技经观察丨美国先进计算政策分析（之二）——美国量子计算政策分析
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2023-09-07 19:47:15
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先进计算对于一个国家科学研究、经济建设、国家安全等方面发展至关重要。当前，摩尔定律遭遇瓶颈，登纳德定律终结，传统计算向非冯·诺依曼结构发展，一个新计算时代正在来临。美国政府高度重视先进计算技术发展，近年来更是将先进计算置于战略高度，为美国在基础科学研究和前沿应用突破奠定关键基础，相关经验对我国发展先进计算具有重要借鉴意义。此前已就美超级计算机政策体系进行分析，本文主要对美量子计算政策体系进行梳理。
一、美国发展量子计算的特点分析
在推动量子计算研究与应用不断发展的过程中，美国重视量子领域顶层设计、基础核心领域研究、持续推动量子计算研究与应用不断发展。
特点之一：强化顶层设计
量子计算是量子信息科学（QIS）的一个分支，美国已经将QIS研究上升到国家战略层面，以法案形式推进量子领域顶层设计，促进美国全面发展各类量子领域研究与应用。
2018年美国正式颁布《国家量子计划法案》（以下简称“量子法案”），以法案形式全方位加速量子科技的研发与应用。美国鲜有法案为促进某一类科学技术发展而独立设置，绝大多数技术处于以总统行政令、部门政策交织管理的范围，但美国国会以高票通过了量子法案，为QIS领域全面发展提供了顶层设计，为美国政府调动更多资源开启量子领域的“登月计划”提供了“最强”制度保障。
特点之二：注重生态体系建设
美国通过政府引导、企业和大学全力融入、国际盟友积极参与，形成了多方共建的QIS生态体系。首先是通过制定全面系统的产业技术政策形成政府合力，引导美国企业、大学、国际盟友攻坚QIS前沿技术。其次是企业、大学融入形成产学研转化合力，实现前沿技术突破与成果转化联动，开拓新的产业经济发展方向，促进美国量子计算产业牢牢占据世界领先地位。最后是国际盟友积极参与，美国在QIS领域积极联合英国、欧盟、日本等盟友，通过学术研究与合作在新产业标准制定、“破坏式”技术创新等多个关键领域方面开展深入合作，搭建QIS研究国际 联盟。
特点之三：采用分布式项目管理
美国量子法案中明确提出采用分布式项目模式实施QIS项目。分布式项目管理属于敏捷项目管理的概念，特征是构建“网络式”的拓扑结构，是一种更加灵活应对不确定性大项目的敏捷管理模式。美国分布式项目关键是围绕QIS技术发展，政府通过资源分配出不同“网络节点”的项目，一方面灵活推动不确定性高的前沿技术发展，另一方面实现利益相关方联合研究、资源共享。
在灵活推动不确定性高的量子项目方面，开展了多项奖金资助项目。美国国家科学基金会（NSF）设立了量子飞跃挑战计划(QLCI)，任务是推动美国学术界量子信息科学和工程“飞跃”。该计划框架内设置了概念化补助金奖（CG），计划覆盖15-25项研究方向是“最有希望的挑战”，单项奖励为10-15万美元/年，后期由NSF负责跟踪成果进展。
在推动利益相关方联合研究、资源共享方面，设立了 “顶尖”科研中心。2020年，白宫科技政策办公室（OSTP）、美国国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）联合设立五个量子信息科学中心。与以往超级计算机由国家实验室推进技术发展的模式不同，量子信息科学中心是由国家实验室、科技企业、学术机构共同组建的顶尖科研综合体。政府牵头出资6.25亿美金，参与的企业与学术机构另外提供3.4亿美金。设立下一代量子科学与工程中心（Q-NEXT）、量子优势联合设计中心（C2QA）、超导量子材料和系统中心（SQMS）、量子系统加速器（QSA）、量子科学中心（QSC）等五个科学中心，汇聚了量子领域美国顶尖大学、核心国家实验室、科技巨头，研发重点涉及量子纠错、量子相干、中性原子、囚禁离子、超导电路、拓扑材料等多个QIS发展的关键方向。
二、美国量子计算生态分析
美国多措并举发展量子计算，一方面保障政策连贯与执行落地，另一方面及时掌握技术前沿发展脉络。通过制定多类政策持续推进量子计算发展，形成了政策全面推进、企业深度参与、国际多元合作的量子计算生态体系。
（一）政策生态体系
美国QIS领域的制度涵盖法案、国家级计划等，得到总统和部门层面的大力支持，形成了全领域发展的制度政策合力。
1、法案类
美国在量子产业的顶层设计围绕法案展开，通过立法形式专门制定了量子法案，并且与其他科技法案形成联动。
（1）规定了国家量子发展的总体框架
量子法案规定了国家量子计划，总体框架美国提出实施为期10年的国家量子计划（NQI）。该法案授权美国国家标准与技术研究院（NIST），国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）加强量子信息科学研发计划的制定以及研究中心和联盟的建设，要求加强协调管理，并倡议美国民用、国防和情报部门在量子信息科学研发工作上协调一致。
（2）设立国家级量子计划组织
在量子法案的框架下，美国设立了多个国家级量子计划组织：
国家量子协调办公室（NQCO）：负责协调和支持国家量子计划的日常工作，提供技术和行政支持，并进行公众宣传，为联邦民用量子信息科学技术活动的协调中枢。
量子信息科学小组委员会（SCQIS）：协调联邦在量子信息科学及相关技术方面的研究与开发。
国家量子计划咨询委员会（NQIAC）：对国家量子计划进行独立评估，并向总统、能源部部长和SCQIS提出建议，以在审核和修订国家量子计划时参考。
量子科学对经济和安全影响小组委员会（ESIX）：促使有关机构了解量子信息科学的经济和安全意义，并开展量子信息相关研究的国家安全指导。
（3）与相关领域联动发展
2022年8月9日，美国总统拜登在白宫签署了《芯片与科学法案》，历时近两年，《芯片与科学法案》最终完成了正式立法。该法案将促进对芯片制造以及5G和量子计算的投资，其中包括为布鲁克海文国家实验室等能源部国家实验室注入新资金，该项资金将推动量子计算、人工智能等关键技术领域的研发。
2019年以来，美国《国防授权法案》（NDAA）持续引导和规划量子信息战略实施，其中NDAA 2021要求国防部（DOD）发展量子计算潜在优势。
2、国家级计划类
美国量子计算融入多个国家级计划推动其重点发展。
（1）国家量子计划（NQI）
根据量子法案，美国从战略、管理、预算多个等方面部署国家量子计划，明确量子信息科学研究目标、重点和发展路径，设立了国家量子协调办公室和量子信息科学分委会等专门的组织实施和协调机构，研究经费列入美国年度预算，保障国家量子计划实施。研发重点与经费支出围绕量子传感和计量、量子计算、量子网络、量子技术等领域。
（2）国家战略计算计划（NSCI）
随着非冯计算技术持续发展，美国紧跟先进计算前沿方向，进一步更新国家战略计算计划。2019年，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布《国家战略性计算计划（更新版）：引领未来计算》。与2015年计划相比，面对后摩尔定律进展放缓、登纳德定律终结、当前技术系统不可持续功耗需求的技术背景，更新版提出战略目标：发展超越摩尔定律之上的计算，在10-20年内探索并加速未来计算架构和技术实现的新途径，包括数字领域计算和非数字领域计算，如量子计算、神经形态计算等。NSCI规定了先进计算的基础研发机构是由美国情报高级研究计划局（IARPA）和国家标准与技术研究所（NIST）组成，并且基础研发机构将与牵头机构协调，以实现研发工作的有效过渡，以支持联邦政府的各种要求。
（3）国家人工智能计划（NAII）
国家人工智能倡议（NAII）是根据2020年国家人工智能倡议法案（NAIIA）建立的。该计划的主要目的是确保美国在人工智能研发方面继续保持领先地位。其中在NAII推动人工智能发展的过程中，从研究角度高度关注量子人工智能新发展（Quantum -AI）。例如：训练量子神经网络、量子计算机在机器学习领域、量子处理图像科学数据等。
3、总统层面
特朗普时期：制定量子信息科学国家战略，量子计算备受重视。2018年9月，美国国家科学技术委员会（NSTC）发布《量子信息科学国家总体战略》，将量子计算看作未来十年量子信息领域的重要技术机会。2018年12月，特朗普总统签署量子法案，为促进量子计算等技术发展保驾护航。
拜登时期：将量子计算视作美国未来科技不可或缺的一部分。2021年3月，白宫发布的《国家安全临时战略指南》，强调量子计算等新兴技术有望改变各国之间的经济和军事平衡。拜登在上任后的首次新闻发布会上强调了量子计算对美国未来竞争力的重要性。
4、部门层面
美国各部门根据法案、总统行政令、国家战略计划安排及自身部门发展需要，通过设立新项目、新中心等方式开展量子计算研究。
例如：DOE加速量子信息计算、仿真、传感和通信研究。2019年8月，能源部宣布投入6070万美元推进量子计算和网络技术的发展。2020年，DOE公布一项量子互联网计划，计划在十年内建成与现有互联网并行的量子互联网。在量子法案推动下，DOE主持新建五个国家量子信息科学研究中心；NSF支持量子科技人才建设。加强量子信息科学研究，设立量子飞跃挑战研究所计划，支持大规模、跨学科研究项目。创立量子创意孵化器，支持跨学科团队探索高度创新的、独创性的潜在变革性想法。设立量子计算和信息科学人才计划，资助大学增设量子信息科学教职；DOD将QIS列入优先领域，研发重点涵盖原子钟、量子测量、量子计算和量子网络的基础和应用研究，支持中型量子设备优化、分布式量子信息中心建设，与相关机构合作创建创新推进中心等，推动量子科技现代化工作。
（二）学科生态体系
美国通过推动基础理论研究，加强专业人才培养、投入巨额资金来全面建设量子领域学科生态，保持在其量子研究上的强劲动能。
美国高度重视量子学科的理论基础研究。在2018年美国白宫发布的《量子信息科学国家战略概述》中明确指出“将基础研究作为联邦政府推动QIS发展的方向”，是美国在未来量子领域保持领先的关键。
专业人才培养是美国构建量子学科体系的重要支柱。一方面通过立法支持人才培养。根据2018年的量子法案，美国将人才培养作为量子科技长期发展战略重心之一，其中美国国家科学基金会（NSF）获得2.5亿美元拨款，用以支持量子科技人才培养；另一方面美国大力推进量子技术素质教育。NSF与白宫科学技术政策办公室（OSTP）在2020年宣布将QIS相关课程加入到美国K-12教育中，并与企业界、学术界共同建立国家Q-12教育合作伙伴关系，在初中、高中开展推广及教学活动，以扩大青年学生对量子计算知识的接触。
长期巨额资金投入是美国构建量子学科体系源源动力。兰德公司分析美国在QIS领域投入发现美国近一段时期在QIS研发投入稳定增长在20%左右。2019财年的实际支出为4.5亿美元，2020财年的估计支出为5.8亿美元，2021财年的支出为7.1亿美元。
（三）企业生态体系
企业作为美国构建量子计算生态体系的重要一环，深度参与并推动美先进计算发展。一方面通过深度参与项目研发打通“产学研”转化通道，另一方面通过行业生态建设扩大产业生态。
参与项目建设方面
美国能源部（DOE）宣布在2020年耗资6.25亿美元建立5个跨学科量子信息科学研究中心，该项目得到了IBM，微软，英特尔等公司大力支持与深度参与，这些企业也提供了3.4亿美元的资金支持项目发展。
行业共建方面
一是美国国家标准与技术研究院（NIST）根据2018年国家量子倡议发起成立了量子经济发展联盟（QED-C），目前已有超过200个实体加入联盟，涉及大学、企业、行业协会、国家级实验室等多个行业。QED-C高度关注量子计算发展，多次召开量子计算系统讨论会，牵头评估美国量子计算供应链。
二是科技巨头跟进量子计算前沿，纷纷布局参与布局。据波士顿咨询分析，美国正依靠其科技巨头推动量子计算领域技术发展。
三是初创企业与传统工业巨头纷纷竞逐量子计算机的发展潮流。初创公司方面，据兰德公司统计数据，2018年以来，美国私营企业在量子信息科学领域有至少182家公司，大多数公司是2017年以后成立的，这一快速增长表明私营企业对量子技术产生了浓厚的兴趣。Rigetti、IonQ等初创公司发展势头迅猛，Rigetti被X-Prize创始人Peter Diamandis认可为和IBM、Google并肩的量子计算领域三大领导者。IonQ率先与亚马逊、微软和谷歌等巨头下属的云服务公司合作，向公众提供量子计算机服务。工业巨头方面，美国工业企业霍尼韦尔“跨界”布局量子计算，采用先进的捕获离子架构推出H1型量子计算机，在2021年实现了量子体积为512的量子计算机纪录。
（四）国际合作
在量子计算领域，美国高度重视国际合作，充分调度国际合作伙伴资源联动开展技术研究，通过官方合作促进国际前沿合作。2021年5月，美韩总统发表联合声明，希望在量子计算等量子技术领域开展联合研究和专家交流。2021年11 月，英国和美国签署加强量子科技合作的新联合声明，合作包括促进量子领域联合研究、建立全球市场和供应链并培训下一代科学家和工程师。2022年4月，北约正式宣布在丹麦首都哥本哈根建立一个新的量子技术发展中心。该中心设立在哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所，将开发和测试新的多用途技术，以促进绿色转型、导航、研究和国防。2022年5月，美、日、印、澳四方伙伴关系领导人联合声明中指出要加强四国在量子技术领域技术合作与交流，将促进产业伙伴关系发展，为新兴技术引入更多资本。
三、思考与启示
量子计算产业是未来数字经济发展的核心基础设施之一，对于推动下一代信息技术发展具有广泛且深远的影响。美国发展量子计算产业的战略具备相当强的广度与深度，值得我们深入研究和学习。美国的系列战略及政策并非单一针对量子计算，而是以全局视野针对QIS全域进行布局，建立整体的产业生态，发挥企业与学术机构主体创新作用，给予超额资金扶持。为保障联邦财政资金投入的连续性，发展量子计算长期战略以法案形式确立，引领多类别政策，推动学术研究、企业发展、国际合作，构建生态体系，形成发展合力。全面的生态建设使美在量子计算领域取得显著成绩。2021年，量子经济发展联盟总结了过去十年量子计算专利发展趋势，数据显示美国在量子计算方面专利保持领先。2010年起，美国在量子计算的专利几乎占全球专利总数的一半。
作者简介
白路 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室，助理分析员
研究方向：科技战略、科技安全
联系方式：bailu_801@163.com
编辑丨郑实
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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