簡評美國白宮《量子前沿》報告書 － 實用主義哲學的產物_風聞

撰文 | 葛惟昆（香港科技大學榮休教授）

來源：格為致知

一 引 言

同在今年十月，中美兩國高層分別對“量子科技”發聲。中共中央政治局以集體學習方式，提出“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。這次集體學習的目的是瞭解世界量子科技發展態勢，分析我國量子科技發展形勢，更好推進我國量子科技發展。”同時美國白宮發佈了國家量子協調辦公室關於《量子前沿》的專家報告書，系統勾畫了他們心目中的量子前沿，這對於同樣對量子科技雄心勃勃的中國科技界無疑具有重要的參考價值。

尤其值得注意的是，美國人的着眼點在於實用，體現了美國人的治國理念和實用主義哲學傳統。“有用便是真理”，這就是實用主義鼻祖詹姆斯關於真理的根本觀點。

這份報告聚焦在“量子信息科學（QIS）”，它被認為對美國長期的經濟繁榮和國家安全具有至關重要的意義。為此，美國政府專門設置了“國家量子協調辦公室”來統籌相關的政策和投資。這份報告就是這個辦公室彙集業內專家的意見，提出關於量子信息科學國家戰略的八個前沿方向，包括量子信息科學的核心領域和基礎問題。由QIS研究者所確認的這些前沿領域，深刻反映了美國人的思維模式和科研風格，也將成為政府、私人企業和科研機構的優先選項，以實現研究與發展的突破，因此成為一種戰略規劃和發展路線圖。

具體來説，這八個前沿方向分別是：

一 擴展量子科技造福社會的機會

二 構建量子工程學

三 致力於發展為量子科技所需的材料科學

四 通過量子模擬進一步探索量子力學

五 應用量子信息技術於精密測量

六 生成及分佈量子糾纏於新的應用

七 表徵並降低量子誤差

八 通過量子信息理解宇宙

在這八個前沿領域中，一、二、三、五、七，都是非常實用的方向，而四、六、八則屬於更基礎的和前瞻的方向。中國科技界現在講“上天入地”，美國人的眼界顯然涵蓋了上天入地的兩個側面，而以入地為主旨、上天為引導。

二 關於應用的前沿領域

我們先看偏重實際應用的側面。

首先，擴展量子科技造福社會的機會：開宗明義，量子科技的根本目的，是“造福社會”。用我們的語言來説，就是“為人民服務”，其宗旨在於把量子科學付諸實踐應用，真正把量子科學發展成實用的量子技術，為社會服務。那麼首先要闡明量子科學應用於技術的基本可能性，其中關鍵的問題，就是加深我們對量子技術如何能超越經典方法的基本理解。這就需要闡明，在哪些地方，根據量子現象可以比傳統技術更好地解決具體問題；揭示根據量子現象所形成的、在經典處理中絕無可能的、全新的能力；最後是理解依據量子網絡而能在量子計量學和量子計算中所呈現的基本優勢。特別是量子算法的研究，則應聚焦於展示量子硬件對於解決經典的棘手的實際問題之毫無爭議的量子優越性，以及構築通往自動糾錯的量子計算的長遠目標之路。同時促進QIS研究人員與各領域專家的合作，相互促進、共同開發例如用於診斷或研究的生物分子體內表徵的生物相容性量子傳感器；環境或工業系統監測用的基於QIS的計量學；解決經典困難問題的量子計算方法，如與開發藥物或固氮相關的建模，以及某些優化和機器學習任務；為支撐數據私密和保障通信保密性及盲目量子計算的量子網絡；為衞星通信部署量子網絡；以及開發和部署強大的量子導航系統。需要QIS作為工具去解決的問題，從對複雜物理現象的建模和理解，到加密 的優化問題，以及表徵問題及其量子化需求。總而言之，研發的首要目標是展示量子技術在解決實際任務中的優勢。量子技術如何能為其他科學家和最終用户以及整個社會帶來更好、更便宜、前所未有的解決方案？這方面的發現將有助於進一步確立QIS的價值，而不僅在於在擴展人類知識的疆界。

量子通信

其次，構建量子工程學，應該促進構建一個量子工程學的領域，而不是用經典工程學（例如經典控制的電子學或熱控制的系統）去支持量子技術。要建立一門新學科或一門次級學科，這個學科可以適當地超脱量子學説深層的原理，而致力於發展工程學的模型，同時也允許以適當的課程來為工程師們提供對量子學説一定深度的理解和直覺。需要對本科和研究生開發課件和教科書。以量子信息科學為基礎的新技術（簡稱量子技術）的發展，需要培養一種以前沒有的新型人才：量子工程師。這是因為，QIS和技術的進步導致令人驚歎的原理性實驗，但是，要使目前的量子調控能力能夠成為計劃中的建設性器件的標準化的方案，許多技術上和系統層次的挑戰依然嚴峻。正在生成的量子工程學可以通過創建從設計到集成的新前景來溝通這兩方面，以優化和驗證其功能，並提煉出有用的知識和啓示。這方面的前沿課題包括：理解什麼因素可以使設計規模化和實用化；集成量子硬件、軟件和支撐技術的發展；發展和利用系統層次的體系結構；以及開發新的量子工程學學科。首先要關注的是集成量子硬件、軟件和支撐技術。量子科技需要量子工程師進行表徵，集成和優化，這些元素包括量子比特陣列，製冷設備，電子設備，諸如氮化硅波導和延遲線之類的光學器件，單光子探測器，真空系統，佈線和饋通裝置，激光器和穩定組件，射頻和微波技術以及設備包裝。還有：量子存儲技術的發展；高效的量子態製備方法－尤其是用於將經典數據加載到量子信息存儲，處理或通信設備中的方法；以及量子系統異質成分之間的量子態轉換。在軟件和系統方面，重要的研究領域包括模塊化軟件設計的開發，將計算問題映射到早期設備的特定硬件配置的方法，以及探索基於硬件信息語義模型的編程語言。要探索系統級架構，抽象，和檢測，建立量子工程的基本原理，使研究人員能夠在各種抽象級別上構建和使用量子系統，而不必從第一原理入手。量子工程師還應與各領域專家緊密合作，開發可推動工具、技術和構架之設計於檢測的新應用，這些新應用可能會導致量子技術的近期使用案例。量子工程要啓用模塊化系統，因為隨着數量的增加，量子比特系統通常變得越來越難以準備、耦合與控制，其固有的複雜性也使它們隨之變得更加難以理解、並建模和驗證，這對實現更大規模的系統提出了重大挑戰。因此需要開發技術，協議，模型和驗證方法，以實現異構，模塊化和可擴展的設計、製造方法、表徵技術以及比特技術的包裝。量子工程面臨的挑戰包括：優化量子材料、製備和生產方法以滿足硬件要求；以及為量子系統的設計建立規範、參數和通用術語，使之可以在各個比特技術和學科之間共享；開發新的系統行為模型和有效的仿真技術，以與實際性能進行比較；比特之間的通信和連接；以及解決性能不如預期的系統的問題的方法。這些方法可以實現設計和開發穩定而獨立的物理量子硬件和控制系統的集合，而這些集合可成為系統設計的模塊化方法的基礎。要專注於如何構建具有模塊化體系結構的量子計算機。這將需要工程學專家、系統設計師和計算機科學家的共同努力，來設想考慮如何製作界面以及如何縮放這些界面。量子工程學的願景，是建立一套廣泛適用的量子工程原理、工具和規範，以設計穩定、複雜、緊湊且具有成本效益的量子系統，從而足以在各種不同的環境中使用和使用。這也將為設計和部署大規模量子計算和通信技術及基礎設施奠定基礎。

關於實際應用的第三個前沿領域是針對量子技術的材料科學。必須使用新材料，新工藝，新設計和新方法來改善量子器件的相干時間，門保真度和其他指標。器件改進的目標應基於儘可能最佳的系統與實際系統性能需求聯繫在一起。在量子計算的應用中，量子比特的質量與材料的質量密不可分，特別是在固態平台中。通過對材料性能的全面預測能力，才能加快實現糾錯量子計算目標所需的更長的相干時間和更低的錯誤率。量子信息可以被編碼為不同的物理系統：離子，原子分子或固態材料和超導電路，以及光子或聲子，每種都有其自身的優勢和挑戰。每個系統中的一致性通常取決於如何製作和控制量子比特和互連。物質量子特性的基礎知識可以指導高保真量子比特系統的設計，以最大程度地降低潛在的噪聲和錯誤。根據工程規範開發和應用新的精確方法來表徵和製造這些物理組件，將加快系統開發的步伐。取得進展的關鍵領域包括：利用材料科學來改善器件性能，並尋求新的材料設計，製造和表徵方法。這一前沿領域的首要任務是藉助材料科學提高器件性能，通過建立的理論和實驗技術而改進器件的設計，表徵，製造和評估。發展和優化新的先進材料，包括用於類原子量子比特的固態主體（例如，鑽石和其他半導體），具有新興特性的材料（類似於石墨烯和拓撲絕緣體）以及通過模擬進化的（天然）生物和化學材料而開發的材料。為此，要尋求新的材料設計，製造和表徵方法。在這方面，有可能在現有知識的基礎上發展理論、工具和技術，使研究人員能夠探索材料的基本量子屬性，預測材料性質，設計新的合成和集成過程以及致力於開發新種類的材料，其性能優於目前使用的材料。關鍵研究途徑包括探索人工智能驅動材料科學；以及改進的化學模擬技術；3-D原子尺度成像；用於量子材料表徵和量子器件讀出的掃描探針技術；高靈敏度磁共振工具；以及其他適用於極端條件的新測量和建模功能。研究人員還指出，在實現拓撲材料方面的進展可能會產生全新的，具有固有錯誤保護功能的量子比特，與目前部署的方法相比，它們有望對噪聲具有更大的包容度。物質中量子信息拓撲保護的論證仍然是一個懸而未決的問題，有許多潛在的成功途徑。在這個過程中，也會提供將材料的更深層次的理解與更高分辨率，更精確，更容易擴展的製造和製造過程相結合的機會，以增強可定製材料的便利性，包括使從原子或分子的自下而上構造量子比特成為可能的製造技術。量子工程師與研究材料科學的人員之間的合作將使模型的開發成為可能，該模型可基於狀態密度，隧穿能量和共振頻率以及材料相關的退相干機制等可控特性量子比特相關表徵等可控特性，來優化針對所需功能和性能的材料選擇。一個目標是開發一種快速，迭代的合成技術，將原位製造和表徵集成在一起，並以第一原理理論和機器學習為指引和/或指導，從而使之迅速集中實現所需的量子相干特性。總而言之，材料科學領域的進展有可能增強研究人員通過設計而可靠地並根據所需規格製造高質量量子比特和其他用於量子器件組件的專用材料的能力。它也可以刺激向具有增強的抗噪聲能力的下一代量子材料的發展，支持建立具有實際應用潛力的穩定、緊湊和低成本量子器件的努力。

在應用方面一個重要領域是利用量子信息技術進行精確測量。上個世紀80年代凝聚態物理中量子霍爾效應的發現，開闢了在凝聚態物質中開拓量子效應的新紀元，其直接的應用就是物理常數的精確測量。經過四十年的努力，科學家們已經開發並使用了最先進的探測器和傳感技術來執行精確測量，以探索自然規律，發現新的粒子和物質狀態並開發滿足國家安全需求的能力。幾種最先進的計量技術已經證明了量子控制和QIS相關方法的關鍵優勢，包括原子鐘、原子干涉儀、磁力計和核磁共振（NMR）成像系統。在這個前沿領域，有機會提高精度和準確度，開發新的測量方式，改進部署這些技術的方法，並開拓用於精度測量的新應用。要探究的關鍵領域包括：更好地理解增強導航能力和實現標準的系統的準確性和精密度方面與量子有關的限制；原位和體內量子傳感的新方法和應用；並使用糾纏和小型量子計算機來改進測量技術。首先是採用量子技術以提高準確性和精確度。精確定位，導航和定時（PNT）應用程序已經使用了量子技術，但是通常在尺寸，重量，功率和成本方面存在實際限制。帶寬和可靠性也很重要。現在需要在實現卓越性能的同時滿足整體封裝要求的探索，這是將測量科學與量子工程相結合的關鍵方向。實驗室提供毫米精度的定位和亞納秒級的時間傳遞。然而，它們向實用量子技術的過渡，包括實際設計和製造精妙的元件，仍然是一個挑戰。現在，全部系統國際（SI）單位都與可以與利用量子現象實現的常數相關聯。這是在2019年重新定義千克的主要原因。通過使用QIS技術，將現場的測量值直接連接到基本常數，將影響許多科學和技術領域。新的程序可以代替傳統的計量學方法所需的一些耗時且複雜的校準鏈。該前沿領域還將利用QIS來提高精度和準確性。其次是創建用於原位和體內量子傳感新的模態和應用。儘管在傳感方面，量子優勢是巨大的，但在某些方面還需要確定令人信服的實例，以彰顯這種量子控制的合理性，即不再簡單地通過標準方法來增加通量或系統尺寸。業界發現的探索精密測量的機會包括高能物理探測器；化學實驗室的光譜學；核磁共振技術：結合了尖端的空間分辨率和光譜化學位移敏感性；大地測量和製圖；水文和礦物勘探；用量子增強望遠鏡進行天文學；以及從腦電圖（EEG）和腦磁圖（MEG）到視覺，光合作用，細胞動力學和趨磁性研究的各種生物科學應用。人們還意識到，高度糾纏的囚禁離子系統不僅可以用於量子模擬，而且可以對力進行非常精確的測量，從而對超輕暗物質的搜索提供啓示。力場的測量是精確測量和基本對稱性測試的基本操作，當今一些最激動人心的發展就是利用了QIS技術。研究人員還認識到，具有光量子態，下一代原子鐘，超冷分子，物質波干涉儀，晶體中的色心以及其他系統的新測量方式提供了新的功能，並且在某些情況下，基於量子相干性和疊加的精度和準確性是空前的 。然而，為進一步推動這一前沿領域的發展，使用糾纏和具有非經典相關性的多體量子態證明計量學的明顯優勢被視為重要的下一步。在此方向上，將壓縮真空狀態用於先進LIGO裝置是一項重大成就。在這個領域的探索，將使糾纏度提高，從而提高性能，並可用於其他科學領域。科學家們為理解和構建量子物質創造了新的機會，而不再擔心將多體物理學視為精確測量的障礙，反而是提高精確度和準確性的新領域。最後，可以進一步使用糾纏和量子計算機改善測量。研究界認為將糾纏概念擴展到傳感器陣列和其他網絡量子系統（例如糾纏時鐘的網絡）是量子計量學的前沿機會。原則上，使用量子預處理和後處理進行的最佳糾纏和測量可以實現新的計量領域。一種可能的方向是使用由量子電路或小規模量子處理器製備的多體量子態來實現計量。這將利用尖端的QIS技術來擴展精度測量領域。量子技術已經在計量學和基礎發現（引力波；LIGO）中產生了影響。在這一領域的進展可能導致量子傳感器在新的環境和科學領域中的部署。這些設備有望突破準確性和精確度的極限，並將通過新的基礎傳感機制實現。在計量學中，量子效應可用於傳播與已定義的SI單位相關的標準。部署新的量子傳感技術是一個主要目標，對於關鍵實用案例的識別也是一個主要目標，在這種情況下，糾纏和小型量子計算機可以改善應用環境中的計量結果。

在量子計算中一個關鍵問題是表徵和緩解量子誤差。最大的挑戰是理解並通過實驗實現量子糾錯，並最終實現大規模的容錯。這是因為量子系統天然地對環境敏感，這不可避免地導致錯誤。這是一個基本問題，因為受控的交互作用使得量子比特有用，但不受約束的交互會導致退相干。保持相干疊加和糾纏態足夠長，以執行有效量子計算的前沿因此依賴於對如何診斷，避免和減輕量子誤差的理解。對抗這種退相干對量子計量學和網絡也至關重要。除了材料科學和拓撲保護外，還需要改進控制，包括從量子誤差校正到無退相干子空間的探索以及用於容錯量子計算的新方法。這方面主要的課題包括：對多量子位系統的最佳表徵和控制，包括使用測量，反饋和新穎的編碼；在容錯領域中開發和探索新型通用計算方法；以及使用當前設備來擴展比特的性能極限。首先是表徵和控制多量子位系統。大規模設計和控制量子計算機的關鍵可能是：探索2-比特門的表徵如何、以及在何種程度上能夠預測系統性能。可能需要新技術來充分預測錯誤如何在複雜的量子處理器和網絡中傳播。表徵和建模可以指導最佳柵極操作的發展，幫助減輕相干誤差和串擾，並使器件穩定以防止漂移。緩解量子錯誤的機會包括改進的材料，多量子比特的測量和反饋，改進的控制技術和平台設計以及使用新穎的編碼和協議來擴展量子錯誤校正基礎理論的方法。提高容錯的閾值，並降低用於實現邏輯量子比特的資源（量子比特、門和時間）的開銷成本。發現適用於模擬器的新型糾錯和緩解措施是一個懸而未決的問題。此外，在系統的一致性與可編程性和可調性的程度之間存在自然的折衷。在開發量子仿真器中，理解和探索這種折衷至關重要。考慮到這種折衷，在算法開發方面自然會導致協同設計的概念，即為特定硬件和體系結構開發應用程序。這些努力將得益於各個專業領域的融合，包括實驗物理學，量子控制理論，計算機科學和軟件以及工程學。其次是致力於容錯體系。減少量子錯誤將使探索具有容錯能力的系統能夠通向通用計算。朝這個方向進行的實驗可以刺激協同設計的工作，例如通過以最小限度地使用特定的閘門，操作或易於退相干的狀態支持的算法的錯誤感知實現。探索包括新的性能基準（例如量子量或試件計算），其中結果取決於緩解誤差。隨着容錯模塊和協處理器的推出，驗證和確認將具有新的緊迫性。用於絕熱量子計算和模擬量子模擬的糾錯量子中繼器和容錯方法是相關的研究挑戰。通過使用當前的和近期的量子計算機硬件（通常稱為“噪聲中間級量子“NISQ”計算機），可以對量子糾錯進行研究，從而極大地受益，這將允許從原位研究中開發糾錯代碼和協議。在真正的硬件上，而不是使用理想的理論模型。最後，是使用當前設備擴展比特性能的極限。即使正在開發糾錯系統，也已經有幾種意見清晰地表明，探索儘管不完善的新可用技術仍需學習很多東西。量子狀態是脆弱的；一個巨大的挑戰是開發能夠減少量子設備中噪聲的設備和技術。應該探索所有途徑，包括有望減少量子狀態脆弱性的拓撲材料和/或器件設計，新的錯誤緩解技術以及量子錯誤校正碼。為了追求容錯，正在探索進化和革命的途徑。即使採用漸進式開發，使用最新的量子比特進行的實驗也可以突破性能極限。諸如激光，微波電子學，低温技術和製造商等支持技術的改進可以朝這個方向提供有價值的步驟。通過促進經實驗學習來開發和應用特定於設備的噪聲，控制和錯誤模型的方法，在試驗枱上進行的工作可以改進量子控制方法（例如動態去耦、脈衝排序和錯誤校正）。一些被認為更具革命性的方法包括拓撲量子比特，將簇狀態和對稱保護狀態用作測量輔助量子計算的資源，對高維量子比特的研究，例如振盪器編碼，以及其他新穎的比特架構。量子計算機本質上比傳統計算機更容易出錯。因此，我們希望有朝一日能夠建造和運行的大型量子計算機，是建立在量子容錯理論的基礎上的，該理論確立了當出現困擾計算機的噪聲時，具有適當特性的可靠的量子計算成為可能。最近的見解正在拓寬可證明其容錯量子計算有效的噪聲模型的類別，並闡明瞭克服噪聲的開銷成本。總括來説，在緩解量子誤差這個前沿領域的願景，是開發可靠的邏輯量子比特和其他技術來實現容錯能力。更復雜的糾錯系統的開發將受益於表徵系統性能和錯誤傳播的改進方法。糾錯後的網絡將用作支持測試的下一代硬件，並刺激用於驗證和確認的新算法和協議的開發。雖然將繼續探索實現大規模容錯系統的增量方法和革命性方法，但可以在各種體系結構和環境下測試較小規模容錯機器的近期應用。除了對量子技術的實際重要性外，有關量子誤差校正的理論工作可能會刺激人們進一步發現宇宙的基本數學和物理基礎，如第8個前沿領域《通過量子信息理解宇宙》中所述。

量子計算機

三 關於基礎和前瞻的方向

最基礎的課題，是通過量子模擬進一步探索量子力學。量子計算的知識淵源可以追溯到幾十年前的先驅，例如Richard Feynman，他們曾考慮過模擬量子系統的基本困難，並建議“殺個回馬槍”， 使用量子力學本身作為實現一種新型的、能夠解決此類問題的量子計算機。儘管量子計算的基本理論基礎已經存在了一段時間，但直到過去5年才使該領域達到一個轉折點：現在，中小型機器正在學術界和行業界的各種實驗室中建立。工程量子技術可用於有效地模擬和仿真本質上的量子系統，以闡明其特性。這些努力已經增進了我們對以前神秘現象的理解，並有可能導致基礎科學和應用科學取得驚人的進步。未來5年內將推出的量子信息技術，例如NISQ計算機和模擬量子仿真器，將為通過計算，仿真，實驗和其他研究提高對量子系統的理解提供機會。關鍵的進展領域包括：利用量子裝置改進從多體物理學到化學到材料科學的量子行為的經典、量子和混合仿真方法；展示基於量子模擬的量子優勢；為NISQ時代的設備開發新的算法，並在存在噪聲的情況下探索其性能。很自然，量子模擬比經典模擬更能更好地探索量子系統所跨越的狀態空間。目前首先要開發量子仿真的應用。許多研究人員指出，量子器件有潛力增進我們對一系列量子系統的科學和工程學的理解。關鍵領域包括：化學電子結構計算；分子光譜的核振動和旋轉計算；多體化學動力學和化學反應；平衡特性，相圖和其他材料特性；以及其他多體動力學和複雜的物理現象，例如蛋白質摺疊，高温超導或核裂變。這些系統的仿真可以通過模擬或基於門的量子計算機，量子仿真或在經典計算機上運行的仿真來進行。對於精確計算分子電子性質是否需要量子計算機的量子力學性能這一問題的回答也極為重要。如果答案是肯定的，那麼這就為量子計算提供了一個完美的實際案例。否則，如果我們能證明儘管量子化學具有量子性質，它仍可以用經典的方式描述[劉4] ，那麼這可以為在經典計算機上有效解決這些問題提供方便之門……無論以哪種方式解決問題，化學界都必將從中受益，即獲得了一種模擬分子電子結構的工具。其次，是在現有設備上實現算法並探索其性能。研究界重點介紹的量子算法示例包括：量子相位估計，絕熱狀態準備，量子虛時演化，哈密頓仿真，真實空間仿真和費米離子仿真。量子和經典的混合方法在較大算法中利用量子硬件完成特定的計算步驟，其中包括用於基態能量優化的變分量子本徵求解器（VQE）和量子近似優化算法（QAOA）。這項工作的關鍵要素將是建立性能基準，以比較理論和經驗上不同的算法，以及將量子算法的輸出結果與最著名的經典結果進行比較。從這項工作中獲知的見解還可以為新的或改進的經典計算方法提供信息，從而幫助確定其功能和侷限性。很明顯，在未來的許多年中，人們將依賴於量子-經典混合算法，並且仍然存在許多懸而未決的問題。其中之一是如何在現有的量子經典框架內，最佳地適應量子算法。NISQ設備的這種特定用例為研究噪聲如何影響算法實現，隨硬件配置的不同以及隨系統規模的擴展而提供了廣闊的前景。研究工作將受益於經過經驗驗證的資源估計策略以及為支持系統驗證而開發的噪聲模型（可能由量子和近似電路模擬器實現）。量子和經典模擬方法也可以用於建模和優化其他量子技術組件，例如量子網絡的元素。使用現實的量子計算架構估算量子算法的資源是一項重要的近期挑戰。這裏，重點通常是減少門數和量子電路深度，以避免量子比特去相干引起的誤差或量子比特控制系統中的緩慢漂移。對於某些算法，不同類型的量子硬件支持不同的門集和連接性，並且本機操作通常比容錯門集更靈活。針對特定硬件的針對特定算法的優化是量子計算機協同設計的最高，最重要的層次。利用量子技術進一步探究量子力學這個前沿領域的遠景，是展示出解決多體量子物理學，量子化學或材料科學問題的革命性的量子優勢，同時提高研究人員設計量子硬件和軟件的能力。它也可能會導致建立模型，以最好地互補地利用量子和經典計算資源來解決各種問題。從根本上講，它將有助於闡明用於量子系統計算研究的各種方法的實際效率，準確性和精度極限。

一個全新而且尚未被完全理解的領域是：產生和分發量子糾纏以用於新應用。事實上。只有很少數科學與技術的應用必須利用量子疊加和糾纏的獨特行為。分發糾纏的進展激發了人們對量子網絡作為量子技術支持平台的極大興趣。通過糾纏在分離模塊中的量子比特來互連量子器件可能是擴展量子計算機的關鍵途徑。此外，在空間上分離的節點上分發量子信息，正在將量子通信的知識領域擴展到量子網絡的更大領域。發明物理層組件以分發糾纏，為各種量子網絡系統開發算法，應用程序，協議和用例，並瞭解將組件和協議集成到系統級體系結構中，等等，是需要探索的領域。量子通信系統需要中繼器和量子存儲器……早期的技術演示已經存在，但是中繼器和存儲器遠沒有達到有用的性能水平。所以首先的任務是：為量子網絡開發基礎組件。一些基本技術，在實現長距離量子網絡之前，需要進一步發展, 其範圍從量子中繼器到存儲器和互連。一個巨大的挑戰是開發高效、可擴展，擁有足夠帶寬且可部署的量子中繼器。同樣，儘管協議早已取得進展，但用於量子存儲器的、即插即用模塊，仍然是一個待開發的研發課題。同時，量子互連（QuIC）提出了特殊的挑戰，因為它們必須允許脆弱的量子態在系統的不同物理部分或自由度之間轉移。構成“量子互聯網”的QIT（量子信息技術）平台（超導、原子、固態色中心、光學等）的多樣性提出了新的挑戰。隨着量子系統規模的擴大，量子互連瓶頸迫在眉睫，併成為QIT的巨大挑戰。其次要啓用量子態轉導。需要量子互連來耦合量子系統中通常是異構的元素。其研究探索的途徑包括：原子，光學，微波，電子和固態系統中量子態的相干轉換；量子頻率轉換；自旋狀態、電荷狀態、極化、空間模式、軌道角動量和其他自由度（例如頻譜-時間編碼）的量子控制；高維量子比特；以及與連續變量糾纏的呈現。此外，產生和分發糾纏的實用方法必須減輕損耗，噪聲和誤差，以滿足諸如以下討論的應用所需的規格（例如，數據處理速率和複合效率或吞吐量）。而如果沒有新的方法在長距離上分發糾纏，則超導量子計算機的大型網絡（量子網絡）是不可能的，這需要開發有效的量子態轉導。還有，需要集成量子網絡系統。研究人員已經確定了其基礎設施和工程技術的需求，以實現分發糾纏在一系列距離範圍內。關鍵問題是，在低温恆温器之間，以及集成光子器件之間或在單個系統中的量子比特之間的短距離糾纏分發。在該領域中，還尋求為量子態的自由空間通信和互連本地網絡（例如，基於陸地光纖的量子內聯網）配備的空中和衞星平台。糾纏分發和研究實驗台或設施的基礎設施和協議（例如使用交換、純化、互連和經典加量子混合方法）需要大量探索。在量子網絡中連接全球的光學望遠鏡可以以前所未有的精度確定恆星的視在位置。上述想法的演進將在很大程度上取決於理論上的努力，以發展實驗概念並評估其敏感度。最後，是探索量子網絡算法，應用程序，協議和方法。研究人員指出，在物理層次之外，還有探索量子網絡的應用的機會，例如分佈式量子計算，盲量子計算，端到端量子加密，安全軟件分發和糾纏的傳感器陣列。除了全新的算法和應用程序外，網絡協議可能還需要改進或大規模修訂才能在新生的量子網絡測試平台上工作。可以設想或在現實世界中實際遇到各種網絡架構，並且用於分佈式量子計算的算法將需要考慮網絡拓撲。傳感器網絡的應用－包括長基線望遠鏡，海森堡（Heisenberg）限制的干涉儀以及改進的時鐘同步功能，都可以出現。事實上，主流領域內的科學家仍然無法很好地理解諸如糾纏和隱形傳態這樣的量子網絡資源，但是可以利用它們來解決新型的科學問題。這個前沿領域的一個關鍵機會是研究人員開發並驗證一組足夠完整的基礎量子網絡組件，這些組件可以協同工作，以便可以設計、建立和操作長距離量子網絡，以將糾纏分發到地球（或周圍）多個節點上。與此同時，新穎的算法可以使探索量子網絡的新應用成為可能。諸如盲量子計算和量子增強望遠鏡之類的幾個概念可以通過使用量子網絡試驗枱或原型進行的經驗研究進行測試和改進。天基任務分發糾纏的可行性研究將結合量子工程學（和技術成熟水平）的概念以及糾纏產生，分發和利用的基礎研究。此外，隨着原理證明的發展，可能會發現傳感器陣列和分佈式量子計算機的新概念。

量子糾纏

最後，我們將要討論一個特別引人入勝的前沿領域，即通過量子信息理解宇宙。“量子糾纏”令人興奮，因為知道許多粒子的高度糾纏系統很難用數字計算機模擬，我們可以預料，在足夠複雜的量子系統中會出現令人驚訝、富有啓發性和有實際用用價值的新現象。QIS是有關宇宙的數學和物理基礎的新觀點的奇妙來源。通過探索物理系統可以計算的極限，它已經開始改變我們對計算的思考方式，並且可以為測試新機制中的量子力學和其他基礎科學理論提供新的機會。量子技術還提供了新的方法，可以通過精確的測量方法來超越粒子和場的標準模型來探究物理。在這個前沿領域，基礎的QIS研究開啓了新的科學視野。該領域的基礎是三個主題：通過量子計算和量子信息論的視角探索計算和信息的數學基礎；利用QIS的概念和量子模擬的新應用來探索從暗物質到量子引力的物理理論的侷限性；並利用精確測量和多體量子系統來測試對粒子物理學標準模型的期望，並尋找當前模型之外的現象。糾纏理論的一些重要研究領域旨在：加深對量子與經典相關（尤其是糾纏的“一對一”制，也與“量子邊際問題”有關，或與時間有關而不是與空間相關的基本物理和數學方面的理解）；在資源理論框架內進一步推動糾纏特性的描述和量化（可能產生的影響範圍從量子熱力學到高能物理）；最終，探索糾纏概念的一般化，它可能包含比當前設想更籠統的“局部性約束”，並且可能允許研究人員揭示糾纏的性質和作用，以及在拓撲量子物質或時空幾何學中的出現 。這裏首先是探索計算和信息的數學基礎。QIS研討會上提出的有關計算的基本問題（例如，量子計算機可以有效地模擬自然界中發生的任何過程嗎？與傳統方法相比，哪種計算可以實現指數級加速？），涉及量子複雜性理論，量子資源論和量子計算。有關以下方面的網絡安全影響的基礎研究、量子技術和緩解策略是數學，計算機科學和QIS專家共同感興趣的領域。人們也在討論有關糾錯和拓撲量子計算的理論極限以及絕熱量子計算的普遍性的開放性問題。儘管存在一些量子計算的理論模型，並且對其進行了深入研究，例如量子電路，拓撲量子計算，耗散量子計算，量子游走和絕熱量子計算模型，但是每種模型在其實際的硬件實現環境中都有其優缺點。可能的量子計算模型的空間還遠遠不夠完整，以量子硬件開發的協同設計方法開發模型可能對兩者都有利。首先是研究如何準備或有效地近似複雜的量子態可以為性能基準的發展提供參考，並闡明熱力學和非平衡動力學的起源（例如通過對時間晶體、混沌、預熱和量子信息加擾的研究）。同時，QIS的進步正在促進經典計算的改進，例如，通過模擬量子退火或玻色子採樣的新方法，這些方法提高了人們對可證明的量子優勢的期望。一份研討會報告建議QIS可以幫助回答以下問題：“還有其他尚未開發出的根本不同的計算模型嗎？”其次要擴展物理理論的界限。應該仔細考慮使用量子技術可以解決物理學中哪些關鍵，長期存在的問題。QIS的研究已開始對揭示物理和其他科學領域的其他交織領域提供啓示。例如，對糾纏的研究可以解決有關時空的出現，黑洞的熵，蟲洞的對應以及熱力學基礎的基本問題。具體研究領域包括：量子行走的量子計算分析如何擴展散射理論；以及量子糾錯碼和多體糾纏如何才能為搜索物質和拓撲狀態的新階段提供信息；以及如何使用反德西特/保形場理論（AdS / CFT）對應關係和相關詞彙來翻譯結果，從而為量子引力理論提供信息，並探討在不可能進行擾動分析的強耦合條件下規範理論的性質。此外，量子網絡和計算機可以通過探索相干性和糾纏的基本極限來測試新機制中的量子力學。QIS可以幫助探討以下問題：“從實驗上可以證明與傳統量子理論的哪些合理偏差是可以測試的？” （例如重力引起的退相干、自發波函數崩潰模型或對薛定諤方程的非線性校正）。特別要專注於模擬在實驗室中無法研究的量子系統，例如黑洞。最後，檢測粒子物理的標準模型。對於基礎物理學，除了改進引力波檢測和基本常數的精確測量外，QIS還可以提供新的方法來檢驗對粒子物理學標準模型的期望，並推測該領域的擴展。例如：搜尋暗物質和暗能量；測試基本對稱性，例如電荷，奇偶校驗，時間（CPT）和洛倫茲不變性；並搜索時間或空間中基本常數的變化。QIS方法（如相干光譜法，原子干涉法或高級磁力計）可用於搜索基本粒子的永久電偶極矩（違反CP的物理測試），測量精細結構常數（可用於量子電動力學測試），搜索軸心類粒子（暗物質候選者）和隊第五種作用力的搜索。這一前沿將增進我們對物理宇宙基礎的理解。量子現象的超精確測量可以用作非常高能級的新物理學的強大探針，例如，通過測試基本的物理對稱性和定律，以及尋找新的現象，例如與“暗區”相關的現象。量子前沿最令人興奮的機會之一就是尋找電子的電偶極矩（EDM）以及原子核中的相關量，這些量僅可通過超出了標準模型中的限制電荷共軛奇偶性（CP） 來測量。在這些方面，科學家們認識到QIS研發對於加深基礎知識的價值，它具有產生意想不到的發現，轉化為其他學科的新科學概念和工具以及下游未知應用和技術的潛力。QIS研究提供了檢測試、完善和擴展我們用來描述宇宙本質的基本數學和物理理論的機會；對可以有效地計算和不能有效計算的內容有更全面的瞭解；並闡明量子資源對計算，工程和科學本身的價值。

神秘宇宙

四 總結與展望

在這些領域中，QIS面臨的最緊迫的挑戰是什麼？答案取決於我們的目標。這份報告所列出的八個量子技術前沿領域，是來自美國和世界各地的技術專家的意見。前沿領域是QIS最前沿的廣闊領域，其中包含許多應儘早探索的量子問題，以及在開發應用程序之前必須克服的艱鉅技術挑戰。這個綱領性文件旨在對於要探索的量子前沿來略作指導，並促進協調一致的努力，以加快進展的進度。 美國白宮的《量子前沿》報告書大抵如此。首先我們看到它嚴謹而務實，體現了作為美國國家哲學的實用主義特色。實用主義自其誕生之日起就一直是美國人生活方式和求生手段的重要思想基礎。縱觀美國蓬勃發展的歷史，可以很明顯地看到建構其獨特的、充滿生機活力的美國文化：鋭意進取、樂觀向上、勇於開拓、注重實效，被譽為“美國精神”。實用主義正是所謂“美國精神”在哲學上的昇華和提煉，它的產生又促進了“美國精神”的完善和發展。“美國精神”孕育了實用主義，實用主義昇華了“美國精神”，兩者相輔相成，相得益彰，共同成為美國工業文明的精神和理論支柱，為美國民族所接受，並進而對當代美國人的價值觀念和行為取向產生了極其重要的影響。正如美國前國務卿基辛格所言：實用主義是美國精神，美國人民是求實進取型人民，美國民族注重實效、講求行動的精神和前鋒意識正是實用主義培養起來的。

當然在注重應用的同時，白宮報告也提出了極富想象力的前瞻視野，放眼於一些屬於未來的目標，例如進一步發展量子力學、理解和利用量子糾纏，以至於發現我們的宇宙及其神秘的組成和起源。一些看起來無用的研究，也被提上日程。“有用和無用”是科學界永恆的命題。其實幾乎所有有用的東西，都源於“無用”的發現和發明。在科學研究中，允許和鼓勵奇思異想、給“無用”的研究留有餘地，對默默無聞的耕耘採取寬容和支持的態度及政策，等等，是我們真正能夠趕超世界先進水平，而不是永遠追隨別人的基本前提。

列寧和毛澤東都曾經讚賞過這樣的美國精神。列寧説：“現代美國史，是由一次偉大的、真正解放的、真正革命的戰爭開始的。”美國精神就是在這場戰爭中孕育的。年輕時代的毛澤東也曾深受美國一些偉大人物，例如華盛頓、富蘭克林、林肯和羅斯福等人的影響。安娜·路易斯·斯特朗曾經非常驚訝於毛澤東對於美國知識的豐富和淵博：“對於美國的許多事，我發現他比我瞭解得還要多，這真令人吃驚，因為20年來他從沒有同外部世界接觸過。”

在當今的信息時代，我們更理應對外部世界、尤其是美國，有更廣泛和深入的瞭解。合作共贏、取長補短是我們泱泱大國的戰略思維和開闊心胸。時代在迅猛發展。從石器到鐵器、再到半導體的時代，從農耕到工業、再到信息時代，現在迎面而來的是一個真正的量子時代。中美兩國的領導層都敏鋭地認識到這個時代到來的氣息，並分別做出戰略部署。在此時刻，研究美國人的報告，無疑具有重要的借鑑和參考意義。

致謝：感謝劉星辰校正了幾個專有名詞的譯法。

本文經授權轉載自微信公眾號“格為致知”。