量子技术正处于从研发到实际商业和军事应用的拐点。正如荷兰量子伞式组织Quantum Delta NL的联合创始人Freeke Heijman所言："鉴于量子技术的潜力有着坚实的科学基础，问题不在于是否会发生，而在于何时发生”。
美国的政策可能也正处于一个拐点。鉴于这一转变将会发生，美国是否采取了必要措施来确保自己处于领先地位？这个问题再及时不过了，尤其是考虑到《国家量子计划法案》（NQIA）即将重新授权。为了应对这一潜在的转折点，本文指出了政府、学术界和产业界现在应该采取的政策和行动。
从科学到应用
量子计算在带来巨大商业机遇的同时，也对政策提出了新的挑战。首先，人们对这项技术的了解还不够广泛。量子计算和量子通信，是基于量子理论原理的计算领域的典范，它试图在原子和亚原子层面解释物质和能量的本质。然而，由于人们对量子计算的科学基础缺乏广泛了解，一些推动者将量子计算誉为壮观的技术突破，而另一些人则将其贬低为一种被过度炒作的现象，认为它正在助长又一个投资泡沫。
人们最初对量子计算持怀疑态度，可能是因为它基于许多深奥、难以理解的概念。为清晰起见，下文对一些关键概念进行了定义。
"叠加"是指量子系统同时存在多种状态的能力。
量子比特"是一种计算单元，它利用叠加来编码"0"或"1"两种状态的信息，但与经典比特或开关不同的是，量子比特也可以处于"0"和"1"的叠加状态。物理量子比特可以由不同类型的介质制成，包括超导体、被困离子和基于光子的处理器。量子计算机的计算能力，随着量子比特的增加而呈指数增长，相对于基于二进制的计算机。
"纠缠"是指"一个系统中的两个或多个量子对象可以内在地联系在一起，从而对其中一个对象的测量决定了对另一个对象的可能测量结果"的一种状态，无论这两个对象在物理空间上相距多远。这种现象有望实现完全安全的通信，例如卫星与地面站之间的通信。
"退相干"指的是叠加和纠缠的退化，由于量子比特与环境，包括温度变化和其他因素的相互作用，这种退化会随着时间的推移而发生。退相干也许是量子技术实际应用的主要技术障碍。
虽然量子概念对许多人来说仍然是反直觉的，但它们在整个二十世纪都得到了验证。2022年10月，三位科学家因其在叠加和量子物理方面的实验工作而获得诺贝尔物理学奖，他们的工作"为'量子技术新时代'奠定了基础"，这其中就包括了量子计算和通信。
为新应用做好准备
量子信息科学（QIS）令人震惊的实际应用，包括其潜在的军事和情报优势，才刚刚开始显现，但是，有些应用已经引起了全球政策制定者和企业的关注，在某些情况下还引起了他们的警觉。
值得注意的是，专家们担心，先进的量子计算机可以解密加密系统中存储的信息。2022年5月拜登政府的一份《国家安全备忘录》警告说："一台足够大、足够先进的量子计算机，可以危及民用和军用通信，破坏关键基础设施的监督和控制系统，并破坏大多数基于互联网的金融交易的安全协议”。
量子概念能应用于传感器这是原子钟的基础，也即将能应用于其他领域。这些可以提高军事情报、监视和侦察（ISR）的效率，从而改进潜艇探测，并探测隐蔽的地下建筑、部队集结和核武器。超灵敏量子加速度计可用于无法使用全球定位系统的导航，如水下、地下或全球定位系统失效的情况。
一些观察家认为，量子技术将使机器学习（人工智能的一个分支学科）取得巨大进步，从而产生更精确、更有效的自主武器系统。基于量子的通信系统可以实现不受对手秘密拦截的安全通信，因为拦截会破坏信息，并可能暴露拦截者的存在。
量子信息系统可用于模拟材料特性以及核物理和粒子物理建模，这些模拟的商业潜力目前正在得到开发。例如，梅赛德斯-奔驰集团正在与IBM合作，以确定量子信息科学如何模拟新材料。而且，这项开发可能会带来更高效的汽车电池。此外，生物医学家正在研究量子计算如何帮助他们在蛋白质设计和分子生物学等许多生物学领域应用算法和机器学习。
这些应用可能只是一个开始。2022年10月，一个荷兰研究团队透露，他们在芯片上放置了创纪录数量（6个）的硅自旋量子比特，这一壮举表明量子比特有可能像半导体芯片一样大规模生产。
新兴竞争格局
为反映量子的多方面潜力，美国和国外的私营部门正在大力开发具有商业价值的产品和工艺，并经常得到政府的大力支持。
AWS、谷歌、霍尼韦尔、IBM、思科系统公司、微软和其他美国大型信息技术公司正在制造量子计算机和组件。IBM于2022年11月发布了一款433量子比特的芯片，并计划于2023年发布一款1121量子比特的设备，超过20万IBM客户已经在使用该公司的量子设备。
美国并非孤军奋战。据报道，中国的百度公司已经推出了基于超导技术的10量子比特量子计算机，而中国的Origin Quantum公司则将其24量子比特的"五元"计算机出售给了一个未公开的买家。
为反映量子的多方面潜力，美国和国外的私营部门正在做出重大承诺，开发具有商业价值的产品和工艺，并经常得到政府的大力支持。
全球众多初创企业和中小型公司也在投资开发设备、组件、软件和材料，这些都是支持制造各种基于量子信息服务的产品所必需的。
目前已有多家量子计算公司上市，包括IonQ、量子计算公司、D-Wave和Rigetti。总部位于美国的Zyvex实验室最近宣布开发出一种用于制造量子芯片的极其精确的光刻系统，其线宽小于目前半导体工厂使用的深紫外和极紫外系统。与此同时，一家澳大利亚公司Silex Systems于2022年启动了一个试验设施，展示如何生产支持量子比特制造的超净化硅片。法国初创公司Quandela在政府的CEA-Leti研究机构的支持下，将于2023年开始生产应用于QIS的光子芯片。
大型信息技术公司正在与专门从事QIS的新创公司和小公司合作，将大型公司的资源与小公司的创新结合起来。在这方面，德国英飞凌公司与牛津离子公司合作，后者是一家英国公司，致力于开发用于比特门操作的微波控制装置，这种合作充分利用了英飞凌的精密半导体制造资源。霍尼韦尔与2014年成立的英国量子软件公司剑桥量子联合成立了Quantinuum公司，该公司目前拥有370名科学家和工程师，开发QIS技术。2022年10月，Quantinuum宣布与日本三井物产株式会社结成联盟，合作向日本和东亚提供量子计算服务。
大型企业也在寻求传统信息技术领域之外的量子信息服务机会。2022年，汇丰银行与IBM合作，探索量子计算在金融服务领域的应用。据报道，高盛集团正在开发量子优化算法，以便根据特定类型股票和债券的内在风险为资产定价。据报道，空中客车公司有200多名员工在研究QIS应用，并于2022年8月与量子计算公司IonQ签订协议，探索QIS在航空航天领域的应用，包括燃料效率和货物装载等主题。
在太空应用方面，欧洲航天局（ESA）宣布了一项计划，由20家公司组成的联合体将于2024年发射一颗量子卫星，利用量子密钥分配（QKD）技术进行地对空通信，交换只有共享方知道的加密密钥。新加坡航空航天公司Spe Qtral-1计划与欧洲泰雷兹公司合作，在新加坡空间技术和工业办公室的支持下，于2024年发射一颗基于QKD技术的卫星。理查德-布兰森的维珍轨道公司计划与英国公司Arqit Quantum合作，从2023年开始发射五颗QKD卫星。
支持量子技术开发和部署的国家和地区计划
虽然量子计算起源于美国，因为物理学家理查德-费曼和数学家彼得-肖尔等人的工作，但并不能保证美国将在这一潜在的革命性技术领域引领世界。美国政府在这一领域的计划仍然主要集中在研究方面，而其他国家的政府则更重视创建和支持以量子为基础的产业、流程和商业产品。
尤其是拥有深厚科研实力的欧洲，似乎正在快速取得进展。2018年，欧盟启动了量子技术旗舰计划，承诺投入10亿欧元支持欧洲数百名量子研究人员。此外，根据"欧洲高性能计算联合承诺"，欧盟委员会（EC）计划在2023年建造完全基于欧洲技术的最先进的试点量子计算机，这些计算机将分布在欧洲的六个中心，供工业界和学术界使用。2019年启动的欧洲量子通信基础设施计划进一步要求欧盟所有成员国致力于创建一个覆盖整个欧盟的量子通信基础设施，一些行业财团也正在开展这方面的工作。
美国政府在这一领域的计划仍然主要集中在研究方面，而其他国家的政府则更加重视创建和支持基于量子的产业、流程和商业产品。
在国家层面，德国政府承诺在2021年投入20亿欧元支持量子技术的发展。其中，德国教育与研究部将在2025年前投入约11亿欧元，用于在德国建造具有竞争力的量子计算机，并为潜在用户创建一个"相关生态系统"。据报道，德国经济事务和气候行动部将提供7.4亿欧元支持各种量子计算项目，包括建设量子云计算服务。与此同时，德国的一些大公司（包括大众汽车、英飞凌、巴斯夫、默克、宝马等）已经成立了一个名为量子技术与应用联盟（QUTAC）的财团，旨在将量子计算提升到大规模工业应用的水平。
根据一项新的"量子计划"，英国政府已承诺在未来10年内投入25亿英镑，这比国家量子技术计划中已分配给量子计算的10亿英镑增加了一倍多。牛津郡即将完工的国家量子计算中心将在新计划中发挥关键作用，该计划还将在全国各地设立分布式研究中心。
值得注意的是，据报道，中国已承诺为量子技术提供150亿美元的公共投资，超过世界其他国家政府投资的总和，尽管这一数字可能有些高估。无论如何，在中国的大力推动下，基于超导技术开发出了许多量子计算原型机，其中包括2021年投入使用的66量子比特机器"朱冲智2.1"，据中国政府消息来源称，它能够执行大规模随机量子电路采样，速度比当时运行的最快超级计算机快1000万倍。还有报道称，中国研究机构正在利用低地球轨道和中高地球轨道上的卫星开发量子通信网络。
2023年3月，主要由公共资金支持的日本Riken研究所提供了该国首台国产量子计算机用于研究。据报道，到2025年，一台100量子比特的机器将准备就绪，富士通公司与Riken合作，希望在2026年首次推出一台1000量子比特的量子计算机。2021年，包括日立、丰田和NTT在内的多家日本大公司成立了量子革命战略产业联盟（Q-STAR），以探索量子技术的新应用。除其他主题外，Q-STAR正在与日本物流公司合作开发量子软件，该软件可以根据成本、车辆类型和行驶时间确定最佳运输方案。
以色列创新管理局正在向五家以色列公司提供3300万美元，用于开发两种量子处理器，一种基于超导技术，另一种基于离子阱技术，具有数十量子比特的规模。由五家公司组成的联合体是创新管理局历史上最大的单个项目。
总之，世界其他国家认为，在充满挑战的地缘政治背景下，掌握这项技术对其未来的经济前景和国家安全至关重要。
美国的回应
美国政府并非无所作为。早在20世纪90年代中期，美国国家标准与技术研究院（NIST）和国防部（DOD）就召开了有关该主题的研讨会，并随着时间的推移，为开发和利用美国在量子计算方面的能力制定了一个实质性的联邦政策架构。
在此基础上，2018年12月，美国国会颁布了《国家量子计划法案》（PubL.No.115-368），授权联邦机构建立财团和研究中心，以实现量子信息服务研发，并授权在政府内部与产业界和学术界共同协调量子信息服务计划。联邦机构在每个财年都获得了逐步提高的质量信息系统活动预算授权，2022财年申请的预算为8.77亿美元。在此推动下，已成立了四个联邦量子信息服务协调或咨询机构，包括量子信息科学小组委员会。
十多个联邦机构也正在开展重要的量子开发工作，其中最引人注目的是美国国家航空航天局（NASA）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、国防部（DOD）、能源部（DOE）以及情报界。国防部的QIS计划已开展多年，是根据《国防授权法案》实施的。2023年初，DARPA启动了"未充分探索的公用事业规模量子计算系统"（US2QC），以确定是否有任何革命性或未充分探索的量子计算方法能够比传统预测更快地达到公用事业规模运行。
2022年5月，拜登总统签署了一份国家安全备忘录，旨在促进美国在量子信息服务领域的领导地位，以应对量子计算机可能对美国加密系统和数据构成的潜在威胁。与此同时发布的一项辅助行政命令将国家量子计划咨询委员会--最初是在能源部的支持下成立的--置于白宫的直接授权之下。最近颁布的《2022年CHIPS和科学法案》授权增加联邦支出，用于能源部、NIST和国家科学基金会（NSF）的QIS工作。
出于新出现的地缘战略考虑，拜登政府最近发布了一项行政命令，将限制美国在包括量子计算在内的敏感先进军民两用技术领域对中国的对外投资。欧盟委员会主席乌苏拉-冯德莱恩在2023年3月30日的一次讲话中表示，欧盟需要重新思考与中国的关系，并确定对包括量子计算在内的某些战略性军民两用技术的出口或投资是否"符合我们自身的安全利益"，这与美国的新立场不谋而合。美国和欧盟已开始在双边的欧盟-美国贸易与技术理事会（TTC）中就量子计算政策进行协调，这是一个在地缘战略背景下处理数字贸易问题的工作组。
联邦应对措施面临的挑战
实现规模和承诺：即使白宫官员越来越重视，国会也投入了大量资金，机构计划也在不断发展，但联邦的努力在重点和规模上是否足够仍令人担忧。虽然一些观察家以曼哈顿和阿波罗项目的历史类比来说明量子事业的意义和重点，但值得注意的是，这些早期的努力都有明确的终点目标。开发量子技术更像是一场没有终点的竞赛，需要在未确定的长期内投入大量资源和国家意愿。这也需要对采购以及支持这一长期努力所需的教育和培训系统进行新的思考。
超越密码学：另一个值得关注的问题是，美国政府目前关于QIS的想法是否过于关注密码学，而忽略了其他主要的潜在应用。重要的是，无论多么关键的应用，都不能由某一种应用主导美国的研究议程。尽管如此，为了反映这些问题的重要性，美国国会于2022年12月通过了《量子计算网络安全准备法案》，为美国政府信息技术系统向后量子加密技术迁移提供了一个框架。
修订课程和培训：美国大学物理课程经常不涉及量子物理及其潜在应用。正如一位评论家所说，"当今大多数物理课程的设计都是从物理ABC开始，而不是让学生接触量子现象，比如滑轮上的弦和斜面等铆钉主题"。随着加州大学洛杉矶分校、威斯康星大学和匹兹堡大学等院校开设量子课题课程，这种情况开始发生变化。俄亥俄州最近成为第一个在K-12科学课程中引入量子培训的州。
建设量子人才队伍：虽然没有关于美国量子信息服务人才队伍状况的中央信息库，但美国国家科学与技术委员会2022年2月发布的一份报告通过对现有证据和轶事的审查得出结论："似乎在各个层面都存在人才短缺问题"。
吸引和留住外国人才：美国相关领域的博士学位获得者中，只有不到5%的人专注于量子科学。除博士级研究人员外，拥有量子硬件制造和软件开发技能的工人也非常抢手。许多拥有物理学和工程学相关学位的美国毕业生都是外国公民，他们在美国一流大学接受教育，但根据美国移民制度，毕业后必须离开美国。为了应对本文所描述的训练有素的劳动力挑战，除了大力扩展计划以增加国内劳动力外，美国移民政策还需要一个"量子例外"，使量子信息学毕业生能够留在美国，并有机会获得永久居民身份。受过量子训练的工程师太稀有、太宝贵了，不能将他们挤出美国新生的量子生态系统。同样，任何新的出口管制措施都必须提供"视同出口豁免"，以便合格的外国公民能够自由地在美国工业部门工作。
建立国内技能人才梯队：由于量子学科刚刚兴起，美国教育系统普遍缺乏对量子研究和产业就业机会的认识。此外，也没有有效的渠道将毕业生输送到工作岗位。不过，最近在半导体培训方面采用的最佳实践，如国家创新与技术研究所的最佳实践，可能会被证明是适用的。在半导体行业，这一挑战在20世纪80年代通过成立半导体研究公司得到了成功的解决。半导体研究公司是一个由行业资助的联合体，旨在促进美国大学开展与商业相关的微电子研究，后来还获得了政府的配套资金。量子领域的个别公司已经启动了一些项目，但目前这些工作的规模和范围还太小。应启动类似半导体研究公司的合作项目，由政府为量子相关领域分担成本。
建设熟练的技术人才队伍：除此以外，量子相关领域还有许多职位，有时可能是一半以上的劳动力，不需要深厚的量子信息服务能力，但必须具备编码、材料科学、数据分析、电路设计、光学材料和机械工程等领域的相关技能。研究中心、大学（包括二、三级机构）和最好的社区学院需要获得量子硬件，比如单光子探测器、稀释冰箱、低温恒温器、测量设备等，以便开展实践应用研究和培训。由于这些设备价格昂贵，因此，联邦在建立共享安排和作为新设备的首批采用者方面发挥着明确的作用。国家科学基金会现在有了一个新的组织机构，即技术、创新与合作局，来应对QIS和其他新兴技术的挑战。
建立合作伙伴关系：鉴于大多数现有的联邦机构根本缺乏自主权、文化和必要的授权来实施高风险和高潜力的研究战略，美国可能需要为DARPA的投资组合增加一个专门的、资金充足的补充。或许甚至是ARPA-E类型的努力，以及资助机制和试验，以降低联邦机构采用创新量子技术的风险。
值得注意的是量子经济发展联盟，这是一个公私合作伙伴关系，旨在与任何希望与量子企业界合作的政府机构开展合作。它是在美国国家标准与技术研究院的支持下成立的，是2018年颁布的《国家量子倡议法案》所要求的推进量子信息服务联邦战略的一部分。
根据美国量子计算产品制造商Cold Quanta公司高管鲍勃-苏特最近的证词，目前缺少联邦支持来帮助小公司将有前途的QIS技术过渡到原型设计和扩大生产能力阶段。小企业创新研究计划虽然被量子公司广泛使用，但有些人认为该计划在时间框架和最大资助额度方面过于严格，无法满足量子信息服务的要求；这两个问题都可以而且应该通过行政手段或在类似的量子系统内加以解决。
促进国际伙伴关系：跨大西洋的量子技术开发合作，对于推动这一快速发展的领域至关重要。英国、欧洲和美国都处于量子研究的前沿，通过合作汇集资源、专业技术和知识来应对重大挑战，可以加快竞争前技术的进步和突破。英国、欧盟和美国的公司、大学和研究机构之间的合作，不仅有助于加快量子技术的发展，还有助于建立量子标准和监管的共同框架，这对跨大西洋的竞争力至关重要。具体来说，我们有机会通过效仿北大西洋国防创新加速器等举措来加强跨大西洋合作，从而促进国防相关量子技术的成功产业化。
扩大资本：麦肯锡2022年6月的一份研究报告称，以量子为重点的初创企业获得的资金翻了一番，从2020年的7亿美元增至2021年的14亿美元。然而，同一份研究报告发现，最近"全球新量子初创企业进入市场的速度开始放缓"，这反映出支持商业量子应用所需的人才短缺和量子硬件领域相对不成熟等因素。
事实上，支持这一新兴产业所需的量子硬件制造商，往往是小型手工企业，需要较长的交货期才能生产小批量设备。许多企业缺乏稳定的订单，无法将规模扩大到流水线作业，因此，早期公共部门的采用和可用的早期融资，对帮助企业跨越"死亡谷"非常重要。从根本上说，成功的公司不是靠风险投资发展起来的，而是靠客户发展起来的。
也许正是由于这些因素，获得有耐心的资本被认为是量子技术商业化的瓶颈。这一挑战与销售量子产品可能需要较长的准备时间有关，而准备时间通常与风险基金的商业模式不符。
寻找早期采用者--联邦采购的作用：客户来源之一应该是联邦政府。美国国家航空航天局（NASA）和国防部，在半导体行业发展初期对集成电路的联邦采购推动了该行业在可靠性和性能方面的学习曲线，并迅速降低了成本。集中的联邦采购，特别是配合使用其他交易授权机制来加快采购和开发，很可能会发挥类似的强大作用，使量子工具、软件、材料和系统的商业引入能够解决国家任务，并帮助应对友方和敌方部署量子技术这一日益严峻的挑战。
开发量子技术更像是一场没有终点的赛跑，需要在不确定的长期内投入大量资源和国家意愿。
展望未来
显而易见的是，美国需要做出更大、更多方面的努力来支持量子技术的发展。需要大幅增加资金，辅以新的或强化的政策工具，并扩大国内和国际合作伙伴关系，以支持早期应用并加快研究进展。随着《国家量子信息安全法案》（NQIA）将于2023年重新授权，现在正是制定必要的联邦政策以确保美国在这一关键新兴技术领域处于领先地位的时候。量子领域的竞争十分激烈，既有朋友也有对手。拖延和半途而废，无疑是对美国未来发展和安全的真正威胁。
战略与国际研究中心（CSIS）2023年8月17日Sujai Shivakumar、Charles Wessner和Thomas Howell
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