獲取原報(bào)告私信后臺(tái)：量子互連路線圖
2022年12月14日，日本Q-NEXT國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心發(fā)布《量子互連路線圖》（Afor）報(bào)告。該報(bào)告詳述了量子互連在量子估算、通信和傳感器技術(shù)中的作用，并概述了未來(lái)10-15年開(kāi)發(fā)量子信息技術(shù)所需的研究和科學(xué)發(fā)覺(jué)，以及列舉了實(shí)現(xiàn)路徑中所需的組件和系統(tǒng)，以期推動(dòng)量子信息技術(shù)在聯(lián)通、能源、金融服務(wù)、制藥和貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的應(yīng)用。該路線圖匯集了跨學(xué)科專(zhuān)家的看法，可為量子信息的研究提供全面的參考手冊(cè)，也為投資這一新興領(lǐng)域的國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的戰(zhàn)略決策提供幫助。
一、Q-NEXT量子研究中心簡(jiǎn)介
Q-NEXT量子研究中心是英國(guó)通過(guò)《國(guó)家量子計(jì)劃法案》批準(zhǔn)籌建的5個(gè)國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心之一，由日本能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2020年?duì)款^成立，匯集了來(lái)自3個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、10所學(xué)院和14家科技公司的約100名專(zhuān)家，致力將科學(xué)組織和商業(yè)企業(yè)集聚在一起，解決量子技術(shù)挑戰(zhàn)。Q-NEXT量子研究中心的研究領(lǐng)域包括量子通訊、材料、傳感和模擬等，面向聯(lián)通、能源、金融服務(wù)、制藥和貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)應(yīng)用。同時(shí)，Q-NEXT還旨在于完善和強(qiáng)化科學(xué)組織與行業(yè)之間的聯(lián)系，以完善國(guó)家量子生態(tài)系統(tǒng)。
二、《量子互連路線圖》主要內(nèi)容
《量子互連路線圖》的重點(diǎn)是量子互連在量子估算、通信和傳感器中的應(yīng)用，對(duì)每類(lèi)應(yīng)用概述了未來(lái)10年深化研究領(lǐng)域所需的科學(xué)和技術(shù)要求、列出了使用的組件和系統(tǒng)、提出了須要解決的問(wèn)題，并概述了將技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際優(yōu)勢(shì)的研究需求。
（一）創(chuàng)建量子互連路線圖的必要性
《量子互連路線圖》報(bào)告強(qiáng)調(diào)，勾畫(huà)新藍(lán)圖是推動(dòng)硬件技術(shù)發(fā)展的重要步驟。對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題和研究制訂手冊(cè)，通過(guò)技術(shù)需求驅(qū)動(dòng)，可以推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。比如，在城市間規(guī)模上展示均布量子網(wǎng)路是一項(xiàng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的科學(xué)要求則是實(shí)現(xiàn)高保真糾纏交換。該路線圖非常關(guān)注量子互連，即在系統(tǒng)之間和跨距離鏈接和分發(fā)量子信息以實(shí)現(xiàn)量子估算、通信和傳感器的設(shè)備與技巧。
量子互連可依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的量子比特種類(lèi)是否一致而分為同構(gòu)互連和異構(gòu)互連，能在系統(tǒng)之間和不同距離范圍之間鏈接和分布一致的量子信息、以實(shí)現(xiàn)量子傳感器、通信和估算。在較小的空間范圍內(nèi)，互連才能使量子系統(tǒng)內(nèi)、量子處理器間，以及量子計(jì)算機(jī)和精典計(jì)算機(jī)的元素和組件互相聯(lián)接，進(jìn)而執(zhí)行量子算法；在較大的空間范圍內(nèi)，量子互連可用于創(chuàng)建量子通訊。
《量子互連路線圖》報(bào)告覺(jué)得，量子技術(shù)須要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生一定的公共影響力，且部份技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和前景并不明晰。所以，Q-NEXT研究中心對(duì)量子技術(shù)潛在影響的預(yù)測(cè)是泛化的，盡量避開(kāi)進(jìn)行指標(biāo)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)。據(jù)悉，報(bào)告編撰者還表明，具體的工程領(lǐng)域會(huì)隨著時(shí)間的推移而分化。
量子估算、通信和傳感器所需的量子互連技術(shù)
（二）量子估算路線圖
未來(lái)10-15年，量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)轉(zhuǎn)型量子模擬、求解優(yōu)化問(wèn)題和求解線性系統(tǒng)方面的應(yīng)用，并在以下場(chǎng)景形成影響：
1.數(shù)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的量子模擬。
2.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，可用于量子密碼學(xué)。
3.蒙特卡洛算法和量子近似優(yōu)化算法。
4.數(shù)據(jù)剖析機(jī)器學(xué)習(xí)以及線性代數(shù)高效運(yùn)算。
量子估算的潛在應(yīng)用
這種應(yīng)用將依賴(lài)以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步：
1.改善量子比特系統(tǒng)的輸入/輸出、可輪詢(xún)性和聯(lián)接性。
2.通過(guò)非決定性的原子尺度放置來(lái)推動(dòng)納米制造：連貫地控制和清除大于20納米縱向精度的光學(xué)活性載流子/晶格缺陷，且在三維空間有操作的可能性。
3.為異質(zhì)量子比特開(kāi)發(fā)共用網(wǎng)路構(gòu)架。
4.為小型處理器（>1000個(gè)量子比特）開(kāi)發(fā)網(wǎng)路構(gòu)架。
5.實(shí)現(xiàn)從物質(zhì)量子比特到光子訊號(hào)的轉(zhuǎn)換，使保真度達(dá)到99%。
Q-NEXT研究中心梳理了幾種關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)，并確定了相關(guān)優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵量子比特系統(tǒng)及其優(yōu)勢(shì)，以及須要克服的挑戰(zhàn)
基于以上，《量子互連路線圖》為量子估算提出了更基礎(chǔ)的研究需求：
1.提升量子比特邏輯門(mén)的保真度和一致性，這將決定在量子算法中執(zhí)行門(mén)控操作的深度。
2.改進(jìn)精典的量子位控制、實(shí)現(xiàn)有效且可擴(kuò)充的門(mén)驅(qū)動(dòng)，以減少成本。
3.研究和演示小型系統(tǒng)的全棧量子估算。
4.實(shí)現(xiàn)化學(xué)量子比特之間的量子信息相互轉(zhuǎn)換。
（三）量子通訊路線圖
量子通訊網(wǎng)路有望改革安全通訊、糾纏分布、傳感和分布式量子估算領(lǐng)域的應(yīng)用，其在未來(lái)10-15年可能在以下場(chǎng)景形成影響：
1.量子秘鑰分發(fā)（QKD）。
2.量子提高的精典通訊。
3.量子秘鑰分發(fā)以外的身分驗(yàn)證和安全性。
4.量子中繼器支持的基礎(chǔ)科學(xué)研究。
5.量子中繼器支持的量子網(wǎng)路輔助量子傳感器。
6.量子估算組網(wǎng)，包括分布式量子估算，以及邊沿量子估算與量子傳感器合并。
量子通訊的應(yīng)用場(chǎng)景
這種場(chǎng)景的應(yīng)用將依賴(lài)以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步：
1.為商業(yè)、政府與科研的明晰需求提供精準(zhǔn)和近日可用的應(yīng)用。
2.在可見(jiàn)光、近紅外和聯(lián)通波段開(kāi)發(fā)基于光子的量子比特相兼容的關(guān)鍵量子器件。
3.展示基于量子中繼器支持的量子通訊，其可用率應(yīng)超過(guò)直接傳輸?shù)目赡苄浴?span style="display:none">qzr物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
4.使用量子中繼器展示長(zhǎng)距離（城市間）糾纏分布。
5.開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化城市內(nèi)、城市間和州際范圍的多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)路構(gòu)架。
Q-NEXT研究中心表示，跨城市和州際范圍的量子網(wǎng)路將與精典通訊的基礎(chǔ)設(shè)施互連。在較近的距離內(nèi)，這種網(wǎng)路聯(lián)接包括聯(lián)接聯(lián)通平臺(tái)的聯(lián)通網(wǎng)路互連、單機(jī)互連以及聯(lián)接多臺(tái)機(jī)器的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)路。更遠(yuǎn)的距離將須要利用局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）和衛(wèi)星網(wǎng)路（SAT）。無(wú)中繼器網(wǎng)路只能在相對(duì)較短的距離內(nèi)建立量子通訊網(wǎng)路；對(duì)于較長(zhǎng)的距離組網(wǎng)，則須要基于地面的中繼器甚至基于衛(wèi)星的中繼器。
不同規(guī)模的量子通訊網(wǎng)路
量子通訊網(wǎng)路的一些主要系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題和注意事項(xiàng)如下：
1.對(duì)于無(wú)中繼器操作聯(lián)接，最大范圍為100km。
2.理想狀態(tài)下，量子通道在O波段（1260-）、C波段（1530-）和L波段（1565-）的數(shù)據(jù)通道上進(jìn)行密集波分復(fù)用（DWDM）。因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)用于量子信道的特殊工作站，量子中繼器應(yīng)放置在裝有常規(guī)DWDM數(shù)據(jù)信道設(shè)備的同一在線放大器（ILA）工作站中。
3.應(yīng)該考慮擴(kuò)充系統(tǒng)中通道降解因子的適應(yīng)性，包括偏振光模態(tài)色散（PMD）的影響、偏振相關(guān)耗損（PDL）、偏振態(tài)（SOP）的波動(dòng)，以及色散、拉曼散射和非線性光學(xué)效應(yīng)。
必須滿足上述要求，能夠使量子通訊系統(tǒng)適應(yīng)營(yíng)運(yùn)商、企業(yè)和其他實(shí)體早已布署的光數(shù)據(jù)網(wǎng)路。
面向量子通訊的實(shí)際須要，《量子互連路線圖》列出了關(guān)鍵技術(shù)的研制需求：高溫單光子檢查器、半導(dǎo)體單光子雪崩光電晶閘管（SPAD）、糾纏/超糾纏光子對(duì)源、超低耗損的光纖、空地聯(lián)接、與精典網(wǎng)路同步、完整的網(wǎng)路安全合同集成、換能器、量子儲(chǔ)存器、高速低耗損量子開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用技術(shù)、優(yōu)化的網(wǎng)路合同、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、與精典估算和通訊服務(wù)的集成、容錯(cuò)量子網(wǎng)路功能、應(yīng)用程序編程模型與插口，以及鏈路、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)路的監(jiān)控與管理。
（四）量子傳感器路線圖
量子傳感有望明顯改進(jìn)傳感器技術(shù)的性能指標(biāo)，如精度、準(zhǔn)確性、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍及空間與時(shí)間幀率，且有望實(shí)現(xiàn)跨頻度和空間的傳感間互連，以實(shí)現(xiàn)新的傳感器模式。因?yàn)榱孔觽鞲胁拍芴峁┪⒂^尺度的精確檢測(cè)，預(yù)計(jì)將在生物物理、基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)、導(dǎo)航與授時(shí)、材料科學(xué)取得有效應(yīng)用。
因此量子通訊設(shè)備，量子傳感器研究須要解決以下技術(shù)挑戰(zhàn)：
1.證明糾纏的多量子比特傳感器在實(shí)際傳感器目標(biāo)上比非糾纏的傳感更有優(yōu)勢(shì)。
2.開(kāi)發(fā)新的傳感器模式，借助多個(gè)傳感之間的相關(guān)性和糾纏性來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感所不能達(dá)到的觀測(cè)結(jié)果。
3.理解并降低固態(tài)傳感中的界面誘導(dǎo)退相干現(xiàn)象。
4.確切預(yù)檢測(cè)子活性缺陷/雜質(zhì)的特點(diǎn)。
5.實(shí)現(xiàn)對(duì)分子結(jié)構(gòu)的量子傳感器，且具有單核載流子敏感性。
6.實(shí)現(xiàn)具有量子優(yōu)勢(shì)的直流-太赫茲電磁場(chǎng)的傳感器。
7.實(shí)現(xiàn)低暗計(jì)數(shù)的單光子檢查和的參數(shù)放大，使靈敏度比當(dāng)前技術(shù)提升超過(guò)20分貝。
8.以小于1GHz的速度實(shí)現(xiàn)光脈沖的光子數(shù)測(cè)量，偏差大于1%。
不同類(lèi)型的量子傳感器平臺(tái)與應(yīng)用
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，研究機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在以下方面取得必要進(jìn)展：
1.測(cè)度指標(biāo)的控制與確定，如偵測(cè)器效率、帶寬、飽和率、噪聲、抖動(dòng)、分辨率等指標(biāo)。
2.材料科學(xué)的進(jìn)步，如實(shí)現(xiàn)固態(tài)缺陷量子位的定位與生成、開(kāi)發(fā)中級(jí)表征方式等。
3.理論研究的進(jìn)步，證明分布式傳感器的優(yōu)勢(shì)。
4.系統(tǒng)擴(kuò)充以及傳感器平臺(tái)成熟度提升。
5.拓展頻度空間。
三、評(píng)析
日本已頒布《國(guó)家量子呼吁法案》《美國(guó)量子網(wǎng)路戰(zhàn)略愿景》《量子網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施法案》等法案、戰(zhàn)略、行政命令與備忘錄文件，并創(chuàng)立了日本國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室、國(guó)家量子呼吁咨詢(xún)委員會(huì)等領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，從戰(zhàn)略層面推進(jìn)量子技術(shù)研制進(jìn)步。時(shí)下，法國(guó)前瞻性地開(kāi)始擬定相對(duì)詳盡的研制目標(biāo)，力角逐得標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)權(quán)和率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在全球競(jìng)爭(zhēng)中攻占先機(jī)?！读孔踊ミB路線圖》中提出的技術(shù)、研究目標(biāo)和需求覆蓋了量子基礎(chǔ)研究、材料和設(shè)備等主要要素，為日本未來(lái)10-15年的量子技術(shù)發(fā)展描繪了框架、明確了主要目標(biāo)，意在鞏固英國(guó)在量子技術(shù)這一快速發(fā)展領(lǐng)域的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位。結(jié)合美國(guó)的布署和計(jì)劃可以看出，日本量子技術(shù)實(shí)用化與商業(yè)化的路線正不斷清晰。
量子技術(shù)有望在未來(lái)數(shù)六年內(nèi)推動(dòng)科技的進(jìn)步，并取得實(shí)際應(yīng)用。非常是量子技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)、工程學(xué)、金融和貨運(yùn)等領(lǐng)域擁有寬廣的應(yīng)用前景，有望引起生產(chǎn)力改革。我國(guó)也應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的國(guó)際研究熱點(diǎn)、實(shí)際研究水平與進(jìn)展，以及當(dāng)下最急迫的需求、最可能率先落地的應(yīng)用量子通訊設(shè)備，產(chǎn)生愈發(fā)詳細(xì)的發(fā)展規(guī)劃與指導(dǎo)。
獲取原報(bào)告私信后臺(tái)：量子互連路線圖
作者簡(jiǎn)介
唐乾琛國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所研究二室，五級(jí)剖析員
研究方向：信息領(lǐng)域戰(zhàn)略、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)前沿