光子盒研究院出品
量子技術是一個有前途的領域，在數字化時代尤其這么。為了引導在這個快速發展領域的標準化工作，3月22日，法國標準化委員會(CEN)和法國鉗工標準化委員會()發布了量子技術的標準化路線圖。這個報告提供了一個全面的視野，對法國的量子估算、量子通訊與安全、量子精密檢測進行了標準化布局——量子領域標準化工作的里程碑。
目錄
1.量子技術與標準化
2.量子科技標準化，是商業化的前提
3.量子使能技術的標準化
3.1.量子信道
3.2.金鋼石等晶體色心
3.3.離子阱
3.4.超導量子線路
3.5.行波參數放大器
3.6.用于量子電子學的半導體量子點
3.7.使能技術的標準化時間表
4.量子設備的標準化
4.1.單光子源
4.2.糾纏光子源
4.3.單光子偵測器
4.4.量子隨機數生成器
4.5.量子儲存器
5.量子通訊與安全的標準化
6.量子估算與模擬的標準化
7.量子計量、傳感和成像的標準化
8.量子網路的標準化
9.總結與展望
量子技術標準化路線圖的構架設計
在過去二六年中，量子科學取得了重大進展，量子技術正式成為影響我們日常生活的技術。2018年10月，歐共體委員會推出了10億美元的“量子技術旗艦項目”，為期10年。
法國量子技術生態系統=量子旗艦+++++ERC/MarieSk?Curie行動
2018年12月，日本首相簽定了一項法案：將超過12億歐元用于未來10年旨在于量子信息科學的國家努力。2020年，法國國家科學基金會另外組建了三個新的量子研究所，以解決量子信息科學的關鍵挑戰；《國家量子呼吁法》在2021年宣布了額外的19億公共資金。英國的一個巨大優勢是私營部門有能力補充公共捐助的量子技術部門的努力，也有能力通過軍事機構進行捐助。現在，日本工業界對量子信息技術的興趣越來越大，包括微軟、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟等的努力，一些由風險資本和其他股權捐助的初創公司也早已組建。
中國正式頒布的國家量子計劃將起碼與歐共體委員會的旗艦計劃具有相同的數目級。中國正在西安建設量子信息科學國家實驗室，初始資金超過10億港元；包括百度、阿里巴巴在內的中國公司早已在量子估算領域構建了自己的計劃，吸引了頂尖研究人員加入團隊：阿里巴巴計劃在未來幾年內向顛覆性技術投資150億港元。2021年，中國宣布追加153億港元的公共資金。
同樣，量子技術推動的新型設備提供了趕超精典技術的能力，如更高的靈敏度、更小的幀率、自動和免維護的量子參考操作，使工業設施愈發可靠。不過，“經典”并不意味著過時/陳舊，事實上，基于精典化學學和/或既定技術的傳感器、通信和估算解決方案在明天和未來都是有用和必要的；量子技術提供的新可能性將擴充和補充現有技術，而不是替代它們。
隨著量子技術的成熟，重要的是為標準化活動做好打算，進而推動和推動市場對量子技術的借助。隨著量子技術步入世界各經濟體的政治舞臺，更多的私人和公共呼吁步入量子大賽，因而將這一看法進一步加大。
標準化可以為歐共體內部的量子技術經濟體系的發展奠定基礎，并剌激其發展，進而推動科學和工業的發展，使法國內部、外部的消費者獲益。對每個人來說，標準化都是有利的。比如，對于科學來說，共識是與社區有效溝通的前提，也是公正合理地比較結果的前提；據悉，標準容許靈活的合作，由于組件是可以互換、互操作的；對于工業界來說，須要標準化來將量子技術轉移到法國和世界各地的市場：比如，量子設備的術語、性能測試和基準方式，以及不同量子模塊的互操作性、互換性。
這次擬定的路線圖為科學、研究和工業界提供了一個指導性文件，以加速和推動創新：這將推動量子技術從科研到市場的轉移，從意大利向全球范圍發展。據悉，該路線圖致力成為一個強有力的工具，使主要利益相關者能否制訂、執行、檢查和修訂QT標準化戰略。
自創建以來，法國標準化新政在施行、整合中發揮了基本作用。它提供了協調和監管的穩定性：這除了吸引了投資，并且更重要的是保證了消費者的高安全標準和適當的環境保護水平。據恐怕，在美國和英國等國家，標準化的經濟效益與GDP下降的0.8-0.9％有關。
標準可以有效地支持貿易、市場準入、產品和服務的質量、公平性、互操作性和創新。因為其在保護消費者方面的作用，健康、安全、保安和環境標準具有直接的公共利益。但是，標準也可能成為貿易的技術壁壘，由于它們可能被作為保護單一市場及其在嚴打敵對貿易行為、競爭或采購法方面的戰略自主權的工具而遭到不利影響。
正是因為這種誘因，“歐盟量子旗艦項目”將標準化列入其戰略研究議題，并在創新戰略中保證其項目參考標準化。
法國標準機構(CEN、和ETSI)將“標準”定義為“一份經公認機構批準并協商一致擬定的文件，該文件為活動或其結果提供了規則、指導方針或特點，以供通用和重復使用，借以實現給定環境下的最佳秩序。”
亞洲和國際標準化格局
在初期技術打算水平(,TRL)，該階段形成標準的主要用戶（或顧客）是研究人員，由于在詞匯、計量和測試方式、操作程序方面的合同正在被記錄。在中期TRL階段制訂的標準反映了技術的成熟功能，而且還沒有被整合到應用或系統中；一般是來自企業/公司的應用科學家作為主要用戶，并將其應用于相關環境。在TRL7到TRL8期間，標準保證了服務提供者的互操作性合同和編程插口，以將技術整合到系統中。
量子技術領域的技術打算水平在不同的領域中差別很大。即使幾個領域的量子估算范圍仍處于概念狀態，但一些量子傳感器應用已達到TRL9，最接近市場投放、或在個別情況下早已實現商業化了。
技術打算水平（,TRL）及其與標準和主要用戶的關系
1）量子信道
一個量子通訊系統須要訪問一個量子信道()。
量子信道可能會有所不同，這取決于為創造和操縱量子態而選擇的基本部件的指標。比如，可能須要傳輸的電磁幅射或物質、可以適應長距離（典型的聯通）或短距離（典型的量子設備內部通訊）等情況、適應用于編碼信息的化學系統的不同自由度（相位、偏振、正交振幅、電荷、通量等）、它們的維度（二維的量子比特，n維的量子比特）等。
量子傳輸信道一般須要表現出極低的衰減和反射率，以盡量降低退相干，即波函數的坍縮。通訊網路的新泰度造成了線纜、連接器、無源器件和網路配件及基礎設施的大型化。為此，數學層量子鏈路的兩個基本組件（光纖和光聯接器）以及其他無源組件的問題如下：
-超低耗損光纖的問題/差別。為了使網路元素的規格大型化，須要更新的性能要求和測試方式，以確保光傳輸系統的要求；新的光纖設計；為超緊密彎曲而優化的新的光纖設計。
-超低耗損可拔插式光聯接器的問題/差別。因為光不是通過整個光纖傳播的，而只是通過纖芯(core)，所以光纖的纖芯和包層的相對規格對聯接器的質量有很大影響。有必要芯包層的同心度、纖芯橢圓度(core)、包層橢圓度()，進一步增加聯接器的插入耗損和雜波耗損。
-超低耗損光MUX/DEMUX的問題/差別。DWDM或CWDM等波分復用方案容許在單根光纖上進行多波長傳輸，在現有的國家、國際網路中很常見。
2）金鋼石和其他晶體（如SiC）中的色心
目前還沒有與基于NV色心的傳感重新相關的標準。因為欠缺共同的標準和程序，量子傳感器和通訊的商業成果常常是不可比擬的，但是缺少跨生產者的可重復性。因而，一個利益相關者可以遵循的標準的存在將大大增加市場的進一步投資風險。
NV色心的示意圖
針對NV色心，法國標準組織確定了以下三組標準化需求：
-材料標準化：固體中色心的表征方式、基礎材料的含量、化學類型、密度、色心的空間分布等方面提供可靠和可比較的尺寸。
-基礎設施標準化：表征基礎設施的發展和確定檢測程序和優點的手冊。
-元件標準化：量子傳感器和成像以及量子估算和模擬中的色心性能。
對于量子通訊，NV色心提供了強悍的溫度單光子源，既可以作為安全通訊的光源，也可以作為量子隨機數生成的手段。但是，因為欠缺共同的標準和程序，其商業成果常常缺少跨生產者的可重復性。
3）離子阱
離子阱才能存儲、冷卻和操縱帶電粒子。在這個迅速發展的領域，基本上沒有現有的標準。
這個平臺構成了QT的幾個子領域中廣泛的應用的基本預制構件：量子估算、量子模擬、量子通訊和量子冶金學。具體產品的用例包括原子鐘、引力傳感、量子計算機、量子模擬器。
目前，離子阱的標準化需求包括：
-具體的要求/參數是哪些？
-須要規定的參數的事例有什么？
-以上須要定義的關鍵檢測的事例有什么？
4）超導量子線路
幾六年來，微型制造的芯片級超導電路已被應用于各類領域。似乎沒有大規模生產，但在一些領域，比如由超導電路制成的傳感得到了廣泛的應用：用于磁檢測、射電天文學和單光子偵測的傳感。
因為這種電路的制造采用了與半導體電路相同的平版彩印工藝，因而設計者和代鞋廠之間的信息交流也采用了相同的事實上的工業標準（比如，化學布局的GDSII文件格式）。
隨著復雜性的不斷降低，比如3D集成電路顯得越來越普遍，設計者和澆鑄廠之間的信息交換標準可能顯得相關。但是，須要考慮兩個誘因：首先，超導量子計算機在微波頻度下工作，這意味著精確的數學布局比大多數半導體電路更重要；其次，那些都是量子電路，這意味著它們對環境極度敏感。到目前為止，還沒有實際的方式來對單個量子比特的全部性能進行建模，目前，關于超導量子電路檢測指標的最佳方法，也還沒有達成一致。
雖然與超導體電路相關的制造工藝和信息交換的標準化特別具有挑戰性，但在短期內，標準化可能直接相關的一個領域是超導電路的封裝。這將與半導體電路的發展相平行，在半導體電路中，許多標準由諸如IEC定義，適用于流行的封裝格式（如BGA、DIL等）。這種新標準可以擴充現有標準，或在適當的情況下創建新標準。
5）行波參數放大器
行波參數放大器(TWPA)是微波放大器，一般工作在大概2GHz-10GHz的頻度范圍內。基于約瑟夫森結提供的非線性或無序超導體的動力學電感，這種元件被用作超導量子比特讀出線路的放大鏈的第一個放大器/射電天文學的微波動熱學電感偵測器(MKID)。
雖然科學出版物中常常報告帶寬、放大率和噪音等優點，但對于TWPA數據表中檢測和報告的數據，目前還沒有現成的標準，這種數據正處于商業化的邊沿。
6）用于量子電子學的半導體量子點
納米制造的半導體量子點作為量子電子學的基本電路器件，用于限制、控制和監測單個或少數電子或空位的量子態。可能的量子技術應用范圍從用于單電子傳感器和計量的單電荷控制到用于量子估算、模擬和通訊的全量子狀態控制。
許多不同的半導體材料平臺正在使用中。最常見的是III-V族化合物鈣鈦礦(GaAs)和砷化鋁鎵(-xAs)以及近來的IV族元素硅(Si)的異質結構，既有像其他III-V族化合物（如砷化銦）或鍺(Ge)這樣的常規化合物（主要與硅結合用于應變異質結構），也有像帶隙的2d或1d材料（如單層石墨烯或半導體碳納米管）這樣的特別規材料。
量子點的制造使用了為傳統微電子技術構建的納米制造技術，但在大多數情況下專門用于量子元件制造，并在研制規模的潔凈室設施中實現。對于這個快速下降的領域，基本上沒有現有的標準。
7）使能技術的標準化時間表
因為技術不同，使能技術的發展階段也不同；通用方式可能難以涵括每一個技術的所有不同方面，但可以為這項任務創建一個全面的框架。右圖確定了三個主要的、部分重疊的任務，即參數與測試、小批量生產和批量生產。經過3到5年的開發，預計將進行全面的大規模生產。
2023年開始的標準化活動時間表。這可以成為像離子阱這樣的成熟使能技術的一個發展模板。相比之下，更可能在研究層面上的技術（比如基于半導體量子點的單電子源）可能不須要在2025年至2028年之前實現。
1）單光子源
單光子源就是一個單光子數的狀態發生器。
當光源在被光學或熱學迸發后，在其螢光壽命內僅形成一個光午時，才會形成單光子。研究最廣泛也是最常見的單光子來源是單原子、離子或分子、里德堡原子、金剛石色心和量子點。
單光子源具有廣泛應用的潛力。眾所周知并被廣泛討論的是它們在量子秘鑰分發、量子估算和計量學中的應用。
對于單光子源的標準，幾個參數是必要的、并應當明晰其定義：
-光子率：在一個典型的持續時間（一般在一秒內）內發射的光子數目。
-波長和波譜：單光子源不會發射特定波長的光子，因而應以可追蹤的方法檢測其發射波譜。
-帶寬。
-穩定性。
-相干時間。
-可區分性（含量）。
2）糾纏光子源
量子光學中的糾纏是一種化學現象，當光子被形成或互相作用時會發生，因而不能獨立于其他光子的狀態來描述組中每位光子的量子狀態。以下方面須要標準：
-系統性能；
-指標和詞匯的定義；
對于糾纏光子源的描述，幾個參數是必要的，而且應當明晰定義。那些是：
-糾纏的不同測度的定義；
-糾纏保真度；
-不可分辨性；
-光子對速度。
3）單光子偵測器
單光子偵測器才能偵測到單光子水平的光，它可以分為光子數區分或非光子數區分。對于第一種類型，輸出訊號與其響應時間內吸收的光子數目成比列。第二種類型形成單個輸出脈沖，而不考慮在其響應時間內同時“檢測”到的入射光子的數目。這種類型的偵測器已被廣泛商業化，而光子數區分偵測器在很大程度上依然是研究實驗室設備。
單光子偵測器的應用是多方面的：醫學、生物學、天體化學學，以及量子密碼學和量子估算等新興應用領域，以及實驗量子光學和量子化學學領域的科學研究。
關于單光子偵測器的計量表征和標準化需求，到目前為止，可用的規范性文件相當少。歐共體標準化委員會重點介紹了門控偵測器，并詳盡描述了以下標準化參數：
-偵測機率；
-檢查器門重復率；
-暗計數率機率；
-脈沖后機率；
-死區時間(Deadtime)；
-恢復時間；
-波譜靈敏度；
-時間靈敏度。
4）單電子源
單個電子源在其工作的一個周期內發射單個電子。
早已提出將這種用于量子態計量、電磁傳感器或量子態轉移。諸如，單電子的按需生成及其發射時間的精確控制在訊號處理應用中具有飛秒的時間碼率。這種方案的實現目前是一個活躍的研究課題。
描述要求和容許的操作條件的標準化參數包括：
-設備氣溫限制；
-磁場（要求/容許）；
-電流偏置要求和容差（包括交流噪音容差）；
-驅動訊號要求；
-互操作性的阻礙誘因；
-其他環境限制（射頻噪音/訊號容差/EMF考慮誘因）；
-實際操作頻度范圍；
-有效電荷轉移頻度（n×f）；
-波包能量和能量調諧范圍；
-除單個電子波包外的多電子發射；
-電氣控制線路的要求；
-設備處理注意事項（存儲條件、ESD）；
-冷卻程序（冷卻速度、控制管道偏置要求）；
-性能指標老化。
5）量子隨機數生成器
在許多場景中發揮作用的另一個子系統是量子隨機數生成器（RNG，QRNG）：其目的是生成隨機比特序列。它可以用于許多實際目的，但一般用作QKD系統的子系統：生成QKD系統所需的隨機序列。
其實QRNG應當被稱為RNG的一個子集量子傳輸技術，比如，遵守AIS術語。
6）量子儲存器
未來的量子網路有望為大規模量子通訊和分布式量子估算提供基礎。這種網路將須要在遙遠的量子儲存器之間共享量子糾纏。
量子儲存器是量子信息處理中前瞻性的重要量子技術子系統，借以“存儲”和重現從任何量子過程（包括量子算法）中接收到的按需量子態。因而，在量子估算中，量子儲存器可以用作身分量子門；而在量子通訊中，它們將用作量子中繼器的重要組件。
目前，量子儲存器沒有可用的標準。預計將制訂標準，規定儲存時間、保真度以及糾纏保真度。
量子通訊(QC)通過量子態的傳輸/分布提高了精典通訊或實現了新的可能性。要傳輸量子態，除了須要有創建和操縱量子態的能力，還須要提供量子信道來分布這種態。為此，與其他量子技術領域相比，量子通訊的奇特要求是才能創建、維護和使用量子信道；同時，所有類型的量子通訊都須要特定的量子信息處理合同。
才能支持量子信道的化學介質包括光纖、自由空間(freespace)、超導電線和波導。因為量子態必須在量子通訊系統中進行操縱、傳輸，這種對設備和量子通道中的缺陷、噪聲或化學損傷（比如光纖中的耗損）極為敏感；據悉，因為（未知的）量子態不能被復制，因而不能放大。
考慮到量子信道的耗損、不完美的耦合或偵測，這對直接傳輸量子訊號的最大范圍施加了嚴格的限制——一旦實際可用，就必須使用其他手段（量子中繼器）來構建長距離量子通訊。
一般，量子通訊系統借助許多子系統：如量子信道、量子隨機數發生器、量子通訊系統、單光子源、單光子偵測器、相干量子接收器，以及在個別情況下的糾纏光子源等。
量子安全密碼術(QSC)是指對稱和非對稱的密碼算法（私鑰密碼術），被覺得可以安全地抵擋量子計算機的密碼剖析功擊。QSC本身并不是一種量子技術：它不依賴于任何量子熱學效應。
目前的方案涉及QC/QKD領域的8類量子技術：
-QKD合同；
-QKD發射器模塊(QKD)；
-QKD接收器模塊；
-通用QKD組件；
-單鏈路QKD；
-QKD和量子通訊相關的基本標準；
-量子秘鑰分發的安全評估/認證；
-量子中繼器。
量子估算和模擬作為一個領域囊括了許多不同的實現，一些企業正在為成熟的量子計算機開發解決方案。
“模塊化量子計算機”的概念在數字估算中廣為人知，它創造了一個新市場，吸引了許多小企業開發專用模塊；來自不同供應商的這種模塊供應鏈將使研究團隊才能集中精力開拓新的領域，而無需耗費太多精力重復已知的解決方案。這就是標準化可以發揮重要作用的地方。
從標準化的角度來看，這個市場須要將量子估算和模擬領域細分為各類模塊，這種模塊可以通過定義明晰的插口（硬件和軟件）互相交互，并就每位感興趣模塊的功能和性能要求達成共識。
雖然確實存在許多不同的實現方法，但“歐洲量子旗艦”中的兩種領先量子估算構架基于不同的設備技術：捕獲離子和超導量子比特。這兩種構架滿足定義的量子估算所需的五個標準：
-具有良好特點量子比特的可擴充數學系統；
-將量子比特的狀態初始化為簡單基準狀態的能力；
-相關退相干時間長；
-一組“通用”的量子門；
-量子比特特有的檢測能力。
其他量子比特和平臺類型包括固體中的雜質載流子、中性里德堡原子、拓撲量子比特和光子量子比特，這種都須要被視為量子估算的未來候選者，須要進一步發展。
量子估算構架的發展大致可以分為三類：
-因為幾個誘因量子傳輸技術，顯示出理論價值的技術技巧值得追求、但不符合標準；
-早已滿足標準，但須要改進系統大小和系統控制以在中級量子算法中找到應用的系統；
-處于容錯量子估算閥值的量子體系結構，具有足夠大的量子寄存器來實現用于大規模量子估算的邏輯量子比特。
為了比較不同的體系結構，有必要采用定義明晰、標準化的方式來表征和基準測試量子估算設備。這次，法國標準組織確定了兩種方式：第一種方式（“自下而上”）確定關鍵參數（或指標），包括檢測合同、以及要執行什么檢測來指定被測設備的相關特點；第二種方式（“自上而下”）采用了可以在被測設備上運行的待定義算法，算法的輸出將提供被測設備的預期特點。它們都有彼此適用的量子估算軟件、硬件堆棧。
上述量子計算機設備表征和基準測試的標準化可以達到幾個目的：
-定義一組公認的關鍵參數、測量合同和算法，以實現可靠描述；
-構建量子計算機組件的質量標準和認證保證供應鏈中零部件的質量；
-有助于以定義明晰的方法比較互補的體系結構，幫助進一步開發和應用；
-告知量子計算機設備的性能。
右圖顯示了量子估算和量子模擬領域標準化活動開始的恐怕時間表。事實上，一些活動早已在進行中：ISO/IEC正在開發量子估算詞匯表、IEEE正在積極研究指標和基準測試。在撰寫本文時，可持續發展組織正在積極考慮可能在2023年開始的幾項工作議案。
開始量子估算和量子模擬領域標準化活動的可能時間表。紅色主題早已在進行中，紅色主題正在積極考慮中。
量子計量學、傳感和量子提高成像（QMSI）借助量子態的性質和特殊現象：比如從匯聚物質到單光子，通過NV色心、冷原子、離子或單電子等各類數學平臺中的糾纏和非精典關聯。
QMSI設備明顯增強了檢測或評估各類系統參數的確切性和精度。除此之外，它們容許趕超與傳統精典檢測策略相關的限制，如真空度波動造成的環境噪音（所謂的散粒噪音）、位置檢測中的動態噪音（標準量子極限）或衍射極限。
QMSI設備應用囊括了從基礎研究到工業實際應用的一系列領域，包括數學、化學、生物學、醫學、材料科學以及量子信息、計算和通訊領域。
這次，法國標準化團隊確定了兩個主要的應用領域和相關的標準化需求：
-QMSI支持的新型應用程序；
-可靠量子科技的表征、基準測試和評估。
量子磁力儀(QMs)是一種基于載流子的設備，以特斯拉(T)為單位檢測磁路密度。QM在從fT到幾個T的數目級范圍內是敏感的。它們正在廣泛的應用中商業化，類似于它們的傳統同行，包括位置控制、機載和海上導航、地磁偵測、汽車工程、磁性材料表征、高電壓測量，以及電瓶確診。據悉，它們在最低磁場下的高靈敏度促使了QM在腦磁圖勾畫等醫學應用中的應用。
標準化需求可分為三大主題：
-所用原子系綜的標準化；
-基礎設施標準化和檢測合同手冊；
-標準化條件下設備性能的定義。
量子網路是量子通訊系統及其聯接的量子通道的排列，這種量子通道才能在網路的一些或所有節點上實現量子狀態轉移（直接傳輸通道）或在量子狀態之間構建量子相關性（量子相關性通道）。
目前，量子網路分為兩種類型：
-多跳網路(Multi-hop)：當只有直接傳輸信道可用時，即直接傳輸
量子態或量子關聯的構建只能在有限的距離上進行（一般是大都市或地區）。長距離量子相關性的構建是不可能的，但在量子機制之外不可行的精典相關性可以通過這種信道的精典級聯和額外的信任來實現，因而限制了對量子能力的訪問（沒有端到端的量子秘鑰分發），由于在多跳鏈路的起始點和結束點之間不能完善量子相關性。請注意，這種類型的網路不一定是靜態的，由于可以按照須要通過切換機制在端點之間構建直接的量子傳輸信道（假如須要，波長切換也是可行的）。
-端到端網路（有時稱為量子信息網路或全量子網路）：準許網路中所有量子系統之間通過特別長范圍（潛在的無限距離）的量子相關信道進行完全聯接。這種網路將容許（通訊方面）不受限制地實現任何量子通訊合同，包括QKD，而不須要可信節點（稱作為可信中繼器）。
也可以進行基本分類：
-量子秘鑰分發網路：受信任的中繼器類型、端到端量子通訊類型；
-量子信息網路。依據主要施行領域，可以確定以下不同的情況：地面網路、星載網路、混合版本。
已有的相關標準
目前，全面標準一般仍未制訂。具體而言，全量子網路的總體設計和操作以及它們與精典通訊網路的互相作用還有待詳盡研究。
本路線圖文件是CEN/量子技術焦點小組(FGQT)三年工作、30多次大會和300多次貢獻的結果。
在確定了對上述量子技術的技術報告和技術規范的需求后，下一個問題將是怎樣組織工作以確保那些技術的創建。這須要在法國層面進行討論和提出建議，并與ISO、ITU、ETSI和其他相關標準制訂呼吁進行全球協調。
報告鏈接：
.pdf(.eu)
參考鏈接：
for:readourtwonewly-CEN-(.eu)
