技经观察 | 美国白宫国家量子协调办公室发布《量子网络战略愿景》
2020年2月，白宫国家量子协调办公室发布《量子网络战略愿景》报告，建议汇聚联邦机构、学术界和产业界的科研力量，促进量子互联网发展，确保量子信息科学惠及大众。该战略愿景关注美国当前量子领域的研发工作，明确了量子网络发展的5年和20年目标，并提出6个重点研究的技术领域。量子互联网是一个由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络，而当前量子计算技术仍处于早期研发阶段，愿景也仅是对量子网络未来的展望。但美国拥有深厚的创新和研发能力，其对量子信息前沿科技的预判，值得我研究学习。
一、美国对量子信息科学的重视程度日渐提升
美国于2018年12月颁布《国家量子倡议法案》，以此为基础推动了《量子网络战略愿景》报告的发布。该愿景报告由国家量子倡议法案的协调机构——国家量子协调办公室和国家科学技术委员会下属量子信息科学小组委员会共同制定，旨在通过明确发展目标、提升政府协调能力来加快量子信息科学的研发。
在愿景报告发布之前，美国就已在联邦政府层面成立多家机构以期引领和推动量子互联网的早期研发进程，包括：成立国家量子协调办公室，统一政府机构间的研发活动；成立国家量子倡议咨询委员会，帮助量子研究团体组织向政府提供量子相关领域的信息；国家科学基金会成立“量子飞跃挑战研究所”，征集探索量子科技基础的相关研究；能源部创建新的量子信息科学中心，领导能源部国家实验室的研究人员与学术界和私营部门的专家共同推进量子技术研发。
美国不仅通过政府机构协调国家层面量子研究事宜，也从预算中提高了对量子信息领域的拨款。美国在2019年9月发布的《2021财年政府研发预算重点》备忘录中，将量子信息科学和人工智能并列作为美国希望取得领导地位的未来产业之首；2020年2月公布的2021财年预算提案中，拟向美国国家科学基金会划拨2.1亿美元、向能源部划拨2.37亿美元用于量子计算研究，相比于2020财年的预算增加了超过50%，表明了其对量子信息科学的重视。
二、《量子网络战略愿景》提出的目标和重点领域
愿景报告指出，量子网络利用光和信息的量子特性来实现安全通信、新的传感模式和增强量子计算。这一领域的研究将确保基础科学的持续进步，并使量子器件的创新应用能够改善美国的经济和安全。但量子网络的长期前景取决于能否创建平台将量子器件可靠地连接起来，并开发出利用量子安全、传感和计算模式的应用。因此，报告确定了量子互联网的2个具体发展目标和6个重点技术领域，以完善其基础设施。
（一）5年和20年发展目标
1.未来5年内，美国的公司和实验室将展示基础科学和关键技术，包括量子网络从量子互连、量子中继器、量子存储器、高通量量子信道和洲际天基纠缠分布研究。同时，将查明这些系统的潜在影响和改进的应用，从而使商业、科学、卫生和国家安全方面获得改进。
2.未来20年内，量子互联网链路将利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能，同时促进对纠缠作用的理解。
（二）6个重点技术领域
1.开发关键部件的技术和平台，包括经典光源、量子限制探测器、超低损耗互连、空对地连接、经典网络和网络安全协议以及规模成本；
2.将量子源和信号（包括微波）从光学和电信波段转移到量子计算机相关波段；
3.产生纠缠和超纠缠态，传输、控制和测量量子态；
4.开发与基于光学或电信波长光子的量子比特兼容的量子存储器和小规模量子计算机；
5.探索小规模和大规模量子处理器之间长距离纠缠的新算法和应用，包括量子纠错、量子云计算协议和新的量子传感模式；
6.探索地面和天基纠缠分发的技术。
四、启示与建议
（一）我国量子技术发展应明确目标，加大研发力度
美国在量子计算机方面具有绝对的研发实力优势，IBM、谷歌及霍尼韦尔公司及美国能源部橡树岭国家实验室都已展示先进的量子计算机成果。而我国目前在量子计算机研究方面相对薄弱，在量子通信方面具有较好的基础。因此，我国一方面需明确量子计算与量子通信两手抓的发展目标，在量子计算领域埋头追赶。另一方面也应把握量子通信技术的现有基础，加大研发力度，力争在此领域早日突破。
（二）协调整合现有资源，优化资源配置
与美国以往“自下而上”由市场推动科技发展的方式不同，美国在量子信息科学研究的规划上，以政府为主导，优先促进联邦机构的研究，可见美国对量子信息科学的重视和“以美国国家利益优先”的战略目标。我国可发挥体制优势，以科技、工信等部门既有的协调机制为抓手，促进跨机构协作和共同开发，加大优势技术要素在多机构间的流动，助力量子信息科学创新发展。
（三）立足自主创新，防范可能风险
目前，我国所使用的量子材料和实验设备仍大规模依赖进口，自给能力相对不足。以实验设备中的稀释制冷机为例。稀释制冷机是量子计算设备达到低温工作条件的必需设备，我国在20世纪80年代曾具有自主研发稀释制冷机的能力，但目前所使用的稀释制冷机全部依赖进口。若遭遇美国的恶意断供，量子计算研究将无法持续进行。因此，坚持自主可靠创新，建设科技安全，需作为长期议题重点关注。
作者丨李鹏飞 唐乾琛
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