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美国发布《量子互连路线图》布局未来10年量子技术发展

2023年01月02日

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2022年12月14日,美国Q-NEXT国家量子信息科学研究中心发布《量子互连路线图》(A Roadmap for Quantum Interconnects)报告。该报告阐述了量子互连在量子计算、通信和传感技术中的作用,并概述了未来10-15年开发量子信息技术所需的研究和科学发现,以及列出了实现路径中所需的组件和系统,以期促进量子信息技术在电信、能源、金融服务、制药和物流运输等行业的应用。该路线图汇集了跨学科专家的见解,可为量子信息的研究提供全面的参考指南,也为投资这一新兴领域的国家科学机构、学术界和产业界的战略决策提供帮助。

一、Q-NEXT量子研究中心简介

Q-NEXT量子研究中心是美国通过《国家量子计划法案》批准设立的5个国家量子信息科学研究中心之一,由美国能源部阿贡国家实验室于2020年牵头组建,汇集了来自3个国家实验室、10所大学和14家科技公司的约100名专家,旨在将科学组织和商业企业聚集在一起,解决量子技术挑战。Q-NEXT量子研究中心的研究领域包括量子通信、材料、传感和模拟等,面向电信、能源、金融服务、制药和物流运输等行业应用。同时,Q-NEXT还致力于建立和加强科学组织与行业之间的联系,以建立国家量子生态系统。

二、《量子互连路线图》主要内容

《量子互连路线图》的重点是量子互连在量子计算、通信和传感中的应用,对每类应用概述了未来10年推进研究领域所需的科学和技术要求、列出了使用的组件和系统、提出了需要解决的问题,并概述了将技术转化为实际优势的研究需求。

(一)创建量子互连路线图的必要性

《量子互连路线图》报告指出,绘制蓝图是促进硬件技术发展的重要步骤。对关键问题和研究制定指南,通过技术需求驱动,可以加快科学技术的进步。例如,在城市间规模上展示均布量子网络是一项技术要求,实现这一目标的科学要求则是实现高保真纠缠交换。该路线图特别关注量子互连,即在系统之间和跨距离链接和分发量子信息以实现量子计算、通信和传感的设备与方法。

量子互连可根据系统内的量子比特种类是否一致而分为同构互连和异构互连,能在系统之间和不同距离范围之间链接和分布一致的量子信息、以实现量子传感、通信和计算。在较小的空间范围内,互连能够使量子系统内、量子处理器间,以及量子计算机和经典计算机的元素和组件相互连接,从而执行量子算法;在较大的空间范围内,量子互连可用于创建量子通信。

《量子互连路线图》报告认为,量子技术需要耗费较长时间才能形成一定的公共影响力,且部分技术的应用场景和前景并不明确。所以,Q-NEXT研究中心对量子技术潜在影响的预测是泛化的,尽量避免进行指标驱动的预测。此外,报告编写者还表明,具体的工程领域会随着时间的推移而分化。

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量子计算、通信和传感所需的量子互连技术

(二)量子计算路线图

未来10-15年,量子计算机可能会变革量子模拟、求解优化问题和求解线性系统方面的应用,并在以下场景产生影响:

1.物理、化学和材料科学领域的量子模拟。

2.经过验证的随机数发生器,可用于量子密码学。

3.蒙特卡洛算法和量子近似优化算法。

4.数据分析机器学习以及线性代数高效运算。

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量子计算的潜在应用

这些应用将依赖以下关键技术进步:

1.改善量子比特系统的输入/输出、可寻址性和连接性。

2.通过非决定性的原子尺度放置来推进纳米制造:连贯地控制和消除小于20纳米横向精度的光学活性自旋/晶格缺陷,且在三维空间有操作的可能性。

3.为异质量子比特开发共用网络架构。

4.为大型处理器(>1000个量子比特)开发网络架构。

5.实现从物质量子比特到光子信号的转换,使保真度达到99%。

Q-NEXT研究中心梳理了几种关键量子比特系统,并确定了相关优势和挑战。

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关键量子比特系统及其优势,以及需要克服的挑战

基于以上,《量子互连路线图》为量子计算提出了更基础的研究需求:

1.提高量子比特逻辑门的保真度和一致性,这将决定在量子算法中执行门控操作的深度。

2.改进经典的量子位控制、实现有效且可扩展的门驱动,以降低成本。

3.研究和演示大型系统的全栈量子计算。

4.实现物理量子比特之间的量子信息互相转换。

(三)量子通信路线图

量子通信网络有望变革安全通信、纠缠分布、传感和分布式量子计算领域的应用,其在未来10-15年可能在以下场景产生影响:

1.量子密钥分发(QKD)。

2.量子增强的经典通信。

3.量子密钥分发以外的身份验证和安全性。

4.量子中继器支持的基础科学研究。

5.量子中继器支持的量子网络辅助量子传感。

6.量子计算组网,包括分布式量子计算,以及边缘量子计算与量子传感合并。

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量子通信的应用场景

这些场景的应用将依赖以下关键技术进步:

1.为商业、政府与科研的明确需求提供精准和近期可用的应用。

2.在可见光、近红外和电信波段开发基于光子的量子比特相兼容的关键量子元件。

3.展示基于量子中继器支持的量子通信,其可用率应超过直接传输的可能性。

4.使用量子中继器展示长距离(城市间)纠缠分布。

5.开发、优化和标准化城市内、城市间和州际范围的多节点量子网络架构。

Q-NEXT研究中心表示,跨城市和州际范围的量子网络将与经典通信的基础设施互连。在较近的距离内,这些网络连接包括连接移动平台的移动网络互连、单机互连以及连接多台机器的数据中心网络。更远的距离将需要借助局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)和卫星网络(SAT)。无中继器网络只能在相对较短的距离内构建量子通信网络;对于较长的距离组网,则需要基于地面的中继器甚至基于卫星的中继器。

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不同规模的量子通信网络

量子通信网络的一些主要系统级问题和注意事项如下:

1.对于无中继器操作连接,最大范围为100km。

2.理想状态下,量子通道在O波段(1260-1360nm)、C波段(1530-1565nm)和L波段(1565-1625nm)的数据通道上进行密集波分复用(DWDM)。由于没有专用于量子信道的特殊工作站,量子中继器应放置在装有常规DWDM数据信道设备的同一在线放大器(ILA)工作站中。

3.应当考虑扩展系统中通道降解因子的适应性,包括偏振模态色散(PMD)的影响、偏振相关损耗(PDL)、偏振态(SOP)的波动,以及色散、拉曼散射和非线性光学效应。

必须满足上述要求,才能使量子通信系统适应运营商、企业和其他实体已经部署的光数据网络。

面向量子通信的实际需要,《量子互连路线图》列出了关键技术的研发需求:低温单光子检测器、半导体单光子雪崩光电二极管(SPAD)、纠缠/超纠缠光子对源、超低损耗的光纤、空地连接、与经典网络同步、完整的网络安全协议集成、换能器、量子存储器、高速低损耗量子开关、多路复用技术、优化的网络协议、网络架构、与经典计算和通信服务的集成、容错量子网络功能、应用程序编程模型与接口,以及链路、节点和网络的监控与管理。

(四)量子传感路线图

量子传感器有望显著改进传感技术的性能指标,如精度、准确性、带宽、动态范围及空间与时间分辨率,且有望实现跨频率和空间的传感器间互连,以实现新的传感模式。由于量子传感器能够提供微观尺度的精确测量,预计将在生物化学、基础物理学、导航与授时、材料科学取得有效应用。

为此,量子传感研究需要解决以下技术挑战:

1.证明纠缠的多量子比特传感在实际传感目标上比非纠缠的传感器更有优势。

2.开发新的传感模式,利用多个传感器之间的相关性和纠缠性来实现单个传感器所不能达到的观测结果。

3.理解并减少固态传感器中的界面诱导退相干现象。

4.准确预测量子活性缺陷/杂质的特性。

5.实现对分子结构的量子传感,且具有单核自旋敏感性。

6.实现具有量子优势的直流-太赫兹电磁场的传感。

7.实现低暗计数的单光子检测和100GHz的参数放大,使灵敏度比当前技术提高超过20分贝。

8.以大于1GHz的速率实现光脉冲的光子数检测,误差小于1%。

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不同类型的量子传感平台与应用

为实现上述目标,研究机构应该在以下方面取得必要进展:

1.度量指标的控制与确定,如探测器效率、带宽、饱和率、噪声、抖动、分辨率等指标。

2.材料科学的进步,如实现固态缺陷量子位的定位与生成、开发高级表征方法等。

3.理论研究的进步,证明分布式传感的优势。

4.系统扩展以及传感平台成熟度提高。

5.拓展频率空间。

三、评    析

美国已出台《国家量子倡议法案》《美国量子网络战略愿景》《量子网络基础设施法案》等法案、战略、行政命令与备忘录文件,并成立了美国国家量子协调办公室、国家量子倡议咨询委员会等领导机构,从战略层面推动量子技术研发进步。时下,美国前瞻性地开始制定相对详细的研发目标,力争夺得标准主导权和率先实现商业化,在全球竞争中占领先机。《量子互连路线图》中提出的技术、研究目标和需求覆盖了量子基础研究、材料和设备等主要要素,为美国未来10-15年的量子技术发展勾勒了框架、明确了主要目标,意在巩固美国在量子技术这一快速发展领域的科学和经济领导地位。结合美国的部署和计划可以看出,美国量子技术实用化与商业化的路线正不断清晰。

量子技术有望在未来数十年内引领科技的进步,并取得实际应用。特别是量子技术在基础科学、工程学、金融和物流等领域拥有广阔的应用前景,有望引发生产力变革。我国也应结合当前的国际研究热点、实际研究水平与进展,以及当下最紧迫的需求、最可能率先落地的应用,形成更加详细的发展规划与指导。

(来源:全球技术地图,作者:唐乾琛,2022年12月29日)

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