量子科学未来十年如何发展？美国能源部发布《量子信息科学应用线路图》

近日，美国能源部（DOE）科学办公室发布《量子信息科学应用路线图》，系统规划了 量子计算、量子传感与量子网络的发展路径及多领域应用前景。该路线图由能源部联合工业界、学术界及国家实验室的量子信息科学（QIS）专家组建的委员会共同完成，围绕上述技术方向梳理了关键技术挑战、发展指标与里程碑，旨在为未来研发和实际应用提供战略指引。以下为该报告的主要内容：

2018年《国家量子倡议法案》通过后，美国能源部（DOE）成立了五个国家量子信息科学研究中心（NQISRCs），在改进量子比特性能的基础材料、构建量子计算设备、改进控制硬件和噪声抑制及算法研究等方面已经取得了多项突破。

尽管过去几十年量子信息科学已取得重大基础性突破，但其技术开发仍处于初级阶段，尚存诸多基础理论和工程挑战。解决每一项挑战都需要大量研发投入、新的科学发现和创新。因此，路线图中提出的时间线存在不确定性。这不仅需要量子信息科技本身的进步，还需封装技术、系统工程、光调制器、光源、探测器、集成技术、控制系统、新材料等相邻领域协同发展。另一方面，某一技术领域的突破往往能惠及其他领域。

量子计算

随着现有量子计算平台朝着成熟的方向发展，大规模、容错的量子计算机的愿景正变得越来越具体。图1展示了量子计算四个时代的时间表——包括技术里程碑、推进研究与基础设施，以及科学成果和应用。虽然每个时代的确切时间尚不确定，但这一框架大致对应于量子计算行业领先公司发布的路线图。

▲图1 ：量子计算路线图

过去十年开发的量子处理器可以归类为“噪声中等规模量子” (NISQ) 设备。然而，近期有限的量子纠错（QEC）演示预示着一个新时代的开始。DOE预测这两类设备将共存，路线图显示：

1. 5年内：实现1000个物理量子比特，错误率阈值低10倍。

2. 5-10年：第一代小型量子纠错计算机将投入使用。将量子比特规模扩大到10000个，同时保持低错误率，并开发量子互连以实现模块化架构。

3. 10-20年：量子计算机的规模将继续扩展，逐步实现大型量子纠错计算机。实现大规模架构解决方案，并原型化和开发量子数据中心。

4. 20年后：超大规模量子计算机将具有容错能力，这意味着它们的逻辑错误率将足够低，计算能力极大提升，为科学研究带来革命性突破。

量子传感

使用量子比特作为传感器可以达到人类有史以来最精确的测量，例如原子钟及其关键应用。几种类型的量子比特实现的高空间分辨率也为材料、化学和生物医学诊断的微观探测带来新的可能。某些量子比特类型的内在稳定性、可重复性和鲁棒性使其成为可以在极端环境中部署的优秀传感器，例如地下、太空和等离子体附近。将量子传感器部署于极端环境中是一项复杂的任务，需要广泛的跨学科合作。DOE预测路线图如图2所示：

▲图2：量子传感路线图

过去十年，量子传感器的开发及验证其在应用中的潜力是重点。下一代量子仪器将通过借鉴最先进的光学原子钟，在动态的地面环境中维持高灵敏度。光子集成电路（PIC）激光技术的进步也将显著降低这些设备的尺寸和成本。路线图表明：

1. 5年内：将开发高灵敏度的量子传感器，用于材料科学和基础物理测量。

2. 5到10年内：发展这些平台将需要改进材料，集成探测器，提高灵敏度。

3. 10年后：量子传感器有望进行更深远的物理探索和生物医学领域实现广泛应用，实现商业转化，提供高精度的监测和诊断能力。

量子网络

旨在通过连接量子资源来发挥其优势。量子网络如同纽带，扩展了计算与传感应用并充分发挥它们的潜力，同时促进计算机与传感器之间的新型应用，从而产生指数级的性能优势。在追求量子网络最大化性能的过程中，面临着各种技术挑战。量子网络最关键的构建模块是量子中继器。另一个可能的颠覆性技术是开发能传输可见光并且低损耗的光纤，这会消除或减少对量子中继器的紧迫需求。其他量子信息科学（QIS）领域的进展（如计算和传感）也可能打乱这一时间表。DOE预测路线图见下图3：

▲图3：量子网络路线图

将资源分配到量子网络的关键要素上，如中继器、路由器、低损耗光纤等，并集成连接这些组件，将带来灵敏度的提升、精度的增强以及互联设备能力的增加。路线图表明：

1. 5-10年内：将实现超100公里范围内的纠缠光子网络和量子交换机。量子中继器通过光纤克服损耗，实现量子路由器和量子局域及城域网络。

2. 15-30年内：量子技术将通过光纤或卫星，实现洲际间量子纠缠，以及量子存储器在网络节点的应用。最终实现高速高质量的量子网络。

翻译：程欢

来源：https://science.osti.gov/-/media/QIS/pdf/DOE_QIS_Roadmap_Final.pdf