探索量子比特：评估中美在量子计算领域的竞争

MAY2024 对Qubits的追求 评估中美量子计算竞争 山姆·豪威尔 关于作者 萨姆·豪尔是新美国安全中心（CNAS）的兼职高级研究员，并且是阿富汗战争委员会的军事运作与安全力量援助分析师。她的研究兴趣包括量子信息科学， 关于技术和国家安全计划 中国国家安全与技术项目探讨新兴技术相关政策挑战。该项目的关键重点是促进技术界和政策界的交流合作，以更好地理解这些挑战，并共同开发解决方案。 半导体、STEM人才问题以及运用新兴技术提升人类性能。霍尔此前曾在位于华盛顿特区的风险咨询公司担任情报分析师。她还曾在恐怖主义研究与应对中心（START）和国际事务学院埃利奥特学校担任反恐研究员。她的职业生涯始于国会山的助理职位。霍尔的评论和分析已在包括 外交政策，法律票价，外交官, 《经济学人》她还曾就职于美国之音（VoiceofAmerica）。她拥有乔治·华盛顿大学安全政策研究硕士学位和贝勒大学生物伦理与政治科学学士学位。 Acknowledgments 作者感谢JeffreyGrover和BobSorens对该报告初稿提供了反馈和评论。她还感谢参与CNAS量子技术研讨会或同意接受本次报告采访的领域专家们。在CNAS内部，作者感谢JuliaArnold提供的研究协助；MauraMcCarthy、CarolineSteel、MelodyCook和RinRothback提供的编辑和设计支持；以及VivekChilukuri、MartijnRasser和PaulScharre提供的指导和鼓励。本报告得到了纽约卡内基基金会慷慨支持而得以完成。 作为致力于最高标准的组织、智力和个人诚信的研究和政策机构，CNAS保持严格的智力独立性，并独自拥有其思想、项目、出版物、活动和其他研究活动的编辑方向和控制权。CNAS不对政策问题采取机构立场，CNAS出版物的内容仅反映其作者的观点。秉承其使命和价值观，CNAS不从事游说活动，并全面遵守所有适用的联邦、州和地方法律。CNAS不会代表任何实体或利益方进行任何形式的代表活动或倡导活动，且在中心接受非美国来源资金的情况下，其活动将限于真实的学术、学术性和研究相关的活动，并符合适用的联邦法律。中心在其网站上每年公开声明所有捐款人。 TABLEOFCONTENTS 01执行摘要 03Introduction 04技术入门：什么是量子？ 11美中比较 22确保美国在量子计算领域的领导地位30Conclusion 32附录：参与量子研发的全球实体 T 执行摘要 联合国大会最近宣布2025年为国际量子科 学与技术年。1量子信息科学，这一曾经仅限学术研究人员的领域，已迅速扩展至包括显著的私营部门发展和商业化。2在这个特别合适的时刻 ，科学现在“正处于一场新的量子革命的边缘” 。3 供应链管理 一个对外国供应商依赖程度有限的成熟量子技术供应链对于美国在量子技术领域的领导地位和竞争力至关重要。为了促进安全可靠的供应链发展，白宫应： 在气候危机、广泛的粮食不安全、流行病以及众多其他社会挑战背景下，新的量子革命有望惠及现代社会生活的方方面面。量子技术凭借其无与伦比的速度和处理能力，有可能在能源、农业、医疗和金融等多个行业解锁变革性的创新。然而，与此同时 ，不负责任的行为者可能会利用量子技术破解加密 、开展大规模监控并设计新型武器系统。简而言之 ，全球在量子技术方面的进步对美国的经济和国家安全产生了深远影响。美国需要制定长期战略以增强其在量子技术领域的竞争力，并确保该技术的发展与美国的价值观和利益相一致。 这份报告总结了全球构建和规模化量子计算机的努力，并强调了美中之间的动态关系。为了应对美国对手可能意外实现科学突破并武器化量子系统所带来的风险，美国政策制定者必须理解量子计算机的潜在威力、量子技术研究与开发的现状以及持续进步所面临的障碍。他们还必须了解美国对手在量子技术方面希望达成的目标及其在这一关键领域丧失领导地位的影响。 ¡全面审查量子技术供应链为了识别关键输入、检测关键节点和潜在漏洞，并评估在多个地区开发额外供应商的机会。 ¡利用财务激励措施和TechHubs计划，促进国内生产被认为过于敏感不宜在美国境外生产的量子技术输入。白宫应利用《国防生产法》、小企业创新研究计划（SmallBusinessInnovationResearchprogram）、小企业技术转让计划（SmallBusinessTechnologyTransferprogram）及相关工具，支持美国公司开发关键量子技术输入，并激励它们将其研发努力与美国政府优先事项对齐。 ¡直接并资源支持量子经济发展联盟，持续监控美国及其竞争对手的量子计算供应链。早期发现新兴的安全漏洞将为政策制定者提供机会，在美国发展对竞争对手的不可持续依赖之前塑造量子计算供应链。供应链监控还将有助于阐明对手正在追求哪种模式以及他们向容错量子计算进展的速度。 这份报告提出了若干政策建议，旨在帮助美国确保在量子计算领域的优势并减轻任何潜在的风险和脆弱性。这些建议主要集中在两个尤为紧迫的政策领域：供应链管理与人才发展。 ¡建立一个国际论坛，与美国盟友和合作伙伴协调供应链,这将使理念相近的国家最大化各自的比较优势，并促进供应链负担共担。 1 @CNASDC 劳动力发展 拥有技能多样化的量子技术workforce对于提升国家在量子技术领域的竞争力至关重要。设计量子技术、识别量子应用以及确保负责任的技术使用都需要人类人才。然而，量子专业知识稀缺，技能缺口可能会削弱美国达到关键发展里程碑的能力。美国政府、私营行业和学术界可以采取多项措施来扩大和提升美国的人才库。 ¡白宫应与盟友和合作伙伴共同创建与全球量子研究中心之间的交叉培训和相互研究交流项目。没有国家能够独占推进前沿量子技术所需的人才。白宫应与盟友和合作伙伴合作，使每个国家都能从现成的量子专长中受益。拜登政府可以首先通过扩大四方安全对话（Quad）STEM奖学金项目规模，并利用burgeoning的美日韩三方关系来激活新的劳动力发展计划。 ¡国家量子协调办公室应开发流程以了解量子生态系统内的劳动力需求和技能差距。 美国需要建立一种机制来识别人类人才的脆弱性，确 定再培训和提升技能的机会，并评估包括大学、国家实验室和私营公司在内的美国机构有效培养量子人才的能力。每年进行系统性的量子劳动力需求研究和预测，将有助于政策制定者、企业领袖和学术界就如何最好地培养具备量子能力的人才做出更加明智的决策 。 ¡大学和量子公司应携手开发行业特定的高等教育项目。这将确保学生在毕业时能够获得所需的实际经验，以填补关键的量子人才缺口。 ¡量子公司应与K-12学校系统合作，开发量子课程并为学生提供实践经验学习机会。such参与将有助于教师增强讲授量子原理的信心，并增加学生接触和对量子技术的兴趣。 ¡国会应建立一个国家级的量子教育与劳动力发展中心，以协调和支持现有的倡议，构建更为robust的量子人才管道。一个国家级中心将提供一个必要的场所，以协调分散进行的劳动力发展项目、共享资源和最佳实践，并将求职者与相关的雇主连接起来 。 ¡量子公司应与州和地方政府合作，扩大量子教育和职业发展机会，惠及农村地区个人。量子学徒计划 、加速技能发展项目、在线认证项目或类似举措将使农村地区——一个庞大的未充分利用的人才库——能够磨练其技能并提升其收入和晋升潜力，从而最终促进更为坚实且多元的量子workforce（工作队伍/劳动力）。 技术与国家安全|2024年5月 对量子比特的探索：评估中美量子计算领域的竞争 Introduction 在减缓气候变化和促进可持续性方面发挥的作用。他们可以加速改进 T美国和中华人民共和国电池技术，解锁更环保 7现代生活的几乎每个方面都受益于量子计算机无与 中国陷入了长期的战略竞争肥料制造过程，并帮助解伦决比的力量。地缘政治力量。一个关键和新兴的电网优化问题。 技术领域-量子信息科学(QIS)-设置为在确定哪个 国家占了上风。 中国increasingly旨在重塑长期存在的中美关系，差 但是量子计算机可能会成为一把双刃剑。拥有强大军事和情报服务能力的国家可以通过这一技术更容易地 以距美正国在自迅己速的缩形小象。领自导冷的战国以际来秩，序美，国首并次正面在临发失展去-量全子计算机识的别好和可消能除同目时标，-监视或镇压特定人群。量子系统还提球高超经级济大、国外地交位和的军风事险能。力，将这项技术用于更邪恶的目的可。能帮助国家设计新型武器、突破对手的防御能力，这样做。联合量子系统之间的国力差距可以帮助提高准确性和或者快速分析跨多个作战领域的数据。8许多新兴技 术具有这种两用性，但量子技术尤为突出，因此其优 势尤为显著。第一个掌握构建实用量子计算机过程的国家将 技术是中美竞争的关键领域。包括量子信息技术（QIS）、人工智能、生物技术和半导体等关键和新兴技术，是帮助各国促进自身利益、最大化全球竞争力的工具。正如百年所展现的那样。4美国在战略竞争中无法获胜除非首先在新兴技术领域确立领导地位。 国家安全顾问杰克·沙利文在挑战管理中承认-量子是一个相对较新的和 在2022年的演讲中，“科学和技术的进步正在迅速发展，其潜力尚未充分发挥准备定义21世纪的地缘政治格局，以便充分探索甚至构想。先行者 维持在量子信息科学（QIS）领域的竞争优势尤为重要，鉴于该领域具有巨大的经济和军事潜力。美国政府官员在多个执政时期都已将QIS确定为一个关键领域。 量子计算是量子信息科学（QIS）的一个子集，利用量子力学的规律解决在经典计算平台上难以处理的大规模和复杂问题。 不仅拥有强大的工具，而且拥有极其难以培养的技术知识。 第一个开发、规模化生产和整合量子技术的国家将在建立市场主导地位、制定技术标准方面占据优势。 需要关注未来十年。5他们正在构建量子治理的框架。全球 认显为著量增子强技整术体的国竞家争竞力争可力能，是同Q时IS也的拥领有导最者好将的获制得药一产套可用于 品、电池、化肥、情报收集系统和武器系统。 破解加密方法并威胁结构的安全。量子计算也可能赋 拥有最好量子技术的国家可能是对手的公司、军队和政府基础予设新施的-能力以塑造伦理规范——这项技术可能侵犯个 人隐私和安全，并导致就业替代。9换句话说，领先于量子信息科学（QIS）的国家将显著影响量子技术是 量子技术有望支持转型-加剧全球社会经济鸿沟的潜力，被用于促进和保护民主价值观还是被用来削弱这些价 医疗保健、金融和农业等行业的蓬勃发展。6量子计算机能够模拟复杂分子间的相互作用，为更有效的药物、诊断和疫苗铺平道路。它们还能够解释金融数据并建模趋势，从而显著提高投资组合优化、风险分析、欺诈检测和资本分配。量子计算机甚至具备以下能力： 值观。 有三种主要的量子技术子类别：量子计算、量子传感和量子通信。本报告专注于 量子计算，作为量子信息技术（QIS）的一个子领域 ，迄今在美国获得了最大的公共和私人资金支持，反映了其对美国国家安全的重要性。10这也是美国面临最激烈竞争的领域。量子计算是这三个量子信息科学（QIS）子领域中竞争最为激烈的，拥有最大的市场规模估算值和全球最多的资金投入。至少有17个国家制定了国家策略以支持量子计算的研究与开发（R&D），包括美国和中国。11根据大多数估计，中国在量子技术研发上的支出超过美国约134亿美元。12 这份报告探讨了美国如何在量子计算领域保持并提升其竞争力。它提供了对量子信息科学（QIS）以及当前量子计算研发状态的概述。此外，报告还比较了美国和中国在量子计算领域的优先事项、能力及其持续创新能力 。随后，报告突出了两个关键政策领域——供应链管理与人力资源发展，这些领域需要政策制定者的立即关注 。中美在量子计算领域的竞争引发了多个紧迫的政策问题，包括出口管制、对外投资限制、标准制定和国际治理框架等方面的问题。然而，美国无法有效解决这些问题，除非首先建立一个稳健的量子供应链，并培养必要的劳动力以保持