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美国量子信息科学报告概述

2016年7月22日,美国国家科学和技术委员会(NSTC)公布《推进量子信息科学:国家挑战与机遇》。报告总结分析了量子信息科学(QIS)的应用前景,分析了美国在QIS领域发展所面临的挑战和机遇,以及政府机构的投资重点等。

一、前言

量子信息科学(QIS)通过开发量子力学现象,推动信息收集、处理和传输方面出现量与质的飞跃,已展现出巨大的应用潜力。近年,该领域的基础科学,以及短期与长期应用研究进展迅猛,并获得了各界越来越多的关注。产业界和国际性组织发出量子信息科学可行性设备及其所具备的能力正迈入市场早期阶段的信号,预示着未来更广阔的前景。

量子信息科学目前正处于转折点,将为国家创造机遇与挑战。在过去十五年中,与量子通信、量子计算和量子信息相关的出版物处于稳步增长。该领域的基础与应用研究,以及发展和示范的步伐正在加快,并有望在近期内继续提速。与此同时,推进量子信息科学领域仍需要深入的科学知识和技术专业化。但由学者和少数政府与行业研究小组主导的量子信息科学研究界,很难满足将成果转化至高科技经济领域的需求。此外,各国政府和企业已意识到量子信息科技革命的无限潜能,开始加紧投入,全球竞争正在加剧。十多年来,由美国联邦机构发起或组织赞助的无数研讨会,正不断唤起人们对量子信息科学价值和重要性的意识。这种持续而又强大的研发生态系统是十分必要的,因为当技术产生突破时,该系统能促使研究界、产业界和政府机构及时介入,并迅速抓住突破所带来的机遇。加强这个生态系统将维护美国国家安全,增强经济竞争力,并扩大在科学研究的领导地位。

二、量子信息科学与技术的主要方向

量子信息科学基于独特的量子现象,如叠加、纠缠、压缩等,以经典理论无法实现的方式来获取和处理信息,在传感与测量、通信、仿真、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景,并有望在物理、化学、生物与材料科学等基础科学领域带来突破。

(一)量子传感与计量

量子信息科学拓展了传感与计量的应用领域。除用于惯性导航外,原子干涉仪经过改装之后还可用作重力仪,其应用范围从地球系统监测,到地下矿床的精确定位等。基于金刚石点缺陷的磁力计可在人体附近,以及军事与工业应用的极端环境中操作。量子授时装置,如美国国家标准技术研究院(NIST)研制的量子逻辑钟,是目前世界上最精确的授时装置之一。

(二)量子通信

量子通信是目前活跃的研究领域。其中,量子密钥分配技术的研究受到了美国和其他国家的广泛关注。从近期来看,量子通信可用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定,以确定两个远程数据(例如财务信息)是否相同,展现出量子通信潜在的商业价值。从长远来看,量子网络还将连接分布式量子传感器,例如用于全球的地震监测,并允许量子信息在量子模拟器和计算设备的内部组件之间相干性流动。

(三)量子模拟

量子模拟器使用易操控的量子系统,来研究其他难以直接研究的量子系统的属性,例如复杂材料。基于一些不同技术研发的量子模拟器原型已在实验室环境中得到了验证,包括:利用囚禁离子阵列模拟磁性材料,以及利用冷原子和量子点(模拟简单化学反应的动力学过程。未来,量子模拟可能促进对特殊材料(如高温超导体)属性的理解,预测复杂分子相互作用情况,并构建新的核物理与粒子物理模型。

(四)量子计算

量子计算机处理存储在量子位中的信息,每个量子位单独地处于叠加状态,并且彼此纠缠。量子计算机解决具有实际意义问题的能力已展现出来,如在化学和材料科学和粒子物理学的研究。量子计算最终将引起科学研究的革命。


三、量子信息科学研究的主要资助来源

自从量子信息科学出现以来,美国联邦政府已对该领域资助了超过二十年。目前,美国联邦政府在量子信息科学,包括基础与应用的研发投入每年为2亿美元左右。国防部(DOD)下属研究机构和部长办公室、国家标准与技术研究院(NIST)和国家科学基金会(NSF)主要提供基础研究资助,而国防部高级研究计划署(DARPA)和情报先进研究计划局(IARPA)等支持导向性、有限期的计划。2017年财年,美国能源部(DOE)将启动和资助与能源相关的量子信息科学研究新计划。

在过去两年中,不少国家宣布了该领域相关新计划,以补充现有的研发投资。例如,英国在2014年承诺了一项量子技术五年计划,包括在特定领域建立四个新的研究中心,并在2016年提出培养成熟的量子技术人才队伍的相关要求;2015年,荷兰开始了为期十年的投入,以加速代尔夫特(Delft)大学量子技术研究所在量子计算方面的发展;此外,欧盟委员会已宣布将在2018年执行新的量子技术旗舰十年计划。

私营部门对量子信息科学的投资力度也在持续加大。美国几家大型企业以及一些初创企业都对该领域进行了新的投资,包括量子计算及其所需软件的开发。其中不少企业还向学术研究团体提供资助。同时,越来越多的小企业专注于将特定的量子设备市场化,包括上述的导航传感器等。随着量子信息科学应用的日趋成熟,全球市场的竞争加剧,建立和加强学术界和产业界的联系变得越来越重要。

四、量子信息科学未来发展路径

美国联邦政府将量子信息科学领域的优先级别提高,并调整现有计划以克服前进道路上的障碍,进一步开发启动新计划,以补充和完善计划体系。各机构还应探索将政府、学术界和行业联系起来的可行性,以加强知识转移,并在量子信息科学领域建立起一支富有经验的未来人才队伍。目前,联邦机构正在构建一个统一的、全覆盖的行动框架,其中包括:稳定和长期的核心计划,且计划可以随着新机遇的出现而增强,随着障碍的演变而重构;战略投资导向性和有限期的计划,以实现具体、可衡量的目标;持续密切监测该领域,以评估联邦对量子信息科学投资的成效,当技术突破出现时迅速调整计划。

参考文献

美国国家科学技术委员会(NSTC)《发展量子信息科学:国家的挑战与机遇》报告

Advancing quantum information science:national challenges and opportunites,July 2016.

 


 


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