美国最近推出了一系列措施来推动和促进量子进步。2020年10月7日，白宫科技政策办公室(OSTP)推出了一站式网站，详细介绍了其在量子领域的所有工作，并发布了全面的量子前沿报告，指出了需要研究的重点领域。量子器件和技术是备受关注的新兴领域。研究原子尺度的现象有望从根本上改变科学、工程、通信等领域。自2018年美国公布《国家量子计划法案》(国家量子倡议法案)以来，特朗普政府一直强调量子信息科学(QIS)包含一个“未来产业”，并提出了一系列投资计划和政府主导的项目。
新推出的量子网站(Quantum.gov)旨在成为“美国量子计划之家”，它将在一个地方收集新闻、资源、文件、报告、行动和其他信息，记录政府在量子领域的工作。在OSTP的声明中，该网站被称为“一个新的数字中心”，它将不断增长的量子社区与联邦政府正在开展的广泛活动联系起来。
新发布的《量子前沿报告》收录了来自公、私、学界的各种反馈，聚焦美国国家量子战略。该报告阐明了必须优先考虑的研究领域，以确保QIS潜力的充分发挥。根据美国政府的公告，该报告旨在关注和组织未来几年围绕关键问题的全面QIS研究和产业集群。报告列出的“八大前沿领域”包含了当今QIS面临的基本问题的核心症结，为整个美国创新生态系统提出了关键的研究问题，将成为美国研究人员的重要路线图。
八个前沿地区。增强量子技术造福社会的能力。
加速量子技术的可用性发展非常重要，这意味着平衡基础研究和潜在应用研究。在这一前沿领域取得进展的关键包括：(1)明确量子技术的基本能力。解释利用量子现象改善现有技术的优势；描述量子现象带来的新能力；并理解量子计量和量子计算可以从量子网络中获得的基本优势。(2)与领域专家和最终用户合作。目前，确定量子技术可能解决的实际任务已经成为共识。QIS的科学家和工程师与其他领域的专家携手探索量子技术的潜在应用，这将加速量子技术解决关键社会挑战的进程。
2量子工程学科的建立
量子工程应该成为工程学院的一个新学科或子学科，通过一个新的视角来克服QIS领域的挑战。在该前沿领域取得进展的三个主要研究方向包括：(1)集成量子硬件、软件和支撑技术。在硬件方面，重要的研究领域包括量子比特阵列、制冷器件、光电器件、单光子探测器、真空系统、布线和馈线、激光器和稳定元件、射频和微波技术、器件封装、量子存储技术、制备量子态的有效方法、量子系统不同组件之间的量子态转换。在软件和系统方面，重要研究领域包括开发模块化软件设计、将计算问题映射到特殊硬件配置、探索基于硬件响应语义模型的编程语言等。(2)探索系统级架构、抽象和测试。建立量子工程的基本原理，让研究人员不用从第一性原理出发，就可以构建和使用基于不同抽象层的量子系统，这将是QIS研发的一个突破。(3)使模块化系统成为可能。量子位系统固有的复杂性使得它们难以理解、建模和验证。报告强调需要开发技术、协议、模型和验证方法，以支持异构、模块化和可扩展的设计、制备方法、表征技术和量子位封装技术。
3以材料科学为目标的量子技术
在量子计算的应用中，量子比特的质量与材料的质量密切相关。在这一前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：(1)利用材料科学提高器件性能。利用当前的知识和工具来提高量子器件所需材料的质量和弹性。材料领域现有的理论和实验技术将有助于设计、表征、制备和评估量子器件。(2)探索材料设计、制备和表征的新方法。研究途径包括：探索人工智能驱动的材料科学，改进的化学模拟技术，三维原子尺度成像，用于量子材料表征和量子器件读取的扫描探针技术，高灵敏度磁共振工具，以及极端条件下的新测量和建模能力。
4通过量子模拟探索量子力学
量子工程技术可以用来有效地模拟和仿真量子系统的本质。在这一前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：(1)开发量子模拟应用。量子设备有助于理解量子系统的科学和工程问题。重点研究包括：化学电子结构的计算，分子光谱中原子核振动和转动的计算，多体化学动力学和化学反应，物质平衡，相图等特性，以及其他多体动力学和复杂物理现象。(2)在现有设备上实现该算法并研究其性能。量子算法包括量子相位估计、绝热态制备、量子虚时间演化、哈密顿模拟、实空间模拟和费米模拟。量子-经典混合包括可变量子本解算器(VQE)和量子近似优化算法(QAOA)，用于基态能量优化。在现有的量子-经典框架下发展量子算法，比如为有噪声的中型量子器件(NISQ)发展新的算法，探索它们在噪声下的表现。
5利用量子信息技术进行精确测量
原子钟、原子干涉仪、磁强计和核磁共振成像系统等先进的计量技术已经证明了量子控制和QIS相关方法的优势。在这一前沿领域取得进展的两个关键研究方向包括：(1)部署量子技术以提高准确度和精度。量子技术已用于精确定位、导航和计时(PNT)应用，但通常在尺寸、重量、功率和成本(SWAP-C)方面有实际限制。因此，将测量科学与量子工程相结合，在满足野战部署系统整体要求的同时实现优异的性能，将是一个重点方向。(2)创造原位和体内量子传感的新模式和新应用。量子传感的优势可能是深远的，但需要证明量子控制在这方面的合理性。可能的研究方向包括：高能物理探测器、化学实验光谱学、结合尖端空间分辨率和光谱化学位移灵敏度的核磁共振技术、大地测量和测绘、水文和矿产勘探、利用量子增强望远镜的天文学以及各种生物科学应用，如脑电图、脑磁图、视觉、光合作用、细胞动力学和趋磁作用。(3)利用纠缠和量子计算机改进测量。将这一概念扩展到传感器阵列和其他网络化的量子系统(如纠缠时钟网络)，是量子计量学的前沿研究。量子预处理和后处理的最佳纠缠和测量增加了这一研究的可能性，探索方向之一是基于量子电路或小型量子处理器的多体量子态。
6为新应用生成和分发量子纠缠
通过不同模块量子比特的纠缠来连接量子器件，可能是扩展量子计算机的一个关键途径。该前沿领域有待探索的四个重点研究方向包括：(1)发展量子网络的基本组件，涵盖从量子中继器到存储器和互连的组件。(2)实现量子态变换，探索途径包括：量子态的相干变换、量子频率变换、自旋态、电荷态、偏振态、空间模式、轨道角动量等自由度的量子控制、高维量子比特、连续变量的纠缠形式等。(3)集成量子网络系统。短距离纠缠分发是该方向的关键挑战，该研究方向的探索途径包括：纠缠分发的基础设施和协议以及研究试验台或设施(例如交换、纯化、互连和经典-量子混合方法)。(4)探索量子网络算法、应用、协议和方法。量子网络应用也将推动这一前沿研究，如分布式量子计算、盲量子计算、端到端量子加密、安全软件分发和纠缠传感器阵列。除了全新的算法和应用，网络协议需要大规模改进或修订，才能在新的量子网络测试台上工作。
7量子误差的表征和减少
反退相干对于量子计量和网络非常重要。除了材料研究，提高控制的途径还有量子纠错、无消相干子空间、容错量子计算等等。在这一前沿领域取得进展的三个关键研究方向包括：(1)多量子位系统的表征和控制。量子门的性能是设计和控制大规模量子计算机的关键。改善量子误差的途径包括：材料的改进、多量子位测量和反馈、控制技术和平台的改进、量子纠错基础理论的拓展。(2)接近容错条件。抑制量子错误为通用计算提供了一种接近容错条件的方法。相关研究包括：抑制错误的新性能基准、容错验证、纠错量子中继器、绝热和模拟量子计算的容错方法。(3)利用现有设备提高量子比特的性能，相关研究包括为实现有用计算需要抑制的误差量、低深度算法(如近似优化)、根据特殊硬件调整量子误差的实用策略等。
通过量子信息了解宇宙QIS基础研究开辟了一个新的科学前景。三个主要的研究方向奠定了这一前沿领域的基础，包括：(1)探索计算和信息的数学基础。与QIS相关的基本计算问题涉及量子复杂性理论、量子资源理论和量子计算。(2)拓展物理理论的局限性。QIS的概念和量子模拟的新应用被用来探索物理理论的局限性。相关研究包括：通过量子行走的量子计算拓展散射理论，通过量子纠错码和多体纠缠帮助发现物质新的相位和拓扑状态，通过AdS/CFT双场理论帮助理解量子引力理论，探索强耦合条件下的测量理论。(3)检验粒子物理的标准模型。QIS可以提供新的方法来检验和扩展粒子物理的标准模型，如寻找暗物质和暗能量，检验CPT和洛伦兹等基本对称性，寻找基本常数的时空变化。
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