美国Q-NEXT量子中心发布量子信息科技发展路线图

量子信息科技有广阔的应用前景，有望在未来几十年成为我们日常生活的一部分，包括能够推动基础科学和医学突飞猛进的超精密量子传感器、具有强大算力可解决金融和物流难题的量子计算机、将量子传感器和量子计算机连接起来的量子通信。2022年12月14日，美国Q-NEXT量子中心发布了《量子互连路线图》，旨在为使用量子互连的量子信息科技的主要方向提供路线图，概述了未来10-15年量子互连研究的必要议题，重点关注量子互连对量子计算、量子通信和量子传感中的影响。Q-NEXT量子中心是“下一代量子科学和工程”的简称，是在美国《国家量子计划法案》（2018年）指导下，由美国阿贡国家实验室2020年牵头组建的国家量子信息科学中心，重点开发安全的量子通信链路和传感网络。

量子互连在系统之间和不同长度尺度上连接和分发相干的量子信息，以实现量子计算、量子通信和量子传感。量子互连的影响及相关研究需要基于领域系统性考虑，单独关注量子互连则过于狭隘，因此路线图从量子计算、量子通信和量子传感三个领域讨论量子互连的关键议题，每个领域都确定了未来十年的科技优先事项，列出了领域发展所需的材料、组件和系统，概述了技术转化为实际优势的研发需求。

一、量子计算路线图

（一）量子计算机的影响

1.未来10-15年量子计算机的变革性影响

（1）量子模拟，特别是应用在化学、物理和材料科学领域，例如，量子化学可能对计算材料和分子设计产生重大影响，包括药物发现、材料制备等。（2）经过认证的随机数生成器。（3）量子密码学，例如基于格（lattice-based）的后量子密码算法。（4）优化算法，例如蒙特卡洛算法和量子近似优化算法。（5）量子算法部署，提供线性代数中的高效计算解决方案，并用于基于机器学习的数据分析。

2.未来几年量子计算机的重要进展

未来几年量子计算机的重要影响主要集中在量子计算本身：（1）量子算法将随着更多比特（>1000量子比特）量子计算机的实现而加速地演进；（2）量子纠错方面，高保真度的逻辑量子比特将取得重要进展。

在组件和器件层面上，实现上述影响需要更高保真度的单或双量子比特门以及更多可用的高保真度量子比特。与半导体器件的密度缩放不同，量子处理器的关键挑战是实现大规模纠缠。

（二）未来十年量子计算的科技优先事项

1. 改善低温下量子比特的输入/输出、可寻址性和连接性。

2. 使用不确定性原子级放置和制造方法，相干控制、寻址光学活性自旋/晶格缺陷，这些缺陷处于小于20nm横向精度或三维空间中。

3. 开发量子网络架构：（1）适用于不同类型量子比特的网络架构；（2）适用于大型量子计算机（>1000量子比特）的互连架构。

4. 实现从物质量子比特到光子的转换，保真度为99%。

（三）用于量子计算的量子互连研发需求

1.六种关键量子比特系统及其优势和挑战

未来量子计算将重点关注六种关键量子比特系统及其纠缠分发：（1）光学寻址的半导体缺陷中心量子比特，例如金刚石、碳化硅，此类缺陷可以是固有的或掺杂缺陷。（2）超导量子比特，例如铝、铌、钽。（3）中性原子量子比特，真空腔中原子阱的光学寻址。（4）电寻址的自旋量子比特，例如基于硅、锗或合金的栅极定义量子点。（5）离子阱量子比特，真空腔中离子阱的光学寻址。（6）光量子比特，全光量子处理包括离散变量和连续变量方法。

上述六种关键量子比特系统的优势及挑战如表1所示。

表1六种关键量子比特系统的优势及挑战

 

序号	量子比特系统	优势	挑战
1	半导体缺陷中心量子比特	（1）相干时间长 （2）可光学读出	（1）可扩展性问题 （2）缺陷位置问题
2	超导量子比特	（1）门速度快 （2）大多数系统参数可调谐	（1）相干时间短 （2）大型系统控制问题
3	中性原子量子比特	（1）特定种类的所有原子是相同的 （2）量子比特间可大规模连接	（1）原子损耗和负载问题 （2）可扩展性问题
4	量子点量子比特	（1）相干时间长 （2）可利用微电子制造技术	（1）硅中“谷简并”现象 （2）量子点间变化
5	离子阱量子比特	（1）特定种类的所有离子是相同的 （2）门保真度高	（1）可扩展性问题 （2）门速度慢
6	光量子比特	（1）在分布式量子处理器中不需要转换	（1）概率双量子门需要大规模复用和极低损耗

 

2.未来量子计算研发需求

（1）提高量子门的保真度和相干性。（2）改进量子比特的经典控制，突破大量量子比特的可扩展性和成本限制。（3）研究和示范大型全栈量子计算系统。（4）实现物理量子比特间的量子信息相互转换。

二、量子通信路线图

（一）量子通信的影响

未来10-15年量子通信系统可能产生的技术影响：（1）量子密钥分发。（2）量子增强的经典通信。（3）量子密钥分发之外的身份验证和安全性。（4）量子中继器推动的基础科学，远距离纠缠分发为非局域性、退相干、量子引力等基本问题提供研究环境。（5）量子网络（量子中继器使能）助力的量子传感。（6）量子计算网络，包括盲量子计算（blind quantum computing）、分布式量子计算、以及与量子传感相结合的边缘量子计算。

（二）未来十年量子通信的科技优先事项

1. 对商业、政府、科学方面的明确需求提供精确且近期应用。

2.在可见光、近红外、电信波段开发与光量子比特兼容的关键量子组件，例如，量子存储器、量子光源、量子换能器等。

3. 演示量子中继器使能的量子通信，可用性超过直接传输。

4. 使用中继器演示远距离（城际）纠缠分发。

5. 开发实际多节点量子网络架构，实现优化和标准化。

6. 演示城际尺度的同质多节点量子网络，同质互连连接相同类型的量子比特。

7. 演示州际尺度的异质多节点量子网络，异质互连连接不同类型的量子比特。

（三）用于量子通信的量子互连研发需求

1.量子通信子系统分类

（1）网络类型。主要包括系统区域网络（SAN）、数据中心网络（DCN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、移动网络（MOB）、广域网（WAN）、卫星网络（SAT）。

（2）节点硬件分类。包括三类节点，分别为：终端节点：包括计算节点（通用量子计算机）、存储节点、传感节点、测量节点；中继器：包括基于量子存储的中继器、基于量子纠错的中继器、路由器；支持节点：包括贝尔状态分析器、量子纠缠光子对源、光交换节点。

（3）组件分类。每类网络节点由一组组件构成。常规组件：波导、耦合器、交换机、激光器，但仍需要适配量子应用；量子组件：量子存储器、光源和探测器、量子处理器、转换器等。

（4）架构、协议和软件分类。包括：不同服务的连接架构，链路层、网络层、应用层协议，网络层量子纠错及相关技术，路由和多路复用，网络操作安全。

2.未来量子通信的研发需求

（1）低温单光子探测器，（2）半导体单光子雪崩光电二极管（SPAD），（3）纠缠/超纠缠光子对源，（4）超低损耗的光通路研究，（5）空地连接，（6）与经典网络协议等集成，（7）换能器，（8）量子存储器，（9）进一步开发关键量子网络组件，如高速低损耗量子开关、多路复用技术等，（10）网络协议优化，（11）网络架构，（12）与经典计算和通信服务的集成，（13）纠错量子网络功能，（14）链路、节点和网络的监控和管理，（15）应用程序编程模型与接口。

三、量子传感路线图

（一）量子传感的影响

未来15年的量子传感技术有望得到显著改进，量子传感预期影响和部署的关键领域：（1）生物化学，（2）基础物理，（3）导航与授时，（4）凝聚态物理、材料科学、量子技术。

（二）未来十年量子传感的科技优先事项

1. 实现纠缠的多量子比特传感（局部），并展示其比非纠缠的传感器更具性能优势。互连的传感器可以改善以下性能：灵敏度、动态范围、带宽、空间分辨率、获得相关性、测量的非侵入性。

2.发展使用远程纠缠的严格量子计量理论，以确定可以从量子优势中受益的分布式传感任务类型，评估这些量子优势的扩展特性以及互连传感系统实现这些量子优势所需的性能指标。

3. 开发新的传感模式，利用多个传感器之间的相关性和纠缠来测量单个传感器无法获得的可观测值。

4. 理解并减少固态传感器中界面诱导的退相干。界面在互连传感器中不可避免，也是造成退相干的已知来源。

5. 以小于5nm的精度定位可寻址的活性自旋/晶格缺陷/杂质，并预测它们在材料中的特性。

6.以单核自旋灵敏度实现分子结构量子传感，实现对分子功能和结构的研究。

7. 实现具有量子优势的直流-太赫兹电磁场传感。

8. 在误差小于1%的情况下，以大于1GHz的速率实现光脉冲的光子数分辨检测。

（三）用于量子传感的量子互连研发需求

1.量子传感主要系统及关键技术领域

目前人们主要探索的量子传感系统包括：（1）固态缺陷，包括金刚石、碳化硅、六方氮化硼、过渡金属二卤化物等中的空位缺陷，（2）原子系统，（3）超导系统，（4）非经典光子态（光、微波、毫米波），（5）量子体系中的机械系统（包括光、电机械系统）。

未来15年对实现量子传感应用的关键技术领域包括：（1）传感和计量物理学，（2）材料和结构，（3）互连的系统规模。

2.未来量子传感的研发需求

（1）指标的控制和确定，例如探测器效率，传感器的灵敏度和带宽，反作用规避，量子非破坏性，传感网络带宽，单光子探测器的系统效率、饱和率、噪声、抖动、光子数分辨率等。

（2）对材料科学的理解，例如传感量子比特缺陷定位及纠缠生成，界面和表面的可靠控制，低损耗、稳定的量子光源，先进的材料表征方法等。

（3）促进理论进步，例如使用远程量子态的严格量子计量理论，新协议等。

（4）扩大量子传感系统规模和提高量子传感平台的成熟度。

（5）拓展频率空间，例如从光、微波拓展到更长的波段（射频及以下）。

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审核编辑 ：李倩