在圣誕節前幾天，美國總統唐納德?特朗普簽署了一項法案，將在未來10年里內投入超過12億美元用于發展量子信息科學。《國家量子倡議法》（National Quantum Initiative Act）代表了美國兩黨政府在發展量子計算、量子加密和量子通信等技術方面與中國和其他國家保持同步的努力。這些技術都有可能打破世界經濟和軍事力量的平衡。

量子計算因其有朝一日有可能破解保護政府和企業機密的現代計算機算法而受到特別關注。但是對量子科學的投資也可能帶來突破性進展，有助于鞏固美國的技術領導地位和國家安全——或者如果另一個國家首先開發出某種量子技術，則會削弱美國的領導地位和國家安全。值得注意的是，中國一直特別重視投資量子科學，以此作為繞過美國擁有的傳統技術優勢的一種方式。

位于華盛頓的新美國安全中心（CNAS）的兼職研究員Elsa Kania在最近的一次新聞發布會上說：“很明顯，中國正在利用它所認為的歷史性機遇，不僅要趕上美國，而且要超越美國。”

但Kania解釋說，這更像是一場馬拉松而非短跑。美國國家科學院、工程院和醫學院在最近的一份報告中也承認了這一點，認為制造出實用的通用量子計算機還需要10年以上的時間。工程師們還必須弄清楚如何構建出由脆弱的量子位構成的更大的、能在足夠長的時間內保持穩定以執行有用的計算的陣列。

不過，無論量子計算是否能夠不負人們的熱烈期待，它對國家安全和技術領導地位的可能影響已經促使美國和中國采取行動。

量子通信和量子加密的進步可以產生理論上不可破解的網絡。量子雷達和傳感技術可以揭露隱形飛機和水下潛艇的位置。量子導航可以提供精確的地理定位能力，而無需依賴基于空間的GPS。這些影響會遠遠超出量子計算的影響。

去年9月，Kania與美國國土安全部的John Costello共同撰寫了一份CNAS報告，其中列舉了在國家支持下中國的科研人員對這些量子技術所做的許多研究工作。

中國的國家抱負實現巨大飛躍

Kania說，中國對量子技術的興趣與中國對美國在其境內的情報能力和監視活動的擔憂是密切相關的。中國******在2018年1月的新年致辭中強調了量子技術的戰略重要性，甚至特別提到了中國在量子計算方面取得的成功。

根據CNAS的報告，中國的科學家和工程師被描述為量子馬拉松的“相對后來者”，在發展量子科學和技術方面他們最近獲得了“幾乎無限的資源”。盡管缺乏有關中國為此類努力提供的國家資助的詳細信，但Kania和Costello估計“最近和目前的資助金額將達到數十億美元。”

這種由國家支持的資助已經轉化為一系列被廣泛報道的中國研究里程碑。2016年8月，中國發射了世界上第一顆量子衛星，它作為空間與地球量子通信鏈路的測試平臺使用。中國還在2016年完成了一條用于地基量子網絡的連接北京和上海的2000公里的光纖骨干網。

中國研究人員繼續展示了幾項值得注意的早期工作，包括在2017年利用他們的衛星來測試量子加密，并為通信中涉及的量子位之間的糾纏創造了距離記錄。

對中國國家戰略的另一瞥來自量子雷達領域。2016年9月，中國研究人員報告了在開發量子雷達方面的一項新紀錄，他們所開發的量子雷達在探測100公里以外的目標時提高了準確度——據報道，其可探測的距離是一個國際團隊在2015年開發的實驗室原型的5倍。中國研究人員表示，他們的下一個版本的量子雷達將能夠探測隱形轟炸機，并有可能追蹤彈道導彈。

芝加哥大學的自旋電子學和量子信息領域的教授David Awschalom說：“中國已經開啟了一個極其雄心勃勃的計劃，歐洲、英國、澳大利亞和加拿大也是如此。所有這些國家都有國家級計劃，所以現在美國也是時候這樣做了。”

美國裝配量子積木

Awschalom說，其他地方的研究人員有時很難評估中國國家量子科技計劃的成就。但是美國的國家級計劃可以幫助美國在量子技術發展的所有領域保持競爭力。例如，量子通信和傳感應用可能在未來五年內成為現實。

在這方面，美國已經開始建立中等距離的量子加密和通信網絡。一個值得注意的例子是連接阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室的那條48公里的量子網絡。這兩個國家實驗室與芝加哥大學共同建立了由Awschalom指導的芝加哥量子交換（Chicago Quantum Exchange）合作項目。

去年12月，美國參眾兩院在兩黨支持下通過了《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act）。盡管圍繞政府預算問題的更廣泛政治斗爭給該法案蒙上了陰影，但該法案仍有可能進一步推動美國在發展量子技術上的努力。

美國國家量子倡議要求包括美國國家宇航局和國家標準與技術研究所在內的各個政府機構為量子科學與技術制定發展路線圖。但這項計劃絕不僅僅是政府主導的努力。Awschalom將該倡議描述為是在美國工業界和學術界的支持下精心設計的。

這項國家計劃還賦予美國國家科學基金會和美國能源部任務，它們各要建立兩個至五個致力于量子信息科學基礎研究和教育的中心。

沖出實驗室

Awschalom表示，讓公司的研究人員參與進來，幫助將實驗室的發現和原型轉化為商業產品和服務，這一點尤其重要。他曾在IBM工作過，他觀察到硅谷最近對量子計算和相關技術的興趣，為公司支持的基礎研究工作帶來了健康的復興。

“IBM、Intel、Google和Microsoft——這四家主要的技術公司都在以深入而有意義的方式積極參與量子信息科學的發展。”Awschalom說。

發展人才對于任何從事量子研究的國家都是至關重要的。根據CNAS的報告，美國的國家級量子科技計劃可能有助于確保“一貫和基本的資金水平”，從而吸引和留住領先的研究人員。

該報告還建議美國國家科學基金會建立獎學金計劃，其承諾服務于鼓勵學生從事量子科學領域的職業。它同樣也建議建立一個美國國家量子科學和技術實驗室，通過資助長期研究項目來促進公私合作。

“我們的本科生和研究生不應該都期望進入學術界——他們應該遍布全國的實驗室和公司。”Awschalom說。“我自己的很多學生都在IBM和Google工作，他們很喜歡他們的工作。”