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- 1 - 20162016 年年 1010 月月 1717 日日 第第3939期期 总第总第 275275 期期 推进量子信息科学发展：美国的挑战与机遇推进量子信息科学发展：美国的挑战与机遇 【译者按】【译者按】量子信息科学是早期量子力学与现代信息理论的全新融合，将引发多领域技术应用的变革量子信息科学国际竞争的重要性和激烈程度将完全不亚于核竞赛在我国发射“墨子”号量子通信卫星前，美国国家科学与技术委员会于 2016 年 7 月 22 日发布了 《推进量子信息科学发展： 美国的挑战与机遇》 报告， 描述了量子信息科学的应用前景，分析了美国在该领域发展所面临的挑战与应措施， 以及美国联邦政府主要机构在量子信息科技发展领域的投资重点 赛迪智库军民结合研究所对该报告进行了编译，希望能为我国相关部门提供参考 【关键词】【关键词】量子科学量子科学 瓶颈瓶颈 对策对策 投资投资 - 2 - 一、背景一、背景 （一）全球量子信息科学发展概况（一）全球量子信息科学发展概况 当前全球量子信息科学发展迅猛仅仅在过去的 2 年内，数个国家都已在已有研发投资的基础上，宣布了新的重大量子信息科学项目。

例如，英国于 2014 年启动了为期 5 年的量子技术项目，包括组建 4 个新的专业技术中心，于 2016 年宣布要培养一支杰出的量子技术队伍 荷兰于 2015 年出台了为期 10 年的计划，支持德尔福特科技大学（Delft University of Technology）量子技术研究所量子计算的发展此外，欧盟委员会已宣布计划为期 10年的旗舰式量子技术项目，将于 2018 年开始启动随着各国量子信息科学活动的增多，国际间的合作也变得更为普遍，研究人员超越边界寻求最令人兴奋的科学问题 私营部门对于量子信息科学的投资水平也有所提升数个大型的美国公司，特别是众多新兴公司都开始了对量子信息科学项目的投资，包括开发量子计算机及相应的软件其中部分公司正在向美国国内和国外学术界的研究团队提供支持与此同时，越来越多的小公司正在重点发展专业化量子设备，例如导航传感器引入市场随着量子信息科学应用的成熟和全球市场竞争的加剧，建立和加强量子信息科学研究部门与美国产业界之间的联系- 3 - 将日渐重要 （二）量子信息科学与基础科学（二）量子信息科学与基础科学 量子信息科学具有广阔的科学探索空间，将使得人类更深刻地认知自然界和信息本身特性。

近年来，量子信息科学已经从实验和理论两方面，快速地渗透到其它科学领域通过控制量子系统，如单个原子、分子和氮空隙中心，实现的高精度测量已经被用于在生物学上探测细胞的内部，在物理学上验证基础对称性和探索暗物质张量网络1（Tensor Networks)通过利用量子纠缠架构来简洁地表达量子态，已经产生了功能强大的新计算方法，用于模拟材料学，并推动了长期以来凝聚体理论物理学的问题量子信息概念，如纠缠、纠错已经在量子重力仪上得到应用，如理解时空产生机理和黑洞等问题源于量子信息的数学技术也已经快速发展， 被用于解决诸多经典计算机科学上的问题， 包括算法、密码和纠错码的设计此外，还有迹象表明，量子信息科学的概念可能与看起来更为遥远的自然系统紧密相关，如光合作用、位于鼻和大脑的声媒感受器，以及候鸟的导航系统等 1 张量（tensor)是几何与代数中的基本概念之一，是高维数组的总称在量子信息理论中，张量网络被引入作为量子多体系统的变分波函数 - 4 - 专栏 1 贝尔测试：从哲学到质量认证 在量子理论发展初期，纠缠是哲学难题的核心：在测量粒子对或其中一个粒子之前，如果粒子的属性不能确定，而只能通过概率来描述，那么如何才能证明两个呈纠缠态的粒子具有对应关系。

1935 年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森假设，存在利用“隐性变量”描述纠缠态粒子属性的可能性，而“隐性变量”只能由一位观察者通过一种方式获得1964 年，约翰· 贝尔证明有可能通过试验确定“隐性变量”是否存在2015 年内， 3 次无漏洞的“贝尔测试”试验从根本上排除了“隐性变量” “贝尔测试”对于量子信息科学应用的影响超越了哲学 例如， “贝尔测试”形成了不依赖于设备的安全密码协议，例如密钥的产生与分发此外，“贝尔测试”直接测量了量子纠缠，因而成为实验室硬件和工程设备验证的工具 二、量子信息科学的技术应用二、量子信息科学的技术应用 量子信息科学有望打开全新的技术发展愿景其影响最大的领域首先可能是探测与计量，其次是通信与模拟，最终将会是量子计算 （一）量子探测与计量（一）量子探测与计量 量子信息科学已经在推动探测与计量的发展原子干涉仪在- 5 - 惯性导航领域可以发挥很大作用，也能够用作重力仪，其应用范围从地球系统监控延伸到对地下矿藏的精确定位源于钻石精确探寻的磁力计能够靠近人体使用，也能够在极端环境下用于军事和工业领域基于量子信息科学的时准设备，例如美国国家标准与技术研究院的量子逻辑钟是全球最准确的时准设备之一。

发展中的光子源和单光子探测技术，远期应用包括量子通信，近期则可用于改进光敏探测器的校准、微量光吸收与小样本轨迹的探测随着研究部门与产业界的持续投资和有效协作，种类繁多的量子信息科学增强型传感器将在 5 年内出现在美国市场，而更多的此类传感器仍将继续研发 专栏 2 应用于导航技术的量子信息科学 许多舰船和飞机在精确导航时所依赖的 GPS 网络会受到干扰或物理攻击在没有 GPS 的情况下，这些运载工具依靠惯性导航系统，测量加速度和旋转冷原子们在相反方向绕一个环形运动，形成了波的干涉模式，对于旋转极为敏感 基于量子信息科学的原子传感器通过替换当前用于测量旋转的精度较低的陀螺仪，将可能使无 GPS 时导航的精度提高至少 100 倍 （二）量子通信（二）量子通信 量子通信，即利用光或物质的量子态传输信息编码的能力，- 6 - 是一项具有挑战性的技术难题这是因为当量子系统被干涉时，以量子态存储的信息就会发生不可逆转的改变其有利的一面在于，容易发现窃听者，从而产生了量子保密通信的模式其不利的一面在于，信号无法被复制或放大当前，量子保密通信的发展十分活跃近期，量子密钥分发得到了美国和国际产业界的关注。

这是一种在分散的通信伙伴之间产生密钥的保密通信方式，将会在网络应用上发挥很大作用其他即将出现的应用方式还包括，无法伪造的虚拟货币和量子指纹识别技术，其中量子指纹识别技术用于确定相距遥远的两个数据（例如金融记录）是完全相同的这些都显示出量子通信在商业应用上的巨大潜力长期来看，量子网络将连接分布式的量子传感器，例如用于全球地震监控在量子网络内，量子信息将在量子模拟器内部和后文所述的计算设备之间有序流动在持续的关注和支持下，立足当前研发可靠光子源的实验工作和能够远距离传输量子信息的技术，以及数据共享协议的理论研究工作，例如量子处理器之间的数据共享，相关解决方案在 5～10 年内就会诞生 （三）量子模拟（三）量子模拟 量子模拟利用一些容易操控的量子系统，来深入研究那些难以被直接研究的量子系统的属性，例如复合材料开展材料计算是美国研究界最主要的超级计算设施之一， 即美国能源部 （DOE）- 7 - 下属国家能源研究科学计算中心（NERSC）的第二大用途传统高性能计算机的固有能力限制了这些问题以及其他计算科学问题的解决，而量子模拟则具有提供有效解决此类问题方案的潜力基于多种不同技术的量子模拟器样机已经进行了实验室演示：使用被捕获的离子阵列模拟磁性材料；分别使用冷原子和量子点模拟了简单化学反应的动力学。

长期来看，量子模拟会使我们理解特种材料的属性，例如高温超导体、复合物分子的预先合成，还能采用全新的体系建立核物理与粒子物理的模型量子模拟尽管尚未跟踪那些常规计算机所难以处理的问题，然而，某些化学、材料科学和物理学领域原本无法实现的应用，在 10 年内似乎有机会通过量子模拟得以实施 专栏 3 应用于磁力计的量子信息科学 以较高的空间分辨率测量小范围磁场的能力已经在生物和医学领域得到广泛应用 填充氮的钻石晶体具有点缺陷（氮空隙或氮空隙中心）的特性，被称为氮空隙钻石（即NV 钻石） ，具有对于磁场的敏感性，而钻石晶体内点缺陷的空间范围与单个原子的体积相当在显微镜下，NV 钻石晶体可以非常接近生物样本而不对其造成损害 使用量子信息科学技术从氮空隙的中心提取信息， 就有可能在室温条件下描绘出活性细胞内磁性原子的位臵， 从而探测到血液中的- 8 - 肿瘤细胞 有朝一日， 甚至有可能探测到单个神经元的活动 （四）量子计算（四）量子计算 量子计算机处理储存在量子比特中的信息，每个量子比特都处于叠加态，相互之间呈纠缠状态量子比特独特的量子特性使得量子计算机具有比常规计算机快得多的运算速度，在某些情况下的差距是指数级的。

最具震撼性的例子就是用于整数分解的舒尔算法 （(Shor's algorithm） ， 它展现出量子计算机在解决现实重大问题方面的能力在化学、材料科学和粒子物理领域的量子应用呈指数级加速发展，量子计算最终将使这些领域以及其他科学领域发生变革量子算法在研究和相关工作方面的进展则较为适度，其应用是独一无二的更具风险性的研究，例如机器学习、软件验证与确认、雷达散射计算，提升了量子应用在大量优化和科学计算问题上加速发展的可能性用于量子计算的硬件当前正处于实验室样机阶段，进展平稳：一家商业实体已经实现了将 5个量子比特的处理器用于研究领域尽管量子计算的进一步实质性拓展需要测试算法，如舒尔算法，包含数十个纠缠态量子比特的系统将在未来 5 年内实现开发通用化的量子计算机是一个长期的挑战，将立足于量子模拟和通信技术的发展量子计算机优势的充分发挥还将需要在算法、编程语言和编译器方面的持续努力量子计算机最终的能力与局限性目前还不被彻底理解，仍然- 9 - 是一个活跃的研究领域 专栏 4 作为量子信息科学工具的粒子捕获 被捕获的离子是支撑量子信息科学应用的多个技术之一 左图显示了桑迪亚国家实验室制造的芯片，能够将一批离子捕获在芯片表面。

通过利用激光和微波辐射对离子的操控， 能够实现对量子信息的存储和处理 类似的芯片终有一日能够成为量子计算机的骨干 如右图所示，美国国家标准与技术研究院（NIST）的量子逻辑钟，使用一个处于纠缠态的辅助离子来提高原子钟的精度和稳定性， 该原子钟是在一个被捕获铝离子的基础上建造的 超导线路、 材料的量子效应、量子点和拓扑材料也是量子信息科学应用的支撑Photo credit: JQI, Burrus/NIST) 三、三、制约美国量子信息科学进展的瓶颈与对策制约美国量子信息科学进展的瓶颈与对策 跨机构工作组在调研了量子信息科学的发展现状之后发现，尽管近年来该领域取得了可观的进展，但通过解决以下方面的问- 10 - 题之后，将能够极大地加快量子信息科学的发展进程联邦机构计划随着量子信息科学项目的开展，着手解决这些问题政府、学术界和私营部门合作寻找问题解决方案的方式将比联邦机构的单独努力更为有效 （一）跨机构壁垒（一）跨机构壁垒 大部分量子信息科学研究都在现有机构的框架内开展的例如，国家科学基金会的各部门都在对各个院校与量子信息科学相关的研究进行投资量子信息科学未来的研发将需要加强这些不同机构之间的合作。

例如，需要将多种不同专业技能的人员组成团队，从而能够将物理实验室内用于原理验证光纤内的纠缠态光子，转化为稳健的大规模平台，以便融入真实的量子网络资助不同小组的联邦项目，已经被证实能够有效加速量子信息科学研究的步伐相似的，依托大学成立的研究中心和研究院有助于推动跨学院界限之间的合作，也取得了显著的效果数个在量子信息科学领域占据领先地位的大学，已经发起倡议成立自己的研究中心和研究院其他大学则与私人基金或政府展开合作继续努力突破机构间的壁垒，鼓励合作研究，能够直接将不同领域专业人员聚集在一起，加速。