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导读
12月14日，美国阿贡国家实验室量子信息科学研究中心Q-NEXT发布了《量子互连路线图（A Roadmap for Quantum Interconnects）》，概述了在未来10到15年的时间尺度上发展量子信息所需的研究和科学发现。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。
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：为全世界量子科学和工程界制定未来十年所需的研究指南。
《量子互连路线图》特别关注量子互连，即在系统之间、远距离链接和量子信息传输以实现量子计算、通信和传感的设备。报告从计算、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。每个部分都确定了未来十年推进研究领域所需的科学和技术要求，并概述了将技术转化为实际优势所需的发展。
报告指出，量子互连可根据系统内的量子比特种类是否一致而分为同构互连和异构互连，能在系统之间和不同距离范围之间链接和分布一致的量子信息、以实现量子传感、通信和计算。在较小的空间范围内，互连能够使量子系统内、量子处理器间，以及量子计算机和经典计算机的元素和组件相互连接，从而执行量子算法；在较大的空间范围内，量子互连可用于创建量子通信。
关于Q-NEXT量子研究中心
Q-NEXT量子研究中心是美国通过《国家量子计划法案》批准设立的5个国家量子信息科学研究中心之一，由美国能源部阿贡国家实验室于2020年牵头组建，汇集了来自3个国家实验室、10所大学和14家科技公司的约100名专家，旨在将科学组织和商业企业聚集在一起，解决量子技术挑战。Q-NEXT量子研究中心的研究领域包括量子通信、材料、传感和模拟等，面向电信、能源、金融服务、制药和物流运输等行业应用。同时，Q-NEXT还致力于建立和加强科学组织与行业之间的联系，以建立国家量子生态系统。
(一)未来10年的科技任务
i.在低温下连接到量子比特以及量子比特之间的连接是具有挑战性的，目前，由于要求量子比特位于一个芯片上，并且需要使用物理体积很大的电子元件，如隔离器，这限制了集成进展。建立量子芯片之间的互连能力（例如，电缆上的2量子比特门）并在没有笨重组件（例如微波隔离器）的情况下执行量子比特读出，将使研究人员能够增加量子比特的数量和量子处理器的尺寸。
ii.使用非确定的原子尺度布局和制造方法，相干地控制和定位光学活性自旋/晶格缺陷，横向定位精度<20 nm；
iii.开发两种异构的量子比特网络架构，在更长的相干时间和更快的操作速度之间权衡；
iv.为大型系统（>1000量子比特）开发互连架构和性能基准测试指标；
v.展示从物质量子比特到电信波段光子的保真度超过99%的转换。
(二)未来带来变革的应用
未来10-15年，量子计算机可能会变革量子模拟、求解优化问题和求解线性系统方面的应用，并在以下场景产生影响：
1.物理、化学和材料科学领域的量子模拟。
2.经过验证的随机数发生器，可用于量子密码学。
3.蒙特卡洛算法和量子近似优化算法。
4.数据分析机器学习以及线性代数高效运算。
Q-NEXT研究中心梳理了几种关键量子比特系统，并确定了相关优势和挑战。
时下，美国前瞻性地开始制定相对详细的研发目标，力争夺得标准主导权和率先实现商业化，在全球竞争中占领先机。《量子互连路线图》中提出的技术、研究目标和需求覆盖了量子基础研究、材料和设备等主要要素，为美国未来10-15年的量子技术发展勾勒了框架、明确了主要目标，意在巩固美国在量子技术这一快速发展领域的科学和经济领导地位。结合美国的部署和计划可以看出，美国量子技术实用化与商业化的路线正不断清晰。
量子技术有望在未来数十年内引领科技的进步，并取得实际应用。特别是量子技术在基础科学、工程学、金融和物流等领域拥有广阔的应用前景，有望引发生产力变革。我国也应结合当前的国际研究热点、实际研究水平与进展，以及当下最紧迫的需求、最可能率先落地的应用，形成更加详细的发展规划与指导。
来源：阿贡国家实验室官网；国际技术经济研究所
