量子计算 ： 概念、现状和国会考虑

2023年9月7日 国会研究服务https: / / crsreports. congress. govR47685 SUMMARY R47685 量子计算：概念、现状和国会考虑 2023年9月7日 国会通过，总统签署了《国家量子倡议法案》(NQI法案; P.L.115 - 368；在15 U.S.C.§ § 8801等。)在2018年12月，为美国的经济和国家安全加速量子研发(R & D)，并确保持续的美国S.在量子信息科学及其技术应用方面处于领先地位。自《NQI法案》颁布以来，研究人员在量子研发方面取得了进展。根据NQI法案，对若干联邦研发活动的资金授权将于2023财年末到期。 凌珠电信政策分析师 在NQI法案中，国会将量子信息科学定义为“使用量子物理定律来存储，传输，操纵，计算或测量信息。“量子计算是量子信息科学的技术应用之一，它使用量子位或量子位作为其基本数据单元，以利用叠加和纠缠等量子特性。通过生成和操纵量子比特，量子计算机能够比传统的非量子计算机（被称为经典计算机）更快地执行某些计算，从而导致解决一些以前无法解决的复杂问题的新方法。研究人员已经证明了量子计算在密码学，机器学习以及科学和工程研究等领域的应用潜力，特别是使用建模，优化和仿真。 NQI法案是支持量子计算研发活动的主要联邦法律。它已被2022财年的《国防授权法》(NDAA)修订(P.L.117 - 81）和CHIPS与科学法案（P.的B部分L.117 - 167)。当前法案包含四个标题，指示（1）总统实施NQI计划，并制定10年计划，以加速量子研发，投资和协调基本的联邦研发活动，并与行业和大学合作，以推进NQI计划的目标和优先事项；（2）国家标准与技术研究所（NIST）开展特定的研发活动，并召集利益相关者联盟，以确定未来的测量，标准，网络安全和强大的量子产业的需求；（3）国家科学基金会（NSF）开展基础研究和教育计划，并授予赠款以建立多学科能源研究和教育计划，包括量子科学基础计划的扩展（4）和量子根据NQI法案，以下活动的资金授权将于2023年9月到期：NSF的五所大学量子飞跃。挑战研究所，美国能源部的五个国家实验室主导的研究中心，以及NIST的研发活动，包括行业主导的量子经济发展联盟。 自2018年《NQI法案》颁布以来，研究人员在量子计算方面取得了显着进展：在实验中证明量子处理器可以比经典超级计算机更快地执行复杂的计算任务；在实验中证明减轻量子比特所拥有的信息丢失引起的计算错误-这是量子计算的主要挑战；以及扩展量子计算处理器，从而增强其功率和潜在的可靠性。 一些专家认为，持续的联邦研发投资对于加速实际量子计算的进展以及保持美国研究人员和机构在全球的领导作用是必要的。然而，关于联邦政府在量子研发中应该发挥的具体作用以及资源和支持应该如何特别有针对性和优先次序的共识较少。 国会在三个方面面临政策制定。首先，国会可以决定是否以及如何根据NQI法案重新授权或扩大联邦研发活动和支持。其次，国会可以选择是否设定政策优先事项，以确保美国S.在量子计算方面的领导地位，包括（1）加快开发具有短期有用应用的实用量子计算机；（2）支持发展可访问，可持续和安全的供应链和国内制造能力；（3）促进发展具有量子知识的劳动力。国会还可能考虑是否制定政策优先事项，通过解决风险来保护量子计算中的国家安全利益；特别是当前加密系统的预期妥协，这些加密系统保护政府机构、金融机构、医疗服务提供商等之间的敏感数据和通信。 Contents 量子计算的概念1量子计算的现状3展示量子优势3提高量子计算可靠性3为实际问题实现量子优势5关于量子计算的联邦法律6量子信息科学与技术的联邦研发投资8国会的政策考虑9根据NQI法案10重新授权联邦研发活动确保美国在量子计算领域继续保持领导地位11近期加速实用型量子计算机的发展应用11支持量子供应链的发展12促进量子计算的劳动力发展13保护量子计算中的国家安全利益 Tables 表1. NQI法案授权的研发活动，经修订9 Table B - 1. NSF Quantum Leap Challenge Institutes (QLCI) 21表B - 2. DOE国家量子信息科学研究中心22 附录 量子计算的关键术语解释17NQI法案资助的研发中心20 联系人 作者信息22 C2018年12月，总统通过了《国家量子倡议法案》（NQI法案；P. L. 115 - 368；在15 U. S. C.§ § 8801等处编纂），以加速量子研发（R＆D），以促进经济和国家安全。 美国并确保美国的持续S.在量子信息科学及其技术应用方面处于领先地位。自《NQI法案》颁布以来，研究人员在量子研发方面取得了进展，而根据《NQI法案》对若干联邦研发活动的资金授权将于2023年底到期。当国会考虑是否重新授权NQI法案并继续拨款时，它可能会考虑许多问题：量子技术的当前状态如何？当前的研发活动距离提供有用的量子系统和应用还有多远？需要哪些资源来加速研发。联邦机构如何进一步协调和促进与工业界、学术界和全球合作伙伴合作的授权研发工作？ 本报告使用一种特定的量子信息技术-量子计算-解释量子叠加、纠缠和量子比特等概念，以及该领域的当前状态，包括最近的技术里程碑。该报告还提供了相关联邦法律的概述- NQI法案以及年度国防中的量子规定授权法案（NDAAs）和CHIPS和科学法案。最后，报告讨论了国会可能选择考虑的当前政策问题：（1）根据《NQI法案》重新授权联邦研发活动；（2）通过以下方式确保美国在量子计算领域的持续领导地位加快近期应用，发展强大的供应链，促进劳动力发展；（3）通过量子计算的进步评估和保护国家安全利益。 量子计算的概念 国会在联邦法律中定义了一些与量子计算相关的关键术语。在NQI法案中，术语“量子信息科学”是指“使用量子物理定律来存储，传输，操纵，计算或测量信息。“1在《量子计算网络安全准备法案》中(P.L.117 - 260），术语量子计算机是指“使用量子态的集体属性，例如叠加，干扰和纠缠来执行计算的计算机。“2除了这些法定定义外，根据NQI法案中建立的国家量子计划计划发布的报告使用量子信息科学和技术（QIST）一词来指代量子信息科学的理解和应用，以设计新型的。计算机、网络和传感器“实现新的速度、精度或功能”。3 具体来说，量子计算- QIST总括概念的一部分-是一种新兴的利用量子力学原理来表示，存储，处理和传输数据的计算范式。4在量子计算中，基本数据单元是量子位或量子位， 相当于传统的非量子计算机(也称为经典计算机)。5量子计算机的数据处理能力在很大程度上取决于6科学家使用超导材料和设备，或原子，电子等微小物体， 捕获的离子或光子8 与只能表示一个信息的经典位不同，无论是0还是1，量子位可以通过叠加来表示数学上更丰富的信息，这可以是 表示为在0中的一定概率和在1.9个Qbit中的一定概率的组合可以彼此纠缠，因此量子计算机可以在单个操作中操纵一组量子位，与经典计算不同，在经典计算中，需要对每个位单独执行相同的操作。10专门设计用于利用叠加和纠缠的这些独特量子位属性的计算机算法将允许量子计算机同时执行多项任务，并且某些计算比经典计算机快得多，从而导致解决一些复杂问题的新方法。 对于任何规模的经典计算机（甚至是高性能超级计算机）来说都是棘手的。11 In short, as the number of qubits increases linearly, the information that the qubits are capable of carriingexpectively growth. In classical computing, double the number of bits only double its computing power tohandle data. See附录A用于解释量子，量子力学，量子叠加和量子纠缠的术语。 解决计算复杂的问题通常需要处理大量变量，这些变量以复杂的方式相互作用，并具有多个可能且不确定的结果。12解决这些问题需要大量的计算资源，并且耗时。示例包括对分子中单个原子的行为进行建模；当两个物体相互碰撞时，模拟所有可能的相互作用；优化车队的一组路线，以将包裹交付给不同位置的客户；考虑到大 将整数合成为加密算法中的质数乘积；并识别金融交易中的欺诈模式。研究人员已经证明了量子计算在密码学，机器学习以及科学和工程研究等领域解决复杂问题的潜力，特别是使用建模，优化和仿真 （例如，用于量子物理，化学和材料科学的研究，以及用于新药 开发）. 13但是，存在实际的实现挑战，例如维护量子比特的叠加和纠正计算错误（在以下小节“增加量子计算可靠性”中讨论），从而导致关于量子计算是否以及何时可以广泛部署和应用的不确定性。 量子计算的现状 自2018年NQI法案颁布以来，研究人员在三个特定领域的量子计算方面取得了显著进展。 展示量子优势 2019年10月，一个由谷歌量子小组科学家领导的研究小组报告说，一个拥有54个量子比特的量子处理器花了大约200秒的时间来完成一个专门设计的 计算;一个等效的计算将需要一个最先进的经典超级计算机大约10000年。研究人员声称，他们的实验证明了量子计算的里程碑-第一个计算任务在量子处理器上的执行速度比在经典处理器上快得多。这一成就也证明了与经典计算相比的所谓“量子优势”或“量子加速”。 2023年4月，由同一谷歌集团领导的另一个研究团队报告说，其第二代量子处理器具有70个量子位，执行的任务比 报告于2019年。根据研究人员的估计，橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机需要大约47年的时间-最快的经典 当时世界上的计算系统. 14研究人员声称，这样的计算任务超出了许多现有经典超级计算机的能力15. 尽管取得了这些成功，但一些专家认为，到目前为止，研究人员在解决数学证明方面仅表现出优于经典计算机的量子优势，并且量子优势可能没有超出学术研究的实用价值。 提高量子计算的可靠性 为了使量子计算广泛适用于解决实际问题，研究人员已经认识到需要技术进步来提高量子计算机的可靠性。17许多研究人员一致认为，量子计算的一个主要突出挑战是“噪声”。 噪声是指对量子比特环境的任何干扰，如热，光，热振动，电磁辐射，地球磁场，宇宙射线或相邻的量子比特等。19量子比特极易受到噪声的影响，这可能导致其持有的信息丢失。20量子计算机的错误率通常高于经典计算机。21 噪声在量子计算中引入了难以校正的错误22，并限制了量子计算机可以拥有的量子比特数。23解决这一挑战的方法包括开发容错量子处理器或运行完全纠错的量子算法。方法至少需要数万个量子比特24,远远超出了当前量子处理器的容量25. 最近的一些有希望的研究结果指出，可能有助于减少错误并提高可靠性的技术的发展。2023年6月，由IBM量子研究人员领导的一个团队展示了一项“可控地操纵”量子噪声的实验结果，证明了一项实验性设置的成功。 量子计算机中计算的错误率27研究人员承认，他们实验中错误率的改善仍然很小，错误率需要下降更多 意识到解决经典计算机无法解决的问题的潜力。28一些专家认为，迄今为止的进展已经减轻了计算错误，但没有完全纠正计算错误，只有完全的量子纠错才能真正实现可靠的量子计算。29 为实际问题实现量子优势 一些专家建议将重点放在提供实用量子优势的量子计算机的开发上，而不仅仅是模拟和测试量子硬件。30实用量子优势意味着使用量子计算机可靠地解决领先的经典超级计算机无法解决的有用的现实问题。它将需要大规模 量子计算机具有数千，数十万甚至数百万个量子比特，具体取决于问题的类型，算法和量子硬件的体系结构等因素。31这种规模的量子处理器尚不存在。 为了实现实际的量子优势，领先的行业参与者已经制定了他们的研发路线图，以扩大量子比特的量子处理器。2022年11月，IBM宣布了一款基于超导技术