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近15年来，利用量子特性处理信息的量子信息科学迅速发展，量子信息科学将为传感、测量、导航、通信、基础物理、模拟、计算新范式等诸多领域带来新的机遇。

近期，量子信息领域大动作频现。

2016年4月，欧盟委员会宣布将于2018年启动总额10亿欧元的量子技术旗舰计划。

8月，我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

而在7月，作为对量子信息科学资助力度最大的国家，美国连续发布了两份报告，即《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》^[1]和《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》^[2]，审视了其量子信息科学的布局，提出了推动美国量子信息科学发展的政策措施。

《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》报告是美国国家科学技术委员会（NSTC）于7月22日发布的，分析了美国在量子信息科学领域发展所面临的挑战和机遇，量子信息科学的应用前景等。

▲《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》报告 

作为NSTC报告的补充，美国能源部（DOE）于7月26日发布了《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》报告。

该报告是2月份一次圆桌会议的总结，根据量子前沿领域专家的观点，识别出量子前沿最有潜力的科学方向，详细列出有效推进美国量子前沿取得更大进展的需求。

一、美国对量子信息科学的资助现状

美国政府支持量子信息科学及相关领域的研究已有20余年，这一支持为美国科学家在量子信息领域取得现今的领导地位发挥了重要的作用。

当前，美国政府对量子信息基础研究和应用研究的资助经费约为每年2亿美元。

国防部（DOD）、国家标准技术研究院（NIST）、国家科学基金会（NSF）资助了量子信息科学的基础研究，国防部高级研究计划局（DARPA）和情报高级研究计划局（IARPA）资助了一系列有针对性的、有限期的长期计划，能源部将从2017财年开始启动和支持量子信息科学研究的新项目。

（1）DOD对量子信息科学的资助重点放在国家安全应用，如精密导航、精确授时和安全量子网络。

2016财年开始，国防部长办公室（OSD）通过海陆空三军使用的量子科学与工程项目（QSEP）来建立可扩展的量子网络原型，开发实用量子存储，并在该网络原型中示范高灵敏度的传感器应用。

陆军研究实验室（ARL）通过其“2015-2019年技术实施计划”支持开发多站点、多节点、模块化的量子网络。

（2）NIST重点支持量子通信、量子计算和量子测量。

2016财年，NIST增加了资助资金用来支持量子传感和测量。2017财年，NIST计划加强对量子计算的研究支持，来响应国家战略计算计划。

（3）NSF资助了几十年与量子信息科学基础相关的物理科学、数学、计算机科学和工程的研究，对“量子信息科学和革命计算”项目已经支持了十多年。

量子技术已被NSF列为未来长期探索与创新的十大方向之一。

2016财年，NSF选定“推进工程中通信量子信息研究（ACQUIRE）”作为新兴的前沿研究创新项目。

8月8日，NSF通过ACQUIRE资助了6个基础研究项目来打造光子量子加密系统，促进安全通信的技术研发^[1]：

基于纠错半导体量子位的可升级量子通信，集成的量子通信传输结点，针对芯片量子信息应用的异构平台，可升级的集成量子光子互联，针对光纤量子通信的微芯光子设备，针对电信光波长量子中继器的集成纳米光子固态存储器。

（4）DARPA一直持续资助量子信息科学不同领域的项目。

近期启动的“光子探测的基础极限（Detect）”项目旨在开发创新的方法来促使能用于量子信息科学领域的光子探测器在模拟和与制造方面取得变革性的进展。

（5）IARPA未来几年将继续资助量子计算的特定方向。

“逻辑量子比特”项目旨在建立逻辑量子比特来克服现有多量子比特系统的局限；“量子增强优化”项目旨在利用量子效应来增强组合优化问题的量子退火解决方案。

IARPA将继续资助能有效和安全解决情报问题的新的计算方法，包括量子算法。

（6）DOE从2017财年开始支持有助实现DOE使命的量子模拟和量子计算核心研究项目。

这些项目将先聚焦于开发试验台，以供研究界探索量子计算，以支持能用于应用数学、计算机科学研究和算法开发的研究。

二、美国量子信息科学发展面临的挑战

NSTC报告指出，虽然美国近年来在量子信息领域取得重大进展，但依然面临一系列体制机制等层面的挑战。

（1）量子信息科学研究的开展面临机构壁垒。

例如，NSF的各个学部都对各所高校资助量子信息科学相关的研究。未来量子信息科学的关键研发中，需要更多的合作来打破这个壁垒。

（2）量子信息科学相关的特定学科教育不足。

量子信息科学不应仅涉及物理学，还应与计算机科学、应用数学、电气工程、系统工程等领域有关。量子信息科学的研发需要并持续需要各种技巧和专业知识。

（3）量子信息科学面临技术和知识转移问题。

现有的联邦资助计划体系无法有效支撑大学与国家实验室将其取得的量子信息技术和知识转移到产业界。

（4）量子信息科学的发展受制于材料和制造设备。

研究界能更方便的利用国家设施设备来探索各种新材料和设备概念，将能提高量子信息科学的理论与应用研究。

（5）量子信息科学所获的政府资助不稳定，这会导致研究项目中断、人才转行或到国外寻找机会。

（6）量子信息科学的国际竞争加剧。

英国2014年制定了5年期量子技术计划、2016年制定了量子技术劳动力培训计划，荷兰2015年制定了10年期量子计算发展计划，欧盟2018年将启动10年期的量子技术旗舰项目。

DOE报告指出，在技术层面的挑战包括：1提高单量子比特的性能（灵敏度、保真度、动态范围、控制、鲁棒性）和半经典量子比特系综技术（如原子钟和干涉仪、固态传感器、微波腔、超导传感器、光学器件）。2开发、优化和扩大量子比特网络，包括空间分布式半经典网络和纠缠网络。3开发和优化新的先进材料、具有新兴特性的材料（石墨烯、拓扑绝缘体等），以及利用演化的生物材料和化工材料研发出来的材料。4开发混合量子技术用于优化、多模态功能。5开发新理论方法来使用量子技术、贯通量子场论和超越标准模型物理的基本问题、促进新方向的出现。

三、美国量子信息科学发展面临的机遇

NSTC报告指出，量子信息科学已被应用于众多科学领域，如将量子纠缠、量子纠错等概念用于理解量子引力核心问题，应用量子信息的数学方法来解决算法、密码学、纠错代码设计等经典计算机科学问题。

量子信息科学将有望在量子传感与计量、量子通信、量子模拟和量子计算等领域出现全新的技术前景。

1量子传感与计量

量子传感与计量的应用正在不断扩大，原子干涉仪可用于惯性导航，也可用作重力仪，其用途包括从地球系统监测到地下矿藏精确定位。

量子授时装置是目前世界上最精准的授时装置之一。光子源和单光子探测技术将能改进光敏探测器的标定，以及探测低吸收和有限数量样品中的微量元素。

2量子通信

量子安全通信是目前较活跃的研发领域，量子密钥分配技术的研究也受到了产业界的广泛关注。近期可能会实现的应用还包括虚拟货币防伪和量子指纹技术等。

从长远看，量子网络将连接分布式量子传感器以用于全球的地震监测等，并使量子信息在量子模拟器和量子计算设备之间流动成为可能。

未来5-10年，可靠的光子源及相关技术的研发成功将能实现远距离的量子信息传输以及共享数据所用协议的相关理论研究。

3量子模拟

量子模拟器可能能高效解决材料计算和目前无法解决的计算科学问题，基于多种不同技术的量子模拟器原型已在实验室环境得到了验证，如利用囚禁离子阵列模拟磁性材料，利用冷原子和量子点模拟简单化学反应的动力学。

未来，量子模拟将能用于理解高温超导体等特殊材料的特性，预测复杂分子的相互作用，以及设计新的核物理与粒子物理模型。

4量子计算

量子指数加速已应用于解决化学、材料科学和粒子物理等领域的问题，未来可能会变革众多科学领域。

此外，更深入的理论研究使得量子加速有可能用于与优化和科学计算相关的问题，如机器学习、软件的验证和确认，以及雷达散射截面计算等。

量子计算硬件目前还处于实验室原型阶段，并在稳步前进，未来5年，拥有数十个量子比特的量子计算系统可能得以实现。

研发通用量子计算机是一项长期的挑战，需要持续致力于算法、编程语言和编译器的开发。

四、美国推动量子信息科学发展的政策措施

NSTC报告指出，为推动美国抓住量子信息科学发展机遇，美国政府应加强3个方面的政策措施。

（1）设立稳定和持续的量子信息科学核心资助计划，当新机遇出现时能够提升计划的资助力度，当面临的困难增加时能适时调整。

（2）对目标明确、时间有限的量子信息科学计划进行战略投资，以实现具体、可衡量的目标。

（3）持续密切监测量子信息科学领域的进展，评估联邦政府的量子信息科学投资成效，并快速调整量子信息科学资助计划，以利用量子信息技术的新突破。

为了优化对量子前沿投资的回报，DOE报告提出了6项政策建议。

（1）设立多个首席（每个团队设立5-10个首席）、5年期的项目来解决关键挑战。

（2）设立长期（10年以上）、中等规模的项目来解决重大挑战，如探测超越标准模型物理的大型量子传感器网络。

（3）设立支持DOE实验室和非DOE量子科学家合作的项目。

（4）设立青年研究者项目以吸引最优秀的青年人才进入量子领域。

（5）设立高风险高回报项目以鼓励量子领域的创新。

（6）设立量子科学技术“小企业创新研究/小企业技术转移”（SBIR/STTR）项目以促进DOE相关的量子科学技术通过小型技术初创公司实现商业化。     

（文中图片均来自网络）

[1] Advancing Quantum Information Science: National Challenges And Opportunities

https://www.whitehouse.gov/sites/default/files/quantum_info_sci_report_2016_07_22_final.pdf

[2] Quantum Sensors at the Intersections of Fundamental Science, Quantum Information Science, and Computing

http://science.energy.gov/~/media/hep/pdf/Reports/DOE_Quantum_Sensors_Report.pdf

[3] NSF invests $12 million in quantum technologies for secure communication. 

http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=189436&WT.mc_id=USNSF_51&WT.mc_ev=click

本文选自 国家高端智库 中国科学院 《科技前沿快报》, 2016年, 第10期

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