先进制造 | 欧盟发布2030年量子技术路线图（上）
摘要
一、基本情况
《战略研究和产业议程》（SRIA）包括3个部分，第一部分是研究方法，第二部分是2030年量子技术路线图，包括两节内容：一是科技挑战和抱负，概述了量子计算、量子模拟、量子通信、量子传感和计量这四大技术支柱，以及围绕这四大支柱的一般性建议。二是量子资源、创新、工业化和社会影响。第三部分是与欧洲倡议保持一致，包括两节内容：一是量子技术与芯片法案，涉及量子芯片专用技术、经典的量子芯片技术（使能技术）、与芯片法案相关的持续举措、量子计算的例子以及建议。二是量子技术与欧洲高性能计算联合企业（EuroHPC JU）。
| 图片来源：欧盟量子旗舰计划发布量子行业初步战略研究和行业议程（SRIA文件）
二、四大支柱基本情况
1.量子计算各技术层的具体目标
量子计算支柱重组了许多技术层，从量子信息处理的各个模式到这些机器在各种用例中的算法和最终应用。主要目标是开发性能优于或加速现有经典计算机的量子计算设备，解决与工业、科学和技术相关的特定问题，这些问题可以从量子算法的执行中受益。现有的第一代量子计算设备是含噪声中等规模量子（NISQ）系统，量子比特有噪声，没有量子纠错。未来5年将探索在没有量子纠错的情况下，在近期量子计算机中实现量子优势。从长远来看，目标是开发容错量子计算机，以及将这些计算机互连并在它们之间交换量子信息，实际上是在量子计算和量子通信能力的基础上发展“量子互联网”。
量子旗舰将量子计算机从下至上分为硬件、中间件、软件，用户和用例。中间件通过量子比特控制与硬件链接，通过量子API和云访问与软件连接。
（1）量子比特的目标
①通过错误缓解方法增强NISQ处理机制，实现更深入的算法，朝着纠错的通用量子计算迈进；②增加量子比特的数量、密度和连通性。提高量子比特的质量，包括更好的相干时间和门保真度；③设计和实施新的架构，包括3D设置，以及新的组装技术；④进一步使量子计算机小型化和耐用化；⑤开发可组装和集成大型量子处理器的工业规模制造设施；⑥演示不同量子计算机之间的互连和信息交换。
（2）量子比特控制
①根据量子处理器的发展，增加可以同时控制的量子比特的数量；②增加这些控制设备（用户接口、量子比特接口）的集成；③通过减少对非欧洲来源的材料和组件的依赖，缩短交付周期和降低成本。
（3）量子编译和量子操作系统
①开发具有自动调度功能的量子编译器，将校准和量子纠错编码/解码例程纳入主要量子算法；②演示多个硬件控制后端的分布式编程能力；③标准化跨多种技术工作的中间表示框架；④开发基于API和编译器指令（pragma）的混合经典/量子软件堆栈。
（4）量子API和云访问
①将量子计算机与HPC超级计算机等经典计算系统集成；②提高欧洲量子硬件在云中的可用性。
（5）量子算法
①使用量子算法和数据准备的参考实现构建用例集；②设计提供加速的新算法，特别是针对科学、技术和工业中的相关问题。针对每种新算法进行有关量子比特数、门数和估计运行时间的资源分析。③构建有助于开发和实施量子算法的软件，例如通过自动生成门序列。
（6）用户端
①提供与行业、学术界和欧洲初创企业的联系；②从量子计算解决方案供应商处采购产品和服务；③充当用户和量子算法开发人员之间的协作中心；④国家（和欧洲）HPC中心配备了集成的量子计算解决方案，并将其系统互连以实现分布式计算能力。
2. 量子计算未来几年的具体目标
（1）2023—2026年的目标
①演示未来容错通用量子计算机的实用策略；②确定量子计算具有优势的算法和用例；③使用错误缓解方法增强NISQ处理机制，实现更深入的算法；④与芯片代工厂和其他硬件供应商（公共或工业）以及软件行业、现有公司和初创企业接洽；⑤在量子器件物理、量子比特和门控制、利用最优控制理论实现更快更强门、光子学、射频电子学、低温和超导电子学、系统工程、集成、器件封装等方面发起学术和工业研究贡献；⑥开发基于NISQ的系统、量子应用和算法理论、软件架构、编译器和库以及仿真工具的跨硬件基准测试；⑦在量子计算方面协调工业、代工厂和其他基础设施实体；⑧促进欧盟范围内与其他领域的联合行动，如材料科学、理论物理、低温物理、电气工程、数学、计算机科学和高性能计算；⑨针对标准机构（欧盟、国际）。
（2）2027—2030年目标
①演示配备量子纠错和鲁棒量子比特的量子处理器，该处理器具有一组通用门，性能优于经典计算机；②演示具有量子优势的量子算法；③建立能够制造所需技术的代工厂，包括集成光子学、低温和超导电子技术；④支持已成立和新成立的仪器制造商和软件公司；⑤协调材料、量子器件物理、量子比特和门控制、量子存储器、光子学、射频低温和超导体电子、系统工程和器件封装方面的研究、开发和集成；⑥扩展的量子算法套件，用于软件和硬件不可知的基准测试，包括数字纠错系统，以及优化编译器和库；⑦演示自动系统控制和调整；⑧开发集成光学、低温和超导体电子（包括相干光电转换器）的集成工具链（设计到加工）和模块库；⑨与其他领域协调欧盟范围内的联合行动，如材料科学、理论和低温物理、电气工程、数学、计算机科学，以及越来越多的在潜在应用领域和行业（小型、中型和大型实体）工作的科学家；⑩针对标准机构（欧盟、国际）；⑪整合工业（中小企业和大型公司）和代工厂；⑫与欧盟基础设施、大型实验室和项目以及研究和技术组织（RTO）接触。
（二）量子模拟
1. 量子模拟的目标与分类
量子模拟是专注于为特定应用而设计和优化的专用机器。特别是，量子模拟器是高度可控的量子设备，使人们获得对复杂量子系统属性的见解，或解决经典计算机无法解决的特定计算问题。这些技术有望在量子化学、核物理、材料科学、流体力学、物流、路由以及更广泛的优化领域得到应用。近期可编程设备和量子模拟器也有望在机器学习问题的实例中提供加速，包括量子核和量子分类方案。
量子模拟的不同方法可分类如下：
①数字量子模拟器：它们通过组合不同的门来近似量子动力学或更一般的量子处理。因此，数字量子模拟器本质上是可编程的，这是由于从几个基本构建块开始近似目标动力学。
②模拟量子模拟器：它们在精确控制的物理条件下再现其他相互作用的量子系统的行为。这些设备可以模拟实际感兴趣的复杂系统，例如工业环境中的复杂网络。
③启发式量子设备：它们旨在为优化问题提供近似解。例如，可编程量子模拟器、退火器、变分优化器或量子近似优化器和NISQ设备的变体。
2. 未来几年的具体目标
（1）2023—2026年的目标
①在一系列任务的模拟中展示“量子优势”——这被视为一个重要的里程碑，但不是实际应用；②提高控制和可扩展性水平，进一步降低各种平台的熵；③开发量子经典混合架构，允许量子模拟器处理工业和研究创新相关的应用；④扩大和加强供应链以及关键使能技术的开发；⑤启动最有前途的量子模拟器的认证和基准测试；⑥开发软件解决方案，以配合量子模拟器的发展及其特定的应用重点。
（2）2027—2030年的目标
①与最终用户建立紧密联系，开发更多实际应用；②设计适合量子模拟器的错误纠正和缓解技术；③开发量子模拟器，提供更高程度的控制和可编程性；④在工业和量子模拟研究之间建立一座桥梁，用模拟范例的语言来翻译工业的问题；⑤为量子模拟器的认证和基准测试提供一般方法。
（未完待续）
【声明】本文旨在呈现全球主要国家的政策动向，文章观点不代表本研究院立场。
先进制造系列文章
日本的科技创新政策体系（上）
（↑点击图片查看原文↑）
日本的科技创新政策体系（下）
（↑点击图片查看原文↑）
从日本《制造业白皮书》看日本重振制造业的举措
（↑点击图片查看原文↑）
美国贸易代表办公室发布2022-2026年战略计划（上）
（↑点击图片查看原文↑）
美国贸易代表办公室发布2022-2026年战略计划（下）
（↑点击图片查看原文↑）
欧盟发布第二阶段“战略依存度深度审查”报告（上）
（↑点击图片查看原文↑）
欧盟发布第二阶段“战略依存度深度审查”报告（下）
（↑点击图片查看原文↑）
数字相关先进技术的制度与政策动向调查报告（上）
（↑点击图片查看原文↑）
数字相关先进技术的制度与政策动向调查报告（下）
（↑点击图片查看原文↑）
重新平衡欧洲、俄罗斯和亚洲之间的全球能源（上）
（↑点击图片查看原文↑）
重新平衡欧洲、俄罗斯和亚洲之间的全球能源（下）
（↑点击图片查看原文↑）
编辑｜徐丽萍
审核｜陈泽星