近二十年美国量子信息科学战略中基础研究的政策部署和重要进展*

吕凤先 刘小平**，，2 贾夏利，2

（1.中国科学院文献情报中心，北京 100190；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京 100190）

二十世纪九十年代，世界主要资助机构开始资助量子信息科学（Quantum Information Science，QIS）研究。从2015年起，世界主要发达国家相继部署国家层面的QIS战略与规划。英国较早发布国家层面的QIS战略，2015年，先后发布《量子技术国家战略》《英国量子技术路线图》，将量子技术提升至影响国家创新力和国际竞争力的重要战略地位，并通过顶层设计引导未来二十年的量子技术研发与应用。欧盟2016年发布《量子宣言（草案）》，将QIS技术的关注范围扩大到包含量子计算在内的量子技术。日本将QIS先后作为尖端技术和颠覆性技术予以支持，2009—2018年，在“最尖端研发支援计划”和“颠覆性技术创新计划”中，为QIS提供共计6000万美元的预算［1］，目前正在进行实施方案编制与QIS国家实验室的建设。美国2018年颁布《国家量子计划法案》［2］，提出开发新一代传感器、打造量子计算机、建立全球量子通信系统三大目标。

美国在QIS领域具有国际影响力，有约翰·克劳瑟［3］（John F.Clauser）、查尔斯·贝内特（Charles Bennett）、彼得·肖（Peter Sho）、卡尔·赫尔斯特伦（Carl Helstrom）、贺拉斯·袁（Horace Yuen）、杰弗里·金布尔（Jeffrey Kimble）［4］等多位领军人物。本文对美国近二十年在QIS领域的主要战略、计划、科技报告、项目进行梳理，总结其重要进展，分析其基础研究的政策部署及成效，揭示发展规律，为我国QIS的发展提出建议。

1 美国QIS基础研究部署

1.1 机构层面对QIS及其基础研究的支持及其特征

据统计，截至2018年美国《量子信息科学国家战略概述》［5］发文时，美国在QIS领域的国家投资组合主要集中在量子传感、量子计算、量子网络、量子器件和理论四类基础科学研究，其投资额占比超过80%，其余为技术开发类项目。各个类别的主要资助机构见表1。美国国防部、美国能源部（Department of Energy，DOE）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）、美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）是主要的资助机构。

表1 美国在QIS领域的基础科学研究类别与投资机构Tab.1 Basic Scientific Research Categories and Investment Institutions in the Field of QIS in the United States

2018年至今，DOE、NIST、NSF仍是 QIS的主要资助机构。从2018年12月21日生效的《国家量子计划法案》［2］的资金分配来看，2019—2023年，NIST每年可支配8000万美元，支持基础研究、应用研究、基础设施建设、人才培养等活动；NSF可资助开展量子信息科学与工程的基础研究、教育计划、建立2～5个多学科量子研究中心，在2019—2023财年度，为每个中心的拨款不超过1000万美元；DOE可资助建立2～5个QIS研究中心进行基础研究，在2019—2023财年度，为每个中心的拨款不超过2500万美元。另外，从《人工智能与量子信息科学研发摘要——2020—2021财年》［6］还可以看到，美国QIS研发的2021财年预算比2020财年增加约60%，这些资助主要通过NSF、DOE等机构执行。

NIST、NSF、DOE对QIS基础研究的资助共同涵盖量子传感、量子计算、量子网络、量子器件和理论进步四大领域，但依据其自身已有基础具有各自的特点。在所资助和研究的领域，NIST侧重基于QIS的精密测量及其相关研究，NSF侧重于与QIS相关的化学、数学、物理等基础研究，DOE则侧重于多学科交叉研究和量子网络。基于QIS本身发展规律，NIST、NSF、DOE都采取了建立大型研究所/中心、重视创新生态系统的合作等措施。

1.1.1 NIST

NIST在QIS领域的研究始于二十世纪九十年代早期，2000年前后正式发起了量子信息研究计划，2006年成立联合量子研究所（JQI），2014年成立量子信息与计算机科学联合中心（Qu ICS）。NIST开始时主要专注于原子钟的研究，开发了灵敏的单光子探测器，并利用纠缠来制造量子逻辑时钟，之后该机构的研究范围逐渐扩大，在量子逻辑门、量子控制和纠错方法、量子处理器等领域也开展了大量的基础研究。在研究资助方面，NIST与科罗拉多大学博尔德分校、马里兰大学等顶尖机构通过科罗拉多大学博尔德分校-NIST联合研究所（JILA）、JQI、QuICS等组织形式开展QIS基础研究［7］；旗下的国家级用户设施纳米尺度科学技术中心支持制作多种类型的QIS设备原型；与世界各地的国家计量研究所在量子计量方面开展合作，支持紧凑型光学原子钟（功率需求为100瓦，大小为若干立方厘米）、利用离子阱技术建立可扩展量子中继器、后量子密码术标准等研究。在人才培养方面，JILA、JQI、QuICS为政府研究人员、大学生、博士后学者、教员建立联系［5］。成果转化方面，NIST通过合作研发协议（Cooperative Research and Development Agreements，CRADAs）与工业界合作，促进 NIST的技术转让。

1.1.2 NSF

NSF在QIS领域的研究和资助始于二十世纪九十年代，主要通过推进量子前沿、多学科合作、发展劳动力这三种途径推进QIS的发展。在NSF对QIS及其基础研究的资助过程中，NSF的资助方式表现出了对核心研究单元持续资助、创新生态系统内部合作、兼顾基础研究和科技成果转化的特点。

1999年，NSF举办研讨会，将QIS作为科学与工程交叉学科的新兴领域，对存在的挑战进行分析，并以此为基础，对QIS的发展提出政策建议（表2）［8］。在基础研究的支持方面，提出了长期稳定支持QIS研究的学科计划，认为应适当地协调现有的NSF部门；将大部分资金用于支持个体研究人员或小团体进行自由探索类基础研究。在跨机构的研发资助方面，建议预留部分资金支持必要的技术基础设施建设或促进跨学科联系与合作。

表2 NSF在QIS领域发布的科技报告Tab.2 Science and Technology Reports Released by NSF in the Field of QIS

从2000—2018年启动的项目（表3）可以看到，NSF对量子信息研究所，量子信息与控制中心，原子、分子和光学物理理论研究所等进行了持续的支持。2019年以来，NSF建立了多个相关研究所/中心（表4）［9］。2020年成立的五个量子跳跃挑战研究所主题分别聚焦：量子模拟、应用于生物物理和生物工程的量子传感、利用相关量子态的增强传感、混合量子体系结构和网络、量子计算。

表3 2000年以来NSF对QIS研究的资助［10］Tab.3 NSF Funding for QIS Research since 2000［10］

表4 NSF 2019年以来建立的量子研究所/中心Tab.4 Quantum Institutes/Centers Established by NSF Since 2019

NSF对QIS的研究资助体现了被资助部门以至整个创新生态系统之间的协作。2016财年，NSF通过工程部的新主题“推进工程中的通信量子信息研究”与研究与创新前沿计划项目“先进量子通信信息研究与工程”来推动量子通信的研究。2017财年起，NSF启动“QIS的联系”计划［11］，由数理学部、计算机与信息科学工程部、工程学部等多个部门协同对项目进行审查和资助，以促进包含了这三个交叉学科的QIS研究。2020年建立的首批量子飞跃挑战研究所也体现了物理、材料科学、数学、化学、计算机科学和生物学等专业的多学科融合，以及大学、非营利组织、行业和政府机构间的全创新生态系统内部的合作［12］。

NSF在征集项目时要求兼顾基础研究和科技成果转化。2018年8月，NSF宣布拟在未来五年投资1500万美元资助开展“量子协同设计软件定制架构”项目。该项目对基础研究提出具体要求：开发有足够数量量子比特的量子计算机；确保每个量子比特与系统中的所有其他量子比特相互作用；集成软件、算法、设备和系统工程；实验人员、理论研究人员、工程师和计算机科学家共同参与项目。2018年9月，NSF宣布拨款3100美元资助基础量子科学研究，包含探索量子研究、量子研究与技术开发两类项目，投入比例25：6。2018年11月，NSF宣布为面向量子系统变革的“量子创意孵化器计划”提供2600万美元的资助，资助范围覆盖从基础研究到工程的整个创新链条，例如：超导量子比特，量子点，量子光学，量子信息设备、电路、系统和网络工程。

从NSF的资助特征来看，QIS基础研究需要对核心研究单元进行持续性稳定资助，该学科与数学、物理等学科的紧密联系决定了多部门联合资助的模式，基于QIS对发展未来工业的重要作用，注重基础研究的科学成果转化也是发展QIS基础研究的必然要求。

1.1.3 DOE

从2014年至今，DOE不断研究QIS带来的挑战与机遇，并在2018年后，对QIS的重视程度不断增加。2014年至今，DOE先后发布了QIS的多份科学技术报告，报告主题涉及QIS与粒子物理、计算科学、先进科学计算、基础科学、化学与材料科学、聚变能科学的交叉研究以及量子网络等（表5）；2018年以来，DOE在QIS领域的重要投资领域广泛，涵盖了先进科学计算、基础能源科学、高能物理等领域，其中，2019—2021年，在化学和材料领域持续投资（表6）；在机构建设方面，DOE现有5个 QIS研究中心（表7），并于2020年宣布将建立新的QIS交叉研究中心，预计五年内资助6.25亿美元［13］。

表5 DOE在QIS领域发布的科学技术报告Tab.5 Science and Technology Reports Issued by DOE in the Field of QIS

表6 DOE在QIS领域的重要投资Tab.6 Important Investments of DOE in QIS

表7 DOE现有QIS研究中心Tab.7 Existing QIS Research Centers of DOE

2005—2018财年的预算中没有单独强调QIS，之后每一财年的预算中均提及了QIS。2018财年，在基础能源科学领域，DOE将量子材料和化学等领域列为优先发展事项；2019财年，DOE预算向量子计算领域投资1.05亿美元，用于发展量子计算和量子传感器技术，并指出QIS基础研究的重点在于加速应用量子计算技术和量子传感解决重大挑战性科学问题［26］；2020财年，预算增加到1.685亿美元，基础研究的重点没有改变［27］；2021财年，DOE科学办公室在 QIS研究上的预算增加到2.37亿美元，加上国家核安全局的0.12亿美元，将资助基于原子核相互作用的量子传感器的开发、量子计算算法的开发、与建立专用量子网络的初期行动相关的早期研究等领域。

DOE对QIS基础研究的资助呈现投入增加的态势，DOE持续分析QIS和多个领域的交叉研究、量子网络并予以资助，形成了基于橡树岭国家实验室、伯克利国家实验室等9个国家实验室、科学办公室先进科学计算等项目部门、现有的分子工厂用户设施、纳米级科学研究中心、已建立或筹建中的量子信息研究中心、大学等机构进行QIS研究的创新生态网络。目前DOE研究主题广泛，可以分为如下五大类别：1）应用QIS解决材料科学、聚变能、等离子体科学、化学等学科的科学问题。2）借助其他学科研究QIS。例如，基于高能量密度等离子体科学、化学和材料科学形成新型量子材料；基于电子显微镜设计、人工智能探索可用于QIS的材料。3）开展QIS学科纵深研究。例如，探索量子系统的大规模纠缠，理解重要光电材料特性与量子相干现象之间的关系。4）算法研究。聚焦实现量子算法自动化、量子架构应用程序评估、新量子算法研究。5）传感器研究。主要开发用于检测稀有粒子的高灵敏量子传感器、用于核科学应用的量子传感器等。6）量子网络融合研究。融合算法、传感器、材料、设备、工程研究，发展量子计算、传感，实现量子网络融合发展。

1.2 国家层面对QIS及其基础研究的支持

2009年，美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC）发布《量子信息科学的联邦愿景》，指出需要对QIS保持关注以保持其领先地位。2014年，美国国家科学技术委员会成立国家层面的协调机构量子信息科学跨部门工作组，以加强对不同部门研发项目的统筹协调。2016年，量子信息科学跨部门工作组在《发展量子信息科学：国家的挑战与机遇》报告中指出了美国在研发进程中的障碍：基础研究的技术转化困难、满足量子信息需求的材料与器件开发难度大、研发投入不足且缺乏稳定性、学科领域和研究机构间存在隔阂等。为此，报告提出设立稳定的、长期的核心研究计划；进行短期的、目标明确的战略性研发等建议。2018年，美国制定QIS技术的国家层面的战略——《量子信息科学国家战略概述》，颁布了《国家量子计划法案》，进一步整合了政府、工业界和学术界的资源以推动量子技术的发展。

美国建立了受法律约束的QIS管理体系，形成了包含量子信息科学小组委员会、国家量子协调办公室、国家量子计划咨询委员会、NSF、DOE、NIST等在内的咨询建议机构、协调机构、监督机构、研发资助机构等构成的QIS管理网络。《国家量子计划法案》从国家层面对主要研究机构、公司、劳动力队伍进行了QIS研究的规划，支持NIST的QIS基础研究和标准制定，支持DOE的QIS基础研究并建立了相关国家研究中心，支持NSF的QIS量子研究与教育中心，鼓励美国科技公司贡献其知识和资源，协助建立更强大的劳动力队伍，制定全球量子标准。量子信息科学小组委员会的职能包含了战略制定、人才培养、国际合作、基础设施建设、研究与项目预算的机构间协调等方面。从机构协调的职能来看，国家量子协调办公室比量子信息科学跨部门工作组的职能范围更加广泛，除对研究的协调之外，还包含对其他利益相关方之间的协调。国家量子计划咨询委员会由来自大学、行业、联邦实验室和其他联邦政府机构的成员组成，向量子信息科学小组委员会和总统提供咨询，对研发和管理的动态进行跟踪与评价，并提出改善建议。

2020年，国家量子协调办公室先后发布了《美国量子网络战略构想》报告和《量子前沿》报告（表8），提出了QIS的前沿领域及问题。其中，《量子前沿》报告在多个优先探索领域提出了主要布局的研究方向。

表8 美国QIS领域主要战略Tab.8 Main Strategies in the Field of QIS in the United States

在量子计算领域，主要布局方向有：1）表征和减少量子误差：表征和控制多量子位系统，接近容错域，基于当前量子设备扩展量子位性能，纠错量子计算的理论极限；2）量子模拟：研发解决经典难题（与药物发现或固氮作用有关的化学系统建模等）的量子计算方法，为可用设备（噪声中尺度量子计算机等）改进算法并探索算法性能，基于量子模拟探索量子力学；3）开发与光学或电信波长的光子量子比特兼容的量子存储器和小规模量子计算机。

在量子传感领域，主要布局方向有：将纠缠和量子计算应用于精密测量、纠缠的时钟网络等量子系统网络，使用多体量子态计量，提高量子技术在定位、导航和定时应用中的精度与功率和成本等方面的可用性，基于QIS方法搜索基本粒子的永久电偶极矩、轴突类粒子、第五力和测量精细结构常数。

在量子器件领域，主要布局方向有：1）优化量子材料和制造方法改善器件性能；2）量子系统设计模块化；3）改进并推动实现工程化：量子存储技术，将经典数据加载到量子信息存储、处理或通信设备中的方法，量子系统不同组件之间的量子态转换。

在量子网络领域，主要布局方向是开发和验证一套足够完整的基础量子网络组件，这些组件协同工作，可用于设计、建立和运行长距离量子网络，将纠缠分布到地球及其周围的多个节点，重点涉及：1）为量子网络开发基础组件——量子中继器、存储器、互连等；2）耦合量子系统中的异质元件，减少产生和分布纠缠过程中的损耗、噪声和误差；3）集成量子网络系统，涉及低温恒温器之间、集成光子器件之间、单个系统中量子位之间的短距离纠缠分布，用于量子态的自由空间通信和互连本地网络的空中、卫星平台，用于纠缠分发和研究试验台的基础设施和协议；4）探索量子网络的应用、协议、算法；5）支持盲量子计算和安全通信的量子网络，部署用于卫星通信的量子网络。

从国家层面来看，发展QIS需要多方面的考虑，除了重视基础科学研究之外，还要考虑包括大学、行业、政府机构之间的协调，劳动力的培养，国际合作等诸多因素。因此，美国强调基础研究的重要作用，并基于此进行扩展，从更高的层面规划，为未来工业发展奠定基础。

2 美国QIS领域的重要进展

论文的发表受到机构资助和政府支持等力量的推动，能够从一定程度上体现出这些推动力的作用。在Web of Sciences上检索《自然》和《科学》上发表的量子信息主题论文，用于揭示美国近二十年在该领域的重要进展，作为美国QIS政策部署作用的一个评价标尺。

论文检索式为 Ts=（（（“bell inequalities”）or（“bell theorem”）） or （（quantum and（（information）or（eraser）or（quantum-classical transition）or（coherence）or（entanglement）or（“Hilbert space”）or（qubit*）or（state*）or（measurement）or（network）or（storage）or（memory）or（communication）or（fingerprint）or（processor）or（chip）or（cavity QED）or（clock synchronization）or（imag*）or（sensor）or（repeater*）or（detector*）or（magnetometry）））or（（quantum near/5 comput*）or（quantum near/15 algorithm*）or（quantum near/10 simulat*）or（quantum near/10 error*）or（“quantum circuit”or“quantum cellular automata”or“quantum turing machine”or“quantum register”）or（quantum near/10 communication*）or（quantum near/15 protocol*）or（quantum near/15 cryptograph*）or（“quantum key”））））［28，29］，发表时间范围是1999年1月1日至2021年10月12日，类型为文章、评论、信函，共检索到2292篇论文，美国论文共1410篇，1989—1999年 179篇，2000—2010年528篇，2011—2021年703篇。2000—2010年重要论文数量相比于1989—1999年的大幅度增长（194.98%）能够体现出机构的研究规划等力量推动研究规模增长的作用。

使用 VOSviewer，对2000—2010年和2011—2021年的论文分别进行主题词聚类（表9、图1、表10）。结果表明，量子比特的技术路线始终多样，光子比特和自旋比特在两个时间段均受到重点关注，超导量子比特在2011—2021年期间受关注程度有所提升。量子计算的研究从2000—2010年的量子比特、算法、存储、纠错等基本研究深入到2011—2021年重点攻克纠错挑战的研究中。2000—2010年，拓扑绝缘体、石墨烯、晶格、超导（主要研究其中的量子现象、量子效应等）的研究开始出现，其中，拓扑绝缘体、石墨烯受关注较多，但受关注程度低于超导研究，相比较而言，超导研究呈现一枝独秀局面。2011—2021年，绝缘体（尤其是拓扑绝缘体）、石墨烯、晶格研究上升为主要研究方向，和超导并列呈现四足鼎立状态，双层石墨烯、石墨烯纳米带是2011—2021年的新研究分支。在2000—2010年和2011—2021年两个时间段，美国在QIS领域重要研究出现了不断克服更高层次的挑战、衍生新研究方向等特征，这也能够在一定程度上体现政策部署等力量推进研究深入发展的作用。

表9 2000—2021年QIS围绕“比特”主题的主题词Tab.9 Subject Words Around the Theme of "bit" in QIS from 2000 to 2010 Based on VOSviewer

图1 基于VOSviewer的2000—2021年美国QIS重要研究的主题聚类分析Fig.1 Topic Cluster Analysis of Important Research in American QIS from 2000 to 2021 Based on VOSviewer

表10 2000—2021年 QIS围绕“超导”主题的主题词Tab.10 Subject Words around the Theme of "Superconduct" in QIS from 2011 to 2021

3 启示与建议

本文分析了美国近二十年来机构和国家层面对QIS基础研究的资助方式、研发投入、组织管理结构，分析了其中的QIS的发展规律，认为发展QIS基础研究需要对核心研究进行稳定与长期的投入、多部门联合资助、兼顾基础研究和科学成果转化。由于QIS研究具有重大的战略意义，还需要同时考虑大学、行业、政府机构之间的协调、人才培养、国际合作等因素。从管理QIS基础研究的方法来看，美国使用《国家量子计划法案》增强计划的执行力，为其在QIS领域的全球竞争力和影响力提供了保障。

我国在QIS基础研究领域布局了“单量子态的探测及相互作用”“精密测量物理”重大研究计划、“量子调控与量子信息”专项等重大计划/项目，其中“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划在执行过程中，通过前期启动、重点布局、后期集成优化的方式进行项目部署。2006年至今，在实用化量子密码技术、空间对地量子通信技术、基于超冷原子的量子模拟、基于光量子纠缠提升量子测量精密度、基于超导和光量子比特的量子计算等方向取得了重大进展。然而，由于我国在基础研究领域的项目/计划部署略晚于美国，导致我国在QIS基础研究、初创公司的国际影响力、成果转化、国际合作等方面与美国等世界主要国家存在一定差距。

基于上述分析，建议我国选取QIS研究中的优势领域与关键领域进行重点发展，借鉴美国发展QIS的管理经验，注重稳定与长期的投入、多部门联合资助、兼顾基础研究和科学成果转化等举措，一方面提高在QIS领域的竞争力，另一方面避免未来可能产生的国家安全风险。

集中力量发展优势领域。我国在空间对地量子通信、超导、光量子比特技术领域在国际上处于领先地位，建议我国未来集中力量发展如下方向：加强量子态纠缠、分发过程中的能量损失、错误率和噪声的研究，提升量子比特数量和保真度等综合指标，探索QIS工程的系统级架构和模块化设计，全面部署与协同发展硬件、软件、配套技术等。

打好关键领域持久攻坚战。我国在QIS基础研究的广泛与深入程度上有所欠缺，因而建议选择性地在若干重点研究方向上进行更长时期的投入。有待发展的重点领域包含但不限于：1）与量子通信、模拟、计算关系密切的基础研究，例如，操控物质和能量的量子态及其交互，量子逻辑门、量子控制和纠错方法，纠错的理论极限，建立量子计算算法的性能标准，基于材料科学改善器件性能；2）开展推动其他学科的QIS基础研究，例如，基于QIS破解粒子物理、化学和材料科学、聚变能源科学、核物理、凝聚态物理等学科中的难题。