美国量子信息科学发展面临的前景与挑战

7月22日，美国家科学技术委员会发布《先进量子信息科学：国家挑战及机遇》报告。报告总结了量子信息科学的应用前景，分析了美国在该领域发展所面临的挑战，以及目前的投资重点等。

一、量子信息科学的应用前景

1.量子探测与计量量子信息科学在探测与计量领域具有多种用途。原子干涉仪除用于惯性导航外，经改装后也可作为重力仪，用于地球系统监测、矿藏精确定位等。量子授时装置，如美国家标准与技术研究所研制的量子逻辑钟，是目前世界上精度最高的授时装置之一。光子源及单光子探测技术可用于提高光敏探测器的校准精度，开展微量元素探测。2.量子通信量子通信是目前较活跃的研究领域。其中，量子密钥分配研究近期受到广泛关注。近期，量子通信还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定等。远期应用方面，量子网络将连接分布式量子传感器，用于全球地震监测。未来5～10年，将开发出可靠的光子源及相关技术，实现远距离量子信息传输，并推动量子处理器间数据共享协议的相关理论研究。3.量子模拟量子模拟器使用易于操控的量子系统，来研究其他难于直接研究的量子系统（如复合材料）的属性。传统的高性能计算机囿于自身内在性能所限，无法处理一些计算科学问题，但量子模拟可以提供有效解决方案。基于不同技术研制的量子模拟器原型机已在实验室环境得到验证，包括：利用囚禁离子阵列模拟了磁性材料，利用冷原子和量子点模拟了简单化学反应的动态过程。长期来看，量子模拟可能促成对特殊材料（如高温超导体）属性的理解、对复杂分子相互作用情况的预测，并探索出新的核物理与粒子物理模型。4.量子计算目前，已开发和验证了多种量子算法，开发出量子计算机实验原型机，并将其推向实用化阶段。例如，一家商业公司已研制出一种5个量子比特的处理器，可通过互联网供研究领域使用。虽然仍有大量算法需要进一步验证，但未来5年内，拥有数十个量子比特的量子计算系统可能问世。研发通用量子计算机是一项长期挑战，需要继续致力于算法、编程语言及编译器的开发。

二、量子信息科学对基础科学的促进

量子信息科学有望促成物理学、化学、生物学、材料科学等基础科学领域的重大进步。利用量子系统开展的高精度测量已在生物领域用于探测细胞内部，在物理学领域用于检验基本对称性及寻找暗物质。用于简洁表达量子态的张量网络已经发展出用于材料模拟的新算法，并在解决理论凝聚态物理学长期难题方面取得了进步。量子信息方面的数学技术也越来越多地应用于解决很多传统计算机科学领域的难题。

三、量子信息科学面临的挑战

虽然量子信息科学目前取得了重大进步，但美国在该领域的发展仍面临一系列挑战。1.体制障碍大部分量子信息科学研究都在现有制度框架内开展。量子信息科学的未来发展需要扩大不同部门之间的合作。超越体制藩篱，鼓励合作研究，将不同领域专业人员聚集在一起，将能够推进量子信息科学的更好进展。2.教育和人员培训单一学科教育已不足以支撑量子信息科学的继续发展。量子信息科学不仅是物理学问题，还涉及计算机科学和应用数学。电子工程和系统工程对于推动量子信息科学的发展也十分重要。深入理解量子机制，需要推进基础研究和技术应用研究，需要多学科领域专业人才的共同参与。3.技术与知识的转化随着量子信息科学逐步从实验室环境走向市场应用，有关知识必须从大学和国家实验室转移给私营领域的技术人才。目前，美国缺乏一个将实验室原型机转化为市场产品的工作框架；量子信息科学应用还不成熟，目前该领域的知识产权主要由大学垄断。此外，还缺乏具备相关能力的合格毕业生满足公司的专业技能需求。4.材料与制造量子信息科学应用的发展依赖于具有合适量子特性的材料，以及相关硬件制造能力。某些量子信息科学领域的发展已经受到量子材料制造能力的限制。量子信息科学应用的设计、集成及制造至今仍面临许多工程挑战。5.稳定的经费投入研究经费的长期不稳定，对量子信息科学技术发展和人才培养造成了不利影响。

四、美国防部对量子信息科学的投资

当前，美国政府每年斥资约2亿美元资助量子信息科学领域的基础和应用研究。美国防部作为重要参与部门，其投资重点包括精确导航和授时、安全量子网络等多个领域。目前，国防部长办公厅支持的“三军量子科学与工程项目”，将联合军兵种实验室，开发可扩展的量子网络以及实用化的量子存储器，验证高灵敏度传感器。陆军研究实验室启动了一项基础研究工作，将联合空军研究实验室、学术界以及工业界，研究一种多站点、多节点的模块化量子网络。美国防高级研究计划局（DARPA）将持续资助量子信息科学不同领域的项目，其中①“量子辅助传感与读取”项目寻求研发在低于或近于标准量子极限条件下工作的传感器；②Quiness项目正在探索改进量子通信的各种方案；③“光学晶格仿真器”项目旨在模拟原子系统中量子材料的属性；④“量子纠缠科学与技术”项目寻求克服量子信息科学领域突出挑战的创新性方案；⑤近期启动的“光子探测的基础极限”项目旨在研发促进光子探测器建模与制造方面革命性进步的创新方案。

来源：美国海军首席信息官网站/图片来自互联网中国国防科技信息中心 王璐菲如需转载请注明出处：“国防科技要闻”（ID：CDSTIC）

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