美國(guó)最近推出了一系列促進(jìn)和推動(dòng)量子進(jìn)步的舉措。2020年10月7日，美國(guó)白宮科技政策辦公室（OSTP）推出了一個(gè)一站式網(wǎng)站，詳細(xì)介紹了其在量子領(lǐng)域的所有工作，并發(fā)布了一份全面的量子前沿報(bào)告，指出了需要開(kāi)展研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。

量子器件及技術(shù)是備受關(guān)注的新興領(lǐng)域，研究原子尺度的現(xiàn)象，預(yù)計(jì)將從根本上改變科學(xué)、工程、通信和其他領(lǐng)域。自2018年美國(guó)公布《國(guó)家量子計(jì)劃法案》（National Quantum Initiative Act）以來(lái)，特朗普政府一直強(qiáng)調(diào)量子信息科學(xué)（QIS）蘊(yùn)含一個(gè)“未來(lái)產(chǎn)業(yè)”，并提出了一系列投資計(jì)劃和政府主導(dǎo)的項(xiàng)目。

新推出的量子網(wǎng)站（Quantum.gov）意在成為“美國(guó)國(guó)家量子計(jì)劃之家”，將新聞、資源、文件、報(bào)道、行動(dòng)和其他信息集中在一個(gè)地方，記錄政府在量子領(lǐng)域的工作。在OSTP的聲明中，該網(wǎng)站被稱為“一個(gè)新的數(shù)字中心”，將不斷壯大的量子社區(qū)與聯(lián)邦政府正在進(jìn)行的廣泛活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。

新發(fā)布的《量子前沿報(bào)告》，包含了來(lái)自公共、私人和學(xué)術(shù)界的多方面反饋，聚焦美國(guó)國(guó)家量子戰(zhàn)略。報(bào)告闡明了須優(yōu)先考慮的研究領(lǐng)域，以確保充分發(fā)揮QIS的潛力。根據(jù)美國(guó)政府公告，該報(bào)告意在圍繞未來(lái)幾年的關(guān)鍵問(wèn)題，聚焦和組織全面的QIS研究和產(chǎn)業(yè)集群。報(bào)告列出的“八個(gè)前沿領(lǐng)域”包含當(dāng)今QIS面臨的基本問(wèn)題的核心癥結(jié)，為整個(gè)美國(guó)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)提出了關(guān)鍵的研究問(wèn)題，將成為美國(guó)研究人員的重要路線圖。

八個(gè)前沿領(lǐng)域1加強(qiáng)量子技術(shù)造福社會(huì)的能力

加快量子技術(shù)的可用性發(fā)展非常重要，這意味著要平衡基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用研究。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的關(guān)鍵包括：（1）闡明量子技術(shù)的基本能力。闡明利用量子現(xiàn)象來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；描述量子現(xiàn)象帶來(lái)的全新能力；以及了解量子計(jì)量學(xué)和量子計(jì)算可以從量子網(wǎng)絡(luò)中獲得的根本優(yōu)勢(shì)。（2）與領(lǐng)域?qū)＜液徒K端用戶合作。確定量子技術(shù)可能解決的現(xiàn)實(shí)任務(wù)是目前的研究共識(shí)。QIS科學(xué)家和工程師與其他領(lǐng)域的專家聯(lián)合，探索量子技術(shù)潛在應(yīng)用，將加快量子技術(shù)解決關(guān)鍵社會(huì)挑戰(zhàn)的進(jìn)程。

2建立量子工程學(xué)科

量子工程應(yīng)該成為工程學(xué)院的一個(gè)新學(xué)科或分學(xué)科，通過(guò)新的視角來(lái)克服QIS領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的三個(gè)主要研究方向包括：（1）集成量子硬件、軟件和支撐技術(shù)。在硬件方面，重要研究領(lǐng)域包括量子位陣列、制冷裝置、光電器件、單光子探測(cè)器、真空系統(tǒng)、布線和饋線、激光器和穩(wěn)定元件、射頻和微波技術(shù)、器件封裝、量子存儲(chǔ)技術(shù)、量子態(tài)制備的有效方法、以及量子系統(tǒng)不同組件之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)換。在軟件和系統(tǒng)方面，重要研究領(lǐng)域包括開(kāi)發(fā)模塊化軟件設(shè)計(jì)、將計(jì)算問(wèn)題映射到專用硬件配置的方法、以及探索基于硬件響應(yīng)語(yǔ)義模型的編程語(yǔ)言。（2）探索系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)、抽象和測(cè)試。建立量子工程的基本原理，讓研究人員能夠基于不同的抽象層建立和使用量子系統(tǒng)，而不必從第一性原理開(kāi)始，這將會(huì)是QIS研發(fā)的突破性進(jìn)展。（3）使模塊化系統(tǒng)成為可能。量子位系統(tǒng)固有的復(fù)雜性使得它們難以理解、建模和驗(yàn)證，報(bào)告強(qiáng)調(diào)需要開(kāi)發(fā)技術(shù)、協(xié)議、模型和驗(yàn)證方法，以支持異構(gòu)的、模塊化的和可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)、制備方法、表征技術(shù)和量子位封裝技術(shù)。

3以材料科學(xué)為目標(biāo)的量子技術(shù)

在量子計(jì)算應(yīng)用中，量子比特質(zhì)量與材料質(zhì)量密不可分。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的兩個(gè)關(guān)鍵研究方向包括：（1）利用材料科學(xué)提高器件性能。利用當(dāng)前的知識(shí)和工具來(lái)提高量子器件所需材料的質(zhì)量和彈性。材料領(lǐng)域的已有理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)將有助于設(shè)計(jì)、表征、制備和評(píng)估量子器件。（2）探索材料設(shè)計(jì)、制備和表征的新方法。研究途徑包括：探索人工智能驅(qū)動(dòng)的材料科學(xué)、改進(jìn)的化學(xué)模擬技術(shù)、三維原子尺度成像、用于量子材料表征和量子器件讀數(shù)的掃描探針技術(shù)、高靈敏度的磁共振工具、以及極端條件下新的測(cè)量和建模能力。

4通過(guò)量子模擬探索量子力學(xué)

量子工程技術(shù)可以用來(lái)有效地模擬和仿真量子系統(tǒng)本質(zhì)。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的兩個(gè)關(guān)鍵研究方向包括：（1）開(kāi)發(fā)量子模擬應(yīng)用。量子設(shè)備有助于理解量子系統(tǒng)的科學(xué)和工程問(wèn)題，關(guān)鍵的研究包括：化學(xué)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，分子光譜學(xué)的核振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)計(jì)算，多體化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，材料平衡性、相圖和其他特性，以及其他多體動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜物理現(xiàn)象。（2）在可用設(shè)備上實(shí)現(xiàn)算法并探索其性能。量子算法方面諸如量子相位估計(jì)、絕熱態(tài)制備、量子虛時(shí)演化、哈密頓模擬、實(shí)空模擬和費(fèi)米模擬。量子-經(jīng)典混合方面包括用于基態(tài)能量?jī)?yōu)化的可變量子本征求解器（VQE）和量子近似優(yōu)化算法（QAOA）。在現(xiàn)有的量子-經(jīng)典框架下開(kāi)發(fā)量子算法，如為嘈雜中型量子器件（NISQ）開(kāi)發(fā)新算法，并探索其在噪聲下的性能。

5利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測(cè)量

原子鐘、原子干涉儀、磁強(qiáng)計(jì)和核磁共振（NMR）成像系統(tǒng)等尖端計(jì)量技術(shù)已經(jīng)證明了量子控制和QIS相關(guān)方法的優(yōu)勢(shì)。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的兩個(gè)關(guān)鍵研究方向包括：（1）部署量子技術(shù)以提高準(zhǔn)確性與精密度。精確定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）應(yīng)用已使用量子技術(shù)，但通常存在尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）方面的實(shí)踐限制。因此在滿足實(shí)地部署系統(tǒng)整體性要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)卓越性能將是測(cè)量科學(xué)與量子工程相結(jié)合的一個(gè)關(guān)鍵方向。（2）創(chuàng)建原位和體內(nèi)量子傳感的新模式和應(yīng)用。量子傳感的優(yōu)勢(shì)可能是深遠(yuǎn)的，但需要證明這方面量子控制的合理性，可能的研究方向包括：高能物理探測(cè)器，化學(xué)實(shí)驗(yàn)光譜學(xué)，結(jié)合尖端空間分辨率和光譜化學(xué)位移靈敏度的核磁共振技術(shù)，大地測(cè)量和繪圖，水文和礦物勘探，使用量子增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)，以及各種生物科學(xué)應(yīng)用，如腦電圖、腦磁圖、視覺(jué)、光合作用、細(xì)胞動(dòng)力學(xué)和趨磁性等研究。（3）利用糾纏和量子計(jì)算機(jī)改進(jìn)測(cè)量。將此概念擴(kuò)展到傳感器陣列和其他聯(lián)網(wǎng)量子系統(tǒng)（如糾纏時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)）是量子計(jì)量學(xué)的前沿研究。量子預(yù)處理和后處理的最佳糾纏和測(cè)量增加了該研究的可能性，其中一個(gè)探索方向是基于量子電路或小型量子處理器的多體量子態(tài)。

6為新應(yīng)用生成和分發(fā)量子糾纏

通過(guò)不同模塊量子比特的糾纏來(lái)連接量子設(shè)備可能是擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵途徑。在該前沿領(lǐng)域需要探索的四個(gè)關(guān)鍵研究方向包括：（1）開(kāi)發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)的基本組件，涵蓋從量子中繼器到存儲(chǔ)器和互連等組件。（2）實(shí)現(xiàn)量子態(tài)轉(zhuǎn)換，探索途徑包括：量子態(tài)的相干轉(zhuǎn)換，量子頻率轉(zhuǎn)換，自旋態(tài)、電荷態(tài)、極化態(tài)、空間模式、軌道角動(dòng)量和其他自由度的量子控制，高維量子比特，連續(xù)變量糾纏的表現(xiàn)形式。（3）集成量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。短距離糾纏分布是該方向的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，該研究方向的探索途徑包括：糾纏分布的基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議以及研究試驗(yàn)臺(tái)或設(shè)施（例如，交換、純化、互連和經(jīng)典-量子混合方法）。（4）探索量子網(wǎng)絡(luò)算法、應(yīng)用、協(xié)議和方法。量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也將促進(jìn)該前沿研究，例如分布式量子計(jì)算、盲量子計(jì)算、端到端量子加密、安全軟件分發(fā)和糾纏傳感器陣列。除了全新的算法和應(yīng)用，還需要改進(jìn)或大規(guī)模修訂網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以便在新的量子網(wǎng)絡(luò)測(cè)試臺(tái)上工作。

7表征和減小量子誤差

抗退相干對(duì)于量子計(jì)量和網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，除了材料研究，改善控制的途徑還包括量子糾錯(cuò)、無(wú)退相干子空間、容錯(cuò)量子計(jì)算等。在該前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的三個(gè)關(guān)鍵研究方向包括：（1）多量子位系統(tǒng)的表征與控制。量子門性能是設(shè)計(jì)和控制規(guī)模化量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵，量子誤差改進(jìn)的途徑包括：材料的改進(jìn)、多量子比特測(cè)量和反饋、控制技術(shù)和平臺(tái)的改進(jìn)、以及量子糾錯(cuò)基本理論的擴(kuò)展。（2）接近容錯(cuò)條件。抑制量子錯(cuò)誤為通用計(jì)算與系統(tǒng)接近容錯(cuò)條件提供了途徑，相關(guān)研究包括：抑制錯(cuò)誤的新性能基準(zhǔn)、容錯(cuò)驗(yàn)證、糾錯(cuò)量子中繼器、絕熱和模擬量子計(jì)算的容錯(cuò)方法等。（3）使用當(dāng)前設(shè)備來(lái)改進(jìn)量子比特性能，相關(guān)研究包括實(shí)現(xiàn)有用計(jì)算需要抑制的誤差量、低深度算法（如近似優(yōu)化）、以及根據(jù)專用硬件調(diào)整量子誤差的實(shí)用策略。

8通過(guò)量子信息了解宇宙基礎(chǔ)性QIS研究開(kāi)辟了新的科學(xué)前景。三個(gè)主要研究方向奠定了該前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)，包括：（1）探索計(jì)算和信息的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。QIS相關(guān)的計(jì)算基礎(chǔ)問(wèn)題涉及量子復(fù)雜性理論、量子資源理論和量子計(jì)算。（2）擴(kuò)展物理理論的局限性。利用QIS概念和量子模擬新應(yīng)用來(lái)探索物理理論的局限性，相關(guān)研究包括：通過(guò)量子行走的量子計(jì)算擴(kuò)展散射理論，通過(guò)量子糾錯(cuò)碼和多體糾纏協(xié)助尋找物質(zhì)的新相位和拓?fù)鋺B(tài)，通過(guò)AdS/CFT對(duì)偶場(chǎng)論輔助了解量子引力理論，以及在強(qiáng)耦合條件下探索測(cè)量理論。（3）測(cè)試粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。QIS可以提供新的方法來(lái)檢驗(yàn)和拓展粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，例如，搜索暗物質(zhì)和暗能量、測(cè)試CPT、Lorentz等基本對(duì)稱性、以及搜索基本常數(shù)的時(shí)空變化。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【政策規(guī)劃?算】美國(guó)政府為量子計(jì)劃推出一站式網(wǎng)站，發(fā)布量子前沿報(bào)告

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