全行业的发展指南：美国能源部发布《量子互连路线图》

光子盒研究院出品

近日，美国能源部（DOE）国家量子信息科学研究中心Q-NEXT创建了量子互连研究及其对量子信息科学和技术影响的路线图。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。然后，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：为全世界对量子科学和工程界制定未来十年所需的研究指南。

目录1. 简介

2. 量子传感路线图

3. 量子通信路线图

4. 量子计算路线图

01

简介

量子互连在系统之间和不同长度尺度上连接和分发相干的量子信息，以实现量子传感、通信和计算。本文将从计算、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。路线图是硬件技术领域的一个重要组成部分；它将具有多学科背景的利益相关者聚集在一起，共同从路线图的综合观点中受益。作为一份指导性文件，这份文件将为不同的利益相关者（如学术界、国家计划机构、工业界）在该领域的战略和政策提供参考和帮助。

调查中，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，期间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。路线图小组由来自学术界、工业界和国家实验室的成员组成；在制定路线图的过程中，各小组处理的具体话题如下：

1）预计在15年内，量子传感、计算和通信对公共利益的关键影响是什么？这些影响既可以是技术也可以是基础科学。

2）确定提供这些关键影响的拟议系统和科研范围。在这些系统的背景下，你对量子互连的定义是什么（与你的焦点小组的应用有关）？它有什么特点？

3）量子互连需要实现哪些主要的发展和指标，以实现焦点小组在1）中描述的影响？请尽可能地量化（在合理范围内）技术和科学里程碑。主要的具体障碍是什么（例如，基础知识、技术发展、供应链相关问题、材料）？缺少什么？

对未来10年量子计算、通信和传感所需的关键量子互连和相关研究要领的总结。

02

量子传感路线图

一、发展现状

未来15年的量子传感路线图的特点是大幅改善现有量子传感技术的优点，如精度、准确性、带宽、动态范围、空间和时间分辨率。这样的路线图也将使传感器跨频率和跨空间的互连成为可能，并发现利用这些互连的全新的传感模式。

量子传感的影响领域和进展实例。(a) 左：基于自旋显微镜的化学敏感核磁共振（NMR）和扫描探针磁测量。在环境条件下对NV中心的集合测量在皮升（picoliter）体积内达到了10赫兹的灵敏度。单个含氮空位（NV）中心的金刚石悬臂探测亚衍射有限的磁性纹理。(b) 超导空腔-量子比特系统具有40%的光子探测效率和比标准量子极限（SQL）高出15.7dB的优势，有望用于轴子探测。(c) cSWaP装置中的物质波陀螺仪。原子干涉仪可以按比例缩小，以整合到实际装置中，原子阱面积为1平方厘米。(更大体积的引力波探测。非经典的、被压缩的光子降低了公里级干涉仪的噪声，使探测率提高了50%。(e) 分布式量子态（通过量子网络）可以在光学光谱中实现无射击噪声的极长基线干涉望远镜阵列，其角度分辨率随着望远镜的倒数间距而变化。

二、未来10年的科学和技术要务

1）实现纠缠的多量子比特传感（在局部范围内），并在实际传感目标上证明比非纠缠的传感器有改进（10年）。互联的传感器可以改善这些优点中的任何一项：灵敏度、动态范围、带宽、空间分辨率、获得相关关系和测量的非侵入性。

2）利用远程纠缠发展严格的量子计量学理论，以确定能够从量子优势中受益的分布式传感任务的种类，评估这种优势的扩展性，并评估完成这种量子优势所需的互联传感系统的性能指标。

3）开发新的传感模式，利用多个传感器之间的相关性和纠缠性来测量单个传感器所不能达到的观测数据（10年）。这种模式将提供对新物理学的访问（例如，材料中的量子关联，非局部相变）。

4）理解并减少固态传感器中的接口诱导退相干（10年）。在相互连接的传感器中，接口将是不可避免的，而这些是已知的退相干来源。

5）以<5纳米的精度确定地定位可寻址的活性自旋/晶格缺陷/杂质，并预测它们在材料中的特性（10年）。这项工作将实现通过双极相互作用的传感器的互联。

6）以单核自旋灵敏度实现分子结构的量子传感（10年），以实现对分子功能和结构的研究。

7）启用具有量子优势的直流-太赫兹电磁场感应（10年），包括：

• 用于暗物质和轴子搜索的100千赫-100兆赫信号的反作用规避/压缩状态；
• 在100兆赫的低暗计数单光子探测和参数化放大，使灵敏度比目前的技术提高>20dB。

8）实现光子数量分辨的光脉冲检测，误差<1%，速率>1GHz。

三、用于量子传感的材料、部件和系统

1）固体中的空位缺陷。金刚石、碳化硅、hBN、过渡金属二氯化物、分子自旋以及其他尚待发现/开发的空位缺陷

2）原子系统

• 被困的原子和原子蒸气
• 与低相位噪声精密光子链路相连的纠缠原子钟
• 用于跨频率范围的场感和光探测的里德堡原子

3）超导系统

• 基于超导量子比特和超导量子干涉装置（SQUID）的传感器用于电磁测量
• 用于光子计数的超导对断探测器

4）非经典光子状态（光学、微波、毫米波）

5）量子体系中的机械系统（包括光和电子机械系统）

四、量子传感的相关问题和议题

实现这些关键影响不只是一个工程挑战；事实上，重要的科学发现是量子传感路线图的一个必要部分。下面列出了一些问题和议题，突出了我们缺乏明确的科学发现的预期需求。在未来15年内，这些领域的进展对于实现可行的量子传感技术至关重要。

1）传感和计量的物理学

• 如何利用纠缠来提高实际价值，不仅包括绝对灵敏度，还包括例如动态范围、带宽、空间分辨率、获取相关信息和测量的非侵入性？
• 哪些类型的纠缠状态在计量学上对每个具体任务有用，哪些目标将受益最大？
• 纠缠能否在实际传感目标的背景下被创造、保护和获取？
• 我们如何利用纠缠的破坏作为量子传感器？
• 在实际应用中，如何利用纠缠来规避（1）测量反作用和（2）测量的SQL？
• 能否利用光量子传感器典型的每光子优势来克服伴随而来的技术和内在限制，即每次只需要使用一个光子的模式，即什么时候量子方案在实践中优于采用许多光子的相干态的经典方案？

2）材料和结构

• 我们如何在固体中以纳米级甚至安斯特姆级的精度确定性地产生或放置缺陷（基于本地或杂质），以便在固态传感器之间可控地产生纠缠？
• 我们如何实现对表面和界面的稳健和可靠控制，以传输纠缠，同时保持组成传感器的相干性？

3）互连的系统规模

量子传感器可以通过各种方式进行互联，包括在量子系统之间传输量子信息，诱导自旋之间的相关性，或产生测量诱导或确定性的纠缠。最初的实验演示将以小规模的纠缠系统为基础。这些将提供一个可控的测试平台，为更大的纠缠系统的设计原则提供参考，这些系统将从量子网络的发展中受益。

量子传感平台和应用。所有的量子比特平台都与物理量耦合。这是一种传感资源，可以实现跨平台的各种应用。

五、必要的研究需求和发展

实现功能性量子传感技术的必要进展。

1）控制和确定指标

为了利用互连的量子传感器的优势，应该实现以下指标：

• 探测器的效率必须提高，而目标数字是针对具体应用的。这个过程并不总是清晰的；一个案例研究可以帮助了解一个目标的指标。相干性必须在互连系统的长度尺度上保持，这可以从微观成像系统的亚微米到长距离光纤或天基网络上纠缠分布的中继器间距离的几百公里不等。探测目标应处于和低于量子投影噪声极限。

• 传感器的灵敏度（每根赫兹的噪声）和带宽是关键参数。单电子自旋灵敏度应提高到已经可重复达到的~10纳米空间分辨率以上。各种传感应用的典型带宽跨度很大，从亚赫兹到太赫兹。相位噪声通常应小于每个节点询问的1 mrad（rms相位抖动）。

• 用相干超导系统在100kHz-100MHz时，规避和/或压缩状态的产生优于3dB，将对传感产生重要的实际影响。最终，在广泛的应用中需要20dB。

• 量子不灭（Quantum non-demolition, QND）方法已被提出，作为一种在不破坏光子的情况下计算微波腔内光子数量的方法，使用的技术包括耦合然后解耦超导量子比特。微波光子计数的目标应该是在10-30 GHz使用超导量子比特，暗计数小于每秒0.01。

• 类似的光子QND能力也是可取的，例如，有效地将任何量子存储器转换为预示的量子存储器（它不仅存储在光子上传输的量子状态，而且还产生一个可测量的信号，表明它已经这样做），这是量子中继器架构的关键资源。

• 对于联网的传感器，互联的带宽（每秒传输的纠缠对的数量）应该是100千赫兹（100GHz），有（无）存储器。

• 单光子探测器的系统效率>98%，饱和率>109 cps，噪声<100 cps，抖动<10 ps，光子数量分辨率（至少要区分1和>1光子）。

2）材料

一般来说，对量子信息应用中的材料科学问题严重缺乏了解，而量子传感也不例外。需要的一些主要材料发展如下：

• 确定性的定位和/或生成传感量子比特。用多个固态缺陷量子比特进行传感，需要将这些缺陷确定地定位在5纳米以内，以实现可控的纠缠生成。目前的二维平版印刷技术是不充分的。由于工艺的统计性质，离子植入等方法在植入深度上存在不确定性。对于固态传感器来说，这是一个重大的材料和加工挑战，必须加以克服，以便在多个固态缺陷量子比特之间产生纠缠。

• 对界面和表面进行稳健和可靠的控制。对于界面和表面对量子传感器的作用，特别是在噪声方面的作用，还缺乏全面和定量的了解。因此，在实验上控制界面和表面的明确方法也一直缺乏，学习往往得益于爱迪生式的成功。

• 低损耗、鲁棒的量子光源

• 片上光学压缩（需要低损耗的强光非线性）>10dB。

• 高效的纯态单光子源，其效率>95%（单光子的收集和分量）。这样的光源对于亚射程噪声量子计量学（例如，材料吸收）和量子增强望远镜是非常重要的。

• 获得和发展先进的表征方法。材料表征是通过建立量子系统的局部结构、动态和相干特性来加速量子传感器研发的关键。主要的挑战是灵敏度（或精度）。皮米和飞秒尺度的空间、时间和光谱精度对于识别量子态行为和量化其与内在和外在参数的关系至关重要。

• 环境控制，这需要创造与量子相关的原位条件，以便对合成、缺陷动力学、杂交和器件级验证进行实际观察。

• 关联性，发展同步辐射、X射线自由电子激光设施（XFEL）、电子、光学和扫描探针技术的凝聚性多平台整合。前沿材料表征能力涵盖了光学、X射线、电子和扫描探针显微镜。这些都可以用来在单缺陷水平和低于单缺陷水平的地方进行成像，以飞秒级的时间分辨率来探测动态量子反应。这些方法提供了对缺陷结构、退相干和不稳定性的来源、噪声源和信息传导的耗散的微观到纳米的理解。

3）理论进步

要在15年的目标时间框架内实现量子传感的重大进展，也需要理论上的进步。路线图的理论需求将包括以下内容：

• 使用远程量子态的严格的量子计量学理论，阐明可以受益于量子优势的那种分布式传感任务以及这种优势的扩展性。

• 协议。这里有三个主要需求。首先，对于如何在现实的噪声环境中（例如，在不可避免的耗散情况下）和现实的测量不精确程度下最好地利用纠缠态，缺乏基本知识。我们需要通过新的协议和方法来解决这个问题（例如，通过使用错误纠正和错误缓解策略）。这个问题也与第二个主要需求有关：在这种现实的、资源有限的实验平台上产生和稳定计量学上有用的量子态的新方法。这项工作需要与材料和传感器的实验改进同步进行，以减轻去噪，从而使纠缠能够发挥作用。第三，需要制定新的协议，通过准备新的量子态，使用纠错技术，并利用包括纠缠在内的所有量子资源来实现测量的SQLs。最后，我们注意到，对这种协议的效率进行基准测试是很重要的。因此，作为协议开发的一部分，确定效率规范是很重要的。

4）系统扩展和传感平台的成熟度。在许多应用领域，量子传感的实验室演示和可部署的平台之间仍有很大差距。例如，基于量子传感的惯性系统与现有的固态传感器相比没有SWaP-C的竞争力。建立大量的传感节点（在成本和可制造性方面）对于利用量子网络比经典网络的扩展优势非常重要，这强调了提高SWaP-C和稳健性的必要性。如果传感系统要长期部署在野外，其耐久性（对冲击的生存能力、跨温度的操作）也很重要。了解材料特性，以及了解哪些系统集成方案将是兼容的，对传感器的性能也将是至关重要的。

5）拓宽频率空间。量子模式只在频率空间的特定岛屿（光学和微波）中得到了很好的发展。这些技术需要扩展到更长的波长（射频[RF]及以下），并在两者之间扩展到太赫兹和中红外波长。这些频段在医学成像、安全应用和化学指纹方面已经特别有用。在这些新的波段运行需要新的基础设施，包括改进的探测器，改进的制冷技术，以及测试和校准设备和技术的发展。

一个实用的量子传感模块例子的组成部分。一个全对全纠缠的量子比特网络将使敏感度超过SQL。要实现这一目标，需要多个平行的步骤，横跨大量的技能组合，并需要跨学科的努力。质点的创造和材料质量，以及表面效应的缓解，将把材料科学推向经典电子学所不需要的水平。另一方面，对量子控制技术和系统-环境相互作用的新的理论理解将使更多的相干性系统和新的纠缠协议成为可能。实现这样的传感器需要介导纠缠相互作用的互连。

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量子计算路线图

一、发展现状