量子计算是正在改变世界的计算能力的下一个前沿。作为一种有潜力的早期技术，其科学计算能力甚至可能远远超过百亿亿次计算机。实现量子计算机是一个复杂的机遇，面临着巨大的挑战。需要物理学家、应用数学家、计算机科学家、材料科学家和工程师的跨学科科研和技术开发，利用量子力学的规律来构建量子计算机，同时还要实现全新的算法、架构和语言。目前，商用量子计算系统尚不可用，量子计算硬件、软件、算法和系统集成的技术还不够成熟。因此，美国能源部（DOE）希望抓住这一重大机遇，明确必要的技术模块，解决系统集成问题，从而实现可优化DOE任务问题的革命性工具。一旦实现，量子计算将对科技企业、经济竞争力和信息处理产生世界性的影响。

2017年9月，美国能源部先进计算研究（ASCR）计划发布报告《ASCR关于建立用于科学的量子计算测试平台的报告》[1]，详细介绍了ASCR计划召开的量子计算测试平台利益相关方研讨会的结果，识别了建立量子计算测试平台的机会和挑战，以推动量子计算硬件和软件系统的发展，在未来5年促进量子计算的科学应用。

一、量子测试平台的技术思路

量子测试平台可以促进硬件、架构、量子算法和模拟的开发。实现量子测试平台至关重要的是技术思路和公诸于众的权衡，因为这将决定测试平台实现的可行性、测试平台的计算能力和测试平台系统的可用性。报告聚焦了8个方面的内容。

1、设计和仿真工具。这些工具的输出可以表征计算模型、大小、性能和量子位连通性对测试平台性能的影响。谷歌等公司计划在2017年底前示范49个量子比特的量子计算机，不久之后，超级计算机将不再能跟上量子模拟的需求，因此，需要新的量子计算模拟和仿真模式。有效的量子测试平台设计和评估工具可能会集中在可能采用的各种误差抑制策略上，包括最优控制和量子控制方法、动态去耦合和脉冲序列方法，以及量子纠错方法。要开发一套标准的量子算法程序组，作为量子测试平台的基准。

2、硬件的表征、验证和确认。量子测试平台的一个重要任务是执行表征协议（构建了什么），验证（构建的是否正确），以及确认（构建了它这一事情是否正确）。只有当量子测试平台通过这些协议时，它才可被信任以用于提供所寻求的信息。

3、类比模拟：使用一个量子多体系统来模拟另一个的属性。如果硬件的量子表征、验证和确认（QCVV）的相关问题得到充分解决，并且模拟器硬件具有足够的灵活性，可以解决多个计算上定义良好且广泛有趣的问题类别，类比模拟将成为测试平台的一个强大组件。

4、使量子测试平台变得可用的工具。测试平台需要且必须建立量子计算软件，模块化软件架构是创建可用的测试平台的重要元素，是能够执行硬件/软件协同设计以实现更有效的下一代系统的必要部分。鼓励开发模块化软件工具和标准API，在未来2-5年内，物理硬件的进步很可能实现目前无法模拟的系统部署，改进的工具将有助于为未来的系统准备用户。

5、超导量子比特。超导量子点已经被许多研究团队证明，其应用包括因子分解、量子退火和量子模拟。许多传统半导体制造和高速电信号处理技术的适用性也支持使用这些量子比特构建可扩展量子处理器架构的想法。目前超导量子比特的实施方案非常适用于测试平台，测试平台的开发也将有助于克服3D集成、电子设备的扩展和串扰等挑战，其理想的结果将为实验者和理论家提供广泛的适用性。

6、囚禁离子量子比特。量子比特可以被囚禁离子的钟态编码，这些状态与环境完全隔离，产生长的相干时间，同时实现了有效的高保真量子比特相互作用。目前，已经在5到15个量子比特的系统上示范了量子算法。囚禁离子测试平台可以直接利用高相干时间到栅极时间比、高保真度运算和可重构性。

7、新兴的量子比特技术。除了超导或囚禁离子量子比特之外，还有一些新兴的量子比特技术可以克服一些可能的规模化问题。这些量子比特技术包括：各种量子点系统，包括硅替代品，含铋供体的硅基量子比特有望解决非确定性缺陷位移的问题，有可能导向可扩展的制造；金刚石氮空穴中心，提供长的相干时间和通向可扩展的量子存储器的途径；其他自旋供体；液氦上的囚禁电子；光子量子退火器。

8、互连性：量子比特之间的长距离互连及其对测试平台系统中量子比特数量化的能力的影响。光互连可能是容错量子计算机的重要组成部分；适当的互连技术取决于距离，对于两个独立腔室之间的长距离互连，基于光子的互连可能是适当的技术；可扩展性仍然是一个挑战，可扩展互连技术有望将会出现。

二、量子测试平台的组织和管理

1、管理和访问量子计算测试平台的最佳实践

（1）确定度量标准和计划目标的过程必须包括用户群体的需求。

（2）一个代表整个用户群体的小组的意见对于指导投资和方向很重要。鉴于量子计算技术的相对不成熟，这样的小组显得特别重要。

（3）过去的经验强烈建议，一个灵活的管理团队有助于长期成功，该团队负责制定路线图并与所有相关利益相关者密切合作。

（4）建立设施或测试平台的用户群体需要时间。个人访问测试平台并以多种方式进行交互，将加速一个充满活力的用户群体的发展，从而促进共同设计。如果只有虚拟权限来访问测试平台，则可能会增加构建用户群体所需的时间。

（5）管理和访问模式一定要灵活，并随技术和测试平台的发展而变化。

2、人员组成

不同的测试平台开发阶段有不同员工需求。测试平台开发可分为5个阶段：0）硬件的规划；1）建立物理测试平台；2）测试平台运行；3）更长时间的标准测试平台运行；4）测试平台的升级（从这开始又重复5个阶段的循环）。在第0阶段，科学家和工程师将合作提出需求和规划。在第1阶段和第2阶段，需要多个学科博士水平人员的参与，包括电子、真空、低温、原子和分子物理学家，高性能计算专家和制造专家。在第3阶段，需要硬件技术人员，研究科学家和软件工程师的参与，以有效利用硬件。第4阶段类似于第0阶段，需要科学家和工程师参与。

三、行业观点

可运作的量子计算系统的开发和示范将需要产业界、学术界、国家实验室和政府之间的紧密配合。每个参与者都将带来其优势来迎接挑战，利用这些优势是联合设计实践的关键原则之一。

1、应明确定义量子测试平台的总体目标和应用空间。广泛的研究群体达成协议，确定初始目标为6-10个物理量子比特的系统，这样，可能的合作伙伴就可以看出他们的技术如何整合到系统中。这种初步的群体理解可以用来制定未来的路线图，确定后续量子计算系统将填补的技术和主要应用空间。

2、确定测试平台在培育生态系统中所起的作用。行业的主要目标之一是向包括美国政府在内的各种用户出售量子计算系统。在这个技术开发的早期阶段，需要开发出一种工具或常用的语言来描述系统性能，类似于常用的高性能计算基准测试标准。

3、标准和透明度的重要性。通用基准语言的一个可能的发展就是开发适当的接口标准。标准可降低新思想和新技术进入现有系统的价格，支持小型技术公司或学术界的创新，鼓励透明度和开源解决方案。标准应该是灵活和时间依赖的，测试平台可以促进这一点，并使用户能够快速失败，从而可以快速恢复并重新尝试，并最终成功。

4、政府和产业在国家生态系统中的作用。DOE致力于提供一个灵活的组织框架，确保所有参与者的法律需求得到承认和保护，同时不会扼杀所设想的测试社区核心的技术交互。当需求清晰时，行业的效果最好。行业将既是测试团队技术进步的用户，也是向量子测试平台提供技术的积极参与者。                                     （黄龙光）