量子信息科技有廣闊的應用前景，有望在未來幾十年成為我們日常生活的一部分，包括能夠推動基礎科學和醫學突飛猛進的超精密量子傳感器、具有強大算力可解決金融和物流難題的量子計算機、將量子傳感器和量子計算機連接起來的量子通信。2022年12月14日，美國Q-NEXT量子中心發布了《量子互連路線圖》，旨在為使用量子互連的量子信息科技的主要方向提供路線圖，概述了未來10-15年量子互連研究的必要議題，重點關注量子互連對量子計算、量子通信和量子傳感中的影響。Q-NEXT量子中心是“下一代量子科學和工程”的簡稱，是在美國《國家量子計劃法案》（2018年）指導下，由美國阿貢國家實驗室2020年牽頭組建的國家量子信息科學中心，重點開發安全的量子通信鏈路和傳感網絡。

量子互連在系統之間和不同長度尺度上連接和分發相干的量子信息，以實現量子計算、量子通信和量子傳感。量子互連的影響及相關研究需要基于領域系統性考慮，單獨關注量子互連則過于狹隘，因此路線圖從量子計算、量子通信和量子傳感三個領域討論量子互連的關鍵議題，每個領域都確定了未來十年的科技優先事項，列出了領域發展所需的材料、組件和系統，概述了技術轉化為實際優勢的研發需求。

一、量子計算路線圖

（一）量子計算機的影響

1.未來10-15年量子計算機的變革性影響

（1）量子模擬，特別是應用在化學、物理和材料科學領域，例如，量子化學可能對計算材料和分子設計產生重大影響，包括藥物發現、材料制備等。（2）經過認證的隨機數生成器。（3）量子密碼學，例如基于格（lattice-based）的后量子密碼算法。（4）優化算法，例如蒙特卡洛算法和量子近似優化算法。（5）量子算法部署，提供線性代數中的高效計算解決方案，并用于基于機器學習的數據分析。

2.未來幾年量子計算機的重要進展

未來幾年量子計算機的重要影響主要集中在量子計算本身：（1）量子算法將隨著更多比特（>1000量子比特）量子計算機的實現而加速地演進；（2）量子糾錯方面，高保真度的邏輯量子比特將取得重要進展。

在組件和器件層面上，實現上述影響需要更高保真度的單或雙量子比特門以及更多可用的高保真度量子比特。與半導體器件的密度縮放不同，量子處理器的關鍵挑戰是實現大規模糾纏。

（二）未來十年量子計算的科技優先事項

1. 改善低溫下量子比特的輸入/輸出、可尋址性和連接性。

2. 使用不確定性原子級放置和制造方法，相干控制、尋址光學活性自旋/晶格缺陷，這些缺陷處于小于20nm橫向精度或三維空間中。

3. 開發量子網絡架構：（1）適用于不同類型量子比特的網絡架構；（2）適用于大型量子計算機（>1000量子比特）的互連架構。

4. 實現從物質量子比特到光子的轉換，保真度為99%。

（三）用于量子計算的量子互連研發需求

1.六種關鍵量子比特系統及其優勢和挑戰

未來量子計算將重點關注六種關鍵量子比特系統及其糾纏分發：（1）光學尋址的半導體缺陷中心量子比特，例如金剛石、碳化硅，此類缺陷可以是固有的或摻雜缺陷。（2）超導量子比特，例如鋁、鈮、鉭。（3）中性原子量子比特，真空腔中原子阱的光學尋址。（4）電尋址的自旋量子比特，例如基于硅、鍺或合金的柵極定義量子點。（5）離子阱量子比特，真空腔中離子阱的光學尋址。（6）光量子比特，全光量子處理包括離散變量和連續變量方法。

上述六種關鍵量子比特系統的優勢及挑戰如表1所示。

表1六種關鍵量子比特系統的優勢及挑戰

2.未來量子計算研發需求

（1）提高量子門的保真度和相干性。（2）改進量子比特的經典控制，突破大量量子比特的可擴展性和成本限制。（3）研究和示范大型全棧量子計算系統。（4）實現物理量子比特間的量子信息相互轉換。

二、量子通信路線圖

（一）量子通信的影響

未來10-15年量子通信系統可能產生的技術影響：（1）量子密鑰分發。（2）量子增強的經典通信。（3）量子密鑰分發之外的身份驗證和安全性。（4）量子中繼器推動的基礎科學，遠距離糾纏分發為非局域性、退相干、量子引力等基本問題提供研究環境。（5）量子網絡（量子中繼器使能）助力的量子傳感。（6）量子計算網絡，包括盲量子計算（blind quantum computing）、分布式量子計算、以及與量子傳感相結合的邊緣量子計算。

（二）未來十年量子通信的科技優先事項

1. 對商業、政府、科學方面的明確需求提供精確且近期應用。

2.在可見光、近紅外、電信波段開發與光量子比特兼容的關鍵量子組件，例如，量子存儲器、量子光源、量子換能器等。

3. 演示量子中繼器使能的量子通信，可用性超過直接傳輸。

4. 使用中繼器演示遠距離（城際）糾纏分發。

5. 開發實際多節點量子網絡架構，實現優化和標準化。

6. 演示城際尺度的同質多節點量子網絡，同質互連連接相同類型的量子比特。

7. 演示州際尺度的異質多節點量子網絡，異質互連連接不同類型的量子比特。

（三）用于量子通信的量子互連研發需求

1.量子通信子系統分類

（1）網絡類型。主要包括系統區域網絡（SAN）、數據中心網絡（DCN）、局域網（LAN）、城域網（MAN）、移動網絡（MOB）、廣域網（WAN）、衛星網絡（SAT）。

（2）節點硬件分類。包括三類節點，分別為：終端節點：包括計算節點（通用量子計算機）、存儲節點、傳感節點、測量節點；中繼器：包括基于量子存儲的中繼器、基于量子糾錯的中繼器、路由器；支持節點：包括貝爾狀態分析器、量子糾纏光子對源、光交換節點。

（3）組件分類。每類網絡節點由一組組件構成。常規組件：波導、耦合器、交換機、激光器，但仍需要適配量子應用；量子組件：量子存儲器、光源和探測器、量子處理器、轉換器等。

（4）架構、協議和軟件分類。包括：不同服務的連接架構，鏈路層、網絡層、應用層協議，網絡層量子糾錯及相關技術，路由和多路復用，網絡操作安全。

2.未來量子通信的研發需求

（1）低溫單光子探測器，（2）半導體單光子雪崩光電二極管（SPAD），（3）糾纏/超糾纏光子對源，（4）超低損耗的光通路研究，（5）空地連接，（6）與經典網絡協議等集成，（7）換能器，（8）量子存儲器，（9）進一步開發關鍵量子網絡組件，如高速低損耗量子開關、多路復用技術等，（10）網絡協議優化，（11）網絡架構，（12）與經典計算和通信服務的集成，（13）糾錯量子網絡功能，（14）鏈路、節點和網絡的監控和管理，（15）應用程序編程模型與接口。

三、量子傳感路線圖

（一）量子傳感的影響

未來15年的量子傳感技術有望得到顯著改進，量子傳感預期影響和部署的關鍵領域：（1）生物化學，（2）基礎物理，（3）導航與授時，（4）凝聚態物理、材料科學、量子技術。

（二）未來十年量子傳感的科技優先事項

1. 實現糾纏的多量子比特傳感（局部），并展示其比非糾纏的傳感器更具性能優勢。互連的傳感器可以改善以下性能：靈敏度、動態范圍、帶寬、空間分辨率、獲得相關性、測量的非侵入性。

2.發展使用遠程糾纏的嚴格量子計量理論，以確定可以從量子優勢中受益的分布式傳感任務類型，評估這些量子優勢的擴展特性以及互連傳感系統實現這些量子優勢所需的性能指標。

3. 開發新的傳感模式，利用多個傳感器之間的相關性和糾纏來測量單個傳感器無法獲得的可觀測值。

4. 理解并減少固態傳感器中界面誘導的退相干。界面在互連傳感器中不可避免，也是造成退相干的已知來源。

5. 以小于5nm的精度定位可尋址的活性自旋/晶格缺陷/雜質，并預測它們在材料中的特性。

6.以單核自旋靈敏度實現分子結構量子傳感，實現對分子功能和結構的研究。

7. 實現具有量子優勢的直流-太赫茲電磁場傳感。

8. 在誤差小于1%的情況下，以大于1GHz的速率實現光脈沖的光子數分辨檢測。

（三）用于量子傳感的量子互連研發需求

1.量子傳感主要系統及關鍵技術領域

目前人們主要探索的量子傳感系統包括：（1）固態缺陷，包括金剛石、碳化硅、六方氮化硼、過渡金屬二鹵化物等中的空位缺陷，（2）原子系統，（3）超導系統，（4）非經典光子態（光、微波、毫米波），（5）量子體系中的機械系統（包括光、電機械系統）。

未來15年對實現量子傳感應用的關鍵技術領域包括：（1）傳感和計量物理學，（2）材料和結構，（3）互連的系統規模。

2.未來量子傳感的研發需求

（1）指標的控制和確定，例如探測器效率，傳感器的靈敏度和帶寬，反作用規避，量子非破壞性，傳感網絡帶寬，單光子探測器的系統效率、飽和率、噪聲、抖動、光子數分辨率等。

（2）對材料科學的理解，例如傳感量子比特缺陷定位及糾纏生成，界面和表面的可靠控制，低損耗、穩定的量子光源，先進的材料表征方法等。

（3）促進理論進步，例如使用遠程量子態的嚴格量子計量理論，新協議等。

（4）擴大量子傳感系統規模和提高量子傳感平臺的成熟度。

（5）拓展頻率空間，例如從光、微波拓展到更長的波段（射頻及以下）。

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審核編輯 ：李倩