DOE委员会将未来国家量子设施与科学用途证明挂钩

简要简报

• 美国能源部（DOE）的一个咨询小组提议了一项 2026–2028 年量子大挑战计划，旨在在考虑建立国家用户设施之前，先展示经过独立验证的容错量子计算科学用途。
• 该路线图确定了在化学、催化、材料、聚变、粒子和核物理以及传感领域的近期应用，进展将通过科学成果而非单纯的量子比特数量来衡量。
• 拟议的设施将把云访问与连接到超级计算机、人工智能、实验和科学用户的实验室系统相结合，同时保持多种量子硬件路径之间的竞争。

对于一个向美国政府就容错量子计算提供建议的委员会来说，传达的信息似乎是：资金固然重要，但量子比特仍需证明其实力。

根据美国能源部咨询小组的新路线图，拟议的国家量子计算用户设施将取决于量子系统首先展示出经过验证的科学价值、技术成熟度和研究人员的需求。

该提议详述于能源部科学办公室科学计算咨询委员会（SCAC）量子小组委员会的一份报告中，要求开展一项分为三个阶段的工作。第一阶段将在 2026 年至 2028 年间建立“量子大挑战”。如果早期的演示显示出足够的科学效用、技术成熟度和用户需求，第二阶段可能会创建一个能源部量子计算用户设施。第三阶段将把量子计算与能源部的超级计算机、人工智能系统、科学仪器、网络和实验相整合。

报告建议能源部在开展大挑战工作的同时开始规划该设施，以便在相关技术和科学证据可用时，该部门能够做出决定。

“委员会发现广泛共识，即进展应通过解决引人注目的科学问题的能力来衡量，而不仅仅是通过硬件指标，”委员会在报告中写道。“科学大挑战应通过持续的协同设计来定义算法、软件、硬件、人工智能和系统工程的要求，而不是让应用去适应现有技术。这种科学驱动的方法将加速有意义应用的开发，指导技术发展，并建立未来量子计算能力所需的广泛用户群体。”

委员会的任务是制定到 2028 年实现具有科学用途的容错量子计算的路线图，以及能源部量子计算用户设施的长期愿景。其成员包括来自国家实验室、学术界、医学界和工业界的代表，其过程包括利益相关者访谈、书面意见和公开市政厅会议。

科学效用标准

报告为 2028 年能够进行科学演示的系统提出了一系列说明性里程碑。这些包括大约 50 到 100 个逻辑量子比特，10,000 到 100,000 次硬逻辑操作，在 24 小时内返回端到端科学计算结果，以及针对实验、经典计算限制或预测科学价值的独立验证。

逻辑量子比特是物理量子比特组，其错误在计算进行时被检测和纠正。小组对逻辑量子比特和逻辑操作的关注反映了演示设备组件性能与运行系统足够长时间以完成有用计算之间的区别。

报告并不将更多的逻辑量子比特数量单独视为量子计算已变得有用的证据。它要求容错系统能够可靠、重复地运行，并具有足够的吞吐量来支持科学活动。它还确定了一系列支持性要求，包括实时错误解码、控制电子设备、低温学、封装、校准、软件、编译器、验证、自动化操作、可制造性和运行时间。

对于其 2030 年及以后的用户设施能力，路线图愿景是大约 1,000 到 10,000 个逻辑量子比特，数十亿到数百亿次硬逻辑操作，生产级别的可靠性，以及超越常规经典计算范围的结果。