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美国白宫发布《量子信息科学国家战略概述》

                    栏目:业界动态   发布时间:2018-09-28 13:25:37

当地时间9月24日,美国白宫科技政策办公室(OSTP)国家科学技术委员会(NSTC)发布《量子信息科学国家战略概述》(下称《概述》)。白宫方面认为,量子信息科技(QIS)将引领下一场技术革命,给国家安全、经济发展、基础科研等带来重大变革。《概述》系统性地总结了量子信息科学带来的挑战、机遇,以及为维持和扩大美国在QIS领域的领导地位应做出的努力。

 

量子信息科学:下一场技术革命

量子信息科学(QIS)通过应用亚原子世界的理论—— 量子理论—— 来创造新的知识和技术。通过QIS的发展,美国可以改善工业基础、创造就业机会,并且提供经济和国家安全利益。 与QIS相关的技术先例包括:半导体微电子、光子学、全球定位系统(GPS)和磁共振成像(MRI)等。这些技术是国家经济和国防基础设施的重要组成部分。未来,从QIS衍生出的科学和技术可能会更具冲击力。美国政府长期以来对QIS的投资,以及近期行业的参与,使这一科学领域成为美国研发事业的新支柱。特朗普政府致力于维持和扩大美国在QIS中的领导地位,以通过QIS科学和技术的研究获得长期利益,并对其加以保护。基于所有对QIS投资或感兴趣的政府机构的全部数据,本文件提出了实现这一目标的国家战略方法。

具体而言,美国将在国家科学技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)的协调下,通过唯一名称组织,为量子信息研发创建一种可见的、系统的、全国的方法。本国家战略将利用现有的计划和方法,适应不断变化和改进的科学技术知识,反映对国家QIS机遇和挑战的最佳理解,并酌情采取新的步骤。本国家战略将包括:

  • ‍‍‍专注于科学优先的方法,旨在识别和解决重大挑战:这些挑战的解决能够带来科学与工业的变革性进展;

  • 建立多元化的专业量子从业人员,以满足不断增长的人才需求;

  • 鼓励行业参与,为公私合作提供适当的机制;

  •  提供实现科技机遇所需的关键基础设施和相关支持;

  •  推动经济增长;

  • 维护国家安全;

  • 继续并发展国际合作与交流。‍‍‍

下一步的关键是制定机构级的计划,以解决下一节所确定的方法和政策机会,并将其纳入总体战略计划。这将在十年内创造新的机遇,可能包括:实现特定计算应用的量子处理器;用于生物技术和国防的量子传感器; 用于军事和商业的下一代定位、导航和授时系统;通过量子信息理论理解材料、化学甚至引力;用于机器学习及优化的新算法;变革性的网络安全系统,包括量子抗性密码学。

关键政策机遇总结

本战略概述中确定的政策机遇总结如下。 遵循这些建议,以及SCQIS和利益相关方做出的详细规划和协调,对于美国未来的成功至关重要。

选择科学优先的QIS方法

  • 加强联邦政府资助的核心研究计划,并在适当情况下通过分布式小额赠款、建立研究中心和联盟等方法,支持长期QIS研究;

  • 促进跨学科研究人员间的对话与交流,并且达成更广泛的科学界合作,以突显和分享相关科学进展,发展和协调量子研究团体;

  • 建立并启用正式的协调机构,如国家科学技术委员会量子信息科学小组委员会(SCQIS);

  • 专注于重大挑战,将其作为推动QIS科学技术进步的机制,并且鼓励联邦机构对基础与应用挑战进行确定、优先考虑和投资协调。

培养面向未来的专业量子从业人员

  •  鼓励行业和学术界创建融合、跨行业的多元化人力资源发展策略,以满足国家对QIS发展的需求;

  • 利用并强化现有的QIS计划,以增加QIS从业人员的规模;

  • 鼓励学术界将量子科学与工程视作自己的学科,满足新计划、倡议等的需求;

  • 在早期阶段提供量子科学教育,包括小学、初中和高中;

  • 通过与相关机构和行业合作,充分利用其投资,通过艺术、媒体、文化机构等新颖或非传统方法,向更广泛的受众介绍QIS;

  • 鼓励QIS研发团体跟踪与评估量子产业未来的人力资源需求。

深化参与量子产业

  • 促进工业界、学术界和政府部门成立美国量子联盟,对未来的需求和障碍进行预测并达成共识,协调竞争前研究的工作,解决知识产权问题并简化技术转让机制;

  • 通过产业界、学术界和政府间的合作,增加对联合量子技术研究中心的投资,以加速竞争前的量子研究和开发;

  • 通过开发潜在的终端用户应用,保持对量子革命如何影响机构任务以及机构如何通过联邦政府培养量子技术的认识。

提供关键基础设施

  • 通过与政府、利益相关者以及行业、学术界的合作,确定急需的关键基础设施并鼓励必要的投资;

  • 鼓励各机构为QIS研究团体提供更多的现有和未来设施以及支持技术;

  • 建立终端用户测试、培训与参与平台设施,从而使联邦机构和利益相关者能够探索与其任务相关的应用程序;

  • 利用现有的基础设施,包括可以重新利用和扩展的制造设施,快速推进量子技术的发展。

维护国家安全,保持经济增长

  • 了解QIS不断变化的科学和技术环境对安全的影响;

  • SCQIS等可提出机制,促使全部政府机构及时了解QIS技术带来的防御和安全影响,平衡经济增长的利益和技术带来的新风险;

  • 确保现有技术分类和出口管制的兼容应用,为美国高校和工业界提供与QIS研究相关的行动信息,以鼓励经济机会、保护知识产权,并保护与国家安全相关的应用。

推进国际合作

  • 与志同道合的行业界和政府合作伙伴加强国际合作;

  • 确保美国继续吸引和留住最优秀的人才,并获得QIS的国际技术、研究设施和专业知识;

  • 确定他国的优势和重点领域,以及差距和机会,以便从技术和政策角度更好地了解不断演变的国际QIS格局。

 下一步政府机构已被要求制定详细的执行计划以支持政策目标,并已获知政策选择。尤其是,

1、SCQIS的参与机构应提供书面计划,以解决OSTP和SCQIS制定的2019年第一季度或更晚的政策目标。

2、根据法律规定,各机构应与OSTP和SCQIS协商,召集利益相关方,以确定特定子领域的重大挑战,如:量子精确传感器、量子传感技术、量子网络应用、量子抗性加密标准和系统的开发 、NISQ量子器件的商业可能性、接近量子比特操作的高保真极限,以及QIS的基础新科学。

本战略概述面临的挑战

QIS的快速增长以及对其在未来十年中持续发展的期望,为美国研发事业带来了独特的机遇和挑战。 为了凸显特朗普政府推进QIS的承诺,NSTC加强了对该主题的研究并建立了SCQIS,确定了需要通过整体政府响应解决的四个关键挑战。

首先,改善和促进政府内部以及公私营机构间的合作,将创造一个强大的国内生态系统,并在当前国际环境中提供全球领导力。如附录所述,国家已经在联邦机构层面拥有强大、多样化的QIS计划,并由各个任务空间驱动。同样,企业受到未来应用的鼓舞,已开始在该领域进行重大投资。 与此同时,外国正在进行投资,并寻求在与美国的竞争中建立自己的QIS基地。协调美国的努力将通过政府和行业活动来维持并加速美国在QIS中的领导地位。

第二,工业界、学术界和政府部门的发展需要维持和扩大一个广泛的专业量子从业人员团队,以制定QIS研发事业中的关键要素。这样的量子智力将吸引并保留国家的关键QIS工作,并实现将QIS作为基础技术的工业和学术成果。

第三,未来QIS的进展要求学科间存在强大的跨界联系,如从物理学、计算机科学到工程学。 这些跨界联系已经通过研究合作产生,但将从早期教育的正式跨学科研究和培训计划中获益。 随着QIS增长的继续,学科间、国家间、工业界和学术界间的合作与交流需要进一步加强,即使竞争压力可能使其变得更加困难。

第四,QIS研发对整体经济和国家安全的影响仍然存在很大的不确定性。 随着强大的工业参与,保持探索的文化至关重要。 量子器件的最佳商用案例目前尚不清楚,必须通过研究找到。 尽管存在显著的反补贴压力,保持探索仍是必要的。 预计这种方法产生的技术可能在解决一些最紧迫的国家安全问题方面发挥作用,但需要保持对QIS影响国家安全的理解。

为了在这一关键技术中保持和扩大美国在上述挑战中的领导地位,我们必须提高前沿研究和开发的能力,扩大QIS人力资源,并在政府、学术界和私营部门间进行无缝协调

选择科学优先的QIS方法

量子信息科学融合了量子力学和信息科学,其内容包括支持计算、通信和计量学发生革命性进步的概念和技术。QIS研究可以促进信息处理、传输、测量的特殊量子现象,以及对传统方式不能或低效实现的新方法的基本理解。当前和未来的QIS应用区别于激光、晶体管和MRI等以前的量子力学应用,其采用了区别于经典物理的量子叠加和量子纠缠。

虽然起源于20世纪60年代,QIS仍然是一个快速发展的科学和工程学科,尚有大量的探索机遇等待发掘。这反映出政府需要对该领域的基础研究和开发提供长期支持。即便现在,原型QIS应用程序、平台和设备正在商业化,新的应用程序和平台可能来自尚未发明的协议和方法。因此,政府应该采取一种强有力的、多样化的平台和研究计划,通过采取将科学放在首位的方法,持续刺激变革性和基础性科学发现。 这将需要政府加强核心研究计划并寻找新的方法来扩大合作和参与。
为利用QIS启发技术以及推进实现相关收益所必需的科学,发展和追求科学与应用领域的重大挑战将是统一的战略。重大挑战是那些可为国家带来变革,并具有广泛的经济和科学影响的基本的科学或技术问题。 潜在的解决方案将需要持续投资至少十年,并且需要多学科的研发团队通力合作。政府 机构、学术界和工业界必须共同努力,确定重大挑战并提出优先次序,跟踪其进展情况,并随着研究和开发进展重新评估这些科技机会。

解决重大挑战、实现QIS的潜力,将取决于采用有效的合作模式,以挖掘政府机构、工业界和学术界的独特技能和洞见,并创建、维持跨学科的量子研究人员间的对话。 为此,量子研究中心和联盟可以成为聚集、维护研究团体的有力手段,以维持长期的、兴趣驱动的研究。 此外,SCQIS的协调作用,以及专业科学工程学会、首席研究员会议、科学期刊等机制,将有助于突显和分享量子科学进展,促进量子研究团体发展。

重大挑战带来的机遇

由重大挑战驱动的量子方法有望为传感、计量、通信、模拟和计算提供全新的能力和工具。这对基础研究至关重要,且能够促进安全、健康和经济的发展。例如,量子传感有望为军事任务提供先进的传感器,有望发展新的测量科学和基于量子的标准,还有望改进导航和定时系统,以及在新环境中的环境感应。单光子探测器或可在远红外和微波波长下实现,以扩展黑暗宇宙的探索范围,而非经典发射器可以在室温下集成,用于传感、通信和计算系统。
        当前,嘈杂中型量子(NISQ)技术带来的科技进步,可用于解决QIS领域的重大挑战,如机器学习、材料发现的多体系统模拟、化学过程、量子场理论和生物动力学等。NISQ系统的早期探索工作已经使人们对这些问题产生了新的认识。 这有助于克服开发可靠量子设备的科学和技术障碍,包括网络和存储设备,以及算法和纠错技术。

培养面向未来的专业量子从业人员

培养具有广博物理、信息和工程科学专业知识的美国量子智能从业人员,对确保QIS的持续进步至关重要。然而,美国目前的教育系统通常侧重于单学科培养,很少强调跨学科研究,以使毕业生能够应对复杂的现代问题和挑战,尤其是QIS方面。虽然培训学生的责任传统上属于学术界,但政府机构和行业可以与学术界合作,以满足国家未来的人才需求。

基础研究是培养合格QIS从业人员的主要机制。在需要个人具备广泛技能的前提条件下,支持跨部门和跨学科的研究方法至关重要。在这样的环境中接受过培训的学生将接触到多种知识点集中的学科,以及相关的工具和基础设施。这将使学生获得美国工业界、国家实验室和学术界所需的资格和技能。目前实行的方法包括学术项目中的特殊研究课程,政府机构的早期职业奖励,对重点研究小组的支持以及与行业的协调培训。利用并强化这些项目可以增加QIS从业人员的规模。此外,综合这些项目的经验,开展与中央基础研究计划相结合的工业合作等项目,可以培养学生进入私营企业需要的其他技能,并进一步强化美国在量子科学和技术方面的领导。

鼓励各机构制定或扩大促进从业人员发展及机构间相互促进彼此优势和使命的具体方案。许多机构已经有现成的项目,如国家科学基金会的研究生奖学金项目和加速发现项目;国防部的国防科学与工程研究生奖学金项目和量子科学与工程项目;能源部的本科生科学实验室实习项目、研究生科研项目和计算科学研究生奖学金项目;美国国家标准与技术研究院将政府研究人员与大学生、博士后学者和教师结合起来的合作研究项目。在机构需求的驱动下,可以对这些项目进一步丰富、修改和扩展。凝聚多个机构的努力以进一步增加项目的影响力,例如开展联合早期职业培训项目。
从长远来看,学术教育是培训计划的基石。应鼓励大学通过在与QIS相关的跨学科主题中添加终身教职来满足教师队伍发展需求,并将量子科学与工程作为未来的重点学科。其他途径包括设立新的本科课程,与工业和政府接触的实习(主要针对美国公民)和新的专业发展计划,以及鼓励创建专业技术课程。这些学生在他们的职业生涯中有各种不同的发展道路,成为了他们学科的宣传人,增加了量子科学教育的社会影响。

在大学之外,与更广泛的受众接触将是至关重要的。以计算机科学和物理学为代表的中小学计算和科学思想培育体系必须从早期阶段的兴趣开始。行业、专业团体和机构可以举办展览培养公众兴趣,为公众提供与新技术的接触机会、开发基于课堂的学习机会以及通过各种媒体平台与公众建立更广泛的联系。与此同时,非正式教育工具,例如在全国许多博物馆中进行的教育,是对课堂教育的有效互补。这些工作最好与国家科学技术委员会及其负责科学、技术、工程和数学(STEM)相关教育的小组委员会协调开展。

从业人员培训以及未来美国量子工业的初期人员需求要通过工业机构和已开展的STEM相关工作的定期评估来确定。这些信息可以帮助指导未来的计划,以培养支撑量子生态系统所需的多样化从业人员。为了逐步改进从业人员发展计划,应鼓励量化人员发展活动的评估计划,以便参与者选择和扩展最成功的策略,调整、改变或终止不起作用的方案。通过与专业协会、组织、工业联盟和地方政府的合作也能对从业人员需求进行评估。

深化参与量子产业

预计来自QIS的革命性进展已经引起了业界对QIS研究和开发的重视。大型公司、各种初创公司和小型企业都在大量投资于量子传感、网络、计算和支持技术。部分公司已经实现或即将推出下一代量子传感器、小型网络的量子纠缠分布以及50量子比特的量子处理器,并计划继续在量子领域保持快速增长。鉴于QIS对经济和国家安全重要性,政府将采取措施保持美国量子产业的协调发展。
量子生态系统强大的一个关键因素是量子为其他技术提供了必要的有力支撑,而这些技术本身并不涉及具体的量子概念。目前的例子包括低温学、光子学、低噪声微波放大器和纳米加工。因此,公司应努力确定并了解这些不断变化的需求,并与政府机构和行业合作,采用小企业创新项目同政府联合研究中心协作等方法,在技术处于弱势或尚未研发的情况下对其进行研发。

 

此外,作为行业参与的关键机制,政府应促进工业界、学术界和政府共同组建美国量子联盟。与之前的半导体研究联盟一样,量子联盟提供技术交流和研讨的论坛,以增进对QIS的发展轨迹、机会、关键技术差距和预计需求(例如,劳动力、基础设施、标准和路线规划)的理解。此外,该联盟还可以为公共和民间资金投资提供平台,以解决基础设施和技术差距,以及关键的竞争前研究和开发。总统科学和技术顾问委员会可与其他国家科学技术委员会的小组委员会协调,酌情提供额外投入。

最后,由工业界、学术界和政府合作构成的联合研究中心可以加速竞争前的QIS研究和开发,并在此过程中帮助满足对大量、多样化量子从业人员的迫切需求以及科学和应用的巨大挑战。这些研究中心还可以促进和改进政府研究实验室的技术转让。更普遍而言,应扩大从实验室到小公司的转换孵化器等机制,并在可能的情况下为其解除阻碍。为了建立更具效率的合作环境,还需要解决知识产权问题,并尽可能强调实现发展技术的方法。

提供关键基础设施

基于QIS的技术成功开发将使越来越先进的量子研究成为可能,但这取决于合适的工具、设备和其他基础设施项目。QIS研发企业还不足以维持一个专注于开发和提供所有必要基础设施的行业。需要有针对性地扩展相关的联邦设施和工业基础设施以及其他支持活动,以加快进展,并使联邦机构和行业准备采用即将到来的量子技术。

美国政府通过鼓励开展组件技术和复杂的制造和鉴定技术等旨在开发和部署支持量子技术的项目,在促进量子领域进步上发挥关键作用。鼓励各机构探索新机制,为QIS研究提供更多的联邦设施,包括可重新利用和扩展的制造设施以及后量子应用的系统和测试平台。由于其中一些基础设施为大型用户服务,政府将考虑加强现有联邦设施,以及联邦政府资助的QIS研究中心是否应在提供基础设施或测试平台方面发挥作用。这些行动将共同加速QIS研究的进展并有助于巩固美国在这一领域的领导地位。

 

 

目前的需求包括:传统的硬件组件,材料表征和制造设施,关键矿物和原料,以及各种终端用户工具、平台和测试台。政府将与专家和利益相关方以及工业界和学术界合作,确定关键基础设施并绘制当前基础设施格局。例如,美国量子联盟可以帮助确定哪些组件技术将具有足够的经济基础来鼓励工业发展,可以帮助发展行业参与后量子应用,还可以定期跟踪进度并利用外部专业知识来评估投资的有效性。 根据不断变化的需求,上述工作需要持续开展。

除了加强基础设施之外,通过培养机构作为潜在的终端用户,来促进联邦政府对量子技术的采用也很重要。联邦机构内部资助QIS的人员和那些希望未来利用这一技术的人员之间,形成了一套信息共享文化。政府鼓励这种信息共享文化,机构间交流程序也提供了一个发声平台,来宣传各机构的共同利益,并帮助利用联邦投资推进各机构的使命。此外,它将探索终端用户机构参与到量子技术中的方法,这些机构虽未在开发技术方面发挥作用,但可以从这项研究的成果中受益。实际上,QIS的影响将被广泛地感知,并且每个机构都将意识到量子革命会如何改变其职能空间。终端用户测试平台的建立以及针对该平台的培训和使用,将使联邦机构和利益相关者能够探索量子科学的相关应用。

保持国家安全和经济增长

国家安全的需求往往会推动新科学技术的进步,并且通过加强政府投资,采取专门举措以及跨机构合作的方式促进经济发展。与此同时,新市场和新产业的出现能够提高解决国家安全需求的能力,但科学和经济的进步也可能会带来新的风险。只有增长与风险之间实现恰当的平衡才能够带来长期利益。

通过QIS的研究和开发所产生的技术能够为一些最紧迫的国家安全问题提供解决方案。例如, 量子计算的进步可能有助于提高药物发现的有效性、模拟化学反应以增强耐腐蚀材料以及优化物流解决方案。在网络和传感方面,该技术能够在确保国家安全和防御方面发挥积极作用。

但是,这些技术也可能会对公共安全构成挑战。例如,一个量子算法秘钥能够破解保护互联网交易的加密公钥。虽然采用这种算法的难度远超当前的技术水平,但对敏感数据的保护以及提供长期可靠的基础设施,还需要寻求“后量子”或“量子抵抗”的加密形式。

为军事和国防应用开发的QIS技术也可以加速该领域的进步,通过创造新的产业和产品并向消费者市场过渡,从而带来巨大的经济增长潜力。在过去的二十年中,国防和情报界一直是QIS研究和开发的强有力的投资者,他们继续在基础科学和应用技术领域开展工作,以提高对QIS技术可能性的理解并为必要的基础技术提供支持。前面章节中介绍的加强工业参与和基础设施改进将通过政府培育QIS发展的方式以加强国家安全,促进经济增长。

随着技术的发展,量子信息技术对军事应用的潜在影响意味着其将对出口和贸易法规保持持续监测,包括“瓦圣那协议控制清单”以及其在“出口管理条例”和“国际武器贸易管制条例”中的实施情况。此外,国防部门对不同的部门发展有特殊需求,应该将那些培养量子技术研究人员的计划纳入到与国防相关的研究和开发中。最后, 在美国发展 QIS 企业的同时, 政府还必须保护知识产权和经济利益, 寻求了解技术的两用能力, 支持与国家安全相关的从基础研究到 QIS 技术商业化等各个层面的应用。因此,SCQIS将与其他NSTC小组委员会、联邦机构以及国防和情报部门合作,确保现有分类和出口管制机制实现一致应用,以为美国大学和行业界提供尽可能多与QIS研究相关的信息。

通过量子技术改善防御

长期以来,先进的计算能力一直被用于提高军事能力和经济生产力。 因此,应继续探索用于实现优化、机器学习、材料开发和化学计算的通用量子算法; 虽然它们的量子加速目前仍是未知,但任何直接计算能力或由此产生的材料、系统的改进都可能极大地影响军事效率。

除了计算之外,新的或量子增强系统可以为国防应用提供下一代传感器和探测器。例如,精确度依赖于对原子量子特性的理解程度,量子技术的进一步发展可能会影响下一代全球定位系统(GPS)以及GPS不可用场景。在小尺寸、轻量化和功率器件的防御要求方面,量子技术将通过新的传感模式,与其产生协同作用。

量子网络的探索也具有潜在的防御价值,可以为量子计算和量子传感提供额外的功能。在多个长度范围内分布纠缠的鲁棒解决方案—— 从小芯片到世界各地——能够实现分布式量子计算机和分布式传感器,可能会对安全通信产生长期影响。了解量子效应是如何从带宽、延迟到安全,再到新颖的网络技术与算法去影响通信的,将有助于实现最佳的网络系统布局。

推进国际合作

科学、技术和创新是美国经济发展繁荣昌盛的基石,同时也是国际主导力量,尤其考虑到21世纪企业在全球开展业务,科学家和工程师跨境合作,世界具有高度互联性。考虑到科学和工业的全球性,美国已与外国合作伙伴在QIS研究方面进行了20多年的合作。这些伙伴关系加速了科学发现和技术应用,同时促进了美国经济增长,保障了美国国家安全。

为了保持美国在QIS中的领导地位和竞争力,即使美国正在推进国内的投资和研究战略,也必须与国际伙伴共同合作。随着各个领域的发现不断加速,美国应设法加强与志同道合的政府及工业合作伙伴之间的国际合作,以确保今天在基础研究和技术开发方面的投资所产生的技术能够继续使美国人受益。持续的国内投资以及战略性的国际合作对上述目标的实现至关重要。

美国政府将重点关注QIS的三项战略性国际努力。首先将是定期审查国际合作活动和伙伴关系,确定和跟踪全球QIS科学和技术趋势,找出差距,发现机会,了解不断变化的国际QIS格局,并为现有计划提供信息。其次,政府将确定战略双边伙伴关系以及其优先顺序,以确保美国继续吸引并留住最优秀的国际伙伴,以获得与QIS国际技术、研究设施以及专家接触的机会。第三,政府应鼓励基于绩效且透明的基础研究创新系统,酌情公开QIS研究所产生的公共数据,并推动制定能够使富有创造力的QIS新技术得到采用的国际标准。

附录:目前美国在QIS研究领域的领导地位

美国在QIS领域具有一个充满活力的研究团体。高校、科技企业和国家实验室等世界领先的研究团队,在量子计算和量子系统的诸多关键领域取得了进展,包括计时、传感、网络和其他应用。在量子研究和开发上的领导者地位,是美国政府资助联邦机构和研究院所长期投资基础研究和应用研究的直接结果。在人员齐备、装备精良的研究机构的基础上,美国建立的广泛而有针对性的计划,创造了一支才华横溢的量子智力队伍,鼓励了广泛的创新和探索,在物理、材料科学等相关领域付出了必要努力,并在可控量子系统的发展方面取得了进展。在这项努力中,美国从多头筹资模式中受益。例如,一个机构改变了研究焦点,另一个机构却可以继续权为重要议题提供资金。

随着私营部门研发投入的增长,QIS的进展最近开始显著扩大。在过去的五年中,特别是在量子计算领域,大型IT公司、风险投资和创业企业都致力于新的QIS机会,组建研究团队和公司以实现商业化。应该指出的是,这些公司和团队从他们先前帮助创造的计算和互联网革命中获得了财富和专业知识,因此他们继续投身于QIS。国家战略应该继续利用美国政府资助体系和美国创新生态系统的上述优势。

最后,其他国家对QIS研究做出了重要贡献。通过招募、合作和与科学竞争,美国在这一领域取得了领先。举例来说,第一个两量子比特门的提议来自欧洲研究人员,但美国国家标准与技术研究院诺贝尔奖得主David Wineland首次证明了这一点。这反映了科学与技术事业日益全球化的特点。在一个科学家仍在与自然斗争以取得进步的领域,人类的共同努力或许是解决这一挑战所必需的。 在此时刻,美国的领导将为这一成功提供关键因素。

QIS包括跨越许多平台和主题的基础科学和技术,并涉及许多机构。 这包括农业部(USDA)、国防部(DOD)、能源部(DOE)、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(NASA)、国家标准与技术研究院(NIST)、国家科学基金会(NSF)、国家安全局(NSA)、国家情报局局长办公室(ODNI)、办公室管理和预算(OMB)和科技政策办公室(OSTP)。

SCQIS从以下七大类别评估国家投资组合:四类基础科学(S1-S4)和三类技术开发(T1-T3)。

  • S1.量子传感:利用量子力学提高测量的准确度和/或为传感器和测量提供新的模式 [DOD, DOE, DHS, DOI, NIST, NSF, ODNI]

  • S2.量子计算:从用于实验室量子系统的仿真设备和算法到受控量子计算机 [DOD, DOE, NASA, NIST, NSF, NSA, ODNI]

  • S3.量子网络:探索和使用远距离分布的相干或纠缠量子态,用于新的信息技术应用和基础科学 [DOD, NASA, NIST, NSF]

  • S4.量子器件和理论进步:提高对材料、化学、宇宙学,经典计算技术和其他基础科学的理解 [DOE, NIST, NSF]

  • T1.支持技术:支撑基础科学领域所必需的数字、电气、机械、光学、计算和低温系统与技术 [DOD, NASA, NIST, NSF, NSA, ODNI]

  • T2.未来应用:操作优化、机器学习、药物发现等机遇[参与SCQIS的所有部门]

  • T3.风险缓解:量子技术所需的基础设施、支持及其影响,例如量子抗性密码系统和其他后量子应用[DHS, NIST, NSA]

国家在这些领域的努力,包括多年来推动这七个类别的研究和开发的机构。目前开展或资助这些主题领域的联邦机构如上所述。这七个领域代表了支持量子信息科学和技术的工业和政府努力所需的广泛基础。 SCQIS审查了当前的资助情况,发现主要聚集在S1-S4,如下图所示。

文章来源:美国白宫《量子信息科学国家战略概述》