【科技参考】美国能源部：量子计算和量子网络的基础研究需求

将量子力学应用于计算、信息处理和网络中，有望获得相对于传统同类技术的潜在指数级优势。但要量化和实现这些优势，在科学和工程方面仍面临许多挑战。为此，美国能源部科学办公室先进科学计算研究中心召开量子计算和网络基础研究需求研讨会，明确了以下五个优先研究方向。

关键问题：如何设计出富有表现力的编程模型和语言来吸引更广泛的用户群，并促进量子算法的设计和实现？如何将这些整合到端到端工具链中，并生成一批资源利用率高的量子程序？

量子计算和量子网络系统的规模和复杂性不断提升，将给软件堆栈带来更多负担，使其无法有效地编程、控制和管理。因此，需要研发将编程模型与硬件级控制系统集成的软件工具链，以最大限度地提高量子系统的性能和保真度，促进跨技术平台的硬件、控制系统和算法的代码设计。另外，将量子网络系统与量子计算系统集成对于推进分布式量子计算服务的交付至关重要。这种集成需要一个与量子计算软件堆栈兼容的量子网络堆栈，以确保组合系统能够被有效地管理、控制和编程。

关键问题：与传统的经典计算范式相比，哪些类别的现有和未充分研究的科学应用具有巨大的量子优势？如何设计出新颖的算法和辅助数学模型来实现这些优势？量子优势是否存在实证方面的障碍？这些算法的实现对物理资源的需求是什么（包括物理量子比特的数量和量子电路的深度）？

量子计算预计不会普遍加速当前的计算任务，因此，识别出适用于量子优势的特殊结构问题是首要目标。从互补性角度看，拓宽对适用于量子优势的基础计算内核的理解也同样重要。虽然目前已知各种量子优势，但它们仍存在不足，例如缺少已知的实际应用、短期实现、优势的严格可证明性或优势的有效可验证性等。此外，量子优势主要集中表现在改善执行时间上，与其他关键资源有关的优势（如解决方案的质量/准确性、能耗、空间/内存或通信等）尚未得到充分研究，尤其是在量子网络方面。

关键问题：随着量子计算和量子网络技术的发展和规模的扩大，如何才能严格评估量子计算相对于经典计算的优势？哪些指标和评估方法能够真实反映或评估整个计算和量子网络堆栈的量子优势？

评估量子优势进展是一项具有挑战性的工作，需要多方面的努力。随着量子技术的不断成熟，量子优势的经验证据预计将继续依赖于量子系统的大规模经典模拟。但目前存在一个巨大障碍，即根据从相对较小的近期量子系统和经典模拟中获得的有限结果来预测可扩展的量子优势。一方面，虽然严格证明渐近量子优势是可取的，并可用于指导实证研究，但这往往依赖于量子计算的抽象或专门模型，或者进行额外限制；另一方面，随着问题规模或复杂性的提升，或者随着更好的经典算法的开发，实证评估所提出的量子优势可能无法持续。因此，弥合理论与实践之间的差距至关重要，这需要在量子计算和量子网络堆栈的各个层面定义和开发严格、详实且可有效验证的性能指标。理想情况下，这些指标应整合到整个堆栈中，以在实践中量化改进和实现预测的性能。

关键问题：如何增强量子系统对噪声和错误的韧性，从而突破可扩展性和量子优势的瓶颈？哪些类型的量子算法协同设计技术有助于构建具有韧性的量子系统？

国家实验室、学术界和产业界正在不断改进量子计算和量子网络硬件，虽然取得了一些稳步进展，但这些系统仍然存在噪音和缺陷。近年来，研究界在表征误差和在软件堆栈各层添加误差缓解措施方面做出了巨大努力，从而得以在小规模量子实验中克服部分噪声并取得可靠结果。为了在更大规模和更复杂的量子系统中取得可靠的结果，需要在软件堆栈的关键层中集成更高效、更完善的方法来表征、缓解、预防或防止动态错误。另一种方法是确定量子算法的容错机制，并设计新的硬件感知算法和硬件控制，实现容错。

关键问题：能否构建量子中继器硬件，实现比直接传输更高的纠缠分发率？除了中继器，还需要哪些软件和硬件来构建可扩展的量子网络？这些网络将支持哪些应用，带来哪些优势？什么样的分布式量子计算模型会产生新的量子应用和优势？

目前，非纠错量子存储器和它们之间的纠缠分发已通过多种量子比特技术得到验证。要创建容错型量子中继器，必须在设计和实现过程中集成错误检测和纠正功能，增强量子存储器的性能。光子源、探测器和时间标记硬件也需要改进，以提高纠缠交换操作的保真度。关于量子网络软件堆栈，需要实施分布式纠错协议，并实现整个堆栈的优化。此外，还需要开发高保真量子信息传输方法和硬件，以在分布式量子计算应用中使用纠缠分发网络。

编译：中国科学技术信息研究所  黄丹

审校：中国科学技术信息研究所  张丽娟

来源：《科技参考》2024年第13期