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美国《国家量子计划法案》战略部署解析（上）

量子创投界

2021-10-15

导读：（全文分上、下两部分发布）随着第二次量子革命的到来，美国将量子作为科技发展的重要方向，制定了具有全面协同性的国家量子战略，促进量子科技的研发和产业化进程，以抢占产业发展前沿高地。

随着第二次量子革命的到来，美国将量子作为科技发展的重要方向，制定了具有全面协同性的国家量子战略，成立协调机构、政府部门牵头协作，构建全新的量子科学研究中心，加强研发投入，促进量子科技的研发和产业化进程，以抢占产业发展前沿高地。

图1 量子信息科学小组委员会第一次会议

近十年来，美国量子信息科技战略逐步强化

美国是较早开展量子信息科学（Quantum Information Science，QIS）研究的国家之一。1994年，麻省理工学院（MIT）应用数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了一种量子质因子分解算法，能快速对一个特别大的整数进行质因数分解，动摇了现代通行的RSA密码系统的根基。但远在此之前，美国情报部门和国防部在量子信息科学方面的投资就已十分可观。

美国国家标准和技术研究院（NIST）在1980年代开始建设相关实验室，目前仍在持续扩张。美国国家科学基金会（NSF）资助各类量子信息科技研究人员已有30多年。美国能源部（DOE）则在近几年开始扶持成规模的研究团队。美国注重通过政府顶层设计推动QIS发展，经过多年发展，已形成立法保障、制定专项战略和优先发展相互衔接配套的政策体系，多方位支撑QIS发展。且近十年来，美国对量子信息科学战略及政策发布的频次已呈现明显上升趋势，如表1所示。

表1：美国近二十年的主要量子战略与计划

《国家量子计划法案》的战略部署

2018年底，美国国会高票通过《国家量子计划法案》（NQI），2018年12月21日，美国总统特朗普签署《国家量子计划法案》，至此酝酿半年的法案正式生效。美国计划未来十年内向量子研究注入12亿美元资金，由美国能源部、商务部国家标准与技术研究院和美国国家科学基金会配合联邦政府共同落实量子计划项目。

图2美国总统特朗普签署《国家量子计划法案》

总任务与目标：确保美国在量子信息科学及技术应用方面的领先优势

法案的宗旨为支持量子信息科学技术的研究、开发、论证和应用，加强联邦量子信息科学技术研发的跨机构规划与协调，使联邦政府量子信息科学技术研究、开发、论证项目效用最大化，促进联邦政府、联邦实验室与大学之间的协同合作，推动量子信息科学及技术安全国际标准的发展，以确保维持美国在量子信息科学及技术应用方面的领先优势。该法案要求美国总统实施“国家量子计划项目”。在项目实施过程中，总统将通过联邦机构、委员会、工作组、小组委员会以及量子协调办公室等机构，确定加快美国量子信息科学和技术应用发展的十年计划目标、优先事项和指标，投资联邦量子信息科学和技术的基础研究、开发、论证活动，资助发展量子信息科学和技术人才输送管道活动，负责联邦量子信息科学与技术研究、开发、论证、标准参与等活动的跨部门规划与协调；与工业界和大学合作，有效利用量子信息科学知识与资源；有效利用现有的联邦投资，以推进确立的十年目标和优先事项。

顶层协调组织：国家量子协调办公室和专门委员会

美国设立国家量子协调办公室和专门委员会（量子信息科学委员会、量子科学对经济安全影响委员会），贯彻实施《国家量子计划法案》。国家量子协调办公室的主要职能包括：

1）为小组委员会和咨询委员会提供技术和行政支持。

2）监督该计划法案的机构间协调。

3）作为联邦民政部门、机关、行业、大学专业协会、州政府以及协调办公室认为适当的其他人员之间进行民用QIS和技术活动的中心联络点。

4）确保量子研究和教育中心、国家量子信息科学研究中心与企业之间的协调。

5）进行公众宣传，包括传播咨询委员会的调查结果和建议。

6）促进获取和尽早应用该计划中产生的技术、创新和专业知识。

7）通过适当的流程，促进由工业，大学和联邦实验室开发的现有量子计算和通信系统向普通用户开放访问，以寻求发现量子系统的新应用。

办公室主任由科学技术政策办公室与商务部长、国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）和DOE协商后任命，由联邦雇员组成。2020年10月，量子协调办公室发布《量子前沿报告》报告，概述了政府、私营部门和学术界推动突破性的研发需要探索的八个前沿优先领域。

组织职能：量子信息科学委员会的主要职能是协调联邦部门的研发活动。该委员会由美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）、NSF、DOE、白宫科技政策办公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）共同主持，其他成员单位包括国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、国防部（Department of Defense，DOD）、国家情报总监办公室、管理和预算办公室、国立卫生研究院、国家安全局、农业部、专利商标局。委员会的具体职责包括：1）协调QIS和技术研究，国际标准制定和使用的信息共享以及联邦机构的教育活动和计划。2）确定计划的目标和优先事项。3）评估并推荐支持该计划的联邦基础设施需求。4）评估美国QIS人才的地位、发展和多样性。5）评估QIS研究工作的全球前景。6）评估国际合作机会。7）向管理和预算办公室建议该计划的跨机构预算协调。此外，小组委员会负责制定五年战略计划，并向总统、咨询委员会和国会有关委员会提交年度计划预算报告，包含每个联邦部门和机构当前计划和下一财年计划的预算。

战略执行：联邦政府机构NIST、NSF、DOE为三大核心主体

在《国家量子计划法案》中，顶层协调组织将全面统筹协调美国量子信息科学的发展计划，而战略执行则主要由美国联邦政府机构NIST、NSF、DOE三个机构，分工协作，共同推动法案规定的战略事项。

国家标准与技术研究院（NIST）的行动任务：1、继续支持和扩大量子信息基础和应用科学技术研究，并推动发展量子应用商业发展所必须的测量和标准基础设施；利用与其他联邦部门和机构已合作的项目，提高量子信息科技方面的科学家在量子领域的参与度；为推进量子信息科学与工程领域发展，与包含工业界、大学和联邦实验室在内的公共和私营部门实体建立或扩大合资企业/协会；订立并履行此类协议，包括合作研发协议、资助和其他形式的合作。2、组建量子协会。自该法案颁布起一年内，国家标准与技术研究院应负责召集利益相关者组建一个量子协会，确定未来的测量、标准、网络安全及其他需求，支持美国量子信息科技产业的稳健发展。

国家科学基金会（NSF）的行动任务：1、量子信息科学与工程基础研究与教育活动。该法案要求国家科学基金主任实施量子信息科学与工程基础研究与教育项目，并开展支持基础跨学科量子信息科学和工程研究及各方面人力资源的开发活动。2、量子研究与教育多学科中心。国家科学基金会应与其他联邦部门和机构协商，帮助高等教育机构或符合条件的非营利组织（或协会）以及私营部门实体建立2～5个多学科量子研究与教育中心，开展基础研究与教育活动，以支持量子计划项目确立的目标和优先事项。

美国能源部（DOE）的行动任务：1、量子信息科学研究项目。该法案要求美国能源部落实一项量子信息科学基础研究项目。在实施项目的过程中，能源部长应制定本部的量子信息科学研究目标；充分利用现有量子信息科学研究的集体性知识；为更多的本科生、研究生提供量子信息科学的研究经验和培训，涉及的领域包括量子信息论、量子物理、量子计算科学、应用数学和算法发展、量子网络、量子传感和探测、材料科学和工程；协调能源部纳米科学研究中心、能源前沿研究中心、能源创新中心、国家实验室、高级研究计划署、国家量子信息科学研究中心等现有项目资助的研究工作，并与其他联邦部门和机构、研究界以及潜在的信息使用者进行协调。2、国家量子信息科学研究中心。美国能源部长将通过科学办公室与其他联邦部门和机构磋商，通过竞争性择优审查程序，酌情建立并运营2～5个“国家量子信息科学研究中心”，开展基础研究，加快量子信息领域的科学突破。

实现路径剖析（美国研究人员）：三大目标

《国家量子计划法案》发布后, 美国国家标准和技术研究院、白宫科技政策办公室、马里兰大学和俄勒冈大学的研究人员在《科学》杂志上发表联名文章，来详解这一国家性法案将如何走向现实。他们从量子传感器、量子计算机再到量子通信网，量子科技,主要分作三大目标来实现量子信息科学对未来社会的改造。在这个过程中，新技术和新产品将冲击现有的加密系统、个人隐私和社会管理。

一、新一代传感器。《国家量子计划法案》的首个目标是用量子技术开发新一代传感器。原子钟和激光测距仪就是用量子理论来实现超高精度的测量。以后，还会出现一些闻所未闻的奇妙技术，比如用量子纠缠将精度提高几个数量级，甚至深入活细胞内部进行测量；基于原子干涉的引力传感器和加速度计，可以实现无需GPS的导航系统；利用纳米尺度的磁场传感器给单个分子成像，助力医疗诊断。

参考文献

[1].《NATIONAL QUANTUM INITIATIVE ACT》PUBLIC LAW 115–368—DEC. 21, 2018

[2].https://mp.weixin.qq.com/s/BuO1TKaggXu5GBpP6rjJmw

[3].https://www.sohu.com/a/289122489_115926

[4].《NATIONAL STRATEGIC OVERVIEW FOR QUANTUM INFORMATION SCIENCE》Product of the SUBCOMMITTEE ON QUANTUM INFORMATION SCIENCE，SEP. 2018

[5].https://baijiahao.baidu.com/s?id=163340168

下节预告：

实现路径剖析（美国研究人员）：三大目标

二、打造量子计算机

三、建立全球量子通信系统

发展优势：美认为其在 QIS 研究领域具备多项领导地位

图3：美国政府研究投入分领域情况