美国主要机构实施美国量子计划（NQI）举措一览

量子信息科学（QIS，Quantum Information Science）是量子力学和信息论的统一融合，这两个基础领域支撑着现代技术的发展。从历史上看，对量子力学的探索催生了原子钟、GPS、激光、晶体管和磁共振成像 （MRI）等变革性技术。与此同时，信息论的探索带来了通信、计算和数据科学的变革性进步。科学界、商业界和学术界不少人士都断言，量子信息科学将进一步为革命性技术带来巨大机遇。自2018年12月颁布《美国国家量子计划法案》（NQI Act）以来，美国在量子信息科学领域投入了大量人力物力，以期加速其在量子信息科学技术方面的领导地位。在2023年11月29日，在该法案到期数月后，美国众议院科学、空间和技术委员会通过了《国家量子计划重新授权法案》（The National Quantum Initiative Reauthorization Act），将NQI Act的支持期限延长至2028财年，凸显出美国当局对量子科技的重视和雄心。本文将重点介绍近期美国主要机构在实施美国量子计划（NQI）过程中的主要举措。

一、联邦研发投入：NSF、DOE和NIST三部门为主

从预算上来看，近年来，美国在量子领域的投入日趋稳定，根据2023年12月由美国国家科技委员会（NSTC）量子信息科学分委会（SCQIS）提交的年度报告显示，自2019财年以来，美国联邦在量子信息科学领域的研发总预算约增加了一倍，2023财年的预算投入估计超过8亿美元，2023财年预算估值中有超过一半的资金根据美国的国家量子计划法案授予。这一部分资金主要拨给了美国国家自然基金（NSF）、能源部（DOE）和国家标准与技术研究院（NIST），尤其以前两者比重为主体。（见图1）

图1、近年来美国国家量子计划法案授予的联邦研发预算的机构分布（单位：百万美元）

资料来源：美国国家科技委员会量子信息科学分委会（SCQIS）。2023年12月。 

二、三大部门在量子研发领域的主要举措

（一）NIST：侧重精密计量和网络安全

 美国国家标准与技术研究院（NIST）在量子研发领域的主要工作包括扩展和连接量子系统、提高设备性能和稳健性、扩大执行这项工作的人才库及开发使企业成功的技术标准等。截至2023年底，NIST所支持的量子信息科学研发活动包括：

1、继续发展其量子信息科学基础和应用 研究项目，涉及量子增强传感和精密测量、量子网络和通信、量子计算和模拟、基础物理、关键支持技术以及量子技术在化学、材料、生物学和医疗保健。

2、在NIST的两个园区开发量子网络项目，启动量子技术集成光子学项目，扩展原子钟计划。 同时， NIST积极落实美国量子信息技术人力发展战略计划（the national QIST Workforce Development Strategic Plan），加强对量子领域早期职业研究人员的支持。

3、通过合作研究与开发协议（CRADA）与美国量子行业合作，以解决特定的技术差距，同时，并拓展与量子经济发展联盟（QED-C）的合作，与超过170家企业共同参与量子技术的开发和供应链建设。目前，QED-C联盟大约有230名成员，并已将会员模式拓展至38个国家。

4、与美国国家自然科学基金（NSF）、能源部（DOE）、国防部（DOD ）和美国情报联盟（ IC，Intelligence Community）在量子领域进行合作。

5、设立NIST后量子密码术项目（简称PQC Program），以开发发对量子和经典计算机都安全的密码系统。NIST已于 2023 年 8 月发布联邦信息处理标准（FIPS）PQC标准草案并征求公众意见，预计于2024年发布这些 PQC 标准。

6、通过NIST的设施开发精确的测量技术。这些设施包括位于盖瑟斯堡的纳米科学技术中心（CNST）、博尔德微加工设施 （BMF） 等。

7、与各国的国家计量研究所 （NMI） 就量子计量学开展合作。目前，NIST已于英国国家物理实验室  （NPL）  签署了关于量子信息科学联合研究机会的谅解备忘录，并担任了2021年成立的第25届国际测量联盟（IMEKO）量子测量和量子信息技术委员会的主席。

8、与国际合作伙伴就量子领域的潜在 合作进行讨论，2023年已与包括澳大利亚、巴西、欧盟、印度、日本、荷兰、新西兰、新加坡、韩国和英国等国进行了洽谈。同时， NIST还设有外国客座研究员计划，为来自世界各地的研究人员提供与  NIST  科学家合作的机会。

（二）NSF：支持多学科、跨机构及高校的基础和工程研究

美国国家自然科学基金（NSF）在量子领域的主要举措包括：

1、创建量子飞跃挑战研究所（QLCI）。该机构是大型多学科量子信息科学和工程研究教育中心，在2020年和2021年期间建立了5个QLCI网站，截至2023年底，已与89家学术机构和67家商业公司建立了合作伙伴关系。

2、实施扩大量子信息科学与工程能力项目（简称ExpandQISE项目），旨在通过创建多元化的研究和教育投资组合来提高研究能力并扩大量子信息科学与工程（QISE）及相关学科的参与范围，目前已资助了33个项目，预算为 6240万美元。

3、实施量子系统变革进展（TAQS） 计划，支持由三名或更多研究人员组成的团队开展量子信息应用工程概念的协作、跨学科项目。该计划每年重点不同，最新一期重点是量子传感挑战。

4、实施国家量子虚拟实验室（NQVL） 计划，旨在降低量子技术用户开拓和加速新应用的实现的门槛。

5、通过核心项目提供资助。这是NSF对量子信息科学和量子工程提供广泛学科支持的主要来源，学科领域包括计算机科学、工程学、生物学以及数学和物理科学。

6、通过各高校和研究机构开展量子领域的科学和工程研究。这些机构包括新墨西哥大学量子信息与控制中心（CQuIC）、亚利桑那大学  NSF  量子网络工程研究中心（CQN）、美国国家科学基金会量子铸造厂（NSF  Quantum  Foundry）、加州理工学院量子信息与物质研究所（IQIM）、麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（CUA）、科罗拉多大学JILA 物理前沿中心、杜克大学领导的多机构量子协同设计软件定制架构（STAQ） 项目、内布拉斯加大学领导的新兴量子材料和多校园研究和教育集群（EQUATE）、由芝加哥大学领导的实现实用规模量子计算（EPiQC）计算探险项目、几个专注于量子技术的材料研究科学与工程中心（MRSEC）项目（例如普林斯顿复杂材料中心）、哥伦比亚精密组装量子材料研究中心（PAQM）、俄亥俄州立大学新兴材料中心、芝加哥材料研究中心、伊利诺伊大学MRSEC中心、华盛顿大学分子工程材料中心、德克萨斯大学材料动力学与控制中心、田纳西大学诺克斯维尔先进材料与制造中心（CAMM） 和密歇根材料创新中心。此外，国家纳米技术协调基础设施 （NNCI） 计划和多个化学创新中心（CCI） 计划站点（例如模块化量子器件量子动力学中心和选择性转化量子电动力学中心）也参与了量子研究。

（三）DOE：发展量子传感、计算、通信等研究，促进用户设施和跨学科中心建设

美国能源部（DOE）在量子领域的主要举措包括：

1、促进量子传感领域的研究，能源部科学办公室实施的研究项目涵盖生物传感器和生物成像仪器和应用、下一代探测器的创建和表征工具、增强等离子体和聚变科学的诊断能力、使用支持量子信息科学 的传感器和实验探索新物理学和黑暗宇宙、使用传感器、抗辐射量子电路和核钟进行核科学研究。

2、促进量子计算领域的研究，涵盖与能源部有关的算法、计算机科学、软件、多个领域的硬件、量子模拟器和量子计算应用等的项目。

3、促进量子网络研究和量子通信领域的研究，重点关注分布、量子态隐形传态、量子传感器网络以及量子网络组件、应用程序和测试平台的开发。

4、发展量子相关的支持技术和基础设施，例如纳米科学研究中心、量子计算和网络测试台、自旋和超导量子位的铸造厂，以及生产量子系统所需同位素的技术的开发和管理。

5、发展用户设施促进民间团体的研究。能源部提供先进的用户设施来支持量子信息科学的研究。与量子研究界密切合作的用户设施包括先进计算、X 射线、中子、纳米科学和费米实验室低温设施。此外，橡树岭国家实验室（ORNL）的量子计算用户计划为广大用户群提供了工业量子计算资源，而美国能源部科学办公室的量子计算科学试验台计划则为研究界提供了对桑迪亚和劳伦斯伯克利国家实验室的新型量子计算硬件的全透明访问。

6、建设跨学科中心。包括建设能源部的五个国家量子信息科学研究中心、与其他机构（例如NSF的量子飞跃挑战研究所（QLCI）和QED-C国际联盟）、私营部门和学术界协同合作等。此外，能源前沿中心（the Energy Frontier Research Centers）还支持较小的研究团队，重点关注量子材料和相关量子信息科学研究。

【参考文献】

[1] 美国国家科技委员会量子信息科学分委会（SCQIS）.National Quantum Initiative Supplement to the President’s FY 2024 Budget[R].2023.

[2] 美国能源部官网（DOE）官网：https://science.osti.gov/Initiatives/QIS 

[3] 美国国家标准技术研究所（NIST）官网：https://www.nist.gov/quantum-information-science

[4] 美国国家科学基金会（NSF）官网：https://new.nsf.gov/funding/opportunities/quantum-information-science-0