美国能源部《量子信息科学应用路线图》概述

量子信息科学作为颠覆性技术革命的先锋，正在重塑全球科技竞争格局。为加速其从实验室到产业化的跨越式发展，美国能源部联合学术界、产业界和国家实验室于2024年12月发布一项面向未来20年的《量子信息科学应用路线图》，以量子计算、量子传感和量子网络为核心，力争通过分阶段技术攻关与跨领域协同创新，系统性突破基础研究瓶颈，加速技术成果向实际应用转化，最终实现量子技术的规模化部署与产业化落地。

一、量子计算：扩展计算前沿

（一）发展路线图

量子计算作为量子信息科学的核心领域，其发展路径分为四个关键阶段：未来5年夯实纠错基础，未来10年验证量子优势，未来20年实现大规模科学应用，20年后将最终构建超大型完全容错量子计算机（详见图1）。这个过程涵盖技术突破、研究成果、支撑性研究与基础设施三大维度，需跨越硬件、软件及系统架构的多重挑战，并依赖于长期的科学研究和跨学科合作。

图1 量子计算发展路线图

阶段1：有噪声中型量子计算机（NISQ）与量子纠错（QEC）小规模演示共存（未来5年）

未来5年内，量子计算仍将处于有噪声中型量子计算机阶段，其核心任务是构建含1000个物理量子比特的有噪声中型量子系统，并将物理错误率降低至纠错阈值的十分之一以下。相关研究成果将展示量子纠错对逻辑错误率的10倍抑制能力，并利用有噪声中型量子设备开展量子模拟实验，为下一阶段的小型容错量子计算机奠定基础。为实现目标，需开发面向科学问题的新型算法，优化硬件纠错架构，深化理论、材料与设备集成相关基础研究，并建立开放的跨学科合作。

阶段2：小型容错量子计算机（未来5~10年）

未来5~10年内，首批小型容错量子计算机将投入使用。量子系统的核心任务是扩展至10000个物理量子比特规模，并通过量子互联技术实现模块化架构，确保低错误率的可持续性。相关研究成果将明确展示量子优势，即在特定科学计算任务中超越经典计算机的算力。为实现目标，需完善量子软件栈（编译器、工具流及协同设计工具），建立标准化的基准测试与验证方法，通过工艺设计套件（PDK）和晶圆厂支持处理器规模化制造，完成逻辑上的迪文森佐标准（DiVincenzo Criteria）的验证，为未来更复杂的模块化量子计算架构提供技术支撑。

阶段3：大型容错量子计算机（未来10~20年）

未来10~20年内，量子计算将进入开发大型容错量子计算机阶段，其核心任务是实现真正可扩展的大型量子计算架构，整合超导、离子阱等异构硬件平台，构建分布式与模块化系统。相关研究成果将实现变革性应用突破，如三维量子色动力学非微扰模拟、催化反应机理解析和药物分子精准设计、经典科学计算加速（如机器学习与优化问题）。为实现目标，需建立广泛可访问的量子用户设施与测试平台，开发量子数据中心原型，优化资源调度与多节点协同计算，为构建完全容错系统奠定硬件和算法基础。

阶段4：超大型完全容错量子计算机（20年后）

20年后，量子计算将迈向完全容错时代，构建超大规模量子计算机，其逻辑错误率低至可忽略水平，并支持超长时间科学计算任务。此类系统能够解决当前无法想象的复杂问题，彻底变革科学发现的研究范式。

（二）关键挑战

量子计算发展的四个阶段均面临不同的技术与应用挑战，需采取“双轨并进”策略，充分利用前三阶段的硬件能力，开发有价值的量子计算应用，推进到阶段4这一终极目标。

阶段1以噪声主导的量子系统为特征，需通过误差抑制与缓解技术提升性能。该阶段的主要挑战包括：一是量子纠错算法的实验验证和效率优化，需突破基础纠错原理的物理实现瓶颈；二是组建跨学科团队，开发适配有噪声中型量子硬件的科学算法，探索有限量子优势的应用场景；三是面向未来大规模纠错系统的需求，与经典计算领域协同设计高通量、低延迟的控制硬件；四是构建量子性能标准化评估体系，明确量子优势的量化基准；五是确保研究机构和产业界能够广泛获取量子计算资源，支持技术创新和应用落地。

阶段2的小型容错量子计算机虽能满足所有量子纠错标准，但其物理误差率仍接近纠错阈值，计算效率受到一定限制。该阶段的主要挑战包括：一是建立覆盖美国能源部相关研究部门的量子计算用户平台，通过通用处理器或领域专用硬件提供标准化服务；二是深度集成经典计算资源与量子系统，支撑纠错码规模化扩展所需的实时控制与数据处理；三是识别并规避可能阻碍未来扩展至阶段3和阶段4的技术风险，重点突破量子转导技术相关基础研究。

阶段3的大型容错量子计算机的物理误差率将显著低于阈值，可稳定运行千比特级、千亿至万亿次操作量级复杂电路。该阶段的主要挑战包括：一是完善量子计算用户设施的服务能力；二是推动美国能源部相关研究部门变革传统研究方法；三是开发量子—经典混合计算的软件生态，以适应量子计算新架构和新编程模式。

二、量子传感：实现前所未有的精度和新发现

（一）发展路线图

当前，量子传感研发主要聚焦两大领域，一是使用量子比特作为传感器，二是使用量子相关性提高传感器性能，相关研究十分活跃，要充分释放量子传感技术的潜力，需围绕四大核心应用领域（详见表1）在以下方向重点投入：理论创新、硬件开发、材料研究、实验物理实现、转化研究和经典工程优化。

表1 量子传感发展路线图

（二）关键挑战

一是量子态的脆弱性使其易受非目标参量的干扰。为达到量子极限的测量性能，需通过传感器稳定性提升、材料工程优化与器件设计改进来消除经典噪声源。

二是实际部署要求量子传感器在噪声、参数波动和硬件缺陷下保持稳定，需综合采用环境隔离、先进材料（如超导材料）与自适应算法，平衡灵敏度与可靠性。

三是提升传感性能需创新量子态操控技术：①制备高压缩度量子态以突破标准量子极限；②构建多体纠缠态，利用集体量子效应增强灵敏度或获取被测系统的全新信息；③开发非破坏性测量方法延长量子态寿命。

四是大规模应用需实现两大目标：①开发多模态传感器协同技术，通过关联测量揭示系统动力学特征；②构建实时数据处理架构，应对海量数据解析需求。

三、量子网络：利用量子资源连接的力量

（一）发展路线图

未来的量子互联网将支持多种应用，量子计算机和传感器能够通过光纤和自由空间通道相结合的网络基础设施进行互联。美国能源部认为，相关技术发展分为“网络核心”和“网络边缘”两大类别，二者可并行推进。但每一类别的技术进展需按顺序实现，不同技术突破之间存在递进依赖关系。量子中继器是量子网络互联最关键的部分，将支持校园级和城域级网络的规模化扩展。另一潜在的颠覆性技术是低损耗可见光长距离传输光纤，其成功研发可降低甚至替代对量子中继器的迫切需求。量子计算和量子传感的进步也会影响量子网络的发展。因此，相关资源应重点投向量子网络的核心要素，包括中继器、路由器、交换机、转导器、纠缠源、量子计算机、低损耗光纤及其互联架构，以显著提升互联设备的灵敏度、精度和综合性能，为量子技术的大规模应用奠定基础。图2给出了量子网络未来5~10年和未来15~30年的发展路线图。

图2 量子网络发展路线图

（二）关键挑战

在网络核心层面，量子网络的主要任务是生成、传输和路由量子纠缠资源，从而实现远距离量子通信，其技术挑战集中于信道性能和架构设计两大方面。在信道方面，信号损耗和噪声干扰是限制量子网络扩展的主要因素。一方面需开发超越无中继光纤极限的量子中继器，通过纠缠提纯技术提升端到端纠缠生成速率；另一方面需攻克量子—经典信号共纤传输难题，在密集波分复用（DWDM）场景下实现低噪声共存，逐步摆脱对暗光纤的依赖。在架构设计方面，需建立动态资源调度机制以优化带宽利用率，开发高精度时空同步技术以满足多节点纠缠协调需求，并探索类TCP/IP的标准化协议栈，最终实现用户无感知的透明化服务。尽管柔性带宽管理、软件定义网络（SDN）控制等方案已取得进展，但量子信号不可克隆的特性导致传统数字逻辑无法直接移植，仍需底层协议创新。

在网络边缘层面，量子网络节点需具备多种计算和存储功能，以支持不同类型的量子应用，其挑战源于终端设备的多样性和功能复杂性。由于不同物理体系的量子比特（如离子阱、超导量子比特等）具有不同的物理特性，这导致不同类型的网络节点在互联时存在兼容性问题。一是需解决静态量子比特（如超导、离子阱体系）与光量子网络的接口失配问题。二是量子存储器的相干时间需与网络延迟相匹配，以支持跨节点的时序操作。三是针对传感、通信等不同应用场景，需设计差异化的服务质量标准。

编译：中国科学技术信息研究所 金晓晨

审校：中国科学技术信息研究所 张丽娟

来源：《科技参考》2025年第11期

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