美以舉國之力發展量子技術：19頁國家級科技戰略曝光
“量子資訊科學代表了資訊時代的下一個前沿”，在近日的一份宣告中，美國能源部長裡克佩裡表示。更有美國會議員表示，“這是一場我們必須贏的比賽”。
有如此評價，美國最近在量子領域的頻頻動作也就不難理解了。
幾天前，也就是在 9 月 24 日，美國的量子科技悄然翻開新的篇章。當天，美國政府在白宮舉辦了一場聲勢浩大的量子峰會，除了聯邦政府官員以外，一眾矽谷科技巨頭紛紛出席，包括谷歌、微軟、洛克希德·馬丁、IBM、AT&T、高盛和摩根大通等公司。
本月更早之前，一項為期 10 年的量子研究加速計劃在美獲批，國會立法撥款 13 億美元來支援量子計算研發工作，當時，這一動作被認為是對標對標中國的量子重大專項。該計劃預計將在今年晚些時候由參議院批准。
如今美國政府馬不停蹄地在白宮舉辦了一場量子峰會，併發布了一份 19 頁的國家量子戰略概述，其中究竟釋放了哪些訊號？
圖丨 19 頁的國家量子戰略概述
美國兩大官方機構出資，國家統籌發展量子技術已成現實
美國是全球量子技術的領跑者，多年以來一直通過多個研發專案支援量子資訊科學的基礎研究，承擔研發的主要政府機構就包括能源部 （DOE）、美國國家科學基金會（NSF）和美國國家標準與技術化研究院（NIST）。
在此次的量子峰會上，首先亮相的就是來自能源部和美國國家科學基金會兩大機構的最新投資計劃，旨在幫助美國從國家層面上統籌現有資源以支撐研究。
美國能源部宣佈，它將撥款 2.18 億美元資助 85 個研究專案，包括 1 個太平洋西北國家實驗室提出的專案。美國能源部科學辦公室（the DOE's Office of Science）下屬的3個專案辦公室將負責管理這些專案，分別是高階科學計算研究辦公室（ASCR），基礎能源科學辦公室（BES）和高能物理辦公室（HEP）。
圖丨 ASCR 的負責專案（來源：美國能源部）
圖丨 BES 負責專案（來源：美國能源部）
圖丨 HEP 負責專案（來源：美國能源部）
尤其值得一提的是，ASCR 將主要負責探索量子計算硬體對科學應用的適用性能力。這樣的基礎研究將促進非常適合量子計算科學應用的裝置架構的開發，並提高科學家對量子計算的理解。
除了美國能源部以外，美國國家科學基金會則將提供 3100 萬美元用於資助量子基礎研究，為推進量子計算、量子保密通訊提供支援，而且還將用於培養下一代量子科學家、工程師和企業家等。
這部分資金將主要分為兩個部分：2,500 萬美元用於探索性量子研究，作為跨學科科學與工程研究高階研究（RAISE）、量子系統轉換研究（TAQS）工作的一部分；600 萬美元用於量子研究和技術開發，作為量子通訊整合平臺（EQuIP）工作的一部分。
其實在此之前，美國國家科學基金會就於今年 8 月份率先通過了首個實用型量子計算機專案。來自杜克大學、馬里蘭大學、麻省理工、加州伯克利大學等七所高校的研究者將在未來五年時間內完成首臺基於離子阱的量子計算機的軟硬體設計及實現，專案總金額 1500 萬美元。
美國科學界對於這樣的政府支援也十分歡迎，因為這將有助於更廣泛吸引工程師和企業家加入這個剛萌芽的領域。正如美國國家科學基金負責人弗蘭茨·科多瓦所說，“這些投資有助於確立美國量子計算研究研發的領軍地位，並幫助培養下一代量子計算研究人員”。
美國要確立其在量子計算領域的領軍地位，也並非信口開河。事實上，除了在量子保密通訊領域外，美國在量子計算和量子感測領域的實力可謂獨步全球，擁有著頂尖的科學研究團隊和與之相匹配的技術實現團隊，在多個研究方向上也正在引領全球技術的發展。
（來源：麻省理工科技評論）
白宮為何向巨頭公司伸出橄欖枝？
其實，兩大官方機構新的撥款計劃還只是一種“科學優先”、強調支援基礎研究的常規舉措，畢竟現在判斷量子技術的最佳商業用途還為時尚早，其所需要的基礎設施、硬體、人力對任何個人而言都太過昂貴。
但，我們又如何理解這次一眾民營科技公司在此次量子峰會以及以後美國量子技術發展中的角色？
正如上文提到，美國能源部和國家科學基金會等聯邦機構其實在量子領域已經有了長期研究，但是，鑑於學術機構往往缺乏系統工程和產品開發的經驗，而民間私企中受過專門培訓的量子工程人員則非常稀缺稀缺，這些種種構成了目前量子技術從政府部門“流向”企業再“流向”大眾中難以跨越的鴻溝。
因此，白宮向這些公司伸出橄欖枝，其背後意義不但在於推動這些官方機構之間進行合作，更希望推動他們與私營科技公司進行廣泛合作，這不但利於加強技術轉化，對培育量子創新生態系統來說也能添上一把火，進而推進加強量子資訊科學的商業化應用。
圖丨 谷歌的 Bristlecone（來源：麻省理工科技評論）
於是，我們在參會名單上看到了一連串矽谷科技巨頭的名字，這些公司近些年在量子領域都有著不凡表現：谷歌已經開發出一個名為“ Bristlecone ”的 72 超導量子位元晶片；IBM 即將實現50超導量子計算機的研發和製造；微軟也在積極研發基於拓撲量子位元的量子計算機；不僅如此，三家公司還推出了相應的量子計算軟體開發工具，從硬體、軟體兩方面共同推動量子計算的發展。儘管所採取的技術路線不盡相同，但這些科技巨頭都對量子計算的重視程度均以上升至公司未來戰略的高度。
值得一提的是，除了谷歌、IBM等科技巨頭以外，美國還有一眾初創公司在量子資訊領域的表現也非常搶眼。這些初創公司大多脫胎於美國大學和研究機構的頂尖實驗室，由研究領域領軍的科學家成立。其產品涵蓋了從基礎的真空系統、光學電學器件到成熟產品和解決方案等，其供貨單位不僅包括全球的實驗室和研究機構，還包括NASA以及美國軍方等政府部門，為近期美國在量子計算、量子感測領域的重要突破提供了支撐。
那麼美國究竟打算如何在量子技術的發展中實現政府、產業和私營參與者之間的無縫協調？一份 19 頁的檔案可供我們窺得其中一二。
國家級量子科技戰略出臺，19 頁檔案定調
除了推動國家層面的支援和探索各界合作以外，這次的量子峰會還發布了一份非常不尋常的檔案：量子資訊科學國家戰略概述（以下簡稱為“戰略概述”）。這份國家級的科技戰略旨在維持和擴大美國在量子資訊科學領域的領導力，併為美國往後的量子技術發展定下基調。
戰略概述由白宮國家科學技術委員會（NSTC）釋出，首先明確了量子技術的重要性——“量子資訊科學是即將發生新一代技術變革的領域，通過它，美國可以改善工業基礎，創造就業，滿足經濟和國家安全利益”。
圖丨戰略概述的目錄（來源：NSTC）
具體而言，戰略概述列出了六個方面的建議和對應的具體措施：
- 選擇“科學第一”的方法。例如建立適當的中心和財團支援研究、優先考慮基礎研究和應用研究中面臨的投資問題等。
- 培養具備量子資訊科學的未來勞動力。例如在早期階段解決量子科學教育問題，其中就包括小學、初中和高中。
- 強化產業合作。包括促成由產業、學術界和政府組成的美國量子財團、簡化技術轉讓機制、探索在政府內培養潛在應用領域。
- 提供必需基礎設施。例如確定基礎設施建設的方向並鼓勵必要的投資。
- 推動經濟增長、維護國家安全。例如為美國高校和工業界提供最大量的資訊，保護智慧財產權等。
- 發展國際合作。例如尋求志同道合的行業和政府夥伴、確保美國繼續吸引並留住最優秀的人才、從技術和政策角度更好地瞭解不斷變化的國際量子技術格局。
其中，戰略概述中的關鍵政策機會包括：推動聯邦政府資助的“核心研究計劃”、 促進不同學科的以量子為中心的研究人員進行對話、並鼓勵學術界將量子科學作為自己的學科內容。
戰略概述還設想構建一個“美國量子聯盟”，與來自工業界、政府和學術界的參與者預測並就需求和障礙達成共識，協調研究工作，解決智慧財產權問題，並簡化技術轉讓機制，並通過工業界，政府和學術界之間的夥伴關係增加對“聯合量子技術研究中心”的投資。
（來源：NSTC）
此外，戰略概述一大重點還有研究和開發確定“急需的基礎設施”，通過可用於快速推進量子技術開發的現有基礎設施，以及使用者測試平臺設施，允許聯邦機構和利益相關者探索他們各自的使命。
圖丨量子資訊科學涉及的基礎設施（來源：NSTC）
NSTC 表示，戰略概述的出發點就在於展望未來十年，希望在以下一系列領域取得突破：計算應用、 感測器技術、用於軍事和商業應用的定位導航系統、網路安全系統、量子密碼學、機器學習的新演算法以及“通過量子資訊理論理解材料，化學甚至引力的新方法”。
其計劃支援的量子專案可以分為 7 大類，包括 4 類科學專案和 3 類技術專案。這 7 大類構成了整個量子技術的廣泛基礎，因此也將凝結學術界、工業界以及政府的共同努力。其中，感測器技術將獲得了最大額度的投資額配比。
圖丨戰略概述中計劃支援的7 大類量子專案及其投資額配比 （來源：NSTC）
根據戰略概述，為實現這一目標，美國將“為碎片化、單一組織的量子資訊研究和開發創造一種可見的、系統的、國家的方法”，並由 NSTC 的量子資訊科學小組委員會協調。
“這些努力將利用現有的計劃和方法，適應不斷變化和改進的科學技術知識，反映出對國家量子資訊科學的機遇和挑戰的最佳理解，並在適當的情況下采取新的措施，”檔案寫道。
NSTC 還要求，在量子資訊科學小組委員會中擁有席位的聯邦機構，需要在 2019 年第一季度制定詳細的書面計劃，以實現戰略概述中規定的政策目標。這些機構包括美國能源部、國家標準與技術研究所、國家科學基金會、國家安全域性、管理和預算辦公室、白宮科技政策辦公室、國土安全部、國家航空航天局、國立衛生研究院、農業部等機構。
由此可見此次這份戰略概述起到的整體統籌作用。
在 AI 發展上“吃過虧”的美國，正在量子技術上“繃緊神經”
我們都知道，理論上來說，量子位元的特殊性質能讓量子計算機擁有比目前的超級計算機快得多的計算速度。這樣在化學、材料科學或物理領域，量子計算機就能成為更好的輔助工具。
而量子計算機的速度有助於發現新藥、優化金融投資組合以及尋找更好的運輸路線或供應鏈。量子計算機可以在大量影象和資料中迅速找到合適的模型，所以它還能推動另一個快速發展的領域——人工智慧。
據外媒 thestar 報道，也正是量子技術潛在的經濟效益贏得了兩黨對這一些列倡議的支援。但這一方面是基於對這種技術的熱切期許，另一方面更是擔心其在量子計算領域的領先地位遭受來自中國和歐洲的挑戰：一個推動政府採取行動的是理由是，如果美國不採取統一戰略，有朝一日可能會被其它國家所取代。
圖丨中國量子通訊研究的領軍人物潘建偉（來源：Nature）
其中，大部分外媒的報道都明確提到了來自中國的壓力：中國在量子科技領域已經被視為美國的強力競爭對手。
此前一份來自美國的研究報告指出，中國在量子科技領域的發展取得了全球矚目的成就： 墨子號量子通訊衛星的升空，“量子京滬幹線”等超大規模量子網路的建設及應用，中國在量子保密通訊領域創造了一個又一個的記錄，研究水平世界領先；量子計算方面，中國雖然起步相對較晚，但發展速度飛快，在光子、超導、離子以及拓撲量子位元等方面，均有建樹，目前保持著18個糾纏量子位元的紀錄；在量子感測方面，中國在量子雷達、遙感成像、精密測量和導航方面的進展迅速，研究水平處於世界前列。
今年 7 月的時候就有美國官員表示，“中國和歐盟都在投資以 10 億計的美元來支援量子計算領域的研究。特別是中國，該國已經公開宣佈，其量子計算的國家研究計劃是在下個 10 年超過美國。因此美國必須制定自己的量子研究國家戰略，以維持美國在量子計算領域的領先地位。”
圖丨此前的一份美國政府報告已經點出中國在AI上的超越（來源：美國政府）
值得一提的是，此次的一系列的動作，也可能是基於美國在過去一輪人工智慧的發展上沒有把握住先發優勢的“教訓”。在過去幾年，中國從政府到民間都將 AI 的發展提到非常高的高度，賦予了相當的優先順序，相較之下美國則略顯“保守”，這也是為什麼中國在許多人工智慧領域能夠挑戰美國的部分原因。
而對於中國來說，我國一直高度重視量子資訊科學的研發投入，在量子通訊等領域也確實對發達國家形成了趕超之勢，但仍面臨著一系列的問題：相比美國，我國的科研機構在創新研究水平、核心材料及工藝、技術成果轉化等多個方面還有明顯的差距；大型科技企業則在量子技術上起步較晚，技術相對落後；初創公司數量少、技術創新能力弱，與美國在量子領域的初創企業差距非常大。
因此，在新一輪的全球量子技術競賽中，發達國家的科技動態尤其政策走勢，對中國如何優化研發佈局來說將有重要參考意義。
參考：
Information-Science.pdf" target="_blank" rel="nofollow,noindex"> https://www. whitehouse.gov/wp-conte nt/uploads/2018/09/National-Strategic-Overview-for-Quantum-Information-Science.pdf