2024年1月3日，美國能源部（DOE）發(fā)布報告《量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究需求》[1]，確定5個優(yōu)先研究方向。該報告是能源部科學辦公室先進科學計算研究（ASCR）計劃2023年7月召開的量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究需求研討會的總結(jié)報告，該研討會以發(fā)展量子技術(shù)實用性為首要目標，并從應(yīng)用和技術(shù)方面進一步理解量子技術(shù)的實用性。

一、5個優(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，并促進量子算法的設(shè)計和實現(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？

量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性持續(xù)增長，這將使軟件堆棧對這些系統(tǒng)進行有效編程、控制和管理的負擔增加。需要開發(fā)軟件工具鏈，將編程模型與硬件級控制系統(tǒng)進行集成，以最大限度地提高量子系統(tǒng)的性能和保真度，并促進不同技術(shù)平臺上硬件、控制系統(tǒng)和算法的代碼設(shè)計。將量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與量子計算系統(tǒng)進行集成，對于推進分布式量子計算服務(wù)的實施至關(guān)重要。這種集成將需要一個與量子計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)典計算范式相比，現(xiàn)有的和研究尚不充分的科學應(yīng)用中，哪些類別具有實質(zhì)性的量子優(yōu)越性？如何設(shè)計新穎的算法和支撐的數(shù)學模型來實現(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)驗上的障礙？實現(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。

量子計算預(yù)計不會普遍加速當前的計算任務(wù)，因此識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。從互補的角度來看，拓寬對接納量子優(yōu)越性的基礎(chǔ)計算內(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，如缺乏已知的實際應(yīng)用、短期實現(xiàn)、優(yōu)越性的嚴格可證明性或有效可驗證性。此外，量子優(yōu)越性主要集中在提高執(zhí)行時間上。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、評估量子優(yōu)越性的基準、驗證和模擬方法

關(guān)鍵問題：隨著量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化，如何嚴格評估相對于經(jīng)典能力的量子優(yōu)越性？哪些指標和評估方法能如實反映或能夠評估量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的量子優(yōu)越性？

評估量子優(yōu)越性的進展是一項具有挑戰(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)驗證據(jù)預(yù)計將繼續(xù)依賴于量子系統(tǒng)的大規(guī)模經(jīng)典模擬。一個相當大的障礙是基于從相對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)測可擴展的量子優(yōu)越性。一方面，雖然漸進量子優(yōu)越性的嚴格證明最終是可取的，并可用于指導實證研究，但往往依賴于量子計算的抽象模型或?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)模或復雜性的增加，以及更好的經(jīng)典算法的發(fā)展，實證評估所提出的量子優(yōu)越性可能是不可持續(xù)的。彌合理論和實踐之間的這一差距，對于建立健全和實用的量子優(yōu)越性至關(guān)重要。需要在量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的各個層級上定義和開發(fā)嚴格、信息豐富、可有效驗證的性能指標。理想情況下，這些指標應(yīng)該在整個堆棧中集成，以便可以量化改進，并可以在實踐中實現(xiàn)預(yù)測性能。

4、通過誤差的檢測、預(yù)防、保護、緩解和糾正實現(xiàn)彈性

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

國家實驗室、學術(shù)界和工業(yè)界的科學家和工程師持續(xù)改進量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)硬件，盡管取得了穩(wěn)步的進展，但這些系統(tǒng)仍是含噪聲和不完美的。近年來，在軟件堆棧的各個層級上所進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)模量子實驗中獲得可靠的結(jié)果。為了在更大規(guī)模和更復雜的量子系統(tǒng)中實現(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、防止或保護動態(tài)誤差。需要采取步驟來實現(xiàn)容錯、代碼設(shè)計以及量子糾錯的早期示范，這些都優(yōu)于物理糾錯。另一種方法是識別量子算法的容錯機制，并對導致容錯的新硬件感知算法和硬件控制進行代碼設(shè)計。

5、下一代量子網(wǎng)絡(luò)的硬件和協(xié)議

關(guān)鍵問題：在直接傳輸實驗成功之前，量子中繼器硬件能否實現(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？什么樣的分布式量子計算模型將產(chǎn)生新的量子應(yīng)用和優(yōu)勢？

到目前為止，已經(jīng)用多種量子比特技術(shù)證明了無糾錯量子存儲器及其之間的糾纏分布。繼續(xù)發(fā)展并實現(xiàn)可擴展的糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，將需要在多個方向上取得進展。為創(chuàng)建容錯量子中繼器，有必要在設(shè)計和實現(xiàn)過程中通過集成誤差檢測和糾錯功能來增強量子存儲器。需要改進光子源、探測器和時間標記硬件，以提高糾纏交換操作的保真度。量子網(wǎng)絡(luò)軟件堆棧將需要實現(xiàn)分布式糾錯協(xié)議，并對整個堆棧進行優(yōu)化。需要開發(fā)高保真量子信息轉(zhuǎn)導方法和硬件，使糾纏分布網(wǎng)絡(luò)能夠在分布式量子計算應(yīng)用中得以使用。

二、2024年資助內(nèi)容

2月7日，DOE發(fā)布“加速量子計算研究”資助機會公告（FOA）[2]，將資助4500萬美元支持開發(fā)端到端軟件基礎(chǔ)設(shè)施來推進量子計算的應(yīng)用。該FOA將資助《量子計算和量子網(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，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、可實現(xiàn)量子優(yōu)越性的高效算法，以及通過誤差的檢測、預(yù)防、保護、緩解和糾正實現(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)的計算機科學和應(yīng)用數(shù)學的基礎(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)計將量子處理器嵌入并行和分布式計算模型的方法；跨軟件堆棧集成誤差管理。

2、量子實用性。旨在通過開發(fā)新算法和微調(diào)軟件堆棧各層級，以實現(xiàn)和示范量子實用性。將資助：可推廣的受應(yīng)用啟發(fā)的目標問題；為選定的當前（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)學內(nèi)核和數(shù)學基元的算法，從而顯著提高選定目標問題的最新性能；如有需要，針對特定目標問題調(diào)整軟件堆棧各層級；通過采用重要的互補指標來估算量子資源。 

[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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