量子信息科技有廣闊的應(yīng)用前景，有望在未來(lái)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(lái)的量子通信。2022年12月14日，美國(guó)Q-NEXT量子中心發(fā)布了《量子互連路線(xiàn)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(xiàn)圖，概述了未來(lái)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(chēng)，是在美國(guó)《國(guó)家量子計(jì)劃法案》（2018年）指導(dǎo)下，由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2020年?duì)款^組建的國(guó)家量子信息科學(xué)中心，重點(diǎn)開(kāi)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(guò)于狹隘，因此路線(xiàn)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(lái)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(xiàn)圖

（一）量子計(jì)算機(jī)的影響

1.未來(lái)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(guò)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(xiàn)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(lái)幾年量子計(jì)算機(jī)的重要進(jìn)展

未來(lái)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(mén)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(lái)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(kāi)發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：（1）適用于不同類(lèi)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(lái)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(lèi)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(lái)量子計(jì)算研發(fā)需求

（1）提高量子門(mén)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(xiàn)圖

（一）量子通信的影響

未來(lái)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(wèn)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(lái)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(jiàn)光、近紅外、電信波段開(kāi)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(guò)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(kāi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)

（1）網(wǎng)絡(luò)類(lèi)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(lèi)。包括三類(lèi)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(lèi)。每類(lèi)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(lèi)。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(lái)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(kāi)發(fā)關(guān)鍵量子網(wǎng)絡(luò)組件，如高速低損耗量子開(kāi)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(xiàn)圖

（一）量子傳感的影響

未來(lái)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(lái)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)。互連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(lèi)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(kāi)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(lái)測(cè)量單個(gè)傳感器無(wú)法獲得的可觀(guān)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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