9~10月，美国推出了一系列促进和推动量子科技发展的举措，抢占战略制高点的意图十分明显。9月16日，美国众议院在两党制框架下提出《量子网络基础设施法案》^[1]，旨在推进量子技术发展。10月7日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）启动一站式门户网站Quantum.gov^[2]，汇集美国政府在量子领域的所有工作，意图打造“美国国家量子行动计划”之家；同时发布了一份全面的《量子前沿》报告，明确了继续开展量子信息科学（QIS）研究的关键领域^[3]。产业界也在加紧布局，IBM公司9月15日公布了其量子计算机研发路线图^[4]，计划到2023年推出一台超过1000量子比特的量子计算机——“量子神鹰”。

一、《量子网络基础设施法案》

该法案由美国国家实验室的两位联合主席，即纽约州的共和党议员Lee Zeldin和伊利诺伊州的民主党议员Bill Foster联合提出，拟推动一项以促进新的量子网络基础设施技术发展为重点的国家研发计划，内容包括开发量子存储器、小型量子计算机、量子路由器、多路复用器、中继器和安全长距离量子通信所需的相关技术，以及建立短程的量子计算机互联网络等。

法案要求联邦政府在2021~2025财年期间，向能源部（DOE）科学办公室拨款1亿美元，推进国家量子网络基础设施建设并加速量子技术的广泛实施。如果法案通过，将修改特朗普总统2018年签署的《国家量子计划法案》，从而推动能源部主导的、以加速量子网络基础设施创新为目的的相关研发和示范项目。

该法案提出由能源部主导“量子网络基础设施研发计划”，并设立了三大目标：通过互联网和内部网促进分布式量子计算系统的发展；提高科学现象和物理成像技术的测量精度；开发安全的国家量子通信技术和战略。相应的行动方案包括：

1、与美国国家科学基金会（NSF）、国家标准与技术研究院（NIST）、国家科学与技术委员会（NSTC）量子信息科学子委员会等机构协作，分析量子科学的经济与安全影响。

2、与产业界、国家实验室、高等教育机构及其他研究机构开展合作研究，以促进创新性量子基础设施方法和技术的发展。这些方法和技术包括：量子探测器、超低损耗光通道、空对地连接、经典网络和网络安全协议；纠缠和超纠缠态源及量子态的传输、控制和测量；实现量子处理器之间短程本地连接的量子互连技术；实现光/电信领域和量子计算机相关领域包括微波之间转换的量子源和信号转换器；能在光或电信频段与光量子比特兼容的量子存储缓冲器与小型量子计算机；基于量子中继器的地基和天基长程纠缠分发，小型和大型量子处理器之间的纠缠协议；创建安全长程量子通信所需的量子路由器、多路复用器、中继器及相关技术；量子技术栈与传统计算机网络的集成，包括实现关键量子网络组件的远程可控的、高性能的、可靠的实施。

3、与量子经济发展联盟（QED-C）合作，促进面向量子网络技术的量子供应链的发展。

4、促进先进科学计算与材料科学的基础研究，增进对量子网络基础设施相关材料与过程的理解、预测和操控。

5、开发必要的实验工具和测试床，以支持跨产业界、高等教育机构等多部门的基础研发活动。

6、针对能源部在能源、环境、国家安全方面的使命尝试推进量子网络基础设施应用。

二、《量子前沿》报告

该报告由来自政府、产业界和学术界的人士共同编写，明确了充分发挥QIS潜力需要继续研究的优先领域，该报告列出了QIS的8个前沿领域，其中包括QIS当前面临的核心问题。

1、扩大量子技术造福社会的机会。开发实用的量子技术应用程序，使其他科学家和各个学科的终端用户受益，是目前QIS的重要研究前沿。两个主要研究领域是该前沿取得进展的关键：一是发现量子技术从根本上可能完成的事项，包括实际的量子优势和对经典量子交易空间的更深理解；二是尽早让跨学科QIS研究人员与领域科学家和最终用户合作，共同确定QIS技术及概念在政府、产业和其他科学分支中的潜在应用等。

2、建立量子工程学科。QIS和技术的进步已经产生了基于量子逻辑门和模拟量子计算的诸多重要原理验证实验，以及超高精度的量子传感示范。然而，在量子控制能力作为规划和构建复杂设备的标准要素之前，仍有许多技术和系统层面的挑战有待克服。新兴量子工程学科可通过在组件集成与设计、功能优化与验证、提供有用的抽象与启发等主题上创建新的视角来弥合这一差距。在这一前沿领域取得进展的途径包括：掌握使设计具有可扩展性和实用性的知识与方法；整合量子硬件、软件和支持技术的开发；开发和使用系统级架构；创建量子工程新学科等。

3、以材料科学为目标的量子技术。量子信息可以编码成不同的物理系统：离子、原子、分子、固体材料、超导电路、光子和声子等，每种都有自身的优势和挑战。每个系统的相干性通常取决于如何制造和控制量子比特和互连。有关物质量子特性的基本知识可以用于指导高保真量子比特系统的设计，以减少潜在的噪音和误差。根据工程规范开发和应用全新且精确的方法，来表征和制造这些物理部件，将加速系统开发的步伐。关键领域包括：利用材料科学提高器件性能；寻求材料设计、制造和表征的新方法等。

4、通过量子模拟探索量子力学。工程量子技术可以有效地模拟和仿真量子系统，阐明其性质。嘈杂中型量子（NISQ）计算机和模拟量子仿真器等量子信息技术有望在未来5年实现应用，并通过计算、模拟、实验和其他研究等加深人们对量子系统的理解。关键领域包括：利用量子装置从多体物理、化学、材料科学改进量子行为的经典、量子和混合模拟方法；基于量子模拟的量子优势示范；为NISQ设备开发新的算法，并在有噪声的条件下探索其性能等。

5、利用量子信息技术进行精密测量。一些先进计量技术已验证了量子控制和QIS相关方法的关键优势，包括原子钟、原子干涉仪、磁力计和核磁共振成像系统等。该前沿领域有望提高测量精确度和准确度，开创精密测量的新应用。关键领域包括：提高对可部署系统的量子相关精度限制的理解，以增强导航能力和实现标准；研究原位和有机体内量子传感的新模式和应用；利用量子纠缠和小规模量子计算机来改进测量技术等。

6、为新应用生成并分配量子纠缠。通过在不同模块中纠缠量子比特来互连量子设备可能是扩大量子计算机规模的关键途径。此外，还需将量子信息分布在空间分离的节点上，并把量子通信拓展到更大的量子网络。探索领域包括：开发物理层组件来分发纠缠，为各种量子网络系统开发算法、应用程序、协议和用例；了解组件和协议是如何集成到系统级架构中的等。

7、表征并减少量子误差。量子系统天生对环境敏感，这不可避免地会导致误差。要在足够长的时间内保持相干叠加态和纠缠态以进行有效的量子计算，必须了解如何诊断和避免量子误差。关键主题包括：多量子比特系统的最佳表征和控制，包括测量、反馈和新编码的使用；开发与探索容错领域通用的计算新方法；使用现有装置来突破量子比特的性能限制等。

8、通过量子信息洞悉宇宙。通过探索物理系统的计算极限，QIS改变了我们对计算的看法，并为在新的体系中测试量子力学和其他基础科学理论提供了新的机遇。基础QIS系统研究开辟了新的科学前景。这一前沿领域有三大主题：通过量子计算和量子信息理论探索计算和信息的数学基础；利用QIS概念和量子模拟的新应用，探索包括暗物质、量子引力等在内的物理理论极限；利用精密测量和多体量子系统测试粒子物理学标准模型，并找寻当前模型之外的新现象。

三、IBM量子计算机研发路线图

IBM公司公布的量子计算机研发路线图显示，IBM目前最先进的量子计算机是9月发布的65量子比特的“量子蜂鸟”（Quantum Hummingbird），该系统提供8:1读出多路复用功能。同时，根据IBM的计划，2021年将发布127量子比特的“量子飞鹰”（Quantum Eagle）系统，其具备硅通孔（TSV）、多层布线等创新技术，并将量子比特保存在单独的保护层；2022年将推出433量子比特的“量子鱼鹰”（Quantum Osprey）系统；2023年计划发布1121量子比特、逻辑量子比特10~50、错误率仅0.01%的“量子神鹰”（Quantum Condor）系统。

IBM研究人员表示，一台容纳1000个量子比特的量子计算机是通往成熟量子计算机道路上特别重要的里程碑，尽管这样的机器仍然无法发挥量子计算机的全部潜力，但足以发现并纠正通常困扰量子比特的无数微小错误。IBM目前面临的最大挑战是如何在保证足够长的时间内控制高量子比特的大型系统，同时减少误差，以运行未来量子应用所需的复杂量子电路。这台1000量子比特计算机将成为一个转折点，标志着IBM能开发出具有强纠错能力的可扩展量子计算机。自此，研究人员的重点将从降低单个量子比特的错误率转向优化整个系统的体系结构和性能。

为实现目标，IBM还在开发一个10英尺高、6英尺宽的全新稀释制冷机“黄金眼”（Goldeneye），以存放这些大型芯片以及连接这些芯片的技术，从而建立一个类似于传统芯片的多核架构。在设计该制冷机时，IBM已经考虑到百万量子比特系统，并开始进行基本的可行性测试。其远景是像经典超级计算机并行系统一样，实现大规模并行量子计算机。同时，IBM的路线图还提出了一个未来更大的任务：设计一个通过云部署的全栈量子计算机，允许全世界任何人对其进行编程。

（张娟 凯吴沙·艾斯卡尔 万勇 姜山）