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美国智库建议联邦政府大力支持量子计算近期应用

时间 : 2021-10-22 11:14:08 阅读 : 76

2021 年4月27日，美国著名科技智库信息技术和创新基金会（ITIF）发布《为什么美国需要支持量子计算的近期应用？》（Why the United States Needs to Support Near-Term Quantum Computing Applications）。报告指出，尽管量子技术仍处于早期发展阶段，许多人认为实际应用还需要数年时间，但事实上，已有机构在现实世界中应用量子计算机。随着其他快速大规模投资开发和使用量子计算，美国的决策者应该确保美国仍然是量子计算领域的。特别是，美国应大力投资于量子计算的近期应用，促进该技术的长期使用案例开发，从而巩固美国的经济竞争力并保护安全。报告分析了美国量子计算发展方面存在的问题，向美国政府提出了加强量子计算近期应用的具体建议。这些建议对促进量子计算技术的发展具有启示意义。

1 量子计算机的物理构造、接入方式和运行方式

量子计算利用量子力学（物理学的一个分支）的原理，主要研究亚原子粒子（如电子和光子）的独特行为，从而实现新的、功能极其强大的计算体系结构。量子计算机使用量子比特（Quantum bits），按照“叠加”和“纠缠”的量子定律运行，使它们能够完成传统计算机做不到的事情。如下概要介绍量子计算机的物理构造、接入方式和运行方式等关键研发进展。

1.1 构造量子计算机的两类主流技术

为构造一台功能性的量子计算机，必须开发一套能控制和操纵量子位的物理系统并执行计算。目前有两类主流技术：一是利用原子离子（如多铍离子），将之囚禁在真空中作为量子位（图1）；二是利用超导材料（如金属铌等）的特有性质，它们在低温中会丧失电阻性，而能够传输电子并导电，显现出量子力学效用（图2）。相比离子阱量子计算而言，超导量子计算拥有超导量子位易操控、高质量设备制造工艺可借鉴半导体芯片制造技术等优势。

目前量子计算机的开发与应用还受限于现有的低温工艺技术。由美国量子计划法案成立的产业联盟——量子经济发展联盟（QED-C），曾于2019年研讨会判定“低温工艺技术的发展将加速量子技术的研发和应用”。决策者应确保量子技术相关产业链中所有技术的协同发展。

1.2 多数用户通过云访问量子计算机

因量子计算机十分专业且开发费用高昂，少有研究人员或机构能自行开发量子系统或购买量子计算机。大多数研究人员或机构通过基于现有互联网基础设施的量子云服务来虚拟化接入量子系统。IBM公司于2016年就通过云开放了其位于纽约市的超导量子计算机访问。IonQ公司正在开展与亚马逊云服务（AWS）及微软云服务（Microsoft Azure）的合作，以开放其离子阱系统访问。

1.3 部署运行量子计算机的两种方式

量子计算机按运行方式可分为类比量子计算机和数字量子计算机。前者通过直接操纵量子位的交互而运行，后者利用类似于经典计算机的连续操作门方式来运行。目前量子退火作为类比量子计算的z成熟方法之一，已具备理论和实际应用价值。但也有研究人员指出，由于类比量子计算机难以操控，未来数字量子计算机终将取代类比量子计算机。ITIF报告重点介绍了量子退火方法实现的类比量子计算机及其实际应用。

2 类比量子计算机及其实际应用

由量子退火方法实现的类比量子计算机，能有效解决“旅行商问题”（给定一系列城市和每对城市之间的距离，求解旅行商访问每一座城市一次并回到起始城市的z短回路）的组合优化，并已在现实世界实现多领域商业化应用。

在医疗保健领域，量子退火能提供解决方案以优化药物设计和肾脏捐赠匹配，改善病人的生活质量甚至拯救其生命。例如，Menten AI利用量子退火更高效地寻找针对氨基酸侧链的优化蛋白质折叠位置，设计新的基于蛋白质的药物（图3）。埃森哲公司利用量子退火优化肾脏匹配模型，目前该方案因受限于小网络规模，仅应用于内布拉斯加州，若能有更多研发资金支持，该模型或可扩展应用于美国全国范围。

在制造业领域，若干公司利用量子退火开展存量优化并提升运营效率，帮助公司节省费用。例如，大众集团开发了一款量子处理器来优化新车的喷漆次序，尽量减少喷头的颜色更换次数。Denso（电装株式会社）利用量子退火来优化自动导向车的移动路线，减少拥堵约15%，提升生产力并降低成本（图4）。

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在环境与交通领域，量子退火能为交通流和交通路线优化提供解决方案，助力机构和交通管理人士降低汽车对城市环境的不良影响，提升安全度、可靠性并降低运输成本。例如，日本Groovenauts公司利用人工智能和量子退火，优化垃圾车运输路线，从而减少日本碳排放：垃圾车行进距离从2300公里减少为1000公里，温室气体排放量减少57%，所需车辆数量也减少了59%（图5）。大众集团基于智能手机的匿名轨迹数据确定交通拥堵和影响人群，利用量子退火开发量子优化交通管理系统，减少出租车和公共汽车的空闲量。

3 量子计算近期应用的重要性及美国存在的相关问题

3.1 量子计算近期应用的重要性

理论上，大规模量子计算机可以解码现用的加密方法，但如加州理工大学理论物理科学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）教授2018年所述，“我们正进入量子技术的关键新时代——带噪音的中规模量子技术（NISQ）时代”，即未来几年量子计算系统的规模并不大，噪音（缺陷）也将限制其功能实现。在迈向大规模量子计算机的道路上，克服技术挑战将取决于量子系统中量子位数量的扩展能力，就像现代经典计算机依赖于芯片中晶体管数量的增长一样。若要实现类似半导体产业的良性循环发展（技术升级-营收增加-研发增强-吸引人才-技术再升级），除了保持针对量子计算的现有投资和研发热情，还应重视量子计算技术的近期应用。美国政府应通过大力培育量子计算近期商业化市场，来支撑量子技术的规模化发展。

3.2 美国量子计算发展存在的相关问题

1）缺乏对量子计算近期应用的重视。2018年通过的《量子计划法案》提出，美国能源部将在2020—2025年间为阿贡、布鲁克海文、费米、橡树林和劳伦斯伯克利等几家实验室提供6.25亿美元资助，以创建量子信息研究中心，开展量子信息科学与技术领域的基础研究，加速该领域的科学突破。但是，该资助目标缺少了重要的一环，并未将量子计算的技术转化和商业化列为优先事项。

2）缺乏量子计算应用的专业型人才。不论是量子计算技术的近期应用，还是未来开发容错型量子计算机，均需要专业型人才及其专业技能。2020年，美国科学基金会（NSF）为美国13所拥有计算机科学与工程专业的高校提供975万美元资助，鼓励其聘用量子计算领域的终身职位教授。此外，NSF、美国科技政策办公室（OSTP）及若干产业与学术引领者还联合发起了“Q-12教育伙伴计划”，将量子信息科学教育提供给中小学生（K-12），培养下一代量子科学人才。产业联盟QED-C也在不断弥补量子应用所需的人才空白。校园教育对量子科技人才的培养作用十分有限，企业将在量子人才培育方面发挥关键性的补充作用。

4 对美联邦政府加强量子计算近期应用的具体建议

1）国会应在未来5年拨款至少5亿美元资金，推进公私合作伙伴计划，促进量子计算的近期应用，推动量子计算研究的市场化。国会应指导量子协调办公室（NQCO）与产业联盟QED-C共同制定资助计划，重点支持那些政产研合作、能推进区域经济发展的项目。

2）国会应成立由政产研人士组成的量子研究任务组，制定路线图以建立“ 量子计算云”，使研究人员通过安全的云环境，访问能负担得起的高端量子计算资源。

3）NQCO应向美国总统安全事务助理提交量子供应链审查报告，并与QED-C合作以共同确定供应链风险。

4）美国交通运输部应搭建平台汇集各城市的交通数据，并邀请公私合作伙伴不断补充丰富这些数据，支持量子计算的近期应用。

5）OSTP应联合联邦政府的管理与预算办公室（OMB）、总务管理局（GSA）等发起联邦政府量子挑战，要求联邦政府各机构确定至少两项量子计算应用场景。国会应提供至少5000万美元开展项目试点，GSA应开发量子应用案例库以供各机构参考使用量子计算技术。

6）国会应发起2亿美元资助计划，鼓励企业制定量子计算解决方案，应对公共部门的医疗保健、运输和能源等挑战。

7）NQCO应制定计划将高校研究设施的量子计算资源分配给中小企业，帮助企业培育量子技术人才并加速对量子计算技术的应用。

8）美国标准与技术研究院（NIST）应与产业界合作，开发量子计算性能量化的标准工具，用于比较不同量子计算架构和软件的性能。

9）国会应考虑制定认证机制，激励公私部门向后量子世界的转变。一旦后量子加密协议（PQC）可投入使用，公私部门均应被激励向PQC转变。

5 结语

量子技术是当前及未来科技强国争夺的z具挑战性的颠覆性尖端技术，科技强国纷纷制定战略规划、加大研发投入谋求获得突破，以占领量子科技制高点；国际创新型企业竞相大力投入资金研发以求率先实现“量子霸权”，以求控制未来量子技术产业主导权。

ITIF此份报告旨在建议美国补齐《量子计划法案》缺失的重要一环——即“通过大力支持量子计算的近期应用，推进量子技术的快速发展和技术转化与商业化”，以实现量子技术与产业方面的良性循环发展。在当前科技强国抢占量子科技制高点的白热化竞争态势下，通过大力促进量子计算等的近期实际应用而驱动和推进技术成熟和市场化、前沿技术研发突破与产业化应用，有助于塑造未来量子核心技术产业链和供应链先发优势。相关认识和建议对我国加强量子计算发展也有重要启示意义。

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