于明月 天翼智库
量子信息技术被认为是未来信息科学的重要发展方向。目前，全球各主要国家都非常重视量子信息技术的研究和发展，认为它是提升国家竞争力和保障国家安全的战略性领域。其中，美国尤其表现出强烈的竞争意识，目前也取得了量子科技领域的领先优势地位。
美国在量子领域取得的领先地位和成就离不开其超前的布局和系统规划，本文将重点剖析美国在量子信息领域的布局现状及特点，希望给我国以启示和借鉴。
发展现状：美国在量子信息产业领域处于全球领先地位
美国量子信息发展在产业规模和量子应用方面全球领先，尤其是量子计算领域，能在未来3-5年内持续保持领先优势。
据ICV报告，2022年美国在量子计算领域产业规模约占全球32%，中国仅占8%，预计到2030年美国仍能保持32%，中国占比10%，美国将持续领跑全球。在量子通信领域至2025年美国占比22%，虽不及中国的29%，但仍处全球第一行列。在量子测量领域，美国在原子钟、量子陀螺仪、量子磁力计和量子重力仪等方面都保持着世界领先水平。目前，美国重点将量子技术应用于国防军事、人工智能、通信传输、生物医药等领域，经推算2022年已为美国带来近十亿美元的经济价值。
图1 2022-2030全球量子计算领域产业规模占比
图2 2025全球量子通信领域产业规模占比
资料来源：ICV＆光子盒，《2023全球量子计算产业发展展望》、《2023全球量子通信与安全产业发展展望》
布局情况：美国通过政策指引和建立组织机构完成量子系统布局
美国通过立法政策实施和建立国家层面的量子组织架构，完成量子在研发投入规划、基础研究与设施搭建、生态系统建立、量子国际合作、人才队伍建设等方面的系统布局。
美国早在2002年就将量子信息通过立法纳入国家战略，2018年美国发布《国家量子倡议法案》，并于2023年将其补充到总统财年预算，持续对NQI项目投资。此外，美国已构建国家层面的系统组织架构以执行对量子信息的布局规划。协调机构包括白宫国家量子协调办公室（NQCO）和国家科学技术委员会量子信息科学分委会（SCQIS）等，负责协调联邦政府内外部的量子信息科学相关事务，制定国家量子战略和政策；授权研究活动机构以能源部（DOE）、国家科学基金会（NSF）和国家标准技术研究院（NIST）为主要研发资助者，负责支持量子信息科学的基础研究、应用研究和人才培养，建立量子信息科学中心、量子飞跃挑战研究所等科研机构。
在政策和顶层架构的指引下，美国在量子领域构建了如下图所示的系统布局领域，其中在产业生态构建、技术基础研究和人才培养方面具有鲜明特点，值得重点关注。
图3 美国在量子领域系统布局示意图
美国量子信息布局特点
1. 产业生态协同：政府引导、企业与科研院所支撑，构建双赢的产业生态环境
美国在量子领域的各个利益相关者之间形成了良好的合作和竞争的关系。政府、企业和科研院所之间通过共享资源、交流信息、协调行动等方式，实现了协同创新。同时各个企业之间，通过竞争和合作，推动了量子技术的进步和市场化。
美国在2018年成立量子经济发展联盟（QED-C），是目前国际上规模最大的量子产业联盟，成员汇集政府、企业、学术机构、联邦资助研发中心等。其中，美国企业在量子产业的技术研发、风险投资等方面发挥了重要作用，在QED-C中企业成员占比高达175.62%。目前，至少有182家美国企业进入了量子信息技术产业，公开了风险资本融资数据的20家初创公司在量子领域融资总额已超12.8亿美元。另外，政府、高校和科研院所也在量子产业中占据重要地位，从财政投入来看，美国政府对量子信息领域的研发投入年度增长率高达25%；高校和科研院所则在技术研发方面重点发力，截止2023年1月的学术论文发文总量超2.1w篇，遥遥领先于世界各国。
2. 前沿技术研究：以量子计算为突破口，打造全面领先的技术研究与应用阵营
美国高度关注技术基础研究以维持其在全球量子竞争中的优势地位，并期望量子技术在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈，为美国各行各业提供新的发展机遇，创造更多经济价值和社会效益。
美国把量子计算作为量子技术发展的重点和核心，致力于打造世界上最强大的量子计算机和量子算法。目前美国处于全球领导者地位，在超导、离子阱等技术路线发展迅速，谷歌早在2019年就创造出有72个超导量子比特的量子计算机Bristlecone芯片，实现“量子霸权”；2023年首次通过增加量子比特来降低计算错误率，实现量子纠错重大突破，走在世界前沿。在量子测量方面，美国在量子惯性导航、量子磁场测量、量子重力测量、量子目标识别等领域都保持着世界领先的水平，具有高灵敏度和高精度的测量能力。
在量子通信方面，虽然研发投入相比量子计算低，但仍在量子密码等技术方面有着长期的研究和投资，目前已建立多个城域量子通信网络，如雷神公司和波士顿大学合作的网络、洛斯阿拉莫斯国家实验室网络等。此外，美国还非常关注后量子密码技术，用来保护其产品生态系统的安全。
3. 人才培养与梯队建设：以人才为核心，多层次加强人才队伍的培养与建设
美国认为人才是解决量子领域关键性问题、突破瓶颈的核心所在。美国通过建立多层次的量子人才金字塔，鼓励跨学科的合作关系，加强对量子信息科学的研究和教育，培养全能型的量子信息科学人才，以实现创新突破。
2022年，美白宫科技政策办公室（OSTP）推出《量子信息科学和技术劳动力发展国家战略计划》，旨在促进先进技术教育和推广，培养下一代量子信息科学人才。目前，美国的人才政策全面涵盖了K12和高等教育阶段的量子信息服务教育、量子劳动力培训以及吸引和留住外国人才的移民政策等。
构建量子人才金字塔，指出在基础教育阶段，要通过建立计算思维和科学思维导向的计算机和物理课程项目，从小培养学生对量子科学的兴趣和基础知识；在高等教育阶段，通过开设量子信息科学与工程专业或双专业，以及与产业界合作的实习项目，培养具有跨学科能力和实践经验的量子技术专家；在研究与创新阶段，通过制定相关的人才引进和补助政策，吸引国内外优秀的量子科学家和工程师，并实施适当的技术保护措施，以保障知识产权和国家安全。
对我国量子信息发展启示
美国作为量子科技领域的领头羊，其发展思路和做法有很多方面值得我国借鉴和学习，通过总结美国量子信息领域发展现状及布局特点，本文认为可有以下几点启示：
政策发展方面，借鉴美国量子领域顶层设计经验，强化我国战略规划顶层设计，出台符合我国发展国情的中长期量子信息技术发展规划，国家层面成立量子研发专职机构。
基础研究方面，以实现突破性成果为目标向美国看齐，尤其加强在量子计算机、量子算法和量子纠错等领域研究，在项目资源、资金、人才等方面向该领域倾斜。
人才培养方面，重视量子信息领域人才培养，现阶段应在高校加强量子学科建设，引发高等人才的关注和兴趣；长期应加强量子信息知识普及推广，提升全社会在该领域的认知素养，尤其是对青少年的启蒙和培养。
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发表于 2023-11-22 13:28:23