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美国量子政策规划新动态

发布时间:2020-08-17   点击:479

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美投资7500万美元成立三家量子飞跃挑战机构


2020年7月21日,美国白宫科技政策办公室和国家科学基金会(NSF)宣布成立三家新的量子飞跃挑战机构(Quantum Leap Challenge Institutes,QLCI)。这些机构将收到7500万美元的资助,用于加速量子信息科学研发,巩固美国在量子信息产业的领导地位。


这三家研究机构分别着眼于量子通信、量子计算、量子精密测量三大方向,由不同大学领导:


一.量子通信:是用于混合量子架构和网络的国家科学基金会量子飞跃挑战机构。该研究所由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)领导,主要建立相互连接的小型量子处理器网络,并在实际应用中测试其功能。

二  量子计算:是用于当前和未来量子计算的国家科学基金会量子飞跃挑战机构。该研究所由加州大学伯克利分校(Berkeley)领导,主要负责设计先进的大规模量子计算机,为当前和未来的量子计算平台开发有效算法,并验证量子计算机能超越经典计算机。

三.量子精密测量:是采用相关量子态增强传感和分发的国家科学基金会量子飞跃挑战机构。该研究所由科罗拉多大学(CU)领导,将设计、建造和采用量子传感技术,以在精密测量中广泛应用。


这些研究所是NSF对联邦政府旨在推动美国量子信息科学发展的重要举措的核心举措,与2018年美国《国家量子计划法案》、国家量子信息科学战略概述》所提内容均可体现美国在新兴技术领域的领导地位的持续关注。量子飞跃挑战研究所也是NSF量子飞跃的核心,旨在促进量子技术的研究和开发。


图 美国国家量子计划(National Quantum Initiative)



图 美国《国家量子信息科学战略概述》


这些研究所由16个核心学术机构,8个国家实验室和22个行业合作伙伴组成的相互联系的社区。通过整合多个学科和部门的观点和资源,他们促进了创新生态系统的可持续发展。除了量子前沿研究之外和多学科合作外,这些机构还将在举办多样化的培训教育,培养具备量子技术能力的劳动力方面取得长足进步。他们将为从小学到专业人员的所有不同教育水平的学生和教师开发新的面对面和在线课程。


02

美国宣布“量子互联网”战略蓝图


7月24日,当地时间周四,美国官员和科学家公布了所谓的量子互联网计划,目标是将与全球现有网络并行的互联网,利用量子力学定律更安全地共享信息,并连接新一代计算机和传感器。


国际研究界认为,在未来十年内,建立第一个全球量子网络原型——即量子互联网——是指日可及的。2020年2月,美国能源部高级科学计算研究办公室主持了量子互联网蓝图研讨会,以阐明建立第一个全国范围的量子互联网的潜在路线图。事实上,早在今年 2 月,美国白宫发出了一份《美国量子网络战略构想》,提出美国将开辟量子互联网。


图 《美国量子网络战略构想》


量子互联网蓝图研讨会后形成了一份报告,这份最终报告确定了关键的科学应用领域(量子通信、量子计算、量子传感与测量),四个优先研究方向(Priority ResearchDirections,PRDs),并概述了为了促成最终的国家量子互联网必须实现的五个关键里程碑(five Key Milestones)

图 量子互联网蓝图研讨会报告



 4个优先重点研究方向(PRDs)

1. 为量子互联网提供基础的构建模块

关键问题:量子互联网的关键组成部分是什么?它们需要满足哪些性能参数?


2. 集成多个量子网络设备

关键问题:如何克服将多个量子网络设备集成到高性能量子互联网组件中的物理障碍?


3.  为量子纠缠创建中继、开关和路由

关键问题:如何创建全国性量子互联网的基础网络功能?


4. 启用量子网络功能的纠错功能

关键问题:如何实现网络容错功能?



5个关键里程碑


1. 在光线网络验证量子安全协议
2. 校际、城际纠缠分发
3. 使用纠缠交换的城际量子通信
4. 使用量子中继的州际量子纠缠分发
5. 在实验室、学术界和工业界之间建立一个多机构的生态系统,以实现从演示到操作基础设施的过渡

芝加哥地区费米国家加速器实验室(Fermilab)量子科学负责人帕纳乔蒂斯·斯彭祖里斯(Panagiotis Spentzouris)在接受采访时表示,执行周四公布的蓝图需要更多的资源和更清晰的项目结构。这份长达38页的文件列出了要瞄准的研究重点和里程碑,但没有将详细任务分配给特定的各方。


美国能源部的17个国家实验室将成为即将到来的量子互联网的骨干,它将依靠量子力学定律来比以往任何时候都更安全地控制和传输信息。

 

建立这种互联网的关键步骤已经在芝加哥地区进行,芝加哥地区已成为量子研究的全球领先枢纽之一。今年2月,来自能源部阿贡国家实验室(位于伊利诺斯州莱蒙特)和芝加哥大学的科学家们在芝加哥郊区成功建立了一个52英里的纠缠光子“量子环”,这是美国最长的陆基量子网络之一。该网络很快将与能源部费米实验室(位于伊利诺斯州巴达维亚)连接,建立起一个80英里的三节点试验平台。

 

目前还不清楚这个项目的确切资金来源,美国能源部周四没有宣布该项目所需的资金。该机构负责科学事务的副部长保罗·达巴尔(Paul Dabbar)在接受记者采访时表示,联邦政府每年在量子信息技术上的投资约为5亿至7亿美元,这表明其中部分资金将用于新的量子互联网。达巴尔还称,未来可能会有更多关于该项目资金来源的信息宣布。

03

回顾美国近2年在量子信息科学领域时间线


2018月 6 月,白宫国家科技委员会(NSTC)成立量子信息科学子委员会,协调联邦政府关于量子信息科学的研发活动。

 

2018 年 9 月,量子信息科学子委员会在白宫峰会上发布《国家量子信息科学战略概览》,提出 6 点建议,包括量子信息科学教育应下放到中小学;同时,美国能源部宣布将成立多个国家级实验室,并加大资金投入。

 

2018 年 10 月 26 日,美国初创公司 Quantum Xchange 表示,已接入沿美国东海岸运行的 500 英里光纤电缆,用以为美国创造首个州际、商用量子密钥分发网络——至此,美国第一个大型量子互联网项目已初具雏形。

 

2018 年 12 月,美国总统 Donald Trump 签署了《国家量子倡议法案》(NQIA),该法案提出,将实施为期 10 年的“国家量子倡议项目”,旨在通过增加联邦投资与协调,加快量子信息科学的研发,确保美国在量子信息科学技术应用领域持续领先地位。

 

2020 年 2 月 10 日,Donald Trump 在 2021 年度的政府财政预算提案中,也大幅削减了主要科学机构的研发预算,希望将更多资金投入到人工智能和量子信息科学当中。因此,美国政府对量子信息科学发展的重视可见一斑。

 

2020年2月,美国白宫网站近日发布一份《美国量子网络战略构想》,提出美国将开辟量子互联网,确保量子信息科学(QIS)惠及大众。同期,美国能源部国家实验室,大学和工业界在纽约市开会,制定了国家量子互联网的蓝图战略,列出了需要完成的基本研究,描述了工程和设计的障碍,并设定了接近学期目标。

 

2020年3月,美国国家科学基金会和白宫科技政策办公室召集了一群教育工作者、研究人员和行业代表,于2020年3月召开了一个主题为“面向未来量子信息科学学习者的关键概念(Key Concepts for Future QISLearners)”虚拟研讨会,为如何在大学之前开始量子信息教育设定了指导方针。

 

2020年5月19日,美众议院议员提出《推进量子计算法案》,全面研究量子计算的现状及其对美国商业和社会的潜在影响,明确美国在量子计算领域现实情况和发展潜力,促进美国的经济增长以领导全球量子计算领域的进步,并增进政府对全球量子计算的理解。

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