光子盒研究院出品
量子技术是一个有前途的领域，在数字化时代尤其这么。为了引导在这个快速发展领域的标准化工作，3月22日，法国标准化委员会(CEN)和法国钳工标准化委员会()发布了量子技术的标准化路线图。这个报告提供了一个全面的视野，对法国的量子估算、量子通讯与安全、量子精密检测进行了标准化布局——量子领域标准化工作的里程碑。
目录
1.量子技术与标准化
2.量子科技标准化，是商业化的前提
3.量子使能技术的标准化
3.1.量子信道
3.2.金钢石等晶体色心
3.3.离子阱
3.4.超导量子线路
3.5.行波参数放大器
3.6.用于量子电子学的半导体量子点
3.7.使能技术的标准化时间表
4.量子设备的标准化
4.1.单光子源
4.2.纠缠光子源
4.3.单光子侦测器
4.4.量子随机数生成器
4.5.量子储存器
5.量子通讯与安全的标准化
6.量子估算与模拟的标准化
7.量子计量、传感和成像的标准化
8.量子网路的标准化
9.总结与展望
量子技术标准化路线图的构架设计
在过去二六年中，量子科学取得了重大进展，量子技术正式成为影响我们日常生活的技术。2018年10月，欧共体委员会推出了10亿美元的“量子技术旗舰项目”，为期10年。
法国量子技术生态系统=量子旗舰+++++ERC/MarieSkłCurie行动
2018年12月，日本首相签定了一项法案：将超过12亿欧元用于未来10年旨在于量子信息科学的国家努力。2020年，法国国家科学基金会另外组建了三个新的量子研究所，以解决量子信息科学的关键挑战；《国家量子呼吁法》在2021年宣布了额外的19亿公共资金。英国的一个巨大优势是私营部门有能力补充公共捐助的量子技术部门的努力，也有能力通过军事机构进行捐助。现在，日本工业界对量子信息技术的兴趣越来越大，包括微软、霍尼韦尔、IBM、英特尔、微软等的努力，一些由风险资本和其他股权捐助的初创公司也早已组建。
中国正式颁布的国家量子计划将起码与欧共体委员会的旗舰计划具有相同的数目级。中国正在西安建设量子信息科学国家实验室，初始资金超过10亿港元；包括百度、阿里巴巴在内的中国公司早已在量子估算领域构建了自己的计划，吸引了顶尖研究人员加入团队：阿里巴巴计划在未来几年内向颠覆性技术投资150亿港元。2021年，中国宣布追加153亿港元的公共资金。
同样，量子技术推动的新型设备提供了赶超精典技术的能力，如更高的灵敏度、更小的帧率、自动和免维护的量子参考操作，使工业设施愈发可靠。不过，“经典”并不意味着过时/陈旧，事实上，基于精典化学学和/或既定技术的传感器、通信和估算解决方案在明天和未来都是有用和必要的；量子技术提供的新可能性将扩充和补充现有技术，而不是替代它们。
随着量子技术的成熟，重要的是为标准化活动做好打算，进而推动和推动市场对量子技术的借助。随着量子技术步入世界各经济体的政治舞台，更多的私人和公共呼吁步入量子大赛，因而将这一看法进一步加大。
标准化可以为欧共体内部的量子技术经济体系的发展奠定基础，并剌激其发展，进而推动科学和工业的发展，使法国内部、外部的消费者获益。对每个人来说，标准化都是有利的。比如，对于科学来说，共识是与社区有效沟通的前提，也是公正合理地比较结果的前提；据悉，标准容许灵活的合作，由于组件是可以互换、互操作的；对于工业界来说，须要标准化来将量子技术转移到法国和世界各地的市场：比如，量子设备的术语、性能测试和基准方式，以及不同量子模块的互操作性、互换性。
这次拟定的路线图为科学、研究和工业界提供了一个指导性文件，以加速和推动创新：这将推动量子技术从科研到市场的转移，从意大利向全球范围发展。据悉，该路线图致力成为一个强有力的工具，使主要利益相关者能否制订、执行、检查和修订QT标准化战略。
自创建以来，法国标准化新政在施行、整合中发挥了基本作用。它提供了协调和监管的稳定性：这除了吸引了投资，并且更重要的是保证了消费者的高安全标准和适当的环境保护水平。据恐怕，在美国和英国等国家，标准化的经济效益与GDP下降的0.8-0.9％有关。
标准可以有效地支持贸易、市场准入、产品和服务的质量、公平性、互操作性和创新。因为其在保护消费者方面的作用，健康、安全、保安和环境标准具有直接的公共利益。但是，标准也可能成为贸易的技术壁垒，由于它们可能被作为保护单一市场及其在严打敌对贸易行为、竞争或采购法方面的战略自主权的工具而遭到不利影响。
正是因为这种诱因，“欧盟量子旗舰项目”将标准化列入其战略研究议题，并在创新战略中保证其项目参考标准化。
法国标准机构(CEN、和ETSI)将“标准”定义为“一份经公认机构批准并协商一致拟定的文件，该文件为活动或其结果提供了规则、指导方针或特点，以供通用和重复使用，借以实现给定环境下的最佳秩序。”
亚洲和国际标准化格局
在初期技术打算水平(,TRL)，该阶段形成标准的主要用户（或顾客）是研究人员，由于在词汇、计量和测试方式、操作程序方面的合同正在被记录。在中期TRL阶段制订的标准反映了技术的成熟功能，而且还没有被整合到应用或系统中；一般是来自企业/公司的应用科学家作为主要用户，并将其应用于相关环境。在TRL7到TRL8期间，标准保证了服务提供者的互操作性合同和编程插口，以将技术整合到系统中。
量子技术领域的技术打算水平在不同的领域中差别很大。即使几个领域的量子估算范围仍处于概念状态，但一些量子传感器应用已达到TRL9，最接近市场投放、或在个别情况下早已实现商业化了。
技术打算水平（,TRL）及其与标准和主要用户的关系
1）量子信道
一个量子通讯系统须要访问一个量子信道()。
量子信道可能会有所不同，这取决于为创造和操纵量子态而选择的基本部件的指标。比如，可能须要传输的电磁幅射或物质、可以适应长距离（典型的联通）或短距离（典型的量子设备内部通讯）等情况、适应用于编码信息的化学系统的不同自由度（相位、偏振、正交振幅、电荷、通量等）、它们的维度（二维的量子比特，n维的量子比特）等。
量子传输信道一般须要表现出极低的衰减和反射率，以尽量降低退相干，即波函数的坍缩。通讯网路的新泰度造成了线缆、连接器、无源器件和网路配件及基础设施的大型化。为此，数学层量子链路的两个基本组件（光纤和光联接器）以及其他无源组件的问题如下：
-超低耗损光纤的问题/差别。为了使网路元素的规格大型化，须要更新的性能要求和测试方式，以确保光传输系统的要求；新的光纤设计；为超紧密弯曲而优化的新的光纤设计。
-超低耗损可拔插式光联接器的问题/差别。因为光不是通过整个光纤传播的，而只是通过纤芯(core)，所以光纤的纤芯和包层的相对规格对联接器的质量有很大影响。有必要芯包层的同心度、纤芯椭圆度(core)、包层椭圆度()，进一步增加联接器的插入耗损和杂波耗损。
-超低耗损光MUX/DEMUX的问题/差别。DWDM或CWDM等波分复用方案容许在单根光纤上进行多波长传输，在现有的国家、国际网路中很常见。
2）金钢石和其他晶体（如SiC）中的色心
目前还没有与基于NV色心的传感重新相关的标准。因为欠缺共同的标准和程序，量子传感器和通讯的商业成果常常是不可比拟的，但是缺少跨生产者的可重复性。因而，一个利益相关者可以遵循的标准的存在将大大增加市场的进一步投资风险。
NV色心的示意图
针对NV色心，法国标准组织确定了以下三组标准化需求：
-材料标准化：固体中色心的表征方式、基础材料的含量、化学类型、密度、色心的空间分布等方面提供可靠和可比较的尺寸。
-基础设施标准化：表征基础设施的发展和确定检测程序和优点的手册。
-元件标准化：量子传感器和成像以及量子估算和模拟中的色心性能。
对于量子通讯，NV色心提供了强悍的温度单光子源，既可以作为安全通讯的光源，也可以作为量子随机数生成的手段。但是，因为欠缺共同的标准和程序，其商业成果常常缺少跨生产者的可重复性。
3）离子阱
离子阱才能存储、冷却和操纵带电粒子。在这个迅速发展的领域，基本上没有现有的标准。
这个平台构成了QT的几个子领域中广泛的应用的基本预制构件：量子估算、量子模拟、量子通讯和量子冶金学。具体产品的用例包括原子钟、引力传感、量子计算机、量子模拟器。
目前，离子阱的标准化需求包括：
-具体的要求/参数是哪些？
-须要规定的参数的事例有什么？
-以上须要定义的关键检测的事例有什么？
4）超导量子线路
几六年来，微型制造的芯片级超导电路已被应用于各类领域。似乎没有大规模生产，但在一些领域，比如由超导电路制成的传感得到了广泛的应用：用于磁检测、射电天文学和单光子侦测的传感。
因为这种电路的制造采用了与半导体电路相同的平版彩印工艺，因而设计者和代鞋厂之间的信息交流也采用了相同的事实上的工业标准（比如，化学布局的GDSII文件格式）。
随着复杂性的不断降低，比如3D集成电路显得越来越普遍，设计者和浇铸厂之间的信息交换标准可能显得相关。但是，须要考虑两个诱因：首先，超导量子计算机在微波频度下工作，这意味着精确的数学布局比大多数半导体电路更重要；其次，那些都是量子电路，这意味着它们对环境极度敏感。到目前为止，还没有实际的方式来对单个量子比特的全部性能进行建模，目前，关于超导量子电路检测指标的最佳方法，也还没有达成一致。
虽然与超导体电路相关的制造工艺和信息交换的标准化特别具有挑战性，但在短期内，标准化可能直接相关的一个领域是超导电路的封装。这将与半导体电路的发展相平行，在半导体电路中，许多标准由诸如IEC定义，适用于流行的封装格式（如BGA、DIL等）。这种新标准可以扩充现有标准，或在适当的情况下创建新标准。
5）行波参数放大器
行波参数放大器(TWPA)是微波放大器，一般工作在大概2GHz-10GHz的频度范围内。基于约瑟夫森结提供的非线性或无序超导体的动力学电感，这种元件被用作超导量子比特读出线路的放大链的第一个放大器/射电天文学的微波动热学电感侦测器(MKID)。
虽然科学出版物中常常报告带宽、放大率和噪音等优点，但对于TWPA数据表中检测和报告的数据，目前还没有现成的标准，这种数据正处于商业化的边沿。
6）用于量子电子学的半导体量子点
纳米制造的半导体量子点作为量子电子学的基本电路器件，用于限制、控制和监测单个或少数电子或空位的量子态。可能的量子技术应用范围从用于单电子传感器和计量的单电荷控制到用于量子估算、模拟和通讯的全量子状态控制。
许多不同的半导体材料平台正在使用中。最常见的是III-V族化合物钙钛矿(GaAs)和砷化铝镓(-xAs)以及近来的IV族元素硅(Si)的异质结构，既有像其他III-V族化合物（如砷化铟）或锗(Ge)这样的常规化合物（主要与硅结合用于应变异质结构），也有像带隙的2d或1d材料（如单层石墨烯或半导体碳纳米管）这样的特别规材料。
量子点的制造使用了为传统微电子技术构建的纳米制造技术，但在大多数情况下专门用于量子元件制造，并在研制规模的洁净室设施中实现。对于这个快速下降的领域，基本上没有现有的标准。
7）使能技术的标准化时间表
因为技术不同，使能技术的发展阶段也不同；通用方式可能难以涵括每一个技术的所有不同方面，但可以为这项任务创建一个全面的框架。右图确定了三个主要的、部分重叠的任务，即参数与测试、小批量生产和批量生产。经过3到5年的开发，预计将进行全面的大规模生产。
2023年开始的标准化活动时间表。这可以成为像离子阱这样的成熟使能技术的一个发展模板。相比之下，更可能在研究层面上的技术（比如基于半导体量子点的单电子源）可能不须要在2025年至2028年之前实现。
1）单光子源
单光子源就是一个单光子数的状态发生器。
当光源在被光学或热学迸发后，在其萤光寿命内仅形成一个光午时，才会形成单光子。研究最广泛也是最常见的单光子来源是单原子、离子或分子、里德堡原子、金刚石色心和量子点。
单光子源具有广泛应用的潜力。众所周知并被广泛讨论的是它们在量子秘钥分发、量子估算和计量学中的应用。
对于单光子源的标准，几个参数是必要的、并应当明晰其定义：
-光子率：在一个典型的持续时间（一般在一秒内）内发射的光子数目。
-波长和波谱：单光子源不会发射特定波长的光子，因而应以可追踪的方法检测其发射波谱。
-带宽。
-稳定性。
-相干时间。
-可区分性（含量）。
2）纠缠光子源
量子光学中的纠缠是一种化学现象，当光子被形成或互相作用时会发生，因而不能独立于其他光子的状态来描述组中每位光子的量子状态。以下方面须要标准：
-系统性能；
-指标和词汇的定义；
对于纠缠光子源的描述，几个参数是必要的，而且应当明晰定义。那些是：
-纠缠的不同测度的定义；
-纠缠保真度；
-不可分辨性；
-光子对速度。
3）单光子侦测器
单光子侦测器才能侦测到单光子水平的光，它可以分为光子数区分或非光子数区分。对于第一种类型，输出讯号与其响应时间内吸收的光子数目成比列。第二种类型形成单个输出脉冲，而不考虑在其响应时间内同时“检测”到的入射光子的数目。这种类型的侦测器已被广泛商业化，而光子数区分侦测器在很大程度上依然是研究实验室设备。
单光子侦测器的应用是多方面的：医学、生物学、天体化学学，以及量子密码学和量子估算等新兴应用领域，以及实验量子光学和量子化学学领域的科学研究。
关于单光子侦测器的计量表征和标准化需求，到目前为止，可用的规范性文件相当少。欧共体标准化委员会重点介绍了门控侦测器，并详尽描述了以下标准化参数：
-侦测机率；
-检查器门重复率；
-暗计数率机率；
-脉冲后机率；
-死区时间(Deadtime)；
-恢复时间；
-波谱灵敏度；
-时间灵敏度。
4）单电子源
单个电子源在其工作的一个周期内发射单个电子。
早已提出将这种用于量子态计量、电磁传感器或量子态转移。诸如，单电子的按需生成及其发射时间的精确控制在讯号处理应用中具有飞秒的时间码率。这种方案的实现目前是一个活跃的研究课题。
描述要求和容许的操作条件的标准化参数包括：
-设备气温限制；
-磁场（要求/容许）；
-电流偏置要求和容差（包括交流噪音容差）；
-驱动讯号要求；
-互操作性的阻碍诱因；
-其他环境限制（射频噪音/讯号容差/EMF考虑诱因）；
-实际操作频度范围；
-有效电荷转移频度（n×f）；
-波包能量和能量调谐范围；
-除单个电子波包外的多电子发射；
-电气控制线路的要求；
-设备处理注意事项（存储条件、ESD）；
-冷却程序（冷却速度、控制管道偏置要求）；
-性能指标老化。
5）量子随机数生成器
在许多场景中发挥作用的另一个子系统是量子随机数生成器（RNG，QRNG）：其目的是生成随机比特序列。它可以用于许多实际目的，但一般用作QKD系统的子系统：生成QKD系统所需的随机序列。
其实QRNG应当被称为RNG的一个子集量子传输技术，比如，遵守AIS术语。
6）量子储存器
未来的量子网路有望为大规模量子通讯和分布式量子估算提供基础。这种网路将须要在遥远的量子储存器之间共享量子纠缠。
量子储存器是量子信息处理中前瞻性的重要量子技术子系统，借以“存储”和重现从任何量子过程（包括量子算法）中接收到的按需量子态。因而，在量子估算中，量子储存器可以用作身分量子门；而在量子通讯中，它们将用作量子中继器的重要组件。
目前，量子储存器没有可用的标准。预计将制订标准，规定储存时间、保真度以及纠缠保真度。
量子通讯(QC)通过量子态的传输/分布提高了精典通讯或实现了新的可能性。要传输量子态，除了须要有创建和操纵量子态的能力，还须要提供量子信道来分布这种态。为此，与其他量子技术领域相比，量子通讯的奇特要求是才能创建、维护和使用量子信道；同时，所有类型的量子通讯都须要特定的量子信息处理合同。
才能支持量子信道的化学介质包括光纤、自由空间(freespace)、超导电线和波导。因为量子态必须在量子通讯系统中进行操纵、传输，这种对设备和量子通道中的缺陷、噪声或化学损伤（比如光纤中的耗损）极为敏感；据悉，因为（未知的）量子态不能被复制，因而不能放大。
考虑到量子信道的耗损、不完美的耦合或侦测，这对直接传输量子讯号的最大范围施加了严格的限制——一旦实际可用，就必须使用其他手段（量子中继器）来构建长距离量子通讯。
一般，量子通讯系统借助许多子系统：如量子信道、量子随机数发生器、量子通讯系统、单光子源、单光子侦测器、相干量子接收器，以及在个别情况下的纠缠光子源等。
量子安全密码术(QSC)是指对称和非对称的密码算法（私钥密码术），被觉得可以安全地抵挡量子计算机的密码剖析功击。QSC本身并不是一种量子技术：它不依赖于任何量子热学效应。
目前的方案涉及QC/QKD领域的8类量子技术：
-QKD合同；
-QKD发射器模块(QKD)；
-QKD接收器模块；
-通用QKD组件；
-单链路QKD；
-QKD和量子通讯相关的基本标准；
-量子秘钥分发的安全评估/认证；
-量子中继器。
量子估算和模拟作为一个领域囊括了许多不同的实现，一些企业正在为成熟的量子计算机开发解决方案。
“模块化量子计算机”的概念在数字估算中广为人知，它创造了一个新市场，吸引了许多小企业开发专用模块；来自不同供应商的这种模块供应链将使研究团队才能集中精力开拓新的领域，而无需耗费太多精力重复已知的解决方案。这就是标准化可以发挥重要作用的地方。
从标准化的角度来看，这个市场须要将量子估算和模拟领域细分为各类模块，这种模块可以通过定义明晰的插口（硬件和软件）互相交互，并就每位感兴趣模块的功能和性能要求达成共识。
虽然确实存在许多不同的实现方法，但“欧洲量子旗舰”中的两种领先量子估算构架基于不同的设备技术：捕获离子和超导量子比特。这两种构架满足定义的量子估算所需的五个标准：
-具有良好特点量子比特的可扩充数学系统；
-将量子比特的状态初始化为简单基准状态的能力；
-相关退相干时间长；
-一组“通用”的量子门；
-量子比特特有的检测能力。
其他量子比特和平台类型包括固体中的杂质载流子、中性里德堡原子、拓扑量子比特和光子量子比特，这种都须要被视为量子估算的未来候选者，须要进一步发展。
量子估算构架的发展大致可以分为三类：
-因为几个诱因量子传输技术，显示出理论价值的技术技巧值得追求、但不符合标准；
-早已满足标准，但须要改进系统大小和系统控制以在中级量子算法中找到应用的系统；
-处于容错量子估算阀值的量子体系结构，具有足够大的量子寄存器来实现用于大规模量子估算的逻辑量子比特。
为了比较不同的体系结构，有必要采用定义明晰、标准化的方式来表征和基准测试量子估算设备。这次，法国标准组织确定了两种方式：第一种方式（“自下而上”）确定关键参数（或指标），包括检测合同、以及要执行什么检测来指定被测设备的相关特点；第二种方式（“自上而下”）采用了可以在被测设备上运行的待定义算法，算法的输出将提供被测设备的预期特点。它们都有彼此适用的量子估算软件、硬件堆栈。
上述量子计算机设备表征和基准测试的标准化可以达到几个目的：
-定义一组公认的关键参数、测量合同和算法，以实现可靠描述；
-构建量子计算机组件的质量标准和认证保证供应链中零部件的质量；
-有助于以定义明晰的方法比较互补的体系结构，帮助进一步开发和应用；
-告知量子计算机设备的性能。
右图显示了量子估算和量子模拟领域标准化活动开始的恐怕时间表。事实上，一些活动早已在进行中：ISO/IEC正在开发量子估算词汇表、IEEE正在积极研究指标和基准测试。在撰写本文时，可持续发展组织正在积极考虑可能在2023年开始的几项工作议案。
开始量子估算和量子模拟领域标准化活动的可能时间表。红色主题早已在进行中，红色主题正在积极考虑中。
量子计量学、传感和量子提高成像（QMSI）借助量子态的性质和特殊现象：比如从汇聚物质到单光子，通过NV色心、冷原子、离子或单电子等各类数学平台中的纠缠和非精典关联。
QMSI设备明显增强了检测或评估各类系统参数的确切性和精度。除此之外，它们容许赶超与传统精典检测策略相关的限制，如真空度波动造成的环境噪音（所谓的散粒噪音）、位置检测中的动态噪音（标准量子极限）或衍射极限。
QMSI设备应用囊括了从基础研究到工业实际应用的一系列领域，包括数学、化学、生物学、医学、材料科学以及量子信息、计算和通讯领域。
这次，法国标准化团队确定了两个主要的应用领域和相关的标准化需求：
-QMSI支持的新型应用程序；
-可靠量子科技的表征、基准测试和评估。
量子磁力仪(QMs)是一种基于载流子的设备，以特斯拉(T)为单位检测磁路密度。QM在从fT到几个T的数目级范围内是敏感的。它们正在广泛的应用中商业化，类似于它们的传统同行，包括位置控制、机载和海上导航、地磁侦测、汽车工程、磁性材料表征、高电压测量，以及电瓶确诊。据悉，它们在最低磁场下的高灵敏度促使了QM在脑磁图勾画等医学应用中的应用。
标准化需求可分为三大主题：
-所用原子系综的标准化；
-基础设施标准化和检测合同手册；
-标准化条件下设备性能的定义。
量子网路是量子通讯系统及其联接的量子通道的排列，这种量子通道才能在网路的一些或所有节点上实现量子状态转移（直接传输通道）或在量子状态之间构建量子相关性（量子相关性通道）。
目前，量子网路分为两种类型：
-多跳网路(Multi-hop)：当只有直接传输信道可用时，即直接传输
量子态或量子关联的构建只能在有限的距离上进行（一般是大都市或地区）。长距离量子相关性的构建是不可能的，但在量子机制之外不可行的精典相关性可以通过这种信道的精典级联和额外的信任来实现，因而限制了对量子能力的访问（没有端到端的量子秘钥分发），由于在多跳链路的起始点和结束点之间不能完善量子相关性。请注意，这种类型的网路不一定是静态的，由于可以按照须要通过切换机制在端点之间构建直接的量子传输信道（假如须要，波长切换也是可行的）。
-端到端网路（有时称为量子信息网路或全量子网路）：准许网路中所有量子系统之间通过特别长范围（潜在的无限距离）的量子相关信道进行完全联接。这种网路将容许（通讯方面）不受限制地实现任何量子通讯合同，包括QKD，而不须要可信节点（称作为可信中继器）。
也可以进行基本分类：
-量子秘钥分发网路：受信任的中继器类型、端到端量子通讯类型；
-量子信息网路。依据主要施行领域，可以确定以下不同的情况：地面网路、星载网路、混合版本。
已有的相关标准
目前，全面标准一般仍未制订。具体而言，全量子网路的总体设计和操作以及它们与精典通讯网路的互相作用还有待详尽研究。
本路线图文件是CEN/量子技术焦点小组(FGQT)三年工作、30多次大会和300多次贡献的结果。
在确定了对上述量子技术的技术报告和技术规范的需求后，下一个问题将是怎样组织工作以确保那些技术的创建。这须要在法国层面进行讨论和提出建议，并与ISO、ITU、ETSI和其他相关标准制订呼吁进行全球协调。
报告链接：
.pdf(.eu)
参考链接：
for:readourtwonewly-CEN-(.eu)