美國(guó)19頁(yè)國(guó)家量子科技戰(zhàn)略曝光

“量子信息科學(xué)代表了信息時(shí)代的下一個(gè)前沿”，在近日的一份聲明中，美國(guó)能源部長(zhǎng)里克佩里表示。更有美國(guó)會(huì)議員表示，“這是一場(chǎng)我們必須贏的比賽”。

有如此評(píng)價(jià)，美國(guó)最近在量子領(lǐng)域的頻頻動(dòng)作也就不難理解了。

幾天前，也就是在 9 月 24 日，美國(guó)的量子科技悄然翻開新的篇章。當(dāng)天，美國(guó)政府在白宮舉辦了一場(chǎng)聲勢(shì)浩大的量子峰會(huì)，除了聯(lián)邦政府官員以外，一眾硅谷科技巨頭紛紛出席，包括谷歌、微軟、洛克希德·馬丁、IBM、AT&T、高盛和摩根大通等公司。

本月更早之前，一項(xiàng)為期 10 年的量子研究加速計(jì)劃在美獲批，國(guó)會(huì)立法撥款 13 億美元來支持量子計(jì)算研發(fā)工作，當(dāng)時(shí)，這一動(dòng)作被認(rèn)為是對(duì)標(biāo)對(duì)標(biāo)中國(guó)的量子重大專項(xiàng)。該計(jì)劃預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候由參議院批準(zhǔn)。

如今美國(guó)政府馬不停蹄地在白宮舉辦了一場(chǎng)量子峰會(huì)，并發(fā)布了一份 19 頁(yè)的國(guó)家量子戰(zhàn)略概述，其中究竟釋放了哪些訊號(hào)?

圖丨 19 頁(yè)的國(guó)家量子戰(zhàn)略概述

美國(guó)兩大官方機(jī)構(gòu)出資，國(guó)家統(tǒng)籌發(fā)展量子技術(shù)已成現(xiàn)實(shí)

美國(guó)是全球量子技術(shù)的領(lǐng)跑者，多年以來一直通過多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目支持量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)研究，承擔(dān)研發(fā)的主要政府機(jī)構(gòu)就包括能源部 (DOE)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)化研究院(NIST)。

在此次的量子峰會(huì)上，首先亮相的就是來自能源部和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)兩大機(jī)構(gòu)的最新投資計(jì)劃，旨在幫助美國(guó)從國(guó)家層面上統(tǒng)籌現(xiàn)有資源以支撐研究。

美國(guó)能源部宣布，它將撥款 2.18 億美元資助 85 個(gè)研究項(xiàng)目，包括 1 個(gè)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的項(xiàng)目。美國(guó)能源部科學(xué)辦公室(the DOE's Office of Science)下屬的3個(gè)項(xiàng)目辦公室將負(fù)責(zé)管理這些項(xiàng)目，分別是高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究辦公室(ASCR)，基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室(BES)和高能物理辦公室(HEP)。

圖丨 ASCR 的負(fù)責(zé)項(xiàng)目(來源：美國(guó)能源部)

圖丨 BES 負(fù)責(zé)項(xiàng)目(來源：美國(guó)能源部)

圖丨 HEP 負(fù)責(zé)項(xiàng)目(來源：美國(guó)能源部)

尤其值得一提的是，ASCR 將主要負(fù)責(zé)探索量子計(jì)算硬件對(duì)科學(xué)應(yīng)用的適用性能力。這樣的基礎(chǔ)研究將促進(jìn)非常適合量子計(jì)算科學(xué)應(yīng)用的設(shè)備架構(gòu)的開發(fā)，并提高科學(xué)家對(duì)量子計(jì)算的理解。

除了美國(guó)能源部以外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)則將提供 3100 萬(wàn)美元用于資助量子基礎(chǔ)研究，為推進(jìn)量子計(jì)算、量子保密通信提供支持，而且還將用于培養(yǎng)下一代量子科學(xué)家、工程師和企業(yè)家等。

這部分資金將主要分為兩個(gè)部分：2,500 萬(wàn)美元用于探索性量子研究，作為跨學(xué)科科學(xué)與工程研究高級(jí)研究(RAISE)、量子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換研究(TAQS)工作的一部分;600 萬(wàn)美元用于量子研究和技術(shù)開發(fā)，作為量子通信集成平臺(tái)(EQuIP)工作的一部分。

其實(shí)在此之前，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)就于今年 8 月份率先通過了首個(gè)實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目。來自杜克大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、麻省理工、加州伯克利大學(xué)等七所高校的研究者將在未來五年時(shí)間內(nèi)完成首臺(tái)基于離子阱的量子計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目總金額 1500 萬(wàn)美元。

美國(guó)科學(xué)界對(duì)于這樣的政府支持也十分歡迎，因?yàn)檫@將有助于更廣泛吸引工程師和企業(yè)家加入這個(gè)剛萌芽的領(lǐng)域。正如美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金負(fù)責(zé)人弗蘭茨·科多瓦所說，“這些投資有助于確立美國(guó)量子計(jì)算研究研發(fā)的領(lǐng)軍地位，并幫助培養(yǎng)下一代量子計(jì)算研究人員”。

美國(guó)要確立其在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍地位，也并非信口開河。事實(shí)上，除了在量子保密通信領(lǐng)域外，美國(guó)在量子計(jì)算和量子傳感領(lǐng)域的實(shí)力可謂獨(dú)步全球，擁有著頂尖的科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和與之相匹配的技術(shù)實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)，在多個(gè)研究方向上也正在引領(lǐng)全球技術(shù)的發(fā)展。

(來源：麻省理工科技評(píng)論)

白宮為何向巨頭公司伸出橄欖枝?

其實(shí)，兩大官方機(jī)構(gòu)新的撥款計(jì)劃還只是一種“科學(xué)優(yōu)先”、強(qiáng)調(diào)支持基礎(chǔ)研究的常規(guī)舉措，畢竟現(xiàn)在判斷量子技術(shù)的最佳商業(yè)用途還為時(shí)尚早，其所需要的基礎(chǔ)設(shè)施、硬件、人力對(duì)任何個(gè)人而言都太過昂貴。

但，我們又如何理解這次一眾民營(yíng)科技公司在此次量子峰會(huì)以及以后美國(guó)量子技術(shù)發(fā)展中的角色?

正如上文提到，美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)其實(shí)在量子領(lǐng)域已經(jīng)有了長(zhǎng)期研究，但是，鑒于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)往往缺乏系統(tǒng)工程和產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，而民間私企中受過專門培訓(xùn)的量子工程人員則非常稀缺稀缺，這些種種構(gòu)成了目前量子技術(shù)從政府部門“流向”企業(yè)再“流向”大眾中難以跨越的鴻溝。

因此，白宮向這些公司伸出橄欖枝，其背后意義不但在于推動(dòng)這些官方機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行合作，更希望推動(dòng)他們與私營(yíng)科技公司進(jìn)行廣泛合作，這不但利于加強(qiáng)技術(shù)轉(zhuǎn)化，對(duì)培育量子創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)來說也能添上一把火，進(jìn)而推進(jìn)加強(qiáng)量子信息科學(xué)的商業(yè)化應(yīng)用。

圖丨 谷歌的 Bristlecone(來源：麻省理工科技評(píng)論)

于是，我們?cè)趨?huì)名單上看到了一連串硅谷科技巨頭的名字，這些公司近些年在量子領(lǐng)域都有著不凡表現(xiàn)：谷歌已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)名為“ Bristlecone ”的 72 超導(dǎo)量子比特芯片;IBM 即將實(shí)現(xiàn)50超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)和制造;微軟也在積極研發(fā)基于拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī);不僅如此，三家公司還推出了相應(yīng)的量子計(jì)算軟件開發(fā)工具，從硬件、軟件兩方面共同推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展。盡管所采取的技術(shù)路線不盡相同，但這些科技巨頭都對(duì)量子計(jì)算的重視程度均以上升至公司未來戰(zhàn)略的高度。

值得一提的是，除了谷歌、IBM等科技巨頭以外，美國(guó)還有一眾初創(chuàng)公司在量子信息領(lǐng)域的表現(xiàn)也非常搶眼。這些初創(chuàng)公司大多脫胎于美國(guó)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的頂尖實(shí)驗(yàn)室，由研究領(lǐng)域領(lǐng)軍的科學(xué)家成立。其產(chǎn)品涵蓋了從基礎(chǔ)的真空系統(tǒng)、光學(xué)電學(xué)器件到成熟產(chǎn)品和解決方案等，其供貨單位不僅包括全球的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)，還包括NASA以及美國(guó)軍方等政府部門，為近期美國(guó)在量子計(jì)算、量子傳感領(lǐng)域的重要突破提供了支撐。

那么美國(guó)究竟打算如何在量子技術(shù)的發(fā)展中實(shí)現(xiàn)政府、產(chǎn)業(yè)和私營(yíng)參與者之間的無(wú)縫協(xié)調(diào)?一份 19 頁(yè)的文件可供我們窺得其中一二。

國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略出臺(tái)，19 頁(yè)文件定調(diào)

除了推動(dòng)國(guó)家層面的支持和探索各界合作以外，這次的量子峰會(huì)還發(fā)布了一份非常不尋常的文件：量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述(以下簡(jiǎn)稱為“戰(zhàn)略概述”)。這份國(guó)家級(jí)的科技戰(zhàn)略旨在維持和擴(kuò)大美國(guó)在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力，并為美國(guó)往后的量子技術(shù)發(fā)展定下基調(diào)。

戰(zhàn)略概述由白宮國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(NSTC)發(fā)布，首先明確了量子技術(shù)的重要性——“量子信息科學(xué)是即將發(fā)生新一代技術(shù)變革的領(lǐng)域，通過它，美國(guó)可以改善工業(yè)基礎(chǔ)，創(chuàng)造就業(yè)，滿足經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全利益”。

圖丨戰(zhàn)略概述的目錄(來源：NSTC)

具體而言，戰(zhàn)略概述列出了六個(gè)方面的建議和對(duì)應(yīng)的具體措施：

選擇“科學(xué)第一”的方法。例如建立適當(dāng)?shù)?a target="_blank">中心和財(cái)團(tuán)支持研究、優(yōu)先考慮基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中面臨的投資問題等。

培養(yǎng)具備量子信息科學(xué)的未來勞動(dòng)力。例如在早期階段解決量子科學(xué)教育問題，其中就包括小學(xué)、初中和高中。

強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)合作。包括促成由產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府組成的美國(guó)量子財(cái)團(tuán)、簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓機(jī)制、探索在政府內(nèi)培養(yǎng)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

提供必需基礎(chǔ)設(shè)施。例如確定基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方向并鼓勵(lì)必要的投資。

推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、維護(hù)國(guó)家安全。例如為美國(guó)高校和工業(yè)界提供最大量的信息，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)等。

發(fā)展國(guó)際合作。例如尋求志同道合的行業(yè)和政府伙伴、確保美國(guó)繼續(xù)吸引并留住最優(yōu)秀的人才、從技術(shù)和政策角度更好地了解不斷變化的國(guó)際量子技術(shù)格局。

其中，戰(zhàn)略概述中的關(guān)鍵政策機(jī)會(huì)包括：推動(dòng)聯(lián)邦政府資助的“核心研究計(jì)劃”、 促進(jìn)不同學(xué)科的以量子為中心的研究人員進(jìn)行對(duì)話、并鼓勵(lì)學(xué)術(shù)界將量子科學(xué)作為自己的學(xué)科內(nèi)容。

戰(zhàn)略概述還設(shè)想構(gòu)建一個(gè)“美國(guó)量子聯(lián)盟”，與來自工業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界的參與者預(yù)測(cè)并就需求和障礙達(dá)成共識(shí)，協(xié)調(diào)研究工作，解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，并簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓機(jī)制，并通過工業(yè)界，政府和學(xué)術(shù)界之間的伙伴關(guān)系增加對(duì)“聯(lián)合量子技術(shù)研究中心”的投資。

(來源：NSTC)

此外，戰(zhàn)略概述一大重點(diǎn)還有研究和開發(fā)確定“急需的基礎(chǔ)設(shè)施”，通過可用于快速推進(jìn)量子技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，以及用戶測(cè)試平臺(tái)設(shè)施，允許聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和利益相關(guān)者探索他們各自的使命。

圖丨量子信息科學(xué)涉及的基礎(chǔ)設(shè)施(來源：NSTC)

NSTC 表示，戰(zhàn)略概述的出發(fā)點(diǎn)就在于展望未來十年，希望在以下一系列領(lǐng)域取得突破：計(jì)算應(yīng)用、 傳感器技術(shù)、用于軍事和商業(yè)應(yīng)用的定位導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)、量子密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的新算法以及“通過量子信息理論理解材料，化學(xué)甚至引力的新方法”。

其計(jì)劃支持的量子項(xiàng)目可以分為 7 大類，包括 4 類科學(xué)項(xiàng)目和 3 類技術(shù)項(xiàng)目。這 7 大類構(gòu)成了整個(gè)量子技術(shù)的廣泛基礎(chǔ)，因此也將凝結(jié)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府的共同努力。其中，傳感器技術(shù)將獲得了最大額度的投資額配比。

圖丨戰(zhàn)略概述中計(jì)劃支持的7 大類量子項(xiàng)目及其投資額配比 (來源：NSTC)

根據(jù)戰(zhàn)略概述，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)將“為碎片化、單一組織的量子信息研究和開發(fā)創(chuàng)造一種可見的、系統(tǒng)的、國(guó)家的方法”，并由 NSTC 的量子信息科學(xué)小組委員會(huì)協(xié)調(diào)。

“這些努力將利用現(xiàn)有的計(jì)劃和方法，適應(yīng)不斷變化和改進(jìn)的科學(xué)技術(shù)知識(shí)，反映出對(duì)國(guó)家量子信息科學(xué)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)的最佳理解，并在適當(dāng)?shù)那闆r下采取新的措施，”文件寫道。

NSTC 還要求，在量子信息科學(xué)小組委員會(huì)中擁有席位的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，需要在 2019 年第一季度制定詳細(xì)的書面計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略概述中規(guī)定的政策目標(biāo)。這些機(jī)構(gòu)包括美國(guó)能源部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家安全局、管理和預(yù)算辦公室、白宮科技政策辦公室、國(guó)土安全部、國(guó)家航空航天局、國(guó)立衛(wèi)生研究院、農(nóng)業(yè)部等機(jī)構(gòu)。

由此可見此次這份戰(zhàn)略概述起到的整體統(tǒng)籌作用。

在 AI 發(fā)展上“吃過虧”的美國(guó)，正在量子技術(shù)上“繃緊神經(jīng)”

我們都知道，理論上來說，量子比特的特殊性質(zhì)能讓量子計(jì)算機(jī)擁有比目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)快得多的計(jì)算速度。這樣在化學(xué)、材料科學(xué)或物理領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)就能成為更好的輔助工具。

而量子計(jì)算機(jī)的速度有助于發(fā)現(xiàn)新藥、優(yōu)化金融投資組合以及尋找更好的運(yùn)輸路線或供應(yīng)鏈。量子計(jì)算機(jī)可以在大量圖像和數(shù)據(jù)中迅速找到合適的模型，所以它還能推動(dòng)另一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域——人工智能。

據(jù)外媒 thestar 報(bào)道，也正是量子技術(shù)潛在的經(jīng)濟(jì)效益贏得了兩黨對(duì)這一些列倡議的支持。但這一方面是基于對(duì)這種技術(shù)的熱切期許，另一方面更是擔(dān)心其在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位遭受來自中國(guó)和歐洲的挑戰(zhàn)：一個(gè)推動(dòng)政府采取行動(dòng)的是理由是，如果美國(guó)不采取統(tǒng)一戰(zhàn)略，有朝一日可能會(huì)被其它國(guó)家所取代。

圖丨中國(guó)量子通信研究的領(lǐng)軍人物潘建偉(來源：Nature)

其中，大部分外媒的報(bào)道都明確提到了來自中國(guó)的壓力：中國(guó)在量子科技領(lǐng)域已經(jīng)被視為美國(guó)的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

此前一份來自美國(guó)的研究報(bào)告指出，中國(guó)在量子科技領(lǐng)域的發(fā)展取得了全球矚目的成就： 墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星的升空，“量子京滬干線”等超大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及應(yīng)用，中國(guó)在量子保密通信領(lǐng)域創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)的記錄，研究水平世界領(lǐng)先;量子計(jì)算方面，中國(guó)雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展速度飛快，在光子、超導(dǎo)、離子以及拓?fù)淞孔颖忍氐确矫?，均有建樹，目前保持?8個(gè)糾纏量子比特的紀(jì)錄;在量子傳感方面，中國(guó)在量子雷達(dá)、遙感成像、精密測(cè)量和導(dǎo)航方面的進(jìn)展迅速，研究水平處于世界前列。

今年 7 月的時(shí)候就有美國(guó)官員表示，“中國(guó)和歐盟都在投資以 10 億計(jì)的美元來支持量子計(jì)算領(lǐng)域的研究。特別是中國(guó)，該國(guó)已經(jīng)公開宣布，其量子計(jì)算的國(guó)家研究計(jì)劃是在下個(gè) 10 年超過美國(guó)。因此美國(guó)必須制定自己的量子研究國(guó)家戰(zhàn)略，以維持美國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位?！?/p>

圖丨此前的一份美國(guó)政府報(bào)告已經(jīng)點(diǎn)出中國(guó)在AI上的超越(來源：美國(guó)政府)

值得一提的是，此次的一系列的動(dòng)作，也可能是基于美國(guó)在過去一輪人工智能的發(fā)展上沒有把握住先發(fā)優(yōu)勢(shì)的“教訓(xùn)”。在過去幾年，中國(guó)從政府到民間都將 AI 的發(fā)展提到非常高的高度，賦予了相當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)，相較之下美國(guó)則略顯“保守”，這也是為什么中國(guó)在許多人工智能領(lǐng)域能夠挑戰(zhàn)美國(guó)的部分原因。

而對(duì)于中國(guó)來說，我國(guó)一直高度重視量子信息科學(xué)的研發(fā)投入，在量子通信等領(lǐng)域也確實(shí)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家形成了趕超之勢(shì)，但仍面臨著一系列的問題：相比美國(guó)，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)在創(chuàng)新研究水平、核心材料及工藝、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化等多個(gè)方面還有明顯的差距;大型科技企業(yè)則在量子技術(shù)上起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后;初創(chuàng)公司數(shù)量少、技術(shù)創(chuàng)新能力弱，與美國(guó)在量子領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)差距非常大。

因此，在新一輪的全球量子技術(shù)競(jìng)賽中，發(fā)達(dá)國(guó)家的科技動(dòng)態(tài)尤其政策走勢(shì)，對(duì)中國(guó)如何優(yōu)化研發(fā)布局來說將有重要參考意義。

本文來源：DeepTech深科技