2024年1月3日,，美國能源部（DOE）發(fā)布報(bào)告《量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究需求》[1],，確定5個(gè)優(yōu)先研究方向。該報(bào)告是能源部科學(xué)辦公室先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究（ASCR）計(jì)劃2023年7月召開的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究需求研討會(huì)的總結(jié)報(bào)告,，該研討會(huì)以發(fā)展量子技術(shù)實(shí)用性為首要目標(biāo),，并從應(yīng)用和技術(shù)方面進(jìn)一步理解量子技術(shù)的實(shí)用性。

一,、5個(gè)優(yōu)先研究方向

1,、可編程和控制大規(guī)模量子系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)的端到端軟件工具鏈

關(guān)鍵問題：如何設(shè)計(jì)富有表現(xiàn)力的編程模型和語言來吸引廣泛的用戶群，并促進(jìn)量子算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),？如何將這些內(nèi)容整合到端到端的工具鏈中,，以生成高資源利用率的量子程序,？

量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性持續(xù)增長(zhǎng)，這將使軟件堆棧對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行有效編程,、控制和管理的負(fù)擔(dān)增加,。需要開發(fā)軟件工具鏈，將編程模型與硬件級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成,，以最大限度地提高量子系統(tǒng)的性能和保真度,，并促進(jìn)不同技術(shù)平臺(tái)上硬件、控制系統(tǒng)和算法的代碼設(shè)計(jì),。將量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與量子計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行集成,，對(duì)于推進(jìn)分布式量子計(jì)算服務(wù)的實(shí)施至關(guān)重要。這種集成將需要一個(gè)與量子計(jì)算軟件堆棧兼容的量子網(wǎng)絡(luò)堆棧,，以確保組合系統(tǒng)能夠得到有效的管理,、控制和編程。

2,、可實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的高效算法

關(guān)鍵問題：與傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算范式相比,，現(xiàn)有的和研究尚不充分的科學(xué)應(yīng)用中，哪些類別具有實(shí)質(zhì)性的量子優(yōu)越性,？如何設(shè)計(jì)新穎的算法和支撐的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)這些量子優(yōu)越性,？量子優(yōu)越性是否存在任何證明上或經(jīng)驗(yàn)上的障礙？實(shí)現(xiàn)這些算法的物理資源要求是什么,，包括物理量子比特的數(shù)量和量子電路的深度,。

量子計(jì)算預(yù)計(jì)不會(huì)普遍加速當(dāng)前的計(jì)算任務(wù)，因此識(shí)別出具有適合量子優(yōu)越性的特殊結(jié)構(gòu)的問題是首要目標(biāo),。從互補(bǔ)的角度來看,，拓寬對(duì)接納量子優(yōu)越性的基礎(chǔ)計(jì)算內(nèi)核的理解同樣重要。雖然目前已有各種量子優(yōu)越性,，但它們也存在不足,，如缺乏已知的實(shí)際應(yīng)用、短期實(shí)現(xiàn),、優(yōu)越性的嚴(yán)格可證明性或有效可驗(yàn)證性,。此外，量子優(yōu)越性主要集中在提高執(zhí)行時(shí)間上,。其他關(guān)鍵資源的優(yōu)越性研究還不足,，如解決方案的質(zhì)量/準(zhǔn)確性、能源消耗,、空間/內(nèi)存或通信等,，尤其是在量子網(wǎng)絡(luò)的背景下。

3、評(píng)估量子優(yōu)越性的基準(zhǔn),、驗(yàn)證和模擬方法

關(guān)鍵問題：隨著量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和規(guī)?；绾螄?yán)格評(píng)估相對(duì)于經(jīng)典能力的量子優(yōu)越性,？哪些指標(biāo)和評(píng)估方法能如實(shí)反映或能夠評(píng)估量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的量子優(yōu)越性,？

評(píng)估量子優(yōu)越性的進(jìn)展是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性和多面性的工作。隨著量子技術(shù)的成熟,，量子優(yōu)越性的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)預(yù)計(jì)將繼續(xù)依賴于量子系統(tǒng)的大規(guī)模經(jīng)典模擬,。一個(gè)相當(dāng)大的障礙是基于從相對(duì)較小的近期量子系統(tǒng)和經(jīng)典模擬中獲得的有限結(jié)果，來預(yù)測(cè)可擴(kuò)展的量子優(yōu)越性,。一方面,，雖然漸進(jìn)量子優(yōu)越性的嚴(yán)格證明最終是可取的，并可用于指導(dǎo)實(shí)證研究,，但往往依賴于量子計(jì)算的抽象模型或?qū)ｉT模型,，或以其他方式施加額外限制。另一方面,，隨著問題的規(guī)?；驈?fù)雜性的增加，以及更好的經(jīng)典算法的發(fā)展,，實(shí)證評(píng)估所提出的量子優(yōu)越性可能是不可持續(xù)的,。彌合理論和實(shí)踐之間的這一差距，對(duì)于建立健全和實(shí)用的量子優(yōu)越性至關(guān)重要,。需要在量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的各個(gè)層級(jí)上定義和開發(fā)嚴(yán)格,、信息豐富、可有效驗(yàn)證的性能指標(biāo),。理想情況下，這些指標(biāo)應(yīng)該在整個(gè)堆棧中集成,，以便可以量化改進(jìn),，并可以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性能。

4,、通過誤差的檢測(cè),、預(yù)防、保護(hù),、緩解和糾正實(shí)現(xiàn)彈性

關(guān)鍵問題：如何增強(qiáng)量子系統(tǒng)對(duì)噪聲和誤差的彈性,，以緩解可擴(kuò)展性和量子優(yōu)越性的瓶頸？何種量子算法代碼設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助產(chǎn)生彈性量子系統(tǒng),？

國家實(shí)驗(yàn)室,、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的科學(xué)家和工程師持續(xù)改進(jìn)量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)硬件，盡管取得了穩(wěn)步的進(jìn)展，但這些系統(tǒng)仍是含噪聲和不完美的,。近年來,，在軟件堆棧的各個(gè)層級(jí)上所進(jìn)行的大量誤差表征和插入誤差緩解措施，使研究界能夠消除一些噪聲,，并在小規(guī)模量子實(shí)驗(yàn)中獲得可靠的結(jié)果,。為了在更大規(guī)模和更復(fù)雜的量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠結(jié)果，需要在軟件堆棧的關(guān)鍵層中集成更高效的方法來表征,、緩解,、防止或保護(hù)動(dòng)態(tài)誤差。需要采取步驟來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò),、代碼設(shè)計(jì)以及量子糾錯(cuò)的早期示范,，這些都優(yōu)于物理糾錯(cuò)。另一種方法是識(shí)別量子算法的容錯(cuò)機(jī)制,，并對(duì)導(dǎo)致容錯(cuò)的新硬件感知算法和硬件控制進(jìn)行代碼設(shè)計(jì),。

5、下一代量子網(wǎng)絡(luò)的硬件和協(xié)議

關(guān)鍵問題：在直接傳輸實(shí)驗(yàn)成功之前,，量子中繼器硬件能否實(shí)現(xiàn)比中繼器更高的糾纏分布率,？除了中繼器，還需要哪些軟件和硬件來構(gòu)建可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò),？這些網(wǎng)絡(luò)將帶來哪些應(yīng)用和優(yōu)勢(shì),？什么樣的分布式量子計(jì)算模型將產(chǎn)生新的量子應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)？

到目前為止,，已經(jīng)用多種量子比特技術(shù)證明了無糾錯(cuò)量子存儲(chǔ)器及其之間的糾纏分布,。繼續(xù)發(fā)展并實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，將需要在多個(gè)方向上取得進(jìn)展,。為創(chuàng)建容錯(cuò)量子中繼器,，有必要在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中通過集成誤差檢測(cè)和糾錯(cuò)功能來增強(qiáng)量子存儲(chǔ)器。需要改進(jìn)光子源,、探測(cè)器和時(shí)間標(biāo)記硬件,，以提高糾纏交換操作的保真度。量子網(wǎng)絡(luò)軟件堆棧將需要實(shí)現(xiàn)分布式糾錯(cuò)協(xié)議,，并對(duì)整個(gè)堆棧進(jìn)行優(yōu)化,。需要開發(fā)高保真量子信息轉(zhuǎn)導(dǎo)方法和硬件，使糾纏分布網(wǎng)絡(luò)能夠在分布式量子計(jì)算應(yīng)用中得以使用,。

二,、2024年資助內(nèi)容

2月7日，DOE發(fā)布“加速量子計(jì)算研究”資助機(jī)會(huì)公告（FOA）[2],，將資助4500萬美元支持開發(fā)端到端軟件基礎(chǔ)設(shè)施來推進(jìn)量子計(jì)算的應(yīng)用,。該FOA將資助《量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究需求》確定的優(yōu)先研究方向中的3個(gè),，即可編程和控制大規(guī)模量子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的端到端軟件工具鏈、可實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的高效算法,，以及通過誤差的檢測(cè),、預(yù)防、保護(hù),、緩解和糾正實(shí)現(xiàn)彈性,。這些優(yōu)先研究方向是開發(fā)軟件生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。軟件生態(tài)系統(tǒng)必須做好兩方面的準(zhǔn)備,，一方面是模塊化和互操作性,，另一方面是專業(yè)化和性能。該FOA聚焦兩大主題,。

1,、模塊化軟件堆棧。集成計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)需要通用的量子軟件堆棧,，這些堆棧能夠適應(yīng)并利用多種量子硬件,。將資助相關(guān)的計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)研究：解決阻礙選定硬件技術(shù)之間模塊化和潛在協(xié)同作用的瓶頸；可能與未來技術(shù)相關(guān)的通用集成方法,；設(shè)計(jì)將量子處理器嵌入并行和分布式計(jì)算模型的方法,；跨軟件堆棧集成誤差管理。

2,、量子實(shí)用性,。旨在通過開發(fā)新算法和微調(diào)軟件堆棧各層級(jí)，以實(shí)現(xiàn)和示范量子實(shí)用性,。將資助：可推廣的受應(yīng)用啟發(fā)的目標(biāo)問題,；為選定的當(dāng)前（含噪聲中等規(guī)模量子，NISQ）和未來量子系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)化數(shù)學(xué)內(nèi)核和數(shù)學(xué)基元的算法,，從而顯著提高選定目標(biāo)問題的最新性能,；如有需要，針對(duì)特定目標(biāo)問題調(diào)整軟件堆棧各層級(jí),；通過采用重要的互補(bǔ)指標(biāo)來估算量子資源,。 

[1] Basic Research Needs in Quantum Computing and Networking. https://www.osti.gov/servlets/purl/2001044.

[2] Accelerated Research In Quantum Computing. https://science.osti.gov/grants/FOAs/-/media/grants/pdf/foas/2024/DE-FOA-0003265.pdf.

來源：

http://www.casisd.cas.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2024/kjqykb2403/202404/t20240411_7090281.html

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