2024年12月，美国能源部（DOE）科学办公室发布了《2024年量子信息科学应用路线图》报告。该报告详细阐述了量子计算、量子传感和量子网络三个领域的现状、挑战和未来发展方向，旨在指导DOE在量子信息科学领域的研发活动。

1、量子计算：扩展计算的前沿。要实现量子计算的全部潜力，需要构建具有出色可控性的大规模量子计算系统，其开发需要大量的研究工作以及对量子计算所需的材料、设备及其集成、架构、算法、应用和理论等全套技术进行广泛投资。其未来发展时间表可分为4个阶段：①0~5年：含噪声中等规模（NISQ）量子设备和量子纠错设备共存，并加速向量子纠错设备过渡。技术上，将往1000个量子比特迈进，并实现错误率低于阈值10倍。②5~10年：首批小型纠错量子计算机将面世，将首次明确示范物理学家DiVincenzo提出的量子计算机物理实现的标准，科学计算能力将实现量子优越性。技术上，将往1万个量子比特迈进，同时保持较低的错误率。③10~20年：纠错量子计算机将继续扩展，大型纠错量子计算机出现。④20年后：实现具有容错能力的超大型量子计算机。

2、量子传感：实现前所未有的精度和新发现。量子传感未来几年将需要在开发和发现新传感器方面进行基础研究，设计新的传感协议和模式，并通过材料纯化和设备制造来改进量子传感器，以及进行转化研究，以将量子传感器部署和应用于科学和商业目的的各种应用。量子传感的应用主要包括新物理学的精密测量，了解材料的高分辨率灵敏探针，稳健且已部署的传感器，生物、化学和生物医学传感。报告概述了未来十年及以后量子传感在这些应用中的关键研究领域，详见表1。

3、量子网络：利用连接量子资源的力量。量子网络的技术发展沿着网络核心和网络边缘两条路径并行进行。网络核心将纠缠光子源与量子开关或路由器相结合，连接网络内或网络间的设备。量子中继器在光子丢失之前有效地捕获并释放光子，以延长支持的距离。在网络边缘，量子传感器将量子信息从传输的光子转换为节点处的物质量子比特。其未来发展时间表可分为2个阶段。①5~10年：网络核心要实现的重要技术进展包括：大于100千米的纠缠光子网络，量子开关，克服光纤损耗的量子中继器，量子路由器。网络边缘要实现的重要技术进展包括：通过转换器实现量子存储器的纠缠，混合量子系统之间的转换。②15~30年：网络核心要实现的重要技术进展包括：大洲之内的纠缠（光纤或卫星），洲际纠缠。网络边缘要实现的重要技术进展包括：网络节点上的量子存储器。两条路径最终的共同进展为：快速、高质量的量子网络，使连接的量子计算机比单台量子计算机更强大。             （黄龙光）