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美国《国家量子计划法案》战略部署解析（下）

量子创投界

2021-10-18

导读：本文为全文的下篇。

二、打造量子计算机。经典计算机中的比特为0或1,基于此进行二进制运算。在神奇的量子“叠加态”和“纠缠态”加持下，量子比特却可以同时是0和1，正如薛定谔那只著名的又生又死的猫。在理想状态下，50个量子比特一次可以进行2的50次方次运算，这已经是个天文数字。不是所有问题都适合用量子世界的规则进行计算，不过，在特定问题上，量子计算机的表现将碾压经典计算机。比如，模拟核物理和高能物理现象，设计新化学反应、新材料和新药，破解经典密码，优化物流系统、交通枢纽和电网，这些都是量子计算机更能发挥优势的领域。

三、建立全球量子通信系统。在远距离上输送量子比特产生的随机密码，任何窃听活动都会被察觉。用量子通信网把高精度的原子钟同步起来，GPS导航系统就会更加准确。更遥远些的展望，是用一张“量子互联网”连接起量子计算机。

这三大目标注定要齐头并进，相辅相成。制造大型量子计算机必然要用量子通信网络串联起数个较小的量子计算模块，类似经典多核处理器的结构。而搭建长距离量子通信网络反过来也必然需要小型量子计算机作为节点之间的“中继站”。至于像单光子探测器这样的先进量子传感器，无论是量子计算机还是量子通信网都用得上。

发展优势：美认为其在 QIS 研究领域具备多项领导地位

2018年9月，在美国国会高票通过《国家量子计划法案》（NQI）之前，美国白宫科技政策办公室（OSTP）、国家科学技术委员会（NSTC）发布了《量子信息科学国家战略概述》，其中详细描述了美国认为其在量子信息科技领域具备的多项领导地位。

美国在 QIS 中维持着一个充满活力的社区。世界领先的国家研究小组大学、公司和国家实验室推动了许多量子关键领域的进步用于计时、传感、网络和其他应用的计算和量子系统。这个作为量子研究和开发的领导者的地位是美国政府的直接结果资助机构和机构持续投资于基础和应用研究。既广泛又重点项目，建立在人员配备齐全的研究机构的基础之上，已经造就了一支优秀的员工队伍，鼓励了广泛的创新和探索，在物理学、材料科学和相关领域进行必要的努力工作，以取得进步开发工作的、可控的量子系统。在这一努力中，美国受益于多方供资模式，例如，一个机构继续资助关键话题而另一个转向新的焦点。此外，结合由任务驱动的资金需要通过科学驱动的资金确保长期发展，以创造进一步播种的新想法创新提供了额外的弹性。

私营部门研究和发展，促进QIS 的进展显著扩大。在过去五年中，特别是在量子计算、大型 IT 公司和风险投资和创业社区参与了新的 QIS 机会并组建了团体和追求商业化的公司。应该指出的是，这一切都是可能的，因为这些公司和社区从以前的计算中获得的财富和专业知识以及他们帮助创造的互联网革命。国家战略方针应继续利用美国政府资助体系和美国创新的这些优势生态系统。

其他国家QIS 研究与美国相协同。该领域有通过招募、合作和与科学竞争，在某些方面在美国取得进步。例如，第一个双量子位门提案来自欧洲的研究人员，但在 NIST 的 David Wineland 诺贝尔奖获得组中得到了证明。这反映了科技企业日益全球化，在科学家所在的领域仍然非常努力地与自然本身斗争以取得进步，人类的共同努力可能是必要的应对挑战。美国在这一时刻的领导地位将为这一成功提供关键因素。

QIS 具有跨平台和跨领域的研究生态，涉及全美多家机构。包括农业部 (USDA)、国防部(DOD)、能源部 (DOE)、美国国立卫生研究院 (NIH)、内政部(DOI)、国土安全部 (DHS)、国务院 (State)、美国国家航空航天局航天局 (NASA)、美国国家标准与技术研究所 (NIST)、国家科学基金会 (NSF)、国家安全局 (NSA)、国家情报总监办公室 (ODNI)、管理和预算办公室 (OMB) 和科技政策办公室 (OSTP)。

布局七大类重点领域：基础科学中的四类（S1-S4）和三个在技术发展（T1-T3）。

图3：美国政府研究投入分领域情况

S1.量子传感：利用量子力学提高基本精度测量和/或启用传感器和测量的新机制或模式科学 [DOD、DOE、DHS、DOI、NIST、NSF、ODNI]

S2.量子计算：来自用于量子系统模拟仿真的设备和算法在实验室控制数字量子计算机 [DOD, DOE, NASA, NIST, NSF，ODNI]

S3.量子网络：探索和使用相干或纠缠的多方量子态，远距离分布，用于新的信息技术应用和基础科学 [DOD、NASA、NIST、NSF]

S4.量子设备和理论进步带来的科学进步：改进了解材料、化学、宇宙学、经典计算技术，以及基础科学的其他方面 [DOE、NIST、NSF]

T1.配套技术：必要的模拟、数字、电气、机械、光学、支撑基础科学的计算和低温系统和技术领域 [DOD、NASA、NIST、NSF、NSA、ODNI]

T2.未来应用：改进运筹学、优化、机器学习、药物发现等 [所有 SCQIS 机构参与]

T3.风险缓解：必要的基础设施和支持量子技术及其影响，例如抗量子密码系统和其他后量子应用[DHS, NIST, NSA]。

美国在这些领域的努力包括一系列机构多年来持续推动这七大领域的研发。目前的联邦机构进行或资助这些主题领域已在上面确定，这七个领域代表了必要的广泛基础支持工业和政府在量子信息科学和技术方面的全面努力。并且，当前的资金主要专注于S1-S4。

我们认为：美国量子信息科技发展仍面临三个挑战

一、技术挑战

作为处理信息的全新形态，量子信息系统也要需要全新的物理平台。量子系统必须与外界环境完全隔离，才能使储存起来的量子比特保持叠加态和纠缠态。这就需要低温系统、超导回路、超真空环境、激光操纵单个光子等极端精妙的技术。而要在存储点间传递量子信息，还要用到量子电磁场，才能在空气或光纤中无损耗地传送。许多量子科学家只是在钻研其中的一种或几种高精尖的前沿技术。若要实现成规模的量子计算机或量子通信网，大家就必须要把这些硬件及软件技术整合起来，且发展到非常可靠的程度，让非量子专家的工程师们也能用量子系统来创造应用。

尽管科学家的共识是不存在什么根本性的、物理性的障碍，但在现实开发的过程中，可能会遇到超乎想象的挑战。脆弱的量子比特无法承受最轻微的扰动，包括在任何计算机系统中都会存在的电子噪音。量子理论专家们指出这些误差只要频率够低、得到充分理解，就能进行管理和修正。在未来很长时间内，研究这些噪音和误差会是量子技术研发的重要方向。

二、产业化挑战

依据《国家量子计划法案》设立的美国国家量子协调办公室未来将会在学术界、产业界和投资界发挥核心的串联作用。美国国家标准和技术研究院牵头成立的量子经济发展财团，也会更多地调动资本市场的积极性。

但我们也看到，从高校到企业的传统科技转化链，在量子技术上难以适用，更灵活的组织形式和更早期的风投介入或是推动产业化的直接力量。量子技术涉及到极其深刻的理论和极其尖端的技术，美国仍然存在有资源的高校和科学机构难以获得廉价、易得的先进设计和设备，产业界又缺乏将量子科学转化成产品的物理专家。要打通量子理论科学家和工程师之间的桥梁，还需在生态系统的孕育过程中，加强保证信息流动和对话，减少研究力量的分歧，更有效的促进投资者的投资决定和降低项目研发风险；或是采用更为灵活的合作研发小组的模式，制定科学而明确的工作目标，处理好知识产权问题等复杂因素，进一步拉动政府和社会资本的投资。

三、人才供给

从全球发展态势来看，每个国家现在都面临量子人才短缺的问题，美国也不例外。量子信息科技是多学科交叉的领域，需要更加复合型的人才，各国必须培养专门的“量子人才”，来推动科研与产业化的进程。大学应该尽早在课程中做出安排，为产业界的现实需求服务，训练出一批有志于和工程人员并肩作战的量子理论科学家、量子实验科学家。目前，美国绝大多数高校的计算机系才刚刚开始招聘研究量子算法的教员。2020年8月美国国家科学基金会（NSF）与白宫科学技术政策办公室宣布的新倡议中，将量子信息科学（QIS）相关课程加入到整个K-12的教育中，于中国而言，相当于将QIS课程加入到从幼儿园到高三的教育体系中。该计划的目的是激发学生对QIS的兴趣，以为该领域培养后期人才。

量子人才的培养对美国量子信息科技发展至关重要，是其能否保持现有优势的核心资源和能力。从我国的发展情况来看，尽管我国在量子通信领域已经引领全球，但在量子计算方面则有待追赶，这根本上与我国量子计算领域的研究者较少有关，人员的数量级目前只在千人的规模，其中物理背景的研究者占到三分之二以上，领域还需要更多计算机背景的研究者参与其中。同时，我国的量子本科教育较美国也更晚，2021年4月清华大学与中国科学技术大学相继宣布成立量子信息科学的本科专业，但距离具有加入科研与产业化研究的大批量人才，还有几年的等待期。

因此，美国政府仍需通过鼓励高校设立相关课程和院系，探讨如何通过资金引导的方式，交叉学科的合作研究，包括与量子有关的研发、硬件与软件工程、精密生产与纳米制造等相关技术，引导科研机构增强量子信息科学领域的人才培养，确保能够吸引，发展和留住这些领域的技术人才。

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

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