欧盟公布量子技术2030年路线图，抢占未来十年|量子|量子态|量子技术|量子计算|量子计算机|鲁棒性

光子盒研究院出品

欧盟量子技术战略将全面更新，量子旗舰计划(Quantum Flagship)刚刚发布了初步的战略研究和产业议程(SRIA)，提出了一条与欧盟各种量子技术倡议相一致的实施路径。预计将于2023年发布的最终SRIA中会有更全面的战略更新。

作为核心，这份初步SRIA文件概述了四大技术支柱量子计算、量子模拟、量子通信、量子传感和计量以及劳动力发展和标准化等横向问题的2030年路线图。

量子计算

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。未来五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——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往上分为硬件、中间件、软件，同时又分为量子比特、量子比特控制、量子编译和量子操作系统、量子API和云访问、量子算法、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。

下面将阐述各层的具体目标：

1、量子比特

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；
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；
设计和实施新的架构，包括3D设置，以及新的组装技术；
进一步使量子计算机小型化和耐用化；
开发可组装和集成大型量子处理器的工业规模制造设施；
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

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；
增加这些控制设备(用户接口、量子比特接口)的集成；
通过减少对非欧洲来源的材料和组件的依赖，减少交付周期和成本。

3、量子编译和量子操作系统

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；
演示多个硬件控制后端的分布式编程能力；
标准化跨多种技术工作的中间表示框架；
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

将量子计算机与HPC超级计算机等经典计算系统集成；
提高欧洲量子硬件在云中的可用性。

5、量子算法

使用量子算法和数据准备的参考实现构建用例集；
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。
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

提供与行业、学术界和欧洲初创企业的联系；
从量子计算解决方案供应商处采购产品和服务；
充当用户和量子算法开发人员之间的协作中心；
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。

然后是未来几年量子计算的具体目标：

2023-2026年的目标

演示未来容错通用量子计算机的实用策略。
确定量子计算具有优势的算法和用例。
使用错误缓解方法增强NISQ处理机制，实现更深入的算法。
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。
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。
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。
在量子计算方面协调工业、代工厂和其他基础设施实体。
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。
针对标准机构(欧盟、国际)。

2027–2030年目标

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。
演示具有量子优势的量子算法。
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。
支持已成立和新成立的仪器制造商和软件公司。
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。
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。
演示自动系统控制和调整。
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。
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。
针对标准机构(欧盟、国际)。
整合工业(中小企业和大型公司)和代工厂。
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。

量子模拟

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。

量子模拟器的重要目标是实现：

控制水平较高
较高的状态制备保真度
大型系统
在较低熵下的可编程性

量子模拟的不同方法可分类如下：

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。

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。他们超越了基于量子比特的计算范式，例如，通过直接与费米子粒子一起工作。这使得它们不那么通用，但在控制方面显著减少了超负荷和要求。

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。在这里，通常在没有量子纠错的混合方案中，经典和量子成分都会发挥作用。

以下是未来几年量子模拟的具体目标：

2023-2026年的目标

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。
提高控制和可扩展性水平，进一步降低各种平台的熵。
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。
扩大和加强供应链以及关键使能技术的开发。
启动最有前途的量子模拟器的认证和基准测试。
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。

2027-2030年的目标

与最终用户建立紧密联系，开发更多实际应用。
设计适合量子模拟器的错误纠正和缓解技术。
开发量子模拟器，提供更高程度的控制和可编程性。
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。
为量子模拟器的认证和基准测试提供一般方法。

量子通信

量子通信领域旨在设计远程用户之间交换量子信息的工具和协议。

近期量子通信的主要应用之一是基于量子物理定律设计具有安全性的加密方案。

有两种选择可以提供量子安全的安全性：一方面，虽然与量子通信本身无关，但抗量子密码技术(PQC)承诺了基于特定数学构造的难度来保护数据的方法。另一方面，QKD提供基于量子物理的安全，并需要量子通信。虽然性质和成熟程度不同，PQC和QKD提供了互补的优势，但也有缺点。在不久的将来，PQC和QKD可能会共存，并在量子安全环境中一起使用。

长期目标是实现量子通信基础设施或量子互联网，通过实现地球上任意两点之间的量子通信，提供全新的技术。在“经典”互联网的协同作用下，量子互联网将连接量子处理器，以实现无与伦比的能力，这被证明是使用经典通信不可能实现的。这一网络的主要组成部分将是：

量子中继器：为了连接大陆距离上的许多用户，量子中继器可以用来通过光纤网络产生长距离的纠缠。
卫星：对于超长距离的骨干网，卫星可以用来在网络的不同点之间分配纠缠。
终端节点：连接到互联网的笔记本电脑和手机的量子类似物——需要能够执行应用程序，从而使终端用户能够使用量子互联网技术。

从实现的角度来看，量子通信需要开发各种各样的技术来创建、存储和操纵量子态。对光子、物质及其相互作用的控制和操纵对于实现量子安全网络和量子互联网至关重要。其中包括：

具有重要特性的光子源，包括非常严格的波长和带宽要求，以及纯度和效率规格。
光子探测技术需要在单光子系统和连续变量系统中进一步改进。
量子存储器和量子信息载体(光的量子态)与量子信息存储和处理设备(原子、离子、固态系统)之间的接口。

量子旗舰的总体愿景是开发一个全欧洲访问的量子网络，补充和扩展当前的数字基础设施，为量子互联网奠定基础。为了实现这一目标，将在三个基本方向上推进量子通信：

1.性能：提高各种量子通信的比特率、保真度、链路距离和鲁棒性。

2.集成：将量子通信与传统网络基础设施和应用相结合。

3.工业化：实现可以有吸引力的价格制造的技术，并在欧洲创造财富和就业机会。

以下是未来几年量子通信的具体目标：

2023-2026年的目标

提高QKD解决方案的性能、密钥率和范围；
光子集成电路，具有用于量子通信的高效且成本有效的实验装置；
空间QKD原型有效载荷的部署；
至少有两个工业化的QKD系统在欧洲制造，主要基于欧洲供应链；
部署几个QKD城域网；
部署具有可信节点的大规模QKD网络；
运行和增强测量设备无关QKD，如双场QKD，里程为500公里或以上，没有中继器或可信节点；
QKD的进展：测试、认证、证明和可用性条件(如实验室)以确保在光学层面上对侧信道攻击的鲁棒性；
开发联合QKD和PQC的解决方案。

几家以可持续商业模式销售QKD服务的电信公司；

展示量子信道在其他密码应用中的用途，如私人数据挖掘、安全多方计算、长期安全存储、不可伪造密码系统；
将可靠、小型和廉价的量子随机数发生器集成到经典和量子通信系统中；

实验室外的大规模通信和纠缠分发系统，包括网络管理软件；

量子存储器、处理节点等量子互联网子系统的开发。

电信波长和完全独立节点上的功能基本量子中继器链路的演示。

为量子互联网设计新的应用协议、试点用例、软件和网络堆栈。

QKD与传统通信解决方案共存，包括多路复用，允许一个光信道用于多种服务(量子和经典)。

2027-2030年的目标

QKD系统的低成本开发、维护和功耗；

由于市场需求增加，QKD解决方案的规模扩大；

用于密钥分发的小型可插拔(SFP) QKD发射器/接收器对；

对于独立的发射器和接收器(没有物理安全性)，QKD系统对侧信道攻击具有鲁棒性，包括功耗和热噪声；

将测量设备无关QKD作为工业产品远距离部署；

部署连接欧洲主要城市网络的QKD网络“骨干”;

由至少一个国家安全机构认证量子安全的安全性，包括可能与PQC结合的QKD；

通用插件的SFP服务和软件的认证；

成熟的量子通信基础设施，供组织和公民普遍使用；

天基量子通信基础设施；

支持基本量子互联网应用的多节点量子网络；

在网络中静态和传输中的量子比特之间部署可靠的接口；

扩展通信距离的可靠工业级量子存储器和量子中继器演示。

使用量子中继器的长距离光纤骨干能够连接数百公里以外的城域网。

通过包括量子中继器的量子网络将高级量子网络应用集成到经典网络基础设施(即编排平台)中。

量子传感和计量

量子传感和计量基于利用自然的量子特性、量子现象、量子状态，它们的普遍性和内在再现性、相关物理量的量化或它们对环境变化的高度敏感性。量子传感器将在许多领域提供最精确的测量，提升消费电子设备和服务的性能，从医疗诊断和成像、高精度导航、地球观测和监控，到物联网的未来应用。有各种各样的量子传感器，包括例如气体传感器、固态传感器以及单原子传感器。

传感器的核心概念是探针与携带感兴趣属性的系统相互作用，然后改变探针的量子态。探针的测量可以揭示该性质的参数。量子增强型传感器要么利用经典噪声过程的缺失，使用量子算法提取相关信息，要么使用在特定非经典状态下制备的探针。对所有相关自由度和长相干时间的控制实现了量子限制的分辨率，甚至超过了标准量子限制(SQL)。

为了实现“演示超越经典能力的量子传感在现实世界中的应用”这一核心目标，将需要解决以下核心挑战：

开发技术，以实现对所有相关量子自由度的完全控制，并保护它们免受环境噪声和恶意干预。

识别在噪声环境中表现优于不相关系统的相关量子态，以及可靠地制备它们的方法。

利用跨学科的专业知识，并与其他领域合作，如信号处理，以进一步提高传感器灵敏度和分辨率的极限，并实施最佳控制协议、统计技术(例如贝叶斯)和机器学习算法。

量子传感器的应用与许多不同的领域相关，例如但不限于高精度光谱学、成像、重力测量或陀螺测量、高分辨率显微镜、磁力测量、时钟及其同步、定位或测温。由于广泛的潜在应用及其特殊性，需要考虑广泛的物理平台，包括(但不限于):

俘获离子
超冷原子
温热的原子蒸汽
纳米和微机械振荡器、光机系统
超导和半导体纳米电路
固态中的量子点和自旋缺陷等人工系统
固态基质中的稀土离子
涉及光的非经典态的全光学装置

以下是未来几年量子传感和计量的具体目标：

2023-2026年的目标

由公司支持的关键使能技术和材料的发展，从分拆公司到大型公司，以及建立可靠、高效的供应链，包括首次标准化和校准工作。
芯片集成光子学、电子学和原子学、小型化激光器、阱、真空系统、调制器和变频器的开发。使用纳米制造、功能化和表面化学修饰的材料工程，例如用于生物传感；超纯材料（如金刚石、SiC）、掺杂纳米颗粒、色心的合成。
建立新传感器技术的标准化、校准和可追溯性。