美国量子政策的方法

美国量子政策的方法 HodanOmaar|2023年10月10日 政府对量子技术的兴趣至少可以追溯到20世纪90年代中期，当时国家标准与技术研究所(NIST)、国防部(DOD)和国家科学基金会(NSF)就这一主题举办了第一次研讨会。1NSF在1999年的研讨会上将量子信息科学领域描述为“一个新的科学技术领域，结合并借鉴了物理科学，数学，计算机科学和工程学等学科。它的目的是了解如何利用本世纪早期发现的某些基本物理定律来极大地改善信息的获取，传输和处理。.”2自NSF首次研讨会以来的近25年中 ，量子信息科学取得了进步，其推动计算能力，安全通信和科学发现方面的重大进步的潜力变得更加明显。美国政府正确地认识到，它需要在确保国家在这一关键领域保持竞争力方面发挥积极作用。 当前美国政策方法概述 量子信息科学（QIS）是一个涵盖几种不同技术的总称。在本报告中，“QIS”或“量子”包括以下五种技术： 量子传感和计量学，是指使用量子力学来增强传感器和测量科学 。 量子计算，是指利用量子力学比经典计算机以指数级速度进行计算的计算机的发展。 量子网络，是指利用量子力学原理开发安全通信协议，以确保传输信息的机密性和完整性。 QIS用于推进基础科学，是指使用量子设备和QIS理论来扩展其他学科的基础知识；例如，提高对生物学，化学和能源科学的理解 。 量子技术，其中列出了几个主题，包括使用量子技术来创建实际应用;为电子，光子学和低温学创建必要的基础设施和制造技术;并最大限度地减少与量子技术相关的风险，例如开发后量子密码学来保护敏感信息。3 近年来，行政部门和立法部门都采取了重要行动来制定QIS政策。 在行政方面，白宫发布了两份开创性的报告，通过国家科学技术委员会（NSTC）阐明了QIS的国家战略方针，NSTC是行政部门协调构成联邦研究和开发（R＆D ）企业的各种实体之间的量子政策的主要机构。NSTC于2016年7月在奥巴马总统的领导下发布了第一份题为《推进量子信息科学：国家挑战与机遇》的报告。4该报告概述了三项原则，以帮助指导“QIS的全政府方法”，这些原则是维持稳定和持续的核心计划，这些计划可以随着新机会的出现而得到加强，并随着障碍的发展而重组；战略性地投资于目标，有时间限制的计划，以实现具体的，可衡量的目标；并密切监视QIS领域，以评估联邦QIS投资的结果，并迅速调整计划以利用所取得的技术突破。5 NSTC于2018年9月在特朗普总统的领导下发布了第二份报告《量子信息科学国家战略概述》，该报告确定了联邦量子投资的六个政策机会和优先事项： 选择科学优先的QIS方法 为明天创造量子智能劳动力 深化与量子产业的接触 提供关键基础设施 维护国家安全和经济增长 推进国际合作6 在立法方面，迄今为止与量子相关的最重要的立法是国家量子倡议法案（NQIA） ，该法案于2018年12月签署成为联邦法律，旨在加速和推进美国的量子科学技术 。 从本质上讲，NQIA创建了一个量子研发框架，并在五年内（2019至2023财年）为各种计划提供了超过12亿美元的资金，主要分配给历史上一直积极参与QIS研发的三个机构：NIST，NSF和能源部（DOE）。NQIA的一些关键组成部分包括授权这些机构加强QIS计划和研究中心;建立一个新的联邦机构，称为国家量子协调办公室（NQCO），位于科学技术政策办公室（OSTP）之下，并负责协调联邦政府 ，工业界和学术界的QIS活动；并建立一个新的联邦咨询委员会，称为国家量子计划咨询委员会（NQIAC），该委员会由来自学术界，工业界和政府的专家组成，其任务是为NQIA计划提供独立评估和建议。NQIA授权的计划于2023年9月30日到期，该法案需要重新授权才能继续美国S.在这个关键领域的领导。 2022年的《CHIPS和科学法案》修订了NQIA，以授权量子网络基础设施的研发；指示NIST制定量子网络和通信标准；建立DOE计划，以促进竞争性的，经过绩效审查的基本流程，以访问U.S.-用于研究目的的基于量子计算资源；并要求NSF支持将QIS集成到所有教育级别的科学，技术，工程和数学（STEM）课程中。7它还明确将QIS包括在新的NSF理事会中，该理事会专注于新兴技术，即技术，创新和合作伙伴关系理事会（TIP）。8 本报告的其余部分探讨了美国政府用于促进量子竞争力的四个广泛政策领域。这些政策支持量子研发，加强量子劳动力，建立量子生态系统以及与国际合作伙伴合作。 本报告还针对这些政策领域向国会提出了10项建议： 1.重新授权NQIA，并为2024财年至2028财年每年至少拨款5.25亿美元（除CHIPS资金外）。 2.为CHIPS和科学法案授权的量子用户扩展科学和技术（QUEST）计划提供全额资金，以提高研究人员对美国量子计算资源的可访问性。 3.在美国能源部内建立量子基础设施计划，以帮助满足研究人员的设备需求，作为NQIA重新授权的一部分。 4.全额资助《CHIPS和科学法案》授权的NSF量子教育试点计划，该计划将在未来五年内拨款3200万美元，以支持K-12学生的教育和QIS基本原则的教师培训。 5.指导NSF与NIST合作，对量子劳动力需求、趋势和教育能力进行系统研究。 6.授权并资助DOE领导的培训计划，该计划与DOE国家实验室合作学习学士，硕士或博士学位，以获得动手QIS经验。 7.指导商务部与量子经济发展联盟（QED-C）合作，审查量子供应链并识别风险。 8.指导并资助NSF内最近成立的TIP局建立量子测试床，以进行受使用启发的研究。 9.指示美国能源部建立并领导一项计划，邀请盟国共同投资量子登月计划。 10.指导NIST优先促进美国，特别是美国行业利益相关者参与NQIA重新授权的国际标准论坛。 支持量子研究与开发 虽然民用、国防和情报机构在量子研发方面有着悠久的投资历史，但政府最近采取了重要措施，以加快、加强和协调联邦量子研发投资与NQIA、CHIPS和科学法案。9支持QIS研发的三个最重要的政府行动是增加QIS研发资金，促进跨学科研究以及促进获得研发资源。 增加QIS研发资金 NQIA催化了QIS研发的联邦资金大幅增加，在2019财年至2023财年之间，联邦资金大约翻了一番。值得注意的是，虽然NQIA为各个联邦机构的QIS研发设定了资金目标和优先事项，但它并不保证具体的资金数额。总统和国会通过年度财政年度预算为每个联邦机构设定非国防量子研发优先事项和资金，国防支出通过一项名为《国防授权法》的单独法案设定。 图1显示了自NQIA成立以来美国QIS的研发预算，各机构报告了量子研发的实际预算支出 2019财年4.49亿美元，2020财年6.72亿美元，2021财年8.55亿美元，其次是2022财年9.18亿美元的已颁布的量子研发预算授权，以及2023财年8.44亿美元的量子研发预算授权。10图1中标记为“NQI”的每个条的部分标识了分配给NQIA授权活动的资金，这意味着它是在基准QIS研发活动预算之外的额外资金。 图1：国家量子倡议法案颁布后美国量子信息科学研发预算11 $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M FY2019 实际值 FY2020 实际值 Base 2021财 年实际 NQI FY2022 估计 FY2023 建议 图2显示，政府已在QIS国家战略概述中分类的所有五个计划组成部分领域增加并持续提供资金，即量子传感和计量（QSENS），量子计算（QCOMP），量子网络（QNET），量子进步（QADV）和量子技术（QT）。 图2：按程序组件区域划分的美国量子信息科学研发12 $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M FY2019 实际值 FY2020 实际值 2021财 年 实际值 FY2022 估计 FY2023 建议 QSENSQCOMPQNETQADVQT 人们普遍认为有必要增加资金。确实，NQIAC讨论了向国会提出的关于如何为国家量子计划的下一次迭代提供资金的建议，其主要建议之一是，持续和增加的资金“对于我们的国家赢得实现QIS利益的竞赛是必要的”。13 这是真的。量子技术仍处于非常早期的阶段，走向成熟和扩散的道路还很长。创新过程的第一步是普林斯顿大学教授唐纳德·斯托克斯所说的“巴斯德象限”研究——针对特定挑战或问题的基础研究。14这种类型的研究提供了基础的，一般的知识，行业可以借鉴的想法和创新。问题是，私营部门没有足够的动力进行基础研究，因为它几乎永远无法捕捉到初始投资的所有溢出收益，或者足够快地捕捉到这些收益，以证明投资与政府处于同一水平是合理的。在基础研究方面尤其如此，因为基础研究比应用研发成本更高，风险更大。15此外，私营部门倾向于将其研究仅集中在与商业相关且经济上有益的领域，而不是所有可能促进公共利益的领域。因此，联邦对QIS研发的资助对于确保新知识，新技术和新技术的有效发展至关重要。 增加和持续的资金对于保持竞争力特别必要，因为其他几个国家正在投资于QIS研发，一些国家为QIS提供的资金远远超过美国。例如，英国正在启动一项为期10年的计划，作为其国家量子战略的一部分，该计划承诺在 量子研发从2024年开始，目的是吸引额外的10亿英镑(13亿美元)的私人投资。16欧盟为量子计算投入的公共资金几乎是美国的四倍，而中国几乎是美国的八倍。17 问题是，有多少资金足以加速美国S.QIS创新并保持国家竞争力？这很难回答，部分原因是，虽然政府通过NQIA增加QIS研发资金的努力很容易量化，但这些努力的好处更难量化，因为几乎没有一致的、全面的衡量标准来衡量S.随着时间的推移，QIS研究发生了变化。NQIAC可能会将这些数据作为NQI计划评估的一部分，但尚未公开发布此信息。然而，在2023年3月对NQIAC的书面评论中，能源科学联盟是一个由100多个组织组成的广泛联盟，代表大学，工业和国家实验室的科学家，工程师和数学家，建议“至少。 从2024财年到2028财年，五年内每年6.75亿美元。“18 虽然有理由希望量子将有大量资金，但也有理由不那么乐观。从积极的一面来看，国会已经通过最近通过的2022年《CHIPS和科学法案》批准了大量量子资金。 尽管没有拨款，但《芯片与科学法案》正在授权立法，设定旨在激励美国各行各业创新的资金目标-其中之一就是量子。它直接授权对核心量子研究计划进行新的投资，例如5亿美元用于量子网络基础设施的研发计划，但它也大大增加了对许多其他关键行业的投资，这些行业将用于量子应用。例如20亿美元用于国防部领导的微电子研发计划，该计划将为依赖微电子元件的量子系统的开发带来巨大的红利。 不幸的是，尽管许多政治领导人口头上支持该法案提高美国在关键创新产业中的竞争力的目标，但《芯片与科学法案》并未获得所需的资金。拜登政府2024财年的预算要求和联邦政府2023财年的综合支出法案都没有达到CHIPS设定的资金目标 。政府的预算要求与机构目标相差超过50亿美元，而综合资金与NSF，DOE科学办公室和NIST的授权目标相差近30亿美元。19 更重要的是，鉴于最近有关降低总体联邦支出的斗争，CHIPS的资金和NQIA的重新授权似乎很紧张。20作为众议院科学，空间和技术委员会的成员，该委员会致力于2023年数据创新中心小组中指出的重新授权，“本届国会的参数与去年不同 在第116届[国会]...我认为我们不会看到类似CHIPS的程序。”21然而，正如委员会的另一位成员所说，“至关重要的是，CHIPS和Science的‘Science’部分是拨款，这将在量子信息科学的基础和应用研究中带来巨大的红利。22 促进跨学科研究 NSF早在1999年的研讨会上就发现，量子研究是跨学科的，该领域的进步将需要“具有多种学科专业知识的人的共同努力，包括数学，计算机科学和信息理论 ，理论和实验物理学，化学，材料科学和工程学。23考虑一个研究项