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(xué)辦公室先進(jìn)科學(xué)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(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(jìn)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(fù)雜性持續(xù)增長，這將使軟件堆棧對這些系統(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(jìn)行集成，對于推進(jìn)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(xué)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(xué)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(dāng)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(biāo)。從互補(bǔ)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(yán)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(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、評估量子優(yōu)越性的基準(zhǔn)、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)?；?，如何嚴(yán)格評估相對于經(jīng)典能力的量子優(yōu)越性？哪些指標(biāo)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(jìn)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(dāng)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(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(fù)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(yán)格、信息豐富、可有效驗證的性能指標(biāo)。理想情況下，這些指標(biāo)應(yīng)該在整個堆棧中集成，以便可以量化改進(jìn)，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(hù)、緩解和糾正實現(xiàn)彈性

關(guān)鍵問題：如何增強(qiáng)量子系統(tǒng)對噪聲和誤差的彈性，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)計技術(shù)可以幫助產(chǎn)生彈性量子系統(tǒng)？

國家實驗室、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，在軟件堆棧的各個層級上所進(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)模量子實驗中獲得可靠的結(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(jī)制，并對導(dǎo)致容錯的新硬件感知算法和硬件控制進(jìn)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(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？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(kuò)展的糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，將需要在多個方向上取得進(jìn)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(qiáng)量子存儲器。需要改進(jìn)光子源、探測器和時間標(biāo)記硬件，以提高糾纏交換操作的保真度。量子網(wǎng)絡(luò)軟件堆棧將需要實現(xiàn)分布式糾錯協(xié)議，并對整個堆棧進(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(jī)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(jìn)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(hù)、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(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(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(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，針對特定目標(biāo)問題調(diào)整軟件堆棧各層級；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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