​国家量子倡议法案实施两年，美国取得了哪些成就？

光子盒研究院出品

2017年，美国白宫科技政策办公室(OSTP)首次将量子信息科学(QIS)列为国家研发重点。终于在2018年12月21日，美国总统特朗普签署了《国家量子倡议(NQI)法案》。

NQI法案承诺在五年内拨款10亿美元支持美国量子技术的研发，要求白宫和联邦机构采取几项关键行动，包括：建立国家量子协调办公室、建立研究机构和联盟、启动国家量子倡议咨询委员会以及增加联邦研发投资。

截至目前，距离美国签署NQI法案已经整整两年，在此期间，从政界、学界到商界，美国在QIS领域取得了多项里程碑式的成就。

2018年12月21日签署《NQI法案》

美国联邦政府支持国家量子计划

NQI法案实施两年，基本完成了既定目标，美国联邦政府主要从以下7个方面支持国家量子计划：

1.建立国家量子协调办公室

2019年3月，美国白宫科技政策办公室(OSTP)建立了国家量子协调办公室，以协调联邦机构的QIS工作。

2.QIS研发预算翻一番

美国2021财年联邦研发预算1422亿美元，比2020财年预算增加了6%，并承诺到2022年QIS的研发支出增加一倍，包括：

美国国家科学基金会(NSF)对QIS研究的投资将翻一番，达到2.3亿美元，比2020财年增加1.2亿美元。

美国能源部(DOE)科学办公室的QIS研发支出将达到2.37亿美元，比2020财年增加了近7000万美元。

总统预算包括2500万美元给能源部科学办公室，以支持量子互联网的早期研究。

3.五个国家QIS研究中心、三个量子飞跃挑战研究所、一个量子经济发展联盟

2018年9月，美国国家标准与技术研究院(NIST)建立了量子经济发展联盟(QED-C)，旨在扩大美国在全球量子计算、通信和传感领域新兴量子产业的领先优势。目前拥有包括企业、国家实验室、大学在内的205个成员。IBM、谷歌、微软、英特尔、霍尼韦尔、Rigetti、IonQ等均是QED-C成员

2020年7月，OSTP、NSF建立了三个量子飞跃挑战研究所(QLCI)，并分别提供2500万美元的资助。三个研究所包括：研究当前和未来量子计算的加州大学伯克利分校；研究混合量子结构和网络的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校；研究量子传感技术的科罗拉多大学。

2020年8月，OSTP、NSF、能源部宣布斥资6.25亿美元建立五个QIS中心，由五个不同的DOE国家实验室领导。私营部门和学术机构将另外提供3.4亿美元。

包括国家实验室、大学和企业在内的总共69个组织将参与这项工作。参与的商业公司包括ColdQuanta、高盛、Janis低温研究设备、IBM、英特尔、洛克希德·马丁、微软以及Rigetti。

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4.与日本签署第一个双边量子研究合作协议

2019年12月，美国政府与日本政府签署了《量子合作东京声明》，旨在促进两国量子信息科学和技术(QIST)发展，包括但不限于量子计算、量子网络和量子传感。

5.建立国家Q-12教育伙伴关系

2020年8月，NSF和OSTP宣布与工业界和学术界建立国家Q-12教育伙伴关系，专注于为中小学生(K-12)提供量子教育，旨在扩大未来的量子人才队伍。

国家Q-12教育伙伴关系承诺在未来十年内与美国的教育工作者合作，确保一个强大的量子学习环境，该计划内容包括开发量子教育教材教具，以及量子行业就业指导等。NSF将提供100万美元来支持该计划。

6.建立国家量子倡议咨询委员会

2020年8月，OSTP和能源部建立了国家量子倡议咨询委员会(NQIAC)，将由OSTP量子信息科学副主任兼国家量子协调办公室主任Charles Tahan博士和斯坦福大学研究主任Kathryn Ann Moler博士共同主持。

NQIAC成员包括英特尔量子硬件总监James S. Clarke、谷歌Marissa Giustina博士、IonQ联合创始人Jungsang Kim教授和Christopher R. Monroe教授、量子霸权概念提出者John P. Preskill教授、Rigetti Computing创始人Chad T. Rigetti博士、微软量子负责人Krysta M. Svore博士等。

7.启动quantum.gov网站

2020年10月，OSTP宣布启动国家量子协调办公室的官方网站quantum.gov，并发布《量子前沿报告》，确定继续量子信息科学(QIS)研究的关键领域。

NQI法案实施两年取得哪些成就？

在政府的支持下，美国在量子信息领域取得了多项里程碑式的成就。

·量子计算

2018年12月，IonQ发布一台离子阱量子计算机，存储了160个量子比特，在79量子比特长度上进行单比特门操纵，平均保真度>99%，最佳保真度>99.97%；在11量子比特长度上进行双比特门操纵，平均保真度>98%，最佳保真度>99.3%。

2019年1月，IBM发布了世界上第一个为科学和商业用途而设计的通用量子计算系统IBM Q System One，这是一个高度集成的模块化系统，包括IBM开发的硬件、固件和电子设备。

2019年3月，微软成立量子计算联盟Microsoft Quantum Network。

2019年7月，微软宣布开源量子开发工具包（QDK），整合了所有的量子开发工具，包括Q#量子编程语言和编译器、入门示例和教程，以及量子程序的模拟器和资源估算器。开源QDK以便开发人员能够贡献量子应用程序和算法，以及在编译、优化和工具方面的进步。

2019年9月，一篇来自谷歌研究人员的论文刊登在了NASA的网站上，声称他们拥有53个量子比特的Sycamore超导量子计算机能够在3分20秒内执行一个计算，当今最强大的超级计算机需要约10000年，即谷歌实现量子霸权。

2019年11月，微软宣布推出量子计算云服务Azure Quantum。将接入霍尼韦尔、IonQ、QCI和东芝的系统，以及1QBit的1Qloud云平台。

2019年12月，英特尔实验室发布首款低温控制芯片Horse Ridge，实现了对多个量子比特的控制，以加快全栈量子计算系统的开发步伐。芯片以俄勒冈州最冷的一个地区来命名，能够在大约4开氏度的低温下工作。

2019年12月，AWS宣布推出量子计算服务Amazon Braket，通过云平台接入D-Wave、IonQ和Rigetti的量子计算机。作为完全托管的AWS服务，Amazon Braket可提供开发环境来帮助客户探索和设计量子算法。

2020年1月，IBM Quantum Network成员突破100个。

2020年5月，Rigetti部署最新的量子处理器（QPU）Aspen-8，拥有31个量子比特，单量子比特门保真度99.8%，双量子比特门保真度94.7-96.0%。正计划基于一种新的芯片架构制造一台128量子比特计算机。

2020年6月，霍尼韦尔宣布他们已经制造出了世界上以“量子体积”衡量的最强大的量子计算机。这台机器的量子体积为64，是当时领先的IBM设备的两倍。

2020年8月，谷歌实现了迄今为止最大的量子化学模拟。谷歌AI量子团队及其合作者能够模拟H6、H8、H10和H12链的结合能以及二氮烯的异构化。这是迄今为止最大的量子化学模拟。

2020年9月，IBM发布了量子计算路线图，将在2021年突破100个量子比特，2023年突破1000个量子比特，并最终带领IBM通往百万量子比特以上级别的量子计算设备。此前IBM在内部向IBM Q Network的成员发布了65量子比特Hummingbird处理器。

谷歌也发布了在2029年前实现100万个物理量子比特处理器的计划。一百万个量子比特的计算机将由100个模块组成，每个模块包含100×100个量子比特。谷歌计划使用通过表面代码进行纠错。

2020年10月，霍尼韦尔宣布他们的量子计算机H1实现了128量子体积。在完全连接量子比特的情况下，平均单量子比特保真度为99.97%，双量子比特门保真度为99.54%。

2020年10月，IonQ宣布制造出了世界上最强大的量子计算机，在一台拥有32个量子比特的机器上，预期实现超过400万的量子体积。该机型目前已上线，是IonQ在AWS上推出的首款产品。

2020年12月，英特尔发布了第二代低温控制芯片Horse Ridge II。基于第一代Horse Ridge控制芯片的创新，Horse Ridge II支持更强的功能和更高级别的集成。新功能包括操纵和读取量子比特状态的能力，以及控制纠缠多个量子比特所需的几个门的电势。

·量子网络

2018年10月，Quantum Xchange与通信基础设施提供商Zayo Group达成协议，在美国部署第一个量子密钥分发网络。Quantum Xchange支持从纽约到新泽西的量子密钥分发服务，并继续向全国扩展。

2019年1月，美国量子通信的领导者Quantum Xchange、Qubitekk宣布参与哈德逊研究所的量子联盟倡议(QAI)，为量子密钥分发（QKD）和量子随机数生成器（QRNG）技术制定全球标准。

2020年1月，美国NIST“后量子密码算法标准化”项目在来自全球的82个候选算法中选出26个最强候选算法进入第二轮评估，其中候选公钥加密和密钥建立算法标准有17个，候选数字签名算法标准有9个。

2020年2月，白宫发布《美国量子网络战略构想》，提出美国将联合联邦机构、学术界和工业界各方力量，率先开发量子互联网，并确保量子信息科学的创新发展惠及普罗大众。

2020年2月，能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家在芝加哥郊区创建了一个长约52英里的“量子环路”，这是美国最长的陆基量子网络之一。未来将与能源部费米实验室连接，建立起一个80英里的三节点试验平台。最终，连接所有17个能源部国家实验室作为量子互联网的主干。

2020年7月，美国官员和科学家公布了量子互联网计划，目标是将与全球现有网络并行的互联网，利用量子力学定律更安全地共享信息，并连接新一代计算机和传感器。在五个量子信息科学中心中，由阿贡实验室领导的下一代量子科学与工程（Q-NEXT）目标是建设一个量子互联网。

2020年7月，NIST“后量子密码算法标准化”项目公布了进入第三轮（决赛）评估的7个候选算法，其中候选公钥加密和密钥建立算法标准4个，候选数字签名算法标准3个。NIST继续对7个决赛入围算法进行评估，供下一步制定标准参考。

2020年8月，IBM推出首款商业化的7nm处理器IBM POWER10，处理器的设计使加密速度显著提高，每个核心的高级加密标准（AES）的加密引擎数量是上一代芯片的四倍，适用于当今最严格的标准和未来的加密标准（如量子安全加密和全同态加密）。

2020年12月，由加州理工学院(Caltech)、NASA喷气推进实验室(JPL)和费米国家实验室组成的研究团队建立了两个试验台，使用现有的材料和最先进的量子设备，在44公里的距离内准确地传送量子信息。

·量子传感

2018年5月，美国宇航局将普通冰箱大小的冷原子实验室发射到国际空间站，利用冷原子实验室对原子进行超低温冷冻，试图更好地了解重力在最微小尺度上对物质的影响。首次在地球轨道上制造出了玻色-爱因斯坦凝聚态。

2019年9月，在DARPA高稳定性原子钟(ACES)计划支持下，NASA喷气推进实验室、NIST与霍尼韦尔三个团队开发的新一代芯片级原子钟在性能优化上取得突破性进展，关键性能参数提高了1000倍。

2019年12月，ColdQuanta最新的Quantum Core™原子系统作为冷原子实验室的下一代核心子系统，搭载SpaceX猎鹰9号抵达国际空间站。根据ColdQuanta的路线图，公司计划推出紧凑型冷原子钟、加速度计和陀螺仪。

2020年，在美国设有分支机构的英国量子技术公司M Squared分别推出量子重力仪和量子加速度计。其中，量子加速度计主要用于潜艇和大型船只的惯性导航，精度为航行1个月仅偏离2公里。

2020年5月，麻省理工科技评论称，一个由多国科学家组成的研究小组利用纠缠微波光子创造了世界上第一个量子雷达系统，美国麻省理工学院为合作方之一。

2020年12月，麻省理工学院在Nature杂志上展示了一个更精确的量子纠缠原子钟。研究人员表示，“如果最先进的原子钟被改造成使用他们的新方法，它们的精度将在宇宙的整个生命周期内误差只有0.1秒。”

2020年12月，NASA冷原子实验室进行升级，并演示了空间原子干涉测量，为科学家实现用来探索宇宙的新一代精密量子传感器奠定了基础。

2020年12月，美国国防部副部长Paul Lopata透露，2021年海军研究办公室将研发下一代原子钟，预计这种原子钟将更加坚固，性能比以前的系统高1000倍。国防创新部门也呼吁科技公司开发用于导航的新型量子惯性传感器。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。