美国量子技术发展研究报告

引言在人工智能与大模型竞争后，美国政府正在悄然布局下一个科技赛场，我们研究量子计算的目的在于告诉中国相关企业，量子计算正在成为企业可以卡位的下一个十万级赛道，也想告诉准备高考的您，量子计算也许是今年高考专业报名的深芯片是中美蓝球比赛的第一节，人工智能是第二节，大模型是第三节，而量子计算则是第四节比赛。中国的崛起只有在美国优势的科技项目获得突破，中国的新质生产力才能支撑高质量稳定发 蓝风口。展。文章对面与引言贝配医邮A生或 量子科技主要运用于量子计算、量子通信、量子加密、量子传感等领域。美国政府最早于2016年起将量子科学列入国家计划，制定《推进量子信息科学》报告，修订《国家量子倡议法案》立法与资金投入行政报告与政策举措2018年12月《美国国家量子计划法案》（QIA）白宫通过国家科学技术委员会（NSTC）发布了两份开创性报告，单明了针对量子立法目的：旨在加速推进美国量子科学和技术发展信息服务的国家战路方针。术研究院、美国国防部、美国国家科学基金会）在5个财年内（2019一2023财年）提供超过12亿美元的创建了量子信息科学研发框架，授权历史上曾大量参与量子信息科学研发的3家机构（美国国家标准与技报告名称发布时间主要内容语金成立新联期机构：国家量子协需办公室（NQCO）和国家量子计划咨询要员会（NQIAC），以加强量子信息科学研究在政府、产业界和学术界的统筹协调■保持稳定和持续的核心项目，这些项目可随着新机遇的出现《推进量子而加强：提供对（国家量子计划法》的独立评估意见与建议信息科学》2016年对有针对性、有时间限制的项目的战略投资，以实现具体2022年8月芯片与科学法案》（CHIPS），修订（国家量子倡议法案》（NQIA））可衡量的目标：.密切监测量子信科学领城，以评估联邦量子信息科学投资授权5亿美元用于能源部建立量子网络基础设施研发计划，求美国国家标准与技术研究院制定量子网络和通信标准；增加1.65亿美元用于量子科技用户扩展（QUEST）计划的成果，并迅速调整项目，以便在取得术实破时加以利用确立美国能源部项目，确定竞争性的、经过绩效市查的基本流程，以促进研究机构获取用于研究目的的（量子信息2018年■选择科学为先的质量信息系统方法，为未来打造一支量子智确定了联邦量子投资的6个取策机遇和优先事项：量子计算资源：要求关国国家科学基金会支持将量子信息科学融入各教育阶段的科学、技术、工程和数学（STEM》课程：明确将量子信科学纳入美国国家科学基金会新成立的技术、创新和伙伴关系局科学国家战路概览）9月能型员工队伍，深化与量子产业的合作，提供关键基础设施，(TIP，职表是重点关注新兴领城）的管理范聘2023年11月美国众议院提出（国家量子倡设重新授权法案》（H.R6212）《国家量子计划法案》出台以来，美国的量子信息科学研发预算呈逐年增加态势■计划2024-2028年损款超36亿关元，重点转向量子技术应用开发，并新增NASA参与量子研究单位：亿美元12现有预算欢府造加预算2024年1月TIF发布美国的量子政第方针》报告1010.318.559.3289'6■建议国会重新授权NQIA，并每年至少拨款5.25亿美元，强属供应链安全和国际合作86.722024年5月美国两党提出（2024年美回国家科学基金会人工智能教育法案）64.49■计划5年内增养100万AI及量子人才2024年11月梦设院通过修订版国家量子倡议重新授权法案2新法案修订内客：授权2025-2029财年的量子研发损款从18亿美元增长至27亿美元，并延长至2034年，0新增NASA量子卫量通信研究。201920202021202220232024将原（国家量子倡议重新授权法案》的重点从量子基础研究转移到实际应用开发，授权NASA新的量子研发活动，包括量子卫量通信和量子传感研究计划，量子计划法宝》的资金政府追加预算指在量子信息科学研发活动预算基线之上追加的预算，即分配给《国家- 美国2024年颁布的《美国量子政策方针》进一步明确了量子信息科学的技术方向。量子技术也在同年的《关键和新兴技术清单》中与先进材料、生物技术、无线技术一并被认定为“新兴机会的种子领域2024年美国ITIF发布2024年1月《美国的量子政策方针》2月12日美国发布2024版《关键和新兴技术清单在本报告中，量子信息科学（QIS）包含以下5国防部认定的14顶关键技术国防部认定的种技术：202020222024202020222024国防部认定的技术名称14项关键技术技术名标14项关键技术14顶关健技术0量子传感和计量学年版年版年版领域领域归属的3年版年域领域归属的3大分美大分类利用量子力学增强传感器和测量科学先进计算先进计算和软件有效应用领城集成通信和网络集成网路系焙有效应用额戏先进工程材料A先逊材料新兴机会的种子领城技术A下一代无线技术新兴机会的种子2量子计算先进燃气轮机利用量子力学以比经典计算机成倍的速度发动机技术x定位导能和先进网塔感知和摄时技术执行开发计算机特证管理姚成要知与网增纯国防领城量子信息和使能技术量子科学新兴机会的种子先进制造3量子网络可信人工智能与半寻体和微电子人工智能有效应用领域技术微电子技术有效应用款成利用量子力学原理来确保传信息的机密V性和完整性的安全通信协议的开发自主技术新兴机会的种子空调技术和系统V空技术生物技术有效应用获减V生物技术4量子信息服务先进快能技术清活能源生成和可再生能源生成X利用量子设备和量子信息服务理论来扩展存储技术和存储技术有效应用领域金融技术xx学、化学和能源科学的理解其他学科的基础知识，例如，提高亮对生物数据隐私，数据安全和网络安全网络传器和技术传量技术5量子技术定向能技术定尚能技术纯国防领城vX包括便用量子技术创建实标应用：为电子高宽自动化、自、光子学和低温技术创建必要的基础设施主和无人系以先进带武器技术航空发动机技术和制造技术；及机器人技术农业技术医学与公共健康技术将与量子技术相关的风险降至最低，例如人机界面技术人机界面技术有效应用领域分布式账本技术医学与公共健康技术开发后量子加密技术以保护感信息高超高违妆术高超音违技术纯国领城化学、生物、放射学和摘(CBRN)细解技术 试图通过量子计算、量子传感2024年12月美国发布了面向未来20年的《量子信息科学应用路线图》与量子网络三大技术路线图促进量子技术的应用转化。以最终实现量子技术的规模化部署与产业化落地《量子信息科学应用路线图》以量子计算，量子传感和量子网络为核心，力争通过分阶段技术政关与跨领域协同创新，系统性突破基础研究瓶领，加速技术成果向实际应用转化，品终实现虽子技术的规模化部署与产业化落地量子计算发展路线图■这个过程涵盖技术实破、支撑性研究与基础设施、研究成果三大维度，需跨越硬件、软件及系统架构的多重挑战，并依敦于长期的科学研究和跨学科合作发展NISQ设备和QEC小规模演示共存小型容错量子计算机大型容错量子计算机超大型完全容错量子计算机路径【0-5年）（5-10年）（10-20年）（20+年）技术构建含1000个物理量子比特的有噪声扩展至1万个物理量子比特，同时保持低整台超导、离子耕等异构硬件平台，构建量子数逻辑错误率低至可念里程碑中型量子系统（NISQ）：并将物理错错率分布式与模块化系统，大规模架构解决方略水平，并支持超长时间科误率降低至纠错国值的十分之一以下模块化架构的量子互联D学计算任务面向科学应用的新算法硬件高效的量子纠缠方法和架构理论、材料、器件、系统集成、架构、纠借相关基础研究支撑性跨学科合作研究研究与软件栈开发：偏译器、工具流、协同设计工具础设标准化的基准测试与验证方法■用于处理器设计和制造的工艺设计套件(PDK)和晶四厂■可广泛访问的量子用户设施和测试平台-:量子数据中心质型设计和开发研究通过量子纠错（QEC）实现逻辑错读率在科学计算中展示量子优势成果与10信抑制来来更复杂的模块化量子计算架构提供实现白个性科学应用应用利用有噪声中等量子系统进行量子模拟技术支撑为构建完全容错系统美定硬件和算法盒础最终构建超大型完全容错未来5年旁实纠铝基础未来10年验证量子优势未来20年实现大规模科学应用量子计算机 《量子信息科学应用路绒图》量子计算：扩展量子计算的前沿，通过四大发展阶段开发有价借盾的量子计算应用，实现超大型完全容错量子计算机子计算发展遇到的关辫挑战量子计算发展的四个阶段均面临不同的技术与应用挑战，需采取“双轨并进”策略，充分利用前三阶段的硬件能力，开发有价值的量子计算应用，推进到阶段4这一终极目标。阶段一阶段二阶段三有噪声中型量子计算机（NISQ）与量子纠错（QEC）小规模演示共存小型容错量子计算机大型容错量子计算机以噪声主导的量子系统为特征，需通过误差抑小型容错量子计算机虽能满足所有量子纠错标准，但其物理误差率仍续近纠错调值，计算效大型容错量子计算机的物理误差车将显著低于征制与缓解技术提升性能调值，可稳定运行千比特级、千亿至万亿次操率受到一定限制作量级复杂电路量子纠错真法的实验验证和效率优化，需实破基础纠错原理的物理实现瓶颈建立爱盖美国能源部相关研究部门的量子计算组建跨学科团队，开发适配有噪声中型量子硬用户平台，通过通用处理器或领减专用硬件提主件的科学算法，探索有限量子优势的应用场景供标准化服务要挑战王完善量子计其用户设施的服务能力面向未来大规模纠错系统的需求，与经典计算深度集成经典计算资源与量子系统，支撑纠错要挑战推动美国能源部相关研究部门变革传统研究方领域协同设计高通量、低延退的控制硬件排码规模化扩展所需的实时控制与数据处理法构建量子性能标准化评估体系，明确量子优势识别并规避可能阻碍未来扩展至阶段3和阶段4的量化基准的技术风险，重点突破量子转导技术相关基础开发量子一经典混合计算的款件生态，以适应研究量子计算新架构和新编程模式确保研究机构和产业界能够广泛获取量子计算资源，支持技术创新和应用落地阶段四超大型完全容错量子计算机 明确聚焦领域与四大应用场竞，美国为此制定了《量子信息科学应用路线图》强化投入方向。突破量子传感挑战，实现前所未有的精度和新发现量子传感发展路线图量子传感的关键挑战充分四大新物理学高精度测量理论创新硬件开发研发使用量子比特作为传感器释放子核心高分辨率材料科分析与设计重点聚焦投入材料研究转化研究量子态的美弱性使其易受非目标参量的干扰领域使用量子相关性提高传感器性能应用量子传感器的工程化与部器方向实验物理实现为达到量子极限的测量性能，需通过传感器稳领域定性提升、材料工程优化与器件设计改进来消生物、化学和生物医学传感经典工程优化除经典噪声源应用领域1~5年510年10+年1.开发量子传感器和量子传感网陷，支持轴实际部署要求量子传感器在噪声、子和轻增物质的高精宽择测，拓展可探究的参数波动和，研发量子控制技术，拓展量子传感器在新1.针对新物理学研究的高潜力参数空间，研参款空间硬件缺陷下保持稳定，需综合采用环境隔离新物理学物理学研究中的应用场景发新一代量子传感器2.基于量子传量器探索量子力学和相对论的先进材料（如超导材料）与自适应算法，平衡高辅度测量2.开发新一代高精度则量平台，为未家新物2.利用多境增强技术，实现超越经典极限的理学实验提供支撑新物理学测量联系灵散度与可靠性3.结合量子传照器，检子加造器和高能保则器，提升高能物理实验的精究使其接近量子投限1.研制近量子极限的超高灵敏實磁力计a和收器1.建立面内量子传感研究的用户实检设提升传感性能需创新量子态操控技术：高分辨率材料分析与3.开发纳米级分新事磁成像技术，用于检测2.发现并优化新型量子比特，理升传感能力2.研究材科中的量子相关特性，并进行高箱度测量支持大规实验2.推动材科分折工具的高业化应用①制备高压缩度量子志以实破标准量子极限设计电流分布和磁性相位3.通过多体物理压缩态和量子纠维技术3.研制具备量子优势的纳米吸高辅度传感器②构建多体纠继态，利用集体量子效应增强灵4.研究动力学过程中的嗪声传垂技术提高传感灵收度教度或获取被测系统的全新信息；量子传感器1.提升传至器的尺寸，重量，功耗性能，实现