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【规划参考】美国国家量子计划简介

已有 1335 次阅读 2019-5-19 22:21 |个人分类:规划参考|系统分类:科研笔记

量子科学基本理论深化了我们对自然规律的基本科学见解。例如,理解复杂的相互作用系统和黑洞。量子技术把我们带入了一个由量子物理规律控制的全新世界。先进的原子钟、激光干涉仪以及核磁共振技术的出现及其巨大影响,表明量子技术的不断发展,在许多其他领域也能给我们带来巨大的科学机遇。


2018年,美国国会两党一致支持,出台通过了美国《国家量子计划法》(National Quantum Initiative Act)。该法案2018年底由特朗普总统签署正式成为法律。法案提出“科学优先”原则,提出实施美国国家量子计划(NQI),指导美国国家标准与技术研究所、国家科学基金会和能源部等机构与学术界、工业界和私营部门合作,促进跨学术界、政府实验室和工业界的新技术开发和应用,推动美国量子信息科技发展。


2019年5月4日出版的《科学》在其“政策论坛”中发表了来自马里兰大学量子联合研究院物理学家克里斯多夫·门罗(Christopher Monroe)、俄勒冈大学物理系的Michael G. Raymer以及国家标准与技术研究所和白宫科技政策办公室的Jacob Taylor等三人题为“美国国家量子计划:从法案到行动”的文章,就如何具体实施“美国国家量子计划”提出发展量子技术的主要目标、风险和政策机制等。


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美国《国家量子计划法案》


法案的出台是美国学术界和产业界联合联合努力一年的结果,他们持续呼吁美国政府出台量子研究计划,跟上全球竞争对手的步伐。此前,欧盟已启动了一项为期10年的量子研究计划。


美国早在彼得·肖尔(Peter Shor)提出其密码学核心的量子算法之前,就开始了对量子信息科技开发的大量投资。其投资参与主体主要是美国情报界和国防部。此外,国家标准与技术研究所(NIST)也自1980年代开始投资量子信息科技领域,并持续保持增长。美国国家科学基金会(NSF)也有着30年支持量子信息科技研究的记录。近年来,美国能源部(DOE)科学和实验室办公室开始加大了这一领域的研究团队的工作,而NASA等机构则开始支持小规模的研发活动。


2017年6月,马里兰大学物理学家、量子计算机初创企业的共同创始人克里斯多夫·门罗联合部分学者和产业界高管,发表了一份白皮书,呼吁建立国家量子计划(NQI);此前的4月份,他们发布了一份工作蓝图,蓝图建议了三个重点领域:为生物医学、导航和其他应用开发超精密量子传感器;防黑客量子通信;以及量子计算机。美国众议院科学委员会于2017年10月举行了一次听证会。


尽管包括许多美国国会议员在内的许多人认为量子物理学对亚原子世界的描述违反直觉,令人难以置信。但这并没有阻止美国立法者和特朗普政府的决策者支持一项新的计划,以更好地组织和促进量子研究。2018年6月27日,美国众议院科学委员会一致通过了《国家量子计划(NQI)法案》(H.R.6227),该法案是是一项历时10年的联邦计划,旨在促进量子科学发展。这份两党法案提出建立一个白宫机构来协调量子科学的政策和计划,并授权美国能源部(DOE)、国家标准与技术研究所(NIST)和国家科学基金会(NSF)等三家机构,自2019-2023年在量子研究上共同投入12亿7500万美元,其中能源部6.25亿,NIST 4亿,NSF 2.5亿美元(最终投入以国会批准拨款为准,通常低于授权)。


法案还权美国能源部(DOE)和国家科学基金会(NSF)在大学、联邦实验室和非营利研究机构建立新的研究中心,目标是在从事基础研究的物理学家、能制造设备的工程师和开发量子算法的计算机科学家之间建立联盟。这些中心可以让寻求开发商业技术的学者获得专业知识和昂贵研究工具。


该法案2018年底由特朗普总统签署正式成为法律。法案出台后,美国白宫正式启动了一个新的小组,来指导联邦政府在量子科学中发挥作用。美国参议院也随后支持了这一领域的投入,通过了一项庞大的国防政策法案,其中包括一项指导五角大楼建立一个新的2000万美元的量子科学项目的条款。特朗普在2019年提出的预算请求将使美国国家科学基金会(NSF)提出一项新的3000万美元的“量子跃迁”计划,并将能源部的量子研究项目增加到1.05亿美元,这增加了参议院此前批准的2000万美元的提振资金的投入。


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三大发展目标


量子信息科学旨在开发新的信息处理系统,涵盖三大类:传感、计算(包括模拟)和网络。量子研究可以重塑计算、传感器和通信,将已建立的单个量子比特行为扩展到多个量子比特操作可能需要上述技术的组合。实现量子技术需要自下而上和自上而下的方法,来集成量子信息网络或计算机。大型量子计算机或通信网络可以使用光纤、光子开关和网络技术连接在一起。整合多种形式的量子技术,包括硬件和软件,是发展量子信息技术的核心。单个量子平台的专家,如超导电路、半导体中的单个自旋或捕获的原子离子,将不得不设计他们的系统,使其如此可靠,可让非专家、软件设计者使用这些系统来开发未来应用。


传感,即开发利用量子物理增强的传感器。一些设备,如原子钟或激光测距仪(rangefinders),使用众所周知的量子物理学知识来提供不可思议的准确性。另一些则从事更为深奥的领域,如量子纠缠,以在新机制(如活细胞内部)中产生数量级的性能改进或传感。


下一代基于量子的传感器预计将在多个领域超越当前的技术。例如,基于原子干涉仪的重力传感器和加速度计适用于地质勘探和全球定位系统(GPS)的自由导航;纳米级金刚石磁场传感器可用于生物和医学研究,如单个分子的纳米级功能成像和生物医学诊断技术;量子技术还可以提高光学测量的灵敏度和鲁棒性。


计算,即建造量子计算机。量子行为模式,包括叠加和纠缠,使计算机以不同于传统数字计算机的方式工作。量子计算机不是将每一比特信息(如0或1)存储在由数百万个原子组成的每个硬件组件中(使其受经典物理控制),而是以受量子物理控制的方式存储信息(例如,将每一比特存储在一个单独的单原子中)。


量子计算机将通过提供计算能力来模拟一系列目前难以解决的问题,从而促进基础科学的发展。虽然量子计算机的许多计算仍然令人望而生畏,但在一些关键应用中,量子计算机的性能明显优于传统计算机。例如,一台功能齐全的量子计算机将从根本上增强我们模拟核物理和高能物理的能力;设计新的化学品、材料和药物;打破常见的密码;执行更多的推测性任务,如建模、机器学习、模式识别,以及优化诸如控制电能网或交通控制系统等难题。为了建造第一代通用可编程量子计算机,在未来的几年里,量子计算机将拥有超过100个高质量的量子比特,这将是传统计算机无法提供答案的计算。在更远的将来,容错的、可扩展的设备将充分实现量子计算潜力。


通信网络。开发一个能够在远距离之间发送量子比特的全球通信系统。使用量子比特代替传统比特,可以在双方之间创建共享的随机性,同时知道通信信道是否被窃听者破坏。这样可以安全地发送信息。量子通信还可以允许多方之间的安全通信,以及通过“量子互联网”互连大型量子计算机。


一个有前途的近期应用将是部署一个全球网络的链接高精度原子钟,以提高整个网络的定时精度。例如,这对于更精确的GPS和其他位置敏感的应用来说是必需的。虽然这三个推力看起来可能是不同的,但它们会一起进步和成长。建造一台大型量子计算机几乎肯定需要由小型量子计算机组成的模块化网络,这些计算机通过量子通信网络连接起来,类似于多核传统处理器的体系结构。在远距离执行量子通信可能需要小型量子计算机作为节点之间安装的“中继”站。先进的量子传感器,如改进的单光子或单自旋探测器,将在量子计算和通信中得到应用。


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发展风险


量子技术发展的一个众所周知的风险,是它可以破坏我们现有的许多数据加密方法的安全性。与任何已知的经典算法相比,Shor的量子因子分解算法在密码分析中提供了指数加速。这就带来了一个风险,即我们所知的在安全的超文本传输协议下变得安全的互联网,可能会停止工作。尽管数学家们正在开发量子计算机无法破解的新加密方法,国家标准与技术研究院(NIST)等政府机构也正与业界合作实施和部署这些方法,但还没有证明任何纯粹基于数学的方法是牢不可破的。


量子技术有许多可用的物理平台,它们与传统信息处理中使用的设备非常不同。传统的信息技术是以比特为基础的,比特是信息的基本单位,具有两个可能的值之一:0或1。在微观层面上,量子物理学允许以一种非常不同的方式来表示和处理信息。光子或电子等基本物体可以被置于量子叠加态,这种叠加态在观察时可能出现在两种状态中的任何一种。量子系统必须与环境极度隔离,才能在量子存储器中保持量子比特的叠加和纠缠。这就需要一些奇特的特性,如低温、超导电路、固态晶体的原子级完善、超高真空环境或电磁约束单个原子的激光控制。在存储位置之间传输量子信息可能需要使用量子电磁场(光子),这种电磁场在空气中或光纤中传播时几乎没有退化。


量子技术另一个与巨大的、昂贵的工作相关的风险是意外失败。尽管科学界的共识很清楚,在创造量子技术方面不存在任何基本的、基于物理的障碍,但要做到这一点,技术上的挑战可能比目前所认为的要可怕得多。众所周知,量子比特很容易受到运行中最微小的“错误”或任何不必要的影响(如任何计算机系统中存在的电噪声)的干扰。理论家们已经证明,只要错误率足够低,并且对错误的性质了解得很好,就可以管理和纠正这些错误。但是,可能会出现意外的错误或故障模式。研究这些噪声和误差将构成研究和开发工作的很大一部分。


此外,法律和伦理问题也不应被忽视。量子技术可能会给隐私和社会控制带来意想不到的风险,这一点水与传统信息技术和人工智能并无不同。


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发展机制


尽管量子信息科技是基于学术界所熟悉的许多基本物理原理发展起来的,但对于许多工业界和工程界的工作者来说仍很一个陌生的领域。而工业界和工程界负责实际建造可靠量子设备。量子技术的发展仍面临着巨大的技术挑战。近年来,量子信息科技产业投资大幅增长,但仍处于萌芽阶段。机遇、需求和挑战并存,需要各国政府发挥重要作用,大力推动产学研合作和国际合作。


大学的学者善于发现基础科学或应用科学的新原理,工业界则擅长将这些原理转化为精心设计的产品。但大学无法轻松获得最先进的设计和制造能力,而工业界却缺乏将量子科学转化为产品所需的高深物理专业知识。因此需要在基础科学家和工程师之间建立一座桥梁,学习如何将量子科学转化为量子技术。短期内可通过建立重点团队来实现,但需要注意知识产权、不同工作文化的影响。


从长远来看,还是要大力培养熟悉量子科学的数量庞大的劳动力。大学可以培养更多有量子能力的工程师和基础科学家,他们希望与工程专业人员一起工作。在软件方面,许多大学的计算机科学系才刚刚开始聘用专门研究量子信息科技算法的教师。产业界可以通过提供资助或捐赠来鼓励此类招聘,政府可以利用现有机制鼓励新课程和教师发展。大学可以在这一领域进一步创造新的教师职位。


在支持科学研究方面,既要支持个别研究人员层面开展新的项目研究,也要关注大型、中心规模的研究工作,同时支持劳动力开发和吸纳产业界参与,并加大不同政府部门的合作。这方面,美国白宫科学和技术政策办公室召集了国家科学和技术理事会量子信息科学小组委员会(SCQIS),来承担机构间协调工作。2019年3月,美国还宣布新成立国家量子协调办公室,将提供加大协调管理的力度。


加强国际合作,如在量子信息科技开放标准和基础研究等方面,与欧盟、英国、日本、加拿大、澳大利亚和中国开展合作,将确保一个健康的科学生态系统向前发展。


参考文献


1.https://science.sciencemag.org/content/364/6439/440

2.https://www.sciencemag.org/news/2018/06/updated-quantum-physics-gets-attention-and-brighter-funding-prospects-congress




http://blog.sciencenet.cn/blog-2903646-1180020.html

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