欧洲CERN发布《量子技术战略和路线图》

光子盒研究院出品

欧洲核子研究中心量子技术倡议(CERN QTI)是在2020年9月提出的，一年后，CERN QTI发布了第一份路线图，确定中长期量子研究计划。他们已经与高能物理和量子技术研究团队合作，探索量子技术如何在四个主要的量子研究领域为高能物理和其他领域带来益处：量子计算与算法；量子理论与模拟；量子传感、计量与材料；量子通信与网络。

这份长达46页的《CERN QTI战略和路线图》已在10月14日公开发布。

过去一年，CERN已经进行了试点研究，但主要是在量子计算领域，例如，将Grover量子搜索算法应用于大型强子对撞机(LHC)的碰撞数据集搜索，以及将IBM量子计算机首次用于模拟高能粒子碰撞。

在这份路线图中，CERN认为量子技术至少可分为四个与高能物理(HEP)和其他科学相关的主要研发和应用领域：

1.量子计算与算法

量子效应，如叠加和纠缠，可用于构建设备，提高某些类别计算问题求解的计算效率，超过基于逻辑比特的经典系统所能达到的极限。潜在可以解决的问题范围从优化和模拟到机器和深度学习的新应用。然而，这些问题必须重新表述，以利用量子设备的特性和新算法，这些新算法将与今天的NISQ(含噪声中等规模量子)计算机和未来的容错系统一起工作。

2.量子理论与模拟

由于量子设备可以降低计算复杂性，受良好控制的量子系统被用来模拟或再现不同的、不易接近的多体量子现象的行为。复杂的理论物理问题今天无法通过物理标准模型(SM)和超越标准模型(BSM)的经典计算方法解决，而未来的量子计算机可以解决这些问题，也可以通过量子信息科学中开发的替代经典模拟方法来解决，如张量网络方法。

3.量子传感、计量与材料

相干量子系统的高灵敏度可用于设计新型传感器。包括从测量纳米级局部信息的仪器到依赖行星级相干性的设备，各种探测器都可以显著提高精度，并实现新的测量协议。离子和粒子陷阱、晶体和新型纳米材料可以为越来越高效的量子器件开辟道路。

4.量子通信与网络

单光子或纠缠光子及其量子态可用于在光纤网络上实施可证明安全的通信协议，或未来用于存储量子态的量子存储设备。它的应用范围从安全和隐私到未来的分布式量子计算基础设施和量子互联网。

除了这四个主要的研发领域外，交叉领域正在兴起，将多个领域的要素结合在一起，有可能支持广泛的科学和技术应用。例如，量子软件和算法或者量子传感器、网络软件和通信协议结合在一起，创建潜在的非常精确的大规模探测器系统。

CERN QTI战略和路线图将基于四个顶层目标：

T1-科学技术发展和能力建设

量子技术是一个相对较新的研究和开发领域，具有支持CERN和高能物理领域基础研究的巨大潜力。为了确定和实现这种潜力，将制定一个重点研发项目方案，确定随着时间的推移可以达到量子优势的领域，量化对高能物理研究的预期影响，并强调需要与国际社会合作的领域。

预期成果：创建资源、工具、知识和协作的量子计算基础设施；在HEP领域创造量子计算技能，确定潜在量子优势领域；针对典型HEP问题开发新的算法和探测方法。

如何量化影响：CERN与成员国及其以外的研究所之间的合作数量；科学出版物；逐步采用新方法作为HEP研发活动的一部分(包括实验和理论)。

T2-共同开发

量子技术是CERN成员国和其他国家科学、产业和社会议程中的战略资源。开发新的高效技术方面的创新和竞争力以及能力和知识的增长是一个关键目标。使能技术的设计、开发和利用是未来创新的基本组成部分。CERN将与学术和产业合作伙伴密切合作，利用其在独特领域的知识和技术，如应用量子算法、量子态传感器、低温、电子设备、光学设备和光子源以及计算网络，进一步开发此类技术，实现从研究到产业的有效知识转移。

预期成果：知识创造并从CERN向应用和产品转移；创建联合项目、初创企业和公私合作。

如何量化影响：与CERN达成协议开发新的知识产权资产和可利用成果的成员国及以外的公司和实验室数量；根据开放源代码或开放访问许可证发布的可利用资产。

T3-社区建设

量子技术研究是一个多学科领域，计算机科学、数学、工程和应用专家必须相互交流，密切协作，才能实现创新。CERN QTI将通过技术活动、教育机会、技术传播、论文发表等各种方式，积极促进合作并组织活动支持社区建设。CERN将在HEP内建立量子技术社区方面发挥参考作用，同时也提供了与其他学科和应用领域交流的机会。它将为成员国之间和之外的合作提供一个中立的平台，促进开放的国际合作，推动量子科学和技术的进步。

预期成果：增加社区在量子计算领域的合作和知识；支持教育和专业发展计划的制定，并将量子技术技能纳入其中。

如何量化影响：活动次数；达到的人数；教育和培训活动中的合作数量。

T4-与国家和国际倡议和项目的整合

CERN和高能物理领域多年来一直在开发量子技术，作为其基础研究计划的一部分，但量子技术作为提供更高效的计算设备、更灵敏的传感器和探测器或更安全的通信基础设施的一种方式的具体重点是最近才出现的。大多数CERN成员国或国际层面提出了许多倡议和投资项目。CERN QTI将与现有和未来的倡议密切合作，并使其活动与国际的路线图和目标保持一致。这具有双重目标，即提供机会将CERN和HEP目标纳入国际议程，并为未来更广泛的量子技术愿景的进一步发展做出积极贡献。

预期成果：研究和开发活动与CERN成员国的高能物理和量子技术领域以及相关国际项目的主要优先事项和利益保持一致。

如何量化影响：参与国际项目；CERN成员国内外的联合项目；还包括其他活动、论文发表和沟通渠道。

早期的实验表明，实用量子计算机的前景和预期路线图正在从不少于20年的时间走向接近未来5年的时间。

QTI量子计算和算法路线图包括以下目标：

对于第一个目标，CERN已经启动了几个项目，以更好地理解量子方法在HEP数据处理的机器学习中的应用。例如，信号/背景分类问题（用于希格斯分类的量子SVM、用于SUSY事件分类的QML算法)、用于复杂系统动态优化的强化学习（用于加速器束流控制的量子强化学习）以及用于模拟和异常检测的量子生成模型（用于探测器模拟的量子生成对抗网络、用于地球观测的量子生成模型，用于轻子-核子散射从头计算的量子生成模型）。重点是研究众所周知的量子算法(如Grover算法)对HEP数据处理的优化和适应性。

理查德·费曼有句名言，他说：“自然不是经典的，该死的，如果你想模拟自然，你最好用量子力学，天哪，这是一个很好的问题，因为它看起来不那么容易。”QTI量子理论和模拟路线图包括以下目标：

粒子物理学的进步依赖于适当的探测技术，在过去几十年中，虽然高能实验已经实现了很大程度的标准化，但量子技术带来的新探测器方法正在开辟低能粒子物理的新参数空间。与此同时，这些技术中的一些还可能允许在高能下使用更高灵敏度的探测器。

CERN已开始尝试探索量子光学、纳米晶体或2D材料领域产生的特定实验技术在高能物理实验中的应用，同时正在研究原子干涉测量、超灵敏低温信号采集和轴子的量热探测领域中与低能粒子物理方法相关的主题的合作(对BSM搜索有影响)。

QTI量子传感路线图包括以下目标：

在过去20年中，CERN在全球大型强子对撞机计算网格(WLCG)的设计、部署和运行方面发挥了领导作用，这是导致现代分布式计算基础设施和云计算的革命的基础。参与技术研究并支持未来量子互联网的部署和运营不仅是CERN当前任务的自然延伸，而且还将确保其继续在欧洲和国际通信基础设施的未来中发挥核心作用。早在2009年，CERN已经参与了瑞士量子项目，旨在建立并长期运行一个原型量子密钥分发(QKD)层。

QTI量子通信和网络路线图包括以下目标：

欧洲量子旗舰战略的一部分openQKD等项目正在研究大规模QKD网络的可行性。CERN目前正在参与开发基于端到端QKD的安全数据分析演示器Quantumacy，致力于推动密码技术、联邦学习和QKD在分布式数据处理中的应用。目前正在与基础设施提供商(如欧洲的GEANT)以及产业(IDQ)和研究(波兹南的PSNC)领域专家讨论建立这一领域的联合研究。

除了路线图之外，CERN还提出了关于教育、培训和知识共享的战略。鉴于量子技术的性质及其长期影响，一个坚实的教育和培训计划必须是量子技术倡议(QTI)的核心。CERN QTI将研发的大部分活动作为博士级别的课程来实施，并作为现有CERN博士生(DOCT)项目的一部分，以及与在该领域拥有成熟专业知识的相关学术机构合作。这种方法可以在CERN和活跃在量子技术领域的学术机构之间产生协同效应，并开始为未来的活动创造知识和技能。

CERN正在建立一个以客座教授和科学助理为形式的交流项目，作为各研究所之间分享知识和在本组织内积累专业知识的进一步机制。在项目进行中，大学专家可以在CERN待几周到几个月，直接与研究团队互动，并提供专业课程和讲座。

CERN正在与选定的学术和行业合作伙伴合作组织教育和培训活动，以加速在不同的CERN研发和工程活动中建立坚实的基础能力。CERN已经通过它的开放实验室(openlab)等框架获得了组织学术界和产业界培训计划的成熟专业知识，并已提供给CERN QTI。

例如，2020年11月和12月，CERN与西班牙的奥维耶多大学合作举办了第一期量子计算入门课程，该课程展示了全世界对量子技术的兴趣，例如在一个讲座上有1500多名现场参与者和14000多名线下观众。志愿者甚至将课程材料翻译成俄语，提供给母语是俄语的观众。

鉴于量子技术在许多教育机构或公司中可能仍是一个非常新的主题，因此需要研究提供课程和共享信息的新方法。现代的互动教育形式可以补充学术界提供的传统课件材料。这种方法的一个显著例子是芬兰的QPlayLearn倡议，这种基于多媒体、游戏化学习资源的方法，旨在帮助和激励还在高中阶段的学生。CERN QTI正在与QPlayLearn讨论合作设计内容和组织有针对性的教育和创新活动。

路线图全文(46页)：

https://zenodo.org/record/5553775/files/CERN%20QTI%20Roadmap%20v1.0_R1%20%2820210930%29.pdf?download=1

PS：周报明日推送！

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：