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        這些科學家來自大學、國家實驗室、工業界等，為了量子技術走向實用，他們將集中力量，加速關鍵創新的產出。為了應對創新路上的障礙，這些科學家們經過研討，制定了詳細的路線圖，概述了可能的實現途徑。

        這些探討結果匯集成了3篇 “路線圖”，于2021年2月24日發表在《物理學評論X輯·量子》（PRX Quantum）期刊上。三個路線圖涉及的主題分別是：量子計算、量子模擬和量子互聯。量子信息科學是一項宏大的征程，需要物理學家、數學家、計算機科學家、電氣工程師、材料科學家等群體的共同努力。路線圖在《物理學評論X輯·量子》（PRX Quantum）上公開刊登，是為了激發更多的人能參與到這項事業之中。

用于科學發現的量子計算機系統

        量子計算機代表了一種全新的信息處理方法，它可以完成傳統計算機難以甚至不可能完成的計算任務。量子計算機的核心是一組量子比特，在與環境充分隔離的情況下，它們可以處于0和1的量子疊加。通過量子邏輯門操作，多個量子比特可以變得 “糾纏” ——這是一種獨特的量子屬性，多個量子比特顯示出很強的相關性，即便在被測量時，它們每一個都是隨機的。這種固有的“連接”使量子計算機能夠勝任在任何經典計算機上都不可企及的巨大信息空間上的計算和采樣任務。

        然而，我們還不清楚未來量子計算機將如何被使用，因為目前還只有少數已知算法能提供 “量子優越性”。此外，建造量子計算機并將量子比特數和操作保真度提高到實際應用所需的水平，仍然是一個巨大的挑戰。這兩個挑戰是相關的：通過構建更大、能力更強的量子計算機，我們能發現新的應用；通過改進應用，量子計算機硬件的發展可以得到有效的指引。應用的發現和裝置的構建之間的這種交織，被稱作 “協同設計”。

        早期的量子計算機應用可能來自科學本身，比如通過對量子現象的可編程模擬來理解信息如何在糾纏的量子系統中演化、傳播。

        “路線圖” 呼吁物理學家、數學家、計算機科學家、化學家以及工程師緊密結合，用科學的方法來共同設計未來的量子計算機系統，從而實現科學發現。

量子模擬器：機遇和挑戰

        量子模擬器利用獨特的量子效應來解決經典計算機難以解決的模擬難題。著名的例子包括：預測高溫超導的性質，模擬光合作用等。通用量子計算機也能解決這些問題，但容錯量子計算可能要很久以后才會出現。然而，利用專注于特殊用途的設備，量子模擬可以在短期內取得重要進展。

        量子模擬包括類比量子模擬（analog quantum simulation）、數字量子模擬（digital quantum simulation），以及兩者的混合。過去二十年，量子模擬器取得了重大進展，這為該領域帶來了新的機遇。“路線圖”描繪了這個領域面臨的機遇和挑戰：

        - 確定了在基礎和應用物理領域中可以通過量子模擬器解決的廣泛問題。這些問題涉及量子材料、量子化學、量子器件和量子輸運、引力、粒子物理、宇宙學和非平衡量子動力學等領域。

        - 建議在未來五年內，采取雙管齊下的方案來推動領域的進展。首先，基于相對成熟的技術，物理學家、計算機科學家和工程師等參與的多學科合作將迅速發展和利用原型量子模擬器。與工業界、國家實驗室和應用方面的領域專家的接觸也至關重要。其次，集中力量推進原理、器件和應用方面的創新，使下一代模擬器具備更多更強的能力。優先要考慮的事項包括：計算機科學和量子物理的基礎理論研究，新平臺和體系結構的發展，以及控制系統等。

量子互聯：為了下一代信息技術

        經典信息技術依賴于在不同地點和不同媒介之間傳輸信息的能力。例如，在現代計算機中，信息存儲在硬盤的磁疇中，以電線中電信號的形式被傳送到處理器，以晶體管兩端電壓的形式被操作處理，并被轉換成光子，通過高速光纖連接到互聯網。

        與經典信息技術類似，量子信息技術將依賴于在不同的量子系統之間傳輸量子信息的能力，這些量子系統有不同的任務。例如，用于量子計算的超導量子比特可以連接到一個光子量子通道，該通道可以將量子信息傳輸到遙遠的處理器或存儲系統。然而，量子信息極其脆弱，在不破壞它的情況下在系統之間將其傳輸，是一項艱巨而又關鍵的任務。雖然許多量子信息處理系統最近已經得到了論證，但在它們之間設計建造高效的量子互連是實現量子技術（如量子互聯網）的關鍵挑戰。此外，經典控制線和量子系統之間的接口是將量子系統（如量子計算處理器）擴展到更大尺寸的重要要求。

        “路線圖” 描述了量子互聯技術的當前進展情況，并提供了實現未來目標的路線。