【原】<掌海科技>量子技术概述

星星啊月亮呀 2022-08-22 发布于北京

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量子计算机

量子计算是影响最深远、最具挑战性的量子技术之一。基于可以同时为 0 和 1 的量子比特以及跨设备的瞬时相关性，量子计算机充当大规模并行设备，同时进行指数级大量计算。已经存在许多利用这种能力的算法，这将使我们能够解决即使是最强大的经典超级计算机也无法解决的问题。

在过去的二十年里，已经证明了使用不同平台的量子计算机。最先进的是基于捕获离子和超导电路，其中小型原型最多可用于10-15 个量子比特已经运行了基本的算法和协议。

许多平台和架构已经展示了基于固态系统（半导体中的电子自旋、固体中的核自旋、马约拉纳零模式）和原子和光学系统（分子中的核自旋、超精细和里德堡态）的量子计算的基本原理。原子和光子，仅举几例）。

由于技术兴趣和现有方法的明显局限性，被称为计算扩展的“摩尔定律的终结”，全球 IT 公司在过去十年中对量子计算的兴趣越来越大。量子计算机设计、容错算法和新制造技术的进步正在将这种“圣杯”技术转变为一个现实的程序，有望在某些应用中超越经典计算十到二十年。随着这些新的发展，公司要问的问题不是是否会有量子计算机，而是谁将建造并从中获利。例如，英特尔、HRL 实验室和 NTT 正在支持半导体中的自旋量子比特；谷歌、IBM 和英特尔正在投资超导量子比特；D-Wave 正在生产超导量子退火炉；微软押注拓扑量子比特；Lockheed Martin 和 INFINEON 正在支持对俘获离子及其与光子界面的研究。

量子计算的世界领先研究位于欧洲，许多 IT 公司都选择了欧洲的学术合作伙伴进行研发工作。在长达十年的时间内在欧洲实现量子计算能力将需要工业和学术合作伙伴之间的协同作用，以及来自 Fraunhofer、IMEC、VTT 和 LETI 等机构的工程师参与多学科联盟。必须通过开发量子软件来补充硬件工作，以获得能够解决感兴趣的应用问题的优化量子算法。欧洲在经典高性能计算应用软件开发方面处于领先地位，因此可以很好地建立量子软件工程的新兴领域，

技术里程碑

3年后，将展示容错路线，以制造最终超过50个量子位的量子处理器。
6年内实现配备量子纠错或鲁棒量子比特的量子处理器，性能优于物理量子比特；
10 年后，将运行展示量子加速和超越经典计算机的量子算法。

量子模拟器

飞机、建筑物、汽车和许多其他复杂物体的设计都使用了超级计算机。相比之下，我们还无法预测由几百个原子组成的材料是否会导电或表现得像磁铁一样，或者是否会发生化学反应。基于量子物理定律的量子模拟器将使我们能够克服超级计算机的缺点并模拟材料或化合物，以及求解其他领域的方程，如高能物理。

图片对于玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC)（左）和粒子数增加的莫特绝缘体（中和右）的两个不同量子相，测量保持在二维光晶体中的超冷量子气体的原子分布。（来自慕尼黑 MPQ 的 Immanuel Bloch 小组）。

量子模拟器可以被视为量子计算机的模拟版本，专门用于重现材料在极低温度下的行为，在这种情况下会出现量子现象并产生非凡的特性。与通用量子计算机相比，它们的主要优势在于量子模拟器不需要完全控制每个单独的组件，因此构建起来更简单。

几个用于量子模拟器的平台正在开发中，包括光学晶格中的超冷原子、俘获离子、超导量子位阵列或量子点和光子阵列。事实上，第一个原型已经能够执行超出当前超级计算机可能的模拟，尽管只是针对一些特定问题。这一研究领域进展非常迅速。量子模拟器旨在解决材料科学中的一些突出难题，并使我们能够执行原本不可能的计算。一个这样的谜团是高温超导的起源，这是一种大约在 30 年前发现的现象，但就其起源而言仍然是一个谜。

技术里程碑

3 年内，在超过 50 个（处理器）或 500 个（晶格）单个耦合量子系统的规模上具有经认证的量子优势的实验设备；
6 年内，在解决重要科学问题（如量子磁学）和演示量子优化（如通过量子退火）方面的量子优势；
10 年内，原型量子模拟器解决了超出超级计算机能力的问题，包括量子化学、新材料的设计以及人工智能背景下的优化问题。

量子通信

通信安全对消费者、企业和政府都具有重要的战略意义。目前，它是通过经典算法加密提供的，可以被量子计算机破解。这推动了量子安全密码学的发展，即量子计算机无法破解的加密方法。基于量子加密的安全解决方案也不受量子计算机的攻击，并且在今天可以买到，就像量子随机数生成一样——大多数加密协议中的关键原语。

图片大学原型 QKD 系统能够在 300 多公里范围内自主运行和分发密钥（日内瓦大学）

但它们只能在不到 500 公里的距离内发挥作用：量子信息是安全的，因为它不能被克隆，但出于同样的原因，它不能通过传统的中继器进行中继。相反，中继器基于可信节点或完全量子需要设备，可能涉及卫星，才能达到全球距离。量子中继器的优势在于扩展了可信节点之间的距离。全量子中继器方案的构建模块有两个：一个小型量子处理器和一个量子接口，用于将信息转换为光子，类似于当今互联网中使用的光电子设备，但具有量子功能。这些构建模块已经在实验室中进行了演示，但它们仍需要多年的研发才能进入市场。

一旦这种情况发生，真正的互联网范围内的量子安全、传感器网络或分布式量子计算就可能成为现实。

技术里程碑

3 年内，开发和认证 QRNG 和 QKD 设备和系统，解决高速、高 TRL、低部署成本、网络运营的新协议和应用，以及量子中继器、量子中继器的系统和协议的开发记忆和远距离通讯；
在 6 年内，用于城际和城内网络的具有成本效益和可扩展的设备和系统展示了受最终用户启发的应用程序，以及用于连接设备和系统的量子网络的可扩展解决方案的演示，例如量子传感器或处理器；
在 10 年内，开发了自治城域、长距离（> 1000 公里）和基于纠缠的网络、“量子互联网”，以及利用量子通信提供的新特性的协议。

量子传感器和计量

叠加态自然对环境非常敏感，因此可以用来制造非常精确的传感器。由于材料质量和控制方面的稳步进展、成本降低以及激光器等组件的小型化，这些设备现在已准备好用于众多商业应用。固态量子传感器，例如金刚石中的 NV 中心，已被证明可用于测量非常小的磁场。

这反过来可能有助于多种应用，从生物传感器到磁共振成像和金属缺陷的检测。超导量子干涉装置是早期量子技术的一个例子，现在广泛应用于脑成像和粒子检测等领域。

量子成像设备在成像过程中使用纠缠光从光中提取更多信息。这可以极大地改进成像技术，例如，通过使用压缩光允许更高分辨率的图像，或者通过测量一个与正在使用的第二个不同颜色和纠缠的光子纠缠的单个光子产生图像的能力探测样品。原子和分子干涉仪设备使用叠加来非常精确地测量加速度和旋转。可以处理这些加速度和旋转信号，以使惯性导航设备能够在地下或建筑物内导航。此类设备还可用于测量引力场、磁场、时间或基本物理常数的微小变化。