来源：中国科协创新战略研究院《创新研究报告》第35期（总第463期）2021-06-15
编者按
：为确保美国的经济繁荣和国家安全，2020年10月，美国白宫国家量子协调办公室（The White House National Quantum Coordination Office）发表《量子前沿》（Quantum Frontiers）报告。该报告介绍了量子信息科学研究界对国家量子信息科学战略的看法，描绘了该领域 8 大前沿领域的核心问题。本文对其主要内容进行摘编。近年来，美国政府采取一系列重大行动，以加强联邦政府对量子信息科学研发的投资，并致力于培养一支发展量子技术所需的人才队伍。2018 年，白宫科学技术政策办公室（OSTP）发布了《量子信息科学国家战略概述》（National Strategic Overview for Quantum Information Science），这是一项旨在争取美国量子信息科学领先地位的国家战略。按照这一战略，特朗普签署了两党的《国家量子计划法案》（National Quantum Initiative Act into law），以增加研发支出，并成立了国家量子协调办公室（NQCO），以加强联邦政府各部门之间量子政策和投资的协调。《量子前沿》报告在上述措施的基础上概述了量子信息科学研究界提出的八大量子前沿领域，这些前沿领域涵盖了量子这一新兴领域涉及的核心问题。这八大领域包括：扩大量子技术造福社会的机会，创建量子工程学科，量子技术的靶向目标——材料科学，通过量子模拟探索量子力学原理机制，利用量子信息技术进行精密测量，扩展量子纠缠在新技术中的应用，表征进而缓解量子误差，通过量子信息认识宇宙。上述前沿领域是政府、企业界和学术界应进行探索的重点领域，有助于推动突破性的研发。前沿之一
扩大量子技术造福社会的机会
信息技术的本质是量子力学，受宇宙本身的规则支配。正是这种认识帮助人类建立了量子信息系统领域。今天，在量子信息系统领域进步的基础上，已经涌现出了利用量子相干、量子纠缠和量子测量的独特量子特性的新技术。当前，为这些技术开发实用的应用，使各学科领域的科学家并最终使大众受益，是量子信息科学家和技术人员研究的重要前沿领域。在这一前沿领域取得进步需要研究的主要方向有两个：一是利用量子技术从根本上可能做到哪些事情，包括量子的实际优势和对经典量子相互作用空间的更深刻得理解；二是尽早让跨学科的量子信息系统研究人员与领域科学家和最终用户合作，共同努力，以发现量子信息系统技术在政府、产业和其他科学领域的潜在应用价值。前沿之二
创建量子工程学科
量子信息系统和技术的进步带来了引人注目的基于量子门和模拟量子计算的实验，以及功能和精确度都前所未有的量子传感的实验。但是，在量子控制能力被应用于设计和建造复杂设备之前，仍有许多技术和系统挑战需要克服，对于实际应用中有各种规格和应用限制的产品尤其如此。新兴的量子工程学科有望弥补这一鸿沟，该学科可以提供各种新观点，从设计和集成组件到优化和验证功能，乃至提供有益的理论和启发式算法等。如有些公众意见所提出的那样，这些属于当前量子工程的各种概念。在这一前沿领域取得进展的途径包括四个方面：一是了解什么使设计具有可扩展性和实用性；二是整合量子硬件、软件，支持技术开发；三是开发和使用系统级架构；四是开创量子工程这门新学科。前沿之三
根据量子技术的需要有针对性地推进材料科学的发展
量子信息可以被编码置入不同的物理系统——离子、原子分子，固态材料、超导电路以及光子或声子，每种都有各自的优势和挑战。每个系统中的一致性通常取决于如何制作和控制量子位和互连性。关于物质量子特性的基础知识可以指导高保真量子位系统的设计，以最大程度地降低潜在的噪声和误差。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，将加快系统开发的进度。该领域取得进展的关键在于以下两个方面：一是利用材料科学来改善器件性能；二是采用新的材料设计、制造和表征方法。前沿之四
通过量子模拟探索量子力学
工程量子技术可用于有效地模拟和仿真量子系统，以阐明其特性。这方面的努力已经增进了我们对以前的神秘现象的理解，并有可能促使基础科学和应用科学取得惊人的进步。未来5年内有望出现的量子信息技术，例如噪声中型规模量子（Noisy Intermediate Scale Quantum，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。为通过量子模拟推动量子力学进展，关键要聚焦以下三个方面：一是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仿真方法；二是基于量子模拟展示量子优势；三是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。前沿之五
利用量子信息技术进行精密测量
有几种先进的计量技术已经证明了量子控制和量子信息系统相关方法的主要优势，如原子钟、原子干涉仪、磁力计和核磁共振（NMR）成像系统等。在这个前沿领域，有望进一步提高精确度和准确性，开发新的测量方式，改进在现场应用这些技术的方法，并开拓用于精确测量的新应用。有待探索的关键领域包括：更好地理解量子技术在系统精密度和准确度方面的局限性，因为这会影响到在野外部署需要增强导航能力的系统的应用及相关标准是否能实现；原位和体内量子传感的新模式和新应用；利用量子纠缠和小型量子计算机来改进测量技术。前沿之六
利用量子纠缠探索新应用
前沿之七
表征和减少量子误差
量子系统本质上是对其环境敏感的，这不可避免地会导致误差，这是一个基本问题，因为不受约束的交互会导致退相干（“退相干”是量子力学的基本数学特性之一）。因此，保持相干叠加和纠缠态足够长以执行有效量子计算，这个前沿领域依赖于了解如何诊断、避免和减少量子误差，应对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。这个前沿领域涉及的主题包括：对多量子位系统的最佳表征和控制，包括测量、反馈和新颖编码的运用；在容错域中开发和探索新型通用计算方法；使用当前设备来扩展量子位的性能极限。前沿之八
通过量子信息认识宇宙
量子信息系统是有关宇宙的数学和物理基础的新观点的奇妙源泉。通过探索物理系统可以计算的极限，量子信息系统已经开始改变我们对计算的思维方式，并且有望在新机制下为检验量子力学和其他基础科学理论提供新机会。通过精确的测量方法，量子技术还提供了超越粒子和场的标准模型的探索物理学的新方法。在这个前沿领域，基础的量子信息系统研究可以开启新的科学领域。该领域主要涉及三方面研究主题：一是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；二是利用量子信息系统的概念和量子模拟的新应用来探索从暗物质到量子引力等物理理论的局限性；三是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预见，并探索当前模型之外的现象。文章来源https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2020/10/QuantumFrontiers.pdf编译：郑玲，责任编辑：苗晶良感谢您的支持与关注，欢迎赐稿交流投稿邮箱：nais-research@cnais.org.cn
