2016-10-24
中国信息通信研究院CAICT
量子信息科学是由物理科学与信息科学等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域。报告对量子信息科学领域进行了介绍，并综合分析了量子信息科学的未来发展、对其他科学领域发展可能产生的影响，以及发展中可能遇到的阻碍。新兴量子信息科学的应用对国家战略有着重要的影响，同时也对其他科学的发展有强大的推动作用。政府需要加强与科研机构、私人机构合作，才能更有效地解决发展中问题。联邦政府对量子信息科学的支持需要一系列持续的、政府全程监控的发展策略予以保障。量子信息科学（QIS）是建立在一系列叠加、缠绕、压缩等量子学现象基础上，以非传统方式获取和处理信息的基础科学，可用于传感、计量、通信、仿真、高性能计算等多个方面，未来还可能进一步促进物理学、化学、生物学、材料学等其他领域基础科学的重大进展。 虽然量子信息科学在飞速发展，但依旧面临着多方面的挑战：科研经费的稳定性和持续性、机构和学科的限制、教育和科研人员培训需求、知识转化及其与行业应用的接轨、材料及制造等。 过去一段时间内，大家对于量子科学和技术领域的关注度越来越高，由于其本身是一个交叉学科，依赖于复杂、精密、精确的准备来观测和利用，量子行为可能会在经济领域带来巨大的影响是大家高度关注其发展的主要原因。政府全权掌控并持续推进利于量子信息科学的发展，需要长期对政府和非政府机构在该领域的行动进行监控。建议将量子信息科学作为联邦政府合作和投资的主要对象，重点关注、解决其发展中所遇到的各种障碍。
量子信息科学(简称量子信息学)，主要是由物理科学与信息科学等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域。它以量子光学、量子电动力学、量子信息论、量子电子学以及量子生物学和数学等学科作为直接的理论基础，以计算机科学与技术、通信科学与技术、激光科学与技术、光电子科学与技术、空间科学与技术(如人造通信卫星)、原子光学与原子制版技术、生物光子学与生物光子技术、以及固体物理学和半导体物理学作为主要的技术基础，以光子(场量子)和电子(实物粒子)作为信息和能量的载体，来研究量子信息(指光量子信息和量子电子信息)的产生、发送、传递、接收、提取、识别、处理、控制及其在各相关科学技术领域中的最佳应用等。 20世纪，量子信息科学在量子论和信息论两大理论基础上发展起来，目前QIS已经进入转折期，开始为国家发展带来更大的机遇和挑战，这一点也可以从相关文献的发表数量上看出，见图1。
图1 过去十五年量子信息科学相关文章的数量
量子信息科学将有望使现代科学发展进入新的篇章，它所带来的最大影响首先可以体现在传感和计量方面，其次是通讯和仿真，最后是计算。 1.传感和计量 量子信息科学使得传感和计量的边界得到了进一步扩张，像原子干涉仪已经开始用于惯性导航。以钻石缺陷点为基础的磁力仪可以用于代替人类，在极端环境下执行军事任务或工业操作。 2.通信 量子通信指光或其他物质能够以量子态的形式传输信息，但是目前面临一个技术性问题——当量子系统被干扰时，以量子态传输的信息是无法还原的。 3.仿真 量子仿真器能够研究其他不易直接观测或研究的量子系统的性质，比如复合材料，材料计算是能源部能源科学研究计算中心的第二大应用。 4.计算 量子计算机能够处理以量子位存储的信息，量子位互相叠加、纠缠在一起。这一独特性使量子计算机能够在某些情况下的计算速度比传统计算机成倍提升。
尽管多年来量子信息科学得到了飞速的发展，但这仍然是一个需要进一步深入研究的领域，能够让人类更多的了解自然世界和它所包含的各种信息。量子信息科学开始越来越多的应用于其他领域：量子系统控制的高精密测量，比如单个原子、分子以及用于侦测细胞的基于金刚石氮空位色心(NV center)；从量子态的凝聚结构中发觉了更强大的仿真材料的新型计算方法等。
在量子信息科学迅速发展的背后，也隐藏着阻碍学科发展的多重障碍。政府、科研机构及私人机构需要加强合作，才能更有效地解决这些问题。 1.机构限制 大多数的量子信息科学都被现有的机构边界所限制，如美国科学基金会资助多个大学相关的科研机构进行研发，联邦政府也资助了多个团队。需要打破机构间壁垒，加强科研机构之间合作，来进一步推进量子信息科学的发展。 2.教育和劳动力培训 不管是学术界还是业界都认为量子信息科学要得到进一步发展，现有的学科专业教育是远远不够的，需同时推进基础研究和技术应用，加强教育和培训。 3.技术与知识转换 量子信息科学的各种应用产品具有巨大的潜在市场的，但首先要把这些大学或国家实验室里的知识需要转化成企业或其他市场机构能够使用的技术。 4.材料与制造 量子信息科学的应用强烈依赖于合适的、具有量子特性的材料，还需要将现有的、能填满几个实验室的巨大硬件压缩至可以进行批量生产并集成到各种设备上的功能部件。 5.资助的水平和可持续性 历史上，美国对量子信息科学资金支持缺乏连续性，这对该学科的发展产生了负面的影响。这种资金支持的不连续性主要源于各部门之间的合作存在问题，因此各政府部门在量子信息科学的发展上要加强合作，以发展为重心。
自20多年前量子科学诞生的那天起，联邦政府就开始资助相关领域的科研发展。目前，联邦政府对量子信息科学的基础和应用研究资助每年能达到2亿美元。美国国防部(DOD)、美国国家标准技术研究所(NIST)、美国国家科学基金会(NSF)都在资助QIS的基础研究项目，美国国防部高级研究计划局（DARPA）、情报先进研究计划署（IARPA）也有一些正在进行的相关项目。在2017财政年度内，美国能源部预计将会开展一系列相关研究项目。
量子信息科学逐渐成为各国发展的新方向，尤其是在近两年，比如英国在2014年启动了一项为期五年的量子科技项目。2015年，荷兰在代尔夫特理工大学开设一项为期十年的量子科技发展计划。 除了各国政府的支持，私人企业或机构对这一领域的投资也在不断增加。像美国的部分大企业，甚至一些刚起步的公司，都投资了量子计算和相关软件开发项目。过去五年来量子信息科学能够得到飞速发展主要是源于联邦政府长期资助。新兴量子信息科学的应用对国家策略有着重要的影响，同时也对其他科学的发展有强大的推动作用，因此，联邦政府也更重视量子信息科学的发展。 目前对量子信息科学的支持需要一系列持续的、政府全程监控的发展策略，主要包括： · 稳定、持续的核心项目，从而能够把握新产生的机遇，应对可能出现的各种障碍； · 有目的的、限时的策略投资，来实现具体的、可预期的目标； · 全程、持续监控联邦政府对量子信息科学的投资成果，迅速将新发现转化为实际可应用的技术。