美国量子信息科学的政策与挑战

摘要

美国政府对量子技术的关注可追溯至20世纪90年代中期，在由美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国国防部（DOD）和美国国家科学基金会（NSF）举办的首届量子专题研讨会上，国家科学基金会确定了量子信息科学（Quantum Information Science，QIS）的定义，即物理与数学、计算机和工程领域的交叉科学。近25年，量子信息科学在推动计算能力、安全通信和科学发现等方面展现出愈加明显的应用潜力。美国政府认识到量子信息科学将为提升国家竞争力发挥积极作用，因此出台了一系列支持政策，但在执行过程中仍面临若干问题和挑战。

1 美国政府量子信息科学政策框架

1.1 行政部门统筹战略规划

美国白宫确立国家科学技术委员会（NationalScience and Technology Council，NSTC）为协调量子信息科学政策的主要机构，并通过该机构发布了以下两份开创性报告。

一是2016年7月发布的《推进量子信息科学：国家挑战与机遇》，确立了指导“全政府量子信息科学”的三大原则：维持稳定和持续的核心计划；针对特定目标、有时限要求的计划进行战略性投资；密切监控量子信息科学领域，评估美国联邦政府量子信息科学投资结果，迅速调整计划以充分利用技术成果。

二是2018年9月发布的《量子信息科学国家战略概述》，确立了美国联邦六大优先投资事项：选择科学优先的量子信息科学方法；为未来打造量子智能劳动力；深化与量子产业的合作；提供关键基础设施；维护国家安全、保持经济增长；推进国际合作。

1.2 立法部门出台政策法案

2018年12月美国《国家量子计划法案》（NQIA）发布，旨在加速推进美国量子科学和技术发展。该法案创建了量子信息科学研发框架，授权历史上曾大量参与量子信息科学研发的3家机构（美国国家标准与技术研究院、美国国防部、美国国家科学基金会）在5个财年内（2019—2023财年）提供超过12亿美元的资金，并成立新的联邦机构——国家量子协调办公室（NQCO）和国家量子计划咨询委员会（NQIAC），以加强量子信息科学研究在政府、产业界和学术界的统筹协调，以及提供对《国家量子计划法案》的独立评估意见与建议。

2022年美国出台《芯片与科学法案》，修订了《国家量子计划法案》，该法案授权量子网络基础设施研发资金，要求美国国家标准与技术研究院制定量子网络和通信标准；确立美国能源部项目，确定竞争性的、经过绩效审查的基本流程，以促进研究机构获取用于研究目的的量子计算资源；要求美国国家科学基金会支持将量子信息科学融入各教育阶段的科学、技术、工程和数学（STEM）课程；明确将量子信息科学纳入美国国家科学基金会新成立的技术、创新和伙伴关系局（TIP，职责是重点关注新兴领域）的管理范畴。

2 美国政府支持量子信息科学发展的四大政策措施

2.1 加大研发支持

一是增加研发资金。《国家量子计划法案》促进了量子信息科学联邦研发资金的大幅增加（2019—2023财年约增加了一倍）。该法案为美国各联邦政府部门设定了研发资金目标和优先事项，但不能保证具体资助金额。美国总统和国会通过年度财政预算为各联邦政府确定非国防量子研发优先事项和资金，并通过《国防授权法》确定国防支出。

《国家量子计划法案》出台以来，美国的量子信息科学研发预算呈逐年增加态势。2019—2022财年各机构报告的量子研发实际支出分别为4.49亿美元、6.72亿美元、8.55亿美元和10.31亿美元，2023财年预算为9.32亿美元，2024财年预算提案申请为9.68亿美元（见图1）。图1中追加的预算指在量子信息科学研发活动预算基线之上追加的预算，即分配给《国家量子计划法案》的资金。

美国国会通过《芯片与科学法案》直接授权对核心量子信息科学研究项目进行投资，如投入5亿美元用于量子网络基础设施的研发项目。同时对很多即将进入量子应用的关键行业大幅增加投资，如投入20亿美元用于支持国防部微电子研发计划。

二是促进跨学科研究。一方面，美国国家科学基金会致力于促进依托大学的科研中心和研究所之间的跨部门合作。截至2023年3月，该机构已资助了5个量子飞跃挑战研究所（The Quantum Leap Challenge Institute），旨在推进特定的量子信息科学和工程研究前沿发展。例如，马里兰大学帕克分校牵头的量子飞跃挑战稳健量子模拟研究所（The Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation）汇集了来自杜克大学、普林斯顿大学、北卡罗来纳州立大学、耶鲁大学和马里兰大学的研究人员，专注于构建能够稳健模拟量子系统行为的系统。此外，美国国家科学基金会还资助了若干量子工厂（Quantum Foundries），作为研发和制造量子技术所需材料（如量子位和量子传感器）的专业研究中心（见表1）。

另一方面，美国能源部在其设立的国家实验室建立了5个跨学科的量子信息科学研究中心，开展前沿研究，分别是：由布鲁克海文国家实验室领导的量子优势联合设计中心“C2QA”（构建容错量子计算机系统所需工具）、由阿贡国家实验室领导的下一代量子科学与工程中心“Q-NEXT”（研究可靠控制、存储和传输量子信息）、由橡树岭国家实验室领导的量子科学中心“QSC”（推进量子材料、传感器和算法）、由劳伦斯伯克利国家实验室领导的量子系统加速器“QSA”（开发可扩展的量子系统）、由费米国家加速器实验室领导的超导量子材料与系统中心“SQMS”（开发新一代量子计算机的超导材料和器件）。

三是便利研发资源获取。为增强研发领导力，美国政府大力推进3种重要的量子信息科学研究设施：量子用户设施（如橡树岭国家实验室的量子计算用户计划）、量子工厂（如美国国家科学基金会资助的加州大学圣芭芭拉分校、蒙大拿州立大学和阿肯色大学联合领导的蒙大拿—阿肯色量子工厂、美国能源部资助和主办的阿贡量子工厂）和量子测试平台。《芯片与科学法案》授权科技量子用户扩展计划（QUEST）在5年内拨款1.658亿美元，要求美国能源部通过透明的择优审查申请流程，提高美国研究人员和实验室对美国量子计算资源（包括私营部门资源）的可获取性。

2.2 促进人才培养

一是启动Q-12教育计划。现阶段美国联邦K-12量子教育计划的重点是促使学生了解和参与量子信息科学，即向初中、高中学生介绍量子技术和科学的概念。2020年8月，美国白宫科技政策办公室（OSTP）和国家科学基金会在联邦政府、行业、专业协会和教育界之间联合启动了“国家Q-12教育合作伙伴关系计划”，为量子信息科学教育融入课堂奠定基础。

二是在高等教育阶段开设量子课程、设立博士学位。在本科阶段，量子信息科学相关课程通常作为STEM大学本科高年级的选修课，介绍其基本概念和基础知识，例如，科罗拉多大学博尔德分校开设量子工程辅修课程。部分学校还开设完整的量子科学硕士课程，包括加州大学伯克利分校、杜克大学和哥伦比亚大学等。哈佛大学近期推出了独立的量子科学博士学位，但大多数学校通常将量子相关的博士生课程包含在物理或计算机工程等课程中。

三是加强人才培训。2022年2月美国国家科学技术委员会量子信息科学分委会发布的《量子信息科学和技术劳动力发展国家战略计划》显示，量子领域正在为学术界、工业界、国家实验室和政府创造更多就业机会，目前尚存在就业缺口。为此政府实施了4项关键的劳动力政策：了解量子科技（QIST）生态系统的人才需求；广泛开展量子科技公共宣传和教育；提供量子科技专业教育和培训机会；加强量子科技及相关领域就业。

四是吸引外国量子人才。美国量子信息科学相关博士毕业生中有一半以上是非美国公民或非永久居民，量子科研生态中很多重要公司设立专门的量子团队且不少公司高层并非在美国本土出生。例如，谷歌公司（Google）的量子团队由出生于德国的Hartmut Neven领导，国际商业机器公司（IBM）的量子计算团队由出生于澳大利亚的Jay Gambetta领导，加州量子计算公司Rigetti Computing由出生于加拿大的Chad Rigetti创立。外籍量子信息科学人才对推动美国科技创新尤为重要，美国政府高度重视制定政策加强和扩大移民渠道，吸引优秀的外籍量子信息科学人才留在美国。

2.3 构建量子信息科学创新生态

美国成立了以问题为中心、以行业为主导的量子经济发展联盟（QED-C）。该联盟与日本量子战略产业革命联盟、加拿大量子产业联盟和欧洲量子产业联盟类似，但其更关注以下两个方面：

一是重视量子信息科学供应链。2022年，由QED-C组织的一项工业领域调查表明，关键制造与装配设备和关键原材料是量子信息科学供应链最薄弱的环节。量子信息科学技术的供应链问题突出表现在量子计算机领域。美国的量子计算供应链很大程度上依赖盟友，例如，芬兰和英国在低温设备的研发和生产方面处于领先地位，这些设备对创造某些量子计算机运行所需的极冷条件必不可少；在一些基础原材料供应方面，美国依赖中国，例如，稀土作为构建量子计算最通用的材料之一，其供应基本上由中国主导，中国占世界稀土开采量的63%、稀土加工量的85%以及稀土磁体产量的92%。美国量子经济发展联盟的一项重要工作就是识别并力争降低美国量子信息科学在维持稳定供应链方面存在的风险。

二是加快量子信息科学实际应用。大规模量子系统（特别是量子计算机）的发展取决于当前正在使用的较小系统的扩展能力。从历史的发展来看，量子科学技术系统的发展属于良性循环，更高端的技术会产生更多的收益，企业将这些收益再投资于研发，进而吸引新的人才，助推企业提升技术水平。实现量子信息科学技术的良性循环，关键在于为在研量子技术创造不断增长的实际应用市场，同时这依赖于一个由学术界、政府和商业参与者组成的充满活力的生态系统。

2.4 开展国际合作

一是协调盟友合作。考虑量子信息科学创新和制造所需的费用、复杂性和规模，以及中国量子技术进步形成的竞争和挑战，近年来，美国已与澳大利亚、加拿大、丹麦、法国、芬兰、印度、日本、荷兰、瑞典、瑞士和英国等国家签署了多项量子信息科学双边合作协议，通过与盟友在技术、标准等方面的合作进一步抢夺“量子优势”。由量子信息科学引发的新一轮“科技竞赛”与“大国博弈”已拉开帷幕。

二是加强出口管制。美国商务部工业和安全局近年制定了新的出口管制措施，将中国科学技术大学、中国科学院物理研究所等22家量子计算相关的高校、研究院所和企业列入“实体清单”，试图阻碍中国量子计算的快速发展。2021年，该机构提议增加新的出口管制分类号（ECCN），以控制量子计算机及相关电子组件，包括特定的量子比特设备和电路、量子控制组件和测量设备。管制规则还建议通过更新相关的ECCN“加密商品、软件和技术”及“软件”控制用于开发和生产量子的相关技术和软件。

3 美国量子信息科学发展中存在的问题和挑战

3.1 资金投入未达预期

尽管美国政府表态支持《芯片与科学法案》打造关键创新产业竞争力的目标，但该法案并未获得所需的全部资金。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均未达到《芯片与科学法案》设定的资金目标：政府的预算申请额比目标减少了至少50亿美元；综合资金（OmnibusFunding）比美国国家科学基金会、美国能源部科学办公室和美国国家标准与技术研究院的目标减少了近30亿美元。 除研发资金外，国际合作资金也不足以支撑预期目标。美国国家量子计划咨询委员会发现，美国量子国际合作资金不足阻碍了美国履约，美国支持力度不及欧盟量子旗舰计划（InCoQFlag）等。

3.2 研究设施不能充分满足科研需求

2021年，美国能源部在调查全球投资建设和升级关键领域研究设施的报告中发现，尽管美国的量子信息科学设施在技术上处于领先地位，但当前设施远不能满足使用需求。在其他国家和地区，特别是欧洲，量子信息科学设施的可获取性更强。此外，技术支持资源（如协助大学和企业用户操作复杂设施的科学家数量）在美国以外的地区更为充足。美国国家量子计划咨询委员会科学和基础设施分委会在其对研究设施状况的评估中重申了这些发现。但值得一提的是，美国私营部门的研究设施数量远超其他国家和地区。

3.3 移民人才政策未与时俱进

相比于英国、中国、加拿大、法国和澳大利亚等国家采取灵活的移民政策吸引量子信息科学人才，美国的移民制度在过去50年基本维持不变。与其他国家人才的国际竞争措施相比，美国的签证法律法规未能与时俱进，大量国际科学家和工程师因移民身份问题而选择到美国以外的地方寻求教育和就业机会。美国行业领袖指出，来自加拿大、中国、法国和英国等量子强国的外国公司特别善于吸引人才，这也是美国历史上长期获益之处。近年来美国的人才政策因未能适应新形势，使得美国对量子信息科学人才的吸引力与其他国家之间的差距有所减小。

3.4 缺乏自主供应链，短期实际应用有待加强

美国量子产业相关关键设备与基础材料供应链难以实现自主性，此外当前美国立法政策尚未充分关注量子信息科学技术的实际应用。量子经济发展联盟于2022年发布报告，建议美国政府加强与量子信息科学行业的公私合作（Public-PrivatePartnerships），这种合作关系应该围绕一个重要的公共利益领域，如气候、可持续发展和公共卫生等领域，且在这些领域已经形成一定的量子信息科学技术基础。

3.5 研究人员行政负担较重

美国国家量子计划咨询委员会评估发现，量子信息科学跨机构的合作发展良好，阻碍其进一步发展的问题是研究人员的行政负担较重。行政负担也限制了产业界的参与。2023年，美国信息技术与创新基金会发布的报告——《美国的量子政策方针》表明，与其他研究领域相同，联邦政府对研究型大学的要求过高，阻碍了大学研究的效率和生产力。这些行政负担正在阻碍美国国家科学基金会量子信息科学研究中心之间的科研合作，随着时间的推移，这些阻碍会愈加明显。

4 启示

近年来，中国量子信息科学发展迅速，相关领域的中央财政投入已接近美国。但总体而言，美国在量子信息科学领域整体领先，美国政府支持量子信息科学发展的政策与措施值得中国借鉴，其面临的风险和挑战也为中国提供了重要启示。

一是发挥举国体制优势，加大政策与资金支持。中国与美国同为技术路线布局最为全面的两个国家，研究水平在国际上处于第一梯队，中国在光量子计算机等部分领域全球领先。建议进一步强化政策引导，继续加大专项资金、税收优惠等的支持力度，鼓励科研机构和企业参与量子信息科学研究项目。

二是加强基础设施建设，优化量子信息科学创新生态。进一步建设高水平的量子实验室和研究中心，提供先进的实验设备和技术支持，鼓励基础设施共建共享。充分发挥企业主体作用，推动开发共享系统和平台，带动中小企业应用研究。发挥大型央企“链长”作用，支持领军企业成立产业联盟，加大产学研合作力度，推动研究成果落地应用，保障供应链自主可控。鼓励私营企业在量子领域的科研投资，为初创企业投融资提供支持政策。发挥中国科学院、合肥国家实验室和清华大学等团队的引领作用，加强国家科技战略力量培育及跨机构交流合作。鼓励参与国际标准的制定，推动量子信息科学的标准化，为产业发展提供规范和保障。

三是加快量子信息科学技术攻关，补齐关键材料和器件短板。聚焦关键共性技术，打破量子计算领域关键材料和设备高度依赖进口的局面，围绕氦-3、硅-28等高纯度同位素材料及超低温稀释制冷剂、窄线宽高功率激光器等设备开展技术攻关，提高国产化能力。促进量子信息科学与人工智能、材料科学等领域的跨学科交叉研究，催生新技术和新应用。

四是加强人才自主培育，积极开展国际合作。鉴于美国将中国量子技术相关机构列入“实体清单”进行出口管制、收紧对中国量子信息科学人才留学的签证等限制，中国应通过加大高等教育阶段量子信息科学人才培育力度，鼓励更多高校开设量子信息科学相关专业，培养更多的物理、数学、信息和材料等学科交叉的量子人才。加强海外高层次人才引进，拓展合作网络，鼓励国外软件算法等领域的高端团队参与研究。以多种形式建立双多边交流机制，如建立国际联盟，形成具有国际影响力的交流平台。

作者：夏方1、肖先锋2

1 科技部科技经费监管服务中心

2 南昌大学先进制造学院

本文转载自微信公众号科情智库，原载于《全球科技经济瞭望》2024年8月第39卷第8期

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