欧洲量子技术路线图

前几天在arXiv看到题为“The European Quantum Technologies Roadmap”的文章，是一些大牛合写的。趁着周末有空拜读下，结合自己所涉及的量子光学领域，谈一谈对这些量子技术的认识。

量子技术主要分为四类：量子通信、量子计算、量子模拟、量子精密测量， 如下图所示。文献中分别介绍了这几类量子技术的最新进展、存在问题和未来努力的方向。

（图片来自文献1）

一. 量子通信

量子通信是已经实用化的量子技术。其基本原理就不赘述了，可以参考这篇公众号文章“墨子号”量子卫星最新实验结果汇总。 受限于光纤的传输损耗（0.2dB/km）, 目前光纤中量子通信的最远传输距离为307km, 最高的安全码率为1.3Gb/s。为了实现更远距离的量子通信，基于可信中继节点的量子卫星方案被提出。目前基于卫星的量子通信已经实现，只是相关的技术指标有待进一步提高。实现长距离量子通信的另外一种方案是基于量子中继器，其技术难点是量子存储。目前还处于原理验证阶段。

量子通信下一步努力的主要方向是降低成本，提高码率和传输距离。光芯片技术是可能的解决方案之一。量子存储，新的量子通信协议与实验验证也在努力探索中。更为长远的目标是构建全球范围的量子通信网络，降低成本使得量子通信能够民用化。

二. 量子计算

量子计算基于量子并行性和量子纠缠，可以实现某些问题的加速。目前已知的存在量子加速的问题还比较少，包括Grover算法、Shor算法以及一些搜索算法。但是目前受限于量子比特的数目，实验中都是演示几个比特的量子算法，量子的优越性并不明显。首要的问题是提高量子比特数（100个以上）。另外，由于量子退相干等问题，需要引入量子纠错，这就需要额外的量子比特。当然，如果使用量子退火算法（quantum annealing）,就不存在量子纠错的问题。

目前实现量子计算的物理体系比较多，包括离子阱、超导、半导体量子点、自旋和光学系统。每个体系都有自身的优势与问题，没有一个优势完全胜出，各个体系都在往前推进，百家争鸣。Google, IBM都把宝压在了超导体系，Intel看好硅的自旋体系，Microsoft把宝压在了目前还没有实验验证的拓扑量子计算。个人比较看好超导体系，其比特数扩展的问题相比其他体系有一定的优势，加工工艺与CMOS工艺兼容。超导体系需要工作在极低温环境下，这是一个比较大的问题。下图是一张8比特超导量子计算的结构示意图，

（图片来自文献1）

个人不是很看好光学量子计算，目前都是通过非线性光学的方法产生纠缠光子对，产生更大数目的纠缠态的几率非常小。虽然理论上人们提出利用量子存储的方法，但是量子存储技术目前也没有很成熟。是否存在其他更有效的方法产生纠缠态？

三. 量子模拟

量子模拟的概念最早由费曼提出，即使用一个可控的量子系统，去模拟另外一个更复杂、不可控的量子系统。对于一个复杂的量子系统，由于自由度比较多，用经典计算机去模拟研究它的行为，计算量非常大，而用另一个可控的量子系统模拟它，就不存在这样的问题。

两个量子系统的哈密顿量要存在相似性，才可以用一个系统模拟另一个系统。另外，量子模拟不仅需要展示原系统类似的行为，也要可以预测出一些新的现象。冷原子超晶格系统是一个比较好的量子模拟系统，可以通过对超晶格势阱的调控，研究一些凝聚态物理中的理论模型，目前这方面的进展比较多。最近波色采样问题的进展也比较多。

量子模拟有点类似量子专用机，一个系统只能去研究一类问题，不具备通用性。即便如此，通过量子模拟可以验证一些模型的正确性与否，计算一些经典算法不易计算的问题，也是非常有意义的。量子模拟存在的问题与量子计算类似，需要提高量子比特数。

四. 量子精密测量

经典物理的探测精度可以达到热噪声极限，正比于1/sqrt(N)， 而使用量子系统去探测，其精度可以达到海森堡极限，即正比于1/N。N是粒子的数目。

基于这一点，人们已经实现了更高精度的相位测量、光钟、量子成像等的原理验证。由于量子退相干的问题，如何有效避免损耗，达到测量极限，是量子精密测量最主要的问题。一方面，我们希望量子系统的相干性比较好，但是我们用它去进行测量，测量就会有相互作用，就会改变原有系统，所以这中间存在一个trade off， 这需要对量子系统进行有效地控制。

以上是结合了欧洲量子路线图，谈了谈自己对这些量子技术的一些认识。总体说来，量子通信目前已经相对成熟，其他三个方向需要解决的问题非常多，最首要的问题是比特数太少，人们对量子系统的操控能力还没有那么强大。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出！

参考文献：

1. M. Riedel, et.al., The European Quantum Technologies Roadmap, arXiv 1712.03773