导言：当前，量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。

　　量子计算是遵循量子力学规律进行信息处理的新型计算范式，以量子比特为基本单元，具有为某些计算困难问题提供加速的能力，是未来算力跨越式发展的重要方向之一；有望满足量子模拟、量化金融、组合优化、人工智能等领域日渐增长的算力需求。

　　基于此，他山之石栏目的第一期，小编为大家分享的是：美国国会研究局分析师针对量子计算的内涵与外延、发展现状、美国政策亮点，以及美国国会直面的决策问题发表的专题报告。

　　文末附英文报告的下载链接，enjoy~

　　原文：《Quantum Computing: Concepts, Current State, and Considerations for Congress》

　　来源：CRS，2023年9月7日

　　译文&编辑：智成企业研究院 行业观察员Chris

　　（正文6300字，阅读时间约10-15分钟）

　　图源：CRS官网

　　▍报告摘要

　　2018年12月，美国国会通过并签署了《国家量子倡议法案》(下文简称NQI法案)。究其目的，一是加快量子研发，以促进美国的经济和国家安全；二是确保美国在量子信息科学及其技术应用方面的持续领先地位。自NQI法案颁布以来，研究人员在量子研发方面取得了进展。NQI法案对几项联邦研发活动的资金授权将于2023财年底到期。

　　01

　　定义

　　在NQI法案中，美国国会将量子信息科学一词定义为：“利用量子物理定律来存储、传输、操纵、计算或测量信息。”量子计算是量子信息科学的技术应用之一，它使用量子位或量子比特作为其基本数据单元，利用叠加和纠缠等量子特性。通过生成和操纵量子位，量子计算机能够比传统的非量子计算机（经典计算机）更快地执行某些计算，从而产生了解决一些以前无法解决的复杂问题的新方法。研究人员已经展示了量子计算在密码学、机器学习、科学和工程研究等领域的应用潜力，特别是在使用建模、优化和模拟手段方面。

　　NQI法案是支持量子计算研发活动的主要联邦法律。2022 财年《美国国防授权法案》（NDAA）（P.L. 117-81）和《CHIPS 和科学法案》（P.L. 117-167 B ）对该法案进行了修订。目前的法案包含四个方面：

　　美国总统实施一项为期 10 年的 NQI计划，以加快量子研发，投资和协调基本的联邦研发活动，并与行业和大学合作，以推进 NQI 计划中的目标和优先事项；

　　美国国家标准与技术研究院（NIST）开展特定的研发活动，并召集利益相关者联盟，以确定未来的测量、标准、网络安全和强大的量子行业的需求；

　　美国国家科学基金会（NSF）开展基础研究和教育项目，并为建立多学科量子研究和教育中心提供资助；

　　美国能源部（DOE）负责管理一系列项目，包括基础研究项目、国家量子信息科学研究中心、量子网络基础设施加速创新项目以及量子科技用户扩展项目。

　　《美国国家量子信息科学研究法》对以下活动的资助授权将于2023年9月到期：美国国家科学基金会（NSF）的五个大学量子飞跃挑战研究所、能源部的五个国家实验室领导的研究中心，以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的研发活动，包括行业领导的量子经济发展联合会。

　　02

　　核心进展

　　自2018年《NQI法案》颁布以来，研究人员在三个方面取得了显著进展：

　　（1）在实验中证明了量子处理器可以比经典超级计算机更快地执行复杂的计算任务；

　　（2）在实验中证明了减轻因量子比特所含信息丢失而导致的计算错误——这是量子计算的重大突出挑战；

　　（3）扩大量子计算处理器规模，从而提高它们的功率以及潜在可靠性。

　　一些专家认为，持续的联邦研发投资对于加速实际量子计算的进展、保持美国研究人员和机构的全球领先作用是十分必要的。然而，对于联邦政府在量子研发中应该发挥的具体作用，以及应该如何具体针对和优先考虑资源和支持层面，目前达成的共识鲜少。

　　03

　　决策之问

　　美国国会面临着三方面的决策问题：

　　首先，国会可能会决定是否以及如何重新授权或扩大《NQI法案》下的联邦研发活动和支持。其次，国会可能会选择是否制定政策优先事项，以确保美国在量子计算方面的领导地位，包括（1）加快开发近期有应用的实用量子计算机；

　　（2）支持发展可访问、可持续和安全的供应链和国内制造能力；

　　（3）促进量子知识人才队伍的建设与发展。

　　国会还可能考虑是否通过制定政策优先事项，通过化解风险来保护量子计算中的国家安全利益；特别是，当前保护政府机构、金融机构、医疗服务机构和其他机构之间敏感数据和通信的现有密码系统承压明显。

　　▍以下为报告正文

　　01 量子计算的概念

　　一些法定定义：在NQI法案中，量子信息科学一词是指“使用量子物理定律来存储、传输、操纵、计算或测量信息。”在《量子计算网络安全防范法案》中，“量子计算机”这个术语指的是“利用量子态的集体性质，如叠加、干涉和纠缠，来执行计算”的计算机。

　　“除了上述这些法定定义，一些报告（指在NQI法案中建立的国家量子倡议计划背景下发布）使用术语量子信息科学和技术（QIST）指对量子信息科学的理解和应用设计新型的计算机、网络，以及“实现新的速度、精度或功能”的传感器。

　　具体来说，量子计算是一种新兴的计算范式，它利用量子力学的原理来表示、存储、处理和传输数据。在量子计算中，基本的数据单元是量子位（quantum bit/qubit）或称量子比特，相当于传统的非量子计算机中的比特（bit）。量子计算机的数据处理能力在很大程度上取决于量子位的有效且高效的产生和操纵。科学家们已经利用超导材料和设备物理创造和控制量子位。

　　与经典计算机的比特只能代表一个信息（0或1两种状态）不同，一个量子位可以通过叠加来表示更丰富的数学信息，叠加可以表示为0的概率和1的概率的组合。量子位可以相互纠缠，因此量子计算机可以在一次操作中操作一组量子位元，这不像在经典计算中，需要对每个位元单独执行相同的操作。专门为利用这些独特的量子比特叠加和纠缠特性而设计的计算机算法使量子计算机能够同时执行多项任务，并以比经典计算机快得多的速度进行某些计算，从而为解决任何规模的经典计算机（甚至高性能超级计算机）都难以解决的一些复杂问题提供新的方法。

　　简而言之，随着量子位数量的线性增加，量子位能够携带的信息呈指数级增长。在经典计算中，将位数增加一倍只会使其处理数据的计算能力增加一倍。

　　02 量子计算的现状

　　自2018年NQI法案颁布以来，研究人员在量子计算的三个特定领域取得了显著进展。

　　（1）量子优势的展现

　　2019年10月，由谷歌量子小组的科学家领导的一个研究小组报告称，一个具有54个量子位元的量子处理器大约需要200秒来完成一个特别设计的计算；而一台最先进的经典超级计算机需要大约10000年的时间才能进行完同等的计算量。研究人员声称，他们的实验证明了量子计算的一个里程碑——量子处理器上执行某项计算任务的速度要比经典处理器快指数倍（证明了所谓的“量子优势”）。

　　2023年4月，由同一谷歌小组领导的另一个研究小组报告称，其拥有70个量子位元的第二代量子处理器执行的任务比2019年报告的要复杂得多。根据研究人员的估计，橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机也需要大约47年的时间才能完成同样的任务，且这是当时世界上速度最快的经典超级计算机的能力。研究人员声称，这样的计算任务超出了许多现有的经典超级计算机的能力。

　　尽管取得了这些成功，一些专家认为，研究人员迄今为止，在解决数学证明方面只证明了量子优势优于经典计算机，而且量子优势可能没有学术研究之外没有实际价值。

　　（2）提高了量子计算的可靠性

　　为了使量子计算广泛应用于解决实际问题，研究人员已经认识到需要技术进步来提高量子计算机的可靠性。

　　许多研究人员一致认为，量子计算面临的一个主要挑战是“噪声”，这会影响量子计算机计算的准确性。噪声是指对量子位环境的任何干扰，如热、光、热振动、电磁辐射、地球磁场、宇宙射线或邻近的量子位元等。量子位极易受到噪声的影响，这可能会导致它所保存的信息丢失。量子计算机的错误率一般比经典计算机更高。

　　噪声在量子计算中引入了难以纠正的误差，并限制了量子计算机可以拥有的量子位数。解决这一挑战的方法包括开发容错量子处理器或运行完全纠错量子算法。这两种方法都需要至少数万个量子位元，远远超过了当前量子处理器的容量。

　　一些有希望的研究结果指出，技术的发展将有助于减少量子计算的误差并增加可靠性。

　　2023年6月，由IBM量子研究人员领导的一个团队展示了一项“可控制地操纵”量子噪声的实验结果，证明了在实验设置中取得的成功（小规模实验结果显示，相较于经典计算机，量子计算机在一些特定任务上取得了更准确的结果）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

　　△这张图表说明了ZNE噪声放大的基本原理，这是量子系统中一种减少误差的方法。使用ZNE技术，IBM将系统中的噪声放大到不同的级别，并评估每个级别的噪声。然后，将评估的数据与一些外推方法相结合，使我们能够外推回零噪声极限。但是，像ZNE这样的错误缓解技术并不是万能的。要实现量子计算的全部潜力，需要在系统中建立冗余，并允许多个量子位协同工作来相互校正。

　　译者注：在IBM在Nature上发表了题为“前容错量子计算的效用证据（Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance）”的论文中，IBM的研究者和合作者们在127位的量子处理器上演示了一个Ising模型（与量子芯片具有相同的拓扑连接）的Trotter展开时间演化，通过零噪声外推（ZNE）错误缓解方法，对演化结果做出了“准确”的零噪声外推估计。简言之，研究人员使用了拥有127个量子比特的IBM Eagle处理器，并在其中引入额外的量子噪声。通过观察噪声对处理器的影响和模式，以更好地理解噪声如何影响量子计算的结果。这些观察结果让他们能够推断出，在没有噪声的情况下，量子处理的结果将会是怎样的。目前的小规模实验结果已经显示出，相较于经典计算机，量子计算机在一些特定任务上取得了更准确的结果。

　　谷歌的量子研究小组在2023年2月报告称，其研究人员能够证明：增加量子位元的数量可以降低量子计算机的计算错误率。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-00536-w

　　同时，研究人员承认，在他们的实验中，错误率的提高仍然很小；错误率需要下降更多，才能挖掘解决经典计算机无法解决的问题的潜力。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1

　　一些专家认为，到目前为止，尽管这些进展已经降低了量子计算的误差，但还没有完全纠正，只有完全的量子误差修正才能真正实现可靠的量子计算。

　　（3）实现对实际问题的量子优势（“量子实用性”）

　　一些专家建议，除了模拟和测试量子硬件之外，还要专注于开发提供实际量子优势的量子计算机。实用的量子优势意味着使用量子计算机来可靠地解决领先的经典超级计算机无法解决的有用的、现实世界的问题。它将需要一台拥有数千、数十万甚至数百万个量子位元的大规模量子计算机，这取决于问题的类型、算法和量子硬件的架构等因素。这种规模的量子处理器目前还不存在。

　　为了实现实际的量子优势，领先的行业参与者已经制定了他们的研发路线图，以扩大量子位的量子处理器。2022年11月，IBM宣布了一种基于超导技术的433量子位处理器。该公司声称，该公司声称，它有望在2023年底前提供一个1000个量子位的处理器。2023年5月，IBM与东京大学和芝加哥大学启动了一项价值1亿美元的合作伙伴关系，旨在到2033年开发一个由10万量子位元驱动的量子超级计算机，它预测这将使这台超级计算机能够执行一些具有实际的量子优势的有用的任务。

　　谷歌的研究人员认为，扩大量子位元也有助于改善量子纠错——这是通用量子计算机所必需的特性。据报道，谷歌正在致力于1000量子位处理器，预计最早在2025年实现这一里程碑。

　　它希望在十年内演示一个有用的、经过错误修正的，具有100万量子位的量子计算机。

　　03 关于量子计算的联邦法律

　　关于量子计算的联邦法律的一些亮点：

　　1.NQI法案

　　NQI法案是支持量子计算研发活动的主要联邦法律。2022 财年《美国国防授权法案》（NDAA）（P.L. 117-81）和《CHIPS 和科学法案》（P.L. 117-167 B）对该法案进行了修订。目前的法案包含四个方面：

　　（1）美国总统实施一项为期 10 年的 NQI计划，以加快量子研发，投资和协调基本的联邦研发活动，并与行业和大学合作，以推进 NQI 计划中的目标和优先事项；

　　（2）美国国家标准与技术研究院（NIST）开展特定的研发活动，并召集利益相关者联盟，以确定未来的测量、标准、网络安全和强大的量子行业的需求；

　　（3）美国国家科学基金会（NSF）开展基础研究和教育项目，并为建立多学科量子研究和教育中心提供资助；

　　（4）美国能源部（DOE）负责管理一系列项目，包括基础研究项目、国家量子信息科学研究中心、量子网络基础设施加速创新项目以及量子科技用户扩展项目。

　　2.芯片与科学法

　　除了对NQI法案的修正案外，该法案还包含以下条款：

　　能源部应建立一个高级计算程序，其中能源部应维持基础研究程序，包括量子计算。此外，能源部应支持计算科学研究生奖学金项目，以促进研究生与国家实验室的研究人员之间的合作，并在包括量子计算在内的一系列相关领域发展多样化和包容性的计算研究队伍。

　　美国国家科学基金会将继续开展联邦网络服务奖学金计划，该计划向攻读相关领域的学位或证书的学生提供奖学金。此外，国家科学基金会应每年更新一份关键技术重点领域的清单，以指导新成立的机构开展的活动。

　　3.美国竞争法

　　商务部和联邦贸易委员会应(1)完成一项关于量子计算行业状况及其对美国经济的影响的研究；(2)对量子计算的市场和供应链进行调查；(3)向国会提交一份报告，其中包含量子计算的研究结果和关于量子计算的政策建议。

　　04 美国国会政策层面的考量

　　4.1 确保美国在量子计算领域继续发挥领导地位

　　为了确保和加强美国的领导地位，国会可能希望在处理量子计算问题时考虑三个政策优先事项：

　　（1）加快开发近期有应用的实用量子计算机；

　　目前量子计算的全球竞争本质上是一场实现实际量子优势和解决实际问题的竞赛。这需要在量子纠错和扩大具有大量量子位元的量子处理器方面取得突破。

　　（2）支持量子供应链的发展（支持发展可访问、可持续和安全的供应链和国内制造能力）；

　　为了大规模建设量子计算机，行业已经确定了战略优先事项，即发展一个可访问的、可持续的和安全的供应链和独立的制造能力，以促进一个健康和稳定的量子计算生态系统。

　　（3）促进量子计算知识人才队伍的建设；

　　许多专家一致认为培训、招聘和留住人才对于维持美国在量子计算硬件和软件研发方面的领导地位非常重要。

　　4.2 量子计算中的国家安全利益保护

　　破译经典密码学系统（现代密码体系）是量子计算的一个备受期待的应用。除了上述关于PQC的倡议和立法努力外，国会还可能考虑维护国家安全利益的备选方案。其中可能包括斟酌下列事项：

　　（1）优先考虑联邦政府支持开发大规模、实用的量子计算机，这些计算机能够实现量子算法来破译现代加密系统；

　　（2）进一步支持量子密码算法和标准的研发，可以在量子计算机上实现，并建立新的、安全的量子数据通信；

　　（3）要求量子计算机开发人员在破译现有密码学系统方面取得实质性进展时进行披露；

　　（4）直接投入资源，培养一支具备量子能力的国家安全队伍；

　　（5）加强对量子计算硬件、软件和网络设备的出口控制，以及对相关技术和过程的知识产权保护；

　　（6）监督涉及两用量子应用的技术转让和商业化，包括密码学、药物发现、病毒研究和新材料开发；

　　（7）强制审查外国对美国实体的投资以及美国对非合作伙伴国家在安全相关量子计算技术和产品方面的投资。

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