量子技术是一个有前途的领域，在数字化时代尤其如此。为了引导在这个快速发展领域的标准化工作，3月22日，欧洲标准化委员会(CEN)和欧洲电工标准化委员会(CENELEC)发布了量子技术的标准化路线图。这个报告提供了一个全面的视野，对欧洲的量子计算、量子通信与安全、量子精密测量进行了标准化布局——量子领域标准化工作的里程碑。目录1. 量子技术与标准化2. 量子科技标准化，是商业化的前提3. 量子使能技术的标准化 3.1. 量子信道 3.2. 金刚石等晶体色心 3.3. 离子阱 3.4. 超导量子线路 3.5. 行波参数放大器
3.6. 用于量子电子学的半导体量子点 3.7. 使能技术的标准化时间表
4. 量子设备的标准化 4.1. 单光子源 4.2. 纠缠光子源 4.3. 单光子探测器
4.4. 量子随机数生成器 4.5. 量子存储器
5. 量子通信与安全的标准化6. 量子计算与模拟的标准化7. 量子计量、传感和成像的标准化8. 量子网络的标准化9. 总结与展望
在过去二十年中，量子科学取得了重大进展，量子技术即将成为影响我们日常生活的技术。2018年10月，欧盟委员会推出了10亿欧元的“量子技术旗舰项目”，为期10年。
欧洲量子技术生态系统 = 量子旗舰 + Quantera + EuroQSM + EuroQCI + EuroQCS + ERC/Marie Skłodowska Curie行动
2018年12月，美国总统签署了一项法案：将超过12亿美元用于未来10年致力于量子信息科学的国家努力。2020年，美国国家科学基金会另外成立了三个新的 量子研究所，以解决量子信息科学的关键挑战；《国家量子倡议法》在2021年宣布了额外的19亿公共资金。美国的一个巨大优势是私营部门有能力补充公共资助的量子技术部门的努力，也有能力通过军事机构进行资助。如今，美国工业界对量子信息技术的兴趣越来越大，包括谷歌、霍尼韦尔、IBM、英特尔、微软等的努力，一些由风险资本和其他股权资助的初创公司也已经成立。中国即将出台的国家量子计划将至少与欧盟委员会的旗舰计划具有相同的数量级。中国正在合肥建设量子信息科学国家实验室，初始资金超过10亿美元；包括百度、阿里巴巴在内的中国公司已经在量子计算领域建立了自己的计划，吸引了顶级研究人员加入团队：阿里巴巴计划在未来几年内向颠覆性技术投资150亿美元。2021年，中国宣布追加153亿美元的公共资金。同样，量子技术促进的新型设备提供了超越经典技术的能力，如更高的灵敏度、更小的功耗、自动和免维护的量子参考操作，使工业设施更加可靠。不过，“经典”并不意味着过时/陈旧，事实上，基于经典物理学和/或既定技术的传感、通信和计算解决方案在今天和未来都是有用和必要的；量子技术提供的新可能性将扩展和补充现有技术，而不是取代它们。随着量子技术的成熟，重要的是为标准化活动做好准备，从而促进和加快市场对量子技术的利用。随着量子技术进入世界各经济体的政治舞台，更多的私人和公共倡议进入量子竞赛，从而将这一想法进一步加强。标准化可以为欧盟内部的量子技术经济体系的发展奠定基础，并刺激其发展，从而促进科学和工业的发展，使欧洲内部、外部的消费者受益。对每个人来说，标准化都是有利的。例如，对于科学来说，共识是与社区有效沟通的前提，也是公平合理地比较结果的前提；此外，标准允许灵活的合作，因为组件是可以互换、互操作的；对于工业界来说，需要标准化来将量子技术转移到欧洲和世界各地的市场：例如，量子设备的术语、性能测试和基准方法，以及不同量子模块的互操作性、互换性。此次制定的路线图为科学、研究和工业界提供了一个指导性文件，以加速和促进创新：这将促进量子技术从科研到市场的转移，从欧洲向全球范围发展。此外，该路线图旨在成为一个强有力的工具，使主要利益相关者能够制定、执行、检查和修订QT标准化战略。
自创建以来，欧洲标准化政策在实施、整合中发挥了基本作用。它提供了协调和监管的稳定性：这不仅吸引了投资，而且更重要的是保证了消费者的高安全标准和适当的环境保护水平。据估计，在德国和法国等国家，标准化的经济效益与GDP增长的0.8-0.9％有关。标准可以有效地支持贸易、市场准入、产品和服务的质量、公平性、互操作性和创新。由于其在保护消费者方面的作用，健康、安全、保安和环境标准具有直接的公共利益。然而，标准也可能成为贸易的技术壁垒，因为它们可能被作为保护单一市场及其在打击敌对贸易行为、竞争或采购法方面的战略自主权的工具而受到不利影响。正是由于这些原因，“欧盟量子旗舰项目”将标准化纳入其战略研究议程，并在创新战略中保证其项目参考标准化。欧洲标准机构(CEN、CENELEC和ETSI)将“标准”定义为“一份经公认机构批准并协商一致制定的文件，该文件为活动或其结果提供了规则、指导方针或特征，以供通用和重复使用，旨在实现给定环境下的最佳秩序。”
在早期技术准备水平(Technology readiness levels, TRL)，该阶段产生标准的主要用户（或客户）是研究人员，因为在词汇、计量和测试方法、操作程序方面的协议正在被记录。在中期TRL阶段制定的标准反映了技术的成熟功能，但是还没有被整合到应用或系统中；通常是来自企业/公司的应用科学家作为主要用户，并将其应用于相关环境。在TRL7到TRL8期间，标准保证了服务提供者的互操作性协议和编程接口，以将技术整合到系统中。量子技术领域的技术准备水平在不同的领域中差异很大。虽然几个领域的量子计算范围仍处于概念状态，但一些量子传感应用已达到TRL 9，最接近市场投放、或在某些情况下已经实现商业化了。
技术准备水平（Technology readiness levels, TRL）及其与标准和主要用户的关系
一个量子通信系统需要访问一个量子信道(Quantum Channel)。
量子信道可能会有所不同，这取决于为创造和操纵量子态而选择的基本部件的指标。例如，可能需要传输的电磁辐射或物质、可以适应长距离（典型的电信）或短距离（典型的量子设备内部通信）等情况、适应用于编码信息的物理系统的不同自由度（相位、偏振、正交振幅、电荷、通量等）、它们的维度（二维的量子比特，n维的量子比特）等。
量子传输信道通常需要表现出极低的衰减和反射率，以尽量减少退相干，即波函数的坍缩。通信网络的高密度导致了电缆、连接器、无源元件和网络配件及基础设施的小型化。因此，物理层量子链路的两个基本组件（光纤和光连接器）以及其他无源组件的问题如下：- 超低损耗光纤的问题/差距。为了使网络元素的尺寸小型化，需要更新的性能要求和测试方法，以确保光传输系统的要求；新的光纤设计；为超紧密弯曲而优化的新的光纤设计。- 超低损耗可插拔式光连接器的问题/差距。由于光不是通过整个光纤传播的，而只是通过纤芯(optical core)，所以光纤的纤芯和包层的相对尺寸对连接器的质量有很大影响。有必要芯包层的同心度、纤芯椭圆度(core ovality)、包层椭圆度(cladding ovality)，进一步降低连接器的插入损耗和回波损耗。- 超低损耗光MUX/DEMUX的问题/差距。DWDM或CWDM等波分复用方案允许在单根光纤上进行多波长传输，在现有的国家、国际网络中很常见。目前还没有与基于NV色心的传感器重新相关的标准。由于缺乏共同的标准和程序，量子传感和通信的商业成果往往是不可比拟的，并且缺乏跨生产者的可重复性。因此，一个利益相关者可以遵守的标准的存在将大大降低市场的进一步投资风险。
针对NV色心，欧洲标准组织确定了以下三组标准化需求：
- 材料标准化：固体中色心的表征方法、基础材料的纯度、化学类型、密度、色心的空间分布等方面提供可靠和可比较的规格。
- 基础设施标准化：表征基础设施的发展和确定测量程序和优点的指南。- 器件标准化：量子传感和成像以及量子计算和模拟中的色心性能。对于量子通信，NV色心提供了强大的室温单光子源，既可以作为安全通信的光源，也可以作为量子随机数生成的手段。然而，由于缺乏共同的标准和程序，其商业成果往往缺乏跨生产者的可重复性。离子阱能够储存、冷却和操纵带电粒子。在这个迅速发展的领域，基本上没有现有的标准。
这个平台构成了QT的几个子领域中广泛的应用的基本构件：量子计算、量子模拟、量子通信和量子冶金学。具体产品的用例包括原子钟、引力传感器、量子计算机、量子模拟器。
目前，离子阱的标准化需求包括：
几十年来，微型制造的芯片级超导电路已被应用于各种领域。虽然没有大规模生产，但在一些领域，例如由超导电路制成的传感器得到了广泛的应用：用于磁测量、射电天文学和单光子探测的传感器。由于这些电路的制造采用了与半导体电路相同的平版印刷工艺，因此设计者和代工厂之间的信息交流也采用了相同的事实上的工业标准（例如，物理布局的GDSII文件格式）。随着复杂性的不断增加，例如3D集成电路变得越来越普遍，设计者和铸造厂之间的信息交换标准可能变得相关。然而，需要考虑两个因素：首先，超导量子计算机在微波频率下工作，这意味着精确的物理布局比大多数半导体电路更重要；其次，这些都是量子电路，这意味着它们对环境极其敏感。到目前为止，还没有实际的方法来对单个量子比特的全部性能进行建模，目前，关于超导量子电路测量指标的最佳方式，也还没有达成一致。尽管与超导体电路相关的制造工艺和信息交换的标准化非常具有挑战性，但在短期内，标准化可能直接相关的一个领域是超导电路的封装。这将与半导体电路的发展相平行，在半导体电路中，许多标准由例如IEC定义，适用于流行的封装格式（如BGA、DIL等）。这些新标准可以扩展现有标准，或在适当的情况下创建新标准。行波参数放大器(TWPA)是微波放大器，通常工作在大约2 GHz-10 GHz的频率范围内。基于约瑟夫森结提供的非线性或无序超导体的动力学电感，这些器件被用作超导量子比特读出线路的放大链的第一个放大器/射电天文学的微波动力学电感探测器(MKID)。尽管科学出版物中经常报告带宽、放大率和噪声等优点，但对于TWPA数据表中测量和报告的数据，目前还没有现成的标准，这些数据正处于商业化的边缘。纳米制造的半导体量子点作为量子电子学的基本电路元件，用于限制、控制和检测单个或少数电子或空位的量子态。可能的量子技术应用范围从用于单电子传感和计量的单电荷控制到用于量子计算、模拟和通信的全量子状态控制。许多不同的半导体材料平台正在使用中。最常见的是III-V族化合物砷化镓(GaAs)和砷化铝镓(AlxGa1-xAs)以及最近的IV族元素硅(Si)的异质结构，既有像其他III-V族化合物（如砷化铟）或锗(Ge)这样的常规化合物（主要与硅结合用于应变异质结构），也有像带隙的2d或1d材料（如双层石墨烯或半导体碳纳米管）这样的非常规材料。量子点的制造使用了为传统微电子技术建立的纳米制造技术，但在大多数情况下专门用于量子器件制造，并在研发规模的洁净室设施中实现。对于这个快速增长的领域，基本上没有现有的标准。由于技术不同，使能技术的发展阶段也不同；通用方法可能无法涵盖每一个技术的所有不同方面，但可以为这项任务创建一个全面的框架。下图确定了三个主要的、部分重叠的任务，即参数与测试、小批量生产和批量生产。经过3到5年的开发，预计将进行全面的大规模生产。
2023年开始的标准化活动时间表。这可以成为像离子阱这样的成熟使能技术的一个发展模板。相比之下，更可能在研究层面上的技术（例如基于半导体量子点的单电子源）可能不需要在2025年至2028年之前实现。
当光源在被光学或电学激发后，在其荧光寿命内仅产生一个光子时，就会产生单光子。研究最广泛也是最常见的单光子来源是单原子、离子或分子、里德堡原子、金刚石色心和量子点。单光子源具有广泛应用的潜力。众所周知并被广泛讨论的是它们在量子密钥分发、量子计算和计量学中的应用。对于单光子源的标准，几个参数是必要的、并应该明确其定义：- 光子率：在一个典型的持续时间（通常在1秒内）内发射的光子数量。- 波长和光谱：单光子源不会发射特定波长的光子，因此应以可追踪的方式测量其发射光谱。量子光学中的纠缠是一种物理现象，当光子被产生或相互作用时会发生，因此不能独立于其他光子的状态来描述组中每个光子的量子状态。以下方面需要标准：对于纠缠光子源的描述，几个参数是必要的，并且应该明确定义。这些是：单光子探测器能够探测到单光子水平的光，它可以分为光子数分辨或非光子数分辨。对于第一种类型，输出信号与其响应时间内吸收的光子数量成比例。第二种类型产生单个输出脉冲，而不考虑在其响应时间内同时“检测”到的入射光子的数量。这种类型的探测器已被广泛商业化，而光子数分辨探测器在很大程度上仍然是研究实验室设备。单光子探测器的应用是多方面的：医学、生物学、天体物理学，以及量子密码学和量子计算等新兴应用领域，以及实验量子光学和量子物理学领域的科学研究。关于单光子探测器的计量表征和标准化需求，到目前为止，可用的规范性文件相当少。欧盟标准化委员会重点介绍了门控探测器，并详细描述了以下标准化参数：已经提出将这些用于量子态计量、电磁传感或量子态转移。例如，单电子的按需生成及其发射时间的精确控制在信号处理应用中具有皮秒的时间分辨率。这些方案的实现目前是一个活跃的研究课题。- 其他环境限制（射频噪声/信号容差/EMF考虑因素）；在许多场景中发挥作用的另一个子系统是量子随机数生成器（quantum RNG，QRNG）：其目的是生成随机比特序列。它可以用于许多实际目的，但通常用作QKD系统的子系统：生成QKD系统所需的随机序列。也许QRNG应该被称为RNG的一个子集，例如，遵循AIS术语。未来的量子网络有望为大规模量子通信和分布式量子计算提供基础。这些网络将需要在遥远的量子存储器之间共享量子纠缠。量子存储器是量子信息处理中前瞻性的重要量子技术子系统，旨在“存储”和再现从任何量子过程（包括量子算法）中接收到的按需量子态。因此，在量子计算中，量子存储器可以用作身份量子门；而在量子通信中，它们将用作量子中继器的重要组件。目前，量子存储器没有可用的标准。预计将制定标准，规定存储时间、保真度以及纠缠保真度。
量子通信(QC)通过量子态的传输/分布增强了经典通信或实现了新的可能性。要传输量子态，不仅需要有创建和操纵量子态的能力，还需要提供量子信道来分布这些态。因此，与其他量子技术领域相比，量子通信的独特要求是能够创建、维护和使用量子信道；同时，所有类型的量子通信都需要特定的量子信息处理协议。能够支持量子信道的物理介质包括光纤、自由空间(free space)、超导电线和波导。由于量子态必须在量子通信系统中进行操纵、传输，这些对设备和量子通道中的缺陷、噪声或物理损伤（例如光纤中的损耗）极为敏感；此外，由于（未知的）量子态不能被复制，因此不能放大。考虑到量子信道的损耗、不完美的耦合或探测，这对直接传输量子信号的最大范围施加了严格的限制——一旦实际可用，就必须使用其他手段（量子中继器）来建立长距离量子通信。通常，量子通信系统利用许多子系统：如量子信道、量子随机数发生器、量子通信系统、单光子源、单光子探测器、相干量子接收器，以及在某些情况下的纠缠光子源等。量子安全密码术(QSC)是指对称和非对称的密码算法（公钥密码术），被认为可以安全地抵御量子计算机的密码分析攻击。QSC本身并不是一种量子技术：它不依赖于任何量子力学效应。- QKD发射器模块(QKD transmitter modules)；
量子计算和模拟作为一个领域涵盖了许多不同的实现，一些企业正在为成熟的量子计算机开发解决方案。“模块化量子计算机”的概念在数字计算中广为人知，它创造了一个新市场，吸引了许多小企业开发专用模块；来自不同供应商的此类模块供应链将使研究团队能够集中精力开拓新的领域，而无需花费太多精力重复已知的解决方案。这就是标准化可以发挥重要作用的地方。从标准化的角度来看，这个市场需要将量子计算和模拟领域细分为各种模块，这些模块可以通过定义明确的接口（硬件和软件）相互交互，并就每个感兴趣模块的功能和性能要求达成共识。尽管确实存在许多不同的实现方式，但“欧洲量子旗舰”中的两种领先量子计算架构基于不同的设备技术：捕获离子和超导量子比特。这两种架构满足DiVincenzo定义的量子计算所需的五个标准：其他量子比特和平台类型包括固体中的杂质自旋、中性里德堡原子、拓扑量子比特和光子量子比特，这些都需要被视为量子计算的未来候选者，需要进一步发展。- 由于几个原因，显示出理论价值的技术方法值得追求、但不符合DiVincenzo标准；-已经满足DiVincenzo标准，但需要改进系统大小和系统控制以在高级量子算法中找到应用的系统；- 处于容错量子计算阈值的量子体系结构，具有足够大的量子寄存器来实现用于大规模量子计算的逻辑量子比特。 为了比较不同的体系结构，有必要采用定义明确、标准化的方法来表征和基准测试量子计算设备。此次，欧洲标准组织确定了两种方法：第一种方法（“自下而上”）确定关键参数（或指标），包括测量协议、以及要执行哪些测量来指定被测设备的相关特性；第二种方法（“自上而下”）采用了可以在被测设备上运行的待定义算法，算法的输出将提供被测设备的预期特征。它们都有彼此适用的量子计算软件、硬件堆栈。上述量子计算机设备表征和基准测试的标准化可以达到几个目的：- 定义一组公认的关键参数、测量协议和算法，以实现可靠描述；- 建立量子计算机组件的质量标准和认证保证供应链中零部件的质量；- 有助于以定义明确的方式比较互补的体系结构，帮助进一步开发和应用；下图显示了量子计算和量子模拟领域标准化活动开始的估计时间表。事实上，一些活动已经在进行中：ISO/IEC正在开发量子计算词汇表、IEEE正在积极研究指标和基准测试。在撰写本文时，可持续发展组织正在积极考虑可能在2023年开始的几项工作提案。
开始量子计算和量子模拟领域标准化活动的可能时间表。绿色主题已经在进行中，黄色主题正在积极考虑中。
量子计量学、传感和量子增强成像（QMSI）利用量子态的性质和特殊现象：例如从凝聚物质到单光子，通过NV色心、冷原子、离子或单电子等各种物理平台中的纠缠和非经典关联。QMSI设备显著提高了测量或评估各种系统参数的准确性和精度。除此之外，它们允许超越与传统经典测量策略相关的限制，如真空度波动引起的环境噪声（所谓的散粒噪声）、位置测量中的动态噪声（标准量子极限）或衍射极限。QMSI设备应用涵盖了从基础研究到工业实际应用的一系列领域，包括物理、化学、生物学、医学、材料科学以及量子信息、计算和通信领域。此次，欧洲标准化团队确定了两个主要的应用领域和相关的标准化需求：量子磁力仪(QMs)是一种基于自旋的设备，以特斯拉(T)为单位测量磁通密度。QM在从fT到几个T的数量级范围内是敏感的。它们正在广泛的应用中商业化，类似于它们的传统同行，包括位置控制、机载和海上导航、地磁探测、汽车工程、磁性材料表征、高电流检测，以及电池诊断。此外，它们在最低磁场下的高灵敏度促进了QM在脑磁图绘制等医学应用中的应用。
量子网络是量子通信系统及其连接的量子通道的排列，这些量子通道能够在网络的一些或所有节点上实现量子状态转移（直接传输通道）或在量子状态之间建立量子相关性（量子相关性通道）。- 多跳网络(Multi-hop networks)：当只有直接传输信道可用时，即直接传输量子态或量子关联的建立只能在有限的距离上进行（通常是大都市或地区）。长距离量子相关性的建立是不可能的，但在量子机制之外不可行的经典相关性可以通过这些信道的经典级联和额外的信任来实现，从而限制了对量子能力的访问（没有端到端的量子密钥分发），因为在多跳链路的起始点和结束点之间不能建立量子相关性。请注意，这些类型的网络不一定是静态的，因为可以根据需要通过切换机制在端点之间建立直接的量子传输信道（如果需要，波长切换也是可行的）。- 端到端网络（有时称为量子信息网络或全量子网络）：允许网络中所有量子系统之间通过非常长范围（潜在的无限距离）的量子相关信道进行完全连接。这些网络将允许（通信方面）不受限制地实现任何量子通信协议，包括QKD，而不需要可信节点（也称为可信中继器）。- 量子密钥分发网络：受信任的中继器类型、端到端量子通信类型； - 量子信息网络。根据主要实施领域，可以确定以下不同的情况：地面网络、星载网络、混合版本。
目前，全面标准通常尚未制定。具体而言，全量子网络的总体设计和操作以及它们与经典通信网络的相互作用还有待详细研究。
本路线图文件是CEN/CENELEC量子技术焦点小组(FGQT)两年工作、30多次会议和300多次贡献的结果。在确定了对上述量子技术的技术报告和技术规范的需求后，下一个问题将是如何组织工作以确保这些技术的创建。这需要在欧洲层面进行讨论和提出建议，并与ISO、ITU、ETSI和其他相关标准制定倡议进行全球协调。
fgqt_q04_standardizationroadmapquantumtechnologies_release1.pdf (cencenelec.eu)Standardization for Quantum Technologies: read our two newly published documents - CEN-CENELEC (cencenelec.eu)每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！