美国 “量子战 ” 的评量和布局 ： 国家计量计计图 (NQAIC) <unk> 新报告 （ 汉 ）

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可以追溯到 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） 举行了关于这个主题的第一次研讨会。1NSF描述了1999年量子信息科学领域研讨会 作为“一个新的科技领域，结合和借鉴物理科学的学科， 数学、计算机科学和工程学。它的目标理解某些基本的物理定律 在本世纪早些时候发现的可以用来极大地改善了采集、传输和 信息处理”。2在近25年以来 NSF的第一个研讨会，量子信息科学先进的技术及其推动重大进步的潜力计算能力、安全通信和科学 发现变得更加明显。美国 政府已经正确地认识到，它需要发挥 在确保国家在以下方面保持竞争力方面发挥积极作用这个关键领域。 当前美国政策方法概述 量子信息科学(QIS)是一个涵盖 几种不同的技术。在这份报告中，“QIS”或“量子” 包含以下五种技术： 量子传感和计量学，指的是使用量子力学增强传感器和测量 科学。 量子计算，指的是 使用量子力学进行计算的计算机比传统计算机快得多。 量子网络，指的是安全的发展使用量子原理的通信协议 确保传输的机密性和完整性的机制信息。 推进基础科学的QIS，指的是使用量子器件和QIS理论拓展基础 其他学科的知识；例如，提高了解生物学，化学和能源科学。 量子技术，其中列出了几个主题，包括使用量子技术创造实际应用；创造 必要的基础设施和制造技术 电子学、光子学和低温学；并将风险降至最低与量子技术相关，例如开发后- 量子密码术来保护敏感信息。3 行政部门和 立法部门近年来塑造了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战略阐明QIS的国家战略方法 科学技术委员会（NSTC），这是主要机构通过它，行政部门协调跨 组成联邦研发(R&D)的不同实体 企业。NSTC发布了第一份名为推进量子 信息科学：国家的挑战与机遇在2016年7月 在奥巴马总统的领导下。4本报告概述了三项原则，以帮助指导一种“全政府的QIS方法”，旨在保持稳定和 持续的核心计划，可以作为新的机会得到加强随着障碍的发展而出现和重组；战略性地投资于 有针对性的、有时间限制的计划，以实现具体的、可衡量的目标；并密切监测QIS领域，以评估 联邦QIS投资，并迅速调整计划以利用技术上的突破。5 NSTC发布了第二份报告,国家量子战略概述 信息科学,2018年9月，在特朗普总统的领导下，这报告确定了联邦量子的六个政策机会和优先事项 投资: 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，最重要的立法涉及 迄今为止，量子一直是国家量子倡议法案(NQIA)，这是一项法案 2018年12月签署联邦法律，旨在加速并在美国推进量子科学和技术。 本质上，NQIA为量子研发和 授权在五年内提供超过12亿美元的资金(财政年度2019年至2023年)用于各种举措，主要分配给历史上曾大量参与QIS研发的三家机构： NIST,NSF,andtheDepartmentofEnergy(DOE).SomeoftheNQIA’skey 组成部分包括授权这些机构加强QIS 项目和研究中心；建立一个新的联邦机构，名为国家量子协调办公室(NQCO)，设在办公室下 科学和技术政策(OSTP)，并负责协调 跨联邦政府、行业和学术界的QIS活动；以及建立一个新的联邦咨询委员会，称为国家 量子倡议咨询委员会(NQIAC)，由来自学术界、工业界和政府，并责成它提供对NQIA计划的独立评估和建议。 NQIA授权的计划于2023年9月30日到期， 法案需要重新授权，以继续美国在这方面的领导地位关键领域。 2022年的芯片和科学法案修改了NQIA，授权在量子网络基础设施；指示NIST制定标准 量子网络和通信；建立美国能源部计划 促进一个有竞争力的、经过择优审查的基本程序，以获得美国- 基于量子计算资源用于研究目的；并要求 NSF支持将QIS整合到科学、技术、 所有教育水平的工程和数学(STEM)课程。7It 还明确将QIS纳入新的NSF董事会，重点关注新兴技术、技术、创新和伙伴关系理事会 （提示）。8 本报告的其余部分探讨了美国的四大政策领域政府用来提高量子竞争力。这些是 支持量子研发的政策，加强量子劳动力， 建立量子生态系统，并与国际合作伙伴合作。 本报告还针对这些政策领域提出了10项建议，以国会： 1.ReauthorizetheNQIAandappropriateleast$525millionper2024财年至2028财年（除CHIPS资金外）。 2.全额资助科技量子用户扩容 (Quest)计划由芯片和科学法案授权 提高研究人员对美国量子计算的可及性资源。 3.在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 重新授权NQIA。 4.FullyfundtheNSFQuantumEducationPilotProgramauthorizedin 《芯片和科学法案》，该法案将拨款3200万美元未来五年支持K-12学生的教育 对教师进行QIS基本原则的培训。 5.指导NSF与NIST合作进行系统研究量子劳动力需求、趋势和教育能力。 6.授权并资助DOE领导的合作伙伴培训计划攻读学士、硕士或博士学位的学生 与美国能源部国家实验室合作，获得QIS实践经验。 7.指导商务部与量子 经济发展联盟(QED-C)审查量子供应链和识别风险。 8.DirectandfundtherecentlyestablishedDirectorateforTIPwithinNSF将建立量子测试床，以进行受使用启发的研究。 9.DirectDOEtoestablishandleadaprogramthatinvitesallied 各国共同投资量子月球。 10.DirectNISTtoprioritiespromotingU.S.participation,particularly 来自美国行业利益相关者，在#年的国际标准论坛上 NQIA的重新授权。 支持量子研究与开发 虽然民事、国防和情报机构有着悠久的历史投资量子研发，政府已采取重要措施 最近加速、加强和协调联邦量子研发 根据NQIA、芯片和科学法案进行投资。9三个最支持QIS研发的重要政府行动是增加QIS 研发资金，促进跨学科研究，并促进访问研发资源。 增加QIS研发资金 NQIA催化了联邦政府对QIS研发的资金大幅增加， 在2019财年和2023财年之间，联邦资金大约翻了一番。它是重要的是要注意，虽然NQIA为 QIS研发跨越各个联邦机构，它不保证具体资金数额。总统和国会设定了非国防量 每年为每个联邦机构提供研发优先事项和资金财政年度预算，国防开支通过一项名为 国防授权法案。 图1显示了自NQIA成立以来美国QIS的研发预算，各机构报告量子研发的实际预算支出 2019财年为4.49亿美元，2020财年为6.72亿美元，财年为8.55亿美元 2021年，其次是9.18亿美元的已颁布的量子预算授权 2022财年的研发和要求的8.44亿美元的预算授权 2023财年的量子研发。10中每个条形的部分图1已标记“NQI”标识分配给NQIA授权活动的资金，这意味着是在基准QIS研发活动预算之外的额外资金。 图1：美国量子信息科学研发预算后国家量子倡议法案颁布11 FY2019 实际值 FY2020 实际值 2021财年 实际值 FY2022 拟议估计数 FY2023 基本NQI $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M 图2表明政府增加了持续的资金在分类为 QIS国家战略概述，即量子传感和 计量学(QSENS),量子计算(QCOMP),量子网络(QNET)、量子进步(QADV)和量子技术(QT)。 图2：美国量子信息科学研发项目组件面积12 FY2019 实际值 FY2020 实际值 2021财年 实际值 FY2022 拟议估计数 FY2023 QSENS QCOMP QNET QADVQT $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M 人们普遍认为，增加资金是必要的。事实上，NQIAC讨论了它向国会提出的关于如何筹集资金的建议国家量子计划的下一次迭代及其中心之一 建议是持续和增加资金“将是 这是我们国家赢得实现QIS好处的竞赛所必需的。“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是漫长的。创新的第一步 普林斯顿大学教授唐纳德·斯托克斯称之为“巴斯德的象限“研究-针对特定挑战或 problem.14这种类型的研究提供了基础的，通用的知识这个行业可以利用思想和创新。问题是 私营部门没有得到足够的激励来进行根本性的 研究，因为它几乎永远无法捕捉到所有的溢出效应初始投资的好处，或者足够快地获得这些好处，以证明投资与政府处于同一水平。尤其如此 在基础研究的情况下，这比应用的成本和风险更高 R&D.15此外，私营部门倾向于将其研究狭隘地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人。联邦因此，为QIS研发提供资金对于确保有效的新知识、新技术和新技术的发展。 特别需要增加和持续的资金，以保持 竞争力，因为其他几个国家正在投资QIS研发，一些QIS的资金远远超过美国。英国， 例如，正在启动一项为期10年的计划，作为其国家量子战略，承诺投资25亿英镑(31亿美元) 量子研发始于2024年，目的是吸引额外的1GB 亿（13亿美元）的私人投资。16欧盟正在投资公众量子计算的资金几乎是美国的四倍 而中国几乎是美国的八倍。17 问题变成了，有多少资金足以加速美国的QIS 创新并保持国家竞争力？这很难回答 部分原因是，虽然政府努力增加QIS研发资金通过NQIA很容易量化，这些努力的好处是更难定量翻译，因为几乎没有一致的， 美国QIS研究发生了多大变化的综合衡量标准 随着时间的推移。NQIAC可能会将这些数据作为其NQI计划的评估，但它尚未公开发布此 information.However,initswrittencommentstotheNQIACinMarch2023年，能源科学联盟，一个由100多人组成的基础广泛的联盟代表科学家、工程师和数学家的组织 大学、工业和国家实验室，建议“至少 从2024财年到2028财年，五年内每年6.75亿美元。“18 虽然有理由希望会有大量资金 对于量子，也有理由不那么乐观。在积极的一方面，国会已经授权了大量的量子 通过最近通过的2022年芯片和科学法案提供资金。虽然没有拨款，但《芯片和科学法案》是 授权立法，设定旨在激励的资金目标美国各行各业的创新--其中之一是 量子。它直接授权对核心量子研究的新投资计划，例如5亿美元用于量子研发计划网络基础设施，但它也大大增加了对 许多其他将进入量子应用的关键行业，如 作为国防部领导的微电子研发计划的20亿美元，这将是量子系统发展的巨大红利 微电子元件。 不幸的是，尽管许多政治领导人口头上支持该法案目标是增强美国在关键创新产业中的竞争力， CHIPSandScienceActisnotgettingthefundingitneeds.Neitherthe 拜登政府2024财年的预算要求也不是联邦政府 政府2023财年的综合支出法案已经达到CHIPS设定的资金目标。政府的预算要求不足超过50亿美元的机构目标，而综合资金是 距离美国能源部办公室NSF的授权目标还差近30亿美元科学和NIST。19 更重要的是，CHIPS的资金和NQIA的重新授权 考虑到最近关于降低联邦总支出的斗争，要紧张。20作为一个众议院科学、空间和技术委员会成员 关于2023年数据创新中心小组中提到的重新授权， “本