光子盒研究院
价值12亿美元的美国国家量子计划(NQI)于2018年12月颁布，为期10年，其中仅规定了截至2023年9月30日的前五个财政年度的科学活动预算授权。虽然美国国会还有很多问题要先解决，比如政府2024财年的全面预算，但预计今年（2023年）晚些时候将以这样或那样的形式续签NQI。
——对量子技术的支持是一个得到美国政治派别双方支持的问题。
今年6月，众议院科学、空间和技术委员会就这一议题举行了听证会；此外，美国国家量子计划咨询委员会(NQAIC)也发布了一份报告。
https://www.quantum.gov/about/nqiac/10月10日，数据创新中心发布了一份综合报告，为国会的政策行动提供了十项建议。该报告包括美国政府之前对量子研究资助的一些背景，对美国国家科学基金会(NSF)和能源部(DOE)支持的主要量子研究中心的介绍，对英国、加拿大和欧盟支持量子研究的简要介绍，以及对更新NQI的建议：这些建议包括在未来五个财政年度每年至少提供5.25亿美元的资金，支持研究人员访问量子计算资源、教育和劳动力发展计划、供应链研究以及国际合作。尽管美国政府是最早资助量子技术研究的国家之一，但近年来，美国一直落后于其他几个国家。报告认为，拥有一个强大的量子技术生态系统对美国的经济和社会福祉都具有至关重要的战略意义，美国政府应立即采取积极措施，保持其领先地位。https://datainnovation.org/2023/10/the-u-s-approach-to-quantum-policy/政府对量子技术的兴趣至少可以追溯到20世纪90年代中期，当时美国国家标准与技术研究院(NIST)、国防部(DOD)和美国国家科学基金会(NSF)首次举办了有关该主题的研讨会。NSF在1999年的一次研讨会上将量子信息科学领域描述为“一个新的科学和技术领域，它结合并借鉴了物理科学、数学、计算机科学和工程学等学科。其目的是了解如何利用本世纪早些时候发现的某些基本物理定律来显著改善信息的获取、传输和处理。”自NSF举办首次研讨会以来的近25年间，量子信息科学取得了长足的进步，其推动计算能力、安全通信和科学发现方面重大进展的潜力也变得更加明显。美国政府正确地认识到，它需要在确保国家在这一关键领域保持竞争力方面发挥积极作用。量子信息科学(QIS)是一个总括性术语，包含多种不同的技术。包括几种不同的技术。在本报告中，QIS包括以下五种技术：- 量子传感和计量学：指利用量子力学增强传感器和测量科学。- 量子计算：指利用量子力学开发计算机，其计算速度比经典计算机快数倍。- 量子网络：指利用量子力学原理开发安全通信协议，确保传输信息的保密性和完整性。- 量子信息服务促进基础科学：指利用量子设备和量子信息服务理论拓展其他学科的基础知识；例如，提高对生物、化学和能源科学的理解。- 量子技术(Quantum Technology)，包括利用量子技术创造实际应用；为电子学、光子学和低温学创建必要的基础设施和制造技术；以及最大限度地降低与量子技术相关的风险，如开发后量子加密技术以保护敏感信息。近年来，行政部门和立法部门在制定质量信息系统政策方面都采取了重要行动。在行政部门方面，白宫发布了两份重要报告：通过国家科学和技术委员会(NSTC)，阐明了量子信息系统的国家战略方针。该委员会是行政部门协调量子政策的主要机构，也是行政部门协调构成联邦研发（R&D）企业的各个实体的量子政策的主要机构。2016年，NSTC发布了其第一份报告，题为《推进量子信息科学》：该报告概述了三项原则，以帮助指导“全政府的量子信息科学方法”，即保持稳定和持续的核心计划，并在新机遇出现时予以加强。2018年9月，NSTC在特朗普总统执政期间发布了第二份报告《量子信息科学国家战略概览》，这份报告确定了联邦量子投资的六个政策机遇和优先事项。
在立法方面，迄今为止与量子有关的最重要立法是《国家量子倡议法案》(NQIA)，该法案于2018年12月签署成为联邦法律，旨在加速和推进美国的量子科学技术。从本质上讲，NQIA为量子研发创建了一个框架，并授权在五年内（2019至2023财年）提供略高于12亿美元的资金，用于各种量子研究和开发项目。这些资金主要分配给历来积极参与量子科学与技术研发的三个机构：美国国家标准与技术研究院(NIST)、美国国家科学基金会(NSF)和美国能源部(DOE)。NQIA 的一些主要内容包括授权这些机构加强QIS计划和研究中心；建立一个新的联邦机构，名为国家量子协调办公室(NQCO)；成立一个新的联邦咨询委员会，名为国家量子计划咨询委员会(NQIAC)，由来自学术界、工业界和政府的专家组成，其任务是为国家量子计划提供独立评估和建议。国家量子计划咨询委员会授权的项目将于2023年9月30日到期，该法案需要重新授权，以继续保持美国在这一关键领域的领先地位。《2022年芯片和科学法案》对NQIA进行了修订，以授权量子网络基础设施的研发；指示NIST制定量子网络和通信标准；建立DOE计划，以建立一个能源部计划，促进以研究为目的获取美国量子计算资源的竞争性、择优审查的基础程序；并要求国家科学基金会支持将量子信息服务纳入科学、技术、工程和数学(STEM)、它还明确将量子信息服务纳入国家科学基金会新成立的以新兴技术为重点的局：技术、创新与合作局(TIP)。尽管民用、国防和情报机构在量子研发方面的投资由来已久，但政府最近已采取重要措施，通过《国家量子信息安全法案》(NQIA)和《芯片与科学法案》(CHIPS and Science Act)加快、加强和协调联邦量子研发投资。在NQIA的推动下，用于QIS研发的联邦资金大幅增加：从2019财年到2023财年，联邦资金大约翻了一番。值得注意的是，虽然《国家质量与创新法案》为各联邦机构的质量信息系统研发设定了资助目标和优先事项，但并不保证具体的资助金额。总统和国会通过年度财政年度预算确定各联邦机构的非国防量子研发优先事项和资金，国防开支则通过名为《国防授权法案》的单独法案确定。下图显示了自NQIA成立以来美国的量子信息安全研发预算，各机构报告的2019财年量子研发实际预算支出为4.49亿美元、2020财年为6.72亿美元、2021财年为8.55亿美元、2022财年颁布的量子研发预算授权为9.18亿美元、2023财年申请的量子研发预算授权为8.44亿美元。图中标有NQI字样的柱形图表示分配给NQIA授权活动的资金，这意味着这是基线量子信息服务研发活动预算之外的额外资金。《国家量子计划法案》颁布后的美国量子信息科学研发预算下图显示，政府在《量子信息科学国家战略概述》中划分的所有五个计划组成领域，即量子传感与计量(QSENS)、量子计算(QCOMP)、量子网络(QNET)、量子发展(QADV)和量子技术(QT)，都增加并保持了资金投入。人们普遍认为有必要增加资金。事实上，国家量子计划委员会讨论了其向国会提出的关于如何为下一轮国家量子计划提供资金的建议：其核心建议之一是持续增加资金。此外，私营部门往往只将研究重点狭隘地集中在具有商业相关性和经济效益的领域，而不是所有可能促进公共利益的领域。因此，联邦对量子服务研发的资助对确保有效开发新知识、新技术和新方法至关重要。为了保持竞争力，增加并持续提供资金尤为必要，因为其他一些国家也在对质量信息服务研发进行投资、有些国家对质量信息系统的资助远远超过美国。例如，英国正在启动一项为期10年的计划，作为其“国家量子战略”的一部分；欧盟投入量子计算的公共资金几乎是美国的四倍，而中国几乎是美国的八倍。问题是，多少资金才足以加速美国的量子计算创新并保持国家竞争力？这个问题很难回答，部分原因是，虽然政府通过NQIA增加量子研发资金的努力很容易量化，但这些努力所带来的益处却很难量化，因为很少有一致、全面的衡量标准来衡量美国QIS研究随着时间的推移发生了多大变化。——NQIA委员会可能拥有这些数据，作为其评估国家QIS创新计划的一部分，但它没有公开发布这些信息。不过，在其2023年3月提交给国家总局的书面意见中，能源科学联盟(Energy Sciences Coalition)——代表大学、工业和国家实验室的科学家、工程师和数学家的100多个组织建议， “从2024财年到2028财年的五年中，每年至少6.75亿美元”。美国国家科学基金会早在1999年的研讨会上就先知先觉地指出，量子研究具有深刻的跨学科性，该领域的进步将需要“具有广泛学科专业知识的人员共同努力”。遗憾的是，美国的研究机构在量子研究方面历来没有进行过有效的跨学科合作。美国国会的公共政策研究机构、国会研究服务部(Congressional Research Service)在2018年发布的一份关于量子的报告发现，“联邦各部门，甚至是部门内的机构和办公室，都在不同学科的大学赞助研发活动，以满足独特的联邦任务要求。因此，大学研究人员之间很难进行协调与合作”。美国国家科学基金会(NSF)和能源部(DOE)都在通过支持建立跨学科研究中心来克服这些机构障碍，尽管它们采取了不同的方法，以反映其不同的使命和资助重点。国家科学基金会的重点是促进大学中心和研究所的教师开展跨学科合作：截至2023年3月，该机构已资助了五个量子飞跃挑战研究所。另一方面，能源部已在自己的国家实验室建立了跨学科量子研究中心。作为国家量子计划评估工作的一部分，国家量子信息中心对量子合作的进展进行了评估、评估了量子合作和伙伴关系的进展情况，并发现总体而言，各中心之间的合作发展良好；然而，阻碍进展的一个问题是学术研究人员的行政负担。研发领先地位的一个重要组成部分是大学和国家实验室拥有世界一流的研究设施：量子用户设施、量子铸造厂和量子测试平台。量子铸造厂是专门开发和生产量子设备和系统材料的设施或组织。美国国家科学基金会为各大学的量子铸造厂提供资金，如加州大学圣巴巴拉分校的量子铸造厂和蒙大拿州立大学联合领导的MonArk，能源部也资助和主持量子铸造厂，如位于阿贡国家实验室的阿贡量子铸造厂(Argonne Quantum Foundry)：这是一个占地6000平方英尺的设施，专注于开发可扩展的半导体量子系统。量子测试平台是用于测试和实验量子计算硬件和软件的平台或系统。这些测试平台可包括实际的量子计算机，以及允许研究人员模拟量子系统行为的模拟工具、 软件和应用，并测试不同类型量子硬件的性能。美国曾经在为研究人员提供世界领先的研究设施方面独树一帜；但现在情况已不再如此。事实上，今天的美国已经落后于其他国家。能源部在2021年发布了一份报告，调查了世界各国如何投资建设和升级几个关键领域的研究设施，其中之一就是量子信息服务：- 虽然美国的设施在技术上处于领先地位，但对这些设施的使用需求却远远超出了其现有能力；其他国家对可比设施的使用更为广泛，但对这些设施的使用需求却远远超出了其现有能力。- 在其他国家，特别是欧洲，可利用的同类设施更为广泛。此外，美国以外的国家也拥有更多的辅助资源，如可为使用这些复杂设施的大学和工业用户提供帮助的科学家人数。NQIAC科学与基础设施小组委员会在其自身对研究设施状况的评估中重申了上述结论。不过，该委员会指出，美国私营部门的研究设施超过了其他国家，美国应充分利用这一优势。美国的人才政策涵盖K-12和高等教育阶段的量子信息服务教育、现有量子劳动力的培训以及吸引和留住外国人才的移民政策。K-12阶段的量子教育才刚刚起步。在美国，中小学教育的责任，包括学校融资、教师资格认证和课程设置都由各州承担，但联邦政府认识到，它可以在支持各州努力确保国家拥有一支熟练的量子人才队伍方面发挥作用。现阶段，联邦K-12量子教育计划的重点是推广和参与，即向中小学学生介绍量子技术和科学的概念。2020年8月，OSTP和NSF联手在联邦政府、行业、专业协会和教育界之间创建了国家Q-12教育合作伙伴关系，为课堂和课程材料奠定基础。它创建的资源包括帮助教育工作者将量子信息系 统融入科学、技术、工程和数学课程和课程的框架，如化学、物理和计算机科学(CS)课程中使用的框架，以及一个有用工具库，如用于量子教育的教科书、讲义和在线课程。然而，美国分散式教育方法的一个弊端是，它可能导致整合工作在深度和广度上的差异。考虑将量子信息学融入计算机科学课程，全国量子信息学伙伴关系将其视为向学生介绍量子信息学最有前途的潜在途径之一。只有53%的美国高中提供基础CS课程，50个州和哥伦比亚特区中只有27个州要求所有高中提供CS课程。此外，2018年美国国家科学基金会资助的一项研究发现，教授CS课程的地区存在差异，西部(44%)和东北部(43%)的学校比中西部(30%)和南部(24%)的学校更有可能开设CS课程。除美国的方法外，另一种方法是采用更加集中的、由政府授权的全国性方法，将QIS纳入科学、技术、工程和数学学科——如荷兰的方法。荷兰的量子物理学研究历史悠久：该领域的一些早期先驱就是荷兰人，但该国直到最近才开始将量子物理学作为国家课程的一部分进行教学。就背景而言，荷兰的教育系统与其他几个欧洲国家的教育系统一样，有几个轨道，为学生提供不同层次的教育，并为他们的不同职业道路做好准备。私营部门也在通过一系列不同的举措，从课后计划到黑客马拉松，加强学校的QIS整合。IBM启动了IBM量子教育者计划，为教育者提供资源和支持，以教授量子计算概念和技能。微软也推出了量子开发工具包，其中包括教育工作者教授量子计算概念的资源，以及供学生学习如何为量子计算机编程的教程和示例。虽然目前还没有全面的数据显示营利性公司为量子教育做出了多大贡献，但此类倡议和计划表明，人们对支持量子教育的兴趣和投资在不断增长。在美国高中，与量子信息学相关的STEM教育并不完善，而在美国的高等教育机构中，STEM课程却非常强大，而且越来越多地融入了量子课程，吸引了来自世界各地的学生。在本科阶段，很少有大学开设专门的量子信息科学专业；相反，与量子信息科学相关的课程通常被作为选修课，选修STEM本科学位的高年级课程。与量子信息相关的具体课程在硕士阶段更为常见，如在物理学、工程学和计算机科学等学科的硕士阶段，与量子信息相关的具体方向更为常见。量子信息科学相关的方向通常也在现有的物理学或计算机工程学等博士课程中提供。最近，哈佛大学推出了一个独立的量子科学与工程博士项目。首先，量子行业有许多工作机会，从量子算法开发人员和纠错科学家等高度具体的工作机会，到商业、软件和硬件部门中更广泛的工作类别，不一而足。硬件部门的更广泛的工作类别需要一系列技能，其中大部分与量子无关。教育工作者在开发新的课程和学位项目时，应考虑量子专业课程与更通用的STEM课程之间的平衡。其次，公司正在寻找各种学位水平的人才来填补新的量子职位，从学士到硕士再到博士，但对研究生学位的要求更为普遍。因此，大学最好继续在硕士阶段开设专门的量子信息管理系统课程，并在学士阶段的现有课程中融入单门课程或课程。美国建立了一个以问题为中心、由行业主导的联盟——QED-C，该联盟的主要重点是扶持和发展量子产业。并非只有美国建立了这样的机构，其他三个地区也有类似的联盟：日本量子革命战略产业联盟、加拿大量子产业和欧洲量子产业联盟。它们都在开展类似的重要工作。但QED-C在两个特定领域对美国至关重要：确定供应链依赖性和支持商业化。量子计算机似乎是供应链问题最受关注的QIS技术。在2022年的一份报告中，QED-C指出：“根据对量子计算商业实体的调查，在整个QC生态系统的商业实体进行的调查显示，人们非常担心在未来几年内会出现与量子计算相关的严重供应链中断。潜在的点广泛分布在供应链的各个环节，从确保获得必要的原材料。”政府问责局在2021年的一份报告中指出：“量子技术供应链是全球性和专业化的。量子技术供应链是全球性和专业化的。鉴于供应链的复杂性，如果供应链中的某个环节出现问题，就可能导致技术开发延误和其他挫折。”在某些情况下，美国依赖其盟友。例如，芬兰和英国在开发和生产低温装置方面处于领先地位；这些设备对于创造某些量子计算机运行所需的极冷条件是不可或缺的。然而，在其他方面，美国却依赖于中国：中国主导着稀土离子市场，而稀土离子是制造量子计算机最通用的材料之一。目前，QIS技术还没有稳定的供应链，因为该领域在不断发展。针对近期问题，QED-C与市场情报公Hyperion Research合作，于2022年开展了一项调查，探讨量子计算机公司在未来三年内可能面临的材料、组件和量子计算机成品供应链问题。当被问及最有可能导致供应链中断的原因时，获得关键原材料和制造或装配设备是两个最常见的答案。大规模量子系统（尤其是量子计算机）的发展取决于能否扩展目前使用的小型系统。正如美国国家科学院、工程院和医学院2019年的一份报告所指出的，从历史上看，量子计算机的发展并不顺利。技术系统的增长源于一个良性循环，即更好的技术带来更多收入，公司将收入再投资于研发，这反过来又吸引了新的人才和公司，帮助技术更上一层楼。要开启量子信息服务技术的良性循环，关键在于为目前正在开发的量子技术的近期应用创造一个不断增长的市场，而这反过来又取决于一个由学术界、政府和商业参与者组成的充满活力的生态系统。遗憾的是，美国的政策并没有充分重视支持近期的量子应用。认识到这一点后，QED-C于2022年9月发布了一份报告，呼吁美国政府支持公私合作伙伴关系(PPP)，以帮助加速近期量子计算机的应用；这些评论与数据创新中心在其2021年报告《为什么美国需要支持近期量子计算应用》中的观点不谋而合。这两份报告都特别呼吁美国联邦政府制定一项计划，鼓励企业针对公共部门的问题提出创新的量子解决方案。通过从需求方挑战行业为公共部门的需求开发创新解决方案，政府将把美国的城市作为成功的第一批客户，从而提高美国城市在量子计算领域的竞争力。其他国家也已经在这样做。例如，英国设立了“量子技术商业化挑战”，政府提供约1.74亿英镑（约合2.14亿美元）的资金，产业界提供3.9亿英镑（约合4.8亿美元）的资金，支持由产业界主导的项目，这些项目涉及政府工业战略的以下四个主题：清洁增长、老龄化社会、未来交通和人工智能。截至2022年秋季，该挑战已为英国注册企业主导的139个项目提供了资金。加拿大政府也注重商业化。加拿大政府还在 2022 年发布了一项挑战，“寻求可在现实环境中进行测试并能解决加拿大政府内部各种优先事项的商业前创新原型”，这一试点项目为中小型企业提供了直接向加拿大政府出售其创新成果的机会。量子正在地缘政治环境中崭露头角。美国理所当然地试图与志同道合的伙伴合作，协调QIS技术的开发；美国还在考虑建立出口管制，以保护量子信息服务。现在，美国已与澳大利亚、加拿大、丹麦、法国、芬兰、印度、日本、荷兰、瑞典、瑞士和英国等国签署了多项关于量子信息服务的双边合作协议。美国政府将需要提供新的专项研究资金，以确保国际合作在科学上富有成效，并将这些协议的谈判和实施置于适当机构的领导之下，这样才能使这些协议结出硕果。欧洲实施国际量子合作的方法值得称赞，美国应努力效仿。欧盟已经为一项名为量子旗舰国际量子技术合作(InCoQFlag)的计划提供了约592,400欧元（645,000美元）的资金，该计划旨在确定双赢局面，与在量子技术方面投入巨大的国家开展合作。该项目由法国原子能和替代能源委员会（一家公共研究机构）领导，汇集了欧洲领先的量子技术研究机构和研究人员。最终目标是在2023年底之前为国际合作伙伴关系制定出一份路线图，欧盟可以利用该路线图建立有利的合作伙伴关系。出口管制是指对出口到不同目的地的实物、软件、技术，有时是服务进行管理的规则。在美国，商务部工业与安全局(BIS)根据《出口管理条例》监管敏感技术的出口，包括与量子技术相关的技术。虽然BIS多年来一直在考虑对量子技术的出口管制（对这一问题的讨论跨越了拜登和特朗普两届政府），但具体的进展或者说是对量子技术的出口管制仍未取得进展。政府似乎正在努力避免采取一种“快刀斩乱麻”的方法，考虑到该行业的新生性质以及严厉的出口管制可能会对国内经济增长产生的抑制作用，这样做是有道理的。现在，许多国家都正在积极追求量子技术的进步。一些国家和地区，如英国、澳大利亚和欧盟，已经启动了广泛的研究计划和项目，旨在加强其在量子领域的地位；其中一些国家和地区在规模和范围上都超过了美国，这使得美国在量子领域的领导地位远未得到保证。量子技术不仅对国家安全十分重要，而且有可能对经济和社会产生变革性影响。站在这一技术前沿的最前沿对美国的经济和社会福祉都具有至关重要的战略意义；美国政府应立即采取积极措施，保持其领先地位。1）重新授权NQIA，并在2024财年至2028财年期间每年至少拨款5.25亿美元（芯片资金除外）。2）全额资助由《芯片和科学法案》授权的量子科技用户扩展计划(QUEST)，以提高研究人员对美国量子计算资源的可及性。3）在能源部(DOE)内设立量子基础设施计划，帮助满足研究人员的设备需求，作为《国家量子信息基础设施计划》(NQIA)重新授权的一部分。4）为《芯片和科学法案》中授权的国家科学基金会量子教育试点计划提供充足资金，该计划将在未来五年内拨款3200万美元，用于支持K-12学生的教育和教师在量子信息服务基本原则方面的培训。5）指导国家科学基金会与美国国家标准与技术研究院(NIST)合作，对量子劳动力的需求、趋势和教育能力进行系统研究。6）授权并资助一项由DOE领导的培训计划，让攻读学士、硕士或博士学位的学生与DOE国家实验室合作，亲身体验量子信息服务。7）指示商务部与量子经济发展联盟(QED-C)合作，审查量子供应链并识别风险。8）指导并资助最近在国家科学基金会(NSF)内成立的技术创新局(Directorate for TIP)建立量子测试平台，以开展使用启发式研究。9）指示能源部建立并领导一项计划，邀请盟国共同投资量子项目。10）指示NIST在重新授权NQIA时，优先考虑促进美国，特别是美国行业利益相关者参与国际标准论坛。每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！