解读《美国量子网络战略》之量子互连项目范围研讨会(一)-量子客

 

美国白宫近日发布了一份《美国量子网络战略构想》,提出美国将整合联邦政府、学术界和产业界的力量,构建量子互联网,确保量子信息科学(QIS)研究惠及所有美国人。

本次系列专题主要针对这次新的《美国量子网络战略》进行解读。

《美国量子网络战略构想》是由特朗普总统于2018年12月签署成为法律的《国家量子计划法案》(NQIA)推动的,旨在通过增加联邦投资和协调来加快QIS的研发。该战略是由NQIA的协调机构——国家量子协调办公室(NQCO)和国家科学技术委员会的量子信息科学小组委员会(SCQIS)——制定的,这一战略反映了来自SCQIS对2018-2019年信息反馈的要求和联邦机构最近举办的研讨会的深入社区投入。

今天就让我们一起来看看这些研讨会之一——量子互连项目范围研讨会。

 

量子互连项目范围研讨会

2019年10月31日至11月1日,由美国国家科学基金会支持的研讨会“量子互连项目范围研讨会[Project Scoping Workshop (PSW) on Quantum Interconnects (QuIC)]”在弗吉尼亚州亚历山大市举行。参与此次研讨会的与会者的任务是确定未来2-5年量子互联的科学和社区需求、机遇和重大挑战。

 

成果摘要

此次研讨会的成果摘要汇集在一篇名为“发展新一代信息科技的量子互连[Development of Quantum InterConnects (QuICs) for Next-Generation Information Technologies]”的文件中。

解读《美国量子网络战略》之量子互连项目范围研讨会(一)-量子客

 

内容简介

正如“传统”的信息技术建立在互连的信息处理系统的基础上,量子信息技术(QIT)也必须这样做。这种系统的一个关键组成部分是“互连(interconnect)”,即允许在不同物理介质(例如半导体电子学、单个原子、光纤中的光脉冲或微波场)之间传输信息的设备或过程。虽然在传统信息技术领域,互连已经被很好地设计了几十年,但是量子互连(QuICs)却面临着特殊的挑战,因为它们必须允许在系统的不同物理部分或自由度之间传输脆弱的量子态。

QIT平台的多样性(超导、原子、固态色心、光学等)将形成一个“量子互联网”,这带来了额外的挑战。随着量子系统规模的不断扩大,量子互连的瓶颈问题迫在眉睫,成为QIT面临的一大挑战。基于这些原因,以NSF“量子互连”研讨会参与者为代表的社区的立场是:加速QuIC研究对于国家量子科技项目的持续发展至关重要。鉴于QIT平台、使用材料、应用和所需基础设施的多样性,需要一个包括学术界、工业界和国家实验室之间的合作伙伴关系在内的聚合研究项目。

 

量子互连(QuICs):

量子互连(QuICs)是允许在两个指定的物理自由度(材料、电磁等)之间传输量子状态的设备或过程,或者更广泛地说,将量子系统与经典系统连接起来。如图1所示,QuICs是几乎所有可以想到的量子信息处理系统的组成部分,包括量子计算、量子传感和量子通信。例如,可以认为模组化量子计算方案提供了唯一可行的方法,使之能够扩展到真正大量的错误修正量子比特。由于模块化方法非常依赖于高效的QuICs,因此在量子计算的下一个重要阶段进行大量且有重点的投资是适时的。

同样,利用量子物理定律来安全地传输信息的能力,在某种程度上是针对即使是最强大的量子计算机的“未来证明”,在国家层面上也具有重大意义。然而,安全的基于光纤的量子网络的范围,以及它们目前允许的通信速率,都受到现有量子互连中光学损耗的严重限制(传统光纤的传输量呈指数级下降)。加强这些与量子中继器的互连将扩展量子通信系统的覆盖范围和速率。有了最近的原理循证演示,这方面的工作将会加速。

解读《美国量子网络战略》之量子互连项目范围研讨会(一)-量子客
图1:QuICs在量子信息技术中的广泛作用

 

设想的QuICs项目的重点是:

由来自学术界、工业界和国家实验室的专家组成的少数受到良好支持的“聚合开发团队”,以应对特定的QuIC挑战,创建量子互连原型和应用开发;

发展可扩展的集成量子光子平台,包括新兴量子材料的合成、集成量子光子器件的制造和封装、新型超低损耗光纤的开发等。

QuICs测试平台,研究人员可在此获得所需的设备和专业知识,以测试他们自己的硬件(例如量子比特、光学压缩模组、变频模组、纠缠源、传感器、探测器、激光器等),从而在聚合环境中进行研究。

该项目将推动量子信息科学和技术生态系统的发展,将研究和技术开发与商业和教育相结合。这将产生新的大学学位(如量子工程),在工业领域创造学生实习机会,并对现有的工业员工进行再培训,从而产生具有适当技能的劳动力。

根据《美国量子网络战略构想》提出的与量子网络和其他量子技术紧密相关活动的六大方向,本文件主要侧重于“开发关键部件的技术和平台,包括经典光源、量子限制探测器、超低损耗互连、空对地连接、经典网络和网络安全协议以及可扩展性成本”这一方向。

 

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作者 量子计算最前沿            编辑 Sakura