美國NSF成立三個(gè)新研究所以應(yīng)對量子信息科學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

2020年7月21日，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）與白宮科技政策辦公室（OSTP）合作，宣布撥款7500萬美元資助三個(gè)量子躍遷研究所，旨在未來5年克服量子信息科學(xué)與工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究障礙。美國政府希望通過三個(gè)研究所的建設(shè)，使美國在未來繼續(xù)成為量子信息科學(xué)（QIS）研究的聚集地。

一、量子領(lǐng)域新研究所

NSF正在建立的三個(gè)量子躍遷挑戰(zhàn)研究所（QLCI）分別是：

（1）研究利用關(guān)聯(lián)量子態(tài)增強(qiáng)傳感和分布的QLCI。

在輻射或重力等環(huán)境中可以測量一切的量子傳感器，將比傳統(tǒng)傳感器更加靈敏和準(zhǔn)確。該研究所由科羅拉多大學(xué)牽頭，負(fù)責(zé)精密測量領(lǐng)域量子傳感技術(shù)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用。

（2）研究混合量子架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的QLCI。

開發(fā)更加健壯的量子處理器是量子信息科學(xué)和工程的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。該研究所由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校牽頭，負(fù)責(zé)建設(shè)由小型量子處理器組成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行功能測試以供實(shí)際應(yīng)用。

（3）研究當(dāng)前和未來量子計(jì)算的QLCI。

當(dāng)前的量子計(jì)算原型機(jī)規(guī)模很小且容易出錯(cuò)。該研究所由加州大學(xué)伯克利分校牽頭，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)先進(jìn)大型量子計(jì)算機(jī)，為現(xiàn)有和未來的量子計(jì)算平臺(tái)開發(fā)有效的算法，并最終證明量子計(jì)算機(jī)性能優(yōu)于任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。這些研究所將促成一個(gè)互聯(lián)社區(qū)，包括16個(gè)核心學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、8個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室、22個(gè)行業(yè)合作伙伴，通過融合多學(xué)科和多領(lǐng)域的觀點(diǎn)和資源，促進(jìn)可持續(xù)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的形成。除了研究工作之外，它們還將在教育和培訓(xùn)多樣化量子領(lǐng)域勞動(dòng)力方面取得長足進(jìn)展，為各級(jí)教育的學(xué)生和教師開發(fā)新的線上和線下課程。

二、量子領(lǐng)域新研究所建設(shè)背景

2018年美國OSTP發(fā)布第一個(gè)全國性的QIS戰(zhàn)略計(jì)劃——“量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概覽”，就QIS的優(yōu)先事項(xiàng)為政府、私營部門和學(xué)術(shù)界提供指導(dǎo)。同年，美國政府簽署兩黨聯(lián)立的《國家量子計(jì)劃法案》，確保了QIS的國家資助，同時(shí)加強(qiáng)了聯(lián)邦合作。2019年，白宮成立國家量子協(xié)調(diào)辦公室，以協(xié)調(diào)和加強(qiáng)整個(gè)聯(lián)邦政府的量子政策和研發(fā)投資。

2020年，圍繞量子計(jì)算的立法提案以及量子研發(fā)雙倍投資承諾的總統(tǒng)預(yù)算，都彰顯了美國在量子領(lǐng)域的積極努力。美國NSF一直致力于在量子信息科學(xué)和工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，希望通過研究人員對量子現(xiàn)象的認(rèn)知來開發(fā)諸如量子計(jì)算機(jī)、傳感器和通信等技術(shù)，從而對國家和全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。

美國NSF于2019年2月發(fā)布“量子躍遷挑戰(zhàn)研究所（QLCI）”計(jì)劃建設(shè)指南，計(jì)劃提供9400萬美元推動(dòng)量子信息科學(xué)與工程前沿。

2019年7月美國NSF推進(jìn)QLCI計(jì)劃，開始征集提案準(zhǔn)備資助量子研究所，研究所將采用多學(xué)科研究方法，研究量子技術(shù)的計(jì)算、通信、傳感和模擬四大領(lǐng)域，以期使計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)發(fā)生革命性變化。

這些量子研究所是QLCI計(jì)劃的核心內(nèi)容，也是美國NSF響應(yīng)聯(lián)邦政府發(fā)展量子信息科學(xué)關(guān)鍵舉措的核心部分。