12月14日，美国阿贡国家实验室量子信息科学研究中心Q-NEXT发布了《量子互连路线图（A Roadmap for Quantum Interconnects）》，概述了在未来10到15年的时间尺度上发展量子信息所需的研究和科学发现。路线图讨论了量子互连在计算、通信和传感三个领域的作用，并回顾、总结了相关的科学问题和研究需求。该文件将这些考虑提炼为对未来十年战略科技研究的建议；除此之外，该路线图的制定还有一个更广泛的目标：为全世界量子科学和工程界制定未来十年所需的研究指南。
该路线图特别关注量子互连，即在系统之间、远距离链接和量子信息传输以实现量子计算、通信和传感的设备。报告从计算、传感和通信的角度，重点讨论这种纠缠分发的科学和技术需求。每个部分都确定了未来十年推进研究领域所需的科学和技术要求，并概述了将技术转化为实际优势所需的发展。
一、量子计算
(一)未来10年的科技任务
i.在低温下连接到量子比特以及量子比特之间的连接是具有挑战性的，目前，由于要求量子比特位于一个芯片上，并且需要使用物理体积很大的电子元件，如隔离器，这限制了集成进展。建立量子芯片之间的互连能力（例如，电缆上的2量子比特门）并在没有笨重组件（例如微波隔离器）的情况下执行量子比特读出，将使研究人员能够增加量子比特的数量和量子处理器的尺寸。
ii.使用非确定的原子尺度布局和制造方法，相干地控制和定位光学活性自旋/晶格缺陷，横向定位精度<20 nm；
iii.开发两种异构的量子比特网络架构，在更长的相干时间和更快的操作速度之间权衡；
iv.为大型系统（>1000量子比特）开发互连架构和性能基准测试指标；
v.展示从物质量子比特到电信波段光子的保真度超过99%的转换。
i.提高量子比特门的保真度并延长相干时间；
ii.改进量子比特的经典控制，发展高效可扩展的门驱动；
iii.针对更大系统的全栈量子计算系统的研究与演示；
iv.实现物理量子比特之间量子信息的高保真相互转换，以便根据需要使信息在长相干时间量子比特和高速率门操作的量子比特之间实现传递，这两种优势通常出现在不同类型的量子比特上。
二、量子通信
(一)未来10年的科技任务
i.为商业、政府和/或科学研究提供明确的近期需求，使其不能因成本原因而被经典手段替代，从而吸引更多工业投资进入并推动技术进步，服务于更长远的应用目标；
ii.发展与在可见光、近红外和电信波长的光量子比特兼容的关键量子元件，在关键性能指标上有数量级的提高；
iii.演示支持量子中继器的量子通信，其成功概率超过通过直接传输的成功概率；
iv.利用中继器演示长距离（城际）纠缠分发；
v.开发（优化和标准化）一个真正的多节点量子网络架构；
vi.展示城际规模下的同构多节点量子网络；
vii.展示洲际规模上的异构量子网络间的互连。
(二)需要的研究和发展
i.更短死时间的低温单光子探测器；
ii.在光纤通信O波段和C波段进行有效探测的半导体单光子雪崩光电二极管（SPAD）；
iii.纠缠/超纠缠光子对源，需要高度多元化的来源，包括：满足不同的波长与带宽要求；更高维度的纠缠或更多自由度的超纠缠；满足系统集成需求；指标需求为：生成速率>107s-1，具有>95%的保真度，<5%的多对事件，或光子对的非概率生成；
iv.超低损耗光信道研究；
v.空地间的量子隐形传态或纠缠交换；
vi.与经典网络的组网、同步和完整的网络安全协议集成；
vii.频率转换，将操控物质量子比特的光波长与通信波长光子联系起来；
viii.量子存储器；
ix.进一步发展关键的量子网络组件，如高速、低损耗的量子开关和复用技术；
x.要实现多跳网络，既需要沿着选定路径通过网络发送信息，也需要结合量子中继器来补偿信道中的信号损失，这需要评估和开发详细的交换/路由协议；
xi.真正完整的网络架构，这一步将在很大程度上依赖于量子误差缓解技术中的新兴理论工作，以及可靠的量子网络组件模型；
xii.与经典计算和通信服务的集成，编程工具，以及硬件，将需要作为组件集成到经典系统中。例如，量子密码服务必须集成到经典的密钥管理系统（KMS）或复杂的电子商务系统中；
xiii.量子组网纠错功能；
xiv.链路、节点和网络的监控和管理：量子网络将给网络管理带来新的挑战，因为需要在相关时间尺度上测试和了解纠缠链路和其他硬件的状况。这项工作将需要低水平的硬件控制和在量子比特或纠缠态水平上的操作。量子计算机认证的活跃研究集中在随着量子比特数量的增加而扩展的挑战，但对于网络来说，更大的挑战可能是两粒子纠缠态的统计精度，以及出于操作目的而连续执行验证（例如，贝尔不等式违反实验）的需要，而不是在长期运行后批量执行；
xv.应用程序编程接口（API）和库将需要链接到高精度时钟，并且还必须携带一些统计确定性的概念，作为编程模型的一部分，用于包括窃听检测的多个场景。传统的互联网应用程序使用称为套接字的中级软件结构，或用于远程数据查询或处理请求的高级工具。必须开发支持可移植、易于编写和易于调试的代码的量子等价物。
三、量子传感
(一)未来10年的科技任务
i.演示纠缠的多量子比特传感（在局部）比非纠缠的传感器在真正的传感目标上的表现要好；
ii.发展利用远程纠缠进行量子度量的理论；
iii.开发新的传感模式，利用多个传感器之间的关联性和纠缠性来测量单个传感器无法实现的观测数据；
iv.理解并减少固态传感器中的界面诱导退相干现象；
v.以小于5纳米的精度确定可寻址的光学活性自旋/晶格缺陷/杂质的位置并预测其在材料中的特性；
vi.使得分子结构的量子感应具有单核自旋敏感性；
vii.实现具有量子优势的直流-太赫兹电磁场感应，用于暗物质和轴子搜索，以及100 GHz的低暗计数单光子检测和参数放大，灵敏度比现有技术提高20 dB以上；
viii.在大于1 GHz的速率下，实现误差小于1%的光脉冲的光子数分辨检测；
(二)需要的研究和发展
i.指标的控制与确定，例如不同应用场景下的相干性、探测器效率和传感器带宽等等；
ii.材料的开发，如固态量子传感器中量子比特的位置要定位在5纳米以内，对界面和表面可靠和稳定的控制，低损耗鲁棒性量子光源，先进表征方法；
iii.理论上的发展，包括利用远程量子态的严格量子度量理论，以及开发在现实条件下通过制备新的量子态、使用纠错技术以及利用包括纠缠在内的所有量子资源来更好地提升测量精度的新协议；
iv.使传感系统的规模和成熟度更适宜野外环境部署；
v.将传感器的频率空间拓展到太赫兹和中红外波长之间，以更好地应用于医学成像等领域；
这项工作得到了美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心的支持。作为Q-NEXT中心的一部分，来自阿贡国家实验室、学术界和工业界共15个机构的39名专家参与了这份报告。Q-NEXT成员成立了三个小组，探讨与计算、通信和传感的量子互连相关的机会和需求。这些小组举行了一系列会议、联合研讨会，每个小组的研究结果被用作讨论和确定未来10~15年量子互连的关键要务和挑战的基础。
参考资料：