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美國智庫建議聯(lián)邦政府大力支持量子計算近期應(yīng)用

時間 : 2021-10-22 11:14:08 閱讀 : 128

?2021 年4月27日，美國著名科技智庫信息技術(shù)和創(chuàng)新基金會（ITIF）發(fā)布《為什么美國需要支持量子計算的近期應(yīng)用？》（Why the United States Needs to Support Near-Term Quantum Computing Applications）。報告指出，盡管量子技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段，許多人認(rèn)為實際應(yīng)用還需要數(shù)年時間，但事實上，已有機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實世界中應(yīng)用量子計算機(jī)。隨著其他快速大規(guī)模投資開發(fā)和使用量子計算，美國的決策者應(yīng)該確保美國仍然是量子計算領(lǐng)域的。特別是，美國應(yīng)大力投資于量子計算的近期應(yīng)用，促進(jìn)該技術(shù)的長期使用案例開發(fā)，從而鞏固美國的經(jīng)濟(jì)競爭力并保護(hù) 安全。報告分析了美國量子計算發(fā)展方面存在的問題，向美國政府提出了加強(qiáng)量子計算近期應(yīng)用的具體建議。這些建議對促進(jìn)量子計算技術(shù)的發(fā)展具有啟示意義。

1 量子計算機(jī)的物理構(gòu)造、接入方式和運行方式

量子計算利用量子力學(xué)（物理學(xué)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(xiàn)新的、功能極其強(qiáng)大的計算體系結(jié)構(gòu)。量子計算機(jī)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(tǒng)計算機(jī)做不到的事情。如下概要介紹量子計算機(jī)的物理構(gòu)造、接入方式和運行方式等關(guān)鍵研發(fā)進(jìn)展。

1.1 構(gòu)造量子計算機(jī)的兩類主流技術(shù)

為構(gòu)造一臺功能性的量子計算機(jī)，必須開發(fā)一套能控制和操縱量子位的物理系統(tǒng)并執(zhí)行計算。目前有兩類主流技術(shù)：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(dǎo)材料（如金屬鈮等）的特有性質(zhì)，它們在低溫中會喪失電阻性，而能夠傳輸電子并導(dǎo)電，顯現(xiàn)出量子力學(xué)效用（圖2）。相比離子阱量子計算而言，超導(dǎo)量子計算擁有超導(dǎo)量子位易操控、高質(zhì)量設(shè)備制造工藝可借鑒半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)等優(yōu)勢。

目前量子計算機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用還受限于現(xiàn)有的低溫工藝技術(shù)。由美國量子計劃法案成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（QED-C），曾于2019年研討會判定“低溫工藝技術(shù)的發(fā)展將加速量子技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用”。決策者應(yīng)確保量子技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈中所有技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。

1.2 多數(shù)用戶通過云訪問量子計算機(jī)

因量子計算機(jī)十分專業(yè)且開發(fā)費用高昂，少有研究人員或機(jī)構(gòu)能自行開發(fā)量子系統(tǒng)或購買量子計算機(jī)。大多數(shù)研究人員或機(jī)構(gòu)通過基于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的量子云服務(wù)來虛擬化接入量子系統(tǒng)。IBM公司于2016年就通過云開放了其位于紐約市的超導(dǎo)量子計算機(jī)訪問。IonQ公司正在開展與亞馬遜云服務(wù)（AWS）及微軟云服務(wù)（Microsoft Azure）的合作，以開放其離子阱系統(tǒng)訪問。

1.3 部署運行量子計算機(jī)的兩種方式

量子計算機(jī)按運行方式可分為類比量子計算機(jī)和數(shù)字量子計算機(jī)。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(jīng)典計算機(jī)的連續(xù)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(yīng)用價值。但也有研究人員指出，由于類比量子計算機(jī)難以操控，未來數(shù)字量子計算機(jī)終將取代類比量子計算機(jī)。ITIF報告重點介紹了量子退火方法實現(xiàn)的類比量子計算機(jī)及其實際應(yīng)用。

2 類比量子計算機(jī)及其實際應(yīng)用

由量子退火方法實現(xiàn)的類比量子計算機(jī)，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(yōu)化，并已在現(xiàn)實世界實現(xiàn)多領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，量子退火能提供解決方案以優(yōu)化藥物設(shè)計和腎臟捐贈匹配，改善病人的生活質(zhì)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(cè)鏈的優(yōu)化蛋白質(zhì)折疊位置，設(shè)計新的基于蛋白質(zhì)的藥物（圖3）。埃森哲公司利用量子退火優(yōu)化腎臟匹配模型，目前該方案因受限于小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，僅應(yīng)用于內(nèi)布拉斯加州，若能有更多研發(fā)資金支持，該模型或可擴(kuò)展應(yīng)用于美國全國范圍。

在制造業(yè)領(lǐng)域，若干公司利用量子退火開展存量優(yōu)化并提升運營效率，幫助公司節(jié)省費用。例如，大眾集團(tuán)開發(fā)了一款量子處理器來優(yōu)化新車的噴漆次序，盡量減少噴頭的顏色更換次數(shù)。Denso（電裝株式會社）利用量子退火來優(yōu)化自動導(dǎo)向車的移動路線，減少擁堵約15%，提升生產(chǎn)力并降低成本（圖4）。

圖片

在環(huán)境與交通領(lǐng)域，量子退火能為交通流和交通路線優(yōu)化提供解決方案，助力機(jī)構(gòu)和交通管理人士降低汽車對城市環(huán)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(yōu)化垃圾車運輸路線，從而減少日本碳排放：垃圾車行進(jìn)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(shù)量也減少了59%（圖5）。大眾集團(tuán)基于智能手機(jī)的匿名軌跡數(shù)據(jù)確定交通擁堵和影響人群，利用量子退火開發(fā)量子優(yōu)化交通管理系統(tǒng)，減少出租車和公共汽車的空閑量。

3 量子計算近期應(yīng)用的重要性及美國存在的相關(guān)問題

3.1 量子計算近期應(yīng)用的重要性

理論上，大規(guī)模量子計算機(jī)可以解碼現(xiàn)用的加密方法，但如加州理工大學(xué)理論物理科學(xué)家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）教授2018年所述，“我們正進(jìn)入量子技術(shù)的關(guān)鍵新時代——帶噪音的中規(guī)模量子技術(shù)（NISQ）時代”，即未來幾年量子計算系統(tǒng)的規(guī)模并不大，噪音（缺陷）也將限制其功能實現(xiàn)。在邁向大規(guī)模量子計算機(jī)的道路上，克服技術(shù)挑戰(zhàn)將取決于量子系統(tǒng)中量子位數(shù)量的擴(kuò)展能力，就像現(xiàn)代經(jīng)典計算機(jī)依賴于芯片中晶體管數(shù)量的增長一樣。若要實現(xiàn)類似半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展（技術(shù)升級-營收增加-研發(fā)增強(qiáng)-吸引人才-技術(shù)再升級），除了保持針對量子計算的現(xiàn)有投資和研發(fā)熱情，還應(yīng)重視量子計算技術(shù)的近期應(yīng)用。美國政府應(yīng)通過大力培育量子計算近期商業(yè)化市場，來支撐量子技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展。

3.2 美國量子計算發(fā)展存在的相關(guān)問題

1）缺乏對量子計算近期應(yīng)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(chuàng)建量子信息研究中心，開展量子信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，加速該領(lǐng)域的科學(xué)突破。但是，該資助目標(biāo)缺少了重要的一環(huán)，并未將量子計算的技術(shù)轉(zhuǎn)化和商業(yè)化列為優(yōu)先事項。

2）缺乏量子計算應(yīng)用的專業(yè)型人才。不論是量子計算技術(shù)的近期應(yīng)用，還是未來開發(fā)容錯型量子計算機(jī)，均需要專業(yè)型人才及其專業(yè)技能。2020年，美國科學(xué)基金會（NSF）為美國13所擁有計算機(jī)科學(xué)與工程專業(yè)的高校提供975萬美元資助，鼓勵其聘用量子計算領(lǐng)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(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)引領(lǐng)者還聯(lián)合發(fā)起了“Q-12教育伙伴計劃”，將量子信息科學(xué)教育提供給中小學(xué)生（K-12），培養(yǎng)下一代量子科學(xué)人才。產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟QED-C也在不斷彌補(bǔ)量子應(yīng)用所需的人才空白。校園教育對量子科技人才的培養(yǎng)作用十分有限，企業(yè)將在量子人才培育方面發(fā)揮關(guān)鍵性的補(bǔ)充作用。

4 對美聯(lián)邦政府加強(qiáng)量子計算近期應(yīng)用的具體建議

1）國會應(yīng)在未來5年撥款至少5億美元資金，推進(jìn)公私合作伙伴計劃，促進(jìn)量子計算的近期應(yīng)用，推動量子計算研究的市場化。國會應(yīng)指導(dǎo) 量子協(xié)調(diào)辦公室（NQCO）與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟QED-C共同制定資助計劃，重點支持那些政產(chǎn)研合作、能推進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的項目。

2）國會應(yīng)成立由政產(chǎn)研人士組成的量子研究任務(wù)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(huán)境，訪問能負(fù)擔(dān)得起的高端量子計算資源。

3）NQCO應(yīng)向美國總統(tǒng) 安全事務(wù)助理提交量子供應(yīng)鏈審查報告，并與QED-C合作以共同確定供應(yīng)鏈風(fēng)險。

4）美國交通運輸部應(yīng)搭建平臺匯集各城市的交通數(shù)據(jù)，并邀請公私合作伙伴不斷補(bǔ)充豐富這些數(shù)據(jù)，支持量子計算的近期應(yīng)用。

5）OSTP應(yīng)聯(lián)合聯(lián)邦政府的管理與預(yù)算辦公室（OMB）、總務(wù)管理局（GSA）等發(fā)起聯(lián)邦政府量子挑戰(zhàn)，要求聯(lián)邦政府各機(jī)構(gòu)確定至少兩項量子計算應(yīng)用場景。國會應(yīng)提供至少5000萬美元開展項目試點，GSA應(yīng)開發(fā)量子應(yīng)用案例庫以供各機(jī)構(gòu)參考使用量子計算技術(shù)。

6）國會應(yīng)發(fā)起2億美元資助計劃，鼓勵企業(yè)制定量子計算解決方案，應(yīng)對公共部門的醫(yī)療保健、運輸和能源等挑戰(zhàn)。

7）NQCO應(yīng)制定計劃將高校研究設(shè)施的量子計算資源分配給中小企業(yè)，幫助企業(yè)培育量子技術(shù)人才并加速對量子計算技術(shù)的應(yīng)用。

8）美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）應(yīng)與產(chǎn)業(yè)界合作，開發(fā)量子計算性能量化的標(biāo)準(zhǔn)工具，用于比較不同量子計算架構(gòu)和軟件的性能。

9）國會應(yīng)考慮制定認(rèn)證機(jī)制，激勵公私部門向后量子世界的轉(zhuǎn)變。一旦后量子加密協(xié)議（PQC）可投入使用，公私部門均應(yīng)被激勵向PQC轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)語

量子技術(shù)是當(dāng)前及未來科技強(qiáng)國爭奪的z具挑戰(zhàn)性的顛覆性尖端技術(shù)，科技強(qiáng)國紛紛制定戰(zhàn)略規(guī)劃、加大研發(fā)投入謀求獲得突破，以占領(lǐng)量子科技制高點；國際創(chuàng)新型企業(yè)競相大力投入資金研發(fā)以求率先實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，以求控制未來量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)權(quán)。
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ITIF此份報告旨在建議美國補(bǔ)齊《量子計劃法案》缺失的重要一環(huán)——即“通過大力支持量子計算的近期應(yīng)用，推進(jìn)量子技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)轉(zhuǎn)化與商業(yè)化”，以實現(xiàn)量子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)方面的良性循環(huán)發(fā)展。在當(dāng)前科技強(qiáng)國搶占量子科技制高點的白熱化競爭態(tài)勢下，通過大力促進(jìn)量子計算等的近期實際應(yīng)用而驅(qū)動和推進(jìn)技術(shù)成熟和市場化、前沿技術(shù)研發(fā)突破與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有助于塑造未來量子核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈先發(fā)優(yōu)勢。相關(guān)認(rèn)識和建議對我國加強(qiáng)量子計算發(fā)展也有重要啟示意義。
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