國際量子計算戰(zhàn)略布局比較分析*

田倩飛 唐 川 王立娜

（1.中國科學院成都文獻情報中心，成都610041；2.中國科學院大學經濟與管理學院圖書情報與檔案管理系，北京100049）

量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律、調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，擁有經典計算技術難以企及的并行計算能力，有望成為滿足未來計算需求、加速科技創(chuàng)新的新引擎［1］。在歷經20世紀90年代前的理論探索時期、20世紀90年代的編碼算法研究時期后，量子計算研究邁向了21世紀以來的技術驗證、原理樣機研制和實際應用探索階段。未來，量子計算可用于人工智能、藥物開發(fā)、量子化學、新材料設計以及復雜優(yōu)化調度等多個領域方向［2］，對各國科技創(chuàng)新、產業(yè)發(fā)展乃至經濟社會的諸多方面帶來顛覆性影響。

在新一輪信息科技革命和產業(yè)革命的背景下，量子計算已成為世界各國搶占經濟、軍事、安全、科研等領域全方位優(yōu)勢的戰(zhàn)略制高點。為搶先獲得“量子優(yōu)勢（quantum supremacy）”，掌握技術制高點、標準制定權和輿論主導權，全球主要發(fā)達國家/地區(qū)已將量子計算發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略高度，紛紛發(fā)布量子信息科技戰(zhàn)略，部署一系列體系化的量子計算發(fā)展舉措，指導政府、學術界、產業(yè)界等諸多利益相關者協同解決量子計算技術的發(fā)展障礙。本文重點剖析美國、歐盟、英國、日本的量子計算相關戰(zhàn)略、路線圖與項目等，并對我國量子計算發(fā)展提出啟示建議。

1 國際量子計算戰(zhàn)略部署概覽

1.1 美國立法保障量子信息科學發(fā)展

美國是最早將量子信息技術列入國家戰(zhàn)略、國防和安全研發(fā)計劃的國家。早在20世紀90年代中期，美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）以及國防部（Department of Defense，DOD）即圍繞量子信息科學召開研討會。2015年，量子信息科學成為《國家戰(zhàn)略計算計劃》（第13702號總統(tǒng)行政令）中的關鍵部分［3］。2016年7月，美國國家科學技術顧問委員會（National Science and Technology Council，NSTC）發(fā)布《推進量子信息科學：國家的挑戰(zhàn)與機遇》報告，指出量子計算能有效推動化學、材料科學和粒子物理的發(fā)展，未來有望顛覆人工智能等諸多科學領域［4］。2018年6月，美國眾議院科學委員會通過《國家量子法案》，計劃在10年內撥給能源部（Department of Energy，DOE）、NIST和國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）12.75億美元，全力推動量子科學發(fā)展，“制造量子計算機”是其三大目標之一［5］。2018年9月，NSTC發(fā)布《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》，系統(tǒng)總結了量子信息科學帶來的挑戰(zhàn)、機遇，以及美國為維持和擴大在量子信息科學領域的領導地位應做出的努力［6］。2019年8月，特朗普簽署第13885號總統(tǒng)行政令，成立“國家量子計劃咨詢委員會”以負責評估量子計算等技術的趨勢和發(fā)展狀況［7］。2020年2月，美國白宮國家量子協調辦公室發(fā)布《美國量子網絡戰(zhàn)略遠景》報告［8］，提出將量子計算機和其他量子設備連接成龐大的量子互聯網，重點應用于國家和金融安全、患者隱私、藥物發(fā)現、新材料的設計和制造，以及宇宙科學等技術領域。

1.2 歐盟10億歐元資助量子旗艦計劃

歐洲高度重視量子信息技術對國家安全、經濟發(fā)展等方面的影響，投入大量資源以發(fā)展相關技術。2005年，歐盟第七框架計劃發(fā)布《歐洲量子科學技術計劃》和《歐洲量子信息處理與通信計劃》，這是繼歐洲核子中心、航天技術之后，在量子信息技術領域發(fā)起的新一輪大規(guī)模國際合作［9］。

2016年4月，歐盟針對量子技術旗艦計劃投資10億歐元，力爭在第二次量子革命中搶占先機［10］。2018年10月，歐盟理事會正式啟動總經費高達10億歐元的量子技術旗艦計劃，主要開展量子通信、量子計算、量子模擬、量子計量和傳感、基礎科學5大領域研究，旨在為歐洲建設一個量子網絡，用于連接量子計算機、模擬器與傳感器［11］。

1.3 英國發(fā)布量子技術戰(zhàn)略與路線圖

英國高度重視量子信息科學的基礎研究，近年來，正逐步轉變?yōu)榛A研究和商業(yè)應用并重。2013年，英國政府針對“國家量子技術計劃”（第一階段2014—2019年）投資2.7億英鎊，并成立量子技術戰(zhàn)略顧問委員會。2015年，創(chuàng)新英國（Innovate UK）、英國工程與物理科學研究理事會（Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）發(fā)布《國家量子技術戰(zhàn)略》和《英國量子技術路線圖》，旨在十年內逐步將量子系統(tǒng)組件、量子通信、量子傳感器、量子原子鐘、量子增強影像等一大批量子信息技術實現商業(yè)化應用，并在二十年內實現量子計算的商業(yè)化［12］。2018年，英國政府針對“國家量子技術計劃”（第二階段2020—2024年）投資3.15億英鎊，支持新建一個國家量子計算中心，以及其他4個量子中心（其中量子計算和模擬中心由牛津大學領導）［13］。2019年6月，英國時任首相宣布投資1.53億英鎊發(fā)展量子計算技術［14］。

1.4 日本發(fā)布量子飛躍旗艦計劃

日本于2001年起布局并重點研發(fā)量子技術。2017年2月，日本量子科技委員會發(fā)表了名為《關于量子科學技術的最新推動方向》的中期報告，指出日本學者在超導量子比特、自旋量子比特等事關量子計算的關鍵性技術方面提出了具有原創(chuàng)性的理論；應發(fā)揮日本在物理學、材料學方面的長期優(yōu)勢，在超導量子比特、自旋量子比特的集成化方面，重點發(fā)展與電子回路設計、格式化、過程化相關的半導體技術和光技術；將量子計算應用于實現最優(yōu)化組合，如物聯網時代物流和資源的配比、人工智能方面的信息處理等［15］。2018年，日本文部省發(fā)布“量子飛躍旗艦計劃”，10年總投資達200億日元，支持量子模擬與計算、量子傳感、超短脈沖激光器等三大關鍵方向。其中，“量子模擬與計算”項目以研發(fā)通用型量子計算機為目標［16］。

2 國際量子計算路線圖與項目比較分析

2.1 量子計算相關計劃/路線圖比較

美國、歐盟、英國和日本都投入大量經費發(fā)展量子信息科學，本文選取上一節(jié)提及的各國/地區(qū)量子計算相關的重要戰(zhàn)略與路線圖——即美國《國家量子法案》、歐盟量子技術旗艦計劃、《英國量子技術路線圖》、日本量子飛躍旗艦計劃，開展路線圖目標比較（表1）。在量子計算領域，歐盟、日本的3年或5年短期目標關注于提升量子比特的容錯性以及開發(fā)數十位量子比特的處理器，中期目標是開發(fā)量子計算機原型；美、歐、英、日的10年或更長期目標均是制造出實際可用的量子計算機，并開展應用驗證及云計算服務等。

2.2 量子計算重要研發(fā)項目與推進計劃比較

美國有諸多機構支持《國家量子法案》的量子計算相關科研項目。DOE、NSF等通過新建跨學科量子信息科學研究中心、量子躍遷挑戰(zhàn)研究所等來支持《國家量子法案》的實施，特別強調跨學科人才匯集與生態(tài)系統(tǒng)構建，項目執(zhí)行期通常為3～5年（表2），在量子計算領域的具體研發(fā)內容涉及：面向下一代量子計算機的軟硬件開發(fā)、利用量子計算解釋暗物質與黑洞等宇宙現象、量子計算系統(tǒng)開發(fā)與概念驗證、量子計算機的軟件棧、量子模擬的算法與體系結構等。美國NIST著重開展量子信息科學方面的基礎研究，DARPA與IARPA則重點開展相關定向應用研究。

表1 各國/地區(qū)量子計算相關計劃/路線圖比較Tab.1 Comparison of Quantum Computing Initiatives/Roadmaps

表2 美國DOE/NSF資助的量子計算重要項目與計劃1）Tab.2 Quantum Computing Plans and Projects Supported by USDOE/NSF1）

2018年10月，歐盟量子旗艦計劃為首批項目提供約4000萬歐元資助，項目執(zhí)行期均為3年（表3）。AQTION與OpenSuperQ項目負責研發(fā)量子計算機，分別采用離子路線以及超導路線，量子比特為50位和100位；PASQuanS與Qumbs項目則負責研究量子模擬、編程以及應用。

EPSRC是英國科技創(chuàng)新戰(zhàn)略政策的重要落實機構，其資助的量子計算重點項目如表4所示。

2018年3月，日本量子飛躍旗艦計劃針對“量子計算”領域資助了1個旗艦項目與6個基礎研究項目（表5）。其中，由日本理化學研究所等承擔的旗艦項目獲得近4億日元以研究和開發(fā)超導量子計算機；基礎研究重點研究冷卻原子量子模擬器、復合量子模擬器、量子軟件等。

表4 英國EPSRC資助的量子計算重點項目Tab.4 Quantum Computing Projects Supported by UK EPSRC

表5 獲日本量子飛躍旗艦計劃資助的“量子計算”領域7個項目1）Tab.5 Seven Quantum Computing Projects Supported by Japan Quantum Leap Initiative1）

3 主要國家/地區(qū)量子計算發(fā)展政策措施特點

通過對美國《推進量子信息科學：國家的挑戰(zhàn)與機遇》《國家量子法案》《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》、歐盟量子技術旗艦計劃、英國《國家量子技術戰(zhàn)略》、日本量子飛躍旗艦計劃等政策措施、實施模式、行動建議的比較，總結出5條政策措施特點。

3.1 成立新機構以高度統(tǒng)籌研發(fā)活動與管理協調工作

2018年6月，白宮科技政策辦公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）在國家科學技術委員會下設立量子信息科學小組委員會，負責在量子技術上協調形成國家級議事日程，幫助銜接聯邦政府內的量子技術工作；2019年3月，成立白宮國家量子協調辦公室，以統(tǒng)一政府間的聯邦研發(fā)活動；同年9月，特朗普簽署行政令建立國家量子計劃咨詢委員會，負責對量子科學發(fā)展進行定期的獨立評估及其他與該量子倡議相關的管理與協調工作。

2016年，歐盟量子旗艦計劃籌備伊始，即成立了一個由12位學術界專家和12位業(yè)界專家組成的獨立的高級督導委員會，負責制定量子技術旗艦計劃的戰(zhàn)略研究議程、實施模式和治理模式。該委員會相繼于2017年2月和9月發(fā)布中期報告和最終研究報告，就戰(zhàn)略研究議程、實施模式和治理模式提出具體建議。

3.2 建立研究中心并強調跨學科研究與長期基礎研究支持

為支持美國《國家量子法案》的實施，DOE將設立2～5個跨學科量子信息科學研究中心，致力于開展基礎研究，以加速量子信息科學和技術成果突破；NSF將向高等教育機構或合法非營利的組織機構撥款成立5個“量子研究和教育多學科中心”，并建立1～3個“量子躍遷挑戰(zhàn)研究所”；NIST則支持基礎的量子信息科學和技術研究，制定推進量子應用商業(yè)發(fā)展所必需的指標和標準。

2013年，英國政府出臺資助金額達2.7億英鎊的“國家量子技術計劃”，由17家大學和132家公司組成了英國國家量子技術網絡中心，下設量子傳感與測量中心、量子傳感與成像中心、量子計算與模擬中心、量子通信中心等，并通過新建的博士培訓中心培養(yǎng)高級人才。2018年9月，英國宣布將在5年內為英國的4個量子中心提供8000萬英鎊，包括：量子增強成像中心、量子計算和模擬中心、量子傳感和計量中心、以及量子通信中心。

3.3 制定路線圖目標與時限，持續(xù)監(jiān)測進展并評估成效

歐盟量子技術旗艦計劃、《英國量子技術路線圖》、日本量子飛躍旗艦計劃等戰(zhàn)略均對量子計算科研制定了明確的目標與時限（短、中、長期）。美國與歐盟還特別強調持續(xù)密切監(jiān)測量子領域科學進展，通過指標評估科研投資成效。

3.4 培養(yǎng)面向未來的專業(yè)量子從業(yè)人員

各個國家/地區(qū)的量子戰(zhàn)略均強調對量子專業(yè)人員的教育與培養(yǎng)。美國《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》建議在早期階段（包括小學、初中和高中）即提供量子科學教育；鼓勵行業(yè)和學術界創(chuàng)建融合、跨行業(yè)的多元化人力資源發(fā)展策略，以滿足國家量子信息科學發(fā)展的需求。歐盟量子技術旗艦計劃指出，由于量子技術交叉融合了物理學、工程、計算機科學及相關領域的研究，培訓成功的“量子工程師”或是更普遍的具備量子意識的勞動力應成為旗艦計劃的重大目標之一。英國《國家量子技術戰(zhàn)略》強調支持量子科技人才的培養(yǎng)，以滿足未來產業(yè)的需求；支持人才和創(chuàng)新思想在學術界、產業(yè)界和政府機構間的自由流動。日本量子飛躍旗艦計劃指出應當培養(yǎng)從基礎物理到系統(tǒng)開發(fā)等多層次人才、跨領域研究人才以及引領開放創(chuàng)新的人才。

3.5 推進國際合作，并重視國家安全維護

美國《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》建議與志同道合的行業(yè)界和政府合作伙伴加強國際合作；確定他國的優(yōu)勢和重點領域、差距和機會，以便從技術和政策角度更好地了解不斷演變的國際量子信息科學格局；同時強調要跟蹤監(jiān)測不斷發(fā)展的量子信息科學對安全的影響，確保現有技術分類和出口管制的兼容應用，保護知識產權以及與國家安全相關的應用。歐盟量子技術旗艦計劃鼓勵在科學層面開展國際合作，但與企業(yè)的合作應予以一定限制。英國《國家量子技術戰(zhàn)略》建議通過國際合作推進英國的量子技術產業(yè)。日本量子飛躍旗艦計劃擬加強國際性的開放研究交流并積極與海外研究團體構建研究網絡。

4 對我國的啟示

4.1 制定國家量子計算技術戰(zhàn)略

鑒于量子計算技術潛在的顛覆性影響，美國、歐盟、英國已將量子技術上升到國家戰(zhàn)略高度，系統(tǒng)化地部署一系列重要研究計劃和發(fā)展舉措來搶奪“量子優(yōu)勢”。建議我國頒布專門的量子技術國家戰(zhàn)略，從頂層設計層面開始制定科學化、體系化的量子計算技術發(fā)展舉措，制定量子計算技術研發(fā)路線圖，明確優(yōu)先發(fā)展領域、發(fā)展目標、關鍵挑戰(zhàn)和時間節(jié)點。開展“先謀后動”的戰(zhàn)略性高技術研發(fā)，有效組織國內核心力量，給足時間解決中長期挑戰(zhàn)，凝聚整體科技競爭力，進一步提高在全球量子計算行業(yè)中的影響力。

4.2 成立新機構以統(tǒng)籌管理和開展評估

成立若干新機構，分別負責協調國家量子計算技術戰(zhàn)略的議事日程，統(tǒng)籌政府機構間的研發(fā)活動，加強政府、業(yè)界、學界的溝通合作，持續(xù)監(jiān)測量子計算領域科學進展，確定他國的優(yōu)勢和重點領域、差距和機會，有針對性地開展量子計算國際合作，確定指標來評估國家安全風險與研發(fā)投資成效，制定政策嚴控關鍵核心技術研發(fā)的信息披露（包括論文、專利、進展新聞等），重視知識產權保護。在量子計算機工程實現目標方面，摒棄以論文作為科研人員考核導向的做法。

4.3 培養(yǎng)跨學科的量子計算技術人才

科技和人才是國家最重要的戰(zhàn)略資源。我國應制定量子計算技術領域的人才教育計劃，培養(yǎng)博士、碩士、本科等多層次的量子計算技術人才，并在小學、初中和高中等早期教育階段提前普及量子計算技術基礎教育。量子計算研發(fā)不僅需要物理學家，更需要材料、計算機、工程等領域的跨學科人才，以共同解決量子計算機工程實現所需的儀器設備、關鍵材料、算法軟件等。通過量子計算技術研究資助和成果激勵措施來吸引和留住國內外的頂尖研究人員；鼓勵產業(yè)界與學術界攜手培養(yǎng)多元化的量子計算人才；對在量子計算領域做出突出貢獻的卓越青年科學家給予特殊扶持。