美国的量子政策方针

美国的量子政策 作者：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)举办了关于该主题的第一次研讨会。1NSF在1999年的研讨会上将量子信息科学领域描述为“科学和技术的新领域，结合并借鉴了物理科学，数学，计算机科学和工程等学科。其目的是了解如何利用本世纪初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首次举办研讨会以来的近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取得重大进展的潜力也越来越明显。美国政府已经正确地认识到，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）是一个包含几种不同技术的总称。在本报告中，“QIS”或“量子”包含以下五种技术： 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，是指使用量子力学比经典计算机更快地执行计算的计算机的发展。 量子网络，是指使用量子力学原理来确保传输信息的机密性和完整性的安全通信协议的发展。 QIS用于推进基础科学，这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，它列出了几个主题，包括使用量子技术创建实际应用；为电子，光子和低温技术创建必要的基础设施和制造技术；并最大程度地减少与量子技术相关的风险，例如开发后量子密码学以保护敏感信息。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。 在执行方面，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是行政部门协调组成不同实体的量子政策的主要机构。联邦研发（R＆D）企业。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本报告概述了三个原则，以帮助指导“全政府的QIS方法”，即保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进行重组；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 深化与量子产业的合作 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和技术。 从本质上讲，NQIA为量子研发创建了一个框架，并在五年内（2019财年至2023财年）为各种计划授权了超过12亿美元的资金，主要分配给历史上参与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），隶属于科技政策办公室（OSTP），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），由来自学术界，工业界和政府的专家组成，并负责为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。S.在这个关键领域的领导。 2022年的CHIPS和科学法案修订了NQIA，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的标准；建立DOE计划，以促进具有竞争力的，择优审查的基础流程，以访问美国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纳入新的NSF理事会，重点是新兴技术，技术，创新和伙伴关系理事会（TIP ）。8 本报告的其余部分探讨了美国政府用于提高量子竞争力的四个广泛的政策领域。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。 本报告还向国会提出了这些政策领域的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.充分资助CHIPS和《科学法案》授权的科学和技术量子用户扩展（QUEST）计划，以提高研究人员对美国量子计算资源的可访问性。 3.作为NQIA重新授权的一部分，在DOE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。 4.充分资助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，对量子劳动力的需求，趋势和教育能力进行系统研究。 6.授权并资助DOE主导的培训计划，该计划与DOE国家实验室合作学习学士，硕士或博士学位，以获得实践QIS经验。 7.指示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.指导和资助NSF内部最近成立的TIP理事会，以建立用于使用启发研究的量子测试平台。 9.指导DOE建立并领导一项计划，邀请盟国共同投资量子月球。 10.指导NIST优先促进美国参与NQIA再授权的国际标准论坛，特别是来自美国行业利益相关者的参与。 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的投资历史悠久，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推动了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了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财年为4.49亿美元，2020财年为6.72亿美元，2021财年为8.55亿美元 ，其次是2022财年为量子研发制定的9.18亿美元预算授权，2023财年为量子研发申请的8.44亿美元预算授权。10图1中每个标为“NQI”的部分确定了分配给NQIA授权活动的资金，这意味着它是基准QIS研发活动预算之上的额外资金。 图1：国家量子计划法案颁布后的美国量子信息科学研发预算11 $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M 2019财 年 Actual 2020财年 Actual 底座 2021财 年实际 NQI 2022财年估计 2023财年拟议 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：按程序组成领域划分的美国量子信息科学研发12 $1,000M $800M $600M $400M $200M $0M 2019财 年 Actual 2020财 年 Actual 2021财 年 Actual 2022财年估计 2023财年拟议 QSENSQCOMPQNETQADVQT 人们普遍认为有必要增加资金。实际上，NQIAC向国会讨论了如何为国家量子计划的下一次迭代提供资金的建议，其核心建议之一是，持续和增加的资金“对于我们的国家赢得实现QIS好处的竞赛将是必要的。”13 这是事实。量子技术还处于非常早期的阶段，成熟和扩散的道路很长。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行业可以借鉴的想法和创新的基础，通用知识。问题是私营部门没有被充分激励进行基础研究，因为它几乎永远无法捕获初始投资的所有溢出收益，或者足够快地捕获这些收益，以证明在与政府相同的水平上进行投资是合理的。在基础研究的情况下尤其如此，这比应用研发的成本更高，风险更高。15此外，私营部门倾向于将其研究仅集中在商业相关和经济上有益的领域，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，技术和技术的有效开发至关重要。 增加和持续的资金对于保持竞争力尤其必要，因为其他几个国家正在投资QIS研发 ，一些资金QIS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 量子研发始于2024年，目的是吸引额外的10亿英镑（13亿美元）的私人投资。 16欧盟正在为量子计算投入公共资金，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？这在一定程度上很难回答，因为尽管政府通过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以量化，因为几乎没有一致的，全面的措施S.随着时间的推移，QIS研究发生了变化。NQIAC将此数据作为其对NQI计划的评估的一部分，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 尽管有理由希望为量子提供大量资金，但也有理由不那么乐观。从积极的方面来看 ，国会已经通过了最近通过的《2022年CHIPS和科学法案》，授权了大量的量子资金。 虽然没有拨款，但CHIPS和科学法案正在授权立法，设定资助目标，旨在激励美国在各行各业的创新，其中之一是量子。它直接授权对核心量子研究计划的新投资，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对该法案旨在增强美国在关键创新行业的竞争力的目标进行了口头宣传，但《CHIPS与科学法案》却没有获得所需的资金。拜登政府的2024财年预算要求和联邦政府的2023财年综合支出法案均未达到CHIPS设定的资金目标。政府的预算要求低于机构目标超过50亿美元，而综合资金比NSF，DOE科学办公室和NIST的授权目标少了近30亿美元。19 更重要的是，鉴于最近在降低整体联邦支出方面的斗争，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，在2023年数据创新中心面板中指出，“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的计划。”21但是，正如委员会的另一位成员所说，“至关重要的是，CHIPS和Science的'科学'部分必须被拨款，这将在基础和应用研究中在量子信息科学方面带来巨大的红利。”22 促进跨学科研究 NSF在1999年的研讨会上预先认识到，量子研究是跨学科的，该领域的进步需要“具有各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考虑一个研究项目，研究可扩展，容错的量子通信系统的开发。开发可以在存在噪声和其他干扰的