“量子计算与感知”十大科学与技术问题

发布者:陈燕佳发布时间:2019-10-29浏览次数:945

量子科学与技术是二十一世纪的重要研究领域,引领着物质科学和信息技术的巨大变革。过去几十年,量子信息科技取得了巨大的成就,但是在前沿科学研究和颠覆性技术研发上仍然需要不断探索前进。浙江大学“量子计划”团队在首席科学家朱诗尧院士的带领下,组织开展跨学科的深入研讨,凝练提出了“量子计算与感知”十大科学与技术问题。


 一、超越经典计算能力的实用化量子计算机能否实现?

 量子计算利用量子算法对大数分解等重要问题可实现超越经典计算能力的量子加速。量子计算原型机预计集成上百个量子比特,有望首先用于对量子体系的模拟,对生物制药、机器学习、人工智能等领域也将产生深远影响。但是量子计算机及其底层硬件的研发涉及量子与经典转换过程中的诸多复杂技术环节,例如量子纠缠、量子纠错和量子测量等,仍然面临巨大的挑战。

 二、固态量子比特相干时间的极限在哪里?

 大规模的量子计算和量子模拟需要足够多高相干性量子比特的集成,提高固态量子比特的相干性以及逼近相干时间的极限将是量子计算机工程化的关键科学与技术问题,它需要理解各类噪音的产生机理,以及增加比特相干性的有效方法。

 三、量子干扰如何避免?

 传统计算机利用电信号进行信息传递和处理,易受到外界电磁辐射干扰,从而造成信号完整性降低。目前常用电磁屏蔽的方法对其进行保护。量子比特是量子计算机进行信息传递和处理的基本单元,极易受到外界环境的干扰和破坏。如何实现量子屏蔽、保持量子信号的完整性是具有挑战性的科学技术问题。

 四、手征性分子的量子起源之谜?

 在生物界中,分子会偏向于某一种手征性。而在一般的化学反应中,左手性和右手性分子具有相同的比重。生物分子手征性的量子起源是一个未解之谜。从量子力学角度来看,分子手征性起源有两个可能,即打破宇称的相互作用或者量子退相干。人工可控的量子系统可以从量子演化角度模拟手征性分子的形成过程,为手征性分子起源的假说提供实验证据。

 五、如何达到量子精密测量的极限?

 量子精密测量的重要目标是使测量精度达到海森堡极限(反比于单次测量所使用的粒子数目),远超过经典测量的标准量子极限(反比于单次测量粒子数目的平方根)。设计一种可实际应用的并且达到海森堡极限的量子精密测量技术是学术界努力的方向。

 六、如何实现宏观机械振子的量子叠加态?

 人们已经观测到光子、电子、原子、分子等微观粒子的量子行为,如何在尺度更大的宏观机械振子上观察到量子行为,并制备其量子叠加态,是量子技术领域的重大挑战,这将有助于揭示宏观和微观过渡区间新的物理规律,检验波函数坍塌模型等重大课题。

 七、如何利用量子体系实现高精度的惯性导航?

 惯性导航是不依赖任何外部信息实现载体导航定位的技术手段,其导航定位精度的核心是惯性传感器的精度。利用量子技术有望突破经典惯性传感器测量灵敏度的极限,可提高载体长时自主导航定位的精度。

 八、如何实现室温工作的精确可控单光子源?

 量子通讯需要具有很高的单光子纯度(每个脉冲只包含一个相同性质的光子)以及高产生效率和高提取率的单光子源。实现同时具备这些性质的单光子源是一个极大的技术挑战。在室温条件下最大限度地实现接近理想情形的、精确可控的高性能单光子源,不仅有助于量子通讯技术的实用化,而且在弱光测量及量子度量上也有潜在的用途

 九、激光器可以做到多小?

 光动量随空间约束而增加,使得超强约束相干光场不易制备。表面等离激元激光器可产生远小于真空波长的超强约束相干光场。探索该类激光器的极限尺度,在光与物质相互作用、高能量密度光源、精密光学测量等方面具有应用前景。

 十、量子芯片是否存在“类摩尔定律”?

 通用量子芯片的计算能力,包括量子纠缠、量子比特集成度等核心指标,是否存在一个类似于“摩尔定律”的增长趋势?每年将按何种数学规律增长?该增长的极限是什么?