简评美国白宫《量子前沿》报告书 - 实用主义哲学的产物

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一 引 言

同在今年十月,中美两国高层分别对“量子科技”发声。中共中央政治局以集体学习方式,提出“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。这次集体学习的目的是了解世界量子科技发展态势,分析我国量子科技发展形势,更好推进我国量子科技发展。”同时美国白宫发布了国家量子协调办公室关于《量子前沿》的专家报告书,系统勾画了他们心目中的量子前沿,这对于同样对量子科技雄心勃勃的中国科技界无疑具有重要的参考价值。

尤其值得注意的是,美国人的着眼点在于实用,体现了美国人的治国理念和实用主义哲学传统。“有用便是真理”,这就是实用主义鼻祖詹姆斯关于真理的根本观点。

这份报告聚焦在“量子信息科学(QIS)”,它被认为对美国长期的经济繁荣和国家安全具有至关重要的意义。为此,美国政府专门设置了“国家量子协调办公室”来统筹相关的政策和投资。这份报告就是这个办公室汇集业内专家的意见,提出关于量子信息科学国家战略的八个前沿方向,包括量子信息科学的核心领域和基础问题。由QIS研究者所确认的这些前沿领域,深刻反映了美国人的思维模式和科研风格,也将成为政府、私人企业和科研机构的优先选项,以实现研究与发展的突破,因此成为一种战略规划和发展路线图。

具体来说,这八个前沿方向分别是:

一 扩展量子科技造福社会的机会

二 构建量子工程学

三 致力于发展为量子科技所需的材料科学

四 通过量子模拟进一步探索量子力学

五 应用量子信息技术于精密测量

六 生成及分布量子纠缠于新的应用

七 表征并降低量子误差

八 通过量子信息理解宇宙

在这八个前沿领域中,一、二、三、五、七,都是非常实用的方向,而四、六、八则属于更基础的和前瞻的方向。中国科技界现在讲“上天入地”,美国人的眼界显然涵盖了上天入地的两个侧面,而以入地为主旨、上天为引导。

二 关于应用的前沿领域

我们先看偏重实际应用的侧面。

首先,扩展量子科技造福社会的机会:开宗明义,量子科技的根本目的,是“造福社会”。用我们的语言来说,就是“为人民服务”,其宗旨在于把量子科学付诸实践应用,真正把量子科学发展成实用的量子技术,为社会服务。那么首先要阐明量子科学应用于技术的基本可能性,其中关键的问题,就是加深我们对量子技术如何能超越经典方法的基本理解。这就需要阐明,在哪些地方,根据量子现象可以比传统技术更好地解决具体问题;揭示根据量子现象所形成的、在经典处理中绝无可能的、全新的能力;最后是理解依据量子网络而能在量子计量学和量子计算中所呈现的基本优势。特别是量子算法的研究,则应聚焦于展示量子硬件对于解决经典的棘手的实际问题之毫无争议的量子优越性,以及构筑通往自动纠错的量子计算的长远目标之路。同时促进QIS研究人员与各领域专家的合作,相互促进、共同开发例如用于诊断或研究的生物分子体内表征的生物相容性量子传感器;环境或工业系统监测用的基于QIS的计量学;解决经典困难问题的量子计算方法,如与开发药物或固氮相关的建模,以及某些优化和机器学习任务;为支撑数据私密和保障通信保密性及盲目量子计算的量子网络;为卫星通信部署量子网络;以及开发和部署强大的量子导航系统。需要QIS作为工具去解决的问题,从对复杂物理现象的建模和理解,到加密 的优化问题,以及表征问题及其量子化需求。总而言之,研发的首要目标是展示量子技术在解决实际任务中的优势。量子技术如何能为其他科学家和最终用户以及整个社会带来更好、更便宜、前所未有的解决方案?这方面的发现将有助于进一步确立QIS的价值,而不仅在于在扩展人类知识的疆界。

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量子通信

其次,构建量子工程学,应该促进构建一个量子工程学的领域,而不是用经典工程学(例如经典控制的电子学或热控制的系统)去支持量子技术。要建立一门新学科或一门次级学科,这个学科可以适当地超脱量子学说深层的原理,而致力于发展工程学的模型,同时也允许以适当的课程来为工程师们提供对量子学说一定深度的理解和直觉。需要对本科和研究生开发课件和教科书。以量子信息科学为基础的新技术(简称量子技术)的发展,需要培养一种以前没有的新型人才:量子工程师。这是因为,QIS和技术的进步导致令人惊叹的原理性实验,但是,要使目前的量子调控能力能够成为计划中的建设性器件的标准化的方案,许多技术上和系统层次的挑战依然严峻。正在生成的量子工程学可以通过创建从设计到集成的新前景来沟通这两方面,以优化和验证其功能,并提炼出有用的知识和启示。这方面的前沿课题包括:理解什么因素可以使设计规模化和实用化;集成量子硬件、软件和支撑技术的发展;发展和利用系统层次的体系结构;以及开发新的量子工程学学科。首先要关注的是集成量子硬件、软件和支撑技术。量子科技需要量子工程师进行表征,集成和优化,这些元素包括量子比特阵列,制冷设备,电子设备,诸如氮化硅波导和延迟线之类的光学器件,单光子探测器,真空系统,布线和馈通装置,激光器和稳定组件,射频和微波技术以及设备包装。还有:量子存储技术的发展;高效的量子态制备方法-尤其是用于将经典数据加载到量子信息存储,处理或通信设备中的方法;以及量子系统异质成分之间的量子态转换。在软件和系统方面,重要的研究领域包括模块化软件设计的开发,将计算问题映射到早期设备的特定硬件配置的方法,以及探索基于硬件信息语义模型的编程语言。要探索系统级架构,抽象,和检测,建立量子工程的基本原理,使研究人员能够在各种抽象级别上构建和使用量子系统,而不必从第一原理入手。量子工程师还应与各领域专家紧密合作,开发可推动工具、技术和构架之设计于检测的新应用,这些新应用可能会导致量子技术的近期使用案例。量子工程要启用模块化系统,因为随着数量的增加,量子比特系统通常变得越来越难以准备、耦合与控制,其固有的复杂性也使它们随之变得更加难以理解、并建模和验证,这对实现更大规模的系统提出了重大挑战。因此需要开发技术,协议,模型和验证方法,以实现异构,模块化和可扩展的设计、制造方法、表征技术以及比特技术的包装。量子工程面临的挑战包括:优化量子材料、制备和生产方法以满足硬件要求;以及为量子系统的设计建立规范、参数和通用术语,使之可以在各个比特技术和学科之间共享;开发新的系统行为模型和有效的仿真技术,以与实际性能进行比较;比特之间的通信和连接;以及解决性能不如预期的系统的问题的方法。这些方法可以实现设计和开发稳定而独立的物理量子硬件和控制系统的集合,而这些集合可成为系统设计的模块化方法的基础。要专注于如何构建具有模块化体系结构的量子计算机。这将需要工程学专家、系统设计师和计算机科学家的共同努力,来设想考虑如何制作界面以及如何缩放这些界面。量子工程学的愿景,是建立一套广泛适用的量子工程原理、工具和规范,以设计稳定、复杂、紧凑且具有成本效益的量子系统,从而足以在各种不同的环境中使用和使用。这也将为设计和部署大规模量子计算和通信技术及基础设施奠定基础。

关于实际应用的第三个前沿领域是针对量子技术的材料科学。必须使用新材料,新工艺,新设计和新方法来改善量子器件的相干时间,门保真度和其他指标。器件改进的目标应基于尽可能最佳的系统与实际系统性能需求联系在一起。在量子计算的应用中,量子比特的质量与材料的质量密不可分,特别是在固态平台中。通过对材料性能的全面预测能力,才能加快实现纠错量子计算目标所需的更长的相干时间和更低的错误率。量子信息可以被编码为不同的物理系统:离子,原子分子或固态材料和超导电路,以及光子或声子,每种都有其自身的优势和挑战。每个系统中的一致性通常取决于如何制作和控制量子比特和互连。物质量子特性的基础知识可以指导高保真量子比特系统的设计,以最大程度地降低潜在的噪声和错误。根据工程规范开发和应用新的精确方法来表征和制造这些物理组件,将加快系统开发的步伐。取得进展的关键领域包括:利用材料科学来改善器件性能,并寻求新的材料设计,制造和表征方法。这一前沿领域的首要任务是借助材料科学提高器件性能,通过建立的理论和实验技术而改进器件的设计,表征,制造和评估。发展和优化新的先进材料,包括用于类原子量子比特的固态主体(例如,钻石和其他半导体),具有新兴特性的材料(类似于石墨烯和拓扑绝缘体)以及通过模拟进化的(天然)生物和化学材料而开发的材料。为此,要寻求新的材料设计,制造和表征方法。在这方面,有可能在现有知识的基础上发展理论、工具和技术,使研究人员能够探索材料的基本量子属性,预测材料性质,设计新的合成和集成过程以及致力于开发新种类的材料,其性能优于目前使用的材料。关键研究途径包括探索人工智能驱动材料科学;以及改进的化学模拟技术;3-D原子尺度成像;用于量子材料表征和量子器件读出的扫描探针技术;高灵敏度磁共振工具;以及其他适用于极端条件的新测量和建模功能。研究人员还指出,在实现拓扑材料方面的进展可能会产生全新的,具有固有错误保护功能的量子比特,与目前部署的方法相比,它们有望对噪声具有更大的包容度。物质中量子信息拓扑保护的论证仍然是一个悬而未决的问题,有许多潜在的成功途径。在这个过程中,也会提供将材料的更深层次的理解与更高分辨率,更精确,更容易扩展的制造和制造过程相结合的机会,以增强可定制材料的便利性,包括使从原子或分子的自下而上构造量子比特成为可能的制造技术。量子工程师与研究材料科学的人员之间的合作将使模型的开发成为可能,该模型可基于状态密度,隧穿能量和共振频率以及材料相关的退相干机制等可控特性量子比特相关表征等可控特性,来优化针对所需功能和性能的材料选择。一个目标是开发一种快速,迭代的合成技术,将原位制造和表征集成在一起,并以第一原理理论和机器学习为指引和/或指导,从而使之迅速集中实现所需的量子相干特性。总而言之,材料科学领域的进展有可能增强研究人员通过设计而可靠地并根据所需规格制造高质量量子比特和其他用于量子器件组件的专用材料的能力。它也可以刺激向具有增强的抗噪声能力的下一代量子材料的发展,支持建立具有实际应用潜力的稳定、紧凑和低成本量子器件的努力。

在应用方面一个重要领域是利用量子信息技术进行精确测量。上个世纪80年代凝聚态物理中量子霍尔效应的发现,开辟了在凝聚态物质中开拓量子效应的新纪元,其直接的应用就是物理常数的精确测量。经过四十年的努力,科学家们已经开发并使用了最先进的探测器和传感技术来执行精确测量,以探索自然规律,发现新的粒子和物质状态并开发满足国家安全需求的能力。几种最先进的计量技术已经证明了量子控制和QIS相关方法的关键优势,包括原子钟、原子干涉仪、磁力计和核磁共振(NMR)成像系统。在这个前沿领域,有机会提高精度和准确度,开发新的测量方式,改进部署这些技术的方法,并开拓用于精度测量的新应用。要探究的关键领域包括:更好地理解增强导航能力和实现标准的系统的准确性和精密度方面与量子有关的限制;原位和体内量子传感的新方法和应用;并使用纠缠和小型量子计算机来改进测量技术。首先是采用量子技术以提高准确性和精确度。精确定位,导航和定时(PNT)应用程序已经使用了量子技术,但是通常在尺寸,重量,功率和成本方面存在实际限制。带宽和可靠性也很重要。现在需要在实现卓越性能的同时满足整体封装要求的探索,这是将测量科学与量子工程相结合的关键方向。实验室提供毫米精度的定位和亚纳秒级的时间传递。然而,它们向实用量子技术的过渡,包括实际设计和制造精妙的元件,仍然是一个挑战。现在,全部系统国际(SI)单位都与可以与利用量子现象实现的常数相关联。这是在2019年重新定义千克的主要原因。通过使用QIS技术,将现场的测量值直接连接到基本常数,将影响许多科学和技术领域。新的程序可以代替传统的计量学方法所需的一些耗时且复杂的校准链。该前沿领域还将利用QIS来提高精度和准确性。其次是创建用于原位和体内量子传感新的模态和应用。尽管在传感方面,量子优势是巨大的,但在某些方面还需要确定令人信服的实例,以彰显这种量子控制的合理性,即不再简单地通过标准方法来增加通量或系统尺寸。业界发现的探索精密测量的机会包括高能物理探测器;化学实验室的光谱学;核磁共振技术:结合了尖端的空间分辨率和光谱化学位移敏感性;大地测量和制图;水文和矿物勘探;用量子增强望远镜进行天文学;以及从脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)到视觉,光合作用,细胞动力学和趋磁性研究的各种生物科学应用。人们还意识到,高度纠缠的囚禁离子系统不仅可以用于量子模拟,而且可以对力进行非常精确的测量,从而对超轻暗物质的搜索提供启示。力场的测量是精确测量和基本对称性测试的基本操作,当今一些最激动人心的发展就是利用了QIS技术。研究人员还认识到,具有光量子态,下一代原子钟,超冷分子,物质波干涉仪,晶体中的色心以及其他系统的新测量方式提供了新的功能,并且在某些情况下,基于量子相干性和叠加的精度和准确性是空前的 。然而,为进一步推动这一前沿领域的发展,使用纠缠和具有非经典相关性的多体量子态证明计量学的明显优势被视为重要的下一步。在此方向上,将压缩真空状态用于先进LIGO装置是一项重大成就。在这个领域的探索,将使纠缠度提高,从而提高性能,并可用于其他科学领域。科学家们为理解和构建量子物质创造了新的机会,而不再担心将多体物理学视为精确测量的障碍,反而是提高精确度和准确性的新领域。最后,可以进一步使用纠缠和量子计算机改善测量。研究界认为将纠缠概念扩展到传感器阵列和其他网络量子系统(例如纠缠时钟的网络)是量子计量学的前沿机会。原则上,使用量子预处理和后处理进行的最佳纠缠和测量可以实现新的计量领域。一种可能的方向是使用由量子电路或小规模量子处理器制备的多体量子态来实现计量。这将利用尖端的QIS技术来扩展精度测量领域。量子技术已经在计量学和基础发现(引力波;LIGO)中产生了影响。在这一领域的进展可能导致量子传感器在新的环境和科学领域中的部署。这些设备有望突破准确性和精确度的极限,并将通过新的基础传感机制实现。在计量学中,量子效应可用于传播与已定义的SI单位相关的标准。部署新的量子传感技术是一个主要目标,对于关键实用案例的识别也是一个主要目标,在这种情况下,纠缠和小型量子计算机可以改善应用环境中的计量结果。

在量子计算中一个关键问题是表征和缓解量子误差。最大的挑战是理解并通过实验实现量子纠错,并最终实现大规模的容错。这是因为量子系统天然地对环境敏感,这不可避免地导致错误。这是一个基本问题,因为受控的交互作用使得量子比特有用,但不受约束的交互会导致退相干。保持相干叠加和纠缠态足够长,以执行有效量子计算的前沿因此依赖于对如何诊断,避免和减轻量子误差的理解。对抗这种退相干对量子计量学和网络也至关重要。除了材料科学和拓扑保护外,还需要改进控制,包括从量子误差校正到无退相干子空间的探索以及用于容错量子计算的新方法。这方面主要的课题包括:对多量子位系统的最佳表征和控制,包括使用测量,反馈和新颖的编码;在容错领域中开发和探索新型通用计算方法;以及使用当前设备来扩展比特的性能极限。首先是表征和控制多量子位系统。大规模设计和控制量子计算机的关键可能是:探索2-比特门的表征如何、以及在何种程度上能够预测系统性能。可能需要新技术来充分预测错误如何在复杂的量子处理器和网络中传播。表征和建模可以指导最佳栅极操作的发展,帮助减轻相干误差和串扰,并使器件稳定以防止漂移。缓解量子错误的机会包括改进的材料,多量子比特的测量和反馈,改进的控制技术和平台设计以及使用新颖的编码和协议来扩展量子错误校正基础理论的方法。提高容错的阈值,并降低用于实现逻辑量子比特的资源(量子比特、门和时间)的开销成本。发现适用于模拟器的新型纠错和缓解措施是一个悬而未决的问题。此外,在系统的一致性与可编程性和可调性的程度之间存在自然的折衷。在开发量子仿真器中,理解和探索这种折衷至关重要。考虑到这种折衷,在算法开发方面自然会导致协同设计的概念,即为特定硬件和体系结构开发应用程序。这些努力将得益于各个专业领域的融合,包括实验物理学,量子控制理论,计算机科学和软件以及工程学。其次是致力于容错体系。减少量子错误将使探索具有容错能力的系统能够通向通用计算。朝这个方向进行的实验可以刺激协同设计的工作,例如通过以最小限度地使用特定的闸门,操作或易于退相干的状态支持的算法的错误感知实现。探索包括新的性能基准(例如量子量或试件计算),其中结果取决于缓解误差。随着容错模块和协处理器的推出,验证和确认将具有新的紧迫性。用于绝热量子计算和模拟量子模拟的纠错量子中继器和容错方法是相关的研究挑战。通过使用当前的和近期的量子计算机硬件(通常称为“噪声中间级量子“NISQ”计算机),可以对量子纠错进行研究,从而极大地受益,这将允许从原位研究中开发纠错代码和协议。在真正的硬件上,而不是使用理想的理论模型。最后,是使用当前设备扩展比特性能的极限。即使正在开发纠错系统,也已经有几种意见清晰地表明,探索尽管不完善的新可用技术仍需学习很多东西。量子状态是脆弱的;一个巨大的挑战是开发能够减少量子设备中噪声的设备和技术。应该探索所有途径,包括有望减少量子状态脆弱性的拓扑材料和/或器件设计,新的错误缓解技术以及量子错误校正码。为了追求容错,正在探索进化和革命的途径。即使采用渐进式开发,使用最新的量子比特进行的实验也可以突破性能极限。诸如激光,微波电子学,低温技术和制造商等支持技术的改进可以朝这个方向提供有价值的步骤。通过促进经实验学习来开发和应用特定于设备的噪声,控制和错误模型的方法,在试验台上进行的工作可以改进量子控制方法(例如动态去耦、脉冲排序和错误校正)。一些被认为更具革命性的方法包括拓扑量子比特,将簇状态和对称保护状态用作测量辅助量子计算的资源,对高维量子比特的研究,例如振荡器编码,以及其他新颖的比特架构。量子计算机本质上比传统计算机更容易出错。因此,我们希望有朝一日能够建造和运行的大型量子计算机,是建立在量子容错理论的基础上的,该理论确立了当出现困扰计算机的噪声时,具有适当特性的可靠的量子计算成为可能。最近的见解正在拓宽可证明其容错量子计算有效的噪声模型的类别,并阐明了克服噪声的开销成本。总括来说,在缓解量子误差这个前沿领域的愿景,是开发可靠的逻辑量子比特和其他技术来实现容错能力。更复杂的纠错系统的开发将受益于表征系统性能和错误传播的改进方法。纠错后的网络将用作支持测试的下一代硬件,并刺激用于验证和确认的新算法和协议的开发。虽然将继续探索实现大规模容错系统的增量方法和革命性方法,但可以在各种体系结构和环境下测试较小规模容错机器的近期应用。除了对量子技术的实际重要性外,有关量子误差校正的理论工作可能会刺激人们进一步发现宇宙的基本数学和物理基础,如第8个前沿领域《通过量子信息理解宇宙》中所述。

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量子计算机

三 关于基础和前瞻的方向

最基础的课题,是通过量子模拟进一步探索量子力学。量子计算的知识渊源可以追溯到几十年前的先驱,例如Richard Feynman,他们曾考虑过模拟量子系统的基本困难,并建议“杀个回马枪”, 使用量子力学本身作为实现一种新型的、能够解决此类问题的量子计算机。尽管量子计算的基本理论基础已经存在了一段时间,但直到过去5年才使该领域达到一个转折点:现在,中小型机器正在学术界和行业界的各种实验室中建立。工程量子技术可用于有效地模拟和仿真本质上的量子系统,以阐明其特性。这些努力已经增进了我们对以前神秘现象的理解,并有可能导致基础科学和应用科学取得惊人的进步。未来5年内将推出的量子信息技术,例如NISQ计算机和模拟量子仿真器,将为通过计算,仿真,实验和其他研究提高对量子系统的理解提供机会。关键的进展领域包括:利用量子装置改进从多体物理学到化学到材料科学的量子行为的经典、量子和混合仿真方法;展示基于量子模拟的量子优势;为NISQ时代的设备开发新的算法,并在存在噪声的情况下探索其性能。很自然,量子模拟比经典模拟更能更好地探索量子系统所跨越的状态空间。目前首先要开发量子仿真的应用。许多研究人员指出,量子器件有潜力增进我们对一系列量子系统的科学和工程学的理解。关键领域包括:化学电子结构计算;分子光谱的核振动和旋转计算;多体化学动力学和化学反应;平衡特性,相图和其他材料特性;以及其他多体动力学和复杂的物理现象,例如蛋白质折叠,高温超导或核裂变。这些系统的仿真可以通过模拟或基于门的量子计算机,量子仿真或在经典计算机上运行的仿真来进行。对于精确计算分子电子性质是否需要量子计算机的量子力学性能这一问题的回答也极为重要。如果答案是肯定的,那么这就为量子计算提供了一个完美的实际案例。否则,如果我们能证明尽管量子化学具有量子性质,它仍可以用经典的方式描述[刘4] ,那么这可以为在经典计算机上有效解决这些问题提供方便之门……无论以哪种方式解决问题,化学界都必将从中受益,即获得了一种模拟分子电子结构的工具。其次,是在现有设备上实现算法并探索其性能。研究界重点介绍的量子算法示例包括:量子相位估计,绝热状态准备,量子虚时演化,哈密顿仿真,真实空间仿真和费米离子仿真。量子和经典的混合方法在较大算法中利用量子硬件完成特定的计算步骤,其中包括用于基态能量优化的变分量子本征求解器(VQE)和量子近似优化算法(QAOA)。这项工作的关键要素将是建立性能基准,以比较理论和经验上不同的算法,以及将量子算法的输出结果与最著名的经典结果进行比较。从这项工作中获知的见解还可以为新的或改进的经典计算方法提供信息,从而帮助确定其功能和局限性。很明显,在未来的许多年中,人们将依赖于量子-经典混合算法,并且仍然存在许多悬而未决的问题。其中之一是如何在现有的量子经典框架内,最佳地适应量子算法。NISQ设备的这种特定用例为研究噪声如何影响算法实现,随硬件配置的不同以及随系统规模的扩展而提供了广阔的前景。研究工作将受益于经过经验验证的资源估计策略以及为支持系统验证而开发的噪声模型(可能由量子和近似电路模拟器实现)。量子和经典模拟方法也可以用于建模和优化其他量子技术组件,例如量子网络的元素。使用现实的量子计算架构估算量子算法的资源是一项重要的近期挑战。这里,重点通常是减少门数和量子电路深度,以避免量子比特去相干引起的误差或量子比特控制系统中的缓慢漂移。对于某些算法,不同类型的量子硬件支持不同的门集和连接性,并且本机操作通常比容错门集更灵活。针对特定硬件的针对特定算法的优化是量子计算机协同设计的最高,最重要的层次。利用量子技术进一步探究量子力学这个前沿领域的远景,是展示出解决多体量子物理学,量子化学或材料科学问题的革命性的量子优势,同时提高研究人员设计量子硬件和软件的能力。它也可能会导致建立模型,以最好地互补地利用量子和经典计算资源来解决各种问题。从根本上讲,它将有助于阐明用于量子系统计算研究的各种方法的实际效率,准确性和精度极限。

一个全新而且尚未被完全理解的领域是:产生和分发量子纠缠以用于新应用。事实上。只有很少数科学与技术的应用必须利用量子叠加和纠缠的独特行为。分发纠缠的进展激发了人们对量子网络作为量子技术支持平台的极大兴趣。通过纠缠在分离模块中的量子比特来互连量子器件可能是扩展量子计算机的关键途径。此外,在空间上分离的节点上分发量子信息,正在将量子通信的知识领域扩展到量子网络的更大领域。发明物理层组件以分发纠缠,为各种量子网络系统开发算法,应用程序,协议和用例,并了解将组件和协议集成到系统级体系结构中,等等,是需要探索的领域。量子通信系统需要中继器和量子存储器……早期的技术演示已经存在,但是中继器和存储器远没有达到有用的性能水平。所以首先的任务是:为量子网络开发基础组件。一些基本技术,在实现长距离量子网络之前,需要进一步发展, 其范围从量子中继器到存储器和互连。一个巨大的挑战是开发高效、可扩展,拥有足够带宽且可部署的量子中继器。同样,尽管协议早已取得进展,但用于量子存储器的、即插即用模块,仍然是一个待开发的研发课题。同时,量子互连(QuIC)提出了特殊的挑战,因为它们必须允许脆弱的量子态在系统的不同物理部分或自由度之间转移。构成“量子互联网”的QIT(量子信息技术)平台(超导、原子、固态色中心、光学等)的多样性提出了新的挑战。随着量子系统规模的扩大,量子互连瓶颈迫在眉睫,并成为QIT的巨大挑战。其次要启用量子态转导。需要量子互连来耦合量子系统中通常是异构的元素。其研究探索的途径包括:原子,光学,微波,电子和固态系统中量子态的相干转换;量子频率转换;自旋状态、电荷状态、极化、空间模式、轨道角动量和其他自由度(例如频谱-时间编码)的量子控制;高维量子比特;以及与连续变量纠缠的呈现。此外,产生和分发纠缠的实用方法必须减轻损耗,噪声和误差,以满足诸如以下讨论的应用所需的规格(例如,数据处理速率和复合效率或吞吐量)。而如果没有新的方法在长距离上分发纠缠,则超导量子计算机的大型网络(量子网络)是不可能的,这需要开发有效的量子态转导。还有,需要集成量子网络系统。研究人员已经确定了其基础设施和工程技术的需求,以实现分发纠缠在一系列距离范围内。关键问题是,在低温恒温器之间,以及集成光子器件之间或在单个系统中的量子比特之间的短距离纠缠分发。在该领域中,还寻求为量子态的自由空间通信和互连本地网络(例如,基于陆地光纤的量子内联网)配备的空中和卫星平台。纠缠分发和研究实验台或设施的基础设施和协议(例如使用交换、纯化、互连和经典加量子混合方法)需要大量探索。在量子网络中连接全球的光学望远镜可以以前所未有的精度确定恒星的视在位置。上述想法的演进将在很大程度上取决于理论上的努力,以发展实验概念并评估其敏感度。最后,是探索量子网络算法,应用程序,协议和方法。研究人员指出,在物理层次之外,还有探索量子网络的应用的机会,例如分布式量子计算,盲量子计算,端到端量子加密,安全软件分发和纠缠的传感器阵列。除了全新的算法和应用程序外,网络协议可能还需要改进或大规模修订才能在新生的量子网络测试平台上工作。可以设想或在现实世界中实际遇到各种网络架构,并且用于分布式量子计算的算法将需要考虑网络拓扑。传感器网络的应用-包括长基线望远镜,海森堡(Heisenberg)限制的干涉仪以及改进的时钟同步功能,都可以出现。事实上,主流领域内的科学家仍然无法很好地理解诸如纠缠和隐形传态这样的量子网络资源,但是可以利用它们来解决新型的科学问题。这个前沿领域的一个关键机会是研究人员开发并验证一组足够完整的基础量子网络组件,这些组件可以协同工作,以便可以设计、建立和操作长距离量子网络,以将纠缠分发到地球(或周围)多个节点上。与此同时,新颖的算法可以使探索量子网络的新应用成为可能。诸如盲量子计算和量子增强望远镜之类的几个概念可以通过使用量子网络试验台或原型进行的经验研究进行测试和改进。天基任务分发纠缠的可行性研究将结合量子工程学(和技术成熟水平)的概念以及纠缠产生,分发和利用的基础研究。此外,随着原理证明的发展,可能会发现传感器阵列和分布式量子计算机的新概念。

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量子纠缠

最后,我们将要讨论一个特别引人入胜的前沿领域,即通过量子信息理解宇宙。量子纠缠”令人兴奋,因为知道许多粒子的高度纠缠系统很难用数字计算机模拟,我们可以预料,在足够复杂的量子系统中会出现令人惊讶、富有启发性和有实际用用价值的新现象。QIS是有关宇宙的数学和物理基础的新观点的奇妙来源。通过探索物理系统可以计算的极限,它已经开始改变我们对计算的思考方式,并且可以为测试新机制中的量子力学和其他基础科学理论提供新的机会。量子技术还提供了新的方法,可以通过精确的测量方法来超越粒子和场的标准模型来探究物理。在这个前沿领域,基础的QIS研究开启了新的科学视野。该领域的基础是三个主题:通过量子计算和量子信息论的视角探索计算和信息的数学基础;利用QIS的概念和量子模拟的新应用来探索从暗物质到量子引力的物理理论的局限性;并利用精确测量和多体量子系统来测试对粒子物理学标准模型的期望,并寻找当前模型之外的现象。纠缠理论的一些重要研究领域旨在:加深对量子与经典相关(尤其是纠缠的“一对一”制,也与“量子边际问题”有关,或与时间有关而不是与空间相关的基本物理和数学方面的理解);在资源理论框架内进一步推动纠缠特性的描述和量化(可能产生的影响范围从量子热力学到高能物理);最终,探索纠缠概念的一般化,它可能包含比当前设想更笼统的“局部性约束”,并且可能允许研究人员揭示纠缠的性质和作用,以及在拓扑量子物质或时空几何学中的出现 。这里首先是探索计算和信息的数学基础。QIS研讨会上提出的有关计算的基本问题(例如,量子计算机可以有效地模拟自然界中发生的任何过程吗?与传统方法相比,哪种计算可以实现指数级加速?),涉及量子复杂性理论,量子资源论和量子计算。有关以下方面的网络安全影响的基础研究、量子技术和缓解策略是数学,计算机科学和QIS专家共同感兴趣的领域。人们也在讨论有关纠错和拓扑量子计算的理论极限以及绝热量子计算的普遍性的开放性问题。尽管存在一些量子计算的理论模型,并且对其进行了深入研究,例如量子电路,拓扑量子计算,耗散量子计算,量子游走和绝热量子计算模型,但是每种模型在其实际的硬件实现环境中都有其优缺点。可能的量子计算模型的空间还远远不够完整,以量子硬件开发的协同设计方法开发模型可能对两者都有利。首先是研究如何准备或有效地近似复杂的量子态可以为性能基准的发展提供参考,并阐明热力学和非平衡动力学的起源(例如通过对时间晶体、混沌、预热和量子信息加扰的研究)。同时,QIS的进步正在促进经典计算的改进,例如,通过模拟量子退火或玻色子采样的新方法,这些方法提高了人们对可证明的量子优势的期望。一份研讨会报告建议QIS可以帮助回答以下问题:“还有其他尚未开发出的根本不同的计算模型吗?”其次要扩展物理理论的界限。应该仔细考虑使用量子技术可以解决物理学中哪些关键,长期存在的问题。QIS的研究已开始对揭示物理和其他科学领域的其他交织领域提供启示。例如,对纠缠的研究可以解决有关时空的出现,黑洞的熵,虫洞的对应以及热力学基础的基本问题。具体研究领域包括:量子行走的量子计算分析如何扩展散射理论;以及量子纠错码和多体纠缠如何才能为搜索物质和拓扑状态的新阶段提供信息;以及如何使用反德西特/保形场理论(AdS / CFT)对应关系和相关词汇来翻译结果,从而为量子引力理论提供信息,并探讨在不可能进行扰动分析的强耦合条件下规范理论的性质。此外,量子网络和计算机可以通过探索相干性和纠缠的基本极限来测试新机制中的量子力学。QIS可以帮助探讨以下问题:“从实验上可以证明与传统量子理论的哪些合理偏差是可以测试的?” (例如重力引起的退相干、自发波函数崩溃模型或对薛定谔方程的非线性校正)。特别要专注于模拟在实验室中无法研究的量子系统,例如黑洞。最后,检测粒子物理的标准模型。对于基础物理学,除了改进引力波检测和基本常数的精确测量外,QIS还可以提供新的方法来检验对粒子物理学标准模型的期望,并推测该领域的扩展。例如:搜寻暗物质和暗能量;测试基本对称性,例如电荷,奇偶校验,时间(CPT)和洛伦兹不变性;并搜索时间或空间中基本常数的变化。QIS方法(如相干光谱法,原子干涉法或高级磁力计)可用于搜索基本粒子的永久电偶极矩(违反CP的物理测试),测量精细结构常数(可用于量子电动力学测试),搜索轴心类粒子(暗物质候选者)和队第五种作用力的搜索。这一前沿将增进我们对物理宇宙基础的理解。量子现象的超精确测量可以用作非常高能级的新物理学的强大探针,例如,通过测试基本的物理对称性和定律,以及寻找新的现象,例如与“暗区”相关的现象。量子前沿最令人兴奋的机会之一就是寻找电子的电偶极矩(EDM)以及原子核中的相关量,这些量仅可通过超出了标准模型中的限制电荷共轭奇偶性(CP) 来测量。在这些方面,科学家们认识到QIS研发对于加深基础知识的价值,它具有产生意想不到的发现,转化为其他学科的新科学概念和工具以及下游未知应用和技术的潜力。QIS研究提供了检测试、完善和扩展我们用来描述宇宙本质的基本数学和物理理论的机会;对可以有效地计算和不能有效计算的内容有更全面的了解;并阐明量子资源对计算,工程和科学本身的价值。

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神秘宇宙

四 总结与展望

在这些领域中,QIS面临的最紧迫的挑战是什么?答案取决于我们的目标。这份报告所列出的八个量子技术前沿领域,是来自美国和世界各地的技术专家的意见。前沿领域是QIS最前沿的广阔领域,其中包含许多应尽早探索的量子问题,以及在开发应用程序之前必须克服的艰巨技术挑战。这个纲领性文件旨在对于要探索的量子前沿来略作指导,并促进协调一致的努力,以加快进展的进度。 美国白宫的《量子前沿》报告书大抵如此。首先我们看到它严谨而务实,体现了作为美国国家哲学的实用主义特色。实用主义自其诞生之日起就一直是美国人生活方式和求生手段的重要思想基础。纵观美国蓬勃发展的历史,可以很明显地看到建构其独特的、充满生机活力的美国文化:锐意进取、乐观向上、勇于开拓、注重实效,被誉为“美国精神”。实用主义正是所谓“美国精神”在哲学上的升华和提炼,它的产生又促进了“美国精神”的完善和发展。“美国精神”孕育了实用主义,实用主义升华了“美国精神”,两者相辅相成,相得益彰,共同成为美国工业文明的精神和理论支柱,为美国民族所接受,并进而对当代美国人的价值观念和行为取向产生了极其重要的影响。正如美国前国务卿基辛格所言:实用主义是美国精神,美国人民是求实进取型人民,美国民族注重实效、讲求行动的精神和前锋意识正是实用主义培养起来的。

当然在注重应用的同时,白宫报告也提出了极富想象力的前瞻视野,放眼于一些属于未来的目标,例如进一步发展量子力学、理解和利用量子纠缠,以至于发现我们的宇宙及其神秘的组成和起源。一些看起来无用的研究,也被提上日程。“有用和无用”是科学界永恒的命题。其实几乎所有有用的东西,都源于“无用”的发现和发明。在科学研究中,允许和鼓励奇思异想、给“无用”的研究留有余地,对默默无闻的耕耘采取宽容和支持的态度及政策,等等,是我们真正能够赶超世界先进水平,而不是永远追随别人的基本前提。

列宁和毛泽东都曾经赞赏过这样的美国精神。列宁说:“现代美国史,是由一次伟大的、真正解放的、真正革命的战争开始的。”美国精神就是在这场战争中孕育的。年轻时代的毛泽东也曾深受美国一些伟大人物,例如华盛顿、富兰克林、林肯和罗斯福等人的影响。安娜·路易斯·斯特朗曾经非常惊讶于毛泽东对于美国知识的丰富和渊博:“对于美国的许多事,我发现他比我了解得还要多,这真令人吃惊,因为20年来他从没有同外部世界接触过。”

在当今的信息时代,我们更理应对外部世界、尤其是美国,有更广泛和深入的了解。合作共赢、取长补短是我们泱泱大国的战略思维和开阔心胸。时代在迅猛发展。从石器到铁器、再到半导体的时代,从农耕到工业、再到信息时代,现在迎面而来的是一个真正的量子时代。中美两国的领导层都敏锐地认识到这个时代到来的气息,并分别做出战略部署。在此时刻,研究美国人的报告,无疑具有重要的借鉴和参考意义。

致谢:感谢刘星辰校正了几个专有名词的译法。

来源:格为致知

作者:葛惟昆,香港科技大学荣休教授