美国的量子技术战略 | 新品推荐

美国的量子技术努力取决于两项政策:国家量子倡议的国家战略概述（NQI）国家标准和技术研究所（NIST）国家科学基金会（NSF）能源部（DOE）量子信息科学（国家量子战略）和国家量子倡议（NQI）法案。其他几项努力——包括QIS劳动力发展国家战略计划、量子前沿报告和国家安全备忘录-10（NSM-10）——补充了国家量子战略和NQI，以促进美国在QIS方面的全球领导地位。

《国家量子战略》为美国的量子技术研发提供了总体愿景和框架。该战略阐述了三个主要目标——美国旨在（1）对量子技术发展采取基于科学的方法，专注于确定和解决“其解决方案能够促进变革性科学和工业进步的问题”；（2）通过“在保护国家安全的同时，加快QIS在经济和飞行任务中的应用技术开发并与国际合作伙伴合作”增强国家竞争力；以及（3）“建立一支量子智能和多样化的员工队伍，以满足不断发展的领域的需求。”《国家量子战略》建议通过重点关注六个领域来推进这些目标：科学、劳动力、工业、基础设施、安全和国际合作。

最初于2018年颁布的《NQI》阐明了美国执行国家量子战略的计划，并成为美国量子相关活动的蓝图。NQI授权三个机构——国家标准与技术研究所（NIST）、国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）——来“建立中心和联盟，并实施新的计划以促进QIS研发。”尽管它针对NIST、NSF和DOE，但NQI是一个政府整体计划，要求协调整个联邦政府以及工业和学术界的QIS研发工作。截至2022年4月，有23个联邦机构参与了NQI。

位于白宫科技政策办公室（OSTP）内的国家量子协调办公室（NQCO）负责监督NQI计划并支持其实施。NQI法案还规定了国家科学技术委员会（NSTC）量子信息安全小组委员会（SCQIS）、NSTC量子科学经济和安全影响小组委员会（ESIX）和国家量子倡议咨询委员会（NQIAC）的一些监督和咨询责任。

另外两项立法——2022年《创造有助于生产半导体（芯片）和科学的激励法案》（芯片法案）和2022财年《国防授权法案》（NDAA）——扩大了《NQI法案》的范围。CHIPS法案授权研发量子网络基础设施，制定量子网络和通信标准，建立一个促进研究人员访问量子计算资源的计划，并将QIS纳入国家教育课程。它还将合格中介机构纳入了国家科学基金会技术、创新和伙伴关系理事会，“以及现有的联邦奖学金计划。”2022财年NDAA进一步修订了NQI法案，将ESIX纳入其中。2019财年和2020财年NDAAs还包含与量子相关的立法，包括授权国防部开展和支持量子技术研发，但没有直接修订NQI法案。

总之，美国的量子活动由国家量子战略、NQI以及补充文件和立法提供信息和指导。美国在量子研发问题上采取整体政府方针，并得到私营企业和学术界的大力支持。

根据国家量子战略和NQI，美国政府已经“在基础量子信息服务研发方面进行了大量和持续的投资”。美国政府的资助旨在促进几种量子技术模式和应用的创新和探索。因此，联邦政府对量子技术的投资是广泛而多样的，横跨几个不同的机构和部门。合格中介机构研发支出的主要驱动力包括NQI法案针对的三个机构——NIST、国家科学基金会和能源部——以及国防部、国土安全部和美国国家航空航天局。

美国的分布式资助策略，再加上美国在2019年量子信息科学小组委员会（SCQIS）成立之前缺乏一个指定机构来跟踪量子信息科学研发的年度支出，因此很难确定美国联邦政府对量子信息科学的总投资。然而，很明显，NQI在刺激联邦政府对合格中介机构的兴趣和投资方面发挥了重要作用。

自2019财年以来，合格中介机构的预算大约翻了一番。根据SCQIS，各机构报告的实际QIS 研发预算支出在2019财年为4.49亿美元，在2020财年为6.72亿美元，在2021财年为8.55亿美元，随后在2022财年为9.18亿美元。拜登政府要求在2023财年为QIS 研发提供8.44亿美元的预算授权。

对QIS 研发的联邦资金分布在多个量子技术组成领域，包括量子传感和网络，但量子计算至少自2021财年以来在美国获得了最大份额的公共资金，这反映了它对美国国家安全的重要性。麦肯锡公司2022年的一份报告显示，美国政府57.6%的量子技术资金投向了量子计算，而量子传感和量子通信分别获得了28.5%和13.9%的资金。

先前的研究表明，与其他量子技术组成领域相比，量子计算拥有更多不同的联邦资金来源，联邦机构——特别是国防和情报机构——资助了美国大多数量子技术出版物。

先前的研究还表明，很难评估美国政府的资金是否足以加快美国量子技术创新并保持美国的竞争力，原因有三：

（1）美国量子技术生态系统缺乏通用指标或衡量进展的明确路线图；

（2）量子技术仍处于起步阶段，没有明确的例子表明这种戏剧性的突破可以与资金激增直接联系起来；

（3）几乎没有全面衡量美国QIS研究如何随着时间的推移而变化的指标。

然而，人们“普遍认为”需要更多的资金来继续推动进展。2023年3月，NQIAC在给国会的建议中指出，增加对量子研发的资助“对于国家赢得实现QIS好处的比赛是必要的。”能源科学联盟——由代表工业界、大学和国家实验室的科学家、工程师和数学家的100多个组织组成——建议将能源部的授权资金水平提高到每年至少6.75亿美元，以保持美国在合格中介机构中的竞争力。

虽然理想的资金水平尚不清楚，但政府是为量子技术提供长期支持并克服高昂的初始研发成本的耐心资本的重要来源。政府对合格中介机构的投资在发展国家研究和设计网络以及促进研究转化为现实应用和技术商业化方面发挥着关键作用。它还在向各种利益相关者（包括行业、媒体和公众）传达量子技术的潜力和重要性方面发挥了重要作用。联邦支出水平是政府优先事项的有力指标，美国政府对合格中介机构研发的预算多年来一直保持强劲和一致，短期内没有大幅下降的迹象。

对量子信息系统的公共资助和支持也在扩大参与量子计算研发的机构数量和类型方面发挥了作用。例如，国家科学基金会资助了五个量子飞跃挑战研究所，这些研究所是“大规模、由大学领导的跨学科研究所，旨在推进量子科学和工程的特定前沿。”参与的大学包括马里兰大学、杜克大学、芝加哥大学和加州理工学院等。国家科学基金会还资助了几家由大学指导的量子代工厂，它们是“开发和制造量子技术所需材料的专门研究中心，如量子比特和传感器。”2023年8月，美国国家科学基金会还启动了3800万美元的“扩大量子信息科学与工程能力”（ExpandQISE）计划，以“降低准入门槛，拓宽参与量子研发的机构多样性”。

另外，美国能源部通过建立五个国家量子信息科学研究中心，帮助国家实验室参与量子研发研究，其中包括:

l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）专注于构建创建容错量子计算机系统所必需的工具；

l由阿贡国家公司领导的下一代量子科学与工程（Q-Next）

l实验室，专注于如何可靠地控制、存储和传输量子信息；

l由橡树岭国家实验室领导的量子科学中心（QSC）专注于推进量子材料、传感器和算法；

l由QSA领导的量子系统加速器；

l劳伦斯伯克利国家实验室，专注于开发可扩展的量子系统；

l由费米国家加速器实验室领导的超导量子材料和系统中心（SQMS中心）专注于开发用于下一代量子计算机的超导材料和设备。

能源部还资助了国家实验室、大学和研究机构之间的各种量子研发合作。例如，2023年7月，能源部“宣布为六个项目提供1170万美元的资金，以提高对量子计算是否、何时以及如何推进计算科学前沿的理解。”

大学、研究机构和国家实验室是美国量子技术生态系统中的关键节点，不仅在技术开发中发挥了关键作用，而且在扩大QIS培训、教育和推广方面也发挥了关键作用。然而，这些实体面临着重大的行政障碍和繁重的联邦拨款要求，使他们无法充分参与量子技术研发计划。美国国家科学基金会国家科学委员会2022年的一项研究发现，联邦政府对美国研究型大学的繁琐要求阻碍了大学科学和工程研究的效率和质量。NQIAC在2023年3月进一步向国会表示，国家科学基金会研究所缺乏指定的专业行政人员，需要专注于量子的员工承担行政责任，这对受资助的量子研究项目的进展产生了不利影响。

接受本项目采访的大学教授和研究所所长进一步指出，联邦政府对量子研究的资助通常要求受资助者开展教育推广和参与工作，而他们没有接受过执行这些工作的培训，这分散了时间和资源，使他们无法专注于资助所设想的量子研发计划。他们还提到难以获得量子研发的联邦资源。例如，尽管能源部的国家研究中心旨在使更广泛的用户更容易获得量子资源，但接受本报告采访的个人观察到，前往这些中心既麻烦又低效。他们建议，更有效的方法可能包括将资源广泛分配到全国不同的大学，而不是将资源集中在五个国家中心。

表2 美国政府QIS生态系统（下文需要处理成表，标题在左内容在右）

协调、监督和支持

l美国众议院和参议院

l国家量子协调办公室

l科学技术政策办公室

l量子信息科学小组委员会

l量子科学的经济和安全影响小组委员会

l国家量子倡议咨询委员会

l美国国务院

l联邦调查局（FBI）

l美国专利商标局

民间研发实体

l国家科学基金会（NSF）

l能源部（DOE）

l国家标准与技术研究所（NIST）

l美国国家航空航天局（NASA）

军事研发实体

l国防部先进研究计划局（DARPA）

l陆军研究办公室

l空军科学研究办公室

l海军研究办公室

l陆军研究实验室

l海军研究实验室

l空军研究实验室

l负责研究和工程的国防部副部长办公室

情报研发实体

l国家情报总监办公室情报高级研究项目局（IARPA）

l美国国家安全局物理科学实验室

l中央情报局（CIA）

l国土安全部

l联邦资助的国家实验室

l阿贡国家实验室

l布鲁克海文国家实验室

l劳伦斯伯克利国家实验室

l劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

l费米国家加速器实验室

l洛斯阿拉莫斯国家实验室

l桑迪亚国家实验室

l橡树岭国家实验室

l太平洋西北国家实验室

私营部门在推动量子技术创新和发展美国强大的量子技术生态系统方面也发挥了越来越突出的作用。自2013年以来，量子技术的私人投资稳步增长，2022年达到创纪录的22亿美元。然而，全球风险投资（VC）投资在2023年下降了约50%，至约12亿美元，这引发了技术专家对即将到来的“量子冬天”的担忧，即对该技术的兴趣和投资不断减少。但这种担忧可能被夸大了，而且为时过早。量子投资的下降与其他技术领域（如生物技术）的宏观风险投资趋势和金融衰退相一致。尽管风险投资整体下降，但量子科技在2023年第二季度披露了21轮新的私人融资，今年第三季度新增私人资本3.29亿美元，政府支持的融资承诺和合同增加，这可能会抵消投资者担忧的任何差距。截至2022年6月，风险投资和其他私人资本占全球量子技术投资的70%以上，其中近90%的资金流向了已建立的A、B、C和D系列初创企业。美国公司，特别是那些专注于量子计算的公司，在2001年至2021年期间获得了最大份额的私人资金，2022年八家顶级资助的量子技术公司中有五家总部位于美国。

2022年，大约49%的私人基金流向了量子计算组件领域。相对于其他量子技术领域，对量子计算的兴趣增加可能是因为量子计算的巨大市场潜力，据估计，到2040年，其市场潜力将超过每年900亿美元。然而，值得注意的是，尽管近年来活动显著增加，但量子技术仍占全球风险投资的不到1%。

本报告采访的几位投资者指出，风险资本家不愿进入量子行业通常是因为不确定预期的技术开发时间表、投资回报以及哪些应用最终将被证明是有利可图的。

2023年，美国量子基金的风险投资比2022年下降了约80%，创下全球最大降幅。如前所述，这种下降与风险市场的总体趋势一致。此外，2021年和2022年是与大型特殊目的收购公司和融资轮进行重大、或许不可持续的量子技术投资的显著年份。因此，2023年资金的减少可能意味着重新调整到2021年之前的数字。根据量子技术媒体和市场情报平台Quantum Insider的说法，量子行业的未来前景是积极的，这表明“对量子技术的持续兴趣”，“预计将有更多的技术和工程突破，政府采购增加，以及风险投资重点可能向深度科技发展。”

投资者对量子技术相对一致的兴趣和投资引发了美国量子产业的显著增长。NQI资助的量子经济发展联盟（QED-C）——一个“旨在推动和发展量子产业”的利益相关者团体——截至2023年底包含182个企业成员。先前的研究确定，近一半的QED-C公司从事量子计算工作，从参与量子计算研发的实体数量来看，美国是全球量子计算最活跃的国家。

尽管大多数美国量子计算公司都是组件和应用软件公司，但硬件初创公司获得的资金份额最大。这可能是因为硬件是资本密集型的；它很复杂，需要专业知识，风险很大，需要很长的开发时间。与此同时，投资者预计硬件将在量子技术开发的应用和商业化阶段产生巨大回报。像IBM这样的大型技术公司主导了硬件投资领域，并主要专注于超导量子比特。然而，美国的量子计算行业非常广泛——美国至少有一家公司从事每种量子计算形式。这种多元化的方法有助于确保美国拥有技术知识、国内基础设施和研发能力，无论哪种方式赢得建造第一个商业上可行的量子系统的竞赛，美国都将处于领先地位。其他国家同样同时采用多种方式，但没有一个国家的广度和深度能与美国相比。