968亿美元！2024美国重金押注量子科技

  11月29日，美国众议院科学、空间和技术委员会通过了一项重要法案——《国家量子计划重新授权法案》。这项法案不仅将支持期限延长至2028财年，还将重点放在量子技术在现代场景中的应用上；标志着美国对这一可能定义未来技术格局的科学领域的承诺正在加深。

  众议员弗兰克·卢卡斯（Frank Lucas）和佐伊·洛夫格伦（Zoe Lofgren）草拟提出了这项延长量子战略的法案

  12月1日，《国家量子计划（NQI）总统2024财年预算补编》发布。这是《国家量子计划法案》（NQI Act）要求的第四份NQI计划年度报告，此次公布的年度（2024财年）量子信息科学预算为9.68亿美元；在NQI先前的4个财年报告中，金额分别为4.49亿美元、6.72亿美元、8.55亿美元、10.31亿美元和9.32亿美元。

  此次，从报告的内容到政策预算，无一不体现出2024财年将是美国国家量子计划的关键时刻。

  量子信息科学（QIS）是量子力学和信息论这两个支撑现代技术的基础领域的统一。

  这两个领域正在共同产生变革性的新型计算机、传感器和网络，并有可能促进国家繁荣和加强国家安全。对量子信息科学基础研究的投资将为未来的技术奠定基础，并开辟科学的新领域。拜登·哈里斯政府致力于推动关键技术和新兴技术的发展，包括量子信息服务，这一点在《2025财年预算多机构研究与发展（R&D）优先事项》备忘录中得到了重申。

  “量子计算有可能改变一切，从我们如何创造新药，到我们如何为AI和网络安全提供动力。这项技术对我们的经济至关重要，对我们的国家安全同样重要。”

  《国家量子计划法案》于2018年12月颁布，旨在加速美国在量子信息安全技术领域的领头羊。NQI法案授权美国联邦各部门和机构（以下简称“各机构”）建立中心和联盟，并开展新计划以促进QIS研发；该法案还要求协调整个联邦政府以及产业界和学术界的质量信息系统研发工作。

  为指导这些行动，NQI法案规定了量子信息科学小组委员会（SCQIS）、国家科学和技术委员会量子科学对经济和安全的影响小组委员会（ESIX）、国家量子计划咨询委员会（NQIAC）和国家量子协调办公室（NQCO）等一系列机构。

  与此同时，2019财年和2020财年国防授权法案（NDAA）分别制定和修改的国防量子信息科学与技术（QIST）研发计划，延续了国防部三十年的量子信息科学与研发技术历史。2022财年《国防授权法》修订了《国家量子倡议法》，将ESIX编纂为法律，并规定了小组委员会的具体职责。

  总之，NQI计划提供了一个总体框架，以加强和协调各机构、行业和学术界的QIS研发活动。

  联邦量子信息科学研发资助机构可视为支持联邦量子信息科学生态系统的三大支柱。各机构在量子信息科学基础研究、教育、培训和劳动力发展方面的投资相互促进、相辅相成，加快了美国在量子信息服务领域的领导地位

  出席美国国家科学院（HSST）“推进美国在量子技术领域的领导地位”听证会的证人

  国家量子计划咨询委员会和NQCO。NQCO由来自NQI法案机构的无偿人员组成。迄今为止，国防部、能源部、NIST、NSA和NSF都向NQCO派驻了工作人员

  2024财政年度是国家量子计划的关键时刻，因为《国家国家量子计划法案》的几项初始授权将在五年后到期。

  根据《NQI法案》第103（g）条的要求，本报告是关于NQI计划和预算的第四份年度报告。报告介绍了在NQI中心、量子经济发展联盟和新的QIS研发活动建立的基础上对NQI计划的投资。

  各机构报告的量子信息科学研发预算支出分别为：2019财年4.49亿美元、2020财年6.72亿美元、2021财年8.55亿美元，2022财年10.31亿美元、2023财年颁布预算授权9.32亿美元，2024财年申请预算授权9.68亿美元。

  根据《量子信息科学国家战略概述》，美国正在对量子信息科学研发进行大量持续投资，以探索广泛的应用并培养探索文化。

  量子信息科学可以对社会和每个机构完成其使命的方式产生深远的积极影响。各机构认识到建立一支多元化、包容性强并能反映整个社会的量子人才队伍的重要性，正在优先努力确保所有美国人都有机会从参与质量信息系统中受益。此外，虽然量子信息服务技术的发展还处于早期阶段，但现在正是发展基础科学知识、基础设施和人才队伍的关键时刻，这些都是为量子信息服务启发技术创造新应用、发展市场以及促进量子信息服务基础研究、应用研究和转化研究生态系统所必需的。

  事实上，在国家量子信息科学计划的推动下，美国量子信息科学研发预算自2019财年以来增长了约一倍。

  条形图高度代表每个财政年度的预算总额（2019 - 2022 财政年度实际支出、2023财政年度估计支出和2024财政年度预算申请）。每个条形图中标有“NQI”的部分表示分配给《NQI法案》授权活动的资金；这是在基准QIS研发活动预算之外的额外资金

  1）量子传感与计量（QSENS）是指利用量子力学增强传感器和测量科学。量子传感和计量学可包括叠加和纠缠的使用、光的非经典状态、新的计量制度或模式，以及通过量子控制（例如原子钟）实现的准确度和精确度的进步。

  2）量子计算（QCOMP）活动包括开发量子比特（量子比特）和纠缠门、量子算法和软件、使用可编程量子设备的数字和模拟量子模拟器、量子计算机和原型机、数字模拟混合计算以及量子经典计算系统。

  3）量子网络（QNET）包括创建和使用纠缠量子态的努力，这些量子态分布在不同距离，由多方共享，用于新的信息技术应用和基础科学；例如，将中等规模的量子计算机（模块）联网，以增强超越经典的计算能力。

  4）促进基础科学的量子信息与系统（QADV）包括利用量子设备和量子信息与系统理论拓展其他学科基础知识的基础性工作；例如，提高对生物学、化学、计算、宇宙学、能源科学、工程学、材料、核物质以及其他基础科学方面的认识。

  5） 量子技术（QT）列出了几个主题：与最终用户合作，在该领域部署量子技术并开发用例；对QIST工程的支持技术进行基础研发，如电子、光子学和低温学的基础设施和制造技术；努力了解和降低量子技术带来的风险，如后量子加密技术（PQC）。

  按NQI计划构成领域（PCA）分列的2019财年至2022财年实际支出、2023财年估计支出和2024财年预算申请的美国量子信息科学研发预算分配

  《NQI法案》中确定的三个机构的QIS研发预算，显示2019财年至2022财年的实际支出、2023财年的估计支出和2024财年的预算申请

  总之，预算图表显示了美国政府在量子信息科学研发方面的投资。这一些数据表明，整个联邦政府和每个PCA对量子信息服务研发的投资都在持续增加，这与每个机构的使命和加快量子研发的联邦协调计划是一致的。

  美国QIS研发的各个机构都独立完成各自的任务，然而，这些努力的集合对于美国在QIS领域的领导地位至关重要。通过协调一致的政策目标协调各项活动，一系列科研成果加速了基础科学的探索和新技术的开发。

  硅量子比特的高保真量子逻辑运算。(左）量子点在硅锗异质结构中捕获电子自旋量子比特，(右）观察自旋量子比特的运行

  固态平台为量子信息处理提供了可扩展的方法。材料科学和制造技术的进步，以及固态自旋的控制和检测技术的进步，推动了硅量子比特的最新进展。加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的研究人员与工业界合作，利用两个硅量子比特和控制架构演示了高保真量子逻辑运算。

  这项工作得到了陆军研究办公室（ARO）、LPS和国家科学基金会的支持。一些研究前沿激励着人们进一步研究这项加快速度进行发展的技术，包括使用机器学习支持经典控制管理系统、使用同位素纯化硅-28、替代材料平台和自旋-自旋相互作用原理等等。

  NIST通过其关于量子传感、计算、网络、使能技术、风险缓解和基础科学的核心技术项目，包括其联合研究所（JILA、 联合量子研究所（JQI）和计算机科学中的量子信息中心（QuICS）），推进量子信息服务。并且，NIST还建立并支持一个由行业主导的联盟（量子经济发展联盟，简称QED-C），致力于通过确定技术、供应链、标准、劳动力方面的差距，以及通过合作解决这些差距的方法，加快美国量子产业的发展。

  2024财年，NIST的预算申请包括支持“在多种和混合物理平台上改进高保真、规模量子系统的计量学，[并]支持美国产业界的努力......重点是实际量子应用”，该项目将与产业界、学术界和政府合作伙伴共同开展。

  在量子科研上，NIST已经取得的成就包括：2022年10月，NIST在JILA的一个研究小组首次展示了一种纠缠物质波干涉仪，它能以超越标准量子极限的精度感测加速度；2022年11月，NIST的研究人员实现了创纪录的射频信号合成精度：这是向宽带、集成、基于量子的有用功率微波电压源迈出的关键一步；2023年1月，NIST领导的研究小组展示了利用量子信息应用的集成光子电路；2023年6月，在一篇题为《激光梳时钟突破飞秒障碍》的文章中，NIST研究人员解释了便携式超精确计时将如何迎来高分辨率GPS和重力测绘。

  利用超导量子比特实现量子计算的更多功能。新型超导量子计算设备的中央工作区。在下图中，三个大矩形（浅蓝色）分别代表左右两个量子比特，中间是一个读出谐振器。在上部放大的部分中，微波天线（底部的深蓝色大矩形）被用来在SQUID环形（中间较小的白色正方形）中感应磁场，从而激活拨动开关

  美国国家科学基金会（NSF）通过资助全美2000多所学术机构在广泛的科学和工程学科领域开展研究，促进科学进步。NQI法案要求NSF支持多学科量子信息研究和教育中心，并协调与该领域相关的核心计划。

  国家科学基金会向国会提交的2024财年预算申请明白准确地提出了投资量子信息服务的两个目标：(1)率先开发量子计算、通信、传感和网络，以推进信息处理、传输和测量，而经典方法只能以更低的效率完成这些工作，或者根本没办法完成；以及 (2)开发概念验证设备、工具、系统和应用，与经典方法相比有着非常明显的量子优势。

  擦除质子和中间电路测量。量子电路示意图，基于中间电路测量，用程序替换具有擦除错误的量子比特，能够检测计算子空间的泄漏

  2022年9月，国家自然科学基金委员会（NSF）宣布了一项新的量子传感挑战（QuSeC-TAQS）计划招标；2023年8月，NSF宣布向QuSeC计划拨款2900万美元，以推动量子传感在天文学、生物学、大地测量学、化学、材料科学和物理学等领域的应用。

  2022年10月，NSF主办了“量子计算软硬件协同设计”虚拟研讨会，该研讨会发挥了枢纽的作用，以建立一个共同的技术生态系统；2023年3月，美国国家科学基金会的一项研究协调网络奖项每周都会将来自多个国家的科学家聚集在一起，他们的努力促成了量子生物学主题的发展，并将其作为戈登研究会议的领域之一。

  2023年5月，美国国家科学基金会（NSF）发布了一份信息征询书（RFI），为其技术、 创新与合作局（TIP）制定投资路线图收集意见。该路线图将在三年时间内指导使用启发和转化研究方面的投资决策，以提高美国在10个关键技术领域的竞争力并培养美国的劳动力。

  美国能源部通过种种努力确保国家繁荣和安全，包括基础和应用科学研究、新技术的发现和开发以及同位素生产。能源部国家实验室是世界科学机构中独一无二的智力资产系统，也是全国经济稳步的增长的地区引擎。

  根据《NQI法案》的授权，能源部建立了五个国家量子创新研究中心，并继续加强和协调其核心计划中的质量创新研究。能源部科学办公室（SC）的量子信息科学网站提供有关SC量子信息科学计划的详情信息，并提供SC赞助的研讨会报告。

  2023年FedTalks上，能源部高级IT官员安·邓金(Ann Dunkin)表示，该机构正在寻求对即将推出的新兴技术和量子研究项目进行“广泛押注”

  能源部的QIS研发计划横跨能源部SC的技术广度，其投资来自所有研究计划：先进科学计算研究 (ASCR)、基础能源科学 (BES)、生物与环境研究 (BER)、聚变能源科学 (FES)、高能物理 (HEP)、同位素计划 (IP) 和核物理 (NP)。总之，DOE支持量子传感、计算和网络以及基础设施和支持技术方面的QIS研究的多样化组合；此外，能源部国家核安全局也正在开展量子信息服务研究。

  自2022财年以来，能源与环境部能源研究中心通过在各财政年度持续进行的年度公开对外招标以及SC早期职业研究计划的年度招标，接受有关QIS的提案。此外，量子信息科学也是能源部SC小企业创新研究 (SBIR) / 小企业技术转让 (STTR) 计划的常设主题之一。

  现在，能源部知识产权局已经能开发出生产稳定的镱-171、-172和硅-28同位素的新方法，这些同位素分别与量子存储器和量子计算有关。能源部知识产权局正在研究一种生产途径，以补充原子钟中使用的铷-87库存。此外，能源部知识产权局还负责管理全国的氦-3 库存，并正在努力开发新的氦-3 来源：氦-3对许多量子科技系统技术的低温运行至关重要。

  2022年9月，美国科学研究委员会（ASCR）支持的研究表明，根据量子实验产生的数据来进行训练后，经典机器学习算法可以轻松又有效预测基态性质并对物质的量子相进行分类，这让人们更加期待根据实验数据来进行训练的经典机器学习能够解决化学和材料科学领域的实际问题。

  2022年11月，Q-NEXT支持的研究表明，传感器网络的性能受限于与用于实现网络的量子态相关的固有噪声。这项工作描述了一种在网络节点之间实现空间分布式纠缠的新方法，与在每个节点仅实现空间定位纠缠的网络相比，这种方法能更好地随网络规模扩展。

  2023年6月，能源部SC BES资助的研究开发了一种独特的仪器，可直接观察单层过渡金属二钙化物 (TMD) 中可能形成的各种光诱导激子态。实验支持了目前关于TMD中激子耦合的一些理论，但也揭示了一些重要的差异。这项工作是挖掘TMD在纳米技术和量子传感领域潜力的关键一步。

  2023年8月，由DOE SC BER资助的研究表明，在有机分子的双光子吸收过程中，纠缠被强有力地保留了下来，这为发展基于量子光的光谱学和显微学提供了一个新概念。

  量子纠错超越盈亏平衡点。（左）量子纠错保护这些网格态不受噪声环境的破坏，用射线表示；（右）描述了参与纠错的实验系统和量子态

  国防部研究与工程部的任务是通过基础和应用研究、先进的技术开发以及新技术的运行测试和评估来支持国防战略。

  量子科学是国防部14个关键技术领域之一，30多年来一直是国防部持续资助的重点。国防部继续通过多个办公室、机构和实验室对基础量子信息科学研发活动进行大量投资，包括：国防部研究与工程副部长办公室（OUSD(R&E)）、国防高级研究计划局（DARPA）、空军研究实验室（AFRL）、空军科学研究办公室（AFOSR）、陆军研究实验室（ARL）、ARO、海军研究实验室（NRL）和海军研究办公室（ONR）。

  国防部2024财年的预算申请强调，“量子技术正在接近一个临界点，这将决定其产生一定的影响的速度。如果美国能跟上步伐，就能为国防部实现许多重要成果，其目的是成熟、加速、演示和过渡新兴量子技术及其支持供应链。”

  国防部的量子研发计划涵盖原子钟、量子传感、量子计算和量子网络，从基础研发到应用研发：

  - 整个国防部的原子钟计划正在提高精确计时技术的技术就绪水平（TRL），以支持国防部的任务，如同步计时、精确瞄准、定位和导航等。这些工作包括ONR的下一代原子钟 (NGAC) 计划、ARL的低成本芯片级原子钟 (LC CSAC) 计划、美国海军天文台 (USNO) 的美国海军天文台主时钟计时研究、AFRL的量子传感和计时计划、DARPA的H6计划以及DARPA的强力光学时钟网络 (ROCkN) 计划。

  - 量子传感器将应对长期的军事挑战，在情报、监视和侦察（ISR）以及精确导航和计时（PNT）方面取得军事优势。“新技术原子蒸汽科学”（SAVaNT）、“量子孔径”和 “矢量电磁辐射量子成像”（QuIVER）计划、“陆军计量学”计划、ARL的“里德堡原子电磁场传感”计划、ARO的“量子态工程增强计量学”和“多量子比特增强传感和计量学”计划等等。

  - 量子计算将解决在获取高性能计算和安全加密解决方案等领域的长期军事挑战。正在进行的基础研究工作包括：DARPA的“NISQ设备优化”（ONISQ）计划、“量子计算机效用量化”（量子基准测试）计划、“未充分探索的实用规模量子计算系统”（US2QC）计划、AFOSR的“量子编程语言”以及ARO/AFOSR的“模块化量子计算”MURI。

  - 量子网络有望成为基础研发的资源，并对量子计算机等大规模量子系统的内部架构产生影响。国防部服务实验室（AFRL、ARL和NRL）在异质量子网络研发方面做出了努力，包括光子、原子/离子和超导技术，以及算法、传输和集成光子组件的离子-光子联合设计方面的努力。

  此外，国防部量子网络测试平台包括美国空军后勤部分布式量子信息测试平台，以及参与华盛顿大都会量子网络研究联盟（DC-QNet）的服务实验室。量子网络计划包括DARPA量子增强网络（QuANET）计划、ARO关于量子网络科学和纠缠的MURI以及AFOSR关于光子量子多体物理和张量网络量子信息概念的MURI。

  2023年4月，来自NIST、马里兰大学和工业界的研究人员在DARPA A-PhI计划下合作，成功地在芯片级原子光学晶格时钟中捕获并排列原子。实验人员通过开发超稳定激光技术，将原子冷却到微开尔文温度，并将其封装成小型、低功耗、芯片级封装，其体积比传统的实验室级光学时钟小约1000倍。

  这项工作是将当今复杂的手工组装自由空间光学技术转变为集成光子技术的关键一步。它还为先进的量子传感器、先进的计算架构以及大容量、安全的数据链路铺平了道路。

  在环太平洋演习中测试量子传感器。(左上图）HMNZS Aotearoa正在环太平洋演习中，甲板上可见用于支持各种实验的ONR集装箱；(下图）RIMPAC数据的测量结果，显示原子重力仪与其他重力异常图的微克偏差

  2023年8月，AFRL启动了极端计算设施，该设施由可信计算、机器学习、神经形态和纳米计算以及量子网络等最先进的实验室组成，将提升我们在高性能计算方面的竞争优势。

  美国国家航空航天局（NASA）推动科学、技术、航空学和太空探索的进步，以增进知识、教育、创新、经济活力和对地球的管理。

  美国国家航空航天局的质量信息系统研究组合包括由美国国家航空航天局总部（HQ）各局和项目领导的若干活动，由喷气推进实验室（JPL）、格伦研究中心（GRC）、艾姆斯研究中心（ARC）和戈达德太空飞行中心（GSFC）以及学术界和工业界的国家和国际合作伙伴提供支持。这些基础和应用科学与工程方面的活动涵盖量子计算、量子传感、量子通信和网络等QIS领域，以及基于空间的基础科学和探索。

  NASA努力开发研究气候平均状态随时间的变化的重力梯度仪。NASA GSFC建立了一个地面试验台，以开发超灵敏冷原子重力梯度计，应用于绘制地球质量变化图，从而能够对气候平均状态随时间的变化过程以及水和自然资源的分布有新的认识。

  美国国家航空航天局空间技术任务局（STMD）还向“量子途径研究所”（由德克萨斯大学奥斯汀分校、科罗拉多大学博尔德分校和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校组成的联合体）颁发了一项奖励，重点开发量子重力梯度测量技术，以测量全球气候变化，包括冰的质量损失和海洋热量吸收。

  美国航天局与麻省理工学院林肯实验室合作，建立了专门的试验台，以推进自由空间量子信号处理。试验台的重点是模拟大气湍流和自适应光学系统性能所需的校正，以及测试自由空间纠缠交换的光子到达同步。

  美国国家航空航天局总部选定了7个新的QIST基础物理项目，预计将在2024财政年度授予，这中间还包括国际空间站CAL设施的3项新调查，以及4项量子传感地面调查，以确定天基光学时钟、原子干涉测量和量子网络的新机遇。

  美国航天局ARC量子AI实验室（QuAIL）与多伦多大学在能源部C2QA下合作，推进模拟开放式量子系统的量子计算技术。这些系统的模拟难度远高于那些孤立的系统，甚至已经超出了最大超级计算机的能力。

  NASA ARC QuAIL支持的工作旨在证明超导量子处理器有充足的鲁棒性，能够克服因量子比特数量增加而产生的别的形式的错误。引入更多的量子比特会增加错误的数量，因此量子比特的密度也会增加。

  美国国家航空航天局的性能增强型光量子计数阵列（PEACOQ）探测器。PEACOQ探测器的特写照片，该探测器可以千兆赫的速度探测光子

  美国国家安全局的LPS支持量子信息服务研发，包括量子计算、传感和通信，以及若干使能技术。基于量子信息安全对国家安全的重要性，LPS率先努力支持NQI，并为实现国家量子信息安全战略的目标做出贡献。

  LPS还在其马里兰大学学院帕克分校的设施内开展与量子计算和传感相关的内部研究。2020年，LQC作为量子信息服务研究中心成立，以支持《国家量子信息基础设施法案》，从而与全国各机构、行业和学术界进行强有力的互动。

  LPS 的校外量子计算研究项目包括 固态量子计算与自旋和超导系统 (QC-5)、稳定的高保真捕获离子系统、中量级系统的量子表征以及新兴的量子比特科学与技术。LPS的量子传感研究项目开发基于固态材料缺陷中心的高灵敏度磁强计，并致力于将这些传感器应用于广泛的国家安全问题。

  作LQC的一部分，Qubits for Computing Foundry（QCF）已经启动，为更广泛的研究界制造最先进的量子比特。LQC还启动了“超级半导体实验室”（Super Semi Lab），这是一个多研究所研究实验室，配备多个稀释制冷机，支持QIS材料研究、超导量子比特研究与半导体量子比特研究。

  此外，美国国家安全局（NSA）还以网络安全的身份，在保护国家安全系统免受敌方获取密码学相关量子计算能力所带来的风险方面发挥着重要作用。

  IARPA资助高风险、高回报的研发活动，为情报界和联邦政府提供创新技术。

  自2008年成立以来，IARPA一直投资于量子计算研究，最近的代表项目是逻辑量子比特 (LogiQ) 计划（2016-2023 年）和最新项目纠缠逻辑量子比特 (ELQ)。

  2023年5月，IARPA的LogiQ计划完成并演示了四种不同的纠错逻辑量子比特，四种不同的硬件平台各有一种：

  逻辑量子比特。a) 实现表面-17编码的超导量子比特装置的假彩色图像；b)用于演示Bacon-Shor编码的离子阱（插图中的镱离子阵列）；c)用于演示彩色编码的离子阱图解（插图中的钙离子阵列）；d)重六边形编码与23个transmon量子比特的映射

  5月18日，IARPA LogiQ计划的执行者在超导量子比特设备上演示了多达十轮的三距离逻辑量子纠错。逻辑量子比特由多个物理量子比特构建而成，能够直接进行纠错；纠错会给资源和控制电子设备带来非常大挑战，这项工作将通过深度电路对23个量子比特的控制与解码协议相结合，提高了逻辑状态的存活率，每轮量子纠错的“存活率”高达96.5%。

  “国家量子战略”提出了加强美国量子信息科学研发方法的建议，着重关注六个领域：科学、劳动力、产业、基础设施、安全和国际合作。

  对基础科学的投资为国家的繁荣和安全奠定了基础。历史上，对量子力学的探索催生了原子钟、全球定位系统、激光、晶体管和磁共振成像（MRI）等变革性技术。

  同时，对信息论的探索带来了通信、计算和数据科学的变革性进步。这些领域的交汇创造了新的科学前景，为新的QIST应用和使用案例带来了巨大的潜力。当前的挑战之一是如何在特定技术和基础科学之间取得平衡。

  科学界、企业界和学术界的许多人都认为，量子与创新系统蕴含着革命性技术的巨大机遇，但需要对基础研究来投资，以建立关键的技术基础。因此，美国的政策是建立和领导科学地发展量子信息科学。探索该领域的基本问题及其使能技术是产生新认识、发展新能力和培育探索文化的优先手段。要实施这种科学优先的方法，就必须加强量子信息服务核心研发计划，启动新的量子信息服务中心，并探索量子前沿领域。

  2022年12月，科学和技术政策办公室（OSTP）主办了国家量子信息科学研究所（NQI）和国家发展和改革委员会（NDAA）量子信息科学研究中心会议，讨论影响量子信息科学（QIS）的最紧迫的科学和劳动力挑战，以及该领域对全社会的影响和益处

  美国国家科学基金会的其他几个中心级项目历来支持与量子信息科学有关的项目，包括科学与技术中心、工程研究中心、物理前沿中心以及材料研究科学与工程中心。预计在2024财政年度，这些中心级计划将继续并扩大对量子信息科学项目的支持。这些活动包括但不限于：

  - IARPA坚持科学方法是开发通用容错量子计算的关键，通过强调理论和实验一起发展的计划，对量子纠错和容错的基础原理进行投资。

  - NIST在两个校区（盖瑟斯堡和博尔德）以及与其联合研究所JILA、JQI和QuICS共同参与的大学中开展了许多基础性QIS研究项目；NIST加强并扩大了这些计划。

  - 美国国立卫生研究院（NIH）在NQI的支持下成立了一个跨机构的QIS工作组。工作组的代表来自NIH的12个研究所中心以及DOE、NIST和NSF的同事，共同讨论利用QIS为生物医学领域提供颠覆性传感和计算技术的机会。

  - 三十多年来，国防部基础研究办公室及其对等军种ARO、ONR和AFOSR通过内部和外部资助计划（如单人研究员计划、Vannevar Bush教员奖学金计划和MURI），领导了QIST的基础研究。由ARO、ONR和AFOSR负责的材料科学、凝聚态物质、原子和光学物理等领域的单人研究员计划和青年研究员计划为许多QIS工作提供了科学支柱。

  - 国土安全部科技部以多种方式对质量信息系统采取科学至上的方法，并以批判和开放的心态对待质量信息系统技术。国土安全部科技部通过会议和研讨会以及QED-C等组织，与科学界保持联系。国安部科技司还积极资助量子计算指标和基准研究，以便在量子计算硬件开发过程中更好地对其做评估和评价。

  - 量子网络工作小组（QN-IWG）促进了“量子网络研究协调方法”国家战略的实施。该战略包括四项技术建议：(1) 继续开展用例研究；(2) 第一先考虑交叉效益核心组件；(3) 提高经典支持能力；(4) 利用“适当规模”的测试平台。

  - NRL、ARL、USNO、NIST、NSA、NASA以及由NIWC和AFRL组成的附属成员参加了DC-QNet，这是一个基于光纤的网络，通过暗光纤网络将六个大都市机构连接起来，以执行千米距离的纠缠分发。

  - NSF量子系统变革性进展量子互联挑战（QuIC-TAQS）计划支持未来量子网络中连接量子设备所需的组件开发。

  量子网络元件。(左图）将原子捕获在交叉超导腔和光腔中进行微波到光学光子传导的装置，(右图）关于传导效率的实验数据

  - 美国国家科学基金会（NSF）宣布拨款2900万美元，通过QuSeC-TAQS计划推动量子传感的应用。

  - 美国国土安全部科学与技术局（S&T）正在资助新兴量子传感器技术的研发，以加强国家安全，并正在评估量子传感器在支持微电子供应链安全和磁强计确认集成电路完整性方面的效用。

  - 美国航天局为量子工程和传感器技术实验室提供资金，用于地球科学、行星科学以及空间导航和定时的研发。

  - 美国国立卫生研究院（NIH）成立了量子信息系统和生物学中的量子传感科学兴趣小组，以促进量子信息系统的知识共享，并为NIH院内科学家、研究员、研究生和实习生提供资源。

  在过去的几十年里，美国已经为量子信息科学的研发奠定了坚实的基础，拥有基础研究基础设施和一支由优秀大学毕业生、博士生、博士后、科学家和教授组成的科技队伍。通过对基础研究的持续资助和大学提供的就业机会，这支队伍不断壮大。

  然而，近年来，由于技术人才供不应求，加上工业界、学术界和联邦劳动力的竞争性需求，这支劳动力队伍面临着压力。此外，已然浮现的增长并没有代表全美国，许多群体的代表性仍然不足。

  为了帮助确保美国建立一支多元化、包容性和可持续的劳动力队伍，使其具备工业界、学术界、国家实验室和美国政府所需的广泛技能，SCQIS发布了《QIST劳动力发展国家战略计划》 ，该计划概述了四项行动，以帮助实现这一目标：

  量子工程师金字塔，该图强调了本报告中提到的不同认识水平。这些级别并不表示总体教育程度，因为 STEM 专业技术人员可能在其专业领域拥有高级学位，但没有量子背景。同样，量子专家也无需获得该领域的博士学位

  为支持这些行动，还为联邦机构提出了一系列建议，并为更广泛的质量与技术生态系统提供了机会。为支持这项计划，各机构开展了一系列活动，帮助培养质量与技术人员队伍。这份清单并不全面，国家实验室、学术界和产业界还在开展其他支持行动。

  美国的经济稳步的增长和繁荣有赖于强大的成熟产业和充满了许多活力的创新生态系统。基础研究通过创造新的科学认识、新材料、新工艺、新技术和对技术劳动力的培训来推动这一生态系统的发展，从而使美国始终处于行业能力的前沿。

  成功地将科学发现转化为已部署的技术具有挑战性，往往需要科学家、工程师、研发人员、风险资本家、企业家、制造商和客户在创新生态系统中通力合作，谨慎交接。

  因此，美国应该寻找量子技术，并在适当的时候，通过精心支持整个创新社区的途径和联系来启动量子技术。当市场尚未完全形成，或联邦政府需要开发特定应用或能力时，尤其是当投资者不愿承担与研究成果转化相关的全部成本和潜在风险时，往往适合为新兴技术走出实验室提供早期支持。

  科学基础设施通过向更大的社区提供关键的共享技术和科学能力，加速了从发现和探索到技术开发的进步周期。

  随着研究人员开展更复杂的工作，科学知识与创新系统要越来越复杂的实验和技术系统。对异常脆弱的量子态进行新的应用和新的探究，需要具有专用材料、严格公差、超低温和新的量子控制管理系统的平台。在纳米技术与半导体开发等其他领域所做投资的基础上，对基础设施的额外投资可以催化进步，实现科学和技术突破，否则这些突破将不会出现。

  基础设施还能将需要某些设备或设施才能开展研发活动的合作团队和团队聚集在一起。因此，对基础设施的早期规划和投资可以对研究界以及量子信息处理的运行系统产生深远的影响，通过分配成本并将关键知识、人员和能力保持在集中的设施中，从而改变可能的领域。

  随着科学发现和技术机遇的出现，《QIS国家战略》建议采取综合方法，确保美国实现质量与创新系统的经济和安全效益。

  该战略包括保持认识和灵活性、开发质量与创新系统技术市场、利用政府范围内的协调机制以及保持适当的知识产权和监管方法。

  国际合作加快了发现的速度，并为深化国家间的关系提供了途径。这些关系为建立信任、促进交流以及通过开展研究和教育展示共同价值观提供了平台。QIS的研发工作具有很强的国际性，人才、基础设施和工业能力遍布全球。

  因此，美国的政策是促进和支持在量子信息服务研究和技能开发方面的国际合作，特别是以肯定科学严谨性和研究完整性、探究自由、择优竞争、开放性、透明度等原则的方式来进行合作。 通过加强国家间的合作，我们大家可以促进一个充满活力和安全的国际QIS生态系统。

  国际合作通过多种机制得到促进。例如，美国机构与其国际对口机构之间的双边合作能带来诸多益处，如协调审查程序、互惠或联合资助以及学生和研究人员交流，从而使双方受益。一些机构还能够准确的通过其使命和权限，单方面为国际研究合作者提供支持。与大学和产业界的非正式接触对于将政府、学术界和私营部门的利益相关者联系起来也至关重要。通过这一些集体方式，大量由联邦政府资助的质量保证信息系统研究项目和计划继续得到国际合作者的支持，从而协调努力，互惠互利。

  截至2023年6月30日，美国已与10个国家签署了关于量子信息科学技术合作的联合声明。来源：光子盒研究院

  建立和实施NQI的行动时间表。彩色编码显示立法过程为红色；OSTP和NSTC行动为黄色；机构行动为蓝色。NQI在国会提出，在众议院通过，在参议院通过，并由总统签署成为法律，反映了两党的支持。时间轴上显示了2019财年和2020财年的NDAA，因为它们授权由国防部支持的QIST研发。由白宫OSTP和NSTC SCQIS和ESIX领导的部分行动以黄色标出。在此期间，有关QIS研发的机构行动一直在进行中。这里用蓝色标出了NQI授权的部分活动，主要是根据NQI法案的要求建立联盟和中心

  随着11月底NQI法案的重新再启动，NQI法案要求制定一项为期10年的NQI计划，并在五年后对美国在QIS领域的领导地位做评估，同时更新战略计划。为支持NQI计划的制定、实施和规划，本年度总统预算NQI增补中提供的预算数据和计划概述是重要的一步。

  人们一致认为，QIST 对美国未来的研究、竞争力和安全至关重要，其特点是汇集了各种工具，为推动从医学、材料科学到金融和网络安全等各行各业的发展带来了巨大希望。《NQI重新授权法案》标志着QIST的关键时刻，也预示着美国学术界、工业界和政府需要扩大发展投资这一领域的广泛需求。

  展望未来，SCQIS和ESIX将在NQCO的支持下，根据NQI咨询委员会提供的信息，努力确定最重要的的衡量标准，以规划NQI计划目标和优先事项的进展情况。

  随着形势的发展，分委员会还将继续努力。随着形势的发展，小组委员会将制定新政策并更新现行政策，以确保各项活动符合质量信息系统生态系统当前和未来的需求。通过继续优先投资于各机构的基本质量信息系统，美国将能利用这一新兴领域的科学进步促进经济繁荣、国家安全和美国人民的福祉。