史無前例,美以舉國之力發展量子技術:19頁國家級科技戰略曝光,考慮量子人才儲備從國小開始

2019-02-24 03:11:52

量子信息科學代表了資訊時代的下一個前沿”,在近日的一份聲明中,美國能源部長里克佩里表示。更有美國會議員表示,“這是一場我們必須贏的比賽”。

有如此評價,美國最近在量子領域的頻頻動作也就不難理解了。

幾天前,也就是在 9 月 24 日,美國的量子科技悄然翻開新的篇章。當天,美國政府在白宮舉辦了一場聲勢浩大的量子峰會,除了聯邦政府官員以外,一眾矽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,一項為期 10 年的量子研究加速計畫在美獲批,國會立法撥款 13 億美元來支持量子計算研發工作,當時,這一動作被認為是對標對標中國的量子重大專項。該計畫預計將在今年晚些時候由參議院批准。

如今美國政府馬不停蹄地在白宮舉辦了一場量子峰會,並發布了一份 19 頁的國家量子戰略概述,其中究竟釋放了哪些訊號?

圖丨19 頁的國家量子戰略概述

美國兩大官方機構出資,國家統籌發展量子技術已成現實

美國是全球量子技術的領跑者,多年以來一直通過多個研發項目支持量子信息科學的基礎研究,承擔研發的主要政府機構就包括能源部(DOE)、美國國家科學基金會(NSF)和美國國家標準與技術化研究院(NIST)。

在此次的量子峰會上,首先亮相的就是來自能源部和美國國家科學基金會兩大機構的最新投資計畫,旨在幫助美國從國家層面上統籌現有資源以支撐研究。

美國能源部宣布,它將撥款 2.18 億美元資助 85 個研究項目,包括 1 個太平洋西北國家實驗室提出的項目。美國能源部科學辦公室(the DOE's Office of Science)下屬的3個項目辦公室將負責管理這些項目,分別是高級科學計算研究辦公室(ASCR),基礎能源科學辦公室(BES)和高能物理辦公室(HEP)。

圖丨 ASCR 的負責項目(來源:美國能源部)

圖丨 BES 負責項目(來源:美國能源部)

圖丨 HEP 負責項目(來源:美國能源部)

尤其值得一提的是,ASCR 將主要負責探索量子計算硬體對科學套用的適用性能力。這樣的基礎研究將促進非常適合量子計算科學套用的設備架構的開發,並提高科學家對量子計算的理解。

除了美國能源部以外,美國國家科學基金會則將提供3100 萬美元用於資助量子基礎研究,為推進量子計算、量子保密通信提供支持,而且還將用於培養下一代量子科學家、工程師和企業家等。

這部分資金將主要分為兩個部分:2,500 萬美元用於探索性量子研究,作為跨學科科學與工程研究高級研究(RAISE)、量子系統轉換研究(TAQS)工作的一部分;600 萬美元用於量子研究和技術開發,作為量子通信集成平台(EQuIP)工作的一部分。

其實在此之前,美國國家科學基金會就於今年8月份率先通過了首個實用型量子計算機項目。來自杜克大學、馬里蘭大學、麻省理工、加州伯克利大學等七所高校的研究者將在未來五年時間內完成首台基於離子阱的量子計算機的軟硬體設計及實現,項目總金額1500萬美元。

美國科學界對於這樣的政府支持也十分歡迎,因為這將有助於更廣泛吸引工程師和企業家加入這個剛萌芽的領域。正如美國國家科學基金負責人弗蘭茨·科多瓦所說,“這些投資有助於確立美國量子計算研究研發的領軍地位,並幫助培養下一代量子計算研究人員”。

美國要確立其在量子計算領域的領軍地位,也並非信口開河。事實上,除了在量子保密通信領域外,美國在量子計算和量子感測領域的實力可謂獨步全球,擁有著頂尖的科學研究團隊和與之相匹配的技術實現團隊,在多個研究方向上也正在引領全球技術的發展。

(來源:麻省理工科技評論)

白宮為何向巨頭公司伸出橄欖枝?

其實,兩大官方機構新的撥款計畫還只是一種“科學優先”、強調支持基礎研究的常規舉措,畢竟現在判斷量子技術的最佳商業用途還為時尚早,其所需要的基礎設施、硬體、人力對任何個人而言都太過昂貴。

但,我們又如何理解這次一眾民營科技公司在此次量子峰會以及以後美國量子技術發展中的角色?

正如上文提到,美國能源部和國家科學基金會等聯邦機構其實在量子領域已經有了長期研究,但是,鑒於學術機構往往缺乏系統工程和產品開發的經驗,而民間私企中受過專門培訓的量子工程人員則非常稀缺稀缺,這些種種構成了目前量子技術從政府部門“流向”企業再“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,其背後意義不但在於推動這些官方機構之間進行合作,更希望推動他們與私營科技公司進行廣泛合作,這不但利於加強技術轉化,對培育量子創新生態系統來說也能添上一把火,進而推進加強量子信息科學的商業化套用。

圖丨谷歌的 Bristlecone(來源:麻省理工科技評論)

於是,我們在參會名單上看到了一連串矽谷科技巨頭的名字,這些公司近些年在量子領域都有著不凡表現:谷歌已經開發出一個名為“ Bristlecone ”的72 超導量子比特晶片;IBM 即將實現50超導量子計算機的研發和製造;微軟也在積極研發基於拓撲量子比特的量子計算機;不僅如此,三家公司還推出了相應的量子計算軟體開發工具,從硬體、軟體兩方面共同推動量子計算的發展。儘管所採取的技術路線不盡相同,但這些科技巨頭都對量子計算的重視程度均以上升至公司未來戰略的高度。

值得一提的是,除了谷歌、IBM等科技巨頭以外,美國還有一眾初創公司在量子信息領域的表現也非常搶眼。這些初創公司大多脫胎於美國大學和研究機構的頂尖實驗室,由研究領域領軍的科學家成立。其產品涵蓋了從基礎的真空系統、光學電學器件到成熟產品和解決方案等,其供貨單位不僅包括全球的實驗室和研究機構,還包括NASA以及美國軍方等政府部門,為近期美國在量子計算、量子感測領域的重要突破提供了支撐。

那么美國究竟打算如何在量子技術的發展中實現政府、產業和私營參與者之間的無縫協調?一份 19 頁的檔案可供我們窺得其中一二。

國家級量子科技戰略出台,19 頁檔案定調

除了推動國家層面的支持和探索各界合作以外,這次的量子峰會還發布了一份非常不尋常的檔案:量子信息科學國家戰略概述(以下簡稱為“戰略概述”)。這份國家級的科技戰略旨在維持和擴大美國在量子信息科學領域的領導力,並為美國往後的量子技術發展定下基調。

戰略概述由白宮國家科學技術委員會(NSTC)發布,首先明確了量子技術的重要性——“量子信息科學是即將發生新一代技術變革的領域,通過它,美國可以改善工業基礎,創造就業,滿足經濟和國家安全利益”。

圖丨戰略概述的目錄(來源:NSTC)

具體而言,戰略概述列出了六個方面的建議和對應的具體措施:

其中,戰略概述中的關鍵政策機會包括:推動聯邦政府資助的“核心研究計畫”、 促進不同學科的以量子為中心的研究人員進行對話、並鼓勵學術界將量子科學作為自己的學科內容。

戰略概述還構想構建一個“美國量子聯盟”,與來自工業界、政府和學術界的參與者預測並就需求和障礙達成共識,協調研究工作,解決智慧財產權問題,並簡化技術轉讓機制,並通過工業界,政府和學術界之間的夥伴關係增加對“聯合量子技術研究中心”的投資。

(來源:NSTC)

此外,戰略概述一大重點還有研究和開發確定“急需的基礎設施”,通過可用於快速推進量子技術開發的現有基礎設施,以及用戶測試平台設施,允許聯邦機構和利益相關者探索他們各自的使命。

圖丨量子信息科學涉及的基礎設施(來源:NSTC)

NSTC 表示,戰略概述的出發點就在於展望未來十年,希望在以下一系列領域取得突破:計算套用、 感測器技術、用於軍事和商業套用的定位導航系統、網路安全系統、量子密碼學、機器學習的新算法以及“通過量子信息理論理解材料,化學甚至引力的新方法”。

其計畫支持的量子項目可以分為 7 大類,包括 4 類科學項目和 3 類技術項目。這 7 大類構成了整個量子技術的廣泛基礎,因此也將凝結學術界、工業界以及政府的共同努力。其中,感測器技術將獲得了最大額度的投資額配比。

圖丨戰略概述中計畫支持的7 大類量子項目及其投資額配比(來源:NSTC)

根據戰略概述,為實現這一目標,美國將“為碎片化、單一組織的量子信息研究和開發創造一種可見的、系統的、國家的方法”,並由 NSTC 的量子信息科學小組委員會協調。

“這些努力將利用現有的計畫和方法,適應不斷變化和改進的科學技術知識,反映出對國家量子信息科學的機遇和挑戰的最佳理解,並在適當的情況下採取新的措施,”檔案寫道。

NSTC 還要求,在量子信息科學小組委員會中擁有席位的聯邦機構,需要在 2019 年第一季度制定詳細的書面計畫,以實現戰略概述中規定的政策目標。這些機構包括美國能源部、國家標準與技術研究所、國家科學基金會、國家安全局、管理和預算辦公室、白宮科技政策辦公室、國土安全部、國家航空航天局、國立衛生研究院、農業部等機構。

由此可見此次這份戰略概述起到的整體統籌作用。

在 AI 發展上“吃過虧”的美國,正在量子技術上“繃緊神經”

我們都知道,理論上來說,量子比特的特殊性質能讓量子計算機擁有比目前的超級計算機快得多的計算速度。這樣在化學、材料科學或物理領域,量子計算機就能成為更好的輔助工具。

而量子計算機的速度有助於發現新藥、最佳化金融投資組合以及尋找更好的運輸路線或供應鏈。量子計算機可以在大量圖像和數據中迅速找到合適的模型,所以它還能推動另一個快速發展的領域——人工智慧

據外媒 thestar 報導,也正是量子技術潛在的經濟效益贏得了兩黨對這一些列倡議的支持。但這一方面是基於對這種技術的熱切期許,另一方面更是擔心其在量子計算領域的領先地位遭受來自中國和歐洲的挑戰:一個推動政府採取行動的是理由是,如果美國不採取統一戰略,有朝一日可能會被其它國家所取代。

圖丨中國量子通信研究的領軍人物潘建偉(來源:Nature)

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