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0530-6291333美國智庫建議聯邦政府大力支持量子計算近期應用
時間 : 2021-10-22 11:14:08 閱讀 : 105
?2021 年4月27日，美國著名科技智庫信息技術和創新基金會（ITIF）發布《為什么美國需要支持量子計算的近期應用？》（Why the United States Needs to Support Near-Term Quantum Computing Applications）。報告指出，盡管量子技術仍處于早期發展階段，許多人認為實際應用還需要數年時間，但事實上，已有機構在現實世界中應用量子計算機。隨著其他 快速大規模投資開發和使用量子計算，美國的決策者應該確保美國仍然是量子計算領域的 。特別是，美國應大力投資于量子計算的近期應用，促進該技術的長期使用案例開發，從而鞏固美國的經濟競爭力并保護 安全。報告分析了美國量子計算發展方面存在的問題，向美國政府提出了加強量子計算近期應用的具體建議。這些建議對促進量子計算技術的發展具有啟示意義。
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1 量子計算機的物理構造、接入方式和運行方式
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量子計算利用量子力學（物理學的一個分支）的原理，主要研究亞原子粒子（如電子和光子）的獨特行為，從而實現新的、功能極其強大的計算體系結構。量子計算機使用量子比特（Quantum bits），按照“疊加”和“糾纏”的量子定律運行，使它們能夠完成傳統計算機做不到的事情。如下概要介紹量子計算機的物理構造、接入方式和運行方式等關鍵研發進展。
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1.1 構造量子計算機的兩類主流技術
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為構造一臺功能性的量子計算機，必須開發一套能控制和操縱量子位的物理系統并執行計算。目前有兩類主流技術：一是利用原子離子（如多鈹離子），將之囚禁在真空中作為量子位（圖1）；二是利用超導材料（如金屬鈮等）的特有性質，它們在低溫中會喪失電阻性，而能夠傳輸電子并導電，顯現出量子力學效用（圖2）。相比離子阱量子計算而言，超導量子計算擁有超導量子位易操控、高質量設備制造工藝可借鑒半導體芯片制造技術等優勢。
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目前量子計算機的開發與應用還受限于現有的低溫工藝技術。由美國 量子計劃法案成立的產業聯盟——量子經濟發展聯盟（QED-C），曾于2019年研討會判定“低溫工藝技術的發展將加速量子技術的研發和應用”。決策者應確保量子技術相關產業鏈中所有技術的協同發展。
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1.2 多數用戶通過云訪問量子計算機
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因量子計算機十分專業且開發費用高昂，少有研究人員或機構能自行開發量子系統或購買量子計算機。大多數研究人員或機構通過基于現有互聯網基礎設施的量子云服務來虛擬化接入量子系統。IBM公司于2016年就通過云開放了其位于紐約市的超導量子計算機訪問。IonQ公司正在開展與亞馬遜云服務（AWS）及微軟云服務（Microsoft Azure）的合作，以開放其離子阱系統訪問。
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1.3 部署運行量子計算機的兩種方式
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量子計算機按運行方式可分為類比量子計算機和數字量子計算機。前者通過直接操縱量子位的交互而運行，后者利用類似于經典計算機的連續操作門方式來運行。目前量子退火作為類比量子計算的z成熟方法之一，已具備理論和實際應用價值。但也有研究人員指出，由于類比量子計算機難以操控，未來數字量子計算機終將取代類比量子計算機。ITIF報告重點介紹了量子退火方法實現的類比量子計算機及其實際應用。
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2 類比量子計算機及其實際應用
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由量子退火方法實現的類比量子計算機，能有效解決“旅行商問題”（給定一系列城市和每對城市之間的距離，求解旅行商訪問每一座城市一次并回到起始城市的z短回路）的組合優化，并已在現實世界實現多領域商業化應用。
在醫療保健領域，量子退火能提供解決方案以優化藥物設計和腎臟捐贈匹配，改善病人的生活質量甚至拯救其生命。例如，Menten AI利用量子退火更高效地尋找針對氨基酸側鏈的優化蛋白質折疊位置，設計新的基于蛋白質的藥物（圖3）。埃森哲公司利用量子退火優化腎臟匹配模型，目前該方案因受限于小網絡規模，僅應用于內布拉斯加州，若能有更多研發資金支持，該模型或可擴展應用于美國全國范圍。
在制造業領域，若干公司利用量子退火開展存量優化并提升運營效率，幫助公司節省費用。例如，大眾集團開發了一款量子處理器來優化新車的噴漆次序，盡量減少噴頭的顏色更換次數。Denso（電裝株式會社）利用量子退火來優化自動導向車的移動路線，減少擁堵約15%，提升生產力并降低成本（圖4）。
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在環境與交通領域，量子退火能為交通流和交通路線優化提供解決方案，助力機構和交通管理人士降低汽車對城市環境的不良影響，提升安全度、可靠性并降低運輸成本。例如，日本Groovenauts公司利用人工智能和量子退火，優化垃圾車運輸路線，從而減少日本碳排放：垃圾車行進距離從2300公里減少為1000公里，溫室氣體排放量減少57%，所需車輛數量也減少了59%（圖5）。大眾集團基于智能手機的匿名軌跡數據確定交通擁堵和影響人群，利用量子退火開發量子優化交通管理系統，減少出租車和公共汽車的空閑量。
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3 量子計算近期應用的重要性及美國存在的相關問題
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3.1 量子計算近期應用的重要性
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理論上，大規模量子計算機可以解碼現用的加密方法，但如加州理工大學理論物理科學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）教授2018年所述，“我們正進入量子技術的關鍵新時代——帶噪音的中規模量子技術（NISQ）時代”，即未來幾年量子計算系統的規模并不大，噪音（缺陷）也將限制其功能實現。在邁向大規模量子計算機的道路上，克服技術挑戰將取決于量子系統中量子位數量的擴展能力，就像現代經典計算機依賴于芯片中晶體管數量的增長一樣。若要實現類似半導體產業的良性循環發展（技術升級-營收增加-研發增強-吸引人才-技術再升級），除了保持針對量子計算的現有投資和研發熱情，還應重視量子計算技術的近期應用。美國政府應通過大力培育量子計算近期商業化市場，來支撐量子技術的規模化發展。
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3.2 美國量子計算發展存在的相關問題
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1）缺乏對量子計算近期應用的重視。2018年通過的《 量子計劃法案》提出，美國能源部將在2020—2025年間為阿貢、布魯克海文、費米、橡樹林和勞倫斯伯克利等幾家 實驗室提供6.25億美元資助，以創建量子信息研究中心，開展量子信息科學與技術領域的基礎研究，加速該領域的科學突破。但是，該資助目標缺少了重要的一環，并未將量子計算的技術轉化和商業化列為優先事項。
2）缺乏量子計算應用的專業型人才。不論是量子計算技術的近期應用，還是未來開發容錯型量子計算機，均需要 專業型人才及其專業技能。2020年，美國 科學基金會（NSF）為美國13所擁有 計算機科學與工程專業的高校提供975萬美元資助，鼓勵其聘用量子計算領域的終身職位教授。此外，NSF、美國科技政策辦公室（OSTP）及若干產業與學術引領者還聯合發起了“Q-12教育伙伴計劃”，將量子信息科學教育提供給中小學生（K-12），培養下一代量子科學人才。產業聯盟QED-C也在不斷彌補量子應用所需的人才空白。校園教育對量子科技人才的培養作用十分有限，企業將在量子人才培育方面發揮關鍵性的補充作用。
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4 對美聯邦政府加強量子計算近期應用的具體建議
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1）國會應在未來5年撥款至少5億美元資金，推進公私合作伙伴計劃，促進量子計算的近期應用，推動量子計算研究的市場化。國會應指導 量子協調辦公室（NQCO）與產業聯盟QED-C共同制定資助計劃，重點支持那些政產研合作、能推進區域經濟發展的項目。
2）國會應成立由政產研人士組成的 量子研究任務組，制定路線圖以建立“ 量子計算云”，使研究人員通過安全的云環境，訪問能負擔得起的高端量子計算資源。
3）NQCO應向美國總統 安全事務助理提交量子供應鏈審查報告，并與QED-C合作以共同確定供應鏈風險。
4）美國交通運輸部應搭建平臺匯集各城市的交通數據，并邀請公私合作伙伴不斷補充豐富這些數據，支持量子計算的近期應用。
5）OSTP應聯合聯邦政府的管理與預算辦公室（OMB）、總務管理局（GSA）等發起聯邦政府量子挑戰，要求聯邦政府各機構確定至少兩項量子計算應用場景。國會應提供至少5000萬美元開展項目試點，GSA應開發量子應用案例庫以供各機構參考使用量子計算技術。
6）國會應發起2億美元資助計劃，鼓勵企業制定量子計算解決方案，應對公共部門的醫療保健、運輸和能源等挑戰。
7）NQCO應制定計劃將高校研究設施的量子計算資源分配給中小企業，幫助企業培育量子技術人才并加速對量子計算技術的應用。
8）美國 標準與技術研究院（NIST）應與產業界合作，開發量子計算性能量化的標準工具，用于比較不同量子計算架構和軟件的性能。
9）國會應考慮制定認證機制，激勵公私部門向后量子世界的轉變。一旦后量子加密協議（PQC）可投入使用，公私部門均應被激勵向PQC轉變。
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5 結語
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量子技術是當前及未來科技強國爭奪的z具挑戰性的顛覆性尖端技術，科技強國紛紛制定戰略規劃、加大研發投入謀求獲得突破，以占領量子科技制高點；國際 創新型企業競相大力投入資金研發以求率先實現“量子霸權”，以求控制未來量子技術產業主導權。
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ITIF此份報告旨在建議美國補齊《 量子計劃法案》缺失的重要一環——即“通過大力支持量子計算的近期應用，推進量子技術的快速發展和技術轉化與商業化”，以實現量子技術與產業方面的良性循環發展。在當前科技強國搶占量子科技制高點的白熱化競爭態勢下，通過大力促進量子計算等的近期實際應用而驅動和推進技術成熟和市場化、前沿技術研發突破與產業化應用，有助于塑造未來量子核心技術產業鏈和供應鏈先發優勢。相關認識和建議對我國加強量子計算發展也有重要啟示意義。
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