獲取原報告私信后臺：量子互連路線圖
2022年12月14日，日本Q-NEXT國家量子信息科學研究中心發布《量子互連路線圖》（Afor）報告。該報告詳述了量子互連在量子估算、通信和傳感器技術中的作用，并概述了未來10-15年開發量子信息技術所需的研究和科學發覺，以及列舉了實現路徑中所需的組件和系統，以期推動量子信息技術在聯通、能源、金融服務、制藥和貨運運輸等行業的應用。該路線圖匯集了跨學科專家的看法，可為量子信息的研究提供全面的參考手冊，也為投資這一新興領域的國家科學機構、學術界和產業界的戰略決策提供幫助。
一、Q-NEXT量子研究中心簡介
Q-NEXT量子研究中心是英國通過《國家量子計劃法案》批準籌建的5個國家量子信息科學研究中心之一，由日本能源部阿貢國家實驗室于2020年牽頭成立，匯集了來自3個國家實驗室、10所學院和14家科技公司的約100名專家，致力將科學組織和商業企業集聚在一起，解決量子技術挑戰。Q-NEXT量子研究中心的研究領域包括量子通訊、材料、傳感和模擬等，面向聯通、能源、金融服務、制藥和貨運運輸等行業應用。同時，Q-NEXT還旨在于完善和強化科學組織與行業之間的聯系，以完善國家量子生態系統。
二、《量子互連路線圖》主要內容
《量子互連路線圖》的重點是量子互連在量子估算、通信和傳感器中的應用，對每類應用概述了未來10年深化研究領域所需的科學和技術要求、列出了使用的組件和系統、提出了須要解決的問題，并概述了將技術轉化為實際優勢的研究需求。
（一）創建量子互連路線圖的必要性
《量子互連路線圖》報告強調，勾畫新藍圖是推動硬件技術發展的重要步驟。對關鍵問題和研究制訂手冊，通過技術需求驅動，可以推動科學技術的進步。比如，在城市間規模上展示均布量子網路是一項技術要求，實現這一目標的科學要求則是實現高保真糾纏交換。該路線圖非常關注量子互連，即在系統之間和跨距離鏈接和分發量子信息以實現量子估算、通信和傳感器的設備與技巧。
量子互連可依據系統內的量子比特種類是否一致而分為同構互連和異構互連，能在系統之間和不同距離范圍之間鏈接和分布一致的量子信息、以實現量子傳感器、通信和估算。在較小的空間范圍內，互連才能使量子系統內、量子處理器間，以及量子計算機和精典計算機的元素和組件互相聯接，進而執行量子算法；在較大的空間范圍內，量子互連可用于創建量子通訊。
《量子互連路線圖》報告覺得，量子技術須要花費較長時間才會產生一定的公共影響力，且部份技術的應用場景和前景并不明晰。所以，Q-NEXT研究中心對量子技術潛在影響的預測是泛化的，盡量避開進行指標驅動的預測。據悉，報告編撰者還表明，具體的工程領域會隨著時間的推移而分化。
量子估算、通信和傳感器所需的量子互連技術
（二）量子估算路線圖
未來10-15年，量子計算機可能會轉型量子模擬、求解優化問題和求解線性系統方面的應用，并在以下場景形成影響：
1.數學、化學和材料科學領域的量子模擬。
2.經過驗證的隨機數發生器，可用于量子密碼學。
3.蒙特卡洛算法和量子近似優化算法。
4.數據剖析機器學習以及線性代數高效運算。
量子估算的潛在應用
這種應用將依賴以下關鍵技術進步：
1.改善量子比特系統的輸入/輸出、可輪詢性和聯接性。
2.通過非決定性的原子尺度放置來推動納米制造：連貫地控制和清除大于20納米縱向精度的光學活性載流子/晶格缺陷，且在三維空間有操作的可能性。
3.為異質量子比特開發共用網路構架。
4.為小型處理器（>1000個量子比特）開發網路構架。
5.實現從物質量子比特到光子訊號的轉換，使保真度達到99%。
Q-NEXT研究中心梳理了幾種關鍵量子比特系統，并確定了相關優勢和挑戰。
關鍵量子比特系統及其優勢，以及須要克服的挑戰
基于以上，《量子互連路線圖》為量子估算提出了更基礎的研究需求：
1.提升量子比特邏輯門的保真度和一致性，這將決定在量子算法中執行門控操作的深度。
2.改進精典的量子位控制、實現有效且可擴充的門驅動，以減少成本。
3.研究和演示小型系統的全棧量子估算。
4.實現化學量子比特之間的量子信息相互轉換。
（三）量子通訊路線圖
量子通訊網路有望改革安全通訊、糾纏分布、傳感和分布式量子估算領域的應用，其在未來10-15年可能在以下場景形成影響：
1.量子秘鑰分發（QKD）。
2.量子提高的精典通訊。
3.量子秘鑰分發以外的身分驗證和安全性。
4.量子中繼器支持的基礎科學研究。
5.量子中繼器支持的量子網路輔助量子傳感器。
6.量子估算組網，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。
量子通訊的應用場景
這種場景的應用將依賴以下關鍵技術進步：
1.為商業、政府與科研的明晰需求提供精準和近日可用的應用。
2.在可見光、近紅外和聯通波段開發基于光子的量子比特相兼容的關鍵量子器件。
3.展示基于量子中繼器支持的量子通訊，其可用率應超過直接傳輸的可能性。
4.使用量子中繼器展示長距離（城市間）糾纏分布。
5.開發、優化和標準化城市內、城市間和州際范圍的多節點量子網路構架。
Q-NEXT研究中心表示，跨城市和州際范圍的量子網路將與精典通訊的基礎設施互連。在較近的距離內，這種網路聯接包括聯接聯通平臺的聯通網路互連、單機互連以及聯接多臺機器的數據中心網路。更遠的距離將須要利用局域網（LAN）、城域網（MAN）、廣域網（WAN）和衛星網路（SAT）。無中繼器網路只能在相對較短的距離內建立量子通訊網路；對于較長的距離組網，則須要基于地面的中繼器甚至基于衛星的中繼器。
不同規模的量子通訊網路
量子通訊網路的一些主要系統級問題和注意事項如下：
1.對于無中繼器操作聯接，最大范圍為100km。
2.理想狀態下，量子通道在O波段（1260-）、C波段（1530-）和L波段（1565-）的數據通道上進行密集波分復用（DWDM）。因為沒有專用于量子信道的特殊工作站，量子中繼器應放置在裝有常規DWDM數據信道設備的同一在線放大器（ILA）工作站中。
3.應該考慮擴充系統中通道降解因子的適應性，包括偏振光模態色散（PMD）的影響、偏振相關耗損（PDL）、偏振態（SOP）的波動，以及色散、拉曼散射和非線性光學效應。
必須滿足上述要求，能夠使量子通訊系統適應營運商、企業和其他實體早已布署的光數據網路。
面向量子通訊的實際須要，《量子互連路線圖》列出了關鍵技術的研制需求：高溫單光子檢查器、半導體單光子雪崩光電晶閘管（SPAD）、糾纏/超糾纏光子對源、超低耗損的光纖、空地聯接、與精典網路同步、完整的網路安全合同集成、換能器、量子儲存器、高速低耗損量子開關、多路復用技術、優化的網路合同、網絡構架、與精典估算和通訊服務的集成、容錯量子網路功能、應用程序編程模型與插口，以及鏈路、節點和網路的監控與管理。
（四）量子傳感器路線圖
量子傳感有望明顯改進傳感器技術的性能指標，如精度、準確性、帶寬、動態范圍及空間與時間幀率，且有望實現跨頻度和空間的傳感間互連，以實現新的傳感器模式。因為量子傳感才能提供微觀尺度的精確檢測，預計將在生物物理、基礎化學學、導航與授時、材料科學取得有效應用。
因此量子通訊設備，量子傳感器研究須要解決以下技術挑戰：
1.證明糾纏的多量子比特傳感器在實際傳感器目標上比非糾纏的傳感更有優勢。
2.開發新的傳感器模式，借助多個傳感之間的相關性和糾纏性來實現單個傳感所不能達到的觀測結果。
3.理解并降低固態傳感中的界面誘導退相干現象。
4.確切預檢測子活性缺陷/雜質的特點。
5.實現對分子結構的量子傳感器，且具有單核載流子敏感性。
6.實現具有量子優勢的直流-太赫茲電磁場的傳感器。
7.實現低暗計數的單光子檢查和的參數放大，使靈敏度比當前技術提升超過20分貝。
8.以小于1GHz的速度實現光脈沖的光子數測量，偏差大于1%。
不同類型的量子傳感器平臺與應用
為實現上述目標，研究機構應當在以下方面取得必要進展：
1.測度指標的控制與確定，如偵測器效率、帶寬、飽和率、噪聲、抖動、分辨率等指標。
2.材料科學的進步，如實現固態缺陷量子位的定位與生成、開發中級表征方式等。
3.理論研究的進步，證明分布式傳感器的優勢。
4.系統擴充以及傳感器平臺成熟度提升。
5.拓展頻度空間。
三、評析
日本已頒布《國家量子呼吁法案》《美國量子網路戰略愿景》《量子網路基礎設施法案》等法案、戰略、行政命令與備忘錄文件，并創立了日本國家量子協調辦公室、國家量子呼吁咨詢委員會等領導機構，從戰略層面推進量子技術研制進步。時下，法國前瞻性地開始擬定相對詳盡的研制目標，力角逐得標準主導權和率先實現商業化，在全球競爭中攻占先機。《量子互連路線圖》中提出的技術、研究目標和需求覆蓋了量子基礎研究、材料和設備等主要要素，為日本未來10-15年的量子技術發展描繪了框架、明確了主要目標，意在鞏固英國在量子技術這一快速發展領域的科學和經濟領導地位。結合美國的布署和計劃可以看出，日本量子技術實用化與商業化的路線正不斷清晰。
量子技術有望在未來數六年內推動科技的進步，并取得實際應用。非常是量子技術在基礎科學、工程學、金融和貨運等領域擁有寬廣的應用前景，有望引起生產力改革。我國也應結合當前的國際研究熱點、實際研究水平與進展，以及當下最急迫的需求、最可能率先落地的應用量子通訊設備，產生愈發詳細的發展規劃與指導。
獲取原報告私信后臺：量子互連路線圖
作者簡介
唐乾琛國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究二室，五級剖析員
研究方向：信息領域戰略、技術和產業前沿