近日，美國能源部（DOE）科學(xué)辦公室發(fā)布《量子信息科學(xué)應(yīng)用路線圖》，系統(tǒng)規(guī)劃了 量子計算、量子傳感與量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路徑及多領(lǐng)域應(yīng)用前景。該路線圖由能源部聯(lián)合工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及國家實驗室的量子信息科學(xué)（QIS）專家組建的委員會共同完成，圍繞上述技術(shù)方向梳理了關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)、發(fā)展指標(biāo)與里程碑，旨在為未來研發(fā)和實際應(yīng)用提供戰(zhàn)略指引。以下為該報告的主要內(nèi)容：

2018年《國家量子倡議法案》通過后，美國能源部（DOE）成立了五個國家量子信息科學(xué)研究中心（NQISRCs），在改進(jìn)量子比特性能的基礎(chǔ)材料、構(gòu)建量子計算設(shè)備、改進(jìn)控制硬件和噪聲抑制及算法研究等方面已經(jīng)取得了多項突破。

盡管過去幾十年量子信息科學(xué)已取得重大基礎(chǔ)性突破，但其技術(shù)開發(fā)仍處于初級階段，尚存諸多基礎(chǔ)理論和工程挑戰(zhàn)。解決每一項挑戰(zhàn)都需要大量研發(fā)投入、新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。因此，路線圖中提出的時間線存在不確定性。這不僅需要量子信息科技本身的進(jìn)步，還需封裝技術(shù)、系統(tǒng)工程、光調(diào)制器、光源、探測器、集成技術(shù)、控制系統(tǒng)、新材料等相鄰領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展。另一方面，某一技術(shù)領(lǐng)域的突破往往能惠及其他領(lǐng)域。

量子計算

隨著現(xiàn)有量子計算平臺朝著成熟的方向發(fā)展，大規(guī)模、容錯的量子計算機(jī)的愿景正變得越來越具體。圖1展示了量子計算四個時代的時間表——包括技術(shù)里程碑、推進(jìn)研究與基礎(chǔ)設(shè)施，以及科學(xué)成果和應(yīng)用。雖然每個時代的確切時間尚不確定，但這一框架大致對應(yīng)于量子計算行業(yè)領(lǐng)先公司發(fā)布的路線圖。

▲圖1 ：量子計算路線圖

過去十年開發(fā)的量子處理器可以歸類為“噪聲中等規(guī)模量子” (NISQ) 設(shè)備。然而，近期有限的量子糾錯（QEC）演示預(yù)示著一個新時代的開始。DOE預(yù)測這兩類設(shè)備將共存，路線圖顯示：

1. 5年內(nèi)：實現(xiàn)1000個物理量子比特，錯誤率閾值低10倍。

2. 5-10年：第一代小型量子糾錯計算機(jī)將投入使用。將量子比特規(guī)模擴(kuò)大到10000個，同時保持低錯誤率，并開發(fā)量子互連以實現(xiàn)模塊化架構(gòu)。

3. 10-20年：量子計算機(jī)的規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)展，逐步實現(xiàn)大型量子糾錯計算機(jī)。實現(xiàn)大規(guī)模架構(gòu)解決方案，并原型化和開發(fā)量子數(shù)據(jù)中心。

4. 20年后：超大規(guī)模量子計算機(jī)將具有容錯能力，這意味著它們的邏輯錯誤率將足夠低，計算能力極大提升，為科學(xué)研究帶來革命性突破。

量子傳感

使用量子比特作為傳感器可以達(dá)到人類有史以來最精確的測量，例如原子鐘及其關(guān)鍵應(yīng)用。幾種類型的量子比特實現(xiàn)的高空間分辨率也為材料、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)診斷的微觀探測帶來新的可能。某些量子比特類型的內(nèi)在穩(wěn)定性、可重復(fù)性和魯棒性使其成為可以在極端環(huán)境中部署的優(yōu)秀傳感器，例如地下、太空和等離子體附近。將量子傳感器部署于極端環(huán)境中是一項復(fù)雜的任務(wù)，需要廣泛的跨學(xué)科合作。DOE預(yù)測路線圖如圖2所示：

▲圖2：量子傳感路線圖

過去十年，量子傳感器的開發(fā)及驗證其在應(yīng)用中的潛力是重點。下一代量子儀器將通過借鑒最先進(jìn)的光學(xué)原子鐘，在動態(tài)的地面環(huán)境中維持高靈敏度。光子集成電路（PIC）激光技術(shù)的進(jìn)步也將顯著降低這些設(shè)備的尺寸和成本。路線圖表明：

1. 5年內(nèi)：將開發(fā)高靈敏度的量子傳感器，用于材料科學(xué)和基礎(chǔ)物理測量。

2. 5到10年內(nèi)：發(fā)展這些平臺將需要改進(jìn)材料，集成探測器，提高靈敏度。

3. 10年后：量子傳感器有望進(jìn)行更深遠(yuǎn)的物理探索和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)商業(yè)轉(zhuǎn)化，提供高精度的監(jiān)測和診斷能力。

量子網(wǎng)絡(luò)

旨在通過連接量子資源來發(fā)揮其優(yōu)勢。量子網(wǎng)絡(luò)如同紐帶，擴(kuò)展了計算與傳感應(yīng)用并充分發(fā)揮它們的潛力，同時促進(jìn)計算機(jī)與傳感器之間的新型應(yīng)用，從而產(chǎn)生指數(shù)級的性能優(yōu)勢。在追求量子網(wǎng)絡(luò)最大化性能的過程中，面臨著各種技術(shù)挑戰(zhàn)。量子網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵的構(gòu)建模塊是量子中繼器。另一個可能的顛覆性技術(shù)是開發(fā)能傳輸可見光并且低損耗的光纖，這會消除或減少對量子中繼器的緊迫需求。其他量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域的進(jìn)展（如計算和傳感）也可能打亂這一時間表。DOE預(yù)測路線圖見下圖3：

▲圖3：量子網(wǎng)絡(luò)路線圖

將資源分配到量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要素上，如中繼器、路由器、低損耗光纖等，并集成連接這些組件，將帶來靈敏度的提升、精度的增強(qiáng)以及互聯(lián)設(shè)備能力的增加。路線圖表明：

1. 5-10年內(nèi)：將實現(xiàn)超100公里范圍內(nèi)的糾纏光子網(wǎng)絡(luò)和量子交換機(jī)。量子中繼器通過光纖克服損耗，實現(xiàn)量子路由器和量子局域及城域網(wǎng)絡(luò)。

2. 15-30年內(nèi)：量子技術(shù)將通過光纖或衛(wèi)星，實現(xiàn)洲際間量子糾纏，以及量子存儲器在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用。最終實現(xiàn)高速高質(zhì)量的量子網(wǎng)絡(luò)。

翻譯：程歡

來源：https://science.osti.gov/-/media/QIS/pdf/DOE_QIS_Roadmap_Final.pdf