美国国家量子倡议：从法案到行动

编译 星野

桑迪亚国家实验室制造的一个由镀金电极组成的半导体芯片离子阱，将单个原子离子量子比特悬浮在芯片表面之上。芯片（领结形状）大约有10毫米宽。该嵌体是80个171Yb+离子在散射激光辐射下发光的放大图像

虽然量子信息科学技术（QIST）是基于许多学术界所熟悉的基本物理原理，但对实际制造可靠量子设备的许多工业和工程人员来说仍然是陌生的。近年来，QIST的工业投资大幅增长，但该领域还处于萌芽阶段，量子技术的建设面临着巨大的技术挑战。这种机遇、需要和挑战的结合表明，各国政府将在发展QIST及其生态系统以及为社会利益转化相应的科学技术方面发挥重大作用。我们简述了一个这样的倡议，即美国国家量子倡议（NQI），并讨论了它如何能够在推动QIST方面发挥重要作用。

传统的信息技术基于比特——信息的基本单位——它具有两个可能的值：0或1。在微观层面上，量子物理学允许以一种非常不同的方式来表示和处理信息。基本物体如光子或电子，可以放置在量子叠加态中，其中包含出现观察的两种状态的任何一种的可能性。

美国对QIST的早期投资甚至在彼得·肖尔（Peter Shor）发现以他名字命名的量子分解算法之前就开始了，量子分解算法是密码学的核心。美国情报机构和国防部对美国及海外的学术和政府实验室的量子信息科学研究进行了大量投资。从20世纪80年代起，美国国家标准与技术研究所（NIST）在其实验室开展的研究工作持续增长；国家科学基金会（NSF）在支持不同的QIST研究人员方面有着30年的记录。最近，美国能源部（DOE）科学和实验室办公室扩大了以团队为基础的努力，美国宇航局（NASA）等机构也继续进行规模较小的研究和开发。

现在，“国家量子倡议法案”在国会获得了两党的大力支持，并在2018年末被特朗普总统签署成为法律。该法案指示NIST、NSF和DOE与学术机构和私营企业合作，主要通过形成NQI来推动QIST的增长。NQI希望遵循“科学第一”的方法，刺激学术界、政府实验室和工业界的新技术开发和使用。在其他国家走上类似的道路时，这一办法将使跨国合作成为可能。

从比特到量子比特

量子信息科学旨在开发新的信息处理系统形式，涵盖三大类：感知、计算（包括模拟）和网络。其基本理论提供了对自然的基础科学见解：例如，理解复杂的相互作用系统和黑洞。更实际地，原子钟、先进的激光干涉仪和核磁共振的出现和影响表明，量子技术的持续发展可能会为许多其他领域带来巨大的科学机会。正如LIGO引力波探测器使科学家能够用新的眼睛观察宇宙一样，量子技术打开了由量子物理学定律管辖的领域的窗口。量子计算机将通过提供计算能力来模拟当前许多难以解决的问题，从而促进基础科学的发展。

感知QIST的长期目标是开发利用量子物理学的增强传感器。有些设备，如原子钟或激光测距仪，利用量子物理学中众所周知的方面来提供不可思议的精确性。另一些人则从事更深奥的领域，如量子纠缠，以获得在新的机制中（如在活细胞内）的性能或感知上的数量级改善。

下一代量子传感器预计将在几个领域超过现有技术：基于原子干涉仪的重力传感器和加速度计，用于地质勘测和无GPS的导航；纳米级金刚石磁场传感器，用于生物和医学研究，如单个分子的纳米功能成像和生物医学诊断技术；量子技术，可增强光学测量的灵敏度和稳健性。

计算远期的目标是构建量子计算机，它将使用基本的量子物体来表示和处理量子比特。量子计算机不是将每一比特信息（作为0或1）存储在由数百万个原子组成的每个硬件组件中（使其受经典物理学的支配），而是以一种受量子物理控制的方式存储信息（例如，将每一比特信息存储在单独的单个原子中）。量子行为模式（包括叠加和纠缠）使计算机的运行方式与经典数字计算机不同。

虽然许多计算对于量子计算机来说仍然是令人望而生畏的，但在一些关键应用程序中，量子计算机的性能明显优于经典计算机。一台功能齐全的量子计算机将从根本上提高我们在以下方面的能力：模拟核物理和高能物理；设计新的化学物质、材料和药物；打破常见的密码；执行更多的推测性任务，如建模、机器学习、模式识别和优化电网或交通控制系统等复杂的物流问题。

这场竞赛将超越目前少量高质量量子比特或大量低质量量子比特的现状，建造第一代通用可编程量子计算机。在未来的几年里，量子计算机将拥有100多个高质量的量子比特，以及传统计算机不能提供答案的第一批计算。长期目标仍然是在升级设备、容错等方面，以便充分发挥量子计算的潜力。

通信网络QIST的第三个主要目标是开发能够在远地点之间发送量子比特的全球通信系统。使用量子比特而不是传统比特可以在各方之间创建共享的随机性，同时知道通信信道是否已被窃听者破坏，这样可以安全发送信息。

量子通信可以允许多方之间的安全通信，允许通过“量子互联网”使大型量子计算机互连。很有前途的短期应用是部署由连接的高精度原子钟组成的全球网络，以提高整个网络的计时精度。例如，对于更精确的GPS和其他对位置敏感的应用程序来说，这是必需的。

虽然这三个方面似乎是独立的，但它们将共同进步和发展。建造大型量子计算机几乎肯定需要小型量子计算机的模块化网络，该网络由类似多核常规处理器结构的量子通信网络连接。长距离量子通信可能需要安装在节点之间的小型量子计算机作为“中继器”。先进的量子传感器，如改进的单光子或单自旋探测器，将在量子计算和通信中得到应用。

塑造量子技术

量子技术有许多可用的物理平台，它们与传统的信息处理设备有很大的不同。量子系统必须与环境隔离，以保持量子存储器中量子比特的叠加和纠缠。这需要一些奇异的特性，如低温、超导电路、固态晶体的原子级完美性、超高真空环境或电磁约束单个原子的激光控制。在存储位置之间传输量子信息很可能需要使用量子电磁场（光子），这种电磁场通过空气传播或在光纤中传播，几乎没有衰减。

从已建立的单比特行为扩展到多个量子比特的操作可能需要上述技术的结合。大规模量子计算机或通信网络可以用光纤、光子开关和网络技术连接在一起。集成多种形式的量子技术，包括硬件和软件，是发展量子信息技术的核心。

使量子技术获得成果，需要自下而上和自上而下的方法来整合量子信息网络或计算机的各个部分。单个量子平台（如超导电路、半导体中的单个自旋或被俘获的原子离子）的专家必须将其相关的系统设计的如此可靠，才能使非专家和软件设计者能够利用这些系统来创造未来的应用。

风险量子技术的众所周知的范例是：这样的计算机可以破坏我们目前许多数据加密方法的安全性，而这些方法是基于很难找到的大数因子。与任何已知的经典算法相比，肖式量子因子分解算法在密码分析中提供了指数级的加速。这就带来了这样的风险：根据安全的超文本传输协议的互联网可能会停止正常工作。尽管数学家正在开发新的加密方法，这种加密方法不会被量子计算机破解，而且像NIST这样的政府机构正在与工业界合作实现和部署这些加密方法，但还没有证明任何纯粹基于数学的加密方法是不可破解的。

另一个与巨大而昂贵的努力相关的风险是意外失败。虽然科学上的共识很清楚，创造量子技术不存在基于物理的基本障碍，但这样做所面临的技术挑战可能比目前所认为的要艰巨得多。众所周知，量子比特容易受到一些因素的扰动，比如操作中最微小的“误差”、计算机系统中存在的电气噪声等。理论家已经证明，只要错误率足够低，并且正确理解错误的本质，就可以管理和纠正这些错误；不过，可能会出现意想不到的错误或失败模式。对这些噪音和错误的研究将构成研发工作的很大部分。

其他潜在风险属于尚未发现的广泛范畴。量子技术可能会给隐私和社会控制带来意想不到的风险，这与传统的信息技术和人工智能没有什么不同。随着能力变得更加清晰，法律和道德问题也开始无法忽视。

学术路径与工业路径

大学的科学家善于发现基础科学或应用科学的新原理，工业界擅长将这些原理转化为精心设计的产品。在成熟的学科如经典光学工程中，存在将科学发现与产品开发联系起来的完善整体关系，其中的技术转让活动是常规的。在QIST中不存在这样的整体关系，大学不容易获得最先进的设计和制造能力，而工业界很少具备将量子科学转化为产品所需的深厚物理学专业知识。

因此，需要在基础科学家和工程师之间架起一座桥梁，学习如何将量子科学转化为量子技术。在短期内，可以通过建立包括这两个群体的专门团队来实现，使其在共同的、明确的目标上共同努力。需要将注意力集中在复杂的因素上，比如知识产权以及高校和工业之间不同的奖励文化。

从长远来看，我们必须发展一支拥有量子智能的人才队伍。大学可以培养更多的量子工程师和基础科学家，他们希望与工程专业人员一起工作。挑战在于培养学生在学术生涯早期对QIST的兴趣，同时迅速提高大学的新课程水平，以满足行业的实际需求。

QIST的硬件和软件方面都需要更多的人才。在软件方面，许多大学计算机科学系刚刚开始招聘专门研究QIST算法的教师。工业界可以通过向有兴趣的系科提供资金或物资来鼓励聘用相关的教职工，政府可以利用现有的机制来鼓励新的课程和教员的发展，大学应认识到QIST是计算机科学的日益发展的方面，并在这一领域创造新的教师职位。

向前发展

NQI将支持个人和大规模集中式的科研新项目，同时在劳动力发展和工业参与方面采取综合的方法。这一广度强调需要对QIST采取全面的政府方式。许多机构已经发挥了关键作用，不同的目标和任务推动了研究的不同方面。虽然NQI由NIST、NSF和DOE主导，但协调这些努力与国防和情报界的补充，可以改善研究资金的使用和基础设施的使用。

白宫科学技术政策办公室召集了国家科学技术理事会量子信息科学委员会（SCQIS），该委员会能够协调执行机构以外的机构，并凸显“国家量子倡议法案”的机会。2019年3月新成立的国家量子协调办公室将提供连接利益相关者的集中手段。

NQI能够改善私营部门与学术界和政府的接触。NIST发起的量子经济发展联盟（Quantum Economic Development Consortium）等工业联盟，由小规模和大规模集中式的努力所促成的创新驱动的研究和开发，都是这一方法的一个方面。另一个方面是：通过与资本合作和提供及时、有用的信息，促进创业和鼓励适当投资。

这些协调和工业界参与可以与利用共享设施和新的基础设施相结合。NQI相关的基础设施在一定程度上借鉴了粒子物理学和天文学等其他科学领域的研究，这些领域的研究速度超过了个人或团体的能力，将有助于推动技术和研究的优势。

各机构仍将保持很大的独立性，以确保以科学优先的方式进行研究。国家科学基金会宣布了各种新的机会，如量子跃迁挑战研究所；能源部正在与利益相关者合作，开展大规模的努力以扩大他们蓬勃发展的QIST组合。这一项目的迅速增长使推动基础科学发展的研究共同体面临挑战。与此同时，在政府、学术和工业利益相关者之间建立联系——从一线研究人员到构建功能良好的量子设备的团队，到最终用户企业和个人——将有助于实现QIST可以提供的机会。在这个共同体中保持开放的讨论将有助于缓解许多挑战，从人才增长的需求到更好的经济预测，到解决科学问题。这些对话反过来可以减少研究工作的零散性，改善投资者的决策和风险评估，并促进研究驱动型产品的创新周期，进而驱动收益增长，从而导致更多的研究投资。

NQI还可以改善国际合作、机构发展以及扩大QIST开放标准和基础研究等领域的国际伙伴关系。例如，欧盟、英国、日本、加拿大、澳大利亚和中国正在采取重大的QIST举措。国际合作伙伴的这类QIS倡议和投资为QIS研究提供了宝贵的资源。促进志同道合的利益攸关方的国际合作（从教育到发展）将确保健康的科学生态系统的向前发展。