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（領結形狀）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光的放大圖像

雖然量子信息科學技術（QIST）是基于許多學術界所熟悉的基本物理原理，但對實際制造可靠量子設備的許多工業和工程人員來說仍然是陌生的。近年來，QIST的工業投資大幅增長，但該領域還處于萌芽階段，量子技術的建設面臨著巨大的技術挑戰。這種機遇、需要和挑戰的結合表明，各國政府將在發展QIST及其生態系統以及為社會利益轉化相應的科學技術方面發揮重大作用。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方面發揮重要作用。

傳統的信息技術基于比特——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，量子物理學允許以一種非常不同的方式來表示和處理信息。基本物體如光子或電子，可以放置在量子疊加態中，其中包含出現觀察的兩種狀態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）發現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的核心。美國情報機構和國防部對美國及海外的學術和政府實驗室的量子信息科學研究進行了大量投資。從20世紀80年代起，美國國家標準與技術研究所（NIST）在其實驗室開展的研究工作持續增長；國家科學基金會（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）科學和實驗室辦公室擴大了以團隊為基礎的努力，美國宇航局（NASA）等機構也繼續進行規模較小的研究和開發。

現在，“國家量子倡議法案”在國會獲得了兩黨的大力支持，并在2018年末被特朗普總統簽署成為法律。該法案指示NIST、NSF和DOE與學術機構和私營企業合作，主要通過形成NQI來推動QIST的增長。NQI希望遵循“科學第一”的方法，刺激學術界、政府實驗室和工業界的新技術開發和使用。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

量子信息科學旨在開發新的信息處理系統形式，涵蓋三大類：感知、計算（包括模擬）和網絡。其基本理論提供了對自然的基礎科學見解：例如，理解復雜的相互作用系統和黑洞。更實際地，原子鐘、先進的激光干涉儀和核磁共振的出現和影響表明，量子技術的持續發展可能會為許多其他領域帶來巨大的科學機會。正如LIGO引力波探測器使科學家能夠用新的眼睛觀察宇宙一樣，量子技術打開了由量子物理學定律管轄的領域的窗口。量子計算機將通過提供計算能力來模擬當前許多難以解決的問題，從而促進基礎科學的發展。

感知QIST的長期目標是開發利用量子物理學的增強傳感器。有些設備，如原子鐘或激光測距儀，利用量子物理學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域，如量子糾纏，以獲得在新的機制中（如在活細胞內）的性能或感知上的數量級改善。

下一代量子傳感器預計將在幾個領域超過現有技術：基于原子干涉儀的重力傳感器和加速度計，用于地質勘測和無GPS的導航；納米級金剛石磁場傳感器，用于生物和醫學研究，如單個分子的納米功能成像和生物醫學診斷技術；量子技術，可增強光學測量的靈敏度和穩健性。

計算遠期的目標是構建量子計算機，它將使用基本的量子物體來表示和處理量子比特。量子計算機不是將每一比特信息（作為0或1）存儲在由數百萬個原子組成的每個硬件組件中（使其受經典物理學的支配），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的單個原子中）。量子行為模式（包括疊加和糾纏）使計算機的運行方式與經典數字計算機不同。

雖然許多計算對于量子計算機來說仍然是令人望而生畏的，但在一些關鍵應用程序中，量子計算機的性能明顯優于經典計算機。一臺功能齊全的量子計算機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；設計新的化學物質、材料和藥物；打破常見的密碼；執行更多的推測性任務，如建模、機器學習、模式識別和優化電網或交通控制系統等復雜的物流問題。

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

通信網絡QIST的第三個主要目標是開發能夠在遠地點之間發送量子比特的全球通信系統。使用量子比特而不是傳統比特可以在各方之間創建共享的隨機性，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“量子互聯網”使大型量子計算機互連。很有前途的短期應用是部署由連接的高精度原子鐘組成的全球網絡，以提高整個網絡的計時精度。例如，對于更精確的GPS和其他對位置敏感的應用程序來說，這是必需的。

雖然這三個方面似乎是獨立的，但它們將共同進步和發展。建造大型量子計算機幾乎肯定需要小型量子計算機的模塊化網絡，該網絡由類似多核常規處理器結構的量子通信網絡連接。長距離量子通信可能需要安裝在節點之間的小型量子計算機作為“中繼器”。先進的量子傳感器，如改進的單光子或單自旋探測器，將在量子計算和通信中得到應用。

塑造量子技術

量子技術有許多可用的物理平臺，它們與傳統的信息處理設備有很大的不同。量子系統必須與環境隔離，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、超導電路、固態晶體的原子級完美性、超高真空環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展到多個量子比特的操作可能需要上述技術的結合。大規模量子計算機或通信網絡可以用光纖、光子開關和網絡技術連接在一起。集成多種形式的量子技術，包括硬件和軟件，是發展量子信息技術的核心。

使量子技術獲得成果，需要自下而上和自上而下的方法來整合量子信息網絡或計算機的各個部分。單個量子平臺（如超導電路、半導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的系統設計的如此可靠，才能使非專家和軟件設計者能夠利用這些系統來創造未來的應用。

風險量子技術的眾所周知的范例是：這樣的計算機可以破壞我們目前許多數據加密方法的安全性，而這些方法是基于很難找到的大數因子。與任何已知的經典算法相比，肖式量子因子分解算法在密碼分析中提供了指數級的加速。這就帶來了這樣的風險：根據安全的超文本傳輸協議的互聯網可能會停止正常工作。盡管數學家正在開發新的加密方法，這種加密方法不會被量子計算機破解，而且像NIST這樣的政府機構正在與工業界合作實現和部署這些加密方法，但還沒有證明任何純粹基于數學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的風險是意外失敗。雖然科學上的共識很清楚，創造量子技術不存在基于物理的基本障礙，但這樣做所面臨的技術挑戰可能比目前所認為的要艱巨得多。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”、計算機系統中存在的電氣噪聲等。理論家已經證明，只要錯誤率足夠低，并且正確理解錯誤的本質，就可以管理和糾正這些錯誤；不過，可能會出現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成研發工作的很大部分。

其他潛在風險屬于尚未發現的廣泛范疇。量子技術可能會給隱私和社會控制帶來意想不到的風險，這與傳統的信息技術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。

學術路徑與工業路徑

大學的科學家善于發現基礎科學或應用科學的新原理，工業界擅長將這些原理轉化為精心設計的產品。在成熟的學科如經典光學工程中，存在將科學發現與產品開發聯系起來的完善整體關系，其中的技術轉讓活動是常規的。在QIST中不存在這樣的整體關系，大學不容易獲得最先進的設計和制造能力，而工業界很少具備將量子科學轉化為產品所需的深厚物理學專業知識。

因此，需要在基礎科學家和工程師之間架起一座橋梁，學習如何將量子科學轉化為量子技術。在短期內，可以通過建立包括這兩個群體的專門團隊來實現，使其在共同的、明確的目標上共同努力。需要將注意力集中在復雜的因素上，比如知識產權以及高校和工業之間不同的獎勵文化。

從長遠來看，我們必須發展一支擁有量子智能的人才隊伍。大學可以培養更多的量子工程師和基礎科學家，他們希望與工程專業人員一起工作。挑戰在于培養學生在學術生涯早期對QIST的興趣，同時迅速提高大學的新課程水平，以滿足行業的實際需求。

QIST的硬件和軟件方面都需要更多的人才。在軟件方面，許多大學計算機科學系剛剛開始招聘專門研究QIST算法的教師。工業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的教職工，政府可以利用現有的機制來鼓勵新的課程和教員的發展，大學應認識到QIST是計算機科學的日益發展的方面，并在這一領域創造新的教師職位。

向前發展

NQI將支持個人和大規模集中式的科研新項目，同時在勞動力發展和工業參與方面采取綜合的方法。這一廣度強調需要對QIST采取全面的政府方式。許多機構已經發揮了關鍵作用，不同的目標和任務推動了研究的不同方面。雖然NQI由NIST、NSF和DOE主導，但協調這些努力與國防和情報界的補充，可以改善研究資金的使用和基礎設施的使用。

白宮科學技術政策辦公室召集了國家科學技術理事會量子信息科學委員會（SCQIS），該委員會能夠協調執行機構以外的機構，并凸顯“國家量子倡議法案”的機會。2019年3月新成立的國家量子協調辦公室將提供連接利益相關者的集中手段。

NQI能夠改善私營部門與學術界和政府的接觸。NIST發起的量子經濟發展聯盟（Quantum Economic Development Consortium）等工業聯盟，由小規模和大規模集中式的努力所促成的創新驅動的研究和開發，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，促進創業和鼓勵適當投資。

這些協調和工業界參與可以與利用共享設施和新的基礎設施相結合。NQI相關的基礎設施在一定程度上借鑒了粒子物理學和天文學等其他科學領域的研究，這些領域的研究速度超過了個人或團體的能力，將有助于推動技術和研究的優勢。

各機構仍將保持很大的獨立性，以確保以科學優先的方式進行研究。國家科學基金會宣布了各種新的機會，如量子躍遷挑戰研究所；能源部正在與利益相關者合作，開展大規模的努力以擴大他們蓬勃發展的QIST組合。這一項目的迅速增長使推動基礎科學發展的研究共同體面臨挑戰。與此同時，在政府、學術和工業利益相關者之間建立聯系——從一線研究人員到構建功能良好的量子設備的團隊，到最終用戶企業和個人——將有助于實現QIST可以提供的機會。在這個共同體中保持開放的討論將有助于緩解許多挑戰，從人才增長的需求到更好的經濟預測，到解決科學問題。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險評估，并促進研究驅動型產品的創新周期，進而驅動收益增長，從而導致更多的研究投資。

NQI還可以改善國際合作、機構發展以及擴大QIST開放標準和基礎研究等領域的國際伙伴關系。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。促進志同道合的利益攸關方的國際合作（從教育到發展）將確保健康的科學生態系統的向前發展。