美國國家量子倡議：從法案到行動

編譯 星野

桑迪亞國家實驗室制造的一個由鍍金電極組成的半導(dǎo)體芯片離子阱，將單個原子離子量子比特懸浮在芯片表面之上。芯片（領(lǐng)結(jié)形狀）大約有10毫米寬。該嵌體是80個171Yb+離子在散射激光輻射下發(fā)光的放大圖像

雖然量子信息科學(xué)技術(shù)（QIST）是基于許多學(xué)術(shù)界所熟悉的基本物理原理，但對實際制造可靠量子設(shè)備的許多工業(yè)和工程人員來說仍然是陌生的。近年來，QIST的工業(yè)投資大幅增長，但該領(lǐng)域還處于萌芽階段，量子技術(shù)的建設(shè)面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這種機(jī)遇、需要和挑戰(zhàn)的結(jié)合表明，各國政府將在發(fā)展QIST及其生態(tài)系統(tǒng)以及為社會利益轉(zhuǎn)化相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)方面發(fā)揮重大作用。我們簡述了一個這樣的倡議，即美國國家量子倡議（NQI），并討論了它如何能夠在推動QIST方面發(fā)揮重要作用。

傳統(tǒng)的信息技術(shù)基于比特——信息的基本單位——它具有兩個可能的值：0或1。在微觀層面上，量子物理學(xué)允許以一種非常不同的方式來表示和處理信息?；疚矬w如光子或電子，可以放置在量子疊加態(tài)中，其中包含出現(xiàn)觀察的兩種狀態(tài)的任何一種的可能性。

美國對QIST的早期投資甚至在彼得·肖爾（Peter Shor）發(fā)現(xiàn)以他名字命名的量子分解算法之前就開始了，量子分解算法是密碼學(xué)的核心。美國情報機(jī)構(gòu)和國防部對美國及海外的學(xué)術(shù)和政府實驗室的量子信息科學(xué)研究進(jìn)行了大量投資。從20世紀(jì)80年代起，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）在其實驗室開展的研究工作持續(xù)增長；國家科學(xué)基金會（NSF）在支持不同的QIST研究人員方面有著30年的記錄。最近，美國能源部（DOE）科學(xué)和實驗室辦公室擴(kuò)大了以團(tuán)隊為基礎(chǔ)的努力，美國宇航局（NASA）等機(jī)構(gòu)也繼續(xù)進(jìn)行規(guī)模較小的研究和開發(fā)。

現(xiàn)在，“國家量子倡議法案”在國會獲得了兩黨的大力支持，并在2018年末被特朗普總統(tǒng)簽署成為法律。該法案指示NIST、NSF和DOE與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私營企業(yè)合作，主要通過形成NQI來推動QIST的增長。NQI希望遵循“科學(xué)第一”的方法，刺激學(xué)術(shù)界、政府實驗室和工業(yè)界的新技術(shù)開發(fā)和使用。在其他國家走上類似的道路時，這一辦法將使跨國合作成為可能。

從比特到量子比特

量子信息科學(xué)旨在開發(fā)新的信息處理系統(tǒng)形式，涵蓋三大類：感知、計算（包括模擬）和網(wǎng)絡(luò)。其基本理論提供了對自然的基礎(chǔ)科學(xué)見解：例如，理解復(fù)雜的相互作用系統(tǒng)和黑洞。更實際地，原子鐘、先進(jìn)的激光干涉儀和核磁共振的出現(xiàn)和影響表明，量子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展可能會為許多其他領(lǐng)域帶來巨大的科學(xué)機(jī)會。正如LIGO引力波探測器使科學(xué)家能夠用新的眼睛觀察宇宙一樣，量子技術(shù)打開了由量子物理學(xué)定律管轄的領(lǐng)域的窗口。量子計算機(jī)將通過提供計算能力來模擬當(dāng)前許多難以解決的問題，從而促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。

感知QIST的長期目標(biāo)是開發(fā)利用量子物理學(xué)的增強(qiáng)傳感器。有些設(shè)備，如原子鐘或激光測距儀，利用量子物理學(xué)中眾所周知的方面來提供不可思議的精確性。另一些人則從事更深奧的領(lǐng)域，如量子糾纏，以獲得在新的機(jī)制中（如在活細(xì)胞內(nèi)）的性能或感知上的數(shù)量級改善。

下一代量子傳感器預(yù)計將在幾個領(lǐng)域超過現(xiàn)有技術(shù)：基于原子干涉儀的重力傳感器和加速度計，用于地質(zhì)勘測和無GPS的導(dǎo)航；納米級金剛石磁場傳感器，用于生物和醫(yī)學(xué)研究，如單個分子的納米功能成像和生物醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)；量子技術(shù)，可增強(qiáng)光學(xué)測量的靈敏度和穩(wěn)健性。

計算遠(yuǎn)期的目標(biāo)是構(gòu)建量子計算機(jī)，它將使用基本的量子物體來表示和處理量子比特。量子計算機(jī)不是將每一比特信息（作為0或1）存儲在由數(shù)百萬個原子組成的每個硬件組件中（使其受經(jīng)典物理學(xué)的支配），而是以一種受量子物理控制的方式存儲信息（例如，將每一比特信息存儲在單獨(dú)的單個原子中）。量子行為模式（包括疊加和糾纏）使計算機(jī)的運(yùn)行方式與經(jīng)典數(shù)字計算機(jī)不同。

雖然許多計算對于量子計算機(jī)來說仍然是令人望而生畏的，但在一些關(guān)鍵應(yīng)用程序中，量子計算機(jī)的性能明顯優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)。一臺功能齊全的量子計算機(jī)將從根本上提高我們在以下方面的能力：模擬核物理和高能物理；設(shè)計新的化學(xué)物質(zhì)、材料和藥物；打破常見的密碼；執(zhí)行更多的推測性任務(wù)，如建模、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別和優(yōu)化電網(wǎng)或交通控制系統(tǒng)等復(fù)雜的物流問題。

這場競賽將超越目前少量高質(zhì)量量子比特或大量低質(zhì)量量子比特的現(xiàn)狀，建造第一代通用可編程量子計算機(jī)。在未來的幾年里，量子計算機(jī)將擁有100多個高質(zhì)量的量子比特，以及傳統(tǒng)計算機(jī)不能提供答案的第一批計算。長期目標(biāo)仍然是在升級設(shè)備、容錯等方面，以便充分發(fā)揮量子計算的潛力。

通信網(wǎng)絡(luò)QIST的第三個主要目標(biāo)是開發(fā)能夠在遠(yuǎn)地點之間發(fā)送量子比特的全球通信系統(tǒng)。使用量子比特而不是傳統(tǒng)比特可以在各方之間創(chuàng)建共享的隨機(jī)性，同時知道通信信道是否已被竊聽者破壞，這樣可以安全發(fā)送信息。

量子通信可以允許多方之間的安全通信，允許通過“量子互聯(lián)網(wǎng)”使大型量子計算機(jī)互連。很有前途的短期應(yīng)用是部署由連接的高精度原子鐘組成的全球網(wǎng)絡(luò)，以提高整個網(wǎng)絡(luò)的計時精度。例如，對于更精確的GPS和其他對位置敏感的應(yīng)用程序來說，這是必需的。

雖然這三個方面似乎是獨(dú)立的，但它們將共同進(jìn)步和發(fā)展。建造大型量子計算機(jī)幾乎肯定需要小型量子計算機(jī)的模塊化網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由類似多核常規(guī)處理器結(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò)連接。長距離量子通信可能需要安裝在節(jié)點之間的小型量子計算機(jī)作為“中繼器”。先進(jìn)的量子傳感器，如改進(jìn)的單光子或單自旋探測器，將在量子計算和通信中得到應(yīng)用。

塑造量子技術(shù)

量子技術(shù)有許多可用的物理平臺，它們與傳統(tǒng)的信息處理設(shè)備有很大的不同。量子系統(tǒng)必須與環(huán)境隔離，以保持量子存儲器中量子比特的疊加和糾纏。這需要一些奇異的特性，如低溫、超導(dǎo)電路、固態(tài)晶體的原子級完美性、超高真空環(huán)境或電磁約束單個原子的激光控制。在存儲位置之間傳輸量子信息很可能需要使用量子電磁場（光子），這種電磁場通過空氣傳播或在光纖中傳播，幾乎沒有衰減。

從已建立的單比特行為擴(kuò)展到多個量子比特的操作可能需要上述技術(shù)的結(jié)合。大規(guī)模量子計算機(jī)或通信網(wǎng)絡(luò)可以用光纖、光子開關(guān)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接在一起。集成多種形式的量子技術(shù)，包括硬件和軟件，是發(fā)展量子信息技術(shù)的核心。

使量子技術(shù)獲得成果，需要自下而上和自上而下的方法來整合量子信息網(wǎng)絡(luò)或計算機(jī)的各個部分。單個量子平臺（如超導(dǎo)電路、半導(dǎo)體中的單個自旋或被俘獲的原子離子）的專家必須將其相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計的如此可靠，才能使非專家和軟件設(shè)計者能夠利用這些系統(tǒng)來創(chuàng)造未來的應(yīng)用。

風(fēng)險量子技術(shù)的眾所周知的范例是：這樣的計算機(jī)可以破壞我們目前許多數(shù)據(jù)加密方法的安全性，而這些方法是基于很難找到的大數(shù)因子。與任何已知的經(jīng)典算法相比，肖式量子因子分解算法在密碼分析中提供了指數(shù)級的加速。這就帶來了這樣的風(fēng)險：根據(jù)安全的超文本傳輸協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)可能會停止正常工作。盡管數(shù)學(xué)家正在開發(fā)新的加密方法，這種加密方法不會被量子計算機(jī)破解，而且像NIST這樣的政府機(jī)構(gòu)正在與工業(yè)界合作實現(xiàn)和部署這些加密方法，但還沒有證明任何純粹基于數(shù)學(xué)的加密方法是不可破解的。

另一個與巨大而昂貴的努力相關(guān)的風(fēng)險是意外失敗。雖然科學(xué)上的共識很清楚，創(chuàng)造量子技術(shù)不存在基于物理的基本障礙，但這樣做所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)可能比目前所認(rèn)為的要艱巨得多。眾所周知，量子比特容易受到一些因素的擾動，比如操作中最微小的“誤差”、計算機(jī)系統(tǒng)中存在的電氣噪聲等。理論家已經(jīng)證明，只要錯誤率足夠低，并且正確理解錯誤的本質(zhì)，就可以管理和糾正這些錯誤；不過，可能會出現(xiàn)意想不到的錯誤或失敗模式。對這些噪音和錯誤的研究將構(gòu)成研發(fā)工作的很大部分。

其他潛在風(fēng)險屬于尚未發(fā)現(xiàn)的廣泛范疇。量子技術(shù)可能會給隱私和社會控制帶來意想不到的風(fēng)險，這與傳統(tǒng)的信息技術(shù)和人工智能沒有什么不同。隨著能力變得更加清晰，法律和道德問題也開始無法忽視。

學(xué)術(shù)路徑與工業(yè)路徑

大學(xué)的科學(xué)家善于發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)或應(yīng)用科學(xué)的新原理，工業(yè)界擅長將這些原理轉(zhuǎn)化為精心設(shè)計的產(chǎn)品。在成熟的學(xué)科如經(jīng)典光學(xué)工程中，存在將科學(xué)發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品開發(fā)聯(lián)系起來的完善整體關(guān)系，其中的技術(shù)轉(zhuǎn)讓活動是常規(guī)的。在QIST中不存在這樣的整體關(guān)系，大學(xué)不容易獲得最先進(jìn)的設(shè)計和制造能力，而工業(yè)界很少具備將量子科學(xué)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品所需的深厚物理學(xué)專業(yè)知識。

因此，需要在基礎(chǔ)科學(xué)家和工程師之間架起一座橋梁，學(xué)習(xí)如何將量子科學(xué)轉(zhuǎn)化為量子技術(shù)。在短期內(nèi)，可以通過建立包括這兩個群體的專門團(tuán)隊來實現(xiàn)，使其在共同的、明確的目標(biāo)上共同努力。需要將注意力集中在復(fù)雜的因素上，比如知識產(chǎn)權(quán)以及高校和工業(yè)之間不同的獎勵文化。

從長遠(yuǎn)來看，我們必須發(fā)展一支擁有量子智能的人才隊伍。大學(xué)可以培養(yǎng)更多的量子工程師和基礎(chǔ)科學(xué)家，他們希望與工程專業(yè)人員一起工作。挑戰(zhàn)在于培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)術(shù)生涯早期對QIST的興趣，同時迅速提高大學(xué)的新課程水平，以滿足行業(yè)的實際需求。

QIST的硬件和軟件方面都需要更多的人才。在軟件方面，許多大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系剛剛開始招聘專門研究QIST算法的教師。工業(yè)界可以通過向有興趣的系科提供資金或物資來鼓勵聘用相關(guān)的教職工，政府可以利用現(xiàn)有的機(jī)制來鼓勵新的課程和教員的發(fā)展，大學(xué)應(yīng)認(rèn)識到QIST是計算機(jī)科學(xué)的日益發(fā)展的方面，并在這一領(lǐng)域創(chuàng)造新的教師職位。

向前發(fā)展

NQI將支持個人和大規(guī)模集中式的科研新項目，同時在勞動力發(fā)展和工業(yè)參與方面采取綜合的方法。這一廣度強(qiáng)調(diào)需要對QIST采取全面的政府方式。許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，不同的目標(biāo)和任務(wù)推動了研究的不同方面。雖然NQI由NIST、NSF和DOE主導(dǎo)，但協(xié)調(diào)這些努力與國防和情報界的補(bǔ)充，可以改善研究資金的使用和基礎(chǔ)設(shè)施的使用。

白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室召集了國家科學(xué)技術(shù)理事會量子信息科學(xué)委員會（SCQIS），該委員會能夠協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以外的機(jī)構(gòu)，并凸顯“國家量子倡議法案”的機(jī)會。2019年3月新成立的國家量子協(xié)調(diào)辦公室將提供連接利益相關(guān)者的集中手段。

NQI能夠改善私營部門與學(xué)術(shù)界和政府的接觸。NIST發(fā)起的量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（Quantum Economic Development Consortium）等工業(yè)聯(lián)盟，由小規(guī)模和大規(guī)模集中式的努力所促成的創(chuàng)新驅(qū)動的研究和開發(fā)，都是這一方法的一個方面。另一個方面是：通過與資本合作和提供及時、有用的信息，促進(jìn)創(chuàng)業(yè)和鼓勵適當(dāng)投資。

這些協(xié)調(diào)和工業(yè)界參與可以與利用共享設(shè)施和新的基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合。NQI相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施在一定程度上借鑒了粒子物理學(xué)和天文學(xué)等其他科學(xué)領(lǐng)域的研究，這些領(lǐng)域的研究速度超過了個人或團(tuán)體的能力，將有助于推動技術(shù)和研究的優(yōu)勢。

各機(jī)構(gòu)仍將保持很大的獨(dú)立性，以確保以科學(xué)優(yōu)先的方式進(jìn)行研究。國家科學(xué)基金會宣布了各種新的機(jī)會，如量子躍遷挑戰(zhàn)研究所；能源部正在與利益相關(guān)者合作，開展大規(guī)模的努力以擴(kuò)大他們蓬勃發(fā)展的QIST組合。這一項目的迅速增長使推動基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的研究共同體面臨挑戰(zhàn)。與此同時，在政府、學(xué)術(shù)和工業(yè)利益相關(guān)者之間建立聯(lián)系——從一線研究人員到構(gòu)建功能良好的量子設(shè)備的團(tuán)隊，到最終用戶企業(yè)和個人——將有助于實現(xiàn)QIST可以提供的機(jī)會。在這個共同體中保持開放的討論將有助于緩解許多挑戰(zhàn)，從人才增長的需求到更好的經(jīng)濟(jì)預(yù)測，到解決科學(xué)問題。這些對話反過來可以減少研究工作的零散性，改善投資者的決策和風(fēng)險評估，并促進(jìn)研究驅(qū)動型產(chǎn)品的創(chuàng)新周期，進(jìn)而驅(qū)動收益增長，從而導(dǎo)致更多的研究投資。

NQI還可以改善國際合作、機(jī)構(gòu)發(fā)展以及擴(kuò)大QIST開放標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域的國際伙伴關(guān)系。例如，歐盟、英國、日本、加拿大、澳大利亞和中國正在采取重大的QIST舉措。國際合作伙伴的這類QIS倡議和投資為QIS研究提供了寶貴的資源。促進(jìn)志同道合的利益攸關(guān)方的國際合作（從教育到發(fā)展）將確保健康的科學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的向前發(fā)展。