获取原报告私信后台：量子互连路线图
2022年12月14日，日本Q-NEXT国家量子信息科学研究中心发布《量子互连路线图》（Afor）报告。该报告详述了量子互连在量子估算、通信和传感器技术中的作用，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觉，以及列举了实现路径中所需的组件和系统，以期推动量子信息技术在联通、能源、金融服务、制药和货运运输等行业的应用。该路线图汇集了跨学科专家的看法，可为量子信息的研究提供全面的参考手册，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量子研究中心是英国通过《国家量子计划法案》批准筹建的5个国家量子信息科学研究中心之一，由日本能源部阿贡国家实验室于2020年牵头成立，汇集了来自3个国家实验室、10所学院和14家科技公司的约100名专家，致力将科学组织和商业企业集聚在一起，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讯、材料、传感和模拟等，面向联通、能源、金融服务、制药和货运运输等行业应用。同时，Q-NEXT还旨在于完善和强化科学组织与行业之间的联系，以完善国家量子生态系统。
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估算、通信和传感器中的应用，对每类应用概述了未来10年深化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、提出了须要解决的问题，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》报告强调，勾画新蓝图是推动硬件技术发展的重要步骤。对关键问题和研究制订手册，通过技术需求驱动，可以推动科学技术的进步。比如，在城市间规模上展示均布量子网路是一项技术要求，实现这一目标的科学要求则是实现高保真纠缠交换。该路线图非常关注量子互连，即在系统之间和跨距离链接和分发量子信息以实现量子估算、通信和传感器的设备与技巧。
量子互连可依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、以实现量子传感器、通信和估算。在较小的空间范围内，互连才能使量子系统内、量子处理器间，以及量子计算机和精典计算机的元素和组件互相联接，进而执行量子算法；在较大的空间范围内，量子互连可用于创建量子通讯。
《量子互连路线图》报告觉得，量子技术须要花费较长时间才会产生一定的公共影响力，且部份技术的应用场景和前景并不明晰。所以，Q-NEXT研究中心对量子技术潜在影响的预测是泛化的，尽量避开进行指标驱动的预测。据悉，报告编撰者还表明，具体的工程领域会随着时间的推移而分化。
量子估算、通信和传感器所需的量子互连技术
（二）量子估算路线图
未来10-15年，量子计算机可能会转型量子模拟、求解优化问题和求解线性系统方面的应用，并在以下场景形成影响：
1.数学、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.数据剖析机器学习以及线性代数高效运算。
量子估算的潜在应用
这种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、可轮询性和联接性。
2.通过非决定性的原子尺度放置来推动纳米制造：连贯地控制和清除大于20纳米纵向精度的光学活性载流子/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路构架。
4.为小型处理器（>1000个量子比特）开发网路构架。
5.实现从物质量子比特到光子讯号的转换，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。
关键量子比特系统及其优势，以及须要克服的挑战
基于以上，《量子互连路线图》为量子估算提出了更基础的研究需求：
1.提升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.改进精典的量子位控制、实现有效且可扩充的门驱动，以减少成本。
3.研究和演示小型系统的全栈量子估算。
4.实现化学量子比特之间的量子信息相互转换。
（三）量子通讯路线图
量子通讯网路有望改革安全通讯、纠缠分布、传感和分布式量子估算领域的应用，其在未来10-15年可能在以下场景形成影响：
1.量子秘钥分发（QKD）。
2.量子提高的精典通讯。
3.量子秘钥分发以外的身分验证和安全性。
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路辅助量子传感器。
6.量子估算组网，包括分布式量子估算，以及边沿量子估算与量子传感器合并。
量子通讯的应用场景
这种场景的应用将依赖以下关键技术进步：
1.为商业、政府与科研的明晰需求提供精准和近日可用的应用。
2.在可见光、近红外和联通波段开发基于光子的量子比特相兼容的关键量子器件。
3.展示基于量子中继器支持的量子通讯，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路构架。
Q-NEXT研究中心表示，跨城市和州际范围的量子网路将与精典通讯的基础设施互连。在较近的距离内，这种网路联接包括联接联通平台的联通网路互连、单机互连以及联接多台机器的数据中心网路。更远的距离将须要利用局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和卫星网路（SAT）。无中继器网路只能在相对较短的距离内建立量子通讯网路；对于较长的距离组网，则须要基于地面的中继器甚至基于卫星的中继器。
不同规模的量子通讯网路
量子通讯网路的一些主要系统级问题和注意事项如下：
1.对于无中继器操作联接，最大范围为100km。
2.理想状态下，量子通道在O波段（1260-）、C波段（1530-）和L波段（1565-）的数据通道上进行密集波分复用（DWDM）。因为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.应该考虑扩充系统中通道降解因子的适应性，包括偏振光模态色散（PMD）的影响、偏振相关耗损（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，能够使量子通讯系统适应营运商、企业和其他实体早已布署的光数据网路。
面向量子通讯的实际须要，《量子互连路线图》列出了关键技术的研制需求：高温单光子检查器、半导体单光子雪崩光电晶闸管（SPAD）、纠缠/超纠缠光子对源、超低耗损的光纤、空地联接、与精典网路同步、完整的网路安全合同集成、换能器、量子储存器、高速低耗损量子开关、多路复用技术、优化的网路合同、网络构架、与精典估算和通讯服务的集成、容错量子网路功能、应用程序编程模型与插口，以及链路、节点和网路的监控与管理。
（四）量子传感器路线图
量子传感有望明显改进传感器技术的性能指标，如精度、准确性、带宽、动态范围及空间与时间帧率，且有望实现跨频度和空间的传感间互连，以实现新的传感器模式。因为量子传感才能提供微观尺度的精确检测，预计将在生物物理、基础化学学、导航与授时、材料科学取得有效应用。
因此量子通讯设备，量子传感器研究须要解决以下技术挑战：
1.证明纠缠的多量子比特传感器在实际传感器目标上比非纠缠的传感更有优势。
2.开发新的传感器模式，借助多个传感之间的相关性和纠缠性来实现单个传感所不能达到的观测结果。
3.理解并降低固态传感中的界面诱导退相干现象。
4.确切预检测子活性缺陷/杂质的特点。
5.实现对分子结构的量子传感器，且具有单核载流子敏感性。
6.实现具有量子优势的直流-太赫兹电磁场的传感器。
7.实现低暗计数的单光子检查和的参数放大，使灵敏度比当前技术提升超过20分贝。
8.以小于1GHz的速度实现光脉冲的光子数测量，偏差大于1%。
不同类型的量子传感器平台与应用
为实现上述目标，研究机构应当在以下方面取得必要进展：
1.测度指标的控制与确定，如侦测器效率、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、开发中级表征方式等。
3.理论研究的进步，证明分布式传感器的优势。
4.系统扩充以及传感器平台成熟度提升。
5.拓展频度空间。
三、评析
日本已颁布《国家量子呼吁法案》《美国量子网路战略愿景》《量子网路基础设施法案》等法案、战略、行政命令与备忘录文件，并创立了日本国家量子协调办公室、国家量子呼吁咨询委员会等领导机构，从战略层面推进量子技术研制进步。时下，法国前瞻性地开始拟定相对详尽的研制目标，力角逐得标准主导权和率先实现商业化，在全球竞争中攻占先机。《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，为日本未来10-15年的量子技术发展描绘了框架、明确了主要目标，意在巩固英国在量子技术这一快速发展领域的科学和经济领导地位。结合美国的布署和计划可以看出，日本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六年内推动科技的进步，并取得实际应用。非常是量子技术在基础科学、工程学、金融和货运等领域拥有宽广的应用前景，有望引起生产力改革。我国也应结合当前的国际研究热点、实际研究水平与进展，以及当下最急迫的需求、最可能率先落地的应用量子通讯设备，产生愈发详细的发展规划与指导。
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作者简介
唐乾琛国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究二室，五级剖析员
研究方向：信息领域战略、技术和产业前沿