域的专家联合，探索量子技术潜在应用，将加快量子技术解决关键社会挑战的进程。

2建立量子工程学科

量子工程应该成为工程学院的一个新学科或分学科，通过新的视角来克服QIS领域的挑战。在该前沿领域取得进展的三个主要研究方向包括：（1）集成量子硬件、软件和支撑技术。在硬件方面，重要研究领域包括量子位阵列、制冷装置、光电器件、单光子探测器、真空系统、布线和馈线、激光器和稳定元件、射频和微波技术、器件封装、量子存储技术、量子态制备的有效方法、以及量子系统不同组件之间的量子态转换。在软件和系统方面，重要研究领域包括开发模块化软件设计、将计算问题映射到专用硬件配置的方法、以及探索基于硬件响应语义模型的编程语言。（2）探索系统级架构、抽象和测试。建立量子工程的基本原理，让研究人员能够基于不同的抽象层建立和使用量子系统，而不必从第一性原理开始，这将会是QIS研发的突破性进展。（3）使模块化系统成为可能。量子位系统固有的复杂性使得它们难以理解、建模和验证，报告强调需要开发技术、协议、模型和验证方法，以支持异构的、模块化的和可扩展的设计、制备方法、表征技术和量子位封装技术。

3以材料科学为目标的量子技术

在量子计算应用中，量子比特质量与材料质量密不可分。在该前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：（1）利用材料科学提高器件性能。利用当前的知识和工具来提高量子器件所需材料的质量和弹性。材料领域的已有理论和实验技术将有助于设计、表征、制备和评估量子器件。（2）探索材料设计、制备和表征的新方法。研究途径包括：探索人工智能驱动的材料科学、改进的化学模拟技术、三维原子尺度成像、用于量子材料表征和量子器件读数的扫描探针技术、高灵敏度的磁共振工具、以及极端条件下新的测量和建模能力。

4通过量子模拟探索量子力学

量子工程技术可以用来有效地模拟和仿真量子系统本质。在该前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：（1）开发量子模拟应用。量子设备有助于理解量子系统的科学和工程问题，关键的研究包括：化学电子结构计算，分子光谱学的核振动和旋转计算，多体化学动力学和化学反应，材料平衡性、相图和其他特性，以及其他多体动力学和复杂物理现象。（2）在可用设备上实现算法并探索其性能。量子算法方面诸如量子相位估计、绝热态制备、量子虚时演化、哈密顿模拟、实空模拟和费米模拟。量子-经典混合方面包括用于基态能量优化的可变量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）。在现有的量子-经典框架下开发量子算法，如为嘈杂中型量子器件（NISQ）开发新算法，并探索其在噪声下的性能。

5利用量子信息技术进行精密测量

原子钟、原子干涉仪、磁强计和核磁共振（NMR）成像系统等尖端计量技术已经证明了量子控制和QIS相关方法的优势。在该前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：（1）部署量子技术以提高准确性与精密度。精确定位、导航和授时（PNT）应用已使用量子技术，但通常存在尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）方面的实践限制。因此在满足实地部署系统整体性要求的同时实现卓越性能将是测量科学与量子工程相结合的一个关键方向。（2）创建原位和体内量子传感的新模式和应用。量子传感的优势可能是深远的，但需要证明这方面量子控制的合理性，可能的研究方向包括：高能物理探测器，化学实验光谱学，结合尖端空间分辨率和光谱化学位移灵敏度的核磁共振技术，大地测量和绘图，水文和矿物勘探，使用量子增强望远镜的天文学，以及各种生物科学应用，如脑电图、脑磁图、视觉、光合作用、细胞动力学和趋磁性等研究。（3）利用纠缠和量子计算机改进测量。将此概念扩展到传感器阵列和其他联网量子系统（如纠缠时钟网络）是量子计量学的前沿研究。量子预处理和后处理的最佳纠缠和测量增加了该研究的可能性，其中一个探索方向是基于量子电路或小型量子处理器的多体量子态。

6为新应用生成和分发量子纠缠

通过不同模块量子比特的纠缠来连接量子设备可能是扩展量子计算机的一个关键途径。在该前沿领域需要探索的四个关键研究方向包括：（1）开发量子网络的基本组件，涵盖从量子中继器到存储器和互连等组件。（2）实现量子态转换，探索途径包括：量子态的相干转换，量子频率转换，自旋态、电荷态、极化态、空间模式、轨道角动量和其他自由度的量子控制，高维量子比特，连续变量纠缠的表现形式。（3）集成量子网络系统。短距离纠缠分布是该方向的关键挑战，该研究方向的探索途径包括：纠缠分布的基础设施和协议以及研究试验台或设施（例如，交换、纯化、互连和经典-量子混合方法）。（4）探索量子网络算法、应用、协议和方法。量子网络应用也将促进该前沿研究，例如分布式量子计算、盲量子计算、端到端量子加密、安全软件分发和纠缠传感器阵列。除了全新的算法和应用，还需要改进或大规模修订网络协议，以便在新的量子网络测试台上工作。

7表征和减小量子误差

抗退相干对于量子计量和网络至关重要，除了材料研究，改善控制的途径还包括量子纠错、无退相干子空间、容错量子计算等。在该前沿领域取得进展的三个关键研究方向包括：（1）多量子位系统的表征与控制。量子门性能是设计和控制规模化量子计算机的关键，量子误差改进的途径包括：材料的改进、多量子比特测量和反馈、控制技术和平台的改进、以及量子纠错基本理论的扩展。（2）接近容错条件。抑制量子错误为通用计算与系统接近容错条件提供了途径，相关研究包括：抑制错误的新性能基准、容错验证、纠错量子中继器、绝热和模拟量子计算的容错方法等。（3）使用当前设备来改进量子比特性能，相关研究包括实现有用计算需要抑制的误差量、低深度算法（如近似优化）、以及根据专用硬件调整量子误差的实用策略。

8通过量子信息了解宇宙基础性QIS研究开辟了新的科学前景。三个主要研究方向奠定了该前沿领域的基础，包括：（1）探索计算和信息的数学基础。QIS相关的计算基础问题涉及量子复杂性理论、量子资源理论和量子计算。（2）扩展物理理论的局限性。利用QIS概念和量子模拟新应用来探索物理理论的局限性，相关研究包括：通过量子行走的量子计算扩展散射理论，通过量子纠错码和多体纠缠协助寻找物质的新相位和拓扑态，通过AdS/CFT对偶场论辅助了解量子引力理论，以及在强耦合条件下探索测量理论。（3）测试粒子物理的标准模型。QIS可以提供新的方法来检验和拓展粒子物理的标准模型，例如，搜索暗物质和暗能量、测试CPT、Lorentz等基本对称性、以及搜索基本常数的时空变化。        

责任编辑：xj

原文标题：【政策规划•算】美国政府为量子计划推出一站式网站，发布量子前沿报告

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