PRX Quantum：美国量子信息路线图

2019年，参与美国“国家量子计划”的科学家们聚在一起，探讨量子信息科学下一个十年的研究计划。研讨会由美国国家科学基金会资助，目的是为量子信息科学建立起一个统一的战略愿景。

这些科学家来自大学、国家实验室、工业界等，为了量子技术走向实用，他们将集中力量，加速关键创新的产出。一路上将充满挑战，会面临种种障碍。如何共同努力来解决面临的障碍，这些科学家们经过研讨，制定了详细的路线图，概述了可能的实现途径。

这些探讨结果汇集成了3篇“路线图”，于2021年2月24日发表在PRX Quantum期刊上。三个路线图涉及的主题分别是：量子计算、量子模拟和量子互联。量子信息科学是一项宏大的征程，需要物理学家、数学家、计算机科学家、电气工程师、材料科学家等群体的共同努力。路线图在PRX Quantum上公开刊登，是为了激发更多的人能参与到这一项事业之中。

量子计算机代表了一种全新的信息处理方法，它可以完成传统计算机难以甚至不可能完成的计算任务。量子计算机的核心是一组量子比特，在与环境充分隔离的情况下，它们可以处于0和1的量子叠加。通过量子逻辑门操作，多个量子比特可以变得“纠缠”——这是一种独特的量子属性，多个量子比特显示出很强的相关性，即便在被测量时，它们每一个都是随机的。这种固有的“连接”使量子计算机能够胜任在任何经典计算机上都不可企及的巨大信息空间上的计算和采样任务。

然而，我们还不清楚未来量子计算机将如何被使用，因为目前还只有少数已知算法能提供“量子优越性”。此外，建造量子计算机并将量子比特数和操作保真度提高到实际应用所需的水平，仍然是一个巨大的挑战。这两个挑战是相关的：通过构建更大、能力更强的量子计算机，我们能发现新的应用；通过改进应用，量子计算机硬件的发展可以得到有效的指引。应用的发现和装置的构建之间的这种交织，被称作“协同设计”。

早期的量子计算机应用可能来自科学本身，比如通过对量子现象的可编程模拟来理解信息如何在纠缠的量子系统中演化、传播。

“路线图”呼吁物理学家、数学家、计算机科学家、化学家以及工程师紧密结合，用科学的方法来共同设计未来的量子计算机系统，从而实现科学发现。

量子模拟器利用独特的量子效应来解决经典计算机难以解决的模拟难题。著名的例子包括：预测高温超导的性质，模拟光合作用等。通用量子计算机也能解决这些问题，但容错量子计算可能要很久以后才会出现。然而，利用专注于特殊用途的设备，量子模拟可以在短期内取得重要进展。

量子模拟包括类比量子模拟（analog quantum simulation）、数字量子模拟（digital quantum simulation），以及两者的混合。过去二十年，量子模拟器取得了重大进展，这为该领域带来了新的机遇。“路线图”描绘了这个领域面临的机遇和挑战：

- 确定了在基础和应用物理领域中可以通过量子模拟器解决的广泛问题。这些问题涉及量子材料、量子化学、量子器件和量子输运、引力、粒子物理、宇宙学和非平衡量子动力学等领域。

- 建议在未来五年内，采取双管齐下的方案来推动领域的进展。首先，基于相对成熟的技术,物理学家、计算机科学家和工程师等参与的多学科合作将迅速发展和利用原型量子模拟器。与工业界、国家实验室和应用方面的领域专家的接触也至关重要。其次，集中力量推进原理、器件和应用方面的创新，使下一代模拟器具备更多更强的能力。优先要考虑的事项包括：计算机科学和量子物理的基础理论研究，新平台和体系结构的发展，以及控制系统等。

经典信息技术依赖于在不同地点和不同媒介之间传输信息的能力。例如，在现代计算机中，信息存储在硬盘的磁畴中，以电线中电信号的形式被传送到处理器，以晶体管两端电压的形式被操作处理，并被转换成光子，通过高速光纤连接到互联网。

与经典信息技术类似，量子信息技术将依赖于在不同的量子系统之间传输量子信息的能力，这些量子系统有不同的任务。例如，用于量子计算的超导量子比特可以连接到一个光子量子通道，该通道可以将量子信息传输到遥远的处理器或存储系统。然而，量子信息极其脆弱，在不破坏它的情况下在系统之间将其传输，是一项艰巨而又关键的任务。虽然许多量子信息处理系统最近已经得到了论证，但在它们之间设计建造高效的量子互连是实现量子技术（如量子互联网）的关键挑战。此外，经典控制线和量子系统之间的接口是将量子系统（如量子计算处理器）扩展到更大尺寸的重要要求。“路线图”描述了量子互联技术的当前进展情况，并提供了实现未来目标的路线。