美國最近推出了一系列促進和推動量子進步的舉措。2020年10月7日，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）推出了一個一站式網站，詳細介紹了其在量子領域的所有工作，并發布了一份全面的量子前沿報告，指出了需要開展研究的關鍵領域。

量子器件及技術是備受關注的新興領域，研究原子尺度的現象，預計將從根本上改變科學、工程、通信和其他領域。自2018年美國公布《國家量子計劃法案》（National Quantum Initiative Act）以來，特朗普政府一直強調量子信息科學（QIS）蘊含一個“未來產業”，并提出了一系列投資計劃和政府主導的項目。

新推出的量子網站（Quantum.gov）意在成為“美國國家量子計劃之家”，將新聞、資源、文件、報道、行動和其他信息集中在一個地方，記錄政府在量子領域的工作。在OSTP的聲明中，該網站被稱為“一個新的數字中心”，將不斷壯大的量子社區與聯邦政府正在進行的廣泛活動聯系起來。

新發布的《量子前沿報告》，包含了來自公共、私人和學術界的多方面反饋，聚焦美國國家量子戰略。報告闡明了須優先考慮的研究領域，以確保充分發揮QIS的潛力。根據美國政府公告，該報告意在圍繞未來幾年的關鍵問題，聚焦和組織全面的QIS研究和產業集群。報告列出的“八個前沿領域”包含當今QIS面臨的基本問題的核心癥結，為整個美國創新生態系統提出了關鍵的研究問題，將成為美國研究人員的重要路線圖。

八個前沿領域1加強量子技術造福社會的能力

加快量子技術的可用性發展非常重要，這意味著要平衡基礎研究和潛在應用研究。在該前沿領域取得進展的關鍵包括：（1）闡明量子技術的基本能力。闡明利用量子現象來改進現有技術的優勢；描述量子現象帶來的全新能力；以及了解量子計量學和量子計算可以從量子網絡中獲得的根本優勢。（2）與領域專家和終端用戶合作。確定量子技術可能解決的現實任務是目前的研究共識。QIS科學家和工程師與其他領域的專家聯合，探索量子技術潛在應用，將加快量子技術解決關鍵社會挑戰的進程。

2建立量子工程學科

量子工程應該成為工程學院的一個新學科或分學科，通過新的視角來克服QIS領域的挑戰。在該前沿領域取得進展的三個主要研究方向包括：（1）集成量子硬件、軟件和支撐技術。在硬件方面，重要研究領域包括量子位陣列、制冷裝置、光電器件、單光子探測器、真空系統、布線和饋線、激光器和穩定元件、射頻和微波技術、器件封裝、量子存儲技術、量子態制備的有效方法、以及量子系統不同組件之間的量子態轉換。在軟件和系統方面，重要研究領域包括開發模塊化軟件設計、將計算問題映射到專用硬件配置的方法、以及探索基于硬件響應語義模型的編程語言。（2）探索系統級架構、抽象和測試。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，而不必從第一性原理開始，這將會是QIS研發的突破性進展。（3）使模塊化系統成為可能。量子位系統固有的復雜性使得它們難以理解、建模和驗證，報告強調需要開發技術、協議、模型和驗證方法，以支持異構的、模塊化的和可擴展的設計、制備方法、表征技術和量子位封裝技術。

3以材料科學為目標的量子技術

在量子計算應用中，量子比特質量與材料質量密不可分。在該前沿領域取得進展的兩個關鍵研究方向包括：（1）利用材料科學提高器件性能。利用當前的知識和工具來提高量子器件所需材料的質量和彈性。材料領域的已有理論和實驗技術將有助于設計、表征、制備和評估量子器件。（2）探索材料設計、制備和表征的新方法。研究途徑包括：探索人工智能驅動的材料科學、改進的化學模擬技術、三維原子尺度成像、用于量子材料表征和量子器件讀數的掃描探針技術、高靈敏度的磁共振工具、以及極端條件下新的測量和建模能力。

4通過量子模擬探索量子力學

量子工程技術可以用來有效地模擬和仿真量子系統本質。在該前沿領域取得進展的兩個關鍵研究方向包括：（1）開發量子模擬應用。量子設備有助于理解量子系統的科學和工程問題，關鍵的研究包括：化學電子結構計算，分子光譜學的核振動和旋轉計算，多體化學動力學和化學反應，材料平衡性、相圖和其他特性，以及其他多體動力學和復雜物理現象。（2）在可用設備上實現算法并探索其性能。量子算法方面諸如量子相位估計、絕熱態制備、量子虛時演化、哈密頓模擬、實空模擬和費米模擬。量子-經典混合方面包括用于基態能量優化的可變量子本征求解器（VQE）和量子近似優化算法（QAOA）。在現有的量子-經典框架下開發量子算法，如為嘈雜中型量子器件（NISQ）開發新算法，并探索其在噪聲下的性能。

5利用量子信息技術進行精密測量

原子鐘、原子干涉儀、磁強計和核磁共振（NMR）成像系統等尖端計量技術已經證明了量子控制和QIS相關方法的優勢。在該前沿領域取得進展的兩個關鍵研究方向包括：（1）部署量子技術以提高準確性與精密度。精確定位、導航和授時（PNT）應用已使用量子技術，但通常存在尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）方面的實踐限制。因此在滿足實地部署系統整體性要求的同時實現卓越性能將是測量科學與量子工程相結合的一個關鍵方向。（2）創建原位和體內量子傳感的新模式和應用。量子傳感的優勢可能是深遠的，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：高能物理探測器，化學實驗光譜學，結合尖端空間分辨率和光譜化學位移靈敏度的核磁共振技術，大地測量和繪圖，水文和礦物勘探，使用量子增強望遠鏡的天文學，以及各種生物科學應用，如腦電圖、腦磁圖、視覺、光合作用、細胞動力學和趨磁性等研究。（3）利用糾纏和量子計算機改進測量。將此概念擴展到傳感器陣列和其他聯網量子系統（如糾纏時鐘網絡）是量子計量學的前沿研究。量子預處理和后處理的最佳糾纏和測量增加了該研究的可能性，其中一個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。

6為新應用生成和分發量子糾纏

通過不同模塊量子比特的糾纏來連接量子設備可能是擴展量子計算機的一個關鍵途徑。在該前沿領域需要探索的四個關鍵研究方向包括：（1）開發量子網絡的基本組件，涵蓋從量子中繼器到存儲器和互連等組件。（2）實現量子態轉換，探索途徑包括：量子態的相干轉換，量子頻率轉換，自旋態、電荷態、極化態、空間模式、軌道角動量和其他自由度的量子控制，高維量子比特，連續變量糾纏的表現形式。（3）集成量子網絡系統。短距離糾纏分布是該方向的關鍵挑戰，該研究方向的探索途徑包括：糾纏分布的基礎設施和協議以及研究試驗臺或設施（例如，交換、純化、互連和經典-量子混合方法）。（4）探索量子網絡算法、應用、協議和方法。量子網絡應用也將促進該前沿研究，例如分布式量子計算、盲量子計算、端到端量子加密、安全軟件分發和糾纏傳感器陣列。除了全新的算法和應用，還需要改進或大規模修訂網絡協議，以便在新的量子網絡測試臺上工作。

7表征和減小量子誤差

抗退相干對于量子計量和網絡至關重要，除了材料研究，改善控制的途徑還包括量子糾錯、無退相干子空間、容錯量子計算等。在該前沿領域取得進展的三個關鍵研究方向包括：（1）多量子位系統的表征與控制。量子門性能是設計和控制規模化量子計算機的關鍵，量子誤差改進的途徑包括：材料的改進、多量子比特測量和反饋、控制技術和平臺的改進、以及量子糾錯基本理論的擴展。（2）接近容錯條件。抑制量子錯誤為通用計算與系統接近容錯條件提供了途徑，相關研究包括：抑制錯誤的新性能基準、容錯驗證、糾錯量子中繼器、絕熱和模擬量子計算的容錯方法等。（3）使用當前設備來改進量子比特性能，相關研究包括實現有用計算需要抑制的誤差量、低深度算法（如近似優化）、以及根據專用硬件調整量子誤差的實用策略。

8通過量子信息了解宇宙基礎性QIS研究開辟了新的科學前景。三個主要研究方向奠定了該前沿領域的基礎，包括：（1）探索計算和信息的數學基礎。QIS相關的計算基礎問題涉及量子復雜性理論、量子資源理論和量子計算。（2）擴展物理理論的局限性。利用QIS概念和量子模擬新應用來探索物理理論的局限性，相關研究包括：通過量子行走的量子計算擴展散射理論，通過量子糾錯碼和多體糾纏協助尋找物質的新相位和拓撲態，通過AdS/CFT對偶場論輔助了解量子引力理論，以及在強耦合條件下探索測量理論。（3）測試粒子物理的標準模型。QIS可以提供新的方法來檢驗和拓展粒子物理的標準模型，例如，搜索暗物質和暗能量、測試CPT、Lorentz等基本對稱性、以及搜索基本常數的時空變化。

責任編輯：xj

原文標題：【政策規劃?算】美國政府為量子計劃推出一站式網站，發布量子前沿報告

文章出處：【微信公眾號：集成電路研發競爭情報】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。